超分子聚合物近期研究及應(yīng)用

王曉安 宋波

摘 要：超分子聚合物是指以非共價鍵結(jié)合，并擁有聚合物的性質(zhì)的單體分子聚集體。如今，通過在化學(xué)、物理、生物、醫(yī)藥等各個領(lǐng)域開展的研究，超分子聚合物已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國防及醫(yī)藥學(xué)方面有了廣泛的應(yīng)用。同時，在生命科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)、航天科技、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、仿生學(xué)眾多領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景。本文將簡要介紹近年來超分子聚合物的制備，重點綜述了其在宏觀尺度的性質(zhì)和功能及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超分子聚合物;自組裝;自愈;材料學(xué);生物醫(yī)藥

與經(jīng)典的共價聚合物相比較，共價聚合物單體之間通過共價鍵連接，性質(zhì)穩(wěn)定、不易降解。而超分子聚合物一般由具有一定強(qiáng)度和方向性的非共價鍵構(gòu)建，如氫鍵、π-π作用、主客體相互作用以及配位鍵等。這類非共價鍵作用具有鍵能較低，形成可逆與對溫度等敏感，易解離等特點。[1]

也正是因為非共價鍵作用的這種動態(tài)可逆特性，超分子聚合物往往能在共價鍵與非共價鍵相結(jié)合的基礎(chǔ)上，利用其特殊性質(zhì)，產(chǎn)出具有新功能的材料。此外，超分子聚合物往往能夠依靠構(gòu)成分子的性質(zhì)和功能，集成具有不同功能的超分子聚合物。最終產(chǎn)物還能夠?qū)崿F(xiàn)在不同環(huán)境內(nèi)可逆的調(diào)控。

1 從自修復(fù)水凝膠到具有一定硬度的自修復(fù)材料的研究

非共價鍵作用的可逆性賦予了超分子聚合物自修復(fù)的性能。基于高分子聚合物形成的自愈性水凝膠是近來備受關(guān)注的一種自愈性材料，這種材料具有本征性的自愈性，可應(yīng)對外界破壞造成的損傷，進(jìn)行自我修復(fù)，同時其非共價鍵對多種環(huán)境刺激具有響應(yīng)性，能自我調(diào)節(jié)以適應(yīng)環(huán)境變化，自愈性水凝膠開發(fā)為自適性多功能智能新材料奠定了基礎(chǔ)。[2～5]

利用氫鍵相互作用來制備自愈合彈性體，是基于超分子化學(xué)方法合成自愈合彈性體的最常見方法，該方法比較簡單且普適性較強(qiáng)。如何開發(fā)出具有更強(qiáng)的力學(xué)性能，更低的自愈條件是彈性體的研究熱點。

東京大學(xué)Takuzo Aida教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊研制出了一種新型玻璃材料，即聚醚硫脲玻璃，破碎后可在室溫條件下實現(xiàn)自修復(fù)，且在短時間內(nèi)能恢復(fù)功能強(qiáng)度。這項新的突破即將應(yīng)用于手機(jī)屏幕，而且有利于環(huán)保。[6]

2 基于主客體相互作用構(gòu)成的超分子聚合物研究進(jìn)展

常見的主體化合物有大環(huán)類的冠醚、環(huán)糊精、杯芳烴、葫蘆脲、柱芳烴等。

冠醚發(fā)現(xiàn)時間較早，合成簡單，同時具有豐富的主客體識別能力，在超分子聚合物的構(gòu)筑和陽離子的檢測方面有較大應(yīng)用空間。國內(nèi)黃飛鶴課題組，就曾基于冠醚和穴醚的醚客體分子識別體系制備出多種具有特殊性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的的準(zhǔn)輪烷，輪烷，索烷，并進(jìn)一步構(gòu)筑了功能化的超分子自組裝體系，如超分子聚合物、超分子凝膠、超分子傳感器等。[7]

環(huán)糊精具有圓筒狀疏水空腔和親水外沿，使得環(huán)糊精在水溶液中能夠和疏水的客體形成很穩(wěn)定的主客體復(fù)合物。比如疏水的藥物分子和熒光分子，由于和環(huán)糊精的主客體作用，可以大大提高他們的水溶性并且改善他們在水溶液中的性質(zhì)。近年來，由于環(huán)糊精具有優(yōu)越的生物相容性，使得其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用基于環(huán)糊精的主客體識別體系，基于環(huán)糊精和二茂鐵及其衍生物的主客體作用在近幾年被廣泛研究。

例如朱新遠(yuǎn)等基于二茂鐵和環(huán)糊精的主客體相互作用構(gòu)筑了帶有正電荷的超分子聚合物，其與帶有負(fù)電荷的DNA通過靜電作用結(jié)合后可形成納米組裝體并被細(xì)胞內(nèi)吞。進(jìn)入細(xì)胞后，二茂鐵被氧化，超分子聚合物解體，進(jìn)而實現(xiàn)DNA的可控釋放，證明超分子聚合物可作為基因治療的非病毒載體。劉育等通過錳卟啉與環(huán)糊精的主客體相互作用，在水中制備了可用于磁共振成像造影的超分子聚合物.更重要的是，通過超分子聚合物的富集作用，實現(xiàn)了顯著的磁共振信號增強(qiáng)效果。這一性質(zhì)，其單體并不具備的新的性質(zhì)和用途，利用超分子聚合物的富集作用，在生物成像和傳感等方面會有廣闊的應(yīng)用前景。[8]

杯芳烴不僅可絡(luò)合中性的客體分子，也可絡(luò)合離子型的客體，使其在構(gòu)筑兩親體系方面存在天然的優(yōu)勢。劉育課題組通過使用超分子手段，超兩親體系的建立，提供了一種對酶響應(yīng)的藥物傳遞方法。即磺化杯芳烴與肉豆蔻膽堿主客體構(gòu)建的具有酶響應(yīng)性的超分子囊泡，該囊泡能夠在膽堿酯酶存在下解離，而膽堿酯酶正是阿爾茨海默氏病過度表達(dá)的關(guān)鍵蛋白質(zhì)，因此這個超兩親體系可以作為輸送阿爾茨海默病藥物的載體。[9-11]

葫蘆脲的重復(fù)單元是由雙橋連接的，所其結(jié)構(gòu)更對稱，更剛性。對于擁有更多重復(fù)單元的高階葫蘆脲的合成也慢慢成為了研究者們的挑戰(zhàn)。近5年，基于葫蘆脲主客體分子巧別所構(gòu)筑的超分子自組裝體系在納米閥口，藥物緩釋，底物檢測，及吸附材料等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。張希課題組報道了一種基于葫蘆脲的超分子光敏劑，并且大大提高了抗菌性能。超分子光敏劑可以有效改善卟啉或其他光敏劑的抗癌性質(zhì)，在光動力治療系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。[12]

柱芳烴不僅可以在有機(jī)相中進(jìn)行主客體絡(luò)合也可實現(xiàn)在水相中的選擇性識別，基于柱芳烴的客體分子可以是中性的，也可以是離子型的。柱芳烴的這些特點賦予了其在構(gòu)筑超分子材輯方面極大的優(yōu)勢，在超分子聚合物、跨膜通道、超兩親自組裝、超分子有機(jī)框架材料，超分子探針和葫物傳遞方面有著廣泛的應(yīng)用，柱芳烴化學(xué)已成為超分子化學(xué)的研究熱點之一。黃飛鶴課題組報道了一種基于長鏈的烷基胺修飾的單功能化柱芳烴的分子彈簧。接著該研究，黃飛鶴課題組還制備了一個溶劑驅(qū)動的伸縮的超分子聚合物。即能夠隨著溶劑極性改變而能夠伸長和壓縮的雛菊鏈。并通過多種測試手段表征了這個聚合物的組裝和溶劑驅(qū)動的伸縮過程。這個工作為將超分子聚合物走向仿生材料邁出了堅實的一步。[13]

3 兩親性肽與生物組織修復(fù)

兩親性肽能夠在水中自組裝形成的高長徑比納米纖維，在材料科學(xué)和生命科學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用，在納米技術(shù)、生物醫(yī)用材料和有機(jī)電子材料等領(lǐng)域都有著不俗的表現(xiàn)。

典型的兩親性肽由長鏈烷烴結(jié)構(gòu)的疏水尾部和特定多肽結(jié)構(gòu)的親水頭部組成，其自組裝形成的納米線是一種可調(diào)性非常強(qiáng)的超分子纖維。通過對兩親性肽結(jié)構(gòu)的改變，能夠?qū)崿F(xiàn)對納米線形貌的調(diào)控，并賦予其豐富的功能。這類基于兩親性肽的超分子納米線最引人矚目的應(yīng)用是醫(yī)學(xué)組織再生材料。以該納米線為基體，通過修飾單體分子的末端基團(tuán)，可以賦予納米線多樣的組織修復(fù)功能。例如利用納米線誘導(dǎo)羥基磷灰石表面結(jié)晶的功能，探究了其在骨骼修復(fù)上的潛在應(yīng)用。又如將兩親性肽分子末端親水肽替換為與促進(jìn)血管生長物質(zhì)有較強(qiáng)結(jié)合的多肽序列，則納米線具有誘導(dǎo)血管生長和修復(fù)血管的功能。以及通過向納米線表面修飾有利于神經(jīng)細(xì)胞突觸生長的短肽序列，能夠?qū)崿F(xiàn)部分修復(fù)受損的小鼠中樞神經(jīng)。

美國西北大學(xué)Stupp教授及其團(tuán)隊開發(fā)了一系列由肽和DNA分子自組裝形成的水溶性納米級長絲。當(dāng)溶液中混入可形成雙螺旋互補(bǔ)的DNA序列時，細(xì)絲中的DNA分子會從細(xì)絲中分離并結(jié)合為雙螺旋結(jié)構(gòu)，最后留下了不含DNA的分子，這些分子形成了簡單的細(xì)絲狀聚合物，并最終得到了含有雙螺旋結(jié)構(gòu)的硬材料。繼續(xù)添加一個簡單的DNA分子，破壞超結(jié)構(gòu)中細(xì)絲互連的雙螺旋，細(xì)絲就會松開，從而使材料恢復(fù)到其初始較軟的狀態(tài)。這些材料的潛在用途可擴(kuò)展到醫(yī)藥及其他領(lǐng)域。蛋白質(zhì)、抗體、藥物甚至基因的復(fù)雜療法都可以存儲在超結(jié)構(gòu)中，并隨著層次結(jié)構(gòu)消失而按需釋放到體內(nèi)。

這項研究在臨床上也獲得了應(yīng)用。新材料將應(yīng)用于大腦和脊髓中的星形膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元相關(guān)聯(lián)的研究。星形膠質(zhì)細(xì)胞十分重要，因為當(dāng)大腦或脊髓受傷或患病時，它們會獲得一種稱為“反應(yīng)性表型”的特定形狀，并產(chǎn)生致密纖維網(wǎng)絡(luò)疤痕。通常在健康大腦中，星形膠質(zhì)細(xì)胞具有“幼稚表型”和不同形狀。當(dāng)將星形膠質(zhì)細(xì)胞放在僅有簡單細(xì)絲的材料上時，星形膠質(zhì)細(xì)胞具有幼稚的表型。但當(dāng)其形成超結(jié)構(gòu)時，它們變得具有反應(yīng)性。然后，當(dāng)分層結(jié)構(gòu)被拆解時，他們又返回到幼稚表型。這一發(fā)現(xiàn)將細(xì)胞微環(huán)境的結(jié)構(gòu)與中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷和疾病中表型的這些關(guān)鍵變化聯(lián)系在一起。通過將這些反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞移植到?jīng)]有受傷的健康受試者中，可以將這些反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞恢復(fù)到幼稚狀態(tài)。Stupp團(tuán)隊的研究表明，新材料會觸發(fā)腦細(xì)胞中的這些表型轉(zhuǎn)化，這對消除受傷或患病的大腦和脊髓中的疤痕有很大的意義。[14]

4 結(jié)語

綜上所述，超分子聚合物，正成為材料化學(xué)和納米科學(xué)新的寵兒，無論是用于遞送抗癌藥物的生物分子納米載體還是在內(nèi)部或外部刺激下能夠?qū)崿F(xiàn)自愈性的新仿生學(xué)材料。任何新一代超分子聚合物的到來都將為材料科學(xué)，生物醫(yī)學(xué)提供新的機(jī)會。

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（作者單位：蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部）