超分子大牛，四院院士，唯一通讯发Science！

细胞内外化学组分的空间组织影响生长与组织结构。一维组装体广泛存在于生命系统，结晶驱动自组装、定向氢键等策略已能构建分段结构，但超分子体系的长度和化学分段仍难以精确控制。电荷是生物界面的重要特征，带电区域的安排有望调控细胞与材料相互作用。神经元需要保持神经突生长与突触形成的可塑性；如何让动态材料促进生物活性，同时不固定细胞方向和组织结构，仍待回答。

鉴于此，美国西北大学四院院士Samuel Isaac Stupp教授课题组在水中通过活性超分子聚合，获得中央带正电、两端带负电的肽纤维，组装体整体质量可达10⁹ Da量级。这种自封端超分子聚合要求未扭转的 β-折叠核心贯穿整个组装体，并且在没有单体来源时，组装体的末端保持休眠状态。这些分段结构的正电荷区域锚定在神经元细胞膜上，而与其相连的负电荷区段则因电荷排斥，在细胞附近保持高度动态。这种分段结构促进了大量神经突的生长以及活跃的突触活动。相关研究成果以题为“Precise length and charge segmentation of billion-dalton supramolecular polymers”发表在最新一期《science》上。

塞缪尔·艾萨克·斯塔普（Samuel Isaac Stupp，1951 年 1 月 9 日生于哥斯达黎加圣何塞）是美国西北大学材料科学、化学和医学的董事会教授。他以自组装材料和超分子化学的研究而闻名。他最著名的发现之一是一类广泛的肽两亲分子 ，这些肽能自组装成高纵横比纳米纤维，广泛应用于再生医学 。他还在超分子化学、 纳米技术和有机电子材料领域做出了重要贡献。他发表了 500 多篇同行评审论文，是 2000 年至 2010 年代被引用次数最多的 100 位化学家之一。

超分子聚合物的精确长度控制

带正电的肽两亲分子R-PA由VVAAG(RGG)₃序列、C₁₆脂质尾链和末端聚乙二醇（PEG）组成（图1a）。纤维在68 °C熔融为球形胶束，冷却至53 °C重新组装。退火温度由80 °C升至85 °C时，数均长度由2.6 μm增至20.3 μm，相应分散度Ð为1.02和1.04（图1c、图1e）。同一单体浓度、1000 s⁻¹剪切速率下，溶液黏度由1.2 mPa·s升至2.2 mPa·s（图S8），显示长度对材料性质的影响。 这一行为符合自种子机制：升高退火温度可减少未熔融种子，冷却时每个种子获得更多单体，形成更长纤维（图1d）。另行加入超声制备的种子并调整胶束与种子比例，也能线性调控长度，支持成核与生长机制。

图 1 R-PA的长度可控自种子组装

分段组装体的活性超分子聚合

以0.4 μm长的Cy5标记片段为种子，加入Cy3标记胶束后，两端继续生长为三段纤维。胶束与种子的摩尔比为3、6和11时，数均总长度分别为1.6、3.2和5.8 μm（图2a、图2b）。在11∶1条件下，长端平均为短端的3.1倍（图2c）；还可获得数均总长度34 μm、Ð为1.04的长纤维（图2d）。再次供给胶束形成五段结构，原长端继续长得更长，原短端仍较短（图2e、图2f），揭示两端固有方向性。有序手性β折叠可能造成两端暴露基团和单体加入动力学不同（图2g）。

图 2 分段R-PA超分子聚合物的不对称活性聚合

具有精确相反电荷片段的超分子聚合物

负电单体E-PA采用VVAAG(EGG)₃序列，脂质尾链和PEG修饰与R-PA一致（图3a）。冷冻电镜揭示其有序核心具有拉链状电子密度，周期间距为4.96 Å（图3c）；两种PA的散射谱高度相似，支持其结构相近（图3d）。以R-PA短纤维为种子生长E-PA，得到正电中央段与负电端段相接的结构（图3e）。较高浓度下也未见相反电荷区域间大规模聚集，PEG末端可能抑制了聚集。

图 3 相邻区域带相反电荷的分段超分子聚合物

精确控制肽两亲分子组装的设计规则与机制

不带PEG的E-PA变体中，超声产生的短纤维在24 h内继续长大；PEG修饰纤维则保持短小稳定（图4a）。至少两个PEG₁₀单元才可稳定长度（图S43、图S44）。研究者据此提出动态封端模型：亲水低聚物暂时覆盖纤维末端，在较高温度下允许单体进入，并在单体耗尽后稳定末端（图4c）。68 °C或65 °C加种可控制两端生长，而60 °C时短端生长失控，Ð升至2.25（图4b、图S47）。以聚肌氨酸替代PEG仍能实现精确长度（图4d）；将VVAA改为AAVV则产生扭转不均的纤维（图4f），分段长度失去控制（图4e）。动态封端和结构均一的有序核心需共同作用。

图 4 精确控制肽两亲分子组装的设计规则与机制

电荷分段结构增强神经元与纤维的相互作用

神经元实验采用去除一个谷氨酸残基的负电PA变体，以提高生理温度下的稳定性。在聚-D-赖氨酸基底培养24 h后，研究者向小鼠皮质神经元培养液加入长度10～12 μm、PA总浓度45 μM的纤维。正电单体仅占12.5 mol %的分段纤维仍可被神经元有效捕获（图5a）。正电锚点基本静止，负电端段以微米每秒量级运动（图5b）。

分段纤维促进神经突延长和分支，随机混合正负单体的组装体未促进神经突生长；全正电纤维则表现出细胞毒性。固定正电锚点后，将负电端段减半仍保留促生长效果，过长端段却降低作用（图5c），提示锚定与排斥之间需要适当平衡。 分段纤维处理14 d后，突触前后标记共定位增加，支持突触形成增强（图5e）。处理7 d后，KCl刺激引起的Ca²⁺峰值响应约为未处理组的3倍，累积钙活动约为4倍（图5f）。在人神经祖细胞分化培养中，神经元形成含胞体和树突的隆起区域，并由区域外轴突连接（图5g、图5h）。小鼠神经元周围的纤维还结合了内源性层粘连蛋白α-1（图5i），提示动态支架募集细胞外基质可能参与其生物活性。

图 5 电荷分段纤维增强神经元生长与活动

总结与展望

研究将分子有序性与动态行为结合，建立自封端超分子聚合策略，精确控制细胞尺度纤维的长度和电荷分段。按每个横截面约含10个PA分子估算，最长组装体的整体质量超过10⁹ Da。未来可探索适用该机制的其他分子，构筑层级或折叠结构、在特定位点连接表面，或通过片段矿化形成器件和宏观功能网络。