ACS Nano：pH响应聚合物的“纳米缓冲”现象及其生物医学应用

随着聚合物化学、材料科学和纳米技术的不断发展，pH响应聚合物（也称为pH敏感聚合物）的研发在过去二十年中引起了大量关注，并已广泛地应用于各个领域。例如，药物递送、微机械系统、传感器、诊断治疗、仿生学、表面功能化、催化剂和农业等领域。

一般而言，pH响应性聚合物是具有碱性残基或可电离酸性残基的聚合物，其电离依赖于溶液pH。它们属于刺激响应性聚合物中的一个类别，特异性地由环境pH触发（通过接受或释放质子），从而导致物理化学性质（例如，溶解度、链构象、表面活性和构型等）的变化。多种官能团（如吡啶、羧基、磷酸、磺酸和叔胺）常被发现于pH响应聚合物中，由于它们易受周围介质pH变化而引起电离作用。合理的设计pH响应聚合物最终可广泛的用于各种生物医学应用中，例如：（1）在特定pH值下可控递送和释放负载药物（例如，治疗性小分子、RNA、DNA和蛋白质等）;（2）通过操纵pH响应性聚合物基刷上蛋白质吸附或解吸，进行蛋白质固定和分析；（3）可根据环境pH值在疏水性和亲水性之间可逆转换的特性，将其应用于微流体和“芯片实验室”设备，生化门控，自清洁表面和防水表面等；（4）根据pH值，通过可调节的细菌吸附和释放特性来达到除菌的目的；（5）基于精确控制pH和葡萄糖浓度来可逆地捕获和释放目标细胞（如癌细胞）进行细胞诊断；以及（6）pH反应聚合物修饰的、基于电极的器件制备而成的pH传感器。然而，虽然有大量关于pH响应聚合物制备及其在各种领域中的应用的报道，这些聚合物在纳米尺度上引起的“纳米缓冲”（Nanobuffering）现象尽管已知、但尚未得到广泛和系统地探索。

近日，哈佛大学医学院的陶伟博士（第一作者兼通讯作者）联合德国汉堡大学的Wolfgang J. Parak教授、哈佛大学医学院的王俊卿博士、Omid C. Farokhzad教授和施进军教授（通讯作者）共同撰文，系统总结了pH响应聚合物“纳米缓冲”效应（Nanobuffering of pH-Responsive Polymers；NBPRP）的概念和其产生的特定要求。进而，结合近年来的代表性工作成果，归纳介绍了NBPRP效应的几个潜在生物医学应用领域。例如，（1）利用NBPRP效应进行抗体分离和纯化；（2）通过NBPRP效应改造酶级联反应中单个酶的微环境，提高生物催化/合成中的产率；以及（3）通过NBPRP效应介导的精细成像和微扰对内吞细胞器的生物学机制进行研究。最后，文章指出这几个例子只是NBPRP效应的部分应用领域，更多更具潜力的生物医学应用值得进一步探索，同时也提出了NBPRP效应未来对生物医学和生物技术产生深远影响的一些机遇和挑战。

该文章近期以受邀Perspective的形式发表在ACS Nano 上。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Nanobuffering of pH-Responsive Polymers: A Known but Sometimes Overlooked Phenomenon and its Biological Applications

Wei Tao, Junqing Wang, Wolfgang J. Parak, Omid C. Farokhzad, Jinjun Shi

ACS Nano, 2019, 13, 4876-4882, DOI: 10.1021/acsnano.9b01696

陶伟博士简介

陶伟博士于2015年7月在清华大学获得理学博士学位。随后，他在哈佛大学医学院Omid C. Farokhzad教授团队担任NIH资助的博士后研究员，并于2018年3月受聘为哈佛大学医学院讲师。研究方向主要包括药物载体的设计和合成，探索它们的体内交互作用机制和广泛的生物医学应用（如RNA递送、癌症诊断治疗、伤口愈合、心血管疾病和糖尿病治疗）。以第一作者（包括共一）和通讯作者身份在Nature Biomedical Engineering, Nature Communications, Chemical Society Reviews, Advanced Materials, Angewandte Chemie, ACS Nano, Nano Letters等刊物上发表论文20余篇，目前封面论文15篇，ESI前1%高被引论文10篇，ESI前0.1%热点文章2篇。他是Frontiers编辑委员会成员，Frontiers in Pharmacology 杂志客座主编。陶伟博士目前主持的基金包括美国METAvivor青年研究员奖、哈佛大学医学院麻醉系基础科学家基金、美国心脏协会（AHA）合作科学奖等基金。