王曉安 宋波

摘 要：超分子聚合物是指以非共價(jià)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(gè)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(guó)防及醫(yī)藥學(xué)方面有了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，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(jiǎn)要介紹近年來超分子聚合物的制備，重點(diǎn)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(jià)聚合物相比較，共價(jià)聚合物單體之間通過共價(jià)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(jià)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(jià)鍵作用具有鍵能較低，形成可逆與對(duì)溫度等敏感，易解離等特點(diǎn)。[1]

也正是因?yàn)榉枪矁r(jià)鍵作用的這種動(dòng)態(tài)可逆特性，超分子聚合物往往能在共價(jià)鍵與非共價(jià)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(jià)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(duì)外界破壞造成的損傷，進(jìn)行自我修復(fù)，同時(shí)其非共價(jià)鍵對(duì)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(jiǎn)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(diǎn)。

東京大學(xué)Takuzo Aida教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)自修復(fù)，且在短時(shí)間內(nèi)能恢復(fù)功能強(qiáng)度。這項(xiàng)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(shí)間較早，合成簡(jiǎn)單，同時(shí)具有豐富的主客體識(shí)別能力，在超分子聚合物的構(gòu)筑和陽離子的檢測(cè)方面有較大應(yīng)用空間。國(guó)內(nèi)黃飛鶴課題組，就曾基于冠醚和穴醚的醚客體分子識(shí)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?cè)谒芤褐械男再|(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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了顯著的磁共振信號(hào)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(huì)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(shì)。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(duì)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(gè)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(duì)稱，更剛性。對(duì)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(cè)，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(bào)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(dòng)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(shí)現(xiàn)在水相中的選擇性識(shí)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(diǎn)賦予了其在構(gòu)筑超分子材輯方面極大的優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)之一。黃飛鶴課題組報(bào)道了一種基于長(zhǎng)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(gè)溶劑驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)和壓縮的雛菊鏈。并通過多種測(cè)試手段表征了這個(gè)聚合物的組裝和溶劑驅(qū)動(dòng)的伸縮過程。這個(gè)工作為將超分子聚合物走向仿生材料邁出了堅(jiān)實(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)兩親性肽結(jié)構(gòu)的改變，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)西北大學(xué)Stupp教授及其團(tuán)隊(duì)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(jí)長(zhǎng)絲。當(dāng)溶液中混入可形成雙螺旋互補(bǔ)的DNA序列時(shí)，細(xì)絲中的DNA分子會(huì)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(jiǎn)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(gè)簡(jiǎn)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(huì)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(chǔ)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(xiàng)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?yàn)楫?dāng)大腦或脊髓受傷或患病時(shí)，它們會(huì)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(jiǎn)單細(xì)絲的材料上時(shí)，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(shí)，它們變得具有反應(yīng)性。然后，當(dāng)分層結(jié)構(gòu)被拆解時(shí)，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(duì)的研究表明，新材料會(huì)觸發(fā)腦細(xì)胞中的這些表型轉(zhuǎn)化，這對(duì)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(huì)。

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（作者單位：蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部）