【ACS Macro Letters】复旦大学陈国颂：过去十年的碳水化合物高分子

碳水化合物是自然界中含量最丰富、最重要的生物大分子之一。尽管碳水化合物这个词听起来很简单，而且历史悠久，但它涵盖了非常广泛的研究范围，并在不同的研究学科中进行了扩展。 在过去的十年中， ACS Macro Letters 一直是从聚合物的角度发表与碳水化合物相关的研究论文的优秀平台。迄今为止， 该期刊 已发表了 120 多篇与碳水化合物聚合物概念相关的论文。 这些论文可以分为不同的主题（图 1），从新的碳水化合物聚合物或多糖的合成、物理学和自组装到各种应用，包括靶向递送、复合物、免疫调节等。在这篇社论中，不同的主题ACS Macro Letters 上发表的涉及碳水化合物相关论文的论文将进行总结，为评估碳水化合物聚合物领域的最新研究提供一种方法。上述主题不包括可以显示出令人印象深刻的用途范围的多糖基材料，例如那些包括纤维素的材料，这是该领域的一个极其重要的方面，值得单独讨论。

图 1. (a) 过去十年 ACS Macro Letters 上发表的碳水化合物聚合物的标题和摘要中使用的关键字词云。这个词的大小反映了它出现的出版物数量。（b）按不同类型的碳水化合物聚合物分类的论文数量。

与碳水化合物相关的聚合物大致可分为三类（图 2）：（a）自然界中发现的多糖，通常为均聚物或杂聚物，包括纤维素、糊精、琼脂糖等；(b) 天然衍生的合成多糖，它是含有碳水化合物主链的聚合物，通过开环聚合或其他方法与由天然糖类制成的单体制成；(c) 糖聚合物（包括糖肽），它们是以单糖或寡糖作为侧基的合成聚合物。ACS Macro Letters 发表了几篇关于天然衍生的合成多糖和糖聚合物的新型合成的重要论文。

图 2. 该 社论中讨论的不同类型的碳水化合物聚合物（每个结构都有参考标记）。

从聚合物物理学的角度来看，天然糖苷键和羟基使碳水化合物聚合物成为一个有趣的平台。 环状或环状聚合物也具有有趣的拓扑结构和物理性质，其中链刚度的贡献不容忽视。Terao 等人报道 了 环状直链淀粉为研究链刚度对环状聚合物的影响提供了机会，因为可以通过酶促制备具有超过 100 个吡喃糖单元的环状聚合物。吡喃葡萄糖苷的 2、3 和 6 位游离羟基转化为三（苯基氨基甲酸酯）导致链刚度显着增加，因为库恩长度从环状直链淀粉的 4 nm 变为环状直链直链淀粉的 16-22 nm（ 苯基氨基甲酸酯）（图 3）。

图 3. 环状直链淀粉的库恩长度变化。

碳水化合物聚合物，特别是糖聚合物的应用，在过去十年中引起了极大的关注。 这些功能可以粗略地分为作为靶向剂的聚合物上的碳水化合物部分，主要是因为它们能够结合蛋白质和/或充当亲水壳。Reineke 等人报道了具有亲水性糖聚合物外壳的复合物。用 pDNA 和聚（2-甲基丙烯酰胺-2-脱氧葡萄糖）修饰的星形聚酰胺胺。此外，由糖聚合物形成的复合物用于致癌表皮生长因子受体沉默。糖聚合物的蛋白质（或碳水化合物）结合功能已被用于不同的应用，包括凝集素传感、探测碳水化合物-碳水化合物相互作用（图 4）、消除病原菌、靶 向 HepG2 细胞等。

图 4. Gibson 等人报道的热触发探测碳水化合物-碳水化合物相互作用的封面艺术。

虽然术语碳水化合物是一个简单的名称，但它涵盖了极其大量的大分子。自然界中存在大量多糖并以物质形式发挥作用，其中以纤维素最为丰富。纳米纤维素，包括纤维素纳米晶体 (CNC)，是一个引起很多兴趣的话题，部分原因是其晶体结构的坚固性（图 5）。此外，虽然表面羟基是碳水化合物聚合物中的主要官能团，但它们可以被修饰以在 CNC 表面获得羧酸盐、硫酸盐半酯和胺，从而为材料制备和性能提供更多的多功能性。例如，基于羧酸盐或胺改性的纤维素纳米晶体的质子化/去质子化制备了 pH 响应纤维素纳米晶体凝胶和纳米复合材料。其他碳水化 合物聚合物天然含有这些功能。例如，结冷胶水凝胶的宏观特性已经通过这些羧酸官能化多糖的刚性纤维状四级结构进行了调节，这些结构是由二价离子诱导的。

图 5. 封面图显示了结晶纤维素中纤维素的分子链。

相关论文以题为 The Past Ten Years of Carbohydrate Polymers in ACS Macro Letters 发表在《 A CS Macro Letters 》上。 作者 是 复旦大学 陈国颂教授 。

参考文献 ：

doi.org/10.1021/acsmacrolett.1c00526