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摘要： 超分子自组装化学突破了传统的分子化学基于共价键的研究领域,通过精确调控非共价键作用力(氢键作用,主客体作用,π-π堆积作用等)制备有序聚集体,在近年来引起了广泛关注。本论文以单一及多元Fmoc-氨基酸为研究对象,研究了其在金属离子诱导下的超分子水凝胶的微观形貌,力学强度,并提出了可能的组装机理。同时探索了这类超分子水凝胶的潜在应用。论文主要包括三部分:第一章,简单介绍了超分子化学与超分子组装的基本概念与几种常见的超分子结构,以及基于芳香基氨基酸及多肽的超分子水凝胶体系的特性与功能应用。第二章,主要研究了金属离子诱导Fmoc-丙氨酸水凝胶的制备与功能。芳基多肽由于自身的π-π堆积作用和氢键作用,是一种良好的自组装基元分子。但芳基氨基酸由于氢键结合位点较少,难以通过自组装形成稳定的聚集体。我们发现,利用Cu2+,Eu3+等金属离子诱导Fmoc-丙氨酸可以形成性质稳定的水凝胶结构,通过扫描电镜与透射电镜等手段观测凝胶的微观形貌,发现Cu2+诱导水凝胶的微观形貌为0.5 μm左右的片状结构,Eu3+诱导水凝胶则组装为直径在50-300 nm的一维纳米纤维,当两种金属离子按等比例混合后诱导的水凝胶组装形貌转变为交联的3D网络,平均直径大约为20-100 nm。通过流变学测试表征了三种水凝胶的机械力学强度,发现三种凝胶都是力学强度较高的稳定水凝胶,屈服应力值都超过了 1000Pa。基于红外光谱,紫外光谱和小角X射线散射图谱的分析我们提出了水凝胶可能的组装机理,首先两个Fmoc-Ala形成反平行重叠π-π堆积的双层结构单元,之后在金属离子与羧酸根的配位作用及酰胺键之间的氢键作用下,继续形成层状结构,在三种超分子力的共同作用下,生成一维纳米纤维,进而以缠绕堆叠的方式组装成片状或纤维凝胶网络。令人意外的是,这种超分子水凝胶体系对于含有芳香基团和氨基的分子具有独特的溶蚀响应性,当把不同的氨基化合物或芳香化合物加入到凝胶中时,凝胶会发生特异性的溶蚀现象,且溶蚀的速率与溶蚀后的形貌均不相同。相信这种独特的客体响应水凝胶在分子识别和预封装材料中有着潜在的应用前景。第三章,主要研究了金属离子与复合Fmoc-氨基酸的共组装行为与组装体的形貌控制。我们首先研究了 Zn2+与单一 Fmoc-Ala或Fmoc-Val的超分子组装情况,Zn2+与Fmoc-Ala会组装为不稳定白色凝胶,凝胶会在短时间内坍塌生成浑浊溶液,在扫描电镜与透射电镜下可观察到数微米的片状聚集体。Zn2+与Fmoc-Val在一定的浓度范围内可组装成稳定的黄色凝胶,微观形貌为20 nm左右的纤维构成的交联网络。之后我们将Fmoc-Ala与Fmoc-Val按一定比例配置成混合溶液后再利用Zn2+诱导氨基酸形成超分子聚集体,发现当两种氨基酸的配比为1:1成功制得稳定的透明水凝胶,在扫描电镜下,可观测到透明水凝胶的微观形貌为纳米纤维与纳米球并存的结构。这说明复合Fmoc-氨基酸与Zn2+的超分子组装方式与单氨基酸体系不同。在流变学测试下我们发现,调控两种氨基酸的不同配比可以制得力学强度不同的稳定水凝胶体系。相信这种基于复合Fmoc-氨基酸的金属诱导水凝胶体系可以为我们理解多元超分子组装提供有力的支持。
关键词: 超分子化学 ；水凝胶 ；金属诱导 ；分子组装
被引量
2
【会议论文】 • 李文
会议时间： 2016-07-01
摘要： 超分子水凝胶在生物传感、药物传输与释放,组织工程及功能材料开发等领域具有重要应用前景。本文以天然氨基酸与多金属氧簇为构筑基元通过离子自组装制备了一类新颖的超分子杂化水凝胶。扫描和透射电子显微镜研究表明多金属氧簇与氨基酸在水溶液中形成一维纤维状组装体,纤维间通过相互缠结形成具有连续孔洞的三维网络。这种杂化网络结构不但具有较大的比表面积和较高的孔隙率,而且包含了具有催化活性的多金属氧簇,有望实现污水中有害物的吸附和原位催化降解。
关键词: 氨基酸 ；多金属氧簇 ；纳米纤维 ；超分子水凝胶
摘要： 自组装是自然界中必不可少的过程,在材料科学、生物学和化学领域中具有重要意义。超分子凝胶是小分子自组装的一个典型结果,由低分子量胶凝剂通过非共价相互作用组装形成三维纳米纤维网络,该网络包裹大量的水形成超分子水凝胶。超分子水凝胶是一种先进的软材料,具有良好的可逆性、刺激响应性和生物相容性被广泛应用于新型生物传感器、智能软材料等领域。 热致超分子凝胶具有冷却时溶解而加热时凝胶化的异常相变行为,可以作为灭火剂和术后粘连预防填充材料而备受关注。然而,目前报道的热致超分子凝胶体系都是偶然发现热致超分子水凝胶的合理设计仍然存在巨大挑战。本论文开展了芘氨基酸衍生物的设计合成及自组装的研究,主要研究结果如下: (1)本论文的第一部分通过主客体相互作用调节亲水亲脂平衡(HLB)来实现可逆热致超分子水凝胶。制备了一种新型小分子胶凝剂(PEBF),选择发光基团芘作为亲脂性末端并成功引入到两亲性胶凝剂结构中。在适当的亲水亲脂平衡下,PEBF胶凝剂可以通过位于亲脂性末端的芘基团之间的π-π堆积相互作用以及来自多个酰胺基团和羧基的分子间氢键,在室温下自组装形成具有稳定三维网络结构的超分子水凝胶。当亲水性主体分子γ-环糊精(γ-CD)被添加到水凝胶中PEBF和γ-CD之间形成2:2复合物,通过氢键辅助的主客体相互作用,相行为得到了调节并实现了凝胶-溶胶的可逆转变。将该体系持续在45℃会发生流体溶胶转变为弹性凝胶的相变过程从而实现可逆热致超分子水凝胶。流变学测试证明了这种可逆的相转变过程伴随的力学性能变化,TEM测试发现分子聚集体形貌伴随相变过程发生从三维纤维网络结构到球形结构的转变,通过机理研究提出了基于亲水/亲脂平衡调节的可逆热致水凝胶形成机制。这种特殊类型的超分子水凝胶的研究不仅在理论方面具有重要作用还拓宽了超分子水凝胶的应用领域。 (2)本论文第二部分通过主客体相互作用实现了超分子组装体的荧光性能调节:以上述胶凝剂PEBF为参照,设计合成了含有更多酰胺键的水溶性芘氨基酸衍生物(PEBEBF)。将大环分子γ-CD引入到该体系中,基于主客体相互作用PEBEBF的芘单元可以与γ-CD形成包结配合物。PEBEBF/γ-CD组装体可以避免芘衍生物在水溶液中发生聚集诱导猝灭(ACQ)效应,并表现出强烈的荧光发射。在添加染料分子荧光素或罗丹明6G(Rh 6G)后,从PEBEBF/γ-CD到荧光素或Rh 6G分别发生了有效的F(?)rster共振能量转移(FRET)过程。当供体(PEBEBF/γ-CD)与受体(荧光素)的比例为20:1时,PEBEBF/γ-CD与荧光素之间计算的能量传递效率为67.12%,天线效应为4.92,该体系还可以通过温度变化调控能量转移过程。 本论文立足于对主客体相互作用的基本理解,通过探究超分子体系中的自组装行为,进一步探索了该体系中可控的相变行为以及温度可调的共振能量转移过程。为超分子自组装在相关领域的应用提供可行性,对涉及超分子自组装、软物质材料的相关研究有借鉴意义。
关键词: 超分子自组装 ；热致水凝胶 ；亲水亲脂平衡 ；主客体相互作用 ；共振能量转移
摘要： 蛋白质及多肽等生物大分子在生物化学,超分子化学,材料科学等领域备受关注。然而,组成这些生物大分子的单体-天然氨基酸的性质及组装行为却鲜有关注。天然氨基酸的残基类型多样,性质各异,是构建超分子软材料的理想之选。本论文以天然氨基酸为构筑基元,充分利用氨基酸的主链与侧链化学特性,通过共组装的策略构筑了系列基于天然氨基酸的超分子软材料,研究了其组装驱动力,形成过程及功能特性。首先,我们利用碱性氨基酸（AAs）的主链和侧链质子化特性,通过与杂多酸在酸性条件下的静电共组装构筑了一类超分子水凝胶材料。系统考查了杂多酸的电荷,氨基酸的类型,手性及溶液的p H条件等因素对形成水凝胶的影响。进一步利用多金属氧簇的光致变色性及光热响应性发展了一类具有双重光响应特征的功能性凝胶软材料。其次,我们利用精氨酸和阴离子表面活性剂-脂肪酸（油酸、神经酸）为构筑基元设计了一类简单的精氨酸/长链脂肪酸超分子水凝胶。研究了水凝胶的微观形貌和力学性能并推测了可能的共组装机理:油酸的阴离子COO-与精氨酸侧链阳离子胍基之间通过静电作用和双齿盐桥氢键作用相结合,精氨酸主链α-NH3+与α-COO-之间通过固有的静电吸引（两性离子形式）和氢键作用相结合,从而共组装成三维片状网络结构,并通过毛细力和表面张力包裹水分子形成了稳定的超分子水凝胶。这类凝胶能使湿泡沫稳定存在两周以上,抑制了气泡的明显聚结。最后,在此基础上我们开发了精氨酸/短链脂肪酸超分子热熔胶软材料体系。考察了混合溶液的p H、氨基酸的种类和脂肪酸的链长等因素对形成热熔胶的影响,并推测了可能的共组装机理。探究了热熔胶的粘接性能、耐溶剂性、耐寒性和热稳定性。这类热熔胶遇水可溶,合成过程简单、绿色,可批量制备,是一种环境友好的新型超分子聚合物胶粘剂。
关键词: 天然氨基酸 ；杂多酸 ；脂肪酸 ；超分子组装 ；超分子软材料
摘要： 氨基酸及肽基自组装的超分子水凝胶结构类似于天然细胞外基质的网络结构,由于其优异的生物相容性、生物降解性、对外部刺激的响应性和高水合度,显示出作为递送系统的巨大前景。但是,具有自组装能力的9-芴基甲氧羰基-苯丙氨酸(Fmoc-F)水凝胶作为递送载体时,对水溶性活性分子的可控释放能力较差,极大地限制了其在递送领域应用。因而,在自组装肽体系中引入多糖等功能组分,是解决水溶性分子可控释放的潜在的解决方案。本文使用富含亲水性羟基的长双歧杆菌W13合成的胞外多糖(EPS)与Fmoc-F制备出新型肽-多糖(Fmoc-F/EPS)复合水凝胶,并探究了EPS添加比例对复合水凝胶特性和药物释放性能的影响。 本研究首先经过凝胶层析柱纯化,从长双歧杆菌W13发酵液中提取高纯度EPS。随后,利用Fmoc-F在EPS溶液中的分子自组装,制备了EPS和Fmoc-F比例为1:4、1:3、1:2、1:1、2:1、3:1和4:1的7种比例的复合水凝胶,并对水凝胶的结构进行表征。流变测定结果显示,含不同比例EPS的Fmoc-F/EPS复合水凝胶的储能模量G’大于损耗模量G”,均呈现凝胶弹性固体行为,并且EPS的加入提高了水凝胶的线性粘弹区间,增强了凝胶稳定性。质构和扫描电子显微镜(SEM)结果显示,EPS的加入使得复合水凝胶具有更低的硬度和黏性,以及更加均匀疏松的网络结构,适合作为涂抹在皮肤表面上用于透皮给药的膏状凝胶。热重分析(TGA)和傅里叶红外光谱(FT-IR)结果显示,EPS和Fmoc-F之间形成了分子间氢键相互作用,使得两者的材料特性在复合水凝胶中被完全整合,EPS使得复合水凝胶的稳定性略有降低。低场-核磁共振(LF-NMR)分析结果显示,复合水凝胶中的水分主要以自由水的形式存在,EPS增大水分子的自由度。 各组水凝胶的含水量、平衡溶胀度、罗丹明B(RB)的载药量和失水力随EPS的加入而增大,持水力随EPS的加入而降低。与Fmoc-F相比,复合水凝胶最大含水量升高了7.14%,达到54.05%;最高平衡溶胀度增加了5.4倍,达到24.3 g/g;最高载药量升高了27.17%,达到了30.36%;持水力因EPS增大了凝胶孔径而降低,最大降低了17.32%,达到81.24%;复合水凝胶失水48 h内后,水分剩余50%-54%,具有良好的保水性。因此,具有高含水量、溶胀度、载药量和保水性复合水凝胶在作为药物载体方面具有较高的可行性。 体外累计释放量结果显示,RB的释放量随水凝胶EPS的加入而增大,并且复合水凝胶具有p H响应性,释放量随环境p H增加而增大,与Fmoc-F相比,48 h内复合水凝胶RB的最大释放量在p H 2、7.2、10下分别增加了41.44%、41.58%、48.33%,达到了52.91%、65.06%、71.81%。装载RB复合水凝胶对猪皮肤的穿透结果显示,复合水凝胶对RB在猪皮肤的穿透效果明显,释放量随EPS和时间的增加而增大,与Fmoc-F相比,24 h内RB的穿透猪皮肤的最大深度增加了2.24倍,达到1750μm。 最后,测定了水凝胶的抗氧化活性(DPPH和ABTS自由基清除率)和溶血性。水凝胶的抗氧化活性随EPS的加入量的增加而逐渐增大,DPPH和ABTS自由基清除率最大达到21.92%和52.13%;EPS的加入降低了水凝胶的溶血率,复合水凝胶的溶血率均小于国家标准的5%,复合水凝胶具有良好的抗氧化性能和血液相容性。 综上所述,本研究制备出新型肽-多糖(Fmoc-F/EPS)复合水凝胶,可通过改变EPS的添加量改变凝胶性能,以实现对亲水药物的可控释放,此外复合水凝胶还能够在皮肤中递送亲水药物。本研究为实现新型亲水药物缓释肽-多糖水凝胶的开发提供思路。
关键词: 胞外多糖 ；肽-多糖水凝胶 ；自组装 ；递送载体 ；可控释放
摘要： 超分子自组装是利用构筑基元之间的非共价相互作用,自下而上的构建不同的功能性超分子材料。它是指通过对分子之间的非共价相互作用进行精准调控,获得有序排列的超分子材料,使材料表现出的性质优于构筑基元之和,并展现出构筑基元不具有的性质。此外,金属纳米团簇(NCs)通常指几个到几百个金属原子构成金属核,核表面通过有机配体进行修饰的一类有机-无机材料。由于其类分子特性,在光学、电学和磁学等领域表现出优异的性质。但是水溶液中的金属NCs稳定性较差且荧光较弱,极大的限制了应用。基于超分子自组装策略和2001年唐本忠院士团队提出的聚集诱导发光(AIE),不仅可以提高团簇的稳定性还可显著提高其发光性能,同时促进了多种功能之间的协同合作,实现多领域应用。生物小分子作为生物体内重要生理活动的调节者,近年来被广泛研究,在生物成像、肿瘤治疗、催化和传感等方面均具有广泛应用。此外,将生物小分子作为超分子材料构筑基元可以获得一些吸引人的新特性。综上,银簇与生物小分子之间进行多组分自组装,具有极大的潜在应用价值和重要的学术研究意义。本论文主要内容分为三个部分:第一部分,亲水肽诱导Ag9-NCs的超分子共组装。研究了亲水肽DD-5和Ag9-NCs在氢键、π-π堆积和亲银相互作用下的超分子共组装过程。DD-5的手性在组装过程中成功转移到超分子组装体上,获得超分子手性。研究了凝胶形成的动力学,凝胶化过程中诱导Ag9-NCs进行有序排列,触发其AIE效应,最终获得较好荧光发射,实现圆偏振发光(CPL)。该凝胶对生物小分子精氨酸的检测具有灵敏性和特异性,从而构建了精氨酸传感器;凝胶的冻干粉末在低温区和高温区均具有良好的响应,可用于温度传感。这项研究表明金属NCs的超分子材料不仅在温度传感领域具有潜在应用,在生物检测方面也具有较大的应用前景。第二部分,疏水肽与Ag9-NCs构筑的多组分自分类组装系统。研究了溶剂调控诱导水溶性Ag9-NCs和疏水肽(D,D)的自分类组装,以构筑更为复杂的超分子系统。(D,D)在疏水和氢键的协同作用下,极短时间内即可形成凝胶,与Ag9-NCs之间形成了有效的相分离,构建了自分类体系。此外,凝胶基质的存在使Ag9-NCs组装体结晶度增加,增强了 Ag9-NCs聚集体的有序性,诱导团簇的AIE效应使体系发光增强。这项研究首次使用金属纳米团簇构建自分类组装体系,不仅深化金属NCs的组装机理,对金属NCs的组装与性能调控提供多种方案,而且向模拟自然界中的多组分自分类系统迈出了坚实一步。第三部分,Fmoc-氨基酸盐诱导表面活性剂高粘体系中一维超长超柔银簇纳米带的超分子手性。研究了高浓度的表面活性剂C12E4通过减缓Ag9-NCs的聚集、成核与生长,在较长的时间尺度内获得一维的超长超柔银簇纳米带。同时触发Ag9-NCs的AIE效应,样品获得较好的荧光发射。通过在高粘体系中添加水溶性较好的Fmoc-氨基酸盐,使伪手性Ag9-NCs对称性破缺构筑的手性不可控纳米带向氨基酸诱导的可控手性纳米带转变,由此获得较好的圆偏振发光(CPL)信号。这项研究为金属NCs的超分子组装工作开辟新路径,深化了研究者对金属NCs超分子组装的理解与认识。
关键词: 银纳米团簇 ；超分子自组装 ；聚集诱导发光 ；生物小分子
摘要： 高蛋白质类水产品腐败带来的食品中毒和产品召回问题造成了严重的经济损失和健康风险。挥发性胺和生物胺是从氨基酸降解中产生的化合物,是衡量水产品新鲜度的参考。总挥发性盐基氮（Total volatile basic nitrogens,TVB-N）已被公认为评价水产品新鲜度和食用性的重要指标。然而,传统的食品腐败检测方法需要大型昂贵的设备和受过专业培训的人员,操作繁琐且耗时。相比之下,智能包装体系中的荧光传感标签提供了一种实时、便捷、快速和无损的食品腐败监测方法。在荧光传感研究中,聚集诱导发光（Aggregation-induced emission,AIE）现象的发现克服了传统荧光有机团易于发生聚集致发光淬灭（Aggregation-caused quenching,ACQ）效应,极大地推动了固态传感领域的发展。一类非传统芳香族AIE材料,金属纳米团簇（Metal nanoclusters,MNCs）,由于低毒性、良好的光稳定性和高生物相容性等优点,成为打造食品体系新鲜度传感标签的理想选择。然而,由于MNCs的精确原子结构不清晰、光物理发光原理不明,以及传感机制的探索和理论验证受限,基于MNCs的可定制和高灵敏度传感平台的研究仍然存在一定的局限性。为此,本研究采用了含有硫醇基团的巯基苯甲酸异构体作为配体,成功合成了一系列具备自组装诱导发光（Self-assembly-induced emission,SAIE）特性的MNCs。该MNCs对于氨、三甲胺、腐胺等挥发性碱性氮（Volatile basic nitrogens,VBNs）成分表现出了良好的响应性和选择性。为解释其作用原理,通过计算化学理论分析MNCs的精确原子结构和发光性质,并利用分子动力学（Molecular dynamics,MD）模拟揭示其高灵敏度响应VBNs的传感机理。最后,基于所探究的传感机理和自组装策略,构建了单色型和比率型荧光标签用于水产品新鲜度原位监测。本文主要研究内容如下:（1）SAIE型铜纳米团簇（Copper nanoclusters,Cu NCs）的精确原子结构及其对VBNs响应机理的研究。使用对巯基苯甲酸（p-Mercaptobenzoic acid,p-MBA）作为配体,采用一锅法合成了p-MBA封端的Cu NCs@p-MBA。通过密度泛函理论（Density functional theory,DFT）计算,分析了原子级精确结构为[Cu3（L）3]（L=p-MBA）。Cu NCs@p-MBA在单分散状态下不发光,而在不良溶剂和酸性诱导的聚集状态下自组装成结构有序的纳米片,发出强烈的橙色荧光。配体p-MBA提供了超分子自组装驱动力,同时具有胺结合的强亲和力位点。Cu NCs@p-MBA对VBNs荧光淬灭响应具有高灵敏度和选择性,特别是针对TVB-N的主要成分,包括氨、三甲胺和腐胺,检出限（Limit of detection,LOD）值分别计算为0.33、0.81和1.58 ppm。采用MD模拟研究了Cu NCs@p-MBA的组装结构和反应过程。该模拟捕获了分析物检测过程中聚集体内超分子驱动力的变化,揭示了Cu NCs@p-MBA结构转变和荧光淬灭的纳米级动力学机制。（2）二维铜纳米片构建的单色型荧光-新鲜度传感标签的制备。将SAIE型Cu NCs@p-MBA引入智能包装和食品标签体系。以棉纤维纸作为基质材料,建立了自组装Cu NCs@p-MBA荧光传感标签在水产品现场监测的方案。在鲈鱼腐败实验中,观察到荧光标签颜色变化与标准TVB-N含量变化趋势一致,验证了该标签在水产品新鲜度的无损、实时监测中的适用性。同时,进一步开发了标准化荧光比色卡,为用户在现场实时评估中提供了一种友好的视觉监控方式。（3）结构可调铜纳米点构建的比率型荧光标签用于水产品新鲜度监测。利用巯基苯甲酸（Mercaptobenzoic acid,MBA）异构体,即邻巯基苯甲酸（o-Mercaptobenzoic acid,o-MBA）,合成了一种蓝色荧光的Cu NCs@o-MBA,作为VBNs响应中稳定的内标组件。通过控制Cu NCs@p-MBA和Cu NCs@o-MBA的比例可以改变自组装结构和荧光颜色,构建了粉色荧光发射的Cu NCs@MBA纳米点材料,进一步开发了双发射比率型荧光探针。该荧光探针可灵敏响应氨、三甲胺和腐胺,LOD分别计算为38.5、53.7和83.7 ppb,低于单发射Cu NCs@p-MBA的胺响应LOD值。该荧光标签在监测过程中,荧光颜色变化与标准TVB-N的变化趋势一致,从玫粉色逐渐转变为蓝色,为用户提供了更加清晰的可视化体验,在腐败后期的监测方面效果尤其显著。（4）银纳米团簇/Ti-MOF三维水凝胶构建的比率型荧光标签用于水产品新鲜度监测。相较于Cu NCs,Ag NCs具有更高的化学稳定性和优良的生物相容性,从而在实际检测中更加准确和可靠。借鉴Cu NCs@p-MBA构建二维纳米片的思路,利用酸诱导法制备了基于银纳米团簇（Silver nanoclusters,Ag NCs）的SAIE型水凝胶。在酸性条件下,o-MBA封端的Ag NCs@o-MBA可以通过荧光淬灭机制特异性地识别VBNs。利用自组装策略,将“开启”型响应VBNs的钛（Ti）基金属有机框架(NH2-MIL-125（Ti）)整合到水凝胶网络中,构建了一种“开启”型比率荧光传感标签,无需额外的纸质载体。Ag NCs/Ti-MOF水凝胶能灵敏响应氨和三甲胺,其LOD值分别为42.4和109.5 ppb。在白虾腐败监测中,Ti-MOF的“开启”荧光响应赋予了荧光标签从橙色到蓝色的更广泛的颜色变化,能够更准确地反映出白虾的不同腐败阶段,有助于实现水产品新鲜程度的实时可视化原位监测。综上,本研究成功合成了一系列由巯基苯甲酸异构体作为配体封端的SAIE型MNCs。通过计算化学方法揭示了MNCs的精确原子结构及其对VBNs的高灵敏度响应机理。进一步构建了基于二维铜纳米片、铜纳米点和三维银纳米水凝胶材料的荧光标签,并成功应用于实际水产品新鲜度的传感。
关键词: 聚集诱导发光 ；水产品新鲜度 ；自组装 ；金属纳米团簇 ；无损检测
摘要： 手性是描述一个物体不能与其镜像完全重叠的性质,普遍存在于自然界中,不论从微观尺度还是宏观世界都可以观察到手性现象。近年来,手性无机纳米材料（例如贵金属纳米颗粒和半导体量子点）由于具有独特的手性光学性质,受到了广泛的关注。因此,设计和构筑手性无机纳米材料,研究其独特的手性光学性质及应用具有很重要的意义。本论文制备了具有等离激元圆二色性（PCD）的手性金纳米颗粒和具有圆偏振发光（CPL）性质的手性半导体量子点,并对其手性光学信号的产生和调控进行深入分析和理解。研究工作主要包括以下两个方面:首先,利用硒代胱氨酸（SeCys2）作为手性诱导剂,构筑具有手性形貌的金纳米结构——带有螺旋沟槽的金纳米箭头（HeliGNAs）,产生等离激元圆二色性（PCD）信号,并研究了光照对手性结构和PCD信号的影响。结合其它一些手性小分子（含巯基和硒基的氨基酸衍生物）作为手性诱导剂对金纳米结构的手性形貌的影响,阐明了金纳米结构手性螺旋形貌的产生机制。基于贵金属纳米颗粒的表面增强拉曼散射（SERS）效应,利用制备所得的手性金纳米结构实现了对氨基酸衍生物的对映选择性识别。本研究提供了一种可控构筑手性金纳米材料的策略,并深入探究了金纳米颗粒的手性形貌的产生机制。再者,利用手性传递策略诱导非手性发光量子点产生圆偏振发光（CPL）信号。通过L/D-芴甲氧羰基-谷氨酸（L/D-Fmoc-Glu）和D-脱氧鸟苷（d G）的共组装形成的超分子水凝胶中掺杂非手性量子点,实现水凝胶体系中赋予非手性量子点CPL性质,并进一步引入钾离子（K+）研究了多元超分子体系中的手性竞争。在没有K+的情况下,量子点的诱导CPL信号受Fmoc-Glu的手性控制。随着K+引入,脱氧鸟苷在K+的稳定下形成G-四联体（G-quadruplex,G4）,量子点的CPL信号则与脱氧鸟苷的手性信号一致。本研究成功制备了具有CPL性质的量子点水凝胶,探讨了多组分体系中的手性竞争现象,进一步调控了量子点的圆偏振发光性质。
关键词: 手性 ；金纳米颗粒 ；量子点 ；光学活性 ；圆偏振光
摘要： 研究背景:类风湿关节炎(Rheumatoid Arthritis,RA)是一种系统性自身免疫性疾病,主要累及全身周围关节,最终可能导致患者关节的功能丧失,给患者生活带来极大影响。目前,RA的早期治疗主要以药物治疗为主,其对于延缓疾病发展、抗炎具有一定效果,但其长期有效性及药物的副作用等问题依旧存在,对于RA的治疗有不利影响。近年来,许多新型生物材料如脂质体、水凝胶、碳纳米管等被发明,因其具有良好的生物相容性、生物响应性、可调节性等,成为载药系统的研究热点。其中,超分子自组装多肽水凝胶材料作为药物递送系统可通过纳米结构和小聚集体的混合物的形式缓慢释放,从而使药物缓释;天然氨基酸为L构型,D构型氨基酸为非天然氨基酸,由其构成的多肽具有不同的生物相容性,利用这个特点可以提高药物的选择性,从而达到降低药物副作用、提高药物治疗效果的目的。因此,超分子自组装多肽水凝胶材料药物递送系统具有良好的应用前景。研究目的:1.构建一种超分子自组装多肽水凝胶材料(Nap-GFFY)及其D构型多肽载药系统搭载改善病情抗风湿药物甲氨蝶呤(MTX);2.验证该载药系统体外毒性,及其对于RA成纤维滑膜细胞的增殖、迁移的抑制作用;3.验证该载药系统的抗炎作用效果,探讨其抗炎作用的机制;4.验证该载药系统在动物类风湿关节炎模型中的体内毒性及治疗作用。研究方法:本实验将分为材料表征、细胞实验、动物实验三个方面进行。首先通过标准9-芴甲氧羰基(Fmoc)固相多肽合成(SPPS)法进行制备超分子自组装多肽水凝胶(Nap-GFFY),同时其D构型多肽由相同的D构型氨基酸合成;制备搭载MTX的超分子自组装多肽水凝胶(MTX-GFFY)的方法也是采用SPPS法,将MTX与甘氨酸充分反应后连接便可制得;通过透射电镜、质谱分析等方法研究其材料表征、药物缓释等理化性质及生物功能。通过MTT法、划痕法、Transwell法研究该载药系统的体外毒性、对于RA成纤维滑膜细胞的增殖、迁移、侵袭的作用。通过实时荧光定量PCR(QPCR)、蛋白质印迹法(Western Blot)法探究其对于巨噬细胞表型分化的作用。最后使用该载药系统对抗原诱导膝关节炎(AIA)模型小鼠进行治疗后,通过H&E染色、Safarin-O染色、症状评分、肝肾组织切片等完成体内治疗效果及安全性评价。数据结果采用SPSS 20.0、Image J、GraphPad Prism 8.0、PS 2018等软件进行分析及图表制作。研究结果:实验中,D构型超分子自组装多肽水凝胶相较于L构型具有显著的缓释效果。搭载MTX的超分子自组装多肽水凝胶及其D构型载药系统可有效抑制RA成纤维滑膜细胞的增殖及迁移,同时无明显体外毒性。该载药系统可有效抑制巨噬细胞向M1型巨噬细胞分化,达到抗炎目的;同时也不会抑制M2型巨噬细胞极化,不会影响炎症修复作用。最后,在体内实验中,我们证实了该载药系统可有效改善关节炎模型小鼠的临床及病理评分,也无明显体内毒性。值得注意的是,D构型序列多肽载药系统各作用效果均优于天然L构型多肽。研究结论:该实验证实了 Nap-GFFY超分子自组装多肽水凝胶特别是其D构型药物递送系统搭载MTX在治疗RA时可有效减少目的药物的副作用,并达到缓释、增加药物作用效果的目的。
关键词: 类风湿关节炎 ；药物疗法 ；超分子自组装 ；多肽
被引量
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摘要： 近年来,随着细菌耐药性问题益发严重,超级细菌对人类健康造成了巨大威胁,引起了国内外的广泛关注。在这种严峻的形势下,寻找新的治疗感染策略以替代传统抗生素刻不容缓。氨基酸或肽基超分子水凝胶具有成本低、生物相容性高,载药能力高、结构多样性等优点,因而受到越来越多的关注。本文以Fmoc-氨基酸作为基本单元,运用超分子自组装技术,成功制备了具有良好抗菌活性的水凝胶。(1)四种Fmoc-氨基酸抗菌水凝胶的制备及构效关系研究。成功制备了四种稳定、且具备一定机械性能的Fmoc-氨基酸水凝胶。结合多种抗菌实验结果,比较发现四种Fmoc-氨基酸水凝胶的抗菌活性从大到小依次为Fmoc-W、Fmoc-F、Fmoc-M、Fmoc-Y。另外,观察到这四种Fmoc-氨基酸水凝胶是通过破坏细胞膜来起到杀菌效果。结合透射电镜观察四种Fmoc-氨基酸水凝胶均是由纳米纤维网络结构组成,其中Fmoc-W水凝胶内部的纳米纤维刚性更强、排列更整齐。通过观察四种Fmoc-氨基酸水凝胶的圆二色谱,发现它们的分子排列方式有差异。通过测定四种Fmoc-氨基酸水凝胶的临界聚集浓度,比较发现它们的临界聚集浓度大小顺序与抗菌活性顺序一致。因此,我们推断四种Fmoc-氨基酸水凝胶的抑菌活性与它们的纳米纤维形貌、分子排列方式、聚集能力有关。(2)具有聚集诱导发光效应的氨基酸水凝胶的制备及抗菌、抗生物膜性能研究。成功制备了 Fmoc-F/BBR水凝胶,水凝胶的机械性能良好,并具备聚集诱导发光特性。水凝胶微观形貌表现为由纳米纤维及纳米颗粒组成的网络结构。结合Zeta电位测定、图谱分析结果发现静电相互作用及π-π相互作用限制了 BBR的分子内运动,从而赋予了 Fmoc-F/BBR水凝胶以聚集诱导发光特性。在光照条件下共培养60 min后,Fmoc-F/BBR水凝胶对S.aureus、E.coli的抑菌率可分别达100%、79.1%,对已形成的S.aureus、E.coli生物膜的清除率可分别达85.8%、59.3%。通过分析Fmoc-F/BBR水凝胶的细胞实验及动物实验结果,发现Fmoc-F/BBR水凝胶的细胞毒性及溶血活性较低,并且可以在动物体内有效光动力抗菌,在一定程度上能够促进感染创面愈合。
关键词: Fmoc-氨基酸 ；自组装 ；水凝胶 ；抑菌 ；抗生物膜
摘要： 自组装形式存在自然界中的方方面面,从简单蛋白质的形成,到复杂的生命演变过程。生物分子的自组装为构建功能材料提供了一种新策略。而研究分子间作用机制为构建目前急需的功能组装体提供了一种新的思路和方法。我们以Fmoc-氨基酸,Fmoc-寡肽等生物分子通过简单的调控来构建功能材料,为生物分子组装体在生物成像、治疗等方面提供一个更加安全有效的可能性。通过超声辐射的方法,研究了生物启发型二肽组装体结构的转变。超声作用下,组装体结构由三斜结构聚集体向纳米纤维进行固-固相转变,最终转变为具有强偏振发光性能的单斜纳米带。这种超声波诱导的固-固相转变演化,取决于组装体在不同阶段所受到的分子间相互作用力的不同。采用上述方法得到的结晶纳米带,首次被应用于细胞的偏振成像,在无荧光标记的情况下,实现了对纳米材料的细胞摄取乃至于细胞内的代谢路径等的实时监测。通过协调自组装和局部矿化形成广谱抗菌金属水凝胶,用于局部药物递送和抗菌氨基酸和银纳米颗粒(AgNPs)的持续释放,使得药物剂量和毒性的降低,改善生物利用度和延长的药物效应。这种配位水凝胶对细胞和小鼠中的革兰氏阴性(大肠杆菌)和革兰氏阳性(金黄色葡萄球菌)细菌均表现出显着的抗菌效力,这是由Fmoc修饰的氨基酸的两亲性质和AgNPs的广谱抗菌活性,而且仅通过伤口敷料的氨基酸配位水凝胶,对于主要器官没有病理损伤。本研究工作主要利用分子的自组装行为构建的功能体系,用于组装过程研究及成像治疗方面的应用。通过生物分子的选择和弱相互作用的协同,构建组装引起的功能增强的生物材料。
关键词: 寡肽 ；自组装 ；固固相转变 ；偏光成像 ；水凝胶 ；抗菌
被引量
1
摘要： 光固化3D打印功能水凝胶具备优异理化性能和高精度复杂结构成形的优势,在软体驱动、能源环境、柔性电子及生物医用器械等领域具有广泛应用潜能。本论文在系统介绍功能水凝胶理化特性、超分子相互作用及制备技术等基础上,详细综述了光固化3D打印功能水凝胶在高强韧设计、结构化构筑及生物相容性等方面的研究进展,深入讨论了光固化3D打印功能水凝胶在组织工程、生物医疗器械、医用器官模型、柔性生物电子及荧光检测与信息存储等方面的应用研究现状和发展趋势。针对目前光固化3D打印水凝胶在生物医疗器械应用中存在成形精度低、力学性能差、生物不兼容、结构及功能性单一等瓶颈问题,本论文以具有多重氢键相互作用的脲基水凝胶作为研究主体,构建超分子设计和可控聚合策略与光固化3D打印水凝胶技术相结合的基本方案,通过氢键工程（氢键网络调控）制备了多尺度结构化超分子功能水凝胶并系统研究了其力学、摩擦学、光学以及生物医学性能,探索了光固化3D打印氢键超分子水凝胶在荧光显示与检测、血管支架、人工关节软骨以及心脏瓣膜等方面的应用。主要研究内容和结论如下:
1.氢键供体-受体团簇结构的超分子荧光水凝胶。受虾青素-蛋白质加热变色现象的启发,利用溶剂调控与相转化氢键重构相结合策略,在热致驱动下超分子聚（N-丙烯酰基氨基脲）(PNASC)水凝胶内聚合物侧链构象转变并形成强氢键供体和受体（D-A）团簇结构,实现了具有热致红色荧光特性的高精度光固化3D打印超分子水凝胶。系统研究了该水凝胶在加热过程中的氢键重构团簇触发发射（CTE）行为及其独特红色荧光机制。结果表明,该水凝胶具有优异的热稳定性、力学性能、荧光性能、耐溶剂性、生物相容性能以及特异性金属离子检测的能力,利用数字光处理（DLP）3D打印构筑高精度复杂结构器件在生物成像、检测和金属离子识别的应用领域显示出独特的优势。
2.多重氢键缔合的超分子高强韧水凝胶。针对3D打印水凝胶机械性能差,难以满足生物工程领域应用要求的问题,受自然界普遍存在的多重氢键作用启发,通过共聚N-丙烯酰基氨基脲（NASC）和丙烯酸（AA）单体,巧妙地在水凝胶中引入多重氢键超分子作用发展了光固化3D打印超强韧性超分子水凝胶。通过氢键键能最大化设计与动态调控,所得水凝胶表现出独特的应变诱导微相分离导致的优异强韧性,其拉伸断裂强度为9.1±0.3 MPa,断裂伸长率为1020±126%,韧性为33.7±6.6 MJ/m3,撕裂能为171.1±34.3 k J/m2。同时,该多重强氢键超分子水凝胶的动态网络表现出优异的温度刺激响应行为,其通过高精度DLP 3D打印构筑的高强度超分子水凝胶支架具有优异的生物相容性、承载性及载药功能,可在人体体温环境下可控展开实现其血管支架功能。该光固化3D打印超分子高强韧水凝胶优异力学性能、温度响应性变形能力和高精度成形性为新型结构化高强韧医用软组织支撑替代材料的发展提供了新的策略。
3.梯度层级氢键双网络的超分子润滑水凝胶。受关节软骨组分及多级梯度结构启发,利用光固化3D打印层层制造优势发展了双网络梯度超分子水凝胶。以具有强韧性的聚N-丙烯酰基氨基脲（PNASC）超分子交联网络模拟关节软骨中的胶原蛋白纤维网络,提供水凝胶的机械支撑性;以具有柔软湿滑特性的聚N-丙烯酰基甘氨酰胺（PNAGA）超分子网络模拟蛋白多糖来抵抗缓冲、赋予其优异润滑功能,利用3D打印灰度曝光技术通过改变曝光强度设计并构筑了具有仿生组分和多层梯度结构的复杂结构水凝胶并实现优异力学承载和润滑性能的统一。结果表明,该3D打印梯度双网络超分子水凝胶在个性化定制、生物相容性、机械以及润滑性能方面表现出良好的性能,有望成为患者的关节损伤置换材料。
4.RAFT功能化的氢键超分子生物相容性水凝胶。利用RAFT-3D打印技术和表面功能化相结合策略,设计并发展了力学适配的生物相容性聚（N-丙烯酰基氨基脲-丙烯酰胺）(P（NASC-co-AAm）)超分子水凝胶心脏瓣膜。与传统刚性和生物惰性的人工心脏瓣膜相比,RAFT-3D打印水凝胶心脏瓣膜与人体心脏瓣膜力学性能更接近,表现出良好的生物力学兼容性、力学稳定性及抗溶胀能力,其拉伸强度为2.08±0.18 MPa,断裂应变为513±92%,撕裂能为19.87±0.53 k J/m2。此外,RAFT-3D打印超分子水凝胶后表面功能化处理可接枝引入带有-SO3-基团的类肝素聚对苯乙烯磺酸钠（PSS）,从而赋予水凝胶瓣膜优异的生物相容性,包括良好细胞相容性、抗凝血性能、低溶血率以及低炎症反应。体外模拟血液动力学测试表明该RAFT-3D打印水凝胶瓣膜在80 mm Hg的跨瓣压差下经过1.8×10～5次循环后依旧保持良好的结构完整性及抗疲劳性。这种策略构筑的水凝胶瓣膜集良好的力学性能、生物相容性、血流动力学功能和个性化制造于一体,在解决瓣膜性心脏病（VHD）中出现的狭窄和反流问题上具有良好的临床应用潜力。
关键词: 氢键 ；光固化 ；超分子水凝胶 ；3D打印 ；生物医用
摘要： 超分子水凝胶是凝胶因子通过氢键、静电、金属配位、π-π堆叠、主客体作用等非共价相互作用形成微观网络结构,固定水分子形成的。由于非共价作用的瞬态可逆的特点,该类凝胶一般具有良好的动态可逆、刺激响应性,在自愈合材料、形状记忆材料、生物医药等方面具有良好的应用前景。超分子凝胶材料可以通过定制不同的相互作用来实现不同力学性质,满足不同的应用需求。超分子水凝胶的构筑基元分为小分子凝胶因子和聚合物分子,根据构筑基元种类的不同形成水凝胶的性质及特点也各有不同。本文分别利用脱氧胆酸钠、单磷酸鸟苷钠等小分子和聚赖氨酸、聚乙二醇等聚合物,通过氢键、静电相互作用和基于葫芦脲的主客体作用构筑了不同的水凝胶体系。我们探究了在不同驱动力下凝胶的构筑机理、性质特点,更加深入系统地理解超分子水凝胶的凝胶化机理及性质规律,同时拓展了超分子水凝胶的功能性应用。本文主要包括以下六个部分:第一章,介绍了超分子水凝胶的概念、分类及各种非共价作用在超分子水凝胶构筑中的作用,特别是基于葫芦脲的主客体作用在凝胶构筑中的应用;总结了超分子水凝胶的性质特点及应用;最后概述了本文的研究内容及意义。第二章,以脱氧胆酸盐为小分子凝胶因子,通过添加无机盐和调节pH的方法构筑了氢键、静电作用及二者协同驱动诱导的超分子水凝胶体系。在较高pH下,脱氧胆酸盐的羧酸根能够与Na+发生静电作用形成水凝胶。当pH降低时,脱氧胆酸盐质子化,脱氧胆酸与脱氧胆酸盐之间形成氢键,从而诱导凝胶形成。驱动力不同,构筑的凝胶性质不同。两种作用的结合可以显著提高凝胶化能力。第三章,以单磷酸鸟苷钠为小分子凝胶因子构筑了 G四联体的超分子水凝胶体系。首先,利用镧系金属离子和单磷酸鸟苷钠构筑了三价阳离子诱导的G四联体水凝胶结构。通过pH调控离子偶极作用和静电作用,在适当pH下,La3+与G四分体的负电中心通过金属偶极作用堆叠形成G四联体结构,纤维缠结进而固定水分子形成超分子水凝胶结构。硫黄素T被固定在G四分体之间,荧光强度显著增强。随后,将聚乙烯亚胺引入单磷酸鸟苷体系中,钠离子为中心的G四分体外围的磷酸根能与阳离子聚合物的氨基相互作用,堆叠形成四联体,增强凝胶强度。由于聚合物上丰富的氨基,该凝胶对苦味酸具有良好吸附效果。第四章,以改性的四臂聚乙二醇为基元,通过葫芦[7]脲和羧酸封端客体分子的主客体作用构筑了动力学可控的超分子水凝胶体系。通过简单的改变pH能够调节主客体交联的动力学过程,进而控制凝胶的宏观性质,该凝胶的动态性质跨越4个数量级。pH对主客体结合位点和结合常数没有影响。pH升高能够使体系交联动力学减慢,凝胶动态性降低。在一定范围内,根据流变结果反映的凝胶网络中频率相关的动态力学性质,由微观上主客体交联的分子动力学决定,与解离速率常数直接相关。该研究加深了对聚合物网络的动力学和凝胶宏观粘弹性之间关系的理解,有助于从分子尺度出发设计凝胶体系以满足应用所需力学性质。第五章,利用修饰苯丙氨酸基团的聚赖氨酸、末端苯甲醛的聚乙二醇和葫芦[8]脲构筑了主客体和动态亚胺键双交联的动态凝胶体系。以聚赖氨酸为骨架,CB[8]与苯丙氨酸基团存在主客体作用,氨基与DF-PEG末端醛基形成的动态亚胺键,两种作用共同构建了具有增强的机械强度、快速自愈合能力和刺激响应性质的双动态交联水凝胶。具有慢动力学特性的亚胺键为水凝胶提供了足够的机械强度和刚性,而具有快动力学特性的CB[8]交联结构有助于通过能量耗散增强水凝胶网络并提高其动力学性能。与单交联水凝胶相比,双交联水凝胶具有更高的机械强度和韧性以及更快的自愈合速率。双交联水凝胶还继承了 CB[8]和亚胺键的刺激响应性。该体系为提高动态水凝胶的性能提供一种有用的方法。第六章,以葫芦[7]脲和葫芦[8]脲构筑了双网络超分子凝胶。葫芦[8]脲和苄基咪唑客体分子单体形成的主客体复合物作为亲和力较弱、动力学较快的第一种超分子交联剂,可以可逆的断裂重组耗散能量;葫芦[7]脲单体和环己烷客体单体的主客体复合物作为亲和力较强、动力学较慢的第二种超分子交联剂,可以保持凝胶网络整体结构。通过两步法聚合得到了双网络超分子水凝胶体系,凝胶力学性质得到增强,丰富了双网络超分子水凝胶的构筑方式。我们探究了不同超分子水凝胶体系中分子作用机制与凝胶性质的关系,发现小分子和聚合物的结合、多重相互作用的协同驱动均能增强凝胶性能,赋予凝胶更强的凝胶化能力、优异的机械强度和多刺激响应性等。我们以四臂聚乙二醇设计了模型体系,探究了凝胶机械性质与交联键解离速率的定量关系,并结合具有不同动力学的交联方式,构筑了力学性质增强的双交联和双网络水凝胶。这些研究提高了我们对超分子体系的性质-结构关系及其对动态交联材料本体行为的相关影响的理解。对于凝胶的宏观性质与分子的微观作用机制之间关系的研究,为有效的定向设计和构筑超分子凝胶体系提供了更多的理论依据。
关键词: 超分子水凝胶 ；非共价相互作用 ；刺激响应 ；葫芦脲 ；分子组装
被引量
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摘要： 抗菌材料因其能够有效抑制细菌感染而被认为是一类重要的新型生物功能材料。制备出低免疫原性、高效抗菌性、低细胞毒性和生物可降解性的抗菌材料,是目前纳米科技和抗菌技术研究的重点。近年来,持续出现的新型感染性疾病时刻危害人类的健康,加上抗生素的滥用所引发的耐药性细菌持续增加等,导致传统的抗菌药物和方法已经不足以治疗由耐药菌引起的感染性疾病。因此,科学家们基于纳米科技和传统的抗菌技术相继开发了多种类抗菌材料,包括带阳离子基团的化合物(季磷盐类、季铵盐类、抗菌肽和高分子聚合物等)和无机纳米抗菌剂(金属纳米粒子、金属氧化物)等。然而,虽然这些抗菌材料能够通过利用分子上所带有的正电荷官能团以及疏水基团的非特异性作用,破坏细菌的膜结构;或通过无机金属纳米粒子的渗透作用,进入细菌内部破坏细菌的遗传物质等方式高效对抗细菌感染。但是该类抗菌材料同样也对哺乳动物细胞表现出一定程度上的细胞毒性,限制其作为生物医用材料的应用潜力。水凝胶是一类通过分子间的物理相互作用或共价键交联作用而形成的三维网状材料;因其较高的含水量、良好的透氧性、结构多样性、便于包裹和释放药物等优点,可用于制备多种类抗菌凝胶材料。其中,基于物理包埋抗菌剂而制备的抗菌水凝胶可通过缓慢释放胶体基质中的抗菌剂从而达到长效抗菌的目的。此外,科学家们也曾利用带有正电荷官能团的分子或聚合物,通过调节分子正电荷密度以及控制疏水性基团的比例,制备了多种具有良好抗菌特性的水凝胶材料。但是该类抗菌水凝胶主要还是通过电荷之间的静电吸引和疏水基的疏水作用对细菌的细胞膜产生非特异性粘附作用,致使细胞膜受损和诱导细菌死亡。因此,该类作用模式同样也会潜在地影响哺乳动物细胞活性。众所周知,大部分致病菌通过毒力因子黏附素蛋白与宿主细胞表面的糖苷结构配体特异性识别和结合,实现细菌粘附和细菌感染。例如大肠杆菌通过菌毛蛋白Fim H识别并结合宿主细胞的甘露糖分子引发细菌感染。因此,基于细菌表面表达并村子的特异性蛋白受体,研究者们开发了多种含有多种糖基官能团修饰的高分子聚合物或无机纳米粒子,并通过利用糖基配体与细菌表面蛋白受体的特异性识别和黏附作用,实现对细菌的检测以及聚集行为的调控。但是,利用糖基配体与细菌表面蛋白受体的特异性识别作用而探索新型的抗菌模式和凝胶材料还鲜有研究。因此,本论文利用甘露糖分子和具有自组装特性的多肽分子构建了一种新型的糖肽自组装分子Nap FFS(Man)Yp(NMYp)和水凝胶。该糖肽分子上存在的甘露糖基团通过与大肠杆菌表面的Fim H蛋白的特异性识别和结合,诱导细菌的聚集并在材料表面黏附。而自组装分子上存在的疏水官能团(萘基、Phe-Phe二肽)通过疏水作用力嵌入细胞膜内部,破坏细菌的膜结构,从而抑制大肠杆菌的生长和增殖。本论文研究主要分为两个部分。第一部分是利用液相合成的方法制备含有甘露糖修饰的丝氨酸分子。然后,通过固相合成技术利用糖化氨基酸分子、磷酸化的酪氨酸(对碱性磷酸酶敏感)、2-萘乙酸和苯丙氨酸制备了甘露糖修饰的凝胶因子前驱体Nap FFS(Man)Yp(NMYp)。通过碱性磷酸酶的催化诱导作用,该糖肽分子可以在水溶液中经酶引发,形成水凝胶基元,并通过分子间的疏水作用、π-π堆积、氢键作用等非共价键力驱动其超分子自组装及凝胶化。此外,还进一步研究了甘露糖修饰对糖肽分子的自组装特性(微观形貌,力学性能、二级结构和可注射性等)和生物稳定性的影响规律。本论文的第二部分基于甘露糖-凝集素的特异性多价相互作用和疏水性氨基酸的疏水作用研究糖肽自组装体NMY对细菌的影响。研究表明,糖肽自组装体NMY结构上大量的甘露糖配体通过甘露糖-结合蛋白的特异性多价相互作用,可诱导凝集素(Con A)的凝集,并特异性识别和黏附大肠杆菌上的Fim H蛋白;基于自组装体疏水片段的疏水作用成功地引发大肠杆菌的细胞膜破裂,诱导大肠杆菌死亡。此外,由于其良好的生物相容性和固有的抗菌性,该糖肽水凝胶还可以作为有效的伤口敷料,治疗小鼠背部伤口感染并促进伤口愈合和皮肤再生。
关键词: 水凝胶 ；甘露糖 ；糖肽分子 ；自组装 ；伤口敷料
摘要： 自然界中,可从分子、超分子、纳米级到宏观水平观察到手性现象。在这些不同层次中,超分子手性螺旋系统作为生命系统的核心结构基序（如DNA中的双螺旋结构、蛋白质中的α-螺旋结构、β-sheet结构）,由分子单元通过非共价相互作用折叠而产生,在多种生物化学反应（如基因复制、分子识别、离子转运、酶催化等）中起着至关重要的作用。受自然螺旋结构启发,科学家们利用氢键、π-π堆积、静电作用等多种非共价相互作用从几纳米到宏观尺度的层次上控制手性,构建了许多结构精妙的人工手性螺旋结构。卤素原子核周围的电子密度是高度各向异性的,因此卤素既可以作为电子受体,也可以作为电子供体。生物系统中,卤素原子参与的非共价相互作用也发挥重要作用。例如,在蛋白质数据库（PDB）,有40多个结构含有卤素原子,因此研究超分子尺度上的卤代效应在手性的翻转行为中的作用,对仿生学、生物医学和手性材料的研究具有重要意义。本论文主要包含以下两个部分:1.氟原子及其位置取代调控超分子水凝胶手性及其生物应用选择C2对称的苯丙氨酸衍生物作为凝胶基元模板,通过在氨基酸侧链苯环的邻位、间位和对位分别引入一个氟原子,设计合成六种单氟取代的凝胶因子。实验结果表明,邻位氟取代使超分子手性保持,而对位和间位氟取代会诱导超分子手性翻转。利用一系列实验表征和理论计算发现凝胶因子在组装过程受到酰胺之间的氢键作用,中心苯环的π-π堆积作用,以及氟原子形成的氟氢键作用的共同作用。间位和对位氟取代凝胶分子中侧链氨基酸苯环上的氟原子与侧链亲水链中的羟基氢和亚甲基的氢形成了氟氢键相互作用,诱导原本模板分子中的内部酰胺的-NH和外部酰胺C=O的之间的分子间氢键变换为内部酰胺的C=O和外部酰胺的-NH之间形成分子间氢键,最后使组装纤维手性发生翻转。最后,我们根据上述设计合成的氟化水凝胶探究分子手性和超分子手性对细胞黏附增值的影响规律,结果发现分子手性（L/D）和高阶超分子手性（M/P）对细胞增殖和黏附的正向影响规律为LM>DM>LP>DP。2.卤素原子取代对超分子水凝胶手性调控的研究基于第一部分实验结果,选择在侧链氨基酸苯环的对位引入不同的卤素原子,通过将分子结构外侧的酰胺键换成酯基以减少其氢键作用位点,合成了非卤代和四种卤素原子取代的凝胶基元。利用倒置法表明凝胶形成且成胶性能良好,说明通过结构的修饰改善了由卤素原子的重原子效应引起的沉淀聚集和成胶性能差的问题。随后探究其超分子手性发现:氟、氯、溴取代的超分子水凝胶均形成了与非卤代水凝胶相同的左手螺旋纳米纤维,碘取代的超分子水凝胶则形成了相反的右手螺旋纤维。利用一系列实验表征发现卤代水凝胶与非卤代水凝胶在组装过程中受到了酯基与酰胺之间的氢键作用、中心苯环的π-π堆积作用的共同作用。最后,我们探究了上述不同卤素原子取代的超分子水凝胶的生物相容性,结果显示卤代超分子水凝胶均具有良好的生物相容性。
关键词: 超分子水凝胶 ；超分子手性 ；氟效应 ；卤代效应 ；细胞黏附增殖
摘要： 在自然界生命体中,蛋白质是构筑组织结构和实现生物功能的基本单元,其结构极具多样化的特征。通过分子间不同的弱相互作用,蛋白质单体可以有序地组装成各种复杂结构。对于外部环境的变化,这些天然产生的高度有序的组装体可以实现结构上的动态变化,以调节其生物功能来维持有机体的生命活动。近几十年中,对于蛋白质组装方面的研究越来越受到科学家们的广泛关注。蛋白质自组装行为的研究,加深了对天然蛋白质组装体的组装机制的了解,同时为开发基于蛋白质的生物材料提供了新的方法。人们利用不同驱动方式和设计策略来构建有序组装的蛋白质聚合体,并取得了令人瞩目的研究成果。其中超分子相互作用作为一种非共价相互作用,由于其具有特异性结合能力、动态可调节和普遍适用性等特殊的性质,常常作为驱动力诱导构筑单元有序结合并最终得到复杂组装体的有效方法。常见的超分子相互作用例如氢键作用,电荷作用,金属配体配位,?-?共轭作用,亲疏水相互作用和主-客体相互作用等都通过调节单体间的连接在控制组装体形成方面实现了应用。蛋白质片段重组是一种基于超分子相互作用的自然现象。当一些蛋白质在某一特定位置被拆分成两部分时,能够通过片段间特异性识别并且重新组装恢复为完整结构,这一重组后的蛋白具有与原来相似的性质与功能。这一现象的发现对于利用超分子相互作用驱动蛋白质组装体形成提供了有利的构建工具,并为开发功能性生物材料开辟了全新的解决思路。本研究的目标是利用蛋白质片段重组体系的特性驱动蛋白质组装体形成,并实现对动态组装体的精确调控,以达到模拟生命体中组织、蛋白从而构建功能性生物材料的目标。我们设计并构建了具有氧化-还原电势和温度双重响应能力的可重组蛋白质片段GN和GC,以此体系作为构筑基元和驱动力,结合超分子相互作用与共价作用,并通过对环境的精确控制实现对不同程度的组装体系的指导构建、动态调控以及功能化。1.基于超分子自组装策略构筑超高分子量titin模拟物天然弹性蛋白在多种生物过程中都处于机械应力的作用之下,并且作为分子弹簧为组织提供所需的机械性能。这些弹性蛋白有一个共同特征就是它们是通过折叠蛋白结构域重复串联得到的。肌肉蛋白titin作为细胞中最大的蛋白质,由超过34000个氨基酸残基组成,具有超过3.5 MDa的超高的分子量,负责着肌肉的被动弹性。Titin由上百个单独折叠的球状结构域串联而成,因而可以看作是以球状蛋白为大分子单体形成的蛋白质聚合物。由于titin的超高分子量,设计具有类似分子量的titin模拟蛋白聚合体一直是一个具有挑战性的课题。利用一种小蛋白GB1的突变型GL5CC的蛋白质片段重组性质,即分裂后的两部分片段GN和GC能够通过超分子相互作用特异性识别并重新组装成为一个完整结构域。利用这一特殊方法我们发展了一种基于蛋白质片段重组的超分子组装策略来构建具有超高分子量的超分子组装体。我们发现经过设计得到的双官能团大分子单体蛋白能够通过头-尾相连的方式高效、有序地组装,并得到平均分子量为0.5 MDa的超高分子量线形组装体。这种高分子量的线形组装体与titin蛋白非常相似,并且为构建具有更优物理和机械性能的生物材料提供了难得的构筑基元。2.主-客体化学驱动互斥蛋白构建动态多维度蛋白质组装体在生命体细胞内,蛋白质组装体是最重要的工作机器,维持着多种多样的生命活动。天然的蛋白质组装体是动态的,并且能够伴随环境的改变做出响应以实现各种特定的生物功能。受到大自然的启发,科学家们在探索人工构建的蛋白质纳米结构方面付出了很多的努力也取得了相当重要的研究进展。不同形貌的蛋白质组装体如纳米线、纳米微管、纳米片层和纳米笼状结构等,从一维到三维的组装结构,都通过合理设计和对蛋白质间相互作用的精确控制而成功实现。同时,对不同条件响应的蛋白质组装体如pH值、氧化-还原电势、温度、光和离子等也得到开发。然而,由于天然蛋白构筑基元结构的局限性和不可控性,使得构建具有可逆变换形貌的刺激响应蛋白质组装体有很大难度。经过仔细的设计与考量,我们通过引入基于蛋白质重组作用和热力学稳定性构建的互斥蛋白（MEP）来解决这一难题。利用基因工程我们得到了一种全新的包含MEP结构域的刺激响应融合蛋白,并能在以CB[8]为基础的超分子相互作用驱动下形成动态蛋白质组装体。通过调节组装条件为氧化或者还原状态,构筑基元的构象会发生显著变化,从而最终造成组装体形貌从一维线形到二维环形的动态转变。该组装体系这种可精确调控形貌的特性,使其具有作为生物材料的潜在应用价值。3.基于蛋白质片段重组构建动态可逆修饰的功能蛋白质水凝胶细胞外基质（ECM）是哺乳动物中多种组织的重要组成部分,负责许多细胞层面上的精细生物过程。通过传递细胞信号,ECM可以实现对多种细胞行为如细胞的黏附、迁移、分化和凋亡等的调控。合成聚合物或重组蛋白构建的水凝胶由于具有较高的含水量和可调的理化及机械性能,常作为模拟ECM的材料获得在生物医学领域中不同的应用。由于细胞行为往往是动态的,因此通过可控的方式使得水凝胶能够可逆地结合与释放功能性信号分子对于其生物应用方面是至关重要的。为了实现这一目标,人们构建了由生物惰性聚合物形成的水凝胶“空白板”并通过各种生物偶联方法在空白的水凝胶上修饰上将所需要的信号分子。这种方法在合成聚合物水凝胶中得到了广泛应用并取得了较大的成功,然而,其在蛋白质水凝胶当中的应用却仍是挑战。针对这一难题,我们首次提出了利用蛋白质片段重组的可逆生物偶联法来实现蛋白质水凝胶对配体分子的可逆结合与释放。由于应用的重组蛋白具有氧化-还原和温度双重响应的特性,我们可以通过改变环境来控制配体对蛋白质水凝胶的修饰行为,因此来调节水凝胶的生化性质以适应不同的应用。该方法适用于不同的蛋白质甚至合成聚合物水凝胶,并由于这种ECM模拟体系有利于对细胞行为的探究,因而在仿生生物材料领域具有巨大的应用前景。
关键词: 蛋白质片段重组 ；超分子自组装 ；主-客体化学 ；刺激响应性 ；生物材料
摘要： 日常生活中,发胶、牙膏、化妆品和软隐形眼镜等都是常见的凝胶。超分子凝胶是由小分子自组装形成能够束缚住溶剂网络结构的凝胶,这种小分子称为凝胶因子。由于金属离子的加入能够为水凝胶带来光谱性能并拓展其荧光传感方面的能力。荧光金属水凝胶逐渐引起研究者的兴趣。目前,大多数凝胶因子都是水溶解性差而且结构复杂,不利于荧光金属凝胶在生物医学上的应用。氨基酸衍生物由于良好的生物相容性和可降解性被认为是构建荧光金属水凝胶的理想凝胶因子之一。本文合成了一系列氨基酸衍生物凝胶因子分别命名为2-QF、3-QF、4-QF、6-QF、8-QF和NF。2-QF是由两种原料喹啉-2-甲醛和L-苯丙氨酸合成,2-QF具有良好的生物相容性。通过凝胶实验,2-QF凝胶因子能够在大范围p H=2～9内自组装为不同颜色的凝胶。在p H=10～12时,Zn2+能诱导2-QF形成黄色的水凝胶,在365nm紫外灯下,我们可以发现Zn2+的引入为凝胶带来明显的绿色荧光现象。与2-QF存在细微差别的凝胶因子NF、3-QF、4-QF、6-QF、8-QF会影响荧光水凝胶的形成。环境刺激响应性实验测试发现荧光金属水凝胶2-QF-Zn具有良好触变性、p H响应性及染料RB19感应性。我们也通过一系列表征来研究金属凝胶的性能及可能的配位方式。荧光倒置显微镜表明粉末状锌凝胶依然具有荧光性能。通过流变实验表征,表明稳定荧光锌凝胶形成和荧光锌凝胶良好的触变性。通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）表征可以观察到2-QF-Zn凝胶较2-QF凝胶更致密网络微观结构。红外光谱（FTIR）、质谱（ESI-MS）、Job曲线、等温热量滴定（ITC）等数据研究Zn2+与2-QF分子配位方式。此外,凝胶因子2-QF除了可以构建荧光金属水凝胶外,还可以通过荧光增强来（Off-On）检测Zn2+,这种多功能的氨基酸衍生物凝胶因子比较少见。在众多的金属离子中,2-QF表现对Zn2+良好的选择性。2-QF对Zn2+的检出限为1.45*10-7 M。根据美国环保局规定的饮用水的含量不超过70μM,2-QF能够检测饮用水中的Zn2+含量是否达标。MTT实验表明2-QF-Zn具有低毒性,为细胞内Zn2+成像提供可能性。细胞成像实验,2-QF能够进入细胞并对细胞中的Zn2+追踪。
关键词: 金属水凝胶 ；荧光 ；Zn2+
被引量
1
摘要： 目的: 葡萄膜炎,是包括了多种眼内炎症的总称,是造成发达国家失明的主要原因之一.目前发病原因尚未明确,临床上治疗葡萄膜炎的一线药是类固醇(例如,地塞米松,曲安奈德).比起全身类固醇治疗,局部类固醇治疗如滴眼液,悬浮液或软膏所引起的副反应更小,更易被患者接受.然而,由于药物在角膜前会被快速清除和角膜渗透性较差,它们的生物利用度较低.在过去的几十年里,已经提出了很多种方法,包括使用黏合剂添加剂,微/纳米技术和水凝胶化,从而延长药物在角膜前的滞留时间和增加类固醇的角膜渗透性,从而提高眼部生物利用度.最近,我们提出了可在特定PH水解的地塞米松超分子水凝胶来用于眼科药物递送.这种水凝胶结合了纳米颗粒和水凝胶的优点,自身充当"自我传送"系统,极大地增加了角膜渗透性并延长了角膜前的滞留时间. 方法: 根据先前的研究,通过使用固相合成法将二氯三苯甲基树脂和N-Fmoc保护的氨基酸合成地塞米松—肽结合物(Dex-SA-FFFE).将30毫克Dex-SA-FFFE粉末加到1毫升磷酸盐缓冲液(PBS,pH=7.4)中,然后加入1mMNa2CO3溶液(相当于1摩尔Dex-SA-FFFE).将得到的悬浮液加热到95℃然后冷却到室温就可以得到Dex-SA-FFFE纳米颗粒.通过ZetasizerNanoZS-90(MalvernInstruments,Malvern,UK)来分析Dex-SA-FFFE纳米颗粒的尺寸分布和zeta电位.通过TEM(TecnaiF20,FEI,Oregon,USA)来观察Dex-SA-FFFE纳米颗粒的微观形态.在37℃的磷酸盐缓冲液(PBS,pH=7.4)和含有20U/mL的猪肝脂酶的磷酸盐缓冲液(PBS,pH=7.4)中研究来自Dex-SA-FFFE纳米颗粒的药物(DexandDex-SA-FFFE)的体外释放曲线.为了评估Dex-SA-FFFE纳米颗粒的体外细胞毒性,我们使用细胞计数试剂盒-8(CCK-8)检测暴露于各种药物浓度后的人角膜上皮细胞系(HECE)的细胞活性.为了评估Dex-SA-FFFE纳米颗粒的体外抗炎作用,我们将用脂多糖(LPS)激活的RAW264.7巨噬细胞置于不同的药物浓度,然后测量培养基中的炎症因子.我们研究了局部滴注了Dex-SA-FFFE纳米颗粒的健康日本大耳白兔的体内生物相容性和眼部的刺激性.我们评估了Dex-SA-FFFE纳米颗粒在内毒素诱导葡萄膜炎(EIU)兔模型中的体内抗炎作用.数据通过SPSS版本22(IBM)分析数据并表示为均值和标准差(SD).采用单因素方差分析(ANOVA)分析对照组与实验组的显著性差异,p值小于0.05有统计学意义. 结果: 在本文中,我们设计并筛选了一种用可裂解的脂键连接的Dex-SA-FFFE前体药物,它可以在药物前体浓度高达100mg/mL的水溶液中自发组装成纳米颗粒.形成的Dex-SA-FFFE纳米颗粒呈均匀球形,直径约为30nm.相反,DLS分析表明形成的Dex-SA-FFFE纳米颗粒的平均直径约为150±3.4nm,多分散指数(PDI)为0.26±0.09.形成的Dex-SA-FFFE纳米粒子带负电荷(-17.8±1.2mV),这是由于纳米颗粒表面上存在的氨基酸残基的离子化羧酸盐基团.在48小时的研究中,在PBS(pH=7.4)或含有20U/mL酯酶的PBS中,药物(Dex或Dex-SA-FFFE)几乎100%的完全从Dex-SA-FFFE纳米粒子中释放出来.培养24小时后,浓度达到1mM的Dex-SA-FFFE纳米颗粒对HCEC或L-929细胞均无毒性.与对照细胞相比,用LPS处理的RAW264.7巨噬细胞的NO,IL-6和TNF-α显著提高.与LPS组相比,0.01mM和0.1mM的Dex和Dex-SA-FFFE纳米颗粒能够显著抑制NO,IL-6和TNF-α的产生(p<0.05).然而,在测试浓度下,Dex组和Dex-SA-FFFE纳米颗粒组之间没有显著差异.在整个研究期间,使用Dex-SA-FFFE纳米颗粒治疗的眼睛没有显示任何明显的眼部刺激(如角膜水肿、结膜肿胀、晶状体混浊).荧光素钠染色显示角膜上皮层结构正常完整,无明显缺陷.结合一般观察,表面滴注Dex-SA-FFFE纳米粒子后,角膜厚度和眼压无明显变化.在兔眼玻璃体内注射内毒素24小时后,PBS组的眼睛前房中表现出严重的炎症细胞反应,而Dexp组合和Dex-SA-FFFE纳米颗粒组的眼睛表现出轻微的炎症细胞反应,前房有少量的炎性渗出物.根据临床观察,病理组织学观察提示PBS治疗眼内前房呈广泛严重的炎症浸润改变.相反,用Dexp和Dex-SA-FFFE纳米颗粒治疗的眼睛表现为很小的炎症变化,并且在前房中几乎没有炎症细胞浸润.我们注射内毒素24h后测量房水中的细胞因子TNF-α和IL-6的水平.与用PBS处理相比,Dexp和Dex-SA-FFFE纳米颗粒显著抑制房水中TNF-α和IL-6(p<0.05). 结论: 在本文中,我们提出了一种通过酯键连接的可以自组装成纳米颗粒的用于治疗前葡萄膜炎的"自我药物"传递系统的地塞米松-肽结合物(Dex-SA-FFFE)的形成.体外释放研究表明,在48h的研究中,Dex和Dex-SA-FFFE纳米颗粒在PBS或含有20u/mL酯酶的PBS中均可持续释放,PBS中酯酶的添加显著影响了释放药物中Dex/Dex-SA-FFFE的比例.体外细胞毒性试验表明,在24小时内,形成的Dex-SA-FFFE纳米颗粒药物浓度低于1mM对HCEC或L-929细胞几乎无细胞毒性.与此同时,Dex-SA-FFFE纳米颗粒显示出与Dex相当的体外抗炎功效,并显著地抑制经过LPS处理的RAW264.7巨噬细胞产生NO,IL-6和TNF-α.另一方面,形成的Dex-SA-FFFE纳米粒子在体内生物相容性试验中表现出良好的眼部耐受性,因为它们在体内生物相容性试验中对角膜厚度或眼内压没有有害影响.更重要的是,Dex-SA-FFFE纳米颗粒表现出了几乎与Dexp相同体内抗炎功效,抑制房水中细胞因子(TNF-α和IL-6)的水平,表明Dex结合肽不会影响Dex的生物活性.综上所述,所提出的Dex-SA-FFFE纳米粒子可能在治疗前葡萄膜炎方面具有很大的应用价值.
关键词: 葡萄膜炎 ；地塞米松 ；纳米颗粒 ；药物-肽结合物
摘要： 近年来,基于氨基酸类衍生物构筑超分子凝胶成为当前的研究热点并取得了很大的进步,其优势在于生物相容性好、分子可设计性强以及对外界刺激响应灵敏。除甘氨酸外,氨基酸类衍生物分子大多具有手性,通过组装可得到具有手性特性的超分子凝胶材料。更重要的是,这类凝胶因子组装的驱动力主要是弱的分子间氢键作用等,因此,得到的超分子凝胶手性具有动态的可调控性,即随着外界非手性因素的改变致使超分子手性发生敏感的变化如手性反转。这类动态的手性智能超分子凝胶因研究的深入愈发地凸显出其潜在的应用价值和重要的意义,如圆偏振发光材料、手性识别、生物医用材料、以及不对称催化等领域。非手性因素调控超分子凝胶手性的研究也为手性科学问题的深入理解提供了新思路和新方法。基于上述研究背景,我们首先设计并制备了一种苯丙氨酸-甘氨酸衍生物的凝胶因子。该凝胶因子与非手性的双吡啶基衍生物共组装,构筑了一类手性可调的双组份超分子水凝胶,通过改变两组份的化学计量比可实现超分子组装体手性的反转。接着,为了构建制备简单、超分子手性可调的纳米纤维材料,我们通过在手性苯丙氨酸衍生物的凝胶因子溶液中加入不同种类的金属离子,开发了一系列纳米纤维的手性、螺距以及直径可调的超分子水凝胶体系。简单地加入不同金属离子或改变凝胶因子的非手性基可很容易地实现超分子凝胶手性的动态调控。此外,丙氨酸衍生物分子结构简单,分子间氢键作用较弱,其组装结构极易受到外界刺激的影响。基于此,我们设计并合成了一种新的丙氨酸衍生物的有机凝胶因子,其组装形成的超分子凝胶手性对外界多重刺激包括温度、超声以及溶剂具有灵敏的响应特性。论文主要包含以下三个部分:1.化学计量比调控双组份共组装体的超分子手性的反转1)设计并合成了一种新的基于苯丙氨酸-甘氨酸的凝胶因子,它们与双吡啶基衍生物共组装可形成超分子水凝胶。2)通过SEM、CD、VCD等技术手段对纳米纤维的手性结构和水凝胶的光学活性进行研究,发现改变化学计量比可以对双组份凝胶纳米纤维的手性进行有效调控,并实现纳米纤维手性的反转。3)采用FTIR、1H NMR、XRD等技术手段研究了双组份水凝胶在不同化学计量比下的组装机理,即酰胺键之间的氢键、羧基与吡啶基间的氢键以及双吡啶基衍生物大的共轭环之间的π-π堆积的协同作用驱使分子组装形成具有不同手性的纳米纤维,进而得到超分子水凝胶。2.金属离子调控苯丙氨酸衍生物水凝胶的超分子手性1)改变非手性取代基,设计并合成了两种苯丙氨酸衍生物的凝胶因子,加入不同种类的金属离子可自组装形成超分子水凝胶。2)通过SEM对纳米结构的手性特征进行研究,发现加入不同的金属离子后,凝胶因子自组装得到了没有扭曲以及手性相反的扭曲纳米带状结构,且纳米纤维的螺距和直径也存在很大的差异。另外,仅仅改变凝胶因子的非手性基团与同一金属离子作用亦可得到手性相反的扭曲纳米带状结构。采用CD和VCD技术手段表征发现在不同种类的金属离子存在下,水凝胶的手性光学活性也产生了不同的变化。3)通过FTIR和XRD技术手段对不同金属水凝胶的组装机理进行分析得出,凝胶因子中酰胺键间的氢键作用以及羧基与金属离子间的配位作用共同决定了组装结构的超分子手性。3.多重外界刺激对丙氨酸衍生物超分子凝胶的手性调控1)简化凝胶因子的分子结构,设计并制备了一种丙氨酸衍生物的有机凝胶因子,通过加热-冷却法或超声法在多种有机溶剂中形成超分子凝胶。2)通过SEM研究了凝胶中纳米结构的手性特征,发现凝胶因子在乙酸乙酯中通过加热-冷却法和超声法形成的两种凝胶的纳米结构手性相反。此外,改变溶剂亦可实现超分子凝胶手性的反转。3)利用FTIR、XRD、单晶X射线衍射等技术手段研究了凝胶因子在不同状态下的组装机理:在不同极性的有机溶剂中,由于溶剂-凝胶因子间的不同程度的相互作用致使酰胺基间氢键作用发生变化,进而改变了凝胶因子的组装以及空间排列;而在同一种溶剂中,通过加热-冷却法和超声法得到的凝胶,其分子的堆积方式完全不同,前者为层状堆积,后者溶剂参与了组装,进而改变了分子的堆积方向。由此可见,溶剂-凝胶因子相互作用在分子组装过程中的影响不可忽视。
关键词: 超分子凝胶 ；自组装 ；共组装 ；超分子手性 ；动态调控
摘要： 丝素蛋白是蚕丝经过脱胶处理后得到的一种天然大分子蛋白质,因其具有良好的生物相容性而备受关注。由丝素蛋白为原料合成的水凝胶在食品日化、生物医学等方面有着广泛的应用。丝素蛋白与β-环糊精可形成稳定的包合复合物,这一行为是由β-环糊精与丝蛋白中的氨基酸侧链(如酪氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、色氨酸)之间的主-客体相互作用所驱动的,该特性为两者之间的超分子组装提供了可能性,本论文将该特性用于构建物理交联超分子水凝胶以及物理化学双交联超分子水凝胶,提出了新的丝素蛋白基水凝胶的组装设计策略;同时利用丝素蛋白中含有的丰富的酪氨酸残基,在光源下引发三联吡啶钌(Ru(Ⅱ))诱导丝素蛋白成胶,并通过过硫酸铵引发酶的固定,拓展了丝素蛋白水凝胶的应用场景。具体研究内容及结论如下。
首先本论文研究了物理交联超分子水凝胶的形成,物理交联位点为聚-β-环糊精与丝素蛋白之间的主-客体相互作用,得到的水凝胶压缩模量可达0.42±0.1 MPa,在此基础上,为了验证超分子组合的可行性以及超分子组合的可控性,得到了不同溶剂制备的再生丝素蛋白与聚-β-环糊精之间进行交联的水凝胶,利用丝蛋白中酪氨酸的可控性,调整了水凝胶的机械性能与粘弹性,得到了力学性能与流变特性不同的水凝胶。
在上述研究结果的基础上,本论文进一步研究了物理化学双交联超分子水凝胶,利用β-环糊精拥有的大量活性羟基,用戴斯马丁氧化剂和2-碘氧基苯甲酸对其进行氧化后得到了β-环糊精单醛与β-环糊精多醛,将其分别与丝素蛋白进行交联,物理交联位点为β-环糊精醛基与丝素蛋白之间的主-客体相互作用,化学交联位点为丝素蛋白中的氨基与醛基之间的席夫碱反应,对得到的水凝胶进行力学性能与流变特性的表征,与通过物理交联得到的水凝胶进行对比以探讨共轭方式对水凝胶性质的影响,发现增加了化学交联位点的水凝胶表现出了更优秀的机械性能,压缩模量可达0.88±0.03 MPa。
本论文研究了Ru(Ⅱ)介导的丝素蛋白基光化学交联水凝胶,以丰富丝素蛋白基的交联策略并拓展其应用,并进一步将该水凝胶用于酵母菌酶的固定,固定效率可达100%,同时发现能够使得酵母菌酶在严苛的酸性条件下也能表现出良好的酶活性,并且在不同p H值下表现出稳定的活性,表明了丝素蛋白在固定酶方面有着巨大的应用潜力。
本论文内容不仅提供了新型的丝素蛋白基水凝胶,而且还扩展了蛋白质基水凝胶的超分子组装设计策略,并且开拓了水凝胶的应用前景。
关键词: 丝素蛋白 ；环糊精 ；主-客体相互作用 ；光化学交联 ；水凝胶
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