科学家发现超分子液液相分离，为生物纤维相分离开启新大门

高分子和超分子有很多相似处，主要区别是前者是由共价键连接的聚合物，而后者是由非共价键连接的聚合物。

高分子在溶液中可以形成均匀溶液、非均匀溶液、凝胶或沉淀。

其中，高分子的非均匀溶液可由液液相分离生成，这一点已得到生物学家、生物物理学家、化学家、药学家等人士的高度关注。

高分子的液液相分离，正越来越多地被认为是细胞内无膜细胞器的生成原因，与细胞功能、疾病发展、药物开发等息息相关。

另一方面，超分子因为它独特的非共价可逆聚合的特点、可模块化功能化的优势、刺激响应性和生物相容性，在生物医学领域有着不错的应用潜力。

并且，超分子可以满足很多传统医学材料如陶瓷、金属和高分子所不能满足的医学需求。

但是，奇怪的是在大量研究超分子溶液的文献中，人们只讨论均匀溶液、凝胶或沉淀，超分子的液液相分离很神奇地逃过了人们的关注点。

超分子和高分子的相似度如此之高，那超分子到底可以发生液液相分离吗？

（来源：Nature）

在一次过夜实验中，目前正在荷兰埃因霍温理工大学从事博士后研究的付海林和所在团队，意外发现了一种新现象。

即一种由荧光标记的水溶性超分子——尿苷嘧啶酮甘氨酸（UPy-Gly），随着时间从均匀溶液变成了不均匀溶液，有些液态区域明显比其他液态区域浓度更高。

这一发现提示他们超分子发生了液液相分离。在此基础之上，他们又通过各种表征手段进行了深入研究。

借此发现超分子在液液相分离后形成了液晶态，液晶态的构型可由溶液的拥挤效应进行调控。

但是，对于超分子液晶相来说，它和常见的小分子液晶相、以及生物纤维液晶相都存在区别。

主要原因是超分子聚合行为会导致溶液在一段时间内处于非平衡态，并且会改变液晶的动态性质、形貌、内部排列、力学性质等等很多方面的性质。

因此，付海林的课题一开始聚焦点在于超分子与发生液液相分离的高分子体系的相互作用。

在这个体系里该团队发现了大量的有趣现象，但是由于体系组分复杂，实验现象难以解释，因此他们对实验进行了大幅简化，并做了大量的控制实验。

在意外发现上述现象之后，他们对之前的课题有了新的思考，并决定选取超分子液液相分离作为新的切入点。

在对这一现象进行研究之后，他们对之前复杂体系里的现象也有了更加清晰的理解。就这样，一开始研究的起点，在论文撰稿时就变成了研究的终点。

付海林表示：“在课题有了清晰方向和良好成果之后，导师对我说他曾认为本次课题要失败了，而他也劝我同时研究一下别的课题，就是为了防止我的科研事业因此受挫。”

不过后来导师说，他很庆幸没有让付海林停下手上的研究。“我想让导师虚惊一场的原因可能是前期课题过于复杂。不过在导师的建议下我简化了课题，整个研究也就迎来柳暗花明了。”付海林说。

图 | 付海林（来源：付海林）

最终，相关论文以《超分子聚合物通过液相-液相分离形成类晶簇》（Supramolecular polymers form tactoids through liquid–liquid phase separation）为题发在 Nature[1]。

付海林是第一作者兼共同通讯，荷兰埃因霍温理工大学教授 E.W.梅杰（E.W.Meijer）担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature）

一位审稿人认为这一发现很不寻常、很新颖并且令人激动，但是考虑到超分子的棒状结构，又十分合理。

另一位审稿人认为课题组采用了很多表征手段去详尽的表征各种实验现象，在技术层面具有很高的质量，对于超分子类晶簇生长过程的表征和在液液界面和液固界面的研究达到了最高标准。

还有一位审稿人认为，超分子液液相分离的发现为生物纤维的相分离开启了一扇新的大门，因为合成超分子具有非常高的化学多样性，并且易修饰。

美国雪城大学珍妮佛·罗斯（Jennifer L. Ross）教授专门为本次论文写了一篇 News and views 文章，发表在同期的 Nature 上。

据介绍，超分子可以作为一种液晶小分子的放大模拟物，进一步帮助理解液晶的自组装。

另外，合成超分子的简洁性和它在化学方面的多样性，将更有利于阐明生物纤维在液液相分离中的挑战性问题。

与此同时，对于具有生物相容性的超分子而言，通过液液相分离形成具有易调节的动态性质、内部排列和外部形貌的超分子类晶簇后，可以被用来制造与细胞和组织有动态相互作用的生物材料。

在现有超分子材料研究的基础上，他们认为超分子的液液相分离行为，将会引领更多具有创新功能的新材料的诞生。

图 | 付海林（来源：Eindhoven University of Technology/Bart van Overbeeke）

而在研究超分子液液相分离过程中，他们发现了很多有趣的现象，有很多是在其他液晶体系中从未观察到的。

目前，课题组正在和液晶领域的专家合作进一步深入理解超分子液晶。

另外，他们还在探索超分子化学方面的多样性，以便为超分子液液相分离带来更多可能，从而使用超分子液液相分离构建更可控的液态结构或固态结构，促进超分子在催化、生物医学材料等方面的应用。

另据悉，付海林即将在 2024 年 9 月入职西湖大学担任助理教授，目前正在招募博士和博士后，感兴趣可联系 h.fu@tue.nl 或者 fuhailin@westlake.edu.cn

参考资料：

1.Fu, H., Huang, J., van der Tol, J.J.B. et al. Supramolecular polymers form tactoids through liquid–liquid phase separation. Nature 626, 1011–1018 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07034-7

运营/排版：何晨龙

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