《Polymer》：Spatial Localization–Dependent Thermodynamic Coupling in PNIPAm–DPPC Hybrid Liposomes
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Marta Ruano|Tatiya Trongsatitkul|Bridgette M. Budhlall|Francisco Ortega斯特拉斯克莱德大学斯特拉斯克莱德药学与生物医学科学研究所，英国格拉斯哥摘要将热响应聚合物与脂质膜结合，可以将分子相变转化为介观尺度的机械响
Marta Ruano|Tatiya Trongsatitkul|Bridgette M. Budhlall|Francisco Ortega
斯特拉斯克莱德大学斯特拉斯克莱德药学与生物医学科学研究所，英国格拉斯哥
摘要
将热响应聚合物与脂质膜结合，可以将分子相变转化为介观尺度的机械响应。在本研究中，通过双层嵌入（BI PNIPAm/DPPC）和脂质体形成后的表面吸附（CO PNIPAm/DPPC）方法，将聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-丙烯酸)（PNIPAm-COOH）引入DPPC脂质体中，以探讨聚合物的定位如何影响膜的热力学性质和流体动力学直径的减小。当温度升高超过PNIPAm的临界溶解温度（LCST）时，BI PNIPAm/DPPC脂质体的流体动力学直径减少了约22%。假设其形状为球形，这相当于表观体积减少了50%以上；然而，动态光散射（DLS）测量的是流体动力学尺寸，并不能直接量化囊泡的体积。纳米差示扫描量热法显示脂质的主要相变过程有所减弱且变宽，表明酰基链的协同作用降低，但膜并未发生不稳定。双向方差分析（ANOVA）表明温度是结构变化的主要驱动因素，而配方差异则影响了收缩的程度。冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）证实了在热循环过程中囊泡形态得以保持。与DPPC对照组相比，聚合物改性的系统表现出更强的温度触发型药物释放能力，从而将聚合物相变与功能性渗透性的变化联系起来。这些发现表明，聚合物的空间定位是设计热力学耦合的膜-聚合物系统的关键参数。
引言
脂质体是研究最为广泛的软物质系统之一，由于其与细胞膜的结构相似性、生物相容性以及能够包裹亲水性和疏水性化合物的能力，因此既可作为生物膜的模型，也可作为多功能药物输送载体[1]、[2]、[3]。自1965年Bangham首次提出脂质体概念以来，它们已经发展成为高度可调的超分子组装体，其物理化学性质取决于脂质组成、大小、层状结构以及是否掺入了聚合物和表面修饰剂等功能性成分[4]。根据大小和结构，脂质体通常被分为多层囊泡（MLVs）、大型单层囊泡（LUVs，0.1–1 μm）和小型单层囊泡（SUVs，20–100 nm），其中大小和层状结构对膜力学、渗透性和药物保留能力有重要影响[4]。
在功能性脂质体系统中，热敏脂质体（TSLs）因其在生理相关的高温条件（39–43 °C）下能够发生渗透性变化而受到广泛关注[4]、[5]、[6]。这些系统的热响应行为与磷脂双层的固有热致相变密切相关。DPPC（1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷脂胆碱）在34–36 °C时表现出明显的预转变（Lβ′ → Pβ），在约41 °C时发生主要的凝胶-液晶转变（Lβ′ → Lα）[7]、[8]。主要转变特征是酰基链的协同熔化，导致膜流动性和渗透性增加。这些相变为触发药物释放提供了物理化学基础，但也可能促进传统脂质体的过早泄漏和结构不稳定[9]、[10]、[11]。
为了提高结构稳定性并引入可控的响应性，将热响应聚合物整合到脂质体中已成为一种有效策略。聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAm）特别具有吸引力，因为其在生理温度附近的临界溶解温度（LCST）行为较为特殊。在LCST以下，PNIPAm链处于水合状态且伸展，提供空间稳定性；而在LCST以上，脱水导致的链收缩会引起构象变化并增加疏水性。当与脂质双层结合时，这种从卷曲态到球状态的转变可以产生机械应力，改变膜的结构并调节双层的渗透性[12]、[13]。
选择PNIPAm-COOH作为热响应成分，是因为其末端羧基功能不仅可以通过碳二亚胺介导的偶联反应实现后续的PEG修饰，还可以通过氢键和静电效应增强与磷脂头基团的相互作用[14]、[15]。此外，PNIPAm衍生物的LCST位于生理相关的高温范围内，并且可以通过分子量、离子强度、聚合物浓度和末端基团化学性质等因素进行调节[16]。这些特性使得PNIPAm-COOH成为研究聚合物相变如何与膜热力学及囊泡尺度机械响应相关联的理想模型系统。
因此，聚合物-脂质杂化系统为通过聚合物相行为与脂质热致相变之间的界面耦合来设计响应性膜力学提供了可能。根据整合方法的不同（BI PNIPAm/DPPC（双层嵌入）或CO PNIPAm/DPPC（表面吸附），聚合物可能会对双层的组织结构、协同熔化行为和结构稳定性产生不同的影响。
在这项研究中，我们采用了两种不同的策略来研究装载了多柔比星（DOX）并经过羧基修饰的PNIPAm改性的约1 μm DPPC脂质体的热响应结构行为：(i) BI PNIPAm/DPPC（双层嵌入）和(ii) CO PNIPAm/DPPC（表面吸附）。选择微米级的囊泡是为了能够详细研究聚合物-膜耦合、热诱导的结构转变以及尺寸调节动态。尽管纳米级脂质体通常更适用于系统输送，但较大的囊泡为阐明基本的结构-性质关系提供了简化且易于实验操作的平台。
通过结合热分析和尺寸表征，本研究旨在阐明PNIPAm的相变行为如何与DPPC双层的热力学性质相结合，从而调节囊泡的稳定性和热诱导的收缩。建立这些聚合物-脂质的结构-功能关系对于合理设计具有可控释放特性和可调膜力学的热响应性纳米材料至关重要。
虽然之前已有关于PNIPAm-脂质体系统的报道[13]、[17]、[18]，但尚未在单一实验框架内系统地关联聚合物LCST行为、脂质协同熔化和囊泡尺度机械收缩之间的定量热力学耦合。
章节摘录
材料
1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷脂胆碱（DPPC）和1-肉豆蔻酰-2-[12-[(7-硝基-2-1,3苯并噁唑-4-基)氨基]月桂酰]-sn-甘油-3-磷脂胆碱（NBD-PC）来自Avanti公司；4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙烷磺酸（HEPES缓冲液）；乙酸钠（NaOAc缓冲液）；磷酸盐缓冲盐水（PBS）；NaCl来自Sigma-Aldrich公司；聚(N-异丙基丙烯酰胺)；羧基修饰的Mn 2,000 Da（PNIPAm-COOH）；N-乙基-N'-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐（EDC）。
热致相变行为的纳米差示扫描量热分析
使用Nano-DSC研究了DPPC脂质体和BI PNIPAm/DPPC（双层嵌入）的热致相变行为（图5）。
对照DPPC脂质体表现出特征性的预转变（Tp）和明显的相变（Tm），对应于酰基链的协同凝胶（Lβ′）→液晶（Lα）转变[20]、[22]。狭窄的转变峰和明确的焓变证实了对照双层的结构完整性和高协同性。
引入...
讨论
本研究表明，脂质-聚合物杂化囊体的热响应行为不仅仅取决于聚合物的存在，还取决于其在脂质双层中的空间分布。通过双层嵌入或表面吸附将PNIPAm-COOH引入DPPC脂质体中，我们系统地调节了膜的扰动、电学性质和温度依赖的机械响应[21]、[26]、[27]、[28]。
纳米差示扫描量热（Nano-DSC）测量显示，在温度升高超过聚合物LCST时，流体动力学直径减少了约22%。
结论
本研究建立了一种结构可编程的策略，通过控制PNIPAm-COOH和PEG在DPPC膜中的空间定位来设计热响应性脂质-聚合物杂化囊体。聚合物的引入对脂质的协同性产生了适度的扰动，同时保持了囊泡的整体结构，这一点通过纳米差示扫描量热（nano-DSC）和冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）分析得到了证实。
温度依赖的动态光散射（DLS）测量显示，在温度升高超过聚合物LCST时，流体动力学直径减少了约22%。
CRediT作者贡献声明
Bridgette M. Budhlall：负责监督、软件使用、资源管理、项目管理和资金获取。Marta Ruano：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、资源管理、方法论研究、数据分析、概念构思。Francisco Ortega：负责初稿撰写、验证、监督、资金获取、数据分析、概念构思。Tatiya Trongsatitkul：负责初稿撰写。
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
如需获取支持本研究结果的数据，可向相应作者提出合理请求。
本研究得到了马德里康普顿斯大学和马萨诸塞大学（BES-2007-17241）的支持。
? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的竞争利益：Marta Ruano报告称她获得了马德里康普顿斯大学医学院的精神病学系提供的财务支持。如果还有其他作者，他们也声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
M.R. 感谢西班牙马德里康普顿斯大学CAI X射线衍射设施的Jore E. Rubio博士在实验中的支持、培训以及宝贵的讨论。M.R. 还衷心感谢马萨诸塞大学洛厄尔分校（UMass Lowell）的Chris Santeufemio博士在Cryo-SEM分析方面的支持、培训及富有洞察力的讨论。
