玫瑰花结纳米管稳定性的可调结构与环境因素

《Nanoscale Advances》：Tuneable structural and environmental factors for stability of rosette nanotubes

　　

玫瑰花结纳米管（Rosette Nanotubes, RNTs）是在生理条件下，由一种自互补DNA碱基杂化分子自组装形成的生物相容性管状结构。该分子同时具有鸟嘌呤和胞嘧啶的氢键作用阵列（G∧C基元）。这些结构的形成是一个分级过程，涉及氢键（H-bonding）与π–π堆积（π–π stacking）相互作用。尽管具有单个、双联或四联G∧C碱基的基元均可形成RNTs，但双联RNTs由于源自分子间氢键相互作用的高稳定性、更高的预组织化程度、两亲性特征以及易于化学修饰而更具适用性。此类双联RNTs在其外表面发生官能化时，表现出较低的电荷密度和位阻排斥。为了充分开发这类具有内在稳定性的有机材料，使其适用于生物医学及其他材料学应用，有必要探索能够优化自组装过程及所得RNT稳定性的相关因素。研究人员在本文中描述了若干单G∧C与双联G∧C模块的合成与表征，并利用这些模块构建自组装纳米管，系统考察了包括溶剂、对离子、RNT外部官能化、G∧C核心结构以及电荷在内的关键环境与结构因素对自组装过程的影响。

该文发表于《Nanoscale Advances》，围绕玫瑰花结纳米管（Rosette Nanotubes, RNTs）稳定性的可调控机制展开，核心目标是阐明环境因素与分子结构因素如何协同影响G∧C基元的分级自组装行为。RNTs是一类由含鸟嘌呤/胞嘧啶氢键识别图样的自互补杂双环DNA碱基杂化分子组装而成的超分子纳米材料，其形成过程先经历六聚玫瑰花结的氢键构筑，再通过π–π堆积形成一维管状结构。由于该体系具备生物相容性、可修饰性和在水相条件下组装的能力，因此在组织工程、递送体系及功能纳米材料领域具有重要潜力。然而，RNTs的形成与稳定并非仅由单体本征结构决定，还受到溶剂化、离子配对、侧链官能团、电荷密度及核心构型等多因素精细调控。现有研究虽已证明单联、双联和四联G∧C体系均可形成RNTs，但双联体系在稳定性、预组织化和外部功能拓展方面最具优势，因此有必要系统识别其稳定性的关键调控参数。

研究人员首先合成并表征了13种双联G∧C基元以及若干单G∧C类似物，比较它们在不同溶剂和离子环境中的自组装表现，并进一步分析不同外周官能团、核心取代方式、电荷数和官能团密度对纳米管形成的促进或抑制作用。研究结论表明，双联RNTs的稳定性来源于结构预组织化、较强氢键网络、较低外表面电荷密度与较小位阻等综合优势；甲醇环境较水更有利于维持六聚玫瑰花结的氢键完整性，Cl^?较三氟乙酸根（TFA）对离子更有利于提升甲醇中RNT的稳定性；疏水侧链通常促进更长纳米管形成，而极性、带电或体积过大的取代基则可能阻碍长程堆积；核心外环氮上较大的取代基会削弱π–π堆积并降低稳定性；单G∧C体系中较高净电荷与较高官能团密度显著抑制自组装。该研究的重要意义在于建立了“分子结构—溶剂环境—离子配对”三者耦合调控RNT稳定性的设计原则，为可编程超分子纳米材料的理性设计提供了依据。

研究所用主要技术方法可概括如下：研究人员采用还原胺化等有机合成策略构建单G∧C和双联G∧C模块，并以¹H核磁共振（¹H NMR）、¹³C核磁共振（¹³C NMR）、高分辨质谱（HR-MS）及元素分析确认结构与纯度；通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）表征纳米管形貌、长度与直径；结合动态光散射（DLS）、紫外-可见吸收光谱（UV-vis）及圆二色谱（CD）监测组装动力学、尺寸演化与超分子手性；并辅以二维核磁共振（2D NMR）和分子建模分析溶剂效应、离子效应及潜在分子内氢键作用。本文未涉及样本队列研究。

在研究结果部分，论文依次从多个层面展开了对RNT稳定性调控规律的系统分析。

首先是“Solvent and counterions”。该部分表明，溶剂环境对双联G∧C基元的自组装具有决定性影响。以带丁基铵侧链的模型化合物为例，研究人员在不同甲醇（MeOH）/水混合比例中考察其组装后发现，随着MeOH比例升高，RNT总长度近似线性增加，且长管比例显著上升。SEM与DLS共同证明MeOH更有利于形成更长、更高密度的RNTs。其原因在于MeOH中对G∧C供氢/受氢位点的溶剂化减弱，从而增强六聚玫瑰花结内部的氢键稳定性。DLS结果还揭示了RNT生长具有自催化（autocatalytic）特征，即早期种子聚集体可模板化促进更长纳米管及束集形成。UV-vis监测显示，随时间延长出现明显增色效应（hyperchromic effect）及轻微蓝移，反映出体系中可检测纳米管浓度及长度增长。研究还发现，在高纯甲醇中去除痕量水后，原本分散良好的长RNT会转变为粗大束集并沉淀，说明少量水分子对RNT表面及空腔的初始溶剂化与分散稳定具有关键作用。除溶剂外，对离子也显著影响稳定性：在甲醇中，以Cl^?为对离子的双联G∧C模块形成的RNT明显长于以TFA为对离子的对应体系，提示Cl^?更有利于提高缔合溶剂化自由能并增强甲醇中RNT稳定性；而在水中，对离子差异则不明显。

其次是“Functional groups”。该部分聚焦外周官能团对自组装的影响。研究人员比较了具有相同四原子链长、但末端分别为带电铵盐、羟基或甲基的双联G∧C基元，发现疏水性更强的中性烷基侧链更能促进长RNT形成，而带电或极性侧链则更倾向于稳定较短聚集体，抑制长程生长。这说明在极性溶剂中，疏水效应是促进RNT延伸的重要驱动力。进一步地，延长烷基链通常也有利于形成更丰富且更长的纳米管。对于带胺侧链的体系，仅增加一个亚甲基也会显著改变组装分布，使短纳米管比例显著升高，说明支链点与末端铵盐之间的距离变化会通过电荷分离和位阻稳定作用影响堆积过程。作者还考察了双烷基化衍生物，结果显示当取代基尺寸处于允许范围内时，即便取代方式变化，只要整体电荷密度相近，RNT稳定性仍可维持。研究人员进一步将丙啶（acridine）引入双联G∧C基元，以检验在具有强π体系和已知核酸嵌插能力的芳香基团存在下，RNT框架是否仍能稳健形成。结果表明，该基元在水和MeOH中均可形成长而分散良好的RNT，说明双联RNT框架具有较强的结构鲁棒性。TEM测得外径与理论值相符，表明acridine基团主要外伸于RNT外围而非嵌插于自身花结堆积内部。UV-vis进一步排除了acridine在RNT内部或相邻RNT间通过显著π–π嵌插参与堆积的可能，同时在250 nm处观察到随时间增强的减色效应（hypochromic effect），支持G∧C双层六聚花结间π–π堆积随组装推进而增强。

第三部分是“Modifications to the core structure”。该部分讨论双联G∧C核心构型与外环氮取代对稳定性的影响。双联G∧C基元倾向于采取较低能量的syn构象，这是六聚花结形成和进一步纳米管组装的重要预组织基础。研究人员通过改变每个G∧C外环氮上的取代基，比较氢、甲基和乙基等不同大小的影响。结果表明，各体系在直径上差异很小，但当外环氮取代基由甲基增大为乙基时，所得RNT长度明显缩短，说明过大的取代基会在花结间π–π堆积时造成位阻干扰并降低整体稳定性。AFM与TEM测得的直径存在系统差异，作者将其归因于AFM测试中软材料受探针和基底压缩导致的扁平化变形。这一部分强调，核心微小结构修饰本身即可成为调控RNT稳定性的有效手段。

第四部分是“Self-assembly for single G∧C systems”。研究人员在此将注意力转向稳定性较弱的单G∧C体系，以阐明为什么某些具备基本识别单元的模块并不能顺利形成RNTs。结果显示，内建识别图样并不必然导向纳米管组装；与双联体系相比，单G∧C模块缺乏更高程度预组织化、较强两亲性和更低表面排斥，因此更易受到环境因素干扰。多数单G∧C衍生物在水中，尤其是在pH 4条件下，因侧链氮原子质子化而呈现较高净正电荷，分子间静电排斥强烈，难以形成RNT。研究中观察到单体净电荷越高，越不利于自组装；但净电荷并非唯一因素，末端羟基导致的高亲水性和功能团密度也会进一步抑制聚集。在pH 11条件下，某些模块因胺基去质子化、静电排斥减弱而得以形成RNT，支持电荷控制在单G∧C自组装中的关键作用。对于水中不组装的部分化合物，MeOH、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和N,N-二甲基乙酰胺（DMA）等溶剂可促进纳米结构形成，这与较低溶剂化导致更紧密离子对、降低有效电荷密度有关。相比之下，二甲基亚砜（DMSO）中未观察到纳米结构，作者认为这可能与其更高偶极矩对花结氢键图样和RNT堆积的干扰有关。二维NMR未支持分子内氢键阻断识别面的假设，因此单G∧C体系组装受限主要归因于电荷、溶剂化和官能团密度等因素。

综合讨论部分可概括为：双联RNTs的形成和稳定性由一个可精细调节的平衡体系控制，该平衡同时依赖外部溶剂环境与内部分子架构。溶剂不仅通过影响G∧C供受氢位点溶剂化程度调节六聚花结稳定，还通过改变离子对强度与外表面分散状态影响纳米管长度和束集行为；对离子在低溶剂化环境中可进一步放大这种作用。与此同时，双联G∧C核心的预组织化、适宜的取代模式、较低表面电荷密度以及疏水/亲水平衡共同决定RNT能否高效延伸为稳定的一维纳米结构。过大的核心取代基、高电荷密度及过高官能团密度则会削弱π–π堆积或增强排斥，导致自组装受抑。该研究将环境调控与分子设计统一于同一超分子稳定性框架之中，明确了RNT可编程构筑的关键物理化学基础。

研究结论部分可译为：双联RNTs的自组装与稳定性受溶剂环境和分子结构之间精细且高度可调的平衡所支配。溶剂选择是决定性因素，它既影响G∧C基元的溶剂化，也影响相关对离子的行为。在甲醇中，供体和受体位点溶剂化减弱，从而增强六聚玫瑰花结内部的氢键作用并提高结构完整性；而Cl^?等对离子由于具有有利的溶剂化自由能，还可进一步稳定纳米管组装。双联G∧C基元的设计及其内在结构特征是决定超分子稳定性的首要因素，突出了分子架构对RNT行为的关键影响。在极性溶剂中，可以利用疏水效应和静电效应来促进形成更长且更稳定的纳米管。然而，体积较大的加合基团所引起的位阻干扰，或核心修饰中甲胺被乙胺取代，均会破坏π–π堆积并削弱整体稳定性。总体而言，这些结果提出了一项有力的设计原则：通过对分子结构和溶剂环境进行策略性调控，可以实现对RNT稳定性与形貌的精细控制。这一认识不仅加深了对超分子组装机制的理解，也为构建具有可编程性质的功能纳米材料开辟了新路径。