超解像度で単一の鎖ポリマーナノ粒子をスペクトル的にペイントします

ポリマー鎖を明確に定義された単一鎖ポリマーナノ粒子（SCPN）に折り畳むことは、構造化された機能的ナノ粒子を得るための魅力的なアプローチです。すべてのポリマー材料と同様に、SCPNは、その合成の多分散性のために、その性質上は不均一です。ポリマー骨格の長さの確率的合成と、疎水性および親水性のペンダント基を使用した確率的官能化は、構造の多様性を避けられません。したがって、SCPNの単一のバッチでは、異なる物理化学的特性を持つナノ粒子が存在し、単一粒子レベルでの特性評価に大きな挑戦をもたらします。単一粒子レベルでのSCPNの違いを解明できる技術の開発は、触媒や薬物送達などのさまざまな分野で潜在的な用途をキャプチャするために不可欠です。ここでは、ナノスケールトポグラフィ（NR-spaint）のイメージングのためのナイルレッドベースのスペクトル点蓄積が、単一粒子レベルでのSCPNSの研究のために実装されました。この革新的な方法により、（i）個々のSCPNの小分子結合速度をマッピングし、（ii）個々のSCPNの極性を初めてマッピングすることができました。ここで使用されるSCPN設計は同じポリマー骨格を持っていますが、疎水性グループの数は異なります。実験結果は、同じポリマー設計内の結合速度の顕著な粒子間の違いを示しています。さらに、異なる設計間の顕著な極性シフトが観察されます。興味深いことに、粒子間極性の不均一性と、粒子内の多様性が明らかになりました。結果は、疎水性ペンダント基の添加が結合特性を決定するために不可欠であり、単一粒子の極性の多様性を誘導することを示しています。全体として、NR-spaintは、SCPNの単一粒子極性を定量化する強力なアプローチを表し、構造の不均一性を単一粒子レベルでの機能に関連付ける方法を舗装します。これは、目的のアプリケーションのSCPNを合理的に設計する目的に向けた重要なステップを提供します。

Folding a polymer chain into a well-defined single-chain polymeric nanoparticle (SCPN) is a fascinating approach to obtaining structured and functional nanoparticles. Like all polymeric materials, SCPNs are heterogeneous in their nature due to the polydispersity of their synthesis: the stochastic synthesis of polymer backbone length and stochastic functionalization with hydrophobic and hydrophilic pendant groups make structural diversity inevitable. Therefore, in a single batch of SCPNs, nanoparticles with different physicochemical properties are present, posing a great challenge to their characterization at a single-particle level. The development of techniques that can elucidate differences between SCPNs at a single-particle level is imperative to capture their potential applications in different fields such as catalysis and drug delivery. Here, a Nile Red based spectral point accumulation for imaging in nanoscale topography (NR-sPAINT) super-resolution fluorescence technique was implemented for the study of SCPNs at a single-particle level. This innovative method allowed us to (i) map the small-molecule binding rates on individual SCPNs and (ii) map the polarity of individual SCPNs for the first time. The SCPN designs used here have the same polymeric backbone but differ in the number of hydrophobic groups. The experimental results show notable interparticle differences in the binding rates within the same polymer design. Moreover, a marked polarity shift between the different designs is observed. Interestingly, interparticle polarity heterogeneity was unveiled, as well as an intraparticle diversity, information which has thus far remained hidden by ensemble techniques. The results indicate that the addition of hydrophobic pendant groups is vital to determine binding properties and induces single-particle polarity diversity. Overall, NR-sPAINT represents a powerful approach to quantifying the single-particle polarity of SCPNs and paves the way to relate the structural heterogeneity to functionality at the single-particle level. This provides an important step toward the aim of rationally designing SCPNs for the desired application.