模塊化設(shè)計(jì)（Modular design）是一種將一類整體產(chǎn)品細(xì)分為具體的模塊，而后賦予其獨(dú)立功能和樣式的設(shè)計(jì)理念。模塊化設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用于人們的生活，例如樂高積木、家具、電腦、汽車、工廠等。這一設(shè)計(jì)理念通過可替換的零件組裝成成品，并體現(xiàn)出一致性、高效性、便于維護(hù)和協(xié)作的特點(diǎn)。
受到“樂高”理念的啟發(fā)，在分子科學(xué)中，超分子化學(xué)通過非共價(jià)鍵作用實(shí)現(xiàn)了分子積木的可逆自組裝。其中，超分子框架以其周期性的多孔結(jié)構(gòu)、較大的比表面積等特點(diǎn)，在氣體吸附與分離、催化及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。此外，以超分子大環(huán)為基本組成單元的一類新型SOFs，進(jìn)一步融合了大環(huán)主體的分子尺度孔道、特異性分子識別、智能可控等優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。然而，超分子框架的制備過分依賴于特異性高、結(jié)合作用強(qiáng)的分子間相互作用力，例如氫鍵、主客體作用等，需要對分子識別位點(diǎn)進(jìn)行精巧的設(shè)計(jì)和合成。上述因素嚴(yán)重制約了超分子框架的廣泛制備和應(yīng)用，因此開發(fā)新型超分子框架組裝方式對其發(fā)展至關(guān)重要。
近日，武漢科技大學(xué)王曉強(qiáng)、劉義、劉思敏團(tuán)隊(duì)，通過二十面體硼簇（B12）與葫蘆[8]脲（CB[8]）之間獨(dú)特的“離液效應(yīng)（chaotropic effect）”，制備了一種分子積木型超分子框架材料，并將其應(yīng)用于智能光動(dòng)力學(xué)治療，極大地提升了超分子框架材料的制備效率和應(yīng)用范圍。二十面體硼簇與葫蘆脲之間外壁之間存在著強(qiáng)烈的親和作用，并展現(xiàn)出了較高的結(jié)合常數(shù)（K?= 104~105?M-1）。如圖2所示，當(dāng)兩種物質(zhì)同時(shí)出現(xiàn)在水溶液中時(shí)，即可形成穩(wěn)定的超分子復(fù)合物，并析出晶體物質(zhì)。其中，一分子CB[8]周圍結(jié)合了兩分子的B12；而一分子B12周圍結(jié)合了六分子的CB[8]。更有趣的是，這種離液效應(yīng)并沒有對葫蘆脲的空腔與客體分子之間的主客體作用帶來明顯影響，為選擇性的藥物負(fù)載提供了便利。除此之外，B12還可以經(jīng)過簡單的化學(xué)修飾，修飾不同的功能基團(tuán)（例如PEG、靶向基團(tuán)等），使得該類超分子框架材料進(jìn)一步具備良好的水溶液分散性、腫瘤靶向、成像及治療能力等智能化功能。當(dāng)對B12進(jìn)行PEG-RGD修飾、CB[8]通過主客體作用負(fù)載光敏劑亞甲基藍(lán)（MB），即可通過離液效應(yīng)制備梭形納米顆粒（NanoSOF）。在主客體作用下實(shí)現(xiàn)MB光敏和熒光效果的可逆調(diào)控。當(dāng)這種NanoSOF進(jìn)入體內(nèi)后，即可通過EPR效應(yīng)和RGD靶向效應(yīng)進(jìn)入癌細(xì)胞，并通過細(xì)胞內(nèi)的主客體競爭性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)釋放MB的效果，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)熒光制導(dǎo)的光動(dòng)力學(xué)治療。
新型非共價(jià)鍵作用助力超分子框架的制備
與常見的主客體作用不同，二十面體硼簇與葫蘆脲外壁展現(xiàn)出了特異性結(jié)合。這種新型的超分子作用模式被稱為“離液效應(yīng)（chaotropic effect）”。由于二十面體硼簇與葫蘆脲之間特異性的結(jié)合位點(diǎn)和較高的親和力，此類超分子框架不需要在分子識別位點(diǎn)上進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)，在室溫下于水中簡單混合即可制備。
模塊化設(shè)計(jì)拓寬超分子框架的工程范圍
由于二十面體硼簇與葫蘆脲在幾何結(jié)構(gòu)上各向同性的特點(diǎn)，使得兩個(gè)分子成為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元。即使經(jīng)過各種功能化修飾，兩者仍然可以保持其相互作用。而功能化之后，既可實(shí)現(xiàn)超分子框架的形貌調(diào)控，又可以負(fù)載藥物分子進(jìn)行智能化的光動(dòng)力學(xué)治療
模塊化設(shè)助力智能光動(dòng)力學(xué)治療
經(jīng)模塊化設(shè)計(jì)，該超分子框架可制備出帶有靶向基團(tuán)的納米級超分子光敏劑。在主客體作用調(diào)控下實(shí)現(xiàn)MB光敏和熒光效果的可逆調(diào)控。結(jié)果顯示，當(dāng)這種NanoSOF進(jìn)入體內(nèi)后，可有效提升光敏劑在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間，并富集在腫瘤區(qū)域，通過細(xì)胞內(nèi)的主客體競爭性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)釋放MB的效果，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)熒光制導(dǎo)的光動(dòng)力學(xué)治療。
該研究的意義在于，通過模塊化的設(shè)計(jì)理念，在分子層面上制備具有多種功能的超分子自組裝體，對于同類多功能材料的開發(fā)和應(yīng)用有著重要的啟示作用。
參考文獻(xiàn)：
Wenjing Wang, Bin Qi, Xiang Yu, Wen-Zhen Li,?Zhonghua?Yang,?Haibo?Zhang,?Simin?Liu,* Yi Liu,* and Xiao-Qiang?Wang*?Modular Design of Supramolecular Organic Frameworks for Image-Guided Photodynamic Therapy.?Adv.?Funct. Mater.?2020, DOI: 10.1002/adfm.202004452
