功能性超分子組裝體系的可控制備及生物應(yīng)用.pdf

1、超分子化學(xué)，即“超越分子概念的化學(xué)”，旨在研究分子或組裝單元通過(guò)非共價(jià)相互作用而形成具有特定結(jié)構(gòu)和獨(dú)特功能的超分子聚集體。作為一門(mén)高度交叉的新興學(xué)科，近年來(lái)超分子化學(xué)已經(jīng)受到研究者的廣泛關(guān)注，并逐漸在材料科學(xué)、納米科學(xué)、信息科學(xué)以及生命科學(xué)等眾多學(xué)科中展現(xiàn)出極其重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。迄今，超分子化學(xué)已經(jīng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但是已報(bào)道的絕大多數(shù)超分子體系主要局限于形貌的調(diào)控，而超分子體系的功能化以及結(jié)構(gòu)與功能相互關(guān)系研究偏少，

2、從而限制了超分子體系在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，如何利用非共價(jià)相互作用的可逆特性構(gòu)建結(jié)構(gòu)可控、功能可調(diào)的超分子體系以滿(mǎn)足各個(gè)領(lǐng)域的使用需求，是當(dāng)前超分子化學(xué)領(lǐng)域面臨的前沿科學(xué)問(wèn)題。本論文利用不同的非共價(jià)策略，成功制備了一系列具有不同結(jié)構(gòu)和功能的超分子組裝體系，不僅賦予了超分子體系獨(dú)特的功能性，而且進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了它們?cè)诨蜣D(zhuǎn)染、生物成像以及仿生模擬化學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用。本論文共分為六個(gè)部分，具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)論概括如下：
　　1．兩親性卟啉

3、分子的自組裝及光學(xué)性能研究
　　到目前為止，在卟啉化學(xué)領(lǐng)域絕大多數(shù)研究集中于結(jié)構(gòu)規(guī)整的卟啉納米材料的設(shè)計(jì)和構(gòu)建，極少有研究致力于闡述卟啉材料的聚集結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能的相互關(guān)系。為了進(jìn)一步推進(jìn)卟啉化學(xué)的發(fā)展，有必要深入研究卟啉材料的聚集結(jié)構(gòu)對(duì)光學(xué)性質(zhì)的影響，建立結(jié)構(gòu)與性能的確切關(guān)系。我們報(bào)道了一類(lèi)具有獨(dú)特化學(xué)結(jié)構(gòu)的卟啉兩性分子，在不同的溶劑中，能夠組裝形成具有不同形貌、不同光學(xué)性質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)。作為一種多價(jià)的客體分子，這類(lèi)卟啉兩性分子能夠

4、與α-環(huán)糊精發(fā)生絡(luò)合并形成兩親性超分子內(nèi)含復(fù)合物，在水相中可以自聚集形成具有優(yōu)異光學(xué)性質(zhì)及規(guī)整結(jié)構(gòu)的球形納米粒子。這類(lèi)卟啉兩性分子及組裝體具有優(yōu)異的光響應(yīng)特性，在光照下其形貌和光學(xué)性能展現(xiàn)出了動(dòng)態(tài)/可調(diào)的變化。我們進(jìn)一步考察了卟啉兩性分子的組裝行為對(duì)光學(xué)性能的影響，闡明了組裝結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能的相互關(guān)系。
　　2．光可逆超分子超支化聚合物的構(gòu)建
　　與傳統(tǒng)的共價(jià)聚合物相比，非共價(jià)相互作用的可逆性賦予了超分子聚合物獨(dú)特的性能，尤其

5、在受到外界刺激后超分子聚合物的結(jié)構(gòu)和性能能夠?qū)崿F(xiàn)可逆調(diào)節(jié)，從而為智能超分子聚合材料提供了一個(gè)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)平臺(tái)。本章利用偶氮苯二聚體和β-環(huán)糊精三聚體之間的可逆主客相互作用，成功構(gòu)建了一類(lèi)新穎的A2-B3型光可逆超分子超支化聚合物。這類(lèi)超分子超支化聚合物展現(xiàn)出高度支化的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光學(xué)性能。在紫外光和可見(jiàn)光的交替照射下，超分子聚合物主鏈骨架中的非共價(jià)連接能夠發(fā)生可逆的絡(luò)合和解絡(luò)合，導(dǎo)致聚合物發(fā)生可逆的聚合和解聚合，從而高效地實(shí)現(xiàn)超分子聚合物

6、支化結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能的可逆調(diào)控。我們相信這類(lèi)超分子聚合物有望成為一類(lèi)具有廣泛應(yīng)用前景的熒光材料及自愈合材料。
　　3．仿水母呼吸發(fā)光囊泡體系的構(gòu)建
　　在自然界中，許多細(xì)胞過(guò)程或生命體在膜變形的過(guò)程中往往都伴隨著協(xié)同的功能表達(dá)。迄今為止，已報(bào)道的細(xì)胞模擬過(guò)程都僅僅局限于形貌變化，而在這個(gè)形變過(guò)程中卻并未產(chǎn)生相應(yīng)的功能變化。受到水母呼吸發(fā)光現(xiàn)象的啟發(fā)，我們開(kāi)發(fā)了一類(lèi)智能的呼吸囊泡體系，在呼吸過(guò)程中伴隨著可逆可調(diào)的熒光行為。這類(lèi)仿

7、生的囊泡體系是由含有大量二甲基氨基偶氮苯生色團(tuán)的兩親性嵌段共聚物通過(guò)水相自組裝而形成。這類(lèi)囊泡展現(xiàn)出了pH誘導(dǎo)的“呼吸”行為，在呼吸過(guò)程中囊泡隨即發(fā)生了溶脹和收縮。在酸性條件下，囊泡“吸入”，囊泡體積膨脹、囊泡壁變薄，同時(shí)伴隨著熒光的淬滅；相反，在堿性條件下，囊泡“呼出”，囊泡體積收縮、囊泡壁變厚，同時(shí)伴隨著綠色熒光的恢復(fù)。囊泡的這種膜變形和發(fā)光行為類(lèi)似于水母的呼吸發(fā)光過(guò)程。此外，這類(lèi)囊泡體系也呈現(xiàn)出了幾個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)，包括聚集誘導(dǎo)的發(fā)射

8、行為（AIE）、可見(jiàn)光誘導(dǎo)的順?lè)串悩?gòu)化以及光致異構(gòu)轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的可逆熒光減弱和恢復(fù)行為。這個(gè)工作將細(xì)胞模擬化學(xué)從僅有的形貌模擬擴(kuò)展到形貌結(jié)合功能的模擬。
　　4．超分子熒光納米粒子的生物成像研究
　　在水相媒介中，π共軛構(gòu)建單元由于發(fā)生π-π堆積往往會(huì)形成無(wú)規(guī)的超分子聚集體或水不溶的沉淀物，這些無(wú)規(guī)超分子結(jié)構(gòu)的形成通常導(dǎo)致共軛體系發(fā)生熒光淬滅。因此，利用非共價(jià)相互作用制備具有優(yōu)異熒光性能的水溶性規(guī)整納米結(jié)構(gòu)是當(dāng)前超分子領(lǐng)域面臨的

9、一大挑戰(zhàn)。基于“磚塊和水泥”的超分子策略，我們成功開(kāi)發(fā)了一類(lèi)基于鈣黃綠素的超分子熒光納米粒子，這類(lèi)納米粒子不僅具有優(yōu)異的熒光性能，而且也展現(xiàn)出了智能的腫瘤細(xì)胞特異性識(shí)別能力，可以用于腫瘤組織的靶向成像。通過(guò)調(diào)節(jié)組分中金剛烷改性的鈣黃綠素和β-環(huán)糊精接枝的支化聚乙烯亞胺的摩爾比例，可以實(shí)現(xiàn)超分子熒光納米粒子尺寸的高效調(diào)控。值得注意的是，該體系中β-環(huán)糊精/金剛烷的主客相互作用極大減弱了鈣黃綠素?zé)晒馍珗F(tuán)在水相中的π-π堆積作用，從而有效抑

10、制了鈣黃綠素的熒光淬滅效應(yīng)，最終增強(qiáng)了超分子納米粒子的熒光性能。此外，葉酸受體的引入也顯著改善了熒光納米粒子在腫瘤細(xì)胞中的成像效果。我們相信這類(lèi)熒光納米粒子能夠進(jìn)一步用于體內(nèi)成像研究。
　　5．氧化還原響應(yīng)超分子線(xiàn)性陽(yáng)離子基因載體的構(gòu)建
　　當(dāng)前，幾乎所有的超分子基因載體都是由高分子量的聚合物和低分子量的陽(yáng)離子小分子通過(guò)主客相互作用構(gòu)建而成。換言之，高分子量的聚合物是這些超分子基因載體不可或缺的構(gòu)建單元?；谛》肿拥某肿泳?/p>

11、合物在溶液中易于受到外界環(huán)境的刺激而發(fā)生降解，迄今為止，仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)這類(lèi)超分子聚合物在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，利用小分子設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)超分子基因載體是當(dāng)前超分子化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)最重要挑戰(zhàn)。本章開(kāi)發(fā)了一類(lèi)基于小分子的具有氧化還原響應(yīng)性的陽(yáng)離子超分子聚合物，這類(lèi)超分子聚合物是由二茂鐵二聚體和β-環(huán)糊精二聚體通過(guò)主客識(shí)別構(gòu)建而成，當(dāng)交替加入過(guò)氧化氫和谷胱甘肽時(shí)，這類(lèi)超分子聚合物發(fā)生了氧化還原誘導(dǎo)的可逆聚合和解聚合行為。這類(lèi)基于小分子的超分子聚合

12、物不僅具有高效的DNA壓縮能力，而且也展現(xiàn)出了過(guò)氧化氫誘導(dǎo)的DNA釋放行為，因此可以作為一種有前景的非病毒基因載體應(yīng)用于基因治療。我們相信這個(gè)工作能夠進(jìn)一步拓寬基于小分子的超分子聚合物的應(yīng)用范圍。
　　6．電荷可調(diào)的超分子樹(shù)形陽(yáng)離子基因載體的構(gòu)建
　　眾所周知，陽(yáng)離子載體的基因轉(zhuǎn)染效率與載體的結(jié)構(gòu)及電荷性質(zhì)密切相關(guān)，比如氨基種類(lèi)、電荷密度和電荷分布等。一方面，基因載體結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化往往需要進(jìn)行大量的化學(xué)合成和改性，從而極大增

13、加了生產(chǎn)成本。另一方面，由于無(wú)法有效預(yù)測(cè)陽(yáng)離子基因載體結(jié)構(gòu)與性能的相互關(guān)系，因此研究者往往難以通過(guò)共價(jià)合成的方法獲得最優(yōu)的載體結(jié)構(gòu)。為了解決這一科學(xué)問(wèn)題，我們利用不同種類(lèi)的陽(yáng)離子環(huán)糊精衍生物和金剛烷修飾的超支化聚醚之間的主客相互作用，成功構(gòu)建了一類(lèi)電荷可調(diào)的超分子陽(yáng)離子樹(shù)形聚合物，這類(lèi)聚合物不僅具有樹(shù)形聚合物的多功能性，同時(shí)也具有超分子聚合物的動(dòng)態(tài)可調(diào)特性。與傳統(tǒng)的共價(jià)合成相比，這種非共價(jià)制備提供了一種簡(jiǎn)易可控的超分子策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)陽(yáng)離