多级次自组装是构筑生命体的基本策略，发展人工多级次自组装策略对于深入理解和准确模拟生物功能和生物过程都具有重要的意义，同时也为构建先进功能材料提供了可靠的途径。手性纳米飘带是手性小分子多级次自组装的常见产物，通常具有较低的自由能，因而被认为是一种稳定的自组装形态，然而在生命体中，具有螺旋形态的纳米结构体通常不会以伸展的纤维形态而存在，例如具有双螺旋结构的DNA，通常以高度卷曲的形式存储在核小体中，只有在转录时才解散释放出来。
近日，上海交通大学冯传良教授、邱惠斌教授课题组首次在苯丙氨酸和香豆素衍生物形成的双组分超分子水凝胶中，发现了螺旋纳米带可以进一步卷曲形成空心微米结构体，或更加致密的实心微米球，与蜷缩在核小体中的DNA类似，表现出更强的环境耐受性。
相关论文以“Wrapping Chiral Nanoribbons into Coiled and Condensed Microstructures in Supramolecular Hydrogels”为题发表于Advanced Functional Materials 。论文第一作者为博士后王芳，材料科学与工程学院冯传良教授、化学化工学院邱惠斌教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委和教委基金、中国博士后科学基金项目的资助。
通过追踪超分子自组装的时间过程发现，组装过程复杂而有序。以最开始自组装得到的螺旋纳米带为初始组成基元，经过卷曲缠绕形成环状结构，进一步生长为类似甜甜圈状的空心微米结构体。在此过程中手性信号不断增强，说明该微米结构体的形成与手性有很大关联。
进一步通过核磁氢谱、X射线衍射、类似分子对比研究分析等表明，羧基与吡啶基之间的氢键作用、香豆素环上4-位甲基取代基之间的空间位阻、以及其他酰胺键之间、香豆素之间多种氢键作用的协同作用驱动多级次手性超分子自组装。自组装过程中，最初相邻分子通过多重氢键作用不对称排列形成复合层状结构。
多出的香豆素衍生物分子插入层与层的间隙，增强了香豆素环上4-位甲基取代基间的空间位阻，进而导致了弯曲的堆叠方式。这些层状结构进一步组装形成螺旋纳米带，因而手性从分子水平传递至超分子纳米带。
由于苯丙氨酸衍生物的分子手性，使得这些纳米带沿着一定的方向卷曲缠绕并最终精准地转化为空心微米结构体。
在这类超分子水凝胶顶部加入1 mL 的 HCl (pH 4.5) 或 NaOH (pH 10.5) 溶液室温下静置48 h后发现：含有纳米带的水凝胶坍塌且纳米带碎片化；而更高层级的空心微米结构及其相应的水凝胶则保持不变，表明了该结构具有更强的环境耐受性。
金属离子是许多生物过程中的结构辅助因子，也涉及到不少病理过程。受此启发，我们在该体系中引入多种金属离子调控其多级次自组装行为。研究发现，金属离子与羧基、吡啶基的配位作用致使纳米带的卷曲和缠绕更加紧密，最终形成了形貌规整均一的实心微米球。
综上所述，通过巧妙地设计双组分超分子自组装水凝胶体系，成功构筑了多级次手性超分子结构。该更高层级微米结构的演化过程研究不仅为理解多级次生物自组装过程提供了深刻的启示，同时也为开发包含有纳米到微米尺度结构的仿生超分子水凝胶提供了新的思路和借鉴。并且，这些先进材料在催化、识别、手性光学和生物医学等领域具有重要的应用前景。
全文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202002936
