新型多孔材料设计合成及应用方面取得进展

近日，复旦大学赵东元院士/李晓民教授团队在新型多孔材料构建仿生逻辑门方面取得进展，相关研究成果以“乳液定向诱导双球状非对称介孔纳米粒子用于生物质逻辑门”（Emulsion-Oriented Assembly for Janus Double-Spherical Mesoporous Nanoparticles as Biological Logic Gates）”为题于2023年4月13日发表在《自然-化学》（Nature Chemistry）杂志上。本文第一作者为先进材料实验室博士后赵天聪，赵东元院士/李晓民教授为共同通讯作者。

自然界的信息传递方式多种多样，其中细胞内，细胞器之间的生物质信息传递系统，因为其高度专一性和选择性，被研究者广为关注。介孔材料因为其可控负载与释放客体物质的能力，被认为在模拟自然界的信息传递、构建生物质逻辑体系方面具有极高的前景。然而，想要模拟细胞的高度复杂的内部逻辑体系，其首要条件是构造类似于细胞器的多个独立的信号存储、转换单元。传统的各向同性介孔纳米材料只能让各种物质混杂负载，无法实现有序信息传递。而目前所报道的非对称介孔纳米材料，也主要是无孔或只拥有小的介孔 (< 3 nm)，无法实现对大尺寸功能性生物分子的负载。因此，人们迫切需要合成具有可调节的大尺寸介孔非对称纳米颗粒，但截至目前，这仍然是一个巨大的挑战。

针对上述挑战，该团队提出了乳液诱导各向异性组装策略，合成了具有可调节大介孔的双介孔非对称MSN&mPDA纳米粒子（MSN=介孔二氧化硅纳米粒子，mPDA=介孔聚多巴胺）。所得到的双介孔非对称MSN&mPDA纳米粒子具有花生状不对称形态，每个纳米粒子由一个约150 nm的MSN纳米球和一个直径约120 nm的mPDA半球形组成。区别于以前报道的介孔Janus纳米粒子的小尺寸介孔 (< 3 nm)，该工作合成非对称纳米粒子在MSN和mPDA两个单元同时拥有大且可调的介孔。MSN单元中的介孔大小可从~ 3到~ 25 nm调节，mPDA单元也拥有可改调的介孔，范围在~ 5到~ 50 nm之间调节。通过在不同介孔单元进行选择性的修饰和负载，实现不同类型的颗粒内串联生化反应，由此构建了单颗粒级别仿生生物质逻辑体系。

该论文首次提出以微乳液为结构导向剂制备非对称介孔材料的思路，在单个颗粒水平上对各个单元介孔孔径进行连续可调，并基于此实现了单颗粒内部串联信号传递。该材料有望作为新型智能纳米材料，应用于药物递送、信息传感、分析检测等多个重要领域。