时空选择性表面功能化是迈向下一代功能系统的关键一步。生物体已经通过控制功能蛋白在细胞膜上的分布和方向来实现信号传递、货物运输、光合能量转换等。然而，由于缺乏自适应结合化学，合成材料实现这种精确控制仍然是一个巨大的挑战。点击化学提供了一种有效的结合策略，同时共享共价结合策略的非响应性。由于非共价结合策略的发展，生物分子识别和主客体相互作用已被用于将治疗性蛋白质加载到聚合物颗粒上、分离质膜蛋白、将分子催化剂加载到电极上等。尽管它们已被证明是有效的，但加载的功能模块只能通过添加竞争性主/客分子或通过客体分子的光异构化来释放，这挑战了功能模块的重新加载、主分子修饰材料的回收利用和客体分子的合成。此外，主体分子，如环糊精和葫芦脲，必须提前安装到材料表面。工程化材料的表面作为宿主可以实现简单的结合策略。

聚合物和小分子配体被广泛用于控制合成材料的表面化学。例如，PEG（一种亲水且无毒的聚合物）已被设计成纳米载体上的隐形冠层、植入材料上的防污涂层、多孔材料上的聚合物电解质、纳米粒子上的封端配体等。

受酶-底物识别诱导拟合模型的启发，研究人员认为表面附着的 PEG 链与酶的多肽链相似，可以适应客体分子的大小和形状并充当宿主。然而，与环糊精和葫芦脲中存在用于结合的疏水空腔不同，PEG 链通过与水分子形成氢键在水性介质中充分水合。客体分子与 PEG 的结合需要破坏这些氢键并从结合位点去除水分子，就像蛋白质-配体结合一样。由于破坏这些氢键和链构象熵损失的能量损失，PEG 的脱水被认为是非常困难的。因此，尽管 PEG 广泛存在于材料表面，但从未被探索为主体。最近的模拟和实验表明，释放与PEG 结合的水分子可以补偿链构象熵损失，将 PEG 的脱水转化为能量驱动过程。由 sp2 杂化碳原子组成的疏水性石墨烯和碳纳米管成功地驱动了 PEG 的脱水，表明它们的结合能足以打断氢键。因此，可以假设与石墨烯具有相似化学结构的多环芳烃可以破坏水合层并充当 PEG 主体的客体分子（锚）。与具有疏水腔的宿主不同，PEG 宿主的良好水合作用应该允许锚的适应性插入以实现可编程的表面功能化。

成果简介

鉴于此，荷兰拉德堡德大学Daniela A.Wilson等研究人员通过设计并合成了一系列分子探针，以探讨如何将疏水锚适应性插入PEG宿主进行表面功能化。

图|将疏水锚适应性插入 PEG 宿主以实现可编程表面功能化

设计优势

作者使用多环芳烃作为锚以及锇配合物（Os）作为模型功能模块构建分子探针，其中使用疏水性芘基 (Py) 作为锚的代表性分子探针(Py-PEG4-Os)。这样的设计具有以下优点：

(1）亲水性-PEG4-Os可以增加Py的水溶性；

(2) Py的极性敏感荧光可以反映锚的位置；

(3) 从Os到Py的光诱导电子转移可以淬灭Py的荧光并验证负载分子探针的构象。

研究发现，通过使用多环芳烃作为疏水锚，亲水带电和不带电功能模块在 2 分钟内自发地负载到 PEG冠层上，无需任何催化剂和结合基团的帮助。

图|将分子探针加载到PEG冠层上

机制探究

为此，作者提出了一种将 Py-PEG4-Os 加载到聚合物囊泡的 PEG 冠层上的机制。溶解的 Py-PEG4-Os 在封闭和开放配置之间保持平衡。当引入聚合物囊泡时，Py 将自身嵌入到 PEG 冠层中以从水中逃逸，从而在 PEG 冠层表面留下亲水性 PEG4-Os。Py 和 PEG 冠之间的孤对/CH-π 相互作用将 Py-PEG4-Os 锚定到 PEG 冠，每个 Os 之间的静电排斥决定了 Py-PEG4-Os 在 PEG 冠上的堆积密度。除了 PEG-b-PS 聚合物囊泡和 PEG 微粒外，分子探针还成功加载到PEG-b-PDLLA聚合物囊泡和 PEG 修饰的金纳米颗粒上。这突出了插入策略使不同 PEG 宿主功能化的潜力。

图|分子探针的加载机制

可编程的表面功能化

为了实现可编程的表面功能化，研究人员通过引入 PEG冠层的竞争试剂来研究疏水锚的开/关插入开关。

由于玻璃状聚苯乙烯核，聚合物囊泡在与不同试剂孵育时保持稳定，包括聚4-苯乙烯磺酸钠（PSS）、PEG、聚丙烯酸钠盐（PAA）或 Na₂SO₄。PEG 未能从聚合物囊泡中脱嵌 Py-PEG4-Os，这应归因于其水合良好的聚合物链。添加 PSS 后，几乎所有加载的 Py-PEG4-O 都释放到溶液中。由于 PSS 未吸附到聚合物囊泡上，因此 Py-PEG4-Os 未被取代，而是被 PSS 拉入溶液中。拉力应该来自 PSS 的苯基与 Py 之间的 π-π相互作用以及 PSS 的磺酸盐基团与 Os 之间的静电引力。PAA 或 Na₂SO₄只能通过静电吸引拉动 Py-PEG4-Os，但未能诱导脱嵌，突出了多重相互作用的作用。

考虑到拉力的性质，研究人员尝试使用盐来屏蔽 PSS 和 Py-PEG4-Os 之间的静电引力并诱导 Py-PEG4-Os 的重新插入。与 NaCl 相比，CaCl₂ 可以更有效地诱导 Py-PEG4-Os 的重新插入，这可能是由于 Ca²⁺ 和 PSS 之间更强的相互作用。最重要的是，PSS 可以通过 π-π 和静电相互作用包裹 Py-PEG4-Os 来关闭 Py-PEG4-Os 的插入，而 CaCl2 可以通过屏蔽 Py-PEG4-Os 之间的静电引力来打开 Py-PEG4-Os 的插入和PSS。通过操纵 PSS 和Py-PEG4-Os 之间的相互作用，从而可以启用疏水锚的开/关插入开关。

图|可编程表面功能化的自适应插入

小结：

总之，研究人员报告了疏水锚和 PEG 宿主之间的自适应分子识别，用于可编程表面功能化。这种非共价结合策略具有效率高、功能化时间短、条件温和、分子取向可控和动态加载能力等特点。预计这种分子识别模式将使下一代功能系统的设计成为可能，并促进纳米医学、纳米技术和先进材料的进步。

参考文献：

Zhang, S., Li, W., Luan, J. et al. Adaptive insertion of a hydrophobic anchor into a poly(ethylene glycol) host for programmable surface functionalization. Nat. Chem. (2022).

https://doi.org/10.1038/s41557-022-01090-0