今天给大家介绍的文章是最近发表在JACS上的Oligodimethylsiloxane-Oligoproline Block Co-Oligomers: the Interplay between Aggregation and Phase Segregation in Bulk and Solution，作者报道了多种低聚二甲基硅氧烷-低聚脯氨酸的嵌段共聚物，并通过X射线散射、圆二色（CD）光谱等对于组装结构进行了分析，研究了其在本体以及溶液中的聚集等现象。文章的通讯作者是苏黎世联邦大学的Helma Wennemers和埃因霍夫理工大学的E. W. Meijer。
化学家已经开发出了多种两亲性多肽结构并详细研究了其在本体或溶液中的聚集行为。多数两亲性结构是由柔性聚合物链段和刚性的肽链结合而成的肽基嵌段共聚物（BCP），其通过与溶剂分子的有利（或不利）相互作用而形成聚集。在非极性溶剂中对于BCP的组装行为研究较少，但由于刚性棒状肽段之间的次级相互作用，一些有趣的特性可能会产生，如形成有机凝胶。例如Mezzenga等人将α-螺旋肽与聚二甲基硅氧烷(PDMS)连接，观察到了其在甲苯中形成了网络结构。
最近，作者等人发现当嵌段共低聚物（block co-oligomers，BCOs）在长度上不是单分散时，很难在溶液中获得均一且可预测的自组装结构。而单分散的BCO（Đ = 1）有利于在本体中获得高度有序的结构。作者先前的研究表明，通过使用低聚二甲基硅氧烷作为嵌段，BCOs的两部分可以实现高度的不相容性，从而在低聚合度下产生高度有序的结构，通常为片层状结构。
聚脯氨酸Ⅱ型螺旋（PPⅡ）是在多肽和蛋白质中最丰富的二级结构之一，六个连续的脯氨酸连接即可形成稳定的PPⅡ螺旋结构。PPⅡ具有轴向的伪C3对称性，每三个Pro残基旋转360°。由于低聚脯氨酸在非极性有机溶剂中的溶解度较低，目前对其的研究主要集中在水或极性有机溶剂中进行。然而如果想要实现低聚脯氨酸的超分子组装，其中弱相互作用将会极其关键，使用非竞争性的非极性溶剂将是更理想的选择。
从低聚脯氨酸组装特性和研究其在非极性环境中相互作用的兴趣出发，作者将不同长度的亲水性低聚脯氨酸共价连接到疏水性硅氧烷低聚物上，研究此嵌段共聚物在本体和溶液中的微相分离。低聚脯氨酸的化学结构很容易通过化学合成进行调整，因此，作者可以细致地研究分子结构的变化对超分子组装的影响。作者利用X射线散射、圆二色（CD）光谱、透射电子显微镜（TEM）和光散射对于组装结构进行了分析表征。
图1. 嵌段共聚物的结构
嵌段共聚物的合成：作者合成了多种结构的二嵌段共聚物和三嵌段共聚物（图1）。他们固定硅氧烷的链段长度，并改变脯氨酸的聚合度分别为3、6、9。此外，二嵌段共聚物具有酰胺和甲酯两种端基，以此来C端基团对超分子组装的影响。作者使用MALDI-TOF质谱和NMR确定了共聚物具有明确的分子量。所有的共聚物在有机溶剂如二氯甲烷和甲醇中都显示出了较好的溶解度，其中二嵌段聚合物可以溶解在非极性溶剂甲基环己烷（MCH）中。
图2. 嵌段共聚物本体的X射线散射结果
嵌段共聚物本体中的纳米结构：作者使用中角和广角X射线散射（MAXS和WAXS）研究了所有BCOs的本体材料性质（图2）。
从上述结果中作者得出结论，当脯氨酸足以形成PPⅡ螺旋，即六个脯氨酸以上时，就会形成晶体堆积，Pro6和9在二嵌段和三嵌段中的堆积方式相同。唯一的例外是oDMS15-Pro6-NH2，在q为10 nm-1左右有不同的吸收峰，这可能是PPⅡ旁边存在PPⅠ螺旋的迹象。
图3. 嵌段共聚物本体的圆二色性光谱结果
作者随后使用CD对于上述共聚物进行了检测，对于其他共聚物的检测均显示其与PPⅡ螺旋类似，然而对于oDMS15-Pro6-NH2检测时发现其样品具有不均匀性。值得一提的是此样品是唯一一个在甲基环己烷10 mg/ml时成胶的，因此作者进一步研究了此样品在溶液中的自组装行为。
作者通过X射线散射分析了其堆积结构的尺寸（图3），由Pro6和Pro9的共聚物作为数据对比，可以推测出堆积的具体结构（图4），其中oDMS15-Pro6-OMe与Pro9相比，层间距减少了1 nm，因此作者认为三个脯氨酸所形成的螺旋结构在此基本为1 nm，而三聚体之间以及氨基端基的双聚体之间均相差了2 nm，因此作者推测出了图4的结构。
图4. 嵌段共聚物的堆积示意图（A为OMe端基二嵌段共聚物，B为三嵌段共聚物，C为NH2端基二嵌段共聚物）
作者使用CD光谱对于二嵌段共聚物在溶液中的构象进行了分析（图5），除去oDMS15-Pro6-NH2外，其他三种共聚物在MCH中均表现出了与甲醇溶液以及本体中相似的光谱，即PPⅡ构型。对于oDMS15-Pro6-NH2，作者发现其在MCH中具有更宽的吸收，最大值为225 nm，PPⅡ的最大吸收峰为228 nm处，而PPⅠ的最大吸收峰为213 nm处，因此作者认为其为两者的混合。作者改变温度时发现oDMS15-Pro6-NH2具有较大的CD光谱的改变，并且最大吸收峰增加，这佐证了作者的观点。作者认为在这种情况下，MCH或硅氧烷提供了非极性的环境，从而使脯氨酸的顺反异构化速度很快，没有滞后性。
作者通过透射电子显微镜（TEM）观察到了oDMS15-Pro6-NH2的纤维结构，它相对于其他二聚物结构团聚体更大。作者认为其端基氨基所形成的氢键结构影响了其二级结构以及聚集，对于同样具有氨基端基的Pro9二嵌段共聚物，作者认为在此范德华力相对氢键起到了更主导的作用，因此并没有形成PPⅠ以及胶体结构。
综上所述，作者报道了多种低聚二甲基硅氧烷-低聚脯氨酸的嵌段共低聚物在本体和非极性环境中的组装行为，并通过X射线散射、圆二色性（CD）光谱等表征手段对组装结构进行了分析，这一rod-coil型的嵌段共寡聚物在本体条件下可组装得到层状结构，而在非极性溶剂中寡聚脯氨酸嵌段通过范德华相互作用而聚集得到胶束状结构。该类型聚合物的聚集和相分离之间存在复杂的相互影响，分子结构的微小变化足以改变整体的组装行为和材料性质。
