最新JACS: —具有可调结构颜色的仿生多肽光子薄膜

一、研究背景

自寒武纪大爆发以来，生物系统已经利用了惊人的各种光子结构。这些自然组合体最引人注目的表现是结构着色效应。绿色机翼中的三维 (3D) 光子晶体结构蝴蝶 Parides sesostris的鳞片由相互连接的角质层网络内的充气孔格组成。周期性折射率变化导致光子带隙 (PBG) 的产生，从而提供了控制光传播的能力。此外，可以通过调节结构参数（包括晶格间距或折射率）来响应外部刺激来实现可调的颜色交替。

经过数十亿年的进化，20种编码氨基酸成为构建的基本集合  阻断自组装成肽和蛋白质结构的分子。虽然合成多肽具有广泛的功能，但生物相容性和可降解性是纳米（生物）技术应用所需要的，它们形成光子纳米结构的能力尚未得到开发。在这里，作者团队首次报道了通过结合 N-羧酸酐的开环聚合 (NCA-ROP) 和光子晶体结构 (方案 1) 轻松制备多肽结构彩色薄膜。通过使用 α-氨基酸 NCA 作为构建单元，驱动表面引发的ROP 负复制功能化胶体晶体模板，从而获得反蛋白石结构。

模板的微加工允许创建跨越多个长度尺度的图案化多肽光子薄膜。此外，通过掺入其他氨基酸成分制备刺激响应共多肽结构彩色薄膜。鉴于氨基酸衍生物的大家族，该系统能够制造具有目前任何现有方法都无法获得的各种化学功能的多肽光子材料。

二、文章亮点

1. 作者团队报告了一种新的合成策略，将 N-羧酸酐 (NCA) 化学和光子晶体相结合，用于制造多肽结构彩色薄膜。 

2.  作者团队发现在表面引发的开环聚合驱动下，引入了 L-胱氨酸 (Cys) 的2-NCA衍生物来复制功能化胶体晶体模板并构建具有可调结构颜色的独立 P(Cys) 薄膜。

3. 作者团队通过模板微加工证明了制备图案化多肽光子薄膜的可行性。

4. 由于 L-谷氨酸 (Glu) 成分的掺入，P(Cys-co-Glu) 共多肽膜被赋予了对 pH 变化的视觉颜色响应性，多肽光子薄膜显示出按需降解性。

5. 鉴于氨基酸构建模块的庞大家族，这种强大且通用的方法为多功能肽基光学平台的化学衍生化铺平了道路。

三、图文速读

方案 1. 胺化 SiO2 纳米球表面引发的 α-氨基酸 NCA 的 ROP 制备多肽光子薄膜的示意图。

图 1. (a) P(Cys) 结构彩色薄膜合成示意图。(b)不同孔径的 P(Cys) 薄膜的反射光谱和相应的光学图像。(c) P(Cys) 杂化 SiO2 模板的横截面 SEM 图像。(d) P(Cys) 薄膜的横截面 SEM 图像。(e) (d) 中横截面 SEM 图像的放大图。插图显示了具有 FCC 阵列的 P(Cys) 薄膜的顶面。比例尺为 (c, d) 2 μm 和 (e) 1 μm 和 (插图) 500 nm。(f) (e) 对应的 S 元素映射。

图 2. (a) Cys NCA 和 P(Cys) 的 FTIR 光谱。(b) 制备图案化多肽光子薄膜的常规示意图。  (c) 具有不同结构颜色的图案化 P(Cys) 薄膜的数码照片。(d) 水响应前后图案化 P(Cys) 薄膜的示意图和相应的数码照片。比例尺为 2 毫米。(e) 在水响应过程中记录的 P(Cys) 结构彩色薄膜的反射光谱。(f) 水响应测试期间反射峰值的循环。

图 3. (a) P(Cys-co-Glu) 光子薄膜的合成路线。(b) 不同共聚比的 P(Cys-co-Glu) 薄膜的 FTIR 光谱。(c) 示意图显示了 P(Cys-co-Glu) 光子薄膜的 pH 响应机制。(d) pH 变化时具有不同共聚比的图案化 P(Cys-co-Glu) 薄膜的数码照片。(e) (d) 的相应反射光谱。(f) 用不同 pH 值（7.0、8.4 和 9.0）溶液处理的图案化 P(Cys8-co-Glu1) 薄膜的 AFM 图像。

图 4. (a) 二硫键连接的多肽光子薄膜的形成和降解示意图。(b) P(Cys-coGlu) 膜降解的照片。(c) 二硫键裂解后降解产物的 1H NMR 光谱。

四、总结展望

总之，NCA-ROP 和光子晶体结构的融合被作者团队开发用于构建完全由α-氨基酸组成的多肽结构彩色薄膜。作为概念的初步证明，独立式 P(Cys) 薄膜继承了模板的形态并具有可调节的结构颜色。

此外，模板的微制造允许创建具有多个长度尺度的任意多肽模式。由于可电离羧酸盐基团的存在，图案化 P(Cys-coGlu) 薄膜的结构颜色和特征反射峰随 pH 值变化而变化，从而实现视觉刺激响应。可以预见，这种强大而通用的策略可以为可降解光子纳米结构带来新的灵感，并为获得多肽结构颜色材料的实际生物医学应用打开大门。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c02894