糖头基对生物启发阴离子糖脂自组装行为的影响：结构-性质关系的系统研究

《Langmuir》：Influence of Sugar Headgroup on the Self-Assembly of Bioinspired Anionic Glycolipids

这篇综述系统探究了糖头基结构（半乳糖、木糖、鼠李糖）对阴离子糖脂临界胶束浓度（CMC）、界面行为、聚集体形貌及胶束化热力学的关键影响。研究发现糖头基的亲水性（羟基数量）和C5取代基性质（-CH3, -CH2OH, -H）通过调节糖-糖相互作用、水合作用及头基堆积，精细调控了胶束的椭圆体结构及热力学驱动力（ΔGomic, ΔHomic, TΔSomic），为理性设计新型生物启发两亲分子提供了分子层面的见解。

　　

引言

糖脂是由疏水链与亲水糖头基共价连接构成的两亲分子，其独特的分子结构使其能够在特定条件下于水环境中发生自组装。近年来，通过受控碳水化合物合成产生的生物启发合成糖脂，在环境修复和药物递送等领域展现出重要的应用潜力。它们降低表面和界面张力、稳定乳液以及形成胶束和囊泡等超分子结构的能力，也引起了胶体与界面科学领域的广泛兴趣。然而，生物合成途径常产生复杂的同系物混合物，这限制了更系统的结构-性质研究。因此，分子结构明确、具有生物启发性的合成糖脂模型系统被用于克服这一挑战。尽管对天然非离子糖脂胶束化行为的研究表明其高度依赖于两亲分子的分子特性，但对于阴离子糖脂自组装性质，尤其是其胶束化热力学曲线的研究仍相对不足。一个关键的科学问题是：糖头基的结构变化如何调节其表面活性参数，进而影响其聚集体结构和胶束化热力学？本研究旨在通过系统研究一系列具有不同糖头基（半乳糖、木糖、鼠李糖）的生物启发合成阴离子糖脂的自组装行为，来回答这一问题。

材料与方法

研究使用商业购买的α-糖基化十四烷酸糖脂的钠盐（GC14、XC14、RC14），纯度高于95%，溶剂为pH 7.4的磷酸盐缓冲液以确保糖脂完全电离。

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  克拉夫特温度测定：通过监测90 mmol L^-1糖脂溶液在加热过程中的透光度变化来确定其完全溶解所需的最低温度。
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  表面与界面性质：使用光学张力计测量不同浓度糖脂溶液的表面张力，绘制γ-logC曲线，通过两段线性外推交点确定临界胶束浓度（CMC），并利用吉布斯吸附等温线估算界面分子面积（a₀）。
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  聚集体结构表征：
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    动态光散射（DLS）：测量糖脂聚集体的流体力学半径（R_H）。
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    小角X射线散射（SAXS）：用于详细解析胶束的形貌和内部结构。实验数据采用核-壳椭圆回转体模型进行拟合，获得核心半径（R）、壳层厚度（th）、椭圆偏心率（ε）等关键参数，并据此计算聚集体积和聚集数（N_agg）。
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  胶束化热力学参数测定：
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    电导率：在纯水中测定糖脂的电导率随浓度变化曲线，用于确定CMC和胶束解离度（α）。
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    等温滴定量热法（ITC）：在45至60°C的温度范围内，将浓缩糖脂溶液滴定到缓冲液中，直接测量胶束化过程的热效应。通过分析热谱图，获得标准胶束化焓变（ΔH^o_mic）。结合CMC和α值，利用公式ΔG^o_mic= (2 - α)RT ln CMC 计算标准吉布斯自由能变（ΔG^o_mic），再通过基本热力学关系式 ΔS^o_mic= (ΔH^o_mic- ΔG^o_mic) / T 计算标准熵变（ΔS^o_mic）。

结果与讨论

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  克拉夫特温度：透光度随温度变化的曲线表明，GC14的克拉夫特温度为41 ± 1°C，而XC14和RC14在低至16°C时仍未观察到晶体形成，表明其克拉夫特温度显著更低。为确保三种糖脂在可比条件下研究，后续实验温度设定在45°C及以上。
  –1 and pH 7.4.">
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  表面与界面性质：表面张力测量显示，三种糖脂的γ值均随浓度增加线性下降直至达到平台，平台起始点对应的浓度即CMC。CMC值呈现明显趋势：GC14 (3.3 ± 0.3 mmol L^-1) > XC14 (1.7 ± 0.1 mmol L^-1) > RC14 (1.3 ± 0.1 mmol L^-1)。这一趋势与糖头基中羟基数量（G > X = R）直接相关，羟基越少，CMC越低。RC14和XC14之间较小的CMC差异归因于鼠李糖C5位的甲基使其头基亲水性弱于木糖。界面分子面积（a₀）的趋势为G < X < R，反映了不同糖头基在空气-水界面的堆积效率差异。
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  糖脂聚集体的结构表征：DLS结果显示所有样品均表现为单一尺寸的散射体，R_H值分别为GC14 (2.3 nm)、XC14 (3.0 nm)、RC14 (2.5 nm)，提示可能存在非理想球形结构。SAXS数据提供了更精确的结构信息。散射曲线在q值约1 nm^-1处存在最小值，峰间距不规则，表明粒子形状各向异性。数据拟合最佳模型为核-壳椭圆回转体模型，证实了胶束的椭圆体形貌。
  –1, pH 7.4, and 45 °C. The solid black lines correspond to the fitted curves using a core–shell ellipsoidal model.">
  拟合参数显示，XC14和RC14的核心半径（R）相似（均为1.68 nm），大于GC14（1.55 nm）。RC14的偏心率（ε = 1.47）略小于XC14（ε = 1.56）和GC14（ε = 1.51），表明其形成的椭圆体胶束形变更小、结构更紧凑。三种糖脂的壳层厚度（th）基本一致（~0.45 nm），与糖环尺寸相当。聚集数分析表明，考虑整个胶束体积（核心+壳层）时，XC14的聚集数最大（158），GC14最小（123）。结合界面分子面积估算的聚集数与体积估算值存在差异，但支持了壳层模型描述的是一种紧凑、适度水合的头部基团层。
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  胶束化热力学及糖头基的作用：ITC测量获得了胶束化的热力学参数。在所有实验条件下，ΔG^o_mic均为负值，表明椭圆体胶束在热力学上比自由单体更稳定，且RC14的稳定性最高（ΔG^o_mic最负）。胶束化过程同时受焓和熵驱动（ΔH^o_mic为负，TΔS^o_mic为正）。随着温度升高，焓驱动增强（ΔH^o_mic变得更负），而熵驱动减弱，显示出明显的焓-熵补偿效应。
  在45°C时，焓有利性顺序为RC14 > XC14 > GC14，熵有利性顺序为RC14 > GC14 > XC14。这表明，尽管羟基数量主导了溶解度和CMC，但糖环C5位的取代基性质对胶束化热力学有更决定性的影响。RC14的C5位甲基在胶束化过程中去水合，促进了胶束核心-电晕界面的放热色散相互作用，并通过将疏水基团从水中移除提供了额外的熵增益。GC14的C5位是-CH₂OH，其熵增益大于XC14，可能与该基团的部分去水合有关，但其焓变不如RC14有利，可能与头部基团为适应胶束堆积而发生构象重排有关，这也得到了SAXS结构分析的支持。

结论

本研究系统揭示了糖头基结构对阴离子生物启发糖脂自组装行为的多层次影响。糖头基的亲水性（羟基数量）直接调控其临界胶束浓度（CMC），而C5位取代基的性质（-CH₃, -CH₂OH, -H）则成为调控聚集体椭圆体形貌、尺寸及胶束化热力学驱动力的关键分子开关。具体而言，亲水性最弱的鼠李糖头基（RC14，含-CH₃）展现出最低的CMC、最有利的胶束化焓变和熵变，形成了热力学最稳定的胶束。这些发现阐明，通过精细设计糖头基的化学结构，特别是C5位的取代基，可以定向调控离子型糖脂的界面性质、聚集态结构和组装能量学，从而为面向药物递送、化妆品配方等应用的新型生物启发两亲分子的理性设计提供了坚实的分子层面基础。