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Reversibly Switching Bilayer Permeability and Release Modules of Photochromic Polymersomes Stabilized by Cooperative Noncovalent Interactions

聚合物囊泡 化学 双层 两亲性 高分子化学 非共价相互作用 小泡 共聚物 光化学 生物物理学 光致变色 磁导率 纳米技术 聚合物 分子 有机化学 生物化学 氢键 生物 材料科学
作者
Xiaorui Wang,Jinming Hu,Guhuan Liu,Jie Tian,Huijuan Wang,Ming Gong,Shiyong Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:137 (48): 15262-15275 被引量:281
标识
DOI:10.1021/jacs.5b10127
摘要

We report on the fabrication of photochromic polymersomes exhibiting photoswitchable and reversible bilayer permeability from newly designed poly(ethylene oxide)-b-PSPA (PEO-b-PSPA) diblock copolymers, where SPA is spiropyran (SP)-based monomer containing a unique carbamate linkage. Upon self-assembling into polymersomes, SP moieties within vesicle bilayers undergo reversible phototriggered isomerization between hydrophobic spiropyran (SP, λ2 > 450 nm irradiation) and zwitterionic merocyanine (MC, λ1 < 420 nm irradiation) states. For both SP and MC polymersomes, their microstructures are stabilized by multiple cooperative noncovalent interactions including hydrophobic, hydrogen bonding, π-π stacking, and paired electrostatic (zwitterionic) interactions, with the latter two types being exclusive for MC polymersomes. Control experiments using analogous block copolymers of hydrophobic SP monomer with a carbonate linkage (SPO) and conventional spiropyran methacrylate monomer (SPMA) containing a single ester functionality were then conducted, revealing that carbamate-incurred hydrogen bonding interactions in PEO-b-PSPA are crucial for polymersome stabilization in the zwitterionic MC state. Moreover, reversible phototriggered SP-to-MC polymersome transition is accompanied by membrane polarity and permeability switching from being nonimpermeable to selectively permeable toward noncharged, charged, and zwitterionic small molecule species below critical molar masses. Intriguingly, UV-actuated MC polymersomes possess two types of release modules: (1) sustained release upon short UV irradiation duration by taking advantage of the unexpectedly slow spontaneous MC-to-SP transition kinetics (t1/2 > 20 h) under dark conditions; (2) on-demand and switchable release under alternated UV-vis light irradiation. We further demonstrate photoswitchable spatiotemporal release of 4',6-diamidino-2-phenylindole (DAPI, cell nuclei-staining dye) within living HeLa cells.
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