由两亲性梳状-螺旋嵌段共聚物构成的囊泡的结构、渗透性和承载能力：基于主动学习的计算机模拟

《Journal of Molecular Liquids》：Structure, permeability and load capacity of vesicles from amphiphilic comb-coil diblock copolymers: Active learning assisted computer simulation

自组装在溶液中由具有亲水性主链（线性块和梳形块主链）和疏水性悬垂链的 amphiphilic comb-coil 二嵌段共聚物研究。通过粗粒度计算机模拟和扩展主动学习算法确定相空间中的形态图边界，发现六种稳定形态：均匀溶液、毛发状胶束、多域结构、平面双层、囊泡和多孔态。囊泡根据梳形块比例和溶剂亲和性分为两种类型：径向排列形成多通道厚膜，释放快；切向排列形成薄连续膜，释放慢。结构决定负载容量和渗透性，为药物递送和分子捕获提供新策略。

　　研究者Aleksandr I. Buglakov、Kristina A. Belkina和Valentina V. Vasilevskaya在研究一种具有亲水主链和疏水侧链的梳状-线性二嵌段共聚物在溶液中的自组装行为。他们采用了一种粗粒度的计算机模拟方法，研究了这些共聚物在不同分子参数下形成的多种结构，包括胶束、球形多域粒子、平面双层、囊泡以及无序状态。通过扩展的主动学习方法，对相参数空间进行了有效的采样，以确定这些结构之间的边界。

他们的研究发现，稳定的囊泡可以在广泛的分子参数范围内形成，并且其结构、通透性和负载能力可能显著不同。在某些情况下，囊泡具有高度通透的多通道膜，而另一些情况下则形成薄而连续的膜，从而阻止活性物质的释放。这两种不同的结构形成机制取决于梳状块在膜中的取向：前者是线性二嵌段共聚物的线性块在膜中径向排列，后者则是梳状块沿着膜表面切向排列。囊泡的结构和功能特性由梳状块的相对含量决定，并且随着溶剂对不同组分的相容性变化而变化。

这一研究的背景是，尽管二嵌段共聚物的自组装机制在理论和实验上已有广泛研究，但仍存在许多未解的问题。例如，难以实现精确控制的结构和狭窄的聚集数分布。自组装的结果强烈依赖于制备技术，即使所有理论条件都满足，实验细节也可能意外地改变结果。此外，对相容性参数的控制通常需要复杂的化学修饰，这会引入额外的参数，使系统更加复杂。

尽管如此，这种额外的复杂性为调整共聚物自组装结果提供了新的可能性。在高度不相容的主链和侧链的情况下，可以形成清晰且易于重复的结构。这有助于形成具有极窄尺寸分布的胶束溶液，或者在形成圆柱形聚集物时，其直径也可能被固定。研究还指出，线性二嵌段共聚物和类似接枝的共聚物已被用于生产囊泡和其他复杂的超分子结构。当主链和侧链的相容性和有序性结合在一起时，可能的结构多样性显著增加，从而带来更高的功能性潜力。

在研究过程中，采用了粗粒度模拟技术，如耗散粒子动力学（DPD），以访问相关的时空尺度。DPD相较于经典分子动力学的优势在于其对溶剂的内在显式性以及对水动力相互作用的可重复性，这在考虑溶液自组装时尤为重要。尽管计算能力近年来有所提升，但胶体系统计算仍然资源密集且耗时。因此，许多作者选择使用网格搜索方法，以平衡计算成本和结果图的细节。然而，最近机器学习领域的先进方法被引入，用于构建相图，从而提高采样效率，这种方法在某些情况下可以比常规网格搜索或随机采样高效五倍。

研究团队使用了一种基于贝叶斯优化的主动学习方法，来构建相图。该方法首先通过被动采样识别不同的形态状态，然后利用概率回归模型对整体图进行插值。接着，通过选择最大获取函数的新点进行计算和相态识别，从而在探索和利用之间保持平衡。随着新点的计算，算法不断优化回归模型，重复这一过程直到达到所需的精度。这种方法允许在参数空间中找到相态边界，同时保持较高的效率。

研究结果以形态图的形式呈现，该图在梳状块体积分数和亲水组分与溶剂的相容性参数下划分了六个不同的状态：均质溶液、胶束溶液、多域结构、平面双层、囊泡和无序状态。每个状态都具有不同的结构特征和行为模式。例如，均质溶液表现为溶剂的均匀分布，而胶束溶液则表现出核心-壳层结构。多域结构则呈现出复杂的形态变化，包括球形或蠕虫状的疏水域。平面双层结构则显示出类似三明治的形态，而囊泡结构则具有中心空腔，被溶剂填充。

研究还发现，囊泡的结构特征与参数密切相关。在参数空间的上半部分，囊泡具有较大的空腔和较高的溶剂装载能力。而在下半部分，囊泡的膜更厚，通透性更高，但装载能力较低。此外，囊泡的膜通透性和装载能力还受到主链和侧链之间相容性的调控。当主链和侧链之间的相容性增加时，囊泡的装载能力可能显著下降，而通透性则提高。

研究团队进一步探讨了溶剂相容性对囊泡功能的影响。他们发现，囊泡的膜通透性与其结构特征密切相关。当主链和侧链之间的相容性较低时，囊泡的膜结构可能更厚，通透性较低，但装载能力较高。而在相容性较高时，囊泡的膜结构更薄，通透性较高，但装载能力较低。因此，研究结果揭示了如何通过调整相容性参数来优化囊泡的装载能力和通透性。

最后，研究团队指出，这种梳状-线性二嵌段共聚物的自组装特性可以为多功能材料的开发提供重要指导。通过调整主链和侧链的相容性，可以实现对囊泡结构和功能的精确控制。这不仅有助于开发具有高通透性的药物输送系统，还可能用于其他应用，如吸收血液中的有毒分子或在特定环境中释放活性物质。研究还强调了通过实验和理论的结合，可以进一步探索这种共聚物的自组装行为，并为实际应用提供理论支持。