聚二乙炔囊泡的制備及其在醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

郝瑜佳 朱光明

摘?要?聚二乙炔（Polydiacetylene， PDA）因具有獨(dú)特的光學(xué)及電子特性而受到廣泛關(guān)注。兩親性共軛二乙炔（Diacetylene， DA）單體在一定條件下可以自組裝成囊泡結(jié)構(gòu)，紫外線輻射后，經(jīng)1，4-加成聚合得到聚合物PDA囊泡。PDA在環(huán)境刺激下經(jīng)歷顏色和熒光變化，而PDA囊泡的類細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)使其具有很好的仿生特性，因此PDA囊泡可以用于細(xì)菌、病毒、酶等的檢測(cè)以及疾病診斷和藥物控釋。本文介紹了PDA囊泡傳感系統(tǒng)的制備以及固相聚合和顏色變化的機(jī)理，綜述了PDA囊泡傳感系統(tǒng)在醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用進(jìn)展，并對(duì)PDA囊泡傳感系統(tǒng)存在的問題和未來發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞?聚二乙炔; 囊泡; 自組裝; 固相聚合; 醫(yī)療檢測(cè); 評(píng)述

1?引 言

共軛聚合物作為新型功能材料已被廣泛研究，它們具有廣泛離域的π-電子網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)在構(gòu)象的限制使其具有獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)[1～4]，因此常被用于設(shè)計(jì)成傳感器、儲(chǔ)能器件等[5～12]。聚二乙炔（Polydiacetylene，PDA）是其中具有代表性的化合物，它的主鏈高度有序，側(cè)鏈可以被功能性基團(tuán)修飾。PDA具有特殊的光學(xué)性質(zhì)，受到外界刺激時(shí)會(huì)經(jīng)歷顏色和熒光的雙重變化[13，14]，近年來被廣泛用于生物和化學(xué)傳感領(lǐng)域。

PDA是共軛二乙炔（也稱為聯(lián)乙炔、二乙炔，Diacetylene， DA）單體在紫外線和γ射線等照射條件下聚合得到的，由于聚合過程不需要引發(fā)劑或催化劑[15]，因此其純度高，這對(duì)于傳感、檢測(cè)的應(yīng)用具有重要意義。 其次，兩親性DA單體具有疏水尾和親水端基，可以在水性溶液中自組裝成囊泡[16，17]、單層或多層平面膜[18，19]、膠束[20，21]等結(jié)構(gòu)，單體排列有序，有利于拓?fù)涔滔嗑酆线^程的發(fā)生，其中自組裝囊泡的制備程序相對(duì)簡(jiǎn)單，易于規(guī)?；a(chǎn)，其雙層球狀結(jié)構(gòu)具有很好的仿生特性[22]，且用量容易控制，因此更適合于檢測(cè)應(yīng)用。聚合后的藍(lán)色PDA囊泡呈藍(lán)色，在受到熱[23～25]、有機(jī)溶劑[26]、金屬離子[24，27～34]、機(jī)械應(yīng)力[35，36]、受體配體相互作用[37～40]、光[41，42]、pH[24，41]、電流[41，43]等刺激時(shí)， 會(huì)經(jīng)歷從藍(lán)色到紅色的顏色變化。DA單體親水端基易于修飾，可以結(jié)合功能性基團(tuán)實(shí)現(xiàn)特定物質(zhì)的檢測(cè)[44]。以上這些性質(zhì)使得PDA囊泡傳感器具有靈敏的雙重檢測(cè)能力，因此被用于各種無標(biāo)記比色傳感系統(tǒng)[31]，用于檢測(cè)病毒[45，46]、細(xì)菌[47，48]、蛋白質(zhì)[49，50]、抗生素[11]、激素[16]、CO2 [51]、三聚氰胺[52]、唾液酸[12]、金屬離子[24， 31]等或進(jìn)行藥物輸送[53，54]。本文闡述了PDA囊泡傳感器的制備方法，總結(jié)了PDA固相聚合和顏色變化機(jī)理的研究進(jìn)展，介紹了近幾年P(guān)DA囊泡用于醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域的一些代表性研究工作。

2?PDA囊泡傳感器的制備

2.1?兩親性DA單體及其功能化

DA單體的形式為R1CCCCR2，通常由Cadiot-Chodkiewicz反應(yīng)制備，即乙炔和鹵代乙炔的銅催化的偶聯(lián)反應(yīng)[55]。DA分子的堆積排列與DA的側(cè)鏈或取代基密切相關(guān)[56]。通常，可用作親水性端基設(shè)計(jì)的基團(tuán)有羧酸、酰胺、脲、磺酸酯基團(tuán)或其鹽的取代基等，它們能夠形成氫鍵，有利于分子的自組裝和聚合，較大的側(cè)基不利于二乙炔的聚合[15，39]。單體10，12-二十五碳二炔酸 （10，12-pentacosadiynoic acid， PCDA） 和 10，12-二十三碳二炔酸 （10，12-tricosadiynoic acid， TCDA）（圖1）因其顏色響應(yīng)的穩(wěn)定性而受到研究者的青睞[39]。PDA囊泡可以直接對(duì)一些環(huán)境刺激做出反應(yīng)，但這種傳感信號(hào)較弱且不具有特異性，由于DA分子的親水端基易修飾，可以將功能性基團(tuán)引入到PDA上，賦予PDA特異性的檢測(cè)能力和更顯著的比色響應(yīng)。

功能性基團(tuán)通常是通過酰胺化反應(yīng)或者酯化反應(yīng)共價(jià)連接在二乙炔酸（如PCDA）單體上，然后功能化的單體直接自組裝或與其它脂質(zhì)混合自組裝[37，45]，再經(jīng)過固相聚合過程得到具有特殊傳感性能的PDA囊泡。改進(jìn)的酰胺化反應(yīng)通常是通過1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽（N-（3-Dimethylaminopropyl）-N′-ethylcarbodiimide hydrochloride， EDC） 和N-羥基琥珀酰亞胺（N-hydroxysuccinimide， NHS）來活化PCDA得到PCDA的琥珀酰亞胺活性酯（PCDA-NHS），這種活性酯再與待連接基團(tuán)的胺基進(jìn)行酰胺化學(xué)反應(yīng)， 得到功能化的PCDA[57～59]。目前， 研究人員已經(jīng)成功制備了糖類功能化PDA[37]、脂質(zhì)功能化PDA[60]、蛋白質(zhì)功能化PDA[45]、氨基酸功能化PDA[61]和核酸功能化PDA[31]等多種用于醫(yī)療檢測(cè)的PDA。

2.2?PDA囊泡

兩親性DA單體具有特殊的結(jié)構(gòu)，理論上單體分子之間可能存在氫鍵、靜電相互作用、疏水/親水相互作用、π-π堆積、主客體相互作用、范德華力等非共價(jià)相互作用[24]，這些非共價(jià)相互作用都有利于DA單體在水性溶液中自然排列（自組裝）[36，62]。通過改變單體的端基和鏈長(zhǎng)，可以控制所得自組裝膜的結(jié)構(gòu)[36，55，63～65]。自從Wegner[66]在1969年首次合成PDA以來，利用PDA自身的自組裝過程將其制備成多種形式，如自組裝單分子膜[67～69]、朗繆爾膜[37，60，70，71]和囊泡等。自組裝單分子膜和朗繆爾膜這種平面膜結(jié)構(gòu)的PDA制備程序相對(duì)復(fù)雜，且難以制造出大面積性能穩(wěn)定的膜[55]。囊泡（Vesicles）也可以稱為脂質(zhì)體（Liposome），是PDA在醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的一種形式。囊泡是兩親性DA單體和其它所需的脂質(zhì)成分在溶液中自組裝形成的具有封閉雙層結(jié)構(gòu)的“小球”，其內(nèi)部可以包裹藥物或其它活性成分[72]。囊泡結(jié)構(gòu)的PDA傳感器制備程序簡(jiǎn)單，且具有很好的仿生性。

在水性溶液中制備PDA囊泡需采用體積法（圖2）[17]： 將兩親性DA單體和其它所需的脂質(zhì)成分完全溶解在氯仿中，使其均勻分布，然后在真空中通過N2氣流或者旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑; 向干脂質(zhì)膜中加入去離子水或水性緩沖液，充分水合后， 進(jìn)行聚碳酸酯膜擠出， 或在高于60℃（DA的相變溫度）下進(jìn)行探針超聲處理，所得囊泡溶液再通過多孔膜過濾， 以除去聚集體，然后在254 nm紫外光下進(jìn)行聚合反應(yīng)， 得到PDA囊泡[40，44]。PDA囊泡溶液的總脂質(zhì)濃度通常應(yīng)控制在0.5～2 mmol/L之間，濃度過高會(huì)導(dǎo)致PDA的聚集或沉淀。這種體積法制得的囊泡具有多分散性， 一定程度上會(huì)影響傳感器系統(tǒng)的質(zhì)量[73]。

Kim等[73]基于流體動(dòng)力學(xué)聚焦原理，通過使用微流體芯片制造了尺寸分布均勻的PDA囊泡，使用體積法制備的PDA囊泡的直徑平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差為88和31 nm，使用微流體法制備的囊泡的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差為39和12 nm，且使用微流體法制備的囊泡熒光性能有所提高。體積法的制備過程簡(jiǎn)單，微流體法制備過程相對(duì)復(fù)雜，但制得的囊泡性能較高。

純PDA囊泡中二乙炔單體通過橫向交聯(lián)的聚合物鏈連接，限制了膜的流動(dòng)性。將脂質(zhì)插入PDA囊泡， 有利于改變PDA的物理性質(zhì)，如大小[11]、表面電荷和脂質(zhì)排列等[74]， 從而增強(qiáng)PDA囊泡傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)證明，適當(dāng)?shù)負(fù)诫s二肉豆蔻酰磷脂酰膽堿（DMPC）、二肉豆蔻?；字幔―MPA）等有利于提高囊泡的膜流動(dòng)性，增強(qiáng)囊泡的仿生特性[74]，從而增強(qiáng)囊泡與一些生物分子的功能性相互作用[75]。

因?yàn)榭梢院苋菀卓刂朴昧浚?相對(duì)于平面膜，膠體分散體形式的PDA囊泡更易制備和規(guī)模化生產(chǎn)，更適于作分析試劑，但是PDA囊泡溶液中的分散體很容易聚集或從溶液中沉淀出來，而且用配體等生物功能分子對(duì)PDA囊泡進(jìn)行修飾時(shí)，需要通過色譜方法從囊泡溶液中分離除去未反應(yīng)的配體，否則游離的配體會(huì)與目標(biāo)分子結(jié)合，會(huì)降低PDA材料的反應(yīng)性[55]。將囊泡固定化可以解決上述兩種問題，并且能保持PDA良好的比色性質(zhì)[76，77]，固定有利于提高檢測(cè)靈敏度。目前常用的方法是通過自發(fā)吸附[77，78]、共價(jià)結(jié)合[46，76]以及包封作用[24]實(shí)現(xiàn)囊泡的固定化。自組裝的PDA囊泡可以被固定在微珠[79]、纖維素膜[80，81]等固體基底上， 以及溶膠-凝膠材料[24，82]中。不同的形式適用于不同的傳感應(yīng)用，膠體溶液形式的PDA囊泡適用于大部分檢測(cè)，而當(dāng)PDA囊泡溶液發(fā)生嚴(yán)重的聚集或耐用性和方便性作為首要考慮因素時(shí)，固體化的PDA囊泡更適用于檢測(cè)[55]。

3?固相聚合及PDA變色

3.1?固相聚合

DA的固相聚合是拓?fù)浠瘜W(xué)反應(yīng)，該反應(yīng)可以在各種緊密堆積的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行[27]， 如晶體[83，84]、自組裝的單層或多層膜[36，37，65，67]、囊泡[11，31]、凝膠[24]、電紡纖維[54，85，86]和納米復(fù)合材料[43，87，88]等。

單體的緊密堆積是聚合所必需的，如圖3所示，當(dāng)單體的排列滿足一定的結(jié)構(gòu)參數(shù)， 即相鄰DA分子的距離d≈0.5 nm， DA桿和填充軸之間的夾角φ≈45°時(shí)，在受到外界刺激的情況下， 如光（UV、γ射線、X射線）、熱（退火）或施加應(yīng)力， 1，4-加成聚合才會(huì)發(fā)生。254 nm紫外線很容易誘導(dǎo)聚合得到藍(lán)色（最大吸收波長(zhǎng)約為640 nm）的PDA囊泡[75，89，90]。

3.2?顏色變化機(jī)理

PDA在醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用與比色性質(zhì)密切相關(guān)。研究者從多個(gè)角度對(duì)PDA的變色機(jī)理進(jìn)行了研究。 Lio等[91]揭示了PDA的熱致變色行為與側(cè)鏈的重排有關(guān); Cheng等[61]認(rèn)為PDA的微觀結(jié)構(gòu)在熱致變色和pH致變色時(shí)可能通過不同的機(jī)制進(jìn)行; Carpick等[36]認(rèn)為PDA顏色的變化與其光吸收有關(guān)，PDA中的光吸收是通過線性π共軛聚合物主鏈中的π-π*吸收發(fā)生的，未聚合的薄膜在可見光區(qū)不顯示吸收，呈白色。聚合后PDA通常呈現(xiàn)藍(lán)色（最大吸收波長(zhǎng)約為640 nm），受到外部刺激時(shí)PDA由藍(lán)向紅（最大吸收波長(zhǎng)約為540 nm）的顏色轉(zhuǎn)變與可見光譜吸收從低能到高能的轉(zhuǎn)變有關(guān)。具體的吸收光譜和顏色轉(zhuǎn)變的溫度隨著側(cè)基和PDA形式的不同而變化。

藍(lán)相和紅相PDA之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制仍未被完全闡明。目前被廣泛認(rèn)可的一種說法是主鏈的吸收特性對(duì)應(yīng)變非常敏感，理論計(jì)算表明，主鏈中碳碳鍵旋轉(zhuǎn)幾度就會(huì)顯著改變?chǔ)?軌道重疊，影響電子狀態(tài)，導(dǎo)致主鏈吸收特性發(fā)生變化[55]。側(cè)鏈在未聚合時(shí)就會(huì)通過氫鍵、范德華力等支配分子間排列[92～94]。在聚合過程中，由于側(cè)鏈排列施加的幾何限制，延伸的主鏈將形成應(yīng)變構(gòu)型，即側(cè)鏈的堆積能形成一個(gè)能量障礙，阻止主鏈采用更松弛的形式。在光聚合后，外部環(huán)境的刺激會(huì)引起側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的變化，允許主鏈采用更松弛的構(gòu)象，主鏈中CC鍵發(fā)生旋轉(zhuǎn)，破壞共軛主鏈的平面性 （如圖4所示），導(dǎo)致PDA主鏈吸收光譜藍(lán)移[36，55]。

3.3?親和變色

導(dǎo)致PDA由藍(lán)向紅轉(zhuǎn)變的外界刺激因素有很多，通常將由于發(fā)生特定目標(biāo)分子識(shí)別而引起PDA顏色變化的過程稱為親和變色[19]。在醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域，各種生物分子、離子或微生物導(dǎo)致PDA的變色基本都屬于親和變色，這種生物化學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生于待檢測(cè)物質(zhì)和PDA 膜表面的多點(diǎn)相互作用破壞了膜表面結(jié)構(gòu); 待檢測(cè)物質(zhì)的疏水結(jié)構(gòu)域插入PDA膜結(jié)構(gòu)引起結(jié)構(gòu)擾動(dòng)[39， 95～97]。PDA的結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生擾動(dòng)，有可能破壞其共軛主鏈的平面性，導(dǎo)致光吸收的變化，呈現(xiàn)出肉眼可見的顏色變化。

4?PDA囊泡在醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

采用PDA囊泡，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)病毒[45，46]、細(xì)菌[47，48]、蛋白質(zhì)[49，50]、抗生素[11]、激素[16]等的檢測(cè)以及疾病診斷和藥物輸送[37，53，54]。檢測(cè)的原理為待檢測(cè)物質(zhì)引起PDA囊泡的結(jié)構(gòu)發(fā)生擾動(dòng)，破壞了PDA共軛主鏈的平面性，從而引起光吸收的變化。目前研究者多采用了使DA單體功能化的方法提高單體和待檢測(cè)物質(zhì)之間的結(jié)合能力，從而增加PDA囊泡的檢測(cè)特異性和靈敏度。

4.1?細(xì)菌、病毒的檢測(cè)

PDA囊泡可以用于檢測(cè)病毒和細(xì)菌，實(shí)質(zhì)是PDA上連接的功能性基團(tuán)特異性識(shí)別微生物表面物質(zhì)（如病毒表面蛋白）或微生物分泌的物質(zhì)（如細(xì)菌毒素），這種識(shí)別作用引起了PDA結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。

逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）和酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)（ELISA）方法是常用的檢測(cè)病毒的方法[98]，然而這些方法成本高，并且需要長(zhǎng)時(shí)間的樣品制備過程和復(fù)雜的操作。Seo等[46]以流感病毒M1肽-M1抗體對(duì)作為靶-探針模型，開發(fā)了DMPA和連接了M1抗體探針的PCDA 共組裝的囊泡微陣列，可以靈敏檢測(cè)甲型流感病毒。Roh等[45]利用乙肝表面抗體（HBsAb）與乙肝表面抗原（HBsAg）發(fā)生的特異性反應(yīng)，制成一種特殊的PDA/HBsAb囊泡熒光探測(cè)器（圖5），利用PDA囊泡的紅色相作為熒光染料檢測(cè)硝酸纖維素膜（NC膜）上的HBsAg，裸眼檢出限在1 ng/mL以下，熒光分析檢出限在0.1 ng/mL以下。

PDA囊泡傳感器已被用于檢測(cè)枯草芽孢桿菌[99]、沙門氏菌[100]、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌[101]、大腸桿菌[85，102]等多種細(xì)菌。Park等[99]開發(fā)了胺功能化的PDA囊泡傳感系統(tǒng)（圖6），通過細(xì)菌釋放的表面活性素和PDA囊泡之間的特定相互作用檢測(cè)細(xì)菌。該傳感器在枯草芽孢桿菌SSB466（革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的無表面活性素菌株）、枯草芽孢桿菌NCIB3610（革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的產(chǎn)生表面活性素的菌株）、銅綠假單胞菌PA14（一種革蘭氏陰性細(xì)菌）三種不同的細(xì)菌中特異性檢測(cè)NCIB3610。Tao等[101]制備的PDA囊泡可與耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）分泌的各種成孔毒素（如白細(xì)胞介素和α-毒素）結(jié)合，他們利用基于數(shù)字光處理的3D生物打印技術(shù)將PDA納米粒子組裝到明膠甲基丙烯酰水凝膠中， PDA微凝膠在體外和體內(nèi)（小鼠）都有結(jié)合并中和MRSA分泌的成孔毒素的能力，可用于細(xì)菌檢測(cè)， 并治療細(xì)菌感染。

4.2?用于藥物控釋和疾病診斷

囊泡內(nèi)部的親水“核”可以對(duì)藥物進(jìn)行包封，外層的端基也可連接藥物，其作為藥物遞送載體進(jìn)行靶向藥物輸送的應(yīng)用被廣泛報(bào)道[53，103]。An研究組[103，104]制備了多種負(fù)載多西紫杉醇（DTX）的PDA囊泡，多西紫杉醇能與乳腺癌細(xì)胞發(fā)生識(shí)別，將多西紫杉醇（DTX）負(fù)載在由葉酸衍生物和PDA制備的新型葉酸-PDA囊泡上[104]，該囊泡傳感器仍然具有良好的生物相容性，在殺死癌細(xì)胞方面也表現(xiàn)出更高的效率。這些PDA囊泡在體外模擬和在Bcap-37乳腺癌細(xì)胞中都實(shí)現(xiàn)了溫度控制的抗癌藥物釋放，藥物的療效顯著提高。

Kim等[105]將PCDA單體與磷脂DMPC混合， 開發(fā)了PDA/磷脂囊泡，并將外泌體的標(biāo)志蛋白（CD-63）的抗體連接在囊泡上， 以誘導(dǎo)抗原-抗體相互作用，該復(fù)合免疫傳感器可以選擇性地檢測(cè)從人血漿中分離出來的外泌體，作為疾病診斷的信號(hào)。溶血磷脂酸（LPA）是卵巢癌的一種敏感的生物標(biāo)志物[106]，Wang等[107]制備了咪唑功能化的PDA傳感器（iPDA），能對(duì)LPA進(jìn)行快速的特異性檢測(cè)（圖7A），檢出限為0.5 μmol/L，遠(yuǎn)低于在卵巢癌患者體內(nèi)的血漿LPA濃度。他們還將功能化的PDA裝載在硝酸纖維素膜上，成功區(qū)分卵巢癌患者和健康人的血樣。Wang等[12]設(shè)計(jì)合成了3種DA單體PCDA-pBA、PCDA-Nap和PCDA-EA（如圖7B所示），用苯硼酸（pBA）分子修飾的單體PCDA-pBA用作唾液酸識(shí)別的受體，含有萘亞胺（Nap）衍生物熒光團(tuán)的單體PCDA-Nap被用于增強(qiáng)PDA傳感系統(tǒng)的熒光自放大，熒光團(tuán)的熒光可在PDA囊泡形成過程中直接淬滅，在唾液酸與復(fù)合PDA囊泡特異性結(jié)合時(shí)又開啟。該傳感器系統(tǒng)可用于人乳腺癌（MCF-7）細(xì)胞表面的唾液酸檢測(cè)和成像。

4.3?檢測(cè)其它生物分子和離子

汞含量超標(biāo)會(huì)嚴(yán)重影響人體健康， Wang等[31]將富含胸腺嘧啶（T）的單鏈DNA連接到PCDA單體上并制成囊泡（圖8），適體可與Hg2+選擇性結(jié)合形成胸腺嘧啶-HgⅡ-胸腺嘧啶復(fù)合物（T-Hg-T）[108]， 從而引起PDA的顏色變化。該傳感器可以對(duì)未知汞濃度進(jìn)行定量分析，Hg2+檢出限達(dá)5 μmol/L。

Wang等[49]設(shè)計(jì)的PDA囊泡傳感器可以定量檢測(cè)β-葡萄糖苷酸酶; Jannah等[109]利用PDA囊泡的pH敏感性和尿素酶能催化的尿素水解的特性[110]，建立了脲酶的比色傳感器平臺(tái)，可以用于脲酶的視覺檢測(cè); Kim等[51]設(shè)計(jì)的PDA囊泡可在3 min內(nèi)快速檢測(cè)到CO2; Cho等[16]將DMPC和PCDA以1∶9的比例混合得到的囊泡，在10種類固醇中可以選擇性地檢測(cè)孕激素。

PDA囊泡還常被用于篩選藥物載體。 Wang等[111]制備優(yōu)化的DMPC/PDA囊泡對(duì)市售的3種基因載體Lipofectamine 2000、Entranster-H4000和聚乙酰亞胺顯示出最敏感的變色反應(yīng)。該傳感器不僅能夠預(yù)測(cè)基因載體的體外膜親和力，這有助于提高基因轉(zhuǎn)染效率，而且還為具有高細(xì)胞親和力的各種載體材料的高通量篩選提供了方法。

5?總結(jié)與展望

自從Wegner等[66]成功合成PDA以來，基于PDA的研究取得了顯著進(jìn)展。本文討論了PDA的基本屬性，介紹了將PDA囊泡應(yīng)用于醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域的一些有代表性的研究成果。通過設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的PDA，使其與目標(biāo)分子特異性結(jié)合，然后利用PDA的光學(xué)特性實(shí)現(xiàn)定性和定量檢測(cè)的目的。此傳感器具有雙重檢測(cè)能力，能直接輸出檢測(cè)信號(hào)，相比于其它傳感器更直觀、快速; 而且囊泡結(jié)構(gòu)具有很好的仿生特性和生物相容性，這使得PDA囊泡不僅能檢測(cè)與生命活動(dòng)密切相關(guān)的物質(zhì)，還有望進(jìn)行藥物的靶向運(yùn)輸以及疾病的診斷和治療。

但是，到目前為止， PDA傳感器在醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用仍面臨著一些挑戰(zhàn)。PDA可以對(duì)溫度、pH值等作出響應(yīng)，因此檢測(cè)時(shí)溫度、分析緩沖液成分、酸堿度等都可能會(huì)影響分析結(jié)果，干擾檢測(cè)，排除這些因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾有待繼續(xù)研究。部分PDA傳感器的傳感信號(hào)不足， 在保證檢測(cè)特異性的情況下放大檢測(cè)信號(hào)、提高PDA系統(tǒng)檢測(cè)的靈敏度是未來的研究重點(diǎn)。目前PDA系統(tǒng)中的可逆響應(yīng)已經(jīng)能通過改變熱、酸堿度、紫外光和電流等實(shí)現(xiàn)，但用于醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域的可逆PDA傳感器較少，開發(fā)可逆的生物和化學(xué)PDA傳感器也是一個(gè)重要的研究方向。

改進(jìn)PDA傳感系統(tǒng)最基本的方法是通過化學(xué)方法在PDA傳感系統(tǒng)中引入各種功能性基團(tuán)，不同的功能性基團(tuán)在一定程度上決定了PDA傳感系統(tǒng)的特異性和靈敏性，由于PDA的可逆性與端基的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此在末端引入可形成氫鍵、π-π相互作用的基團(tuán)理論上也有利于增加PDA變色的可逆性，這種化學(xué)方法通常涉及有機(jī)合成，具有一定的挑戰(zhàn)性，而現(xiàn)代有機(jī)合成方法與技術(shù)的不斷發(fā)展將為PDA傳感器的設(shè)計(jì)提供更多可能; 在聚合前通過退火處理可以完善組裝體的結(jié)構(gòu)，也可以很好地提升PDA的傳感性能; 此外，還可以通過在PDA囊泡體系中摻入其它脂質(zhì)成分增強(qiáng)膜流動(dòng)性和仿生性，從而放大檢測(cè)信號(hào)。除了優(yōu)化PDA自身的結(jié)構(gòu)之外，還應(yīng)考慮將各種新材料與新技術(shù)引入PDA囊泡傳感體系。近年來，靜電紡絲、3D打印等材料領(lǐng)域的熱門技術(shù)[73，101]被應(yīng)用到PDA傳感器的設(shè)計(jì)中，研究者還嘗試將自組裝的PDA負(fù)載到纖維支架[112]、石墨烯片[113]、聚偏氟乙烯膜[32，114]等主體基質(zhì)上， 制備得到各種性能優(yōu)異的PDA復(fù)合材料，這使得PDA傳感器的應(yīng)用更加方便、快捷，大大增強(qiáng)了PDA材料的實(shí)用性。隨著新材料和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，PDA傳感器的研究將迎來更多新的機(jī)遇。

References

1?Günes S， Neugebauer H， Sariciftci N S. Chem. Rev.， 2007， 107（4）： 1324-1338

2?Hoeben F J M， Pascal J， Meijer E W， Schenning A P H J. Chem. Rev.， 2005，105（4）： 1491-1546

3?MA Yun， ZHOU Yan， DU Wen-Qi， MIAO Zhi-Hui， QI Zheng-Jian. Progress in Chemistry， 2015，27（12）： 1799-1807

馬 昀， 周 妍， 杜文琦， 繆智輝， 祁爭(zhēng)健. 化學(xué)進(jìn)展， 2015，27（12）： 1799-1807

4?ZHOU Xiao-Yu， ZHAO Jian-Wei， MA Gui-Min， JIA Hong-Xia. Chinese J. Anal. Chem.， 2019，47（7）： 1006-1013

周曉毓， 趙建偉， 馬貴敏， 賈紅霞.分析化學(xué)，2019，47（7）： 1006-1013

5?Thomas S W， Joly G D， Swager T M. Chem. Rev.， 2007，107（4） ： 1339-1336

6?Zhang Z T， Liao M， Lou H Q， Hu Y J， Sun X M， Peng H S. Adv. Mater.， 2018，30（13）： 1704261

7?Shi K L， Zhang W F， Gao D， Zhang S Y， Lin Z Z， Zou Y， Wang L P， Yu G. Adv. Mater.， 2018，30（9）： 1705286

8?Kim Y H， Han M S， Kim J B， Kim E Y. Energy Environ. Sci.， 2018，11（8）： 2124-2133

9?Su Y W， Lin Y C， Wei K H. J. Mater. Chem. A， 2017，5（46）： 24051-24075

10?Xiao S Q， Zhang Q Q， You W. Adv. Mater.， 2017，29（20）： 1601391

11?Kang D H， Jung H S， Ahn N Y， Lee J， Seo S B， Suh K Y， Kim J S， Kim K S. Chem. Commun.， 2012，48（43）： 5313-5315

12?Wang D E， Yan J H， Jiang J J， Liu X， Tian C， Xu J， Yuan M S， Han X， Wang J Y. Nanoscale， 2018，10（9）： 4570-4578

13?CHENG Huan， ZHU Guang-Ming， SONG Rui. Progress in Chemistry， 2013，25（12）： 2113-2118

成 歡， 朱光明， 宋 蕊.化學(xué)進(jìn)展，2013，25（12）： 2113-2118

14?Qian X， Stdler B. Chem. Mater.， 2019，31（4）： 1196-1222

15?Wegner G. Macromol. Chem. Phys.，1972，154（1）： 35-48

16?Cho E， Hu Y， Choi Y， Jung S. J. Ind. Eng. Chem.， 2018，63： 288-295

17?Nguyen L H， Naficy S， McConchie R， Dehghani F， Chandrawati R. J. Mater. Chem. C， 2019，7（7）： 1919—1926

18?Geiger E， Hug P， Keller B A. Macromol. Chem. Phys.， 2002，203（17）： 2422-2431

19?FAN Yi， ZHANG Li-Gong， HOU Fang-Yu， MA Bao-Liang， SHEN De-Zheng， LI Ya-Jun. Chem. J. Chinese Universities， 2003，24（4）： 657-661

范 翊， 張立功， 候芳玉， 馬保亮， 申德振， 李亞軍.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2003，24（4）： 657-661

20?Yao D， Li S， Zhu X， Wu J， He T. Chem. Commun.， 2017，53（7）： 1233-1236

21?Doerflinger A， Quang N N， Gravel E， Ducongé F， Doris E. Int. J. Pharm.， 2019，565： 59-63

22?WANG Xue-Jing， MU Wei， HAN Xiao-Jun. Chinese J. Anal. Chem.， 2019，47（8）： 1134-1144

王雪靖， 穆 韡， 韓曉軍.分析化學(xué)，2019，47（8）： 1134-1144

23?Chance R R， Baughman R H， Müller H， Eckhardt C J. J. Chem. Phys.， 1977，67（8）： 3616-3618

24?Xu Y Y， Fu S Y， Liu F Y， Yu H Y， Gao J G. Soft Matter， 2018，14（39）： 8044-8050

25?Mapazi O， Matabola P K， Moutloali R M， Ngila C J. Sens. Actuators B， 2017，252： 671-679

26?Ahn D J， Lee S M， Kim J M. Adv. Funct. Mater.， 2009，19（10）： 1483-1496

27?Wu S， Pan L B， Huang Y J， Yang N， Zhang Q J. Soft Matter， 2018，14（33）： 6929-6937

28?Lee J， Jun H， Kim J. Adv. Mater.， 2009，21（36）： 3674-3677

29?Lee J， Kim H Y， Kim J. J. Am. Chem. Soc.， 2008，130（15）： 5010-5011

30?Gwon Y J， Kim C， Lee T S. Sens. Actuators B， 2019，281： 343-349

31?Wang M， Wang F， Wang Y， Zhang W， Chen X. Dyes Pigm.， 2015，120： 307-313

32?Wen J T， Bohorquez K， Tsutsui H. Sens. Actuators B， 2016，232： 313-317

33?Jang Y S， Yoon B， Kim J M. Macromol. Res.， 2011，19（1）： 97-99

34?Yun D， Cho E， Dindulkar S D， Jung S. Macromol. Mater. Eng.， 2016，301： 805-811

35?Carpick R W， Sasaki D Y， Burns A R. Langmuir， 2000，16（3）： 1270-1278

36?Carpick R W， Sasaki D Y， Marcus M S， Eriksson M A， Burns A R. J. Phys. Condens. Mat.， 2004，16（23）： 679-697

37?Charych D H， Nagy J O， Spevak W， Bednarski M D. Science，1993，261（5121）： 585-588

38?Charych D H， Spevak W， Nagy J O， Bednarski M D. Mat. Res. Soc. Symp. Proc.，1992，292： 153-161

39?Okada S， Peng S， Spevak W， Charych D. Acc. Chem. Res.，1998，31（5）： 229-239

40?Lebègue E， Farre C， Jose C， Saulnier J， Lagarde F， Chevalier Y， Chaix C， Renault N J. Sensors， 2018，18（2）： 599

41?Sun X M， Chen T， Huang S Q， Li L， Peng H S. Chem. Soc. Rev.， 2010，39（11）： 4244-4257

42?Lee J， Seo S， Kim J S. ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（4）： 3164-3169

43?Peng H S， Sun X M， Cai F J， Chen X L， Zhu Y C， Liao G P， Chen D Y， Li Q W， Lu Y F， Zhu Y T， Jia Q X. Nat. Nanotechnol.， 2009，4（11）： 738-741

44?Wen J T， Roper J M， Tsutsui H. Ind. Eng. Chem. Res.， 2018，57（28）： 9037-9053

45?Roh J， Lee S Y， Park S， Ahn D J. Chem. Asian J.， 2017，12（16）： 2033-2037

46?Seo S， Lee J， Choi E J， Kim E J， Song J Y， Kim J. Macromol. Rapid Commun.， 2013，34（9）： 743-748

47?Oliveira T V， Soares N F F， Andrade N J， Silva D J， Medeiros E A A， Badaró A T. Food Chem.， 2015，172： 428-432

48?Xia Y， Deng J， Jiang L. Sens. Actuators B， 2010，145（2）： 713-719

49?Wang D E， Zhang Y， Li T， Tu Q， Wang J. RSC Adv.， 2014，4（32）： 16820-16823

50?Park H K， Chung S J， Park H G， Cho J H， Kim M， Chung B H. Biosens. Bioelectron.， 2008，24（3）： 480-484

51?Kim K W， Lee J M， Kwon Y M， Choi T Y， Kim J Y H， Bae S， Song J A. Macromol. Res.， 2018，26（3）： 284-290

52?Lee J， Kim J. Chem. Mater.， 2012，24（14）： 2817-2822

53?Qin G， Li Z， Xia R， Li F， O'Neill B E， Goodwin J T， Khant H A， Chiu W， Li K C. Nanotechnology， 2011，22（15）： 155605

54?Eslamian M， Khorrami M， Yi N， Majd S， Abidian M R. J. Mater. Chem. B， 2019，7（2）： 224-232

55?Reppy M A， Pindzola B A. Chem. Commun.， 2007，39（42）： 4317-4338

56?Sarkar A， Okada S， Matsuzawa H， Matsuda H， Nakanishi H. J. Mater. Chem.， 2000，10（4）： 819-828

57?Hermanson G T. Bioconjugate Techniques. 3nd ed. Academic press， 2013：233-234

58?Kim J M， Ji E K， Woo S M， Lee H， Ahn D J. Adv. Mater.， 2003，15（13）： 1118-1121

59?Kim J M， Lee Y B， Yang D H， Lee J S， Lee G S， Ahn D J. J. Am. Chem. Soc.， 2005，127（50）： 17580-17581

60?Friedman S， Kolusheva S， Volinsky R， Zeire L， Schrader T， Jelinek R. Anal. Chem.， 2008，80（20）： 7804-7811

61?Cheng Q， Yamamoto M， Stevens R C. Langmuir， 2000，16（12）： 5333-5342

62?Song J， Cisar J S， Bertozzi C R. J. Am. Chem. Soc.， 2004，126（27）： 8459-8465

63?Xie F， Chen C， Chen J， Liu M. J. Photochem. Photobiol. A， 2018，355： 283-289

64?Menzel H， Horstmann S， Mowery M D， Cai M， Evans C E. Polymer， 2000，41（22）： 8113-8119

65?Sasaki D Y， Carpick R W， Burns A R. J. Colloid Interface Sci.， 2000，229（2）： 490-496

66?Wegner G. Macromol. Chem. Phys.，1971，145（1）： 85-94

67?Kim T， Crooks R M， Tsen M， Sun L. J. Am. Chem. Soc.，1995，117（14）： 3963-3967

68?Menzel H， Mowery M D， Cai M， Evans C E. J. Phys. Chem. B，1998，102（47）： 9550-9556

69?Sullivan S P， Schnieders A， Mbugua S K， Beebe T P. Langmuir， 2005，21（4）： 1322-1327

70?Ma B， Fan Y， Zhang L， Kong X， Li Y， Li J. Colloids Surf. B， 2002，27（2-3）： 209-213

71?Li Y， Ma B， Yi F， Kong X， Li J. Anal. Chem.， 2002，74（24）： 6349-6354

72?Cho E， Jung S. Molecules， 2018，23（1）： 107

73?Kim G， Song S， Lee J， Kim J M. Langmuir， 2010，26（23）： 17840-17842

74?Kim K Y， Choi H， Lee G S， Ahn G J， Oh M K. Colloids Surf. B， 2008，66（2）： 213-217

75?Thet N T， Jamieson W D， Laabei M， Mercer-Chalmers J D， Jenkins A T. J. Phys. Chem. B， 2014，118： 5418-5427

76?Kim J M， Ji E K， Woo S M， Lee H， Ahn D J. Adv. Mater.， 2003，15（13）： 1118-1121

77?Su Y L. J. Colloid Interface Sci.， 2005，292（1）： 271-276

78?Stanish I， Santos J P， Singh A. J. Am. Chem. Soc.， 2001，123（5）： 1008-1009

79?Lim M C， Shin Y J， Jeon T J， Kim H Y， Kim Y R. Anal. Bioanal. Chem.， 2011，400（3）： 777-785

80?Eaidkong T， Mungkarndee R， Phollookin C， Tumcharern G， Sukwattanasinitt M， Wacharasindhu S. J. Mater. Chem.， 2012，22 （13）： 5970-5977

81?Pumtang S， Siripornnoppakhun W， Sukwattanasinitt M， Ajavakom A. J. Colloid Interface Sci.， 2011，364（2）： 366-372

82?Jung S H， Jang H， Lim M C， Kim J H， Shin K S， Kim S M， Kim H Y， Kim Y R， Jeon T J. Anal. Chem.， 2015，87（4）： 2072-2078

83?Yaji T， Izumi K， Isoda S. Appl. Surf. Sci.， 2002，188（3）： 519-523

84?Jo S， Yoshikawa H， Fujii A， Takenaga M. Appl. Surf. Sci.， 2006，252（20）： 7383-7388

85?Yapor J P， Alharby A， Gentry-Weeks C， Reynolds M M， Alam A K M M， Li Y V. ACS Omega， 2017，2（10）： 7334-7342

86?Li Y， Wang L， Wen Y， Ding B， Sun G， Ke T， Chhen J， Yu J. J. Mater. Chem. A， 2015，3（18）： 9722-9730

87?Tahir M N， Nyayachavadi A， Morin J F， Simon R G. Polym. Chem.， 2018，9（22）： 3019-3028

88?Traiphol N， Chanakul A， Kamphan A， Traiphol R. Thin Solid Films， 2017，622（331）： 122-129

89?Yoon J， Chae S K， Kim J M. J. Am. Chem. Soc.， 2007，129（11）： 3038-3039

90?Wang D E， Zhao L， Yuan M S， Chen S W， Li T， Wang J. ACS Appl. Mater. Interfaces， 2016，8（41）： 28231-28240

91?Lio A， Reichert A， Ahn D J， Nagy J O， Salmeron M， Charych D H. Langmuir，1997，13（24）： 6524-6532

92?Eckhardt H， Boudreaux D S， Chance R R. J. Chem. Phys.，1986，85（7）： 4116-4119

93?Hankin S H W， Downey M J， Sandman D J. Polymer，1992，33（23）： 5098-5101

94?Lee D C， Sahoo S K， Cholli A L， Sandman D J. Macromolecules， 2002，35（11）： 4347-4355

95?Chen X， Zhou G， Peng X， Yoon J. Chem. Soc. Rev.， 2012，41（13）： 4610-4630

96?Su Y L， Li J R， Jiang L. Colloids Surf. B， 2004，39（3）： 113-118

97?Su Y L， Li J R， Jiang L， Cao J. J. Colloid Interface Sci.， 2005，284（1）： 114-119

98?Neumann G， Noda T， Kawaoka Y. Nature， 2009，459（7249）： 931-939

99?Park J， Ku S K， Seo D， Hur K， Jeon H， Shvartsman B， Seok H K， Mooney D J， Lee K. Chem. Commun.， 2016，52（68）： 10346-10349

100?Oliveiraa T V， Soaresa N F F， Coimbraa J S R， Andradea N J， Mourab L G， Medeirosa E A A， Medeiros H S. Sens. Actuators B， 2015，221（31）： 653-658

101?Tao J， Xu X， Wang S， Kang T， Guo C， Liu X， Cheng H， Liu Y， Jiang X， Mao J， Gou M. ACS Macro Lett.， 2019，8： 563-568

102?Koh J J， Liu S， Zeng W， Zou H， Wang L， Suresh V， Beuerman R， Cao D. Sens. Actuators B， 2013，178： 563-571

103?Yan X， An X. RSC Adv.， 2014，4（36）： 18604-18607

104?Li L， An X， Yan X. Colloids Surf. B， 2015，134： 235-239

105?Kim C， Lee K. Biomacromolecules， 2019，20（9）： 3392-3398

106?Mills G B， Moolenaar W H. Nat. Rev. Cancer， 2003，3（8）： 582-591

107?Wang Y， Pei H， Jia Y， Liu J， Li Z， Ai K， Lu Z， Lu L. J. Am. Chem. Soc.， 2017，139（33）： 11616-11621

108?Liu X， Tang Y， Wang L， Zhang J， Song S， Fan C. Wang S. Adv. Mater.， 2007，19（11）： 1471-1474

109?Jannah F， Kim J M. Dyes Pigments， 2019，169： 15-21

110?Zambelli B， Musiani F， Benini S， Ciurli S. Acc. Chem. Res.， 2011，44（7）： 520-530

111?Wang J W， Zheng F， Chen H， Ding Y， Xia X H. ACS Sens.， 2019，4： 977-983

112?Haridas V， Sadanandan S， Collart-Dutilleul P Y， Gronthos S， Voelcker N H. Biomacromolecules， 2014，15 （2）： 582-590

113?Wang X， Sun X， Hu P A， Zhang J， Wang L， Feng W， Lei S， Yang B， Cao W. Adv. Funct. Mater.， 2013，23 （48）： 6044-6050

114?Jeong J P， Cho E， Yun D， Kim T， Lee I S， Jung S. Polymers， 2017，9（4）： 127

Advances in Fabrication of Polydiacetylene Vesicles

and Their Applications in Medical Detection

HAO Yu-Jia， ZHU Guang-Ming*

（College of Natural and Applied Sciences， Northwestern Polytechnical University， Xi' an 710129， China）

Abstract?Polydiacetylenes （PDAs） have received increasing attention as smart materials owing to their unique optical and electronic properties. PDAs are the most commonly synthesized as self-assembled bilayer vesicles via 1，4 addition polymerization. Vesicles are often perceived as closely mimicking the cell membrane， thus functioning as convenient biomimetic platforms. PDAs undergo colorimetric and fluorescent transition in response to external stimuli. Therefore， PDA vesicles can be used for medical detection， such as bacteria， viruses， proteins， and enzymes， etc. In this review， the preparation of PDA vesicle sensing systems and the mechanism of solid phase polymerization are summarized. The relative applications of PDA vesicle sensing systems in medical detection are introduced. Besides， the shortcomings and issues to be solved， and future directions are also discussed and prospected.

Keywords?Polydiacetylene; Vesicle; Self-assembly; Solid phase polymerization; Medical detection; Review

（Received 18 September 2019; accepted 4 November 2019）