华中科技大学《自然·通讯》：多层介孔“纳米囊泡”问世

在纳米材料领域，由两亲性分子自组装形成的囊泡结构，因其能模拟细胞区室化功能而备受关注。其中，具有“洋葱式”多层结构的囊泡体（vesosome）展现出作为高级药物递送载体和纳米反应器的巨大潜力。然而，长期以来，这类多层结构的壳壁均为无孔致密层，这虽然保障了内部装载物的稳定，却阻碍了物质的跨膜传输，限制了其在催化、传感和可控释放等领域的应用。如何为每一层壳壁“打上”规整有序的介孔，使其既保留多层结构的稳定性，又能实现物质的高效流通，是困扰该领域约二十年的重大挑战。

近日，华中科技大学朱锦涛教授、邓仁华研究员和光州科学技术院Eunji Lee研究员、复旦大学李卫华教授合作，通过一种巧妙的“分子工程”策略，结合三维限域自组装技术，成功制备出具有高度规整六边形介孔的多层囊泡体（图1a）。这种新型结构不仅拥有超高的比表面积，其富含吡啶基团的孔道还展现出优异的碘吸附性能，吸附容量高达1.26克/克，且循环性能稳定。这一突破为设计下一代智能纳米反应器和药物递送平台开辟了全新路径。相关论文以“Multilayer mesoporous vesosomes of block copolymer”为题，发表在Nature Communications上。

形貌与结构：电子显微镜下的精美“孔笼”

为了直观展示这一成果，研究团队利用透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）对产物进行了表征。TEM图像清晰地显示出清晰的多层壳结构，每一层壳上都布满了周期性的精细孔洞，壳层厚度约为37纳米，层内孔径周期约为72纳米（图1b）。与此一致，SEM图像则从表面视角证实了这些孔洞呈现近乎完美的六边形排列，表面孔径约为22.5纳米（图1c）。通过能量色散X射线光谱（EDX）元素分布图可以看出，碳、氮、溴元素在整个颗粒中均匀分布，这表明吡啶氮原子被均匀地构建在了孔道表面，为后续的化学功能化提供了丰富的反应位点（图1d）。氮气吸附-脱附实验进一步确认了介孔特性，多层介孔囊泡体的BET比表面积高达125.89 m²/g，远优于无介孔对照组的11.27 m²/g，充分体现了贯穿孔道在提升比表面积方面的显著优势（图1e）。

图1 多层介孔囊泡体的形貌与孔隙率。a，分子工程辅助的3D-CSA制备有序多层介孔囊泡体的示意图。b，c，多层介孔囊泡体的TEM和SEM图像。d，多层介孔囊泡体的暗场高分辨透射电镜（HRTEM）图像及相应的元素分布图。e，多层介孔囊泡体（蓝色）和无介孔多层囊泡体（绿色）的Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积对比。

为了进一步确认孔道的三维连通性，研究团队采用了先进的电子断层扫描技术。通过对颗粒在-60°到+56°范围内进行倾斜系列成像并重建三维结构，发现每一层壳上的多孔结构都沿径向贯穿整个壳层，形成了内部互联的通道（图2a）。系列xy-切片及对应的二值化分割图像直观地展示了这一多层框架的径向连续性（图2b）。三维渲染图直观地展示了这些壳层如同同心球般层层嵌套，并共享着相同的孔道晶格取向，确凿无疑地证明了成功构建的是具有贯穿介孔的多层囊泡体，而非仅仅是表面有凹坑的实心球（图2c）。

图2 多层介孔囊泡体的三维电子断层扫描重建。a，在-60°至+56°不同角度拍摄的多层介孔囊泡体原始TEM图像。b，来自多层介孔囊泡体三维断层扫描重建的代表性xy-切片及对应的二值化分割图像，图像上方数字表示切片索引，z方向切片间隔为39.5 nm，z轴体素尺寸为0.789 nm。c，分别重建最外壳层与内部区域后合并体积生成的多层介孔囊泡体三维渲染图，展示顶视图、底视图和侧视图。

形成机制：分子工程与限域效应的协同魔法

如此精妙的结构是如何形成的？关键在于研究团队对嵌段共聚物自组装行为的精准调控。他们使用的是一种名为聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)（PS-b-P4VP）的嵌段共聚物。通过向体系中引入能与P4VP段特异性氢键结合的3-十五烷基酚（PDP）和可发生季铵化交联的1,5-二溴戊烷（DBP），科学家们巧妙地调节了聚合物的有效堆积参数，将其引导至一种亚稳态的“穿孔层”结构（图3a、d）。红外光谱证实了氢键和季铵化反应的成功发生，而对比实验显示，不添加DBP时，体系只能形成无孔的多层囊泡（图3b、c），添加DBP后则成功获得多层介孔囊泡体（图3e、f），凸显了交联在稳定该亚稳态构型中的关键作用。

研究人员还发现，通过改变PDP的添加量，可以有效调节“穿孔层”的形成窗口。傅里叶变换红外光谱显示，随着PDP比例的增加，氢键结合逐渐趋向饱和（图3g），而相应的自组装形貌也从球状、柱状逐渐转变为穿孔层结构，直至形成反相结构。该团队将PDP负载量（x）、P4VP(PDP)有效体积分数、有效堆积参数与最终形貌之间的关联进行了系统总结（图3h）。基于高斯链模型的自洽场理论（SCFT）模拟进一步重现了这一实验现象，并明确指出，在球形液滴的限域空间内，随着超分子负载量x的增加，体系可逐步演化至穿孔层结构，这为实验现象提供了坚实的理论支撑（图3i）。

图3 穿孔层形貌在球形限域下的分子工程。a，无DBP的PS-b-P4VP(PDP)₁.₂微粒示意图及b，c对应的TEM图像。d，PS-b-P4VP(PDP)₁.₂/DBP₀.₄微粒示意图及e，f对应的TEM图像，展示DBP在多层介孔囊泡体形貌形成中的作用。g，不同PDP相对含量下PS-b-P4VP(PDP)₁.₂/DBP₀.₄微粒的FT-IR光谱。h，PDP相对含量（x）、P4VP(PDP)理论体积分数（f_P4VP(PDP)）、有效堆积参数与PS-b-P4VP(PDP)₁.₂/DBP₀.₄体系中微粒形貌的关系图。i，球形三维限域下PS-b-P4VP(PDP)₁.₂/DBP体系的模拟图，展示了随超分子负载量x增加的结构演化过程，外部蓝色包络线代表液滴边界。

更具启发性的是，这种“穿孔”行为与限域空间的尺寸密切相关（图4a）。当乳液液滴尺寸较小时，强烈的三维限域效应迫使聚合物只能形成单层囊泡。而此时，为了释放曲面上的堆积张力，膜上会自发形成数量不同的孔洞，从单孔（S₁）、双孔/三孔（S₂）、四孔（S₃）、五孔（S₄）、七孔（S₅与S₇）直至八孔（S₈）结构，构成了一个完整的“ABn”型单层介孔囊泡家族（图4b）。在强限域条件下，颗粒尺寸相对较小，而弱限域条件下则可形成多层结构（图4c）。研究表明，随着孔洞数量的增加，囊泡的半径也单调递增，从约51纳米增加至约93纳米，这清晰地揭示了限域程度是决定孔洞数量的关键因素（图4d）。理论计算进一步预测了不同孔数对应的孔间夹角及分子拓扑结构（图4e），而不同限域程度下的亥姆霍兹自由能差表明，每个限域水平均对应一个最优的孔数窗口（图4f）。模拟的自组装路径也清晰展示了体系随限域程度增加在不同ABn拓扑结构之间的演化过程（图4g）。

图4 限域引导的ABn型单层介孔囊泡体的形成。a，溶剂蒸发过程中的限域效应示意图。b，不同孔数的ABn型单层介孔囊泡体的代表性TEM图像，插图为50 nm标尺的SEM图像。c，相对弱限域和强限域下的颗粒尺寸分布示意图。d，ABn型单层介孔囊泡体半径与孔数的关系图，误差棒代表20个独立颗粒测量的标准差。e，理论计算预测的孔数（n）与孔间夹角（θ）的相关性及对应的分子模型。f，不同限域程度（R/Rg）下不同孔数囊泡的亥姆霍兹自由能差。g，限域程度递增下的模拟自组装路径。

而对于多层囊泡体而言，其壳层数量同样受控于初始液滴的尺寸（图5a）。实验观察发现，囊泡体的半径从约110纳米增加至340纳米时，其壳层数会从2层增加至6层（图5b、c）。研究团队推导出一组几何公式，将颗粒半径、壳层数和孔洞总数联系起来，指出总孔洞数量与半径的立方呈正比。SCFT模拟也证实，在双层囊泡中，每一层壳上的孔洞数量也会随着颗粒有效半径的增加而线性增加（图5d），这为进一步按需设计孔道密度提供了理论指导。不同限域程度下双层穿孔囊泡体的亥姆霍兹自由能差曲线表明，在每个限域水平下，仅有狭窄的孔数窗口在热力学上是被优先选择的（图5e、f）。

图5 限域控制的多层介孔囊泡体。a，三维卡通示意图。b，具有2-6层壳层的多层介孔囊泡体的TEM和SEM图像。c，多层介孔囊泡体半径与壳层数的关系图，误差棒代表20个独立颗粒测量的标准差。d，理论计算展示双层介孔囊泡体中每层孔数（m）与半径（R/Rg）的线性相关性。e，f，不同限域程度（R/Rg）下，不同孔数的双层介孔囊泡体的亥姆霍兹自由能差。

性能验证：吸附“标兵”展示结构优势

这种多层次、多孔道的复杂结构赋予了材料卓越的吸附性能。由于孔道表面暴露着大量对碘具有亲和性的吡啶基团，且贯穿的介孔提供了快速的传质通道，多层介孔囊泡体在碘吸附测试中表现惊人（图6a）。在碘蒸气吸附实验中，样品在暴露20小时后颜色明显加深，表明发生了快速的界面吸附（图6b）。其吸附容量在30分钟内即可达到0.67克/克，远超无孔对照组的0.41克/克，最终饱和吸附容量高达1.26克/克（图6c）。更值得一提的是，在五次吸附-脱附循环后，其吸附容量仍能保持初始值的81.6%，展示了出色的循环稳定性和结构鲁棒性（图6d）。在水相碘三离子（KI₃）吸附实验中，介孔囊泡体同样展现出动力学优势，仅需约4小时即可达到近100%的去除效率，而对照组则需要约8小时，紫外-可见光谱监测结果清晰显示了两者在吸附速率上的显著差异，这充分证明了其内部孔道对于加速物质传输的显著贡献（图6e）。

图6 多层介孔囊泡体的碘捕获性能。a，多层介孔囊泡体与无介孔多层囊泡体中碘传质的概念性对比。b，多层介孔囊泡体在25°C密封容器中暴露于碘蒸气20小时后的照片。c，25°C下的碘吸附动力学，插图为前30分钟的快速吸附过程。d，多层囊泡体在五次吸附-脱附循环中的碘捕获循环稳定性。e，紫外-可见光谱监测的KI₃浓度随时间变化曲线，插图为0小时和8小时上清液的照片。

总结与展望

总而言之，这项研究不仅成功实现了具有规整介孔的多层囊泡体的可控制备，更系统地揭示了其形成机理，为今后设计更复杂的层级化中空结构提供了强有力的理论与实验支撑。这种将“多层屏障”与“快速通道”完美融合的独特结构，预示着其在多级门控、程序化级联反应以及精准药物释放等前沿领域将拥有广阔的应用前景。未来，通过优化膜乳化技术，有望实现这类结构尺寸的高度均一化，从而推动其从实验室走向实际应用，为智能纳米器件的设计带来新的变革。