环糊精多壁微米管与微纳粒子的多组分、多级自组装

Living organism usually construct ordered structures in a three-step manner: chemical reaction, molecular self-assembly, and hierarchical multicomponent self-assembly. The last step is the key to achieve nature’s accuracy, complexity, and functionality, yet relevant research is scarce. Recently, we developed a self-assembly system of cyclodextrin-amphiphile complexes, in particular, the multiwalled microtubes with interwall space ~ 20 nm to match nanoparticle size and with tube inner diameter ~ 1 μm to match microparticle size. Here, we propose to study the hierarchical multicomponent self-assembly of cyclodextrin microtubes and a vast collection of nano/micro particles with different sizes, shapes, and chemistry: to develop a systematic case of higher-order self-assembly and to construct tubular, multicomponent, and hierarchical structures. We also aim to study the electrostatic, spatial, lattice interactions between microtubes and nano/micro particles, and to reveal universal assembly mechanisms; utilize microtubes’ responsive features to endow hierarchical structures adaptiveness in response to environmental and chemical triggers; develop potential applications. The proposed work may pave the way for people to understand how organism control multiple components to build specific structures or entities, and for people to manufacture or synthesize materials that parallel nature’s complexity and functionality.

生物体通常利用“化学反应→分子自组装→多组分多级自组装”三个步骤来构筑高级结构，第三步正是实现生物结构精确性、复杂性、功能性的关键，而相关研究尚处于起步阶段。申请人近年来发展了一种基于环糊精-两亲分子包结物的自组装体系——多壁微米管：管壁间距约20 nm与纳米粒子匹配，管腔直径约1 μm与微米粒子匹配。因此本课题拟研究环糊精多壁微米管与一系列大小、形貌、化学成分各异的微纳粒子的多组分、多级组装行为。发展一个系统的自洽的高级自组装体系，构筑管状、多元、高级结构。深入探索微米管与微纳粒子间的静电、空间、晶格相互作用，揭示高级共组装普适规律；利用环糊精微米管自身的环境响应性来实现多元共组装体系对于温度、pH等环境和化学刺激的响应；并初步探索其应用前景。我们希望相关结果能帮助人们理解生物体如何巧妙控制不同结构基元之间的相互作用，从而实现精确的多级自组装并得到具有特定功能的高级结构。

本项目针对性地以数种亚细胞结构为对象，在合成体系中设计并构筑对应的模型体系（包括无膜细胞器、晶性膜、微丝网络、星状体等），深入揭示组装的机理，探究仿生体系在细胞尺度的功能，并最终在宏观尺度的应用上取得突破。人们通常认为细胞器和亚细胞结构的组成多样，形成机理复杂；而我们发展的模型体系只需通过简单的小分子、在基本的物理化学原理作用下就能够形成那些看似复杂的结构，使我们能够更好地理解和改造亚细胞结构。通过巧妙的体系设计，这些模型结构不仅能够在细胞尺度发挥仿生功能（如时间空间调控、微观输运、微纳颗粒空间定位等），还能进一步在宏观尺度上发挥重要作用（如实现生物组织的力学响应和液体表面张力的非平衡态调控等）。在方法学和技术手段方面，本项目发展了一系列光学显微和操控技术，针对性地研究了发生在纳米到微米、毫秒到秒这一空间和时间尺度上的自组装行为以及动态行为。相关成果为我们将来把孤立的仿生亚细胞结构整合成一个有机整体，创建复杂的“仿生细胞”打下了坚实的基础，并为我们将亚细胞组装的原理和规律化为己用、实现宏观材料性质和功能的突破提供了思路。