Angew：微流控诱导组装超分子水凝胶

二肽水凝胶是一种低分子量的水凝胶材料，适合于包埋多种有机分子和无机纳米粒子。然而二肽分子的自组装凝胶过程较难控制，其与微粒的复合往往存在分布不均的问题。针对这一难题，来自德累斯顿莱布尼兹聚合物研究所Julian Thiele教授团队和中科院化学研究所李峻柏教授团队在Angewandte Chemie International Edition上发表了题为“Embedment of quantum dots and biomolecules in an in-situ formed dipeptide hydrogel using microfluidics”的研究性论文。作者提出了一种简单但精确可控的方法，可以通过微流体通道内的超分子组装来制造二肽基水凝胶，将水溶性量子点（QDs）以及预混卟啉和二甲基亚砜二肽（DMSO）注入Y形微流控结中。在DMSO/水界面，二肽基水凝胶的制备能够被有效地控制。随后，形成的水凝胶沿着弯弯曲曲的微流体通道连续流动，逐渐完成凝胶和QD截留。

首先，作者对不同的卟啉对形成的纳米纤维的形貌进行表征，使用四种类型的水溶性量子点CdTe表现出荧光颜色从绿色(520 nm)，黄色(570 nm)，橙色(610 nm)，红(710 nm)增加直径从不足10到20和30 nm。Fmoc-FF和TCPP(或TAPP)的前驱体溶液以及QDs悬浮液被注入微通道y型结的相反分支，通过高精度注射泵控制容积流量。水相和有机相共注入后，DMSO与水形成动态共流动界面，在界面上，水凝胶通过非共价相互作用的扩散混合自发组装。凝胶化过程在一个连续的曲流状微通道内进行，该微通道的长度进行了优化，以确保两前体相在流室出口处的定量转化，除去微流控装置的聚二甲基硅氧烷(PDMS)盖后，水凝胶结构保留在玻璃衬底上（图1）。

图1 微流控技术连续制备超分子组装水凝胶示意图及Fmoc-FF/TCPP/QD-520水凝胶表征

接下来，作者比较了两种卟啉（TCPP和TAPP）与预混合的Fmoc-FF在微流控通道中的相互作用。在没有量子点分散在水中的情况下，利用吸收光谱和荧光光谱研究了水凝胶前驱体溶液的光学性质以及它们成核成水凝胶的过程。作者提出了一个合理的组装模型来解释纳米纤维中的分子相互作用。纳米纤维的稳定性主要来源于基于Fmoc - FF的疏水相互作用和π键堆积自组装。此外，卟啉之间的π键堆积、Fmoc-FF与卟啉之间的π键堆积、疏水效应、Fmoc-FF与TAPP之间的静电相互作用等多种相互作用对该体系的稳定性有很大的贡献（图2）。

图2 二肽和卟啉的共组装示意图、光学检测及成胶过程分析

然后，作者选择一系列羧基包覆的水溶性CdTe量子点作为荧光无机模型进行包覆研究。与封装在Fmoc-FF/TCPP水凝胶中的量子点相比，归一化后的量子点荧光发射光谱显示，与水中的自由量子点相比，QD封装后的发射光谱最大值发生红移（QD520、QD570、QD610和QD710分别约为2 nm、10 nm和14 nm）。被封装量子点的发射光谱由于量子点的聚集而发生红移。量子点并没有嵌入二肽原纤维组合中，而是仅仅被动地困在Fmoc-FF/TCPP原纤维网络的间隙中，或者停留在纳米纤维的表面（图3）。

图3 不同水凝胶的TEM、荧光和流变特征检测

除了研究量子点加载到Fmoc-FF/卟啉基水凝胶体系中的一般相互作用外，作者进一步研究了量子点在微流体制备的水凝胶中的动态包封。因此，DMSO中的Fmoc-FF/TCPP和水中的QDs从流入端口1、2共注入。然后，曲流型出流道中发生了扩散型混合，其反复变细也对研究流动方向对纤维形成产生了影响。特别是在弯曲截面中， Fmoc-FF的独特组织由传统的扭曲纳米纤维和直纳米纤维组成。作者将这种复杂的形态归因于这些微通道截面中独特的三维混合剖面（图4）。

图4 微通道的二维几何结构

之后，作者去除微流控装置中微通道承载PDMS部分，并表征Fmoc-FF/TCPP/QD水凝胶在内部不同位置的形貌研究纳米纤维形成过程中的量子点俘获过程。作者还在流出通道的不同位置的流池中含有微通道的PDMS部分添加了额外的收集端口，以表征Fmoc-FF/TCPP/QD关于不同的流动历史和混合状态。量子点的发射波长取决于粒径量子点和红移的悬浮液表明聚合形成，证实了通过使用量子点微流体更均匀分布在水凝胶基体，可作为导致均匀加载可注射的超分子水凝胶（图5）。

图5 不同水凝胶组装微器件的SEM和光学特性检测

最后，为了研究杂化水凝胶中卟啉和量子点之间的功能相互作用，作者利用福斯特共振能量转移（FRET）来研究水凝胶体系中有机部分和无机部分的相互作用。这些测量也为微流体制备的Fmoc-FF/TCPP/QDs水凝胶的超分子组装提供了参考。作者还比较了不同浓度比例的Fmoc-FF水凝胶的荧光信号。过量的TCPP以聚集体的形式沉积在纳米纤维外部，通过自聚集体诱导猝灭导致荧光强度下降。另一方面，对于固定浓度的Fmoc-FF和TCPP，TCPP在270 nm激发时，由于能量注入的增加，在660 nm和720 nm处的发射峰增加（图6）。因此，调节水凝胶体系中不同组分的浓度比例对于增强所观察到的FRET效应至关重要，而FRET效应可以通过微流体和水凝胶前体溶液的流入速度进行控制。

图6 Fmoc-FF/卟啉/量子点量子点水凝胶的能量转移示意图

在本研究中，作者开发了一种连续流微流控技术用于连续制备二肽基水凝胶和水凝胶/量子点混合体的新方法。在微流控系统的微通道中，通过超分子组装形成的Fmoc-FF基水凝胶能够以均匀的组织捕获不同尺寸的无机量子点和有机卟啉。将“自下而上”的自组装与“自上而下”的微流体控制相结合，可以精确控制多个组分的联合组装，避免了宏观混合成胶过程中常见的非均质性。此外，在作者设计的超分子杂化体系中证实了通过FRET的能量转移，显示了无机量子点向有机TCPP的能量转移，进一步说明了它们之间的距离非常小，以及低分子量二肽凝胶在高效捕获和整合方面的优势。基于二肽的多组分水凝胶的形成为这些混合凝胶在生物医学设备、光动力治疗或连续生物打印方面的应用开辟了新的可能性。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202015340

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