图1 通过可裂解聚碳酸酯膜将化学能/光能转化为聚合物囊泡的可编程形变。

  生命体系能够将化学信号或光信号转化为有序的机械运动，例如细胞迁移、膜内吞和肌肉收缩等。然而，在合成软物质体系中，如何以分子级反应为起点，进一步放大为可实时观察、可空间控制的微尺度形变，仍是一项重要挑战。近期，中国科学技术大学刘世勇教授、胡进明教授团队与宾夕法尼亚大学Dennis Discher教授合作报道了一类含刺激可裂解聚碳酸酯膜的刚性聚合物囊泡。该体系能够响应 H₂O₂ 或局域光照，实现单向伸长、内陷、解组装以及类细胞内吞等可编程形貌变化，为理解和构筑能量驱动的人工细胞与智能软物质体系提供了新的材料平台。

  2026年7月13日，相关研究以Harnessing Chemical and Light Energy for Controlled Mechanical Deformation in Rigid Polymersomes为题发表在《Journal of the American Chemical Society》上。

从“静态容器”到“会运动”的聚合物囊泡

  在生命系统中，形状变化并不是简单的几何变化，而是信号感知、能量转换和功能执行的核心过程。免疫细胞可根据细胞因子梯度伸出伪足并定向迁移，变形虫等单细胞生物能够在光刺激下重塑形态，肌肉则通过 ATP 水解释放的化学能实现宏观收缩。这些过程共同体现了一个重要原则：外界输入首先引发分子层面的化学或构象变化，随后通过多级放大转化为细胞尺度乃至宏观尺度的机械运动。

  聚合物囊泡（polymersomes）由两亲性嵌段共聚物自组装形成，兼具类似脂质囊泡的中空结构和高分子材料的结构可设计性、力学稳定性与化学可编程性。过去，聚合物囊泡更多被视为药物递送、纳米反应器或仿生隔室中的“静态容器”。近年来，研究者逐渐发现，非球形和可重构聚合物囊泡在循环、细胞摄取和组织穿透等方面具有独特优势。然而，如何不依赖全局溶剂变化或外加渗透压，而是通过膜内原位反应来驱动可控形变，仍然缺乏通用设计策略。

材料设计：刚性、可裂解、可软化的聚碳酸酯膜

  针对这一问题，研究团队设计了含刺激响应基元的聚碳酸酯嵌段共聚物，并利用薄膜水化法构筑微米级刚性聚合物囊泡。该体系的关键在于：疏水性聚碳酸酯链段在初始状态下提供较高的膜刚性和链堆积有序性，使囊泡能够保持稳定球形；当受到 H₂O₂ 或光照等外界输入时，聚碳酸酯主链发生裂解，疏水链段被切割为更短片段，膜的亲疏水平衡、链堆积状态、渗透性和曲率随之发生改变。

  这种设计使聚合物囊泡不再只是被动响应外界环境，而是能够将化学能或光能输入转化为膜内可定位的分子断裂事件，并进一步放大为可观察的机械形变。换言之，材料中的“可裂解键”承担了能量转导开关的角色，而聚合物膜的刚性与可软化特征则决定了形变能否沿膜结构传播。

图2 刚性聚合物囊泡的可编程形变机制示意：低浓度 H₂O₂ 诱导管状结构，高浓度 H₂O₂ 促进 stomatocyte-like 内陷或膜解组装；局域光照可触发定向内陷。

化学能驱动：H₂O₂浓度决定形貌演化路径

  研究首先考察了H₂O₂作为化学燃料时对PEO–PC^PB聚合物囊泡形貌的影响。实验表明，不同 H₂O₂浓度会导致截然不同的形变路径：在1 mM H₂O₂条件下，球形囊泡在经历诱导期后逐渐发生单向伸长，形成长度可达十余微米的管状聚合物囊泡；这些管状结构随后继续发生出芽、分裂和多隔室化演化。在5 mM H₂O₂条件下，囊泡主要经历由球形到类口形红细胞结构的转变，表现为逐渐增强的内陷形貌；而在 10 mM H₂O₂ 条件下，主链快速裂解导致膜结构迅速塌陷，最终形成不规则片层或聚集体。

  这种浓度依赖的形貌变化说明，聚合物主链裂解并不只是单纯破坏材料结构，而是可以通过调控反应速率、膜渗透性和局域能量耗散方式，选择性地引导囊泡进入不同形变通道。共聚焦显微成像进一步证明，这些形变过程可以在单个囊泡水平上实时追踪，为研究非平衡状态下聚合物膜的动态重构提供了直接证据。

图3 化学能诱导的原位形貌变化：H₂O₂触发 PEO–PCPB 聚合物囊泡发生浓度依赖的形貌转变，10 mM下快速解组装，5 mM下形成类口形红细胞内陷结构，1 mM下形成管状聚合物囊泡。

图4 低浓度 H₂O₂驱动的单个囊泡动态演化：球形聚合物囊泡先单向伸长为管状结构，随后发生出芽、分裂和多隔室化，并最终重组为不规则聚集体。

  从图像结果可以看出，化学能诱导的形变并非一次性塌陷，而是具有明显的时间顺序和路径依赖性。低浓度 H₂O₂条件下，聚合物主链裂解较为缓慢，跨膜反应梯度能够维持较长时间，因此更容易产生方向性伸长和管状化；而高浓度 H₂O₂条件下，快速渗透与快速裂解削弱了这种有序梯度，导致整体膜重构、内陷或解组装占主导。这一结果直观说明，化学燃料的输入强度可以作为调控聚合物囊泡机械形变路径的重要参数。

机制解析：反应梯度、膜非对称性与曲率调控

  在机制层面，该工作提出了“局域能量耗散—膜非对称性—曲率调控”的能量转导框架。由于初始刚性聚合物膜对 H₂O₂的渗透有限，H₂O₂首先在囊泡外侧膜区域产生较高局部浓度，并诱导外侧聚碳酸酯链段发生更快裂解。由此形成的跨膜反应梯度会带来膜内外区域在组成、链长、亲水性、渗透性和力学状态上的不对称。

  随着裂解进行，聚合物膜的亲水质量分数显著增加，链堆积有序性和结晶性降低，膜逐渐由刚性状态转向软化状态。FRET探针、DCFH渗透性测试、丹酰标记、DSC和显微成像等多种实验共同表明，主链裂解会增强膜水化与渗透，促进膜重组和有效膜面积增加。进一步结合双层耦合模型，团队将低浓度H₂O₂下的管状伸长归因于外侧区域优先重构所造成的有效面积差增加；而较高浓度下，H₂O₂快速渗透削弱了跨膜梯度，使整体膜面积增加和体积降低占主导，从而更容易形成内陷或塌陷结构。

  值得注意的是，研究还通过对照聚合物证明，单纯的侧链裂解或极性变化不足以驱动大尺度形变，真正关键的是聚碳酸酯主链裂解对膜骨架、力学性质和跨膜非对称性的共同调控。这一结果强调了“主链可裂解性”在能量驱动聚合物囊泡形变中的核心作用。

光能驱动：单个囊泡水平的空间精准内陷

  除化学刺激外，研究团队还进一步利用含光响应硝基苄基团的PEO–PC^NB聚合物囊泡，实现了光能驱动的空间选择性形变。通过共聚焦显微镜的405 nm激光对单个囊泡的特定区域进行局域照射，可以在照射平面内诱导膜局部扩张和内陷。当激光聚焦于囊泡赤道面时，囊泡可形成一个或多个局部内陷口袋；当激光照射囊泡极区时，则可产生自上而下的局域塌陷和内陷结构。

  这种光控过程的优势在于时空精度高、刺激区域可定义、形变方向可编程。研究进一步将光诱导内陷与生物素–亲和素多价识别结合，构建了一个人工内吞模型：表面带有生物素的聚苯乙烯纳米粒子先通过多价相互作用锚定在光响应聚合物囊泡表面，随后局域激光触发接触区域膜弯曲与内陷，最终将纳米粒子包裹进入囊泡腔体。这一过程模拟了细胞内吞中“膜包裹—内陷—颗粒内化”的关键形貌特征。

图5 光驱动人工内吞：局域 405 nm 激光可在单个聚合物囊泡赤道面或极区触发定向内陷，并与生物素–亲和素识别结合实现纳米粒子内化。

研究意义：构建能量到运动转化的合成软物质平台

  总体来看，这项工作将刺激响应聚合物化学、自组装膜结构、实时显微成像和仿生力学过程结合起来，实现了从分子裂解反应到微尺度机械运动的连续转导。与传统依赖溶剂、渗透压或交联不对称的聚合物囊泡形变方法相比，该策略更强调膜内原位反应及其引发的反应梯度和力学非对称性，因而具有更强的可编程性和更清晰的分子设计逻辑。

  从基础科学角度看，该研究为理解合成膜体系中的非平衡形变、曲率传播和仿生内吞提供了可视化模型；从材料设计角度看，它为智能软物质、人工细胞、可编程纳米反应器和可控递送系统提供了新的结构单元。未来，如果能够进一步提高形变过程的可逆性、循环性和生物环境适应性，这类能量驱动聚合物囊泡有望在动态仿生材料和智能递送平台中发挥更大作用。

  该工作报道了一类含刺激可裂解聚碳酸酯膜的刚性聚合物囊泡，证明外界化学能或光能可以通过聚合物主链裂解转化为膜渗透性增强、跨膜非对称性产生和膜曲率调控，最终驱动单向伸长、内陷、解组装和人工内吞等多种可编程形貌变化。研究不仅展示了聚合物囊泡从“静态载体”向“动态仿生机器”的转变，也为构筑能够感知、响应并执行机械功能的合成软物质系统提供了新的设计范式。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c08276

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