使用合適的表面活性劑

讓油和水形成相對穩(wěn)定的乳液

這在食品、化妝品和醫(yī)藥行業(yè)都有廣泛應(yīng)用

但是，如果把兩者換成“準(zhǔn)水”和“水”——

也就是高分子或蛋白等物質(zhì)

形成的“凝聚相”與“水相”

雙方還能和平共處嗎？

如果能使用某種“界面穩(wěn)定劑”，來給這類“凝聚液滴”穿上“保護衣”，那就可以實現(xiàn)這個目的了。

聽說，華南理工大學(xué)就研發(fā)出了這種神奇的“保護衣”，能讓你的想法變成現(xiàn)實！

近日

華南理工大學(xué)前沿軟物質(zhì)學(xué)院

蔣凌翔教授課題組

研究設(shè)計并合成了新型嵌段高分子

“Condensate-Amphiphilicblock

Polymers, CAPs”

該物質(zhì)可通用地穩(wěn)定各種

各種“凝聚相-水相”界面

實現(xiàn)對合成或生物凝聚液滴的

超強穩(wěn)定和自發(fā)乳化能力

相關(guān)研究成果在Nature Chemistry發(fā)表

該論文通信作者是蔣凌翔教授

第一作者是2023級軟物質(zhì)科學(xué)與工程專業(yè)

博士研究生唐達

團隊成員是如何

給凝聚液滴穿上特制“保護衣”？

它又將如何發(fā)揮作用？

這一成果有什么應(yīng)用場景？

咱們這就去一探究竟

01

該如何保護“脆皮”的凝聚液滴？

在我們?nèi)粘Ｉ钪校?strong>油是一種“凝聚相”物質(zhì)，而水則可稱為“水相”物質(zhì)。

“凝聚相”物質(zhì)在沒有封閉膜的情況下，天生就容易聚結(jié)和成熟，并且會由于溶解或凝固/沉淀對溫度、pH值和鹽度等環(huán)境因素，產(chǎn)生“說散就散、說粘就粘”的強烈反應(yīng)。

這種敏感性或不穩(wěn)定性，嚴重損害它們在工業(yè)服務(wù)中的長期性能，或者在細胞周期中的穩(wěn)定功能。

如需解決此種不穩(wěn)定的狀態(tài)，讓“凝聚相”和“水相”兩種物質(zhì)“和平共處”，則需要膜化——在凝聚液滴表面安裝一層穩(wěn)定膜。

然而，傳統(tǒng)的表面活性劑或穩(wěn)定劑往往對這類凝聚液滴無能為力，難以讓它們長期穩(wěn)定分散。

易融合的無膜液滴（左）和穩(wěn)定不融合的膜化液滴（右）

通過系統(tǒng)分析不同類型的凝聚液滴，團隊成員發(fā)現(xiàn)，它們在黏度、極性、帶電性質(zhì)等方面彼此截然不同。而絕大多數(shù)傳統(tǒng)穩(wěn)定劑，都只能“針對某一小部分”發(fā)揮作用，或者干脆“水土不服”。

為此，研究團隊從頭規(guī)劃了可廣泛適用的“通用”嵌段高分子結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)分為三段：親凝聚相段、自締合段、親水相段。最終，構(gòu)建出一整套能夠適應(yīng)各種小分子、合成聚合物乃至蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子凝聚液滴的CAP家族，能普遍性應(yīng)對凝聚物膜化的艱巨挑戰(zhàn)。

親凝聚、自締合和親水相段的三嵌段CAP分子

該CAP分子被設(shè)計得足夠長，因此可以伸展跨越水相和凝聚相之間的界面。其中，親凝聚相段能牢固地錨定在凝聚相上，親水相段延伸到水相中和自締合段中，促進穩(wěn)定膜的形成。

至關(guān)重要的設(shè)計是，親凝聚相段能成功地靶向合成凝聚物和生物分子凝聚物。

膜化液滴的共聚焦圖像

如上圖所示，團隊成員為我們展示了7種被CAP膜化的凝聚液滴，證實了連續(xù)膜的形成，該膜完全覆蓋了凝聚液滴，并將凝聚相與水相實現(xiàn)物理分離。

該結(jié)果不僅在水中能讓凝聚滴保持穩(wěn)定，還可以在高鹽、極端pH甚至有機溶劑環(huán)境中，繼續(xù)保持不融不碎。研究人員形象地稱其為“給凝聚液滴穿上緊身盔甲”。

除了全方位保護凝聚液滴，這件特制的“盔甲”，還能讓未來工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)更高效率、更低能耗！

02

被“保護”的凝聚液滴也能自由活動？

除了讓凝聚液滴披上特制的保護“盔甲”，團隊還發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象——某些類型的CAP，能使凝聚液滴實現(xiàn)自發(fā)乳化（無需外力攪拌，就能逐步把大片“凝聚層”分散成小液滴）。

此類現(xiàn)象，雖在油水體系中有一定研究，但應(yīng)用到各種化學(xué)或生物凝聚體系，還是首次大規(guī)模驗證。

自發(fā)乳化的過程

團隊成員使用共聚焦顯微鏡，在微觀尺度觀察到的這一過程，被形象地稱為“出芽”。在顯微鏡下可以清晰地看到，“凝聚相”和“水相”的界面明顯呈波浪狀起伏（而不是平坦光滑）。朝向水相一側(cè)的凸起，逐漸生成了直徑約為1-2μm的液滴，排放到水相中，且不會聚結(jié)在一起。隨著時間進一步推移，凸起又在不同的位置重新出現(xiàn)，重復(fù)以上的過程。

團隊成員指出，這種自發(fā)乳化過程在工業(yè)中有望減少能耗，在生物研究中則可能為模擬細胞內(nèi)各種“無膜細胞器”提供新思路，甚至有助于實現(xiàn)合成生物學(xué)中的“微型反應(yīng)器”和“人工細胞”構(gòu)想。

據(jù)唐達介紹，除了介紹如何設(shè)計與合成這類通用型嵌段高分子，文章還深入探討了CAP在不同凝聚液滴表面形成單分子層膜的分子排列和力學(xué)特性，并且展示了多種定量觀測手段，包括光學(xué)顯微操縱、微流控芯片等，來評估液滴抵抗融合的能力、膜的彎曲模量、液滴內(nèi)部擴散及跨界面通透性的變化等。這些研究不僅拓寬了人們對“水中凝聚相界面穩(wěn)定”這一前沿領(lǐng)域的認識，也為高分子與生物大分子的界面化學(xué)研究提供了新的思路。

未來，研究團隊希望繼續(xù)改進CAPs的功能性，打造出具有精準(zhǔn)調(diào)控和高選擇性通透能力的“膜包裹凝聚體”。這樣不僅可以應(yīng)用于制備智能藥物輸送系統(tǒng)或新型材料，還可能進一步模擬細胞的各種分隔及分子運輸過程，為人造細胞學(xué)、細胞器模擬、生物工程等研究領(lǐng)域提供新的工具。

團隊成員介紹說，這些此前只在生命體系中才看到的復(fù)雜過程，如今借助CAPs，也許能在化學(xué)實驗室里被重新“復(fù)制”出來。

當(dāng)華工智慧與國際視野同頻共振

科學(xué)研究便能跨越學(xué)科與疆域

成為破解人類難題的“通用語言”

華南理工大學(xué)將持續(xù)

扎根中國大地 面向重大需求

讓每一滴凝聚智慧的“液滴”

都能在前沿科技的浪潮中

平穩(wěn)懸浮、恒久閃耀！

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https://www.nature.com/articles/s41557-025-01800-4

華南理工大學(xué)　學(xué)生記者團

信息來源：前沿軟物質(zhì)學(xué)院

微信編輯：黃明華

初審：冀早早

復(fù)審：盧慶雷

終審：鄒浩

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