功能性超分子組裝體系的可控制備及生物應用.pdf

1、超分子化學，即“超越分子概念的化學”，旨在研究分子或組裝單元通過非共價相互作用而形成具有特定結構和獨特功能的超分子聚集體。作為一門高度交叉的新興學科，近年來超分子化學已經受到研究者的廣泛關注，并逐漸在材料科學、納米科學、信息科學以及生命科學等眾多學科中展現(xiàn)出極其重要的理論意義和廣闊的應用前景。迄今，超分子化學已經取得了突飛猛進的發(fā)展，但是已報道的絕大多數(shù)超分子體系主要局限于形貌的調控，而超分子體系的功能化以及結構與功能相互關系研究偏少，

2、從而限制了超分子體系在各個領域中的應用。因此，如何利用非共價相互作用的可逆特性構建結構可控、功能可調的超分子體系以滿足各個領域的使用需求，是當前超分子化學領域面臨的前沿科學問題。本論文利用不同的非共價策略，成功制備了一系列具有不同結構和功能的超分子組裝體系，不僅賦予了超分子體系獨特的功能性，而且進一步實現(xiàn)了它們在基因轉染、生物成像以及仿生模擬化學等領域中的應用。本論文共分為六個部分，具體研究內容和結論概括如下：
　　1．兩親性卟啉

3、分子的自組裝及光學性能研究
　　到目前為止，在卟啉化學領域絕大多數(shù)研究集中于結構規(guī)整的卟啉納米材料的設計和構建，極少有研究致力于闡述卟啉材料的聚集結構與光學性能的相互關系。為了進一步推進卟啉化學的發(fā)展，有必要深入研究卟啉材料的聚集結構對光學性質的影響，建立結構與性能的確切關系。我們報道了一類具有獨特化學結構的卟啉兩性分子，在不同的溶劑中，能夠組裝形成具有不同形貌、不同光學性質的納米結構。作為一種多價的客體分子，這類卟啉兩性分子能夠

4、與α-環(huán)糊精發(fā)生絡合并形成兩親性超分子內含復合物，在水相中可以自聚集形成具有優(yōu)異光學性質及規(guī)整結構的球形納米粒子。這類卟啉兩性分子及組裝體具有優(yōu)異的光響應特性，在光照下其形貌和光學性能展現(xiàn)出了動態(tài)/可調的變化。我們進一步考察了卟啉兩性分子的組裝行為對光學性能的影響，闡明了組裝結構與光學性能的相互關系。
　　2．光可逆超分子超支化聚合物的構建
　　與傳統(tǒng)的共價聚合物相比，非共價相互作用的可逆性賦予了超分子聚合物獨特的性能，尤其

5、在受到外界刺激后超分子聚合物的結構和性能能夠實現(xiàn)可逆調節(jié)，從而為智能超分子聚合材料提供了一個強大的設計平臺。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，成功構建了一類新穎的A2-B3型光可逆超分子超支化聚合物。這類超分子超支化聚合物展現(xiàn)出高度支化的結構和優(yōu)異的光學性能。在紫外光和可見光的交替照射下，超分子聚合物主鏈骨架中的非共價連接能夠發(fā)生可逆的絡合和解絡合，導致聚合物發(fā)生可逆的聚合和解聚合，從而高效地實現(xiàn)超分子聚合物

6、支化結構與光學性能的可逆調控。我們相信這類超分子聚合物有望成為一類具有廣泛應用前景的熒光材料及自愈合材料。
　　3．仿水母呼吸發(fā)光囊泡體系的構建
　　在自然界中，許多細胞過程或生命體在膜變形的過程中往往都伴隨著協(xié)同的功能表達。迄今為止，已報道的細胞模擬過程都僅僅局限于形貌變化，而在這個形變過程中卻并未產生相應的功能變化。受到水母呼吸發(fā)光現(xiàn)象的啟發(fā)，我們開發(fā)了一類智能的呼吸囊泡體系，在呼吸過程中伴隨著可逆可調的熒光行為。這類仿

7、生的囊泡體系是由含有大量二甲基氨基偶氮苯生色團的兩親性嵌段共聚物通過水相自組裝而形成。這類囊泡展現(xiàn)出了pH誘導的“呼吸”行為，在呼吸過程中囊泡隨即發(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，同時伴隨著綠色熒光的恢復。囊泡的這種膜變形和發(fā)光行為類似于水母的呼吸發(fā)光過程。此外，這類囊泡體系也呈現(xiàn)出了幾個獨特的性質，包括聚集誘導的發(fā)射

8、行為（AIE）、可見光誘導的順反異構化以及光致異構轉變導致的可逆熒光減弱和恢復行為。這個工作將細胞模擬化學從僅有的形貌模擬擴展到形貌結合功能的模擬。
　　4．超分子熒光納米粒子的生物成像研究
　　在水相媒介中，π共軛構建單元由于發(fā)生π-π堆積往往會形成無規(guī)的超分子聚集體或水不溶的沉淀物，這些無規(guī)超分子結構的形成通常導致共軛體系發(fā)生熒光淬滅。因此，利用非共價相互作用制備具有優(yōu)異熒光性能的水溶性規(guī)整納米結構是當前超分子領域面臨的

9、一大挑戰(zhàn)?；凇按u塊和水泥”的超分子策略，我們成功開發(fā)了一類基于鈣黃綠素的超分子熒光納米粒子，這類納米粒子不僅具有優(yōu)異的熒光性能，而且也展現(xiàn)出了智能的腫瘤細胞特異性識別能力，可以用于腫瘤組織的靶向成像。通過調節(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，可以實現(xiàn)超分子熒光納米粒子尺寸的高效調控。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熒光生色團在水相中的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，最終增強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胞中的成像效果。我們相信這類熒光納米粒子能夠進一步用于體內成像研究。
　　5．氧化還原響應超分子線性陽離子基因載體的構建
　　當前，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離子小分子通過主客相互作用構建而成。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，仍然沒有實現(xiàn)這類超分子聚合物在生物醫(yī)藥領域中的應用。因此，利用小分子設計和開發(fā)超分子基因載體是當前超分子化學領域的一個最重要挑戰(zhàn)。本章開發(fā)了一類基于小分子的具有氧化還原響應性的陽離子超分子聚合物，這類超分子聚合物是由二茂鐵二聚體和β-環(huán)糊精二聚體通過主客識別構建而成，當交替加入過氧化氫和谷胱甘肽時，這類超分子聚合物發(fā)生了氧化還原誘導的可逆聚合和解聚合行為。這類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)出了過氧化氫誘導的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用于基因治療。我們相信這個工作能夠進一步拓寬基于小分子的超分子聚合物的應用范圍。
　　6．電荷可調的超分子樹形陽離子基因載體的構建
　　眾所周知，陽離子載體的基因轉染效率與載體的結構及電荷性質密切相關，比如氨基種類、電荷密度和電荷分布等。一方面，基因載體結構參數(shù)的優(yōu)化往往需要進行大量的化學合成和改性，從而極大增

13、加了生產成本。另一方面，由于無法有效預測陽離子基因載體結構與性能的相互關系，因此研究者往往難以通過共價合成的方法獲得最優(yōu)的載體結構。為了解決這一科學問題，我們利用不同種類的陽離子環(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，成功構建了一類電荷可調的超分子陽離子樹形聚合物，這類聚合物不僅具有樹形聚合物的多功能性，同時也具有超分子聚合物的動態(tài)可調特性。與傳統(tǒng)的共價合成相比，這種非共價制備提供了一種簡易可控的超分子策略，實現(xiàn)了對陽離