【Nanowerk News】来自德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学(HHU)的研究人员在开发智能分子材料方面迈出了重要一步。由贝恩德·M·施密特博士(有机化学与高分子化学研究所)和扬·迈斯纳教授(物理化学研究所)领导的研究团队已证明，可以使用超声波选择性激活复杂的分子纳米结构，以可控方式将其拆卸，甚至可以再次重新组装。
这些研究成果现已发表在科学期刊《自然通讯》。这些发现未来可能有助于开发更具靶向性的癌症药物。
超声波激活聚合物链并将机械力传递通过超分子纳米结构。这使得分子笼可以选择性打开并释放药物。(图片来源：杜塞尔多夫海因里希·海涅大学)
超分子笼是现代化学中最迷人的结构之一。它们由单个分子构建块构成，可自组装成三维结构。对这类纳米结构的研究主要集中在分子反应室、传感器或潜在的治疗性药物递送系统等应用上。虽然它们的靶向组装已被充分理解，但选择性拆卸仍然是一个挑战。
正是在这一点上，现已发表在著名科学期刊《自然通讯》上的杜塞尔多夫研究发挥了作用。研究人员将柔性聚合物链，即本质上像微小分子绳的结构，附加到基于钯化学元素的分子笼上。当这些系统受到超声波照射时，聚合物链将机械力传递到纳米结构的支架中，使得化学键能够被选择性断裂，分子笼以可控方式打开。这一机制对于实现体内治疗药物的靶向递送非常重要。
"自组装分子通常被描述为动态系统。然而，迄今为止，尚无能够对这些过程进行靶向机械干预的方法。我们的工作表明，超声波可以成为控制此类纳米结构的极其有效的工具，"贝恩德·M·施密特博士解释道。
特别值得注意的是，研究人员不仅能够观察到结构的拆卸过程。在适当条件下，他们还能够再次完全重新组装被激活的系统。
研究人员在研究的另一个重点中直接应用了这些实际益处，即顺铂抗癌药物的可控释放。首先，药物被封装在分子容器中。随后，超声波照射触发了药物载体的选择性打开，从而实现药物的释放。
"顺铂的释放作为一个研究模型，证明了可以使用机械力以靶向方式从超分子纳米结构内部释放分子货物，"主要作者蒂姆·大卫表示。"这为智能运输系统的开发开辟了有趣的长期前景。"
为了在分子水平上理解实验观察结果，研究人员将实验与高级计算机模拟相结合。所研究系统的规模和复杂性构成了特殊挑战。根据结构，溶剂化结构包含从几百到4000多个原子。这些原子之间的相互作用必须以高度准确性进行计算，以确保由机械力引起的键断裂被正确描绘。传统模拟方法在这里很快达到极限：要么需要太多计算能力来处理如此大的系统，要么方法根本无法足够准确地描绘键断裂。
因此，由扬·迈斯纳教授领导的团队使用了一种特殊的机器学习原子间势能，他们专门为描述金属-配体键进行了优化。这使得模拟得以实现，这些模拟比传统的量子化学计算快得多，同时几乎可以以相同的准确度描绘化学反应。结果，研究人员能够确定使单个钯-氮键断裂所需的力量，以及在机械应力下笼子拆卸的过程。
"新的模拟使我们能够确定破坏笼子内单个键所需的力量，"扬·迈斯纳教授解释道。"这使我们直接洞察到几乎无法通过实验观察的过程。机器学习的使用使我们能够高效地模拟大型复杂系统，并检查机械化学诱导的反应性。"
该研究为如何通过超分子系统传递机械力提供了基本见解。同时，它为开发适应性材料、可切换分子系统和未来药物递送系统开辟了新的可能性。
来源：杜塞尔多夫海因里希·海涅大学（注：内容可能经过编辑以符合风格和长度要求）
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