新型多孔材料設計合成及應用方面取得進展

近日，復旦大學趙東元院士/李曉民教授團隊在新型多孔材料構建仿生邏輯門方面取得進展，相關研究成果以“乳液定向誘導雙球狀非對稱介孔納米粒子用于生物質邏輯門”（Emulsion-Oriented Assembly for Janus Double-Spherical Mesoporous Nanoparticles as Biological Logic Gates）”為題于2023年4月13日發表在《自然-化學》（Nature Chemistry）雜志上。本文第一作者為先進材料實驗室博士后趙天聰，趙東元院士/李曉民教授為共同通訊作者。

自然界的信息傳遞方式多種多樣，其中細胞內，細胞器之間的生物質信息傳遞系統，因為其高度專一性和選擇性，被研究者廣為關注。介孔材料因為其可控負載與釋放客體物質的能力，被認為在模擬自然界的信息傳遞、構建生物質邏輯體系方面具有極高的前景。然而，想要模擬細胞的高度復雜的內部邏輯體系，其首要條件是構造類似于細胞器的多個獨立的信號存儲、轉換單元。傳統的各向同性介孔納米材料只能讓各種物質混雜負載，無法實現有序信息傳遞。而目前所報道的非對稱介孔納米材料，也主要是無孔或只擁有小的介孔 (< 3 nm)，無法實現對大尺寸功能性生物分子的負載。因此，人們迫切需要合成具有可調節的大尺寸介孔非對稱納米顆粒，但截至目前，這仍然是一個巨大的挑戰。

針對上述挑戰，該團隊提出了乳液誘導各向異性組裝策略，合成了具有可調節大介孔的雙介孔非對稱MSN&mPDA納米粒子（MSN=介孔二氧化硅納米粒子，mPDA=介孔聚多巴胺）。所得到的雙介孔非對稱MSN&mPDA納米粒子具有花生狀不對稱形態，每個納米粒子由一個約150 nm的MSN納米球和一個直徑約120 nm的mPDA半球形組成。區別于以前報道的介孔Janus納米粒子的小尺寸介孔 (< 3 nm)，該工作合成非對稱納米粒子在MSN和mPDA兩個單元同時擁有大且可調的介孔。MSN單元中的介孔大小可從~ 3到~ 25 nm調節，mPDA單元也擁有可改調的介孔，范圍在~ 5到~ 50 nm之間調節。通過在不同介孔單元進行選擇性的修飾和負載，實現不同類型的顆粒內串聯生化反應，由此構建了單顆粒級別仿生生物質邏輯體系。

該論文首次提出以微乳液為結構導向劑制備非對稱介孔材料的思路，在單個顆粒水平上對各個單元介孔孔徑進行連續可調，并基于此實現了單顆粒內部串聯信號傳遞。該材料有望作為新型智能納米材料，應用于藥物遞送、信息傳感、分析檢測等多個重要領域。