2024年5月，四川大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院吳冬冬教授與晨佇科技白晨團(tuán)隊(duì)在Angew. Chem. Int. Ed.上發(fā)表了題為“Multi-Responsive Peptide-Based Ultrathin Nanosheets Prepared by a Horizontal Monolayer Assembly”的研究論文。這項(xiàng)研究這項(xiàng)工作不僅刷新了肽基納米材料的厚度記錄，也為2D材料的功能化和智能化提供了新的思路。

材料簡(jiǎn)介

二維（2D）納米材料因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)和在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，2D材料展現(xiàn)出了作為藥物遞送系統(tǒng)、生物傳感器和組織工程支架的巨大潛力。然而，現(xiàn)有的2D材料往往存在制備復(fù)雜、功能單一等問題，限制了它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的效能。為了克服這些限制，研究團(tuán)隊(duì)聚焦于肽基材料，利用其生物相容性好、結(jié)構(gòu)可調(diào)等特點(diǎn)，通過創(chuàng)新的共價(jià)-物理制造策略，成功制備了厚度僅為1納米的超薄納米片。

研究測(cè)試

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)采用了一種分層共價(jià)物理制造策略，制備了厚度約為1納米的基于肽的自組裝納米片。通過螺旋肽E3與偶氮苯（AZO）結(jié)構(gòu)的共價(jià)交替聚合，產(chǎn)生了共聚物CoP(E3–AZO)，這些共聚物在物理上自組裝成了超薄的納米片，形成了一個(gè)意想不到的二維水平單層排列，這種特殊的單層排列使得納米片的厚度等同于單個(gè)線性共聚物的橫截面直徑。。通常在自組裝納米片中，自組裝分子都是垂直于納米片片面進(jìn)行堆積和排列的，納米片的厚度由自組裝分子的長(zhǎng)度所決定，至少都是大于2 nm。因此這里報(bào)道的自組裝聚合物平行于納米片平面的排列方式則是一個(gè)罕見的現(xiàn)象。

圖 1. 超薄納米片的形成和表征。 (a) 通過共價(jià)聚合和物理自組裝的分層過程合成二維超薄納米片的示意圖。(b) 超薄納米片的 SEM 圖像。 (c) 超薄納米片的 AFM 圖像和高度剖面。 (d) 超薄納米片的 TEM 圖像。(e) 超薄納米片粉末樣品的 WAXS 光譜。 (f) AFM 圖像，指示與 WAXS 圖中的兩個(gè)峰值信號(hào)相對(duì)應(yīng)的納米片中可能的距離。(g) 分子卡通圖，說明單個(gè)納米片內(nèi)的規(guī)則高度變化。

接著利用分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)是多種分子間相互作用的協(xié)同效應(yīng)推動(dòng)了CoP(E3–AZO)自組裝成納米片。其中分子之間強(qiáng)的靜電相互作用導(dǎo)致共聚物聚集， 納米片的π-π堆積和陰離子表面有利于二維自組裝，疏水效應(yīng)和氫鍵可以穩(wěn)定二維聚合物組裝。

圖2.超薄納米片的分子模擬。 (a) E3與偶氮苯形成的共聚物自組裝的分子動(dòng)力學(xué)模擬。 該模型共聚物由兩個(gè)E3片段和一個(gè)偶氮苯結(jié)構(gòu)組成。 模擬顯示了模型共聚物在初始狀態(tài)（0 ns）和最終狀態(tài)（500 ns）的結(jié)構(gòu)。 (b) π-π 面板之間的距離和聚集模型聚合物的厚度的演變。 (c) 兩種模型聚合物（含偶氮苯）的 DFT 優(yōu)化結(jié)構(gòu)； π-π面板之間的距離為4.8 ?。 (d) 平行聚合物的構(gòu)型。 帶正電的賴氨酸殘基顯示為藍(lán)色，帶負(fù)電的谷氨酸殘基顯示為紅色。 (e) 平行聚合物上下表面的靜電勢(shì)。帶正電的區(qū)域顯示為藍(lán)色，帶負(fù)電的區(qū)域顯示為紅色。

另外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)用不同方法，例如光處理、pH調(diào)節(jié)、添加劑的加入和共溶劑的引入，可以改變分子相互作用并調(diào)節(jié)CoP(E3–AZO)的自組裝，產(chǎn)生多樣化的納米結(jié)構(gòu)。

圖 3. 超薄納米片的光響應(yīng)。

圖 4. CoP(E3–AZO) 在不同環(huán)境中的自組裝。 CoP(E3–AZO) 自組裝的 AFM 圖像（a）在 pH 為 4 時(shí)，（b）在 pH 為 10 時(shí)，（c）與 K3 分子，以及（d）與 CoP(K3-AZO) 共聚物。 AFM圖像右側(cè)的圖顯示了白線所在區(qū)域的高度分布。

圖 5.AFM 圖像顯示 CoP(E3-AZO) 在 50 vol% CH3CN/H2O 中自組裝 2、10、17 和 24 天時(shí)的結(jié)構(gòu)演化。 AFM 圖像下方的圖表顯示了白線所在區(qū)域的高度剖面。

值得注意的是，這些超薄納米片在特定濃度下能選擇性地抑制癌細(xì)胞。

圖6.超薄納米片對(duì)4T1細(xì)胞的抗癌活性。 (a) 用不同濃度的超薄納米片處理的 4T1 細(xì)胞的相對(duì)細(xì)胞活力 (n=3)。 誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。 (b) 用不同濃度的超薄納米片處理的 L929 細(xì)胞的相對(duì)細(xì)胞活力 (n=3)。 誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。 (c) 用 1 mg/mL 超薄納米片處理 24 小時(shí)的 4T1 細(xì)胞的細(xì)胞形態(tài)。 (d) 用 1 mg/mL 的超薄納米片處理 48 小時(shí)的 4T1 細(xì)胞的細(xì)胞形態(tài)。 (e) 用 1 mg/mL 超薄納米片處理 24 和 48 小時(shí)的 L929 細(xì)胞的細(xì)胞形態(tài)。 (f) 0.5 mg/mL 超薄納米片與 4T1 細(xì)胞孵育 24 和 48 小時(shí)的 AFM 圖像。 (g) 示意圖顯示 pH 響應(yīng)性超薄納米片抑制 4T1 細(xì)胞生長(zhǎng)。

這項(xiàng)研究不僅豐富了2D納米材料的家族，也為生物醫(yī)學(xué)材料的開發(fā)提供了新的平臺(tái)。超薄納米片的智能響應(yīng)特性，使其在傳感、催化、電化學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它們?yōu)榘┌Y治療提供了新的策略。

研究論文原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202405765