分享一篇近期发表在Angewandte Chemie International Edition上的文章，题为：Triangular Nanotoroids Self-Assembled from Polypeptide Homopolymers: The Formation Route and Mechanisms。该文章的通讯作者为华东理工大学的林嘉平教授和蔡春华教授。

    纳米环形体常见于DNA、蛋白质等生物大分子中，其独特的几何形状和拓扑特性对于理解生物大分子功能以及开发纳米反应器、生物成像材料等应用具有重要意义。相较于直接自组装，基于预成型组件的形态转变法在构建复杂纳米结构方面展现出优势，可通过调控中间体的演化过程来制备纳米环形体。然而，天然纳米环形体多为非圆形（如多边形、“8”字形），而人工制备的体系仍以圆形为主，因此，可控制备形态均一的非圆形纳米环形体仍是当前面临的核心挑战。

    多肽自组装是制备纳米环形体的重要途径之一，通过调控分子间作用力已可实现多种结构的可控构建。但现有研究多集中于寡肽体系，对多肽纳米环形体的探索相对有限，且所得拓扑结构较为单一。因此，开发具有新颖形态的多肽纳米环形体，是突破当前结构局限的一个重要研究方向。

    在本文中，作者首次发现疏水性的γ-苄基-L-谷氨酸均聚物（PBLG）可通过三步自组装过程形成三角形纳米环形体。随着水含量增加，体系依次经历纳米纤维形成、纤维卷曲成圆形纳米环、以及圆形环进一步折叠为马鞍状、V形和最终三角形纳米环形体的形态演变过程。该研究实现了多肽自组装体系中首例三角形纳米环形体的可控构建。

图1. PBLG₁₉₀₄自组装形成的三角形纳米环形体(a) 制备路线及PBLG分子结构示意图。(b) SEM图像，插图为冷冻SEM图像。(c) TEM图像，插图为流体动力学半径分布。(d) AFM图像及对应高度剖面。(e) 边长统计分布。(f) 内角统计分布。(g) 边长与边宽随聚合物浓度的变化关系。比例尺：500 nm。

    本研究通过溶剂调控法制备了三角形纳米环形体：将PBLG₁₉₀₄溶于二恶烷/DMF混合溶剂后，注入水使其体积分数达23.1%（远超临界含水量4.3%），经稳定透析后获得水分散体（图1a）。SEM/TEM图像证实三角形结构的形成（图1b,c），其尺寸均匀（边长380±25 nm，边宽85±10 nm）。冷冻SEM表明形貌为溶液相固有特征，DLS显示流体动力学半径约112 nm且分布集中，共同验证了结构的均一性。

    AFM显示三角形纳米环形体的三维构型（图1d）：一侧高度呈梯度变化（88–150 nm），另两侧等高（约88 nm）。其右手手性经AFM/SEM共同确认，源于PBLG分子的手性。统计测量表明，三角形纳米环形体边长集中于300–450 nm（图1e），内角多为45°–75°（图1f），符合等边三角形特征。尺寸可通过浓度调控：浓度自0.02 g/L增至5 g/L时，边长由约270 nm增至550 nm（图1g），边宽同步略增。

    聚合度（DP）是调控三角形纳米环形体形成的关键因素。实验发现其临界DP值约为1300：低于该值生成纺锤形结构；接近时形成环形与纤维混合物；超过该值则均可获得尺寸形态均一的三角形纳米环形体。该现象归因于PBLG链持久长度（约200 nm，对应DP≈1300）决定的刚性转变，超过此阈值后分子链呈稳定半刚性，使自组装形貌不再随DP变化。

    本研究通过调控含水量（4.5–50.0 vol%）探索PBLG自组装过程。直接透析均得到三角形纳米环形体，而冷冻法显示低含水量（4.5–20.0 vol%）下存在多种过渡形态（图2、3），其在透析中会转化为终产物。证明三角形纳米环形体经由中间态演变形成，冷冻处理对捕捉该动态过程至关重要。

图2. PBLG₁₉₀₄自组装形成圆形纳米环形体的过程。（a-c)不同含水量下的SEM图像：(a) 4.5 vol%（纳米纤维），(b) 4.8 vol%（球拍状结构），(c) 5.7 vol%（圆形纳米环形体）。插图分别为对应结构的示意图。（d-f)与a-c对应的AFM图像及高度剖面。（g) 纳米纤维卷曲形成圆形纳米环形体的示意图。比例尺：500 nm。

图3. PBLG₁₉₀₄自组装形成三角形纳米环形体的形态演变。(a-d) 不同含水量下的SEM图像：(a) 9.1 vol%（马鞍状），(b) 16.7 vol%（V形），(c) 20.0 vol% 和 (d) 50.0 vol%（三角形纳米环形体）。(e-h) 与a-d对应的AFM图像及高度剖面。(i) 从圆形纳米环转变为三角形纳米环的示意图。插图：各结构的多角度示意图。比例尺：500 nm。

    图2展示了含水量在4.5–5.7 vol%范围内PBLG自组装形成的纳米结构。随含水量增加，PBLG自组装形态依次演变：4.5 vol%时形成直径约12 nm的纳米纤维（图2a,d）；4.8 vol%时出现球拍状结构（图2b,e）；5.7 vol%时形成圆形纳米环形体（内径320±16 nm，外径480±37 nm，宽度80±10 nm）（图2c,f）。AFM高度轮廓与SEM结果一致，证实圆形纳米环由球拍状结构环部卷曲形成（图2g）。

    随着含水量进一步增加，纳米环拓扑结构发生连续演变（图3）。随含水量增加，纳米环依次演变为：9.1 vol%时形成马鞍状结构（高侧150 nm/低侧86 nm）；16.7 vol%时转为V形（高部200 nm/低部86 nm）；20.0 vol%时形成三角形纳米环（高边170 nm/低边88 nm）；23.1 vol%后三角形高度略降至150 nm并保持稳定（图3a-h）。综合形貌分析表明，三角形纳米环经由马鞍状→V形→三角形的含水诱导折叠路径形成（图3i）。由于结构的三维特性，其SEM/AFM形貌随观测角度变化明显。

    本研究尝试对该结构的形成机理进行了解释。疏水性多肽PBLG在有机溶剂中呈α螺旋构象，初始状态下分子链良好溶解。水的加入使溶剂极性增强，触发PBLG自组装为刚性纳米纤维，其中分子链沿纤维长轴平行排列并相互缠绕。随着含水量进一步增加，界面能上升引发多肽链收缩，产生内部扭曲应力，驱动纳米纤维卷曲形成球拍状中间体，并最终闭合为圆形纳米环。

图4. PBLG自组装过程中的结构表征与转变机理。(a,b) 不同含水量下聚集体的红外光谱。(c) 圆二色及紫外-可见光谱。(d) 广角X射线散射（WAXS）图谱。插图为PBLG链并行排列模式示意图（d_polymer表示链间距）。(e) 圆形纳米环向三角形纳米环转变的机理示意图。

    含水量继续升高促使圆形纳米环向三角形结构转变。FTIR、CD及WAXS表征表明（图4a–d），在所有含水条件下PBLG均保持α螺旋构象（α螺旋含量93.5%–100%），但相邻链间距随拓扑转变逐步减小（从1.39 nm降至1.32 nm）。说明在界面能驱动下，多肽链堆积更紧密、扭绞加剧，内部应力促使圆形环通过马鞍形、V形中间态折叠为三角形结构（图4e）。

    在高含水环境中，PBLG界面能随含水量的变化趋于饱和，继续加水不会引发明显的内部应力。三角形纳米环凭借其显著减小的表面积（从约3.28×10⁵ nm²降至2.99×10⁵ nm²），实现了更低的界面能，因而成为热力学最稳定的构型，展现出优异的结构稳定性。

    综上所述，本研究首次实现了PBLG多肽自组装形成三角形纳米环形体，突破了传统方法仅能获得圆形结构的限制。提出内应力驱动的圆形-三角形拓扑转变新机制，深化了对环形体形成过程的理解，为复杂纳米结构构建提供了新策略。该三角形纳米环形体结构稳定，在药物递送和生物界面研究等领域具有应用潜力。

作者：XJQ 

DOI: 10.1002/anie.202508525

Link: https://doi.org/10.1002/anie.202508525