Nature子刊：通过仿生聚合物的序列工程来调整结晶途径

【引言】

目前，已有文献报导了在各种材料结晶相中出现无序、无定形或致密液态的两步成核途径，但是研究人员对这种途径的动力学尚不清楚。此外，无论是用该途径产生的结晶系统的一般特征，还是特定结构的细节，其结果均是未知的。使用原子力显微镜直接观察特定的聚合物结晶表明，结晶途径确实具有序列依赖性。当将短的疏水区域加入到直接形成结晶颗粒的序列中时，结晶反而遵循从产生10~20个分子的无序簇开始的两步途径，其特征在于高度非线性的结晶动力学，其中无序簇转化成有序结构，然后进入生长阶段。这个结果揭示了非经典结晶机理，并对自组装聚合物体系的设计产生了影响。

【成果简介】

近期，Nature Material发表了一篇关于调整高分子结晶途径的文章，题为“Tuning crystallization pathways through sequence engineering of biomimetic polymers ”。论文共同通讯作者是来自美国太平洋西北国家实验室的陈春龙、James J. De Yoreo。而近年来，针对许多系统已经提出了涉及组合比单体更复杂的物质的等级路径。这些途径包括两步法，最初原型为蛋白质，晶体在富含单体的非结晶簇中自发形成。然而，这些途径的报告主要基于模拟或间接测量，而且两步法的动力学也并未揭示：集群中的单体是否产生第一个结晶颗粒；提供异质成核的环境难以确定。所以此文的创新之处在于，研究人员利用原子力显微镜（AFM）的亚纳米分辨，观察到了聚合物表面促进结晶的倾向，找到形成二维结晶片和多孔网络的仿生聚合物的路径。

【图文导读】

图1 云母上形成的拟肽分子和晶体的结构

a Pepc（ 肽酶c）的分子结构。

b Pepb（ 肽酶b）的分子结构。

c提出的模型：完全去质子化的线性双层结构的Pepc组件，其结合Ca2+-羧酸酯配位键；类肽纤维垂直于表面生长。
c图中的不同颜色代表： C—灰色； O—红色；N—蓝色；Cl—青色；Ca2+—橙色。

图2 类肽组件及其形态的原位视图

a-e Pepc结晶； f-j Pepb结晶。

图3 晶体形成和双层添加的动力学

a 在10mM CaCl2溶液中Pepc的高度与时间的关系。

b 在10mM CaCl2溶液中Pepb的高度与时间的关系。

c Pepc中晶体数密度随时间的变化情况。

d Pepb中晶体数密度随时间的变化情况。
对于标记为10mM Ca2+ 的0.1mM Pepc的曲线，是将溶液混合之后立即通过0.2μm的过滤器，然后注入AFM流体细胞。
误差条表示在各个条件下测量值的两个标准误差（SE）。

图4 Pepc簇与晶体形成率的比较与模型预测

a 簇密度（空心符号）和晶体（闭合符号）与时间的关系。

b 从5-Å-高簇转化的3-nm-高结晶颗粒的百分比与时间的关系。

c，d 分别对应于a和b的代表性模型预测。
其中，c中的实线对应为晶体，虚线对应为簇。

图5 类肽的结晶途径和能量模型

a 早期阶段Pepc组装过程的类肽模型，显示疏水性结合物对类肽聚集倾向的影响。

b 晚期阶段Pepc组装过程的类肽模型，显示疏水性结合物对类肽聚集倾向的影响。

c 从Pepb的一步法到Pepc的两步法的途径改变，以及与向Pepb疏水区域添加相关的相应能量障碍的修饰。
颜色代码：C—灰色； O—红色；N—蓝色；Cl—青色；Ca2+—橙色。

【小结】

研究发现有很多因素影响结晶途径。Pepb的行为表明，即使对于稍复杂的分子，简单的结晶途径可占主导地位；然而，Pepc结晶表明，顺序上的轻微改变可以将途径转变为两步法。此外，单体聚集的倾向可以明显影响其转向趋势。

由于Pepc晶体自发形成的初始簇，经典成核理论（CNT）的常规表达式难以描述其动力学。而该研究人员模型中的耦合差分方程所描述出，速率由簇数密度以及簇转换为结晶粒子的速率常数确定。Pepb晶体的形成显示了成核一些特征，包括：浓度时间依赖性孵育；晶体生长速率v对Cp的线性依赖性；通过CNT很好地拟合了J对过饱和度的依赖，并且表现出蛋白质间合理的界面自由能。速率数据也同时是无障碍相分离的证据，其中无序簇与某些无机系统提出的预成核簇类似，形成速率是动力学转换障碍的反应表现。

实验中的两步过程不同于在成核之前体内无序相的变化过程，其与表现出无序微观前体体系的关系难以把握。结晶步骤也不太清楚，实验过程中的一小部分蛋白质似乎能形成晶核，但考虑到Pepc簇的大小，大多数类肽应该包含核。Pepc簇与无机系统报告的预核簇（PNC）的关系同样不清楚。此外，PNC如何转变为晶体，以及该过程的成核或聚集的应动力学也是未知的。因此该项研究仍极富挑战性。

最后，生产和分离无序前体或直接进入结晶相的能力在生物体系和合成过程中具有潜在价值（如药物制剂），该项研究表明了极具价值的设计原则：可以通过调整低聚自由能的大小来选择途径——决定如何形成结晶前体。

文献链接：Tuning crystallization pathways through sequence engineering of biomimetic polymers（Nature Material ，2017，DOI: 10.1038/NMAT4891）

本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿，材料牛编辑整理。

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