焦建梅，徐桂英，辛霞,,＊

1山東大學(xué)，國家膠體材料工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 2501002山東大學(xué)，膠體與界面化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100

1 引言

膽酸鹽(bile salts)是生物體內(nèi)廣泛存在的一類活性物質(zhì)，在機(jī)體中具有非常重要的生理功能。主要包括調(diào)節(jié)膽固醇代謝、增強(qiáng)胰脂肪酶的活性、防止膽石生成，同時促使脂肪乳化成脂肪微粒、促進(jìn)脂肪酸和脂溶性維生素(A、D、E、K)的吸收等1。傳統(tǒng)的表面活性劑是線性結(jié)構(gòu)，包括親水和疏水兩種基團(tuán)，親水基團(tuán)一般由帶電的離子基團(tuán)或不帶電的極性基團(tuán)構(gòu)成，疏水基團(tuán)由長鏈烴基構(gòu)成。由于膽酸鹽類物質(zhì)也同時具有疏水和親水兩種基團(tuán)，因此其也可以看作是一類陰離子型甾族生物表面活性劑(biosurfactant)，而且與傳統(tǒng)表面活性劑相比，膽酸鹽類生物表面活性劑具有以下特征：(1)面形結(jié)構(gòu)(圖1)，具有極性面和非極性面。極性面是親水面，由羥基、羧基或羧基與甘氨酸(glycine)、牛磺酸(taurine)形成的軛合物(conjugates)構(gòu)成，位于α面(凹面)；非極性面是疏水面，含有一個剛性的、接近平面的膽甾類疏水性骨架，主要由兩個角甲基及甾族環(huán)構(gòu)成，分布在β面(凸面)；整個分子偏轉(zhuǎn)，形成近似弓形的結(jié)構(gòu)，使膽酸鹽具有兩親分子的性質(zhì)。(2)所占空間體積較大，剛性較強(qiáng)。(3)既具有生物表面活性劑的性質(zhì)，無毒、可降解、生物兼容性好，又具有陰離子表面活性劑的性質(zhì)2,3。因此，鑒于膽酸鹽特殊的兩親性空間骨架結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)及其良好的生物相容性和環(huán)境友好性，使其在超分子自組裝、碳納米管分散4、分子識別5、藥物緩釋、制備生物材料和環(huán)保材料等領(lǐng)域都有非常重要的應(yīng)用。

自組裝在自然界中廣泛存在。自組裝法是近年來興起的一種簡便而高效的制備方法，是指構(gòu)筑基元(如分子、離子等)在一定條件下通過靜電引力、氫鍵、配位鍵、π-π堆疊作用和分子識別等相互作用形成多種有序聚集體的過程，在功能性結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑和闡明復(fù)雜的生命演化過程方面起著至關(guān)重要的作用6,7。膽酸鹽具有超分子自組裝能力，可以自組裝成囊泡、納米管、納米纖維、納米螺旋等特殊的納米結(jié)構(gòu)8-10。本文基于我們課題組的研究成果，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究，詳細(xì)介紹了氨基酸對膽酸鹽聚集行為的影響、膽酸鹽參與形成的超分子凝膠及膽酸鹽參與構(gòu)筑的微納米材料的制備等方面的研究進(jìn)展，以期對該領(lǐng)域的研究有更全面更深入的了解，為后續(xù)的應(yīng)用研究提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 氨基酸對膽酸鹽聚集行為的影響

膽酸鹽與蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)廣泛存在，兩者之間不可避免地發(fā)生相互作用11-15。其中，氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成單元，可以反映球狀蛋白的一些結(jié)構(gòu)特征，因其分子量較小、結(jié)構(gòu)較簡單的特點(diǎn)通常被用來作為研究結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的蛋白質(zhì)的模型。近年來，氨基酸和膽酸鹽的相互作用是一類研究比較多的話題，很多體內(nèi)和體外的研究都圍繞此課題展開，研究主要集中于溶液與界面中。

圖1 膽酸鹽的結(jié)構(gòu)通式及常見的膽酸鹽結(jié)構(gòu)2Fig. 1 The general structures of bile salts and structures of common bile salts 2.

Smal16和Carey17等認(rèn)為膽酸鹽在水溶液中的聚集過程是一個逐級締合過程，并提出了初級-二級聚集模型。膽酸鹽分子首先通過疏水作用形成聚集數(shù)小于10的初級膠束，而后這些初級膠束通過羥基間的氫鍵作用發(fā)生聚集，形成更大的二級膠束。Kawamura等18進(jìn)一步將該模型進(jìn)行了擴(kuò)展，提出膽酸鹽分子是以背對背的方式排布的。而Giglio等19,20提出了螺旋模型，認(rèn)為膽酸鹽分子間主要通過極性作用連接起來，疏水基團(tuán)朝向水相，而親水面朝向聚集體內(nèi)部。

我們課題組通過測定芘的穩(wěn)態(tài)熒光光譜，研究了三種堿性氨基酸L-賴氨酸(L-Lys)、L-精氨酸(L-Arg)和L-組氨酸(L-His)對脫氧膽酸鈉(sodium deoxycholatCe，NaDC)在溶液中聚集行為的影響21。結(jié)果表明，氨基酸的加入可以降低NaDC在水溶液中的微極性和cac值，而體系的聚集數(shù)也顯著增加。L-Lys對微極性、cac和聚集數(shù)的影響最大，而L-Arg和L-His對其影響較小(圖2A-D)。原因如下：對于純NaDC體系而言，隨著NaDC濃度增加，NaDC二聚體通過疏水作用形成了初級膠束，在氫鍵作用力的驅(qū)動下初級膠束發(fā)生聚集形成二級膠束。加入氨基酸后，NaDC中的——COO-與氨基酸的——NH3+之間的靜電作用，以及疏水部分之間的疏水作用使得NaDC排列得更為緊密。同時，氨基酸分子的親水性使其可以破壞NaDC分子周圍的水結(jié)構(gòu)。此外，NaDC的——OH或——COO-與氨基酸的——COO-之間的氫鍵作用也發(fā)揮了重要作用。氨基酸分子在NaDC初級聚集體之間的橋梁作用有利于NaDC聚集體的進(jìn)一步形成，其相互作用示意圖如圖2E所示。

此外，Mille等22綜述了表面活性劑和氨基酸在氣/液界面上的相互作用，從理論上論述了氣/液界面上吸附層的溶脹及剪切流變性質(zhì)，并用來解釋相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。我們課題組研究了L-Lys、L-Arg和L-His三種堿性氨基酸對NaDC在氣/液界面上聚集行為的影響23。表面張力等溫線及界面擴(kuò)張流變性的研究結(jié)果表明，三種氨基酸的加入均增大了NaDC溶液的表面張力和絕對模量，其中L-Lys提高能力最強(qiáng)。這是由于三種堿性氨基酸在中性條件下帶正電，而NaDC作為一種陰離子型表面活性劑帶負(fù)電，NaDC所含的——COO-與氨基酸所含的——NH3+之間的靜電作用使得NaDC分子在氣/液界面上的排布較為密集，其相互作用機(jī)理圖如圖2F所示。此外，氨基酸具有一定的疏水性，這使其可以吸附在氣/液界面上，并且插入NaDC分子所形成的界面層中。在靜電力和疏水力的協(xié)同作用下，L-Lys和NaDC之間的相互作用最強(qiáng)烈，提高NaDC的表面活性和絕對模量的能力最強(qiáng)。

3 膽酸鹽參與形成超分子凝膠

近年來，自組裝小分子水凝膠在化妝品、生物材料、傳感器、藥物傳輸、刺激響應(yīng)材料和制藥配方等方面的應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注度24-26，其中很多水凝膠是由生物相容性的片段組成，如氨基酸衍生物27、膽酸衍生物28、碳水化合物29、肽30等，因此可以應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中31。特別是，大量研究表明，屬于膽酸衍生物的膽汁以及膽酸鹽，如膽酸鈉、脫氧膽酸鈉、石膽酸鈉等膽酸鹽因?yàn)閾碛斜韧闊N表面活性劑復(fù)雜得多的甾體骨架的特殊雙親結(jié)構(gòu)在范德華力、氫鍵和疏水作用驅(qū)使下水中能自組裝形成凝膠，且該凝膠與化學(xué)交聯(lián)而成的凝膠有很大的區(qū)別32-34。

圖2 氨基酸的濃度對溶液中NaDC的(A)微極性，(B) cac值，(C)聚集數(shù)的影響及(D)氨基酸種類對聚集數(shù)的影響。(E)含有氨基酸時NaDC在溶液中的聚集行為示意圖21。(F)含有氨基酸時NaDC在氣/液界面上的聚集示意圖23Fig. 2 The concentration of amino acids affects the (A) micropolarity , (B) cac value, (C) aggregation number and(D) amino acid type on aggregation number of NaDC in solution. (E) The aggregation behavior of NaDC in solution when containing amino acids 21. (F) Schematic diagram of NaDC aggregation at the gas/liquid interface when containing amino acids 23.

加拿大的Zhu課題組35將膽酸二聚物和甲酸以1 : 1的摩爾比形成的混合物視為有機(jī)鹽，并在水溶液中自行組裝成單分散納米纖維。納米纖維在低濃度的混合物中呈單分散狀態(tài)，但在高濃度時相互糾纏而形成分散性良好且隨機(jī)排列的三維纖維網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)膽酸鹽二聚體濃度大于凝膠點(diǎn)時，纖維網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度足以使水溶液形成凝膠。從低濃度的二聚鹽中獲得的水凝膠是各向同性的，在偏光片下沒有紋理出現(xiàn)。而當(dāng)增加二聚鹽濃度或在物理攪拌作用下時，它們則變成了各向異性(圖3A)。由此推測這種向列水凝膠可能是由來自于組成纖維網(wǎng)絡(luò)的不定向納米纖維的平行排列而形成的。

圖3 (A)膽酸二聚物與甲酸混合物在水溶液自組裝形成凝膠及其偏光行為35；(B)石膽酸/二乙醇胺自組裝形成納米管結(jié)構(gòu)的示意圖，(C)不同金屬離子的水溶液及石膽酸/二乙醇胺干凝膠吸附后的不同種類金屬離子的水溶液樣品直觀圖37Fig. 3 (A) The gelatinization and polarization behavior of the choleate dimer and formic acid mixture when it self-assembled in aqueous solution 35. (B) Schematic diagram of the formation of nanotube structures by the self-assembly of stearic acid/diethanolamine, (C) Histogram of water solution samples with different metal ions and different types of metal ions after adsorption by dry gel of stacholine/diethanolamine 37.

Pal等36研究發(fā)現(xiàn)，石膽酸能夠與有機(jī)胺類分子在水溶液中形成凝膠，并且改變有機(jī)胺分子的結(jié)構(gòu)可以調(diào)控其聚集行為。山東大學(xué)郝京城課題組37也對比研究了石膽酸和三種不同種類的胺，乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺的自組裝行為，結(jié)果表明混合體系中氫鍵、靜電作用、范德華作用和疏水作用導(dǎo)致了不同種類的聚集體結(jié)構(gòu)的形成。這類凝膠的形成機(jī)理有相似之處，石膽酸的羧酸根與另一石膽酸的羥基通過氫鍵相連，同時與胺分子的氮原子之間形成氫鍵，將二聚石膽酸結(jié)構(gòu)連接在一起，在空間上延伸，形成層狀結(jié)構(gòu)(圖3B)。尤其是，石膽酸和二乙醇胺可以組裝得到納米管狀結(jié)構(gòu)的水凝膠，并且由于凝膠因子上有較多的羧酸，可以和金屬離子進(jìn)行配位作用，該凝膠在吸附重金屬離子方面有很好的效果(圖3C)。

3.1 膽酸鹽/氨基酸復(fù)合凝膠

氨基酸和膽酸鹽的相互作用除了體現(xiàn)在稀水溶液中的聚集行為之外，其兩者相互作用也可以形成水凝膠，并在藥物釋放和生物傳感器領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價值。我們選擇多種氨基酸制備了NaDC/氨基酸/NaCl凝膠，同時研究pH、NaCl濃度和氨基酸種類對該體系宏觀與微觀結(jié)構(gòu)的影響38。結(jié)果表明，pH降低使凝膠的機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)，原因是pH降低抑制了羧基的中和作用從而使氫鍵作用增強(qiáng)，而NaDC分子極性面之間的靜電斥力減弱。與L-Arg和L-Lys破壞凝膠的現(xiàn)象相反，丙氨酸和甘氨酸的加入?yún)s使NaDC凝膠的強(qiáng)度增強(qiáng)，這是由于它們的小尺寸及親水性賦予了其在NaDC分子間創(chuàng)造更多連接的可能性。在NaDC體系中引入NaCl可以誘導(dǎo)凝膠分子的聚集，從而有利于更寬更厚的納米纖維組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。可以看出，NaDC凝膠對某些特殊的氨基酸和NaCl的響應(yīng)性(圖4A)使其對包覆在凝膠中藥物具有可控釋放能力，預(yù)示了進(jìn)一步應(yīng)用于制藥及藥物釋放的潛力。我們發(fā)現(xiàn)在無機(jī)鹽(NaCl和NaBr)存在的情況下，制備出的NaDC凝膠在加入L-Arg和L-Lys兩種氨基酸時，表現(xiàn)出凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿芤旱男袨?9。各類表征結(jié)果證明，凝膠是由相互交聯(lián)和纏繞的纖維構(gòu)成(圖4B)，這些纖維是由復(fù)雜的共價相互作用，尤其是氫鍵作用驅(qū)動形成NaDC的巨大圓形聚集體組成的。流變實(shí)驗(yàn)表明40，鹵鹽(NaCl和NaBr)的存在能增強(qiáng)凝膠的形成，然而加入氨基酸(賴氨酸和精氨酸)能破壞氫鍵從而減弱凝膠強(qiáng)度。原因是加入氨基酸后，NaDC周圍的水結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，這對形成小的NaDC聚集體有利，O——H的遠(yuǎn)程耦合振動也會受到影響。氨基酸帶電電荷越多，親水性越強(qiáng)，破壞水結(jié)構(gòu)的能力也就越強(qiáng)。此外，我們具體研究了氨基酸誘導(dǎo)的NaDC/無機(jī)鹽形成的超分子水凝膠的溶脹溶解過程，以及包覆在凝膠中染料(例如亞甲基藍(lán))的釋放實(shí)驗(yàn)(圖4C)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入賴氨酸溶液會使染料快速釋放，而磷酸緩沖溶液則沒有產(chǎn)生類似效果。

圖 4 (A) NaDC/氨基酸/NaCl體系的多重刺激響應(yīng)性 38；(B) 50 mmol·L-1 NaDC (a)，50 mmol·L-1 NaDC/200 mmol·L-1 NaBr (b)，50 mmol·L-1 NaDC/10 mmol·L-1 L-Arg (c)，50 mmol·L-1 NaDC/200 mmol·L-1 NaBr/10 mmol·L-1 L-Arg (d)的TEM圖像；(C) NaDC凝膠對亞甲基藍(lán)染料溶液的釋放照片39Fig. 4 (A) Multiple stimulus response of NaDC/amino acid /NaCl system 38. (B) TEM images of (a) 50 mmol·L-1 NaDC,(b) 50 mmol·L-1 NaDC/200 mmol·L-1 NaBr, (c) 50 mmol·L-1 NaDC/10 mmol·L-1 L-Arg, (d) 50 mmol·L-1 NaDC/200 mmol·L-1 NaBr/10 mmol·L-1 L-Arg. (C) Photos of the release of NaDC gel to methylene blue dye solution 39.

3.2 膽酸鹽/稀土鹽類復(fù)合凝膠

近年來，許多研究證明，將金屬離子引入到膽酸鹽溶液中可以驅(qū)動超分子聚集體的形成41-45。特別地，三價鑭系離子由于具有尖銳、環(huán)境獨(dú)立、長壽命的光致發(fā)光特性而使其在光學(xué)器件、傳感、人工拍照系統(tǒng)等領(lǐng)域顯示出廣泛的適用性46-49。因此，將鑭系元素引入超分子凝膠能夠產(chǎn)生新功能材料50。

Maitra等51基于自組裝策略使用膽酸鈉和醋酸銪制備出一種含銪水凝膠，并發(fā)現(xiàn)凝膠過程中疏水的發(fā)色團(tuán)與疏水的凝膠纖維相結(jié)合，使能量轉(zhuǎn)移效率提高了幾倍，摻雜微量芘(10-6mol·L-1)就能使鑭系元素的發(fā)光顯著增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也有力地證實(shí)了這一點(diǎn)。Laishram52發(fā)現(xiàn)Eu3+與膽酸在甲醇中能夠形成凝膠，并與在水溶液中形成的Eu3+/膽酸水凝膠進(jìn)行比較研究(圖5A)。我們知道，水是Eu3+熒光的常見猝滅劑，其猝滅率比MeOH高。因此，在Eu3+衍生的發(fā)光材料中，由甲醇代替水應(yīng)該會使Eu3+發(fā)光增強(qiáng)。然而，在Eu3+/膽酸鹽水凝膠中觀察到顯著的芘-介導(dǎo)的Eu3+的致敏發(fā)光，而在甲醇凝膠中卻沒有熒光(圖5B)。為了合理解釋這一悖論，該課題組進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，最終得出原因，在甲醇凝膠中芘遠(yuǎn)離凝膠纖維，從而與Eu3+之間沒有能量傳遞，也就無法使Eu3+敏化發(fā)光。而在水凝膠中，疏水作用使芘與纖維相連，從而與能夠?qū)⒛芰總鬟f給Eu3+。因此，水對Eu3+/膽酸水凝膠中Eu3+的熒光增強(qiáng)起到了間接但重要的積極作用。

圖5 (A) Eu3+/膽酸在水中和甲醇中形成的凝膠在芘存在或不存在情況下的發(fā)射光譜(λex = 336 nm; Eu3+-5 mmol·L-1,膽酸-15 mmol·L-1，芘-5 mmol·L-1；內(nèi)嵌圖為 Eu3+的發(fā)射譜圖）；(B) Eu3+/膽酸的甲醇凝膠與水凝膠(5/15 mmol·L-1)中Eu3+在1-芘丁酸(12.5 mmol·L-1) 存在下的敏化發(fā)光52；(C)鑭離子/膽酸超分子凝膠隨溫度變化發(fā)生的微觀結(jié)構(gòu)變化，(D)鑭離子與膽酸溫度響應(yīng)性自組裝的機(jī)理示意圖，(a)膽酸的分子結(jié)構(gòu)，(b)雙分子層型膽酸主體結(jié)構(gòu)的分子聚集方式，(c)螺旋納米帶，分子模型的(d)俯視和(e)側(cè)視圖53Fig. 5 (A) The emission spectrum of the gels formed by Eu3+/cholic acid in water and methanol in the presence or absence of pyrene (λex = 336 nm; Eu3+-5 mmol·L-1, bile acid-15 mmol·L-1, pyrene-5 mmol·L-1;the embedded picture shows the emission spectrum of Eu3+), (B) The sensitized luminescence Eu3+/cholic acid methanol gel (5/15 mmol·L-1) and hydrogel in the presence of 1-pyrene butanic acid (12.5 mmol·L-1) 52.(C) The microstructures change of lanthanum ion/cholic acid supermolecular gel at different temperatures,(D) mechanism diagram of temperature-responsive self- assembly of lanthanum ion and bile acid, (a) Molecular structure of cholate, (b) molecular aggregate of a bilayer type of cholate host framework (the blue dotted lines denote H-bonds), (c) twisted nanoribbon, (d) top view, and (e) cross-sectional view of the molecular model 53.

黃建濱課題組53通過鑭離子與膽酸進(jìn)行超分子自組裝得到了具有一維螺旋狀結(jié)構(gòu)的發(fā)光凝膠。作用力分析結(jié)果表明該自組裝過程的驅(qū)動力主要是鑭離子與羧基的配位作用。有趣的是，他們還發(fā)現(xiàn)該凝膠的微觀結(jié)構(gòu)隨溫度的逐漸升高經(jīng)歷了由納米管到螺旋納米線及納米帶的轉(zhuǎn)變(圖5C)。這種獨(dú)特的溫度效應(yīng)被認(rèn)為是膽酸中羧基的作用。如圖5D所示的機(jī)理圖，由于膽酸具有親水性，膽酸上的羧基通過氫鍵與水分子間發(fā)生相互作用。當(dāng)溫度升高時，氫鍵作用減弱，導(dǎo)致親水性降低，這被認(rèn)為是鑭離子/膽酸之間的自組裝具有溫度響應(yīng)性的結(jié)構(gòu)性原因。得益于降低的親水性，鑭離子/膽酸聚集體的形成得到了促進(jìn)，因此高溫有利于大聚集體的形成。

我們課題組以NaDC和Eu(NO3)3為原料通過超分子自組裝方法也制備出發(fā)光凝膠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該超分子凝膠具有優(yōu)異的成膠能力與機(jī)械強(qiáng)度，成膠的主要驅(qū)動力是疏水作用、氫鍵作用、金屬配位作用、空間效應(yīng)以及范德華力54。該凝膠的微觀結(jié)構(gòu)是由發(fā)紅色熒光的三維球狀聚集體構(gòu)成的，同時所獲得發(fā)光凝膠具有優(yōu)異的成膠能力和機(jī)械性能。熒光光譜結(jié)果表明熒光最大發(fā)射峰位置出現(xiàn)在Eu(NO3)3和NaDC 化學(xué)計(jì)量比為1 : 3的時候，這是由于在此比例下銪被周圍COO-有效配位率最大的結(jié)果。

3.3 膽酸鹽/氧化石墨烯復(fù)合凝膠

雖然膽酸鹽在溶液中和其他小分子物質(zhì)相互作用可以自發(fā)形成水凝膠，但這類膽酸鹽水凝膠的粘彈性和機(jī)械性質(zhì)并不強(qiáng)，因此我們通常需要添加其它材料來形成復(fù)合水凝膠以增強(qiáng)其強(qiáng)度和應(yīng)用范圍。有研究表明，添加有機(jī)/無機(jī)填料可以在很大程度上增強(qiáng)水凝膠的粘彈性和機(jī)械性能55,56。其中，氧化石墨烯(GO)可以作為一種納米級填料添加到水凝膠體系中形成石墨烯基水凝膠體系從而提高水凝膠的強(qiáng)度57-61。

圖6 膽酸鹽與卵磷脂自組裝形成的(A)蠕蟲狀膠束65和(B)多層囊泡構(gòu)筑的水凝膠66；(C) NaDC和不同鏈長的咪唑類離子液體[Cnmim]Br (n = 2, 8, 12, 14)混合體系在20 °C放置4周后的平衡相圖及(D)不同樣品的形貌67Fig. 6 (A) worm-like micelle 65 and (B) multilayer vesicles hydrogels 66 formed by the self-assembly of cholate and lecithin. (C) The equilibrium phase diagram of NaDC and imidazole liquids [Cnmim]Br (n = 2, 8, 12, 14) mixtures with different chain lengths at 20 °C after placement of 4 weeks and (D) morphology of different samples 67.

我們課題組系統(tǒng)研究了在不同濃度緩沖液中GO對NaDC水凝膠的性質(zhì)影響，并探討了復(fù)合水凝膠的染料吸附能力62。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GO被很好地分散到NaDC凝膠中，并且隨著GO的加入NaDC/GO/PBS水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)。此外，含有GO的復(fù)合水凝膠對亞甲基藍(lán)溶液有較強(qiáng)的吸附作用，這是由于GO片層上含有大量的含氧官能團(tuán)，這些官能團(tuán)可以和很多有機(jī)分子相互作用。在染料吸附的過程中復(fù)合水凝膠沒有發(fā)生溶脹溶解現(xiàn)象，而是保持著凝膠的狀態(tài)。然而不含有GO的純NaDC水凝膠則發(fā)生了溶脹溶解現(xiàn)象，不具有染料吸附能力。GO的加入提高了脫氧膽酸鈉成膠能力，GO在該體系中起到了物理交聯(lián)劑的作用，同時GO上的含氧官能團(tuán)和NaDC之間發(fā)生氫鍵作用。

3.4 膽酸鹽/表面活性劑凝膠

陰陽離子表面活性劑復(fù)配體系由于結(jié)合了兩種表面活性劑的物理化學(xué)性質(zhì)，通常具有豐富的相行為及聚集體形貌變化，如球形膠束，蠕蟲狀膠束、囊泡、凝膠、沉淀等63,64。Tung等65使用膽酸鹽與卵磷脂這兩種帶相反電荷的表面活性劑的甲醇混合液中加入去離子水和電解質(zhì)，得到了高粘度的蠕蟲狀膠束(圖6A)。隨后該課題組又調(diào)節(jié)二者比例制備了由多層囊泡構(gòu)成的復(fù)合凝膠(圖6B)。據(jù)此，研究者發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)膽酸鈉/卵磷脂兩種物質(zhì)摩爾比，可以得到粘彈性流體、半凝膠等豐富的相行為66。

我們課題組研究了在中性條件下(PBS，pH =7) NaDC與咪唑類離子液體[Cnmim]Br (n = 2，8，12，14)之間的相互作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改變離子液體的鏈長由14、12減小到8，再減小到2，依次得到囊泡、兩相、凝膠相(圖6C)。而且，鏈長大于8的咪唑離子液體也會破壞NaDC凝膠，發(fā)生溶膠、沉淀、兩相、溶液、液晶一系列相態(tài)變化67。然而短鏈的離子液體[C2mim]Br則增強(qiáng)了NaDC凝膠的機(jī)械性能，并且可以誘導(dǎo)凝膠體系形成微晶。在整個NaDC/[Cnmim]Br自組裝過程中，靜電作用、疏水作用、分子空間構(gòu)型均是影響自組裝相行為變化及微觀結(jié)構(gòu)的主要因素，所得樣品的形貌也有所差別(圖6D)。

4 膽酸鹽參與構(gòu)筑的微納米材料

4.1 表面活性劑在自組裝制備微納米材料中的作用

圖7 (A) 12-2-12/SC形成的納米纖維狀聚集體的SEM圖像；(B) 12-3-12/SDC形成的囊泡聚集體的TEM圖像；(C)納米纖維和(D)囊泡形成機(jī)理圖88；谷胱甘肽和脫氧膽酸鈉自組裝形成的超長螺旋納米線的(E) AFM圖像，和(F)高分辨TEM圖像及示意圖89Fig. 7 (A) SEM images of nanofibrous aggregates formed by12-2-12/SC. (B) TEM images of vesicular aggregates formed by 12-3-12/SDC. The formation mechanisms of (C) nanofibers and (D) vesicle 88. (E) AFM images, (F) high-resolution TEM images and schematic of glutathione and sodium deoxycholic acid self-assembled ultra-long spiral nanowires 89.

自組裝技術(shù)做為一種簡單而高效的方法68,69，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微納米材料的制備，主要方法有層層自組裝70-73、相轉(zhuǎn)移自組裝74,75以及超分子自組裝76-78以及膠體晶體自組裝等等。表面活性劑的兩親性及其在溶液中豐富的聚集行為使其成為自組裝中常用的模板和構(gòu)筑基元，包括與高分子79,80、無機(jī)分子81,82及有機(jī)分子83,84等的相互作用。由于納米材料具有巨大的比表面積和較高的表面能，其發(fā)生團(tuán)聚的傾向非常大。在納米材料合成過程中加入表面活性劑，不僅可在初期作為模板劑，而且能在剛形成的納米晶種表面快速吸附，從而有效防止材料的團(tuán)聚。表面活性劑在納米材料合成過程中的穩(wěn)定作用是通過表面活性劑吸附在納米材料表面，利用靜電排斥、空間位阻與范德華力之間的競爭達(dá)到平衡而實(shí)現(xiàn)的。例如，Geoffrey課題組85利用表面活性劑TMA4Ge4S10作為模板與環(huán)狀的多金屬氧簇{Mo154}之間的相互的靜電作用成功制備了有機(jī)無機(jī)雜化囊泡。該囊泡具有優(yōu)異的光電性質(zhì)。我們課題組曾分別研究了多金屬氧酸鹽Na9[EuW10O36]·32H2O與多巴胺86和烷基胺87兩種兩親分子的自組裝行為，均得到了納米花結(jié)構(gòu)。

4.2 膽酸鹽參與的自組裝法制備微納米材料

而膽酸鹽作為一類生物表面活性劑也常常被用來輔助合成微納米材料。陳曉課題組88利用Gemini表面活性劑與膽酸鹽之間的靜電作用構(gòu)建了超分子復(fù)合物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過改變表面活性劑的烷基鏈長和間隔基團(tuán)的長度，以及膽酸鹽膽甾環(huán)骨架上羥基的數(shù)目和位置，可以使聚集體的形貌發(fā)生顯著的變化，分別得到納米纖維和囊泡狀超分子聚集體(圖7A，B)。同時發(fā)現(xiàn)聚集體的形成是靜電相互作用，疏水作用及氫鍵的協(xié)同作用的結(jié)果(圖7C，D)。黃建濱課題組89膽酸鈉與金屬離子自組制備了超長的螺旋納米線(圖7E，F(xiàn))，該過程是氫鍵、配位作用、和疏水效應(yīng)等多種作用力協(xié)同效的結(jié)果。隨后利用該金屬-膽酸超分子系統(tǒng)設(shè)計(jì)了溶膠-凝膠和模板自組裝兩種策略，分別合成了SiO2和ZnS螺旋納米材料。我們設(shè)計(jì)了一種簡便有效的模板自組裝策略，以銅離子為無機(jī)組分，膽酸鈉為有機(jī)組分合成了三維花狀Cu3(PO4)2·3H2O納米結(jié)構(gòu)90。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該納米花對降解陽離子染料表現(xiàn)出顯著的催化活性以及較高的穩(wěn)定性。此外，在循環(huán)催化亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)中，納米花至少可以循環(huán)使用六次，表明其在廢水處理方面的應(yīng)用潛力。

圖8 (A)以GSH/NaDC凝膠為模板合成Ag納米粒子91；(B) SC輔助合成的CdWO4納米花隨時間變化的生長過程92，(a) 1 h，(b) 3 h，(c) 6 h，(d) 9 h，(e) 12 h，(f) 24 h；(C) NaDC/Rh自組裝形成的(a)微球結(jié)構(gòu)和(b，c)海膽狀結(jié)構(gòu)及(d) 上層溶液和(e)沉淀的熒光照片93；(D) SC/MB自組裝形成的超長纖維的(a, b)光學(xué)顯微鏡照片，(c)偏光顯微鏡照片，(d-f) SEM、(g，h) TEM和(i)激光共聚焦圖像96Fig. 8 (A) Ag nanoparticles were synthesized using GSH/NaDC gel as a template 91. (B) Growth process of CdWO4 nanoflowers over time based on SC-assisted synthesis 92, (a) 1 h，(b) 3 h，(c) 6 h，(d) 9 h，(e) 12 h，(f) 24 h.(C) The (a) microsphere structure and(b, c) sea urchin structure formed by NaDC/Rh self-assembly and fluorescence photographs of (d) the upper solution and (e) the precipitates 93. (D) Overlength fibres formed by SC/RMB self-assembly，(a, b) Optical microscopy images , (c) POM image, (d-f) SEM images, (g, h) TEM images and (i) CLSM images 96.

染料一般具有廉價易得、功能基團(tuán)多樣化、分子形狀規(guī)則、具有多重作用力等特點(diǎn)，并且很多具有優(yōu)異的光電特性，因此被認(rèn)為是構(gòu)筑功能性微納米材料的理想基元。表面活性劑與染料分子間主要通過靜電力、氫鍵、范德華力以等驅(qū)動力來進(jìn)行。在通常情況下，染料分子與表面活性劑分子作用后形成的復(fù)合物會使染料的溶解性、吸收光譜和染色性能發(fā)生很大變化。

膽酸鈉是最常見膽酸鹽之一，然而關(guān)于其參與制備微納米材料的報道比較少。例如，郝京誠等91以谷胱甘肽(glutathione，GSH)和脫氧膽酸鈉自組裝形成凝膠，該凝膠由超長的螺旋納米線組成，隨后以該螺旋的納米線為模板UV誘導(dǎo)還原制備Ag納米粒子(圖8A)。師進(jìn)生等92利用膽酸鈉作為自組裝前驅(qū)體，在低溫35 °C條件下簡單制備3D CdWO4納米花結(jié)構(gòu)，并用SEM追蹤了其隨時間變化的生長過程，如圖8B所示。近幾年，我們課題組系統(tǒng)研究了膽酸鹽與染料的相互作用。首先，我們以NaDC和染料分子羅丹明B(RhB)為原料進(jìn)行了ISA研究93。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過改變NaDC和RhB兩種物質(zhì)的比例可以得到不同的具有高級結(jié)構(gòu)的形貌，如多孔的微球結(jié)構(gòu)和海膽狀結(jié)構(gòu)(圖8C，a-c)。這種多級結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的超疏水性能，表現(xiàn)出在超疏水材料方面有潛在的應(yīng)用。此外，NaDC和RhB之間的相互作用限制了染料分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移，大大削弱了其自身具有的聚集誘導(dǎo)猝滅性質(zhì)，增強(qiáng)了染料的熒光性質(zhì)(圖8C，d-e)。隨后，我們使用NaOH將體系調(diào)節(jié)至堿性環(huán)境研究其組裝行為的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該體系形成了具有熱致液晶行為和固態(tài)發(fā)光性質(zhì)的海膽狀微晶，將其溶于有機(jī)溶劑，發(fā)現(xiàn)改變有機(jī)溶劑的混合比例可以得到形貌與發(fā)光性質(zhì)不同的溶液，并將其應(yīng)用于Fe3+的檢測94。隨后，我們分別通過ISA策略研究了NaDC與AO95、膽酸鈉(SC)與陽離子染料(MB)96的相互作用，都能制備出具有固態(tài)熒光發(fā)射的復(fù)合物。我們使用光學(xué)顯微鏡(圖8D，a-b)、SEM(圖8D，d-f)和TEM(圖8D，g，h)表征了SC/MB的超長纖維結(jié)構(gòu)，并證明了其具有偏光性(圖8D，c)和熒光性質(zhì)(圖8D，i)。

5 結(jié)語與展望

綜上所述，膽酸鹽作為一類生物表面活性劑，不僅在生物體內(nèi)起到了重要的生理調(diào)節(jié)功能，而且被越來越廣泛地應(yīng)用于超分子自組裝、微納米材料的制備等領(lǐng)域。由于膽酸鹽具有特殊的幾何結(jié)構(gòu)與兩親性使其聚集行為非常豐富，而生物分子如氨基酸、無機(jī)鹽、稀土金屬離子、氧化石墨烯等與膽酸鹽相互作用可以顯著影響其聚集行為，形成膠束、囊泡、凝膠等聚集結(jié)構(gòu)；同時還可以賦予凝膠豐富的光電性質(zhì)、顯著提高凝膠的機(jī)械強(qiáng)度等。另外，膽酸鹽在自組裝制備微納米材料的過程中可以起到模板作用，輔助形成形貌可控且分散性良好的微納米結(jié)構(gòu)；還可以作為構(gòu)筑單元與帶相反電荷的分子自組裝形成超分子結(jié)構(gòu)，制備超疏水材料、熒光探針和電化學(xué)活性納米材料。可以看出，雖然膽酸鹽類生物表面活性劑在超分子自組裝和制備各種功能性納米材料方面得到了一定的發(fā)展，然而，目前的研究重點(diǎn)基本集中于膽酸鹽的模板作用和與染料的離子自組裝，關(guān)于膽酸鹽本身的生物生理方面的功能則利用的較少，所以對膽酸鹽的功能開發(fā)仍然是一項(xiàng)值得繼續(xù)深入研究的課題。我們期望在以后的工作中尋求與生物領(lǐng)域的合作，將膽酸鹽參與自組裝和形成微納米材料后的功能開發(fā)拓展到生理與生物方面，充分發(fā)揮膽酸鹽調(diào)節(jié)膽固醇代謝、增強(qiáng)胰脂肪酶的活性，促使脂肪酸和脂溶性維生素的吸收等作用，以期更好地展現(xiàn)其功能。