仿贻贝粘性高分子的应用进展

海洋贻贝类生物的足丝分泌蛋白几乎能够在所有基底材料上实现高强度、高韧性的粘附,且不受水或者潮湿环境影响。这种环境友好、条件温和的高效生物粘附剂引起了研究人员的兴趣,尤其在粘附机理和应用前景方面更是研究人员关注的重点。大量研究表明,贻贝超强的粘附能力与其分泌的粘附蛋白中高含量的3,4-二羟基苯丙氨酸(多巴,DOPA)单元相关。受贻贝粘附蛋白的启发,人们研究发现,多巴胺(DA)分子具有与之相似的官能团,聚合后有相似分子结构,使用聚多巴胺替代聚多巴,可以在基体表面达到相似的粘附性能。本文简单介绍了仿贻贝粘性物质中的代表多巴胺自聚合形成聚多巴胺(PDA)与粘附机理,并重点介绍了近年来DOPA衍生物在表面改性、催化、生物防污及生物医学领域的应用和前景。     

仿贻贝黏附高分子的研究进展

贻贝具有极强的水下黏附能力,其分泌的黏附蛋白能够黏附在包括聚四氟乙烯（PTFE）在内的几乎所有基底材料上。贻贝不受水或者潮湿环境影响的特殊黏附性能有望指导制备新型水下黏附剂,因而引起了研究人员极大的关注。受贻贝水下黏附机理的启发,通过模仿贻贝黏附蛋白分子结构,研究人员设计制备了多种具有强黏附功能的高分子并探索了相关应用...     

仿壁虎和贻贝黏附材料

自然界中的动物和植物经过45亿年长期的进化使其结构与功能达到近乎完美的程度,实现了结构与功能的统一。黏附材料在生物医学、建筑等领域都具有重要的应用价值。受自然界中具有优异黏附特性的生物材料启发(如壁虎、贻贝等),国内外许多课题组相继开展了仿生黏附材料的研究。根据黏附机理的不同,黏附材料大致可分为可逆黏附和永久黏附两大类。壁虎的可逆黏附是基于其脚趾多尺度微纳结构与接触面间的范德华力,贻贝的永久黏附则源自其分泌的黏附蛋白。本文就壁虎、贻贝及其他生物黏附材料的黏附机理及其相应仿生黏附材料的国内外研究现状进行简要的综述,并对该领域未来的发展方向作了展望。     

含多巴胺的贻贝仿生聚氨酯

将具有神奇黏附效果的贻贝黏附蛋白中的功能元——儿茶酚(catechol)与具有结构可设计、简单易得、低成本的聚氨酯相结合,制备新型高性能的贻贝仿生聚氨酯黏附材料.首先,通过异氰酸酯化学合成了含羧基的聚氨酯,接着通过碳二亚胺化学将含有儿茶酚功能团的多巴胺(dopamine)和含羧基的聚氨酯相结合制备了含多巴胺的聚氨酯.经过傅立叶转换红外光谱(FTIR)、核磁共振(NMR)和紫外-可见分光光度仪(UV-Vis)等分析测试研究结果表明,多巴胺确实已被引入到聚氨酯中;同时,通过测试搭接剪切强度研究了其粘接性能,结果表明含多巴胺的聚氨酯相对于含羧基的聚氨酯的粘接性能得到大幅提高,其对金属基材的粘接强度提高了30%左右,达到5.2MPa,可以与贻贝黏附蛋白相媲美.     

基于贻贝启发的水下仿生胶黏剂

海洋中的贻贝依靠丝足(Byssus)与足盘(Plaque)可以在潮湿及水下环境中快速而牢固地黏附于各种固体表面。贻贝强健的足部具有沟渠状的生理结构,通过类似于“注塑生产”的生理过程,它们可以生成丝足与足盘。贻贝将液态的蛋白质挤压到沟渠里,只需几秒钟时间,这些蛋白质就能形成一条条发丝一样纤细的丝足。每条丝足的末端都有一个黏性足盘,足盘可以牢牢地黏附在岩石及固体表面。丝足及足盘由多种黏附蛋白(Mfps)组成,且几乎每种黏附蛋白都含有L-3,4-二羟基苯丙氨酸(DOPA)成分。在过去的数十年间,科研人员基本揭示了贻贝黏附蛋白的结构及其黏附机理。DOPA的儿茶酚基团,通过氧化交联、金属螯合、氢键、静电作用、疏水作用、π-π作用、阳离子-π作用等各种共价和非共价相互作用,实现强大的界面黏接。基于贻贝黏附蛋白的结构及其黏附机理,通过使用DOPA及其类似物修饰的聚合物体系,人们得到了多种具有优秀机械性能和功能化的新型仿生多巴类水下胶黏剂。本综述首先介绍了贻贝黏附蛋白的组成特点及其黏附机理;随后分别介绍了凝聚层类胶黏剂、水凝胶类胶黏剂、智能型水下胶黏剂的结构特点及黏附机理;最后讨论了目前仿生水下胶黏剂存在的问题及未来发展前景。     

动态硼酸酯键管控邻苯二酚基团与功能黏附性高分子设计

“黏附”是一种普遍存在的多尺度相互作用,其实质是界面处化学键、氢键或范德华力等的形成.近年来,在贻贝仿生的基础上将黏性因子邻苯二酚基团嵌入到动态硼酸酯聚合物中,成为了功能黏附性高分子的重要发展方向.本专论从分子黏附、微/纳表面黏附和宏观表面黏附3个尺度,介绍硼酸酯键管控邻苯二酚基团在高分子材料功能化方面的研究进展.分子黏附,主要讨论硼酸酯聚合物中邻苯二酚基团与分子或离子相互作用规律及其对材料形貌和刺激响应性能的调控;微/纳表面黏附,论述硼酸酯聚合物体系超分子驱动力和组装机制,介绍其在微/纳材料功能化改性方面的研究进展;宏观表面黏附,讨论硼酸酯键管控邻苯二酚基团与黏附性能调控的关联规律,介绍硼酸酯聚合物功能黏附材料在宏观组装、攀爬机器人领域的应用.最后,从新型硼酸酯聚合物设计、动态键精准管控和器件化应用的角度,对该领域未来前景和发展趋势做出了展望.     

含儿茶酚基团的湿态组织粘附水凝胶

湿态粘附作用对于生命的孕育和发展具有重要意义。水凝胶是一类兼具固液特性的智能材料,组织粘附水凝胶因多功能性和生物相容性而被广泛应用于伤口闭合和修复、细胞工程、组织工程等领域。然而,湿态组织表面的水合层阻碍了组织粘附水凝胶与组织表面形成界面粘附键。面对这一挑战,受海洋贻贝足丝蛋白中DOPA的儿茶酚基团是水下粘附的关键结构的启发,含儿茶酚基团的湿态组织粘附水凝胶的研究引起了广泛关注。本综述介绍了贻贝足丝蛋白(Mfps)的结构及湿态粘附机理,并将儿茶酚衍生物分为天然Mfps或利用基因工程合成的Mfps、含儿茶酚基团的小分子化合物、儿茶酚基团改性的天然高分子以及含儿茶酚基团的合成功能高分子;随后,概述近十年含儿茶酚基团的湿态组织粘附水凝胶在组织创口修复材料、生物涂层材料、靶向型药物输送材料、生物电子设备材料的研究进展;文末,展望了此类水凝胶材料未来发展面临的机遇和挑战。     

微液滴在仿蛛丝结构TiO_2纤维表面的定向运动与粘附

制备了具有响应性的仿蛛丝周期纺锤节TiO2纤维。通过改变纤维表面微观结构、紫外光照和超声波等手段,仿蛛丝结构TiO2纤维表面浸润性会发生响应性变化。纤维表面的这种浸润性变化,不仅实现了水滴从纺锤节两端到中心处的定向运动,而且可以使得水滴被纤维纺锤节粘附。当仿蛛丝结构TiO2纤维表面为亲水状态时,无论纺锤节光滑还是粗糙,水都是从纺锤节两端向中心方向运动;当仿蛛丝结构TiO2纤维表面疏水时,水滴会被具有粗糙表面的纺锤节两端粘附。     

微液滴在仿蛛丝结构TiO2纤维表面的定向运动与粘附

制备了具有响应性的仿蛛丝周期纺锤节TiO₂纤维。通过改变纤维表面微观结构、紫外光照和超声波等手段,仿蛛丝结构TiO₂纤维表面浸润性会发生响应性变化。纤维表面的这种浸润性变化,不仅实现了水滴从纺锤节两端到中心处的定向运动,而且可以使得水滴被纤维纺锤节粘附。当仿蛛丝结构TiO₂纤维表面为亲水状态时,无论纺锤节光滑还是粗糙,水都是从纺锤节两端向中心方向运动;当仿蛛丝TiO₂纤维表面疏水时,水滴会被具有粗糙表面的纺锤节两端粘附。     

贻贝黏附蛋白启发的甲壳素纳米晶须增强湿态黏附水凝胶的研究

报道了一种力学性能优良,湿态生物组织黏附能高的黏附水凝胶.该凝胶由丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯和3-三烯十五烷基-1,2-邻苯二酚共聚,与壳聚糖复合、并由甲壳素纳米晶须增强而成.该凝胶网络含有可逆和不可逆交联作用.其中可逆物理作用包括阴阳离子聚电解质静电吸引、烷基链疏水缔合、苯环π-π堆积、阳离子-π、氢键和拓扑纠缠.由这些物理键形成的次级网络的可逆形成/破坏为水凝胶形变提供了能量耗散,从而提升了其断裂韧性.另一方面,水凝胶的快速吸水能力破坏了湿润基体表面的水合层,使凝胶表面基团能与组织表面形成物理键和化学键的界面相互作用,从而共同促进水凝胶与湿态组织的强韧黏附.水凝胶的断裂强度可达276.4 kPa,对湿润猪皮的界面黏附韧性可达831 J/m²,在水下对猪皮的界面黏附韧性约达236 J/m²,猪皮和猪肝伤口闭合强度分别可达26.2和16.5 kPa.该黏附凝胶适合作为免缝合的伤口闭合黏胶材料.     

中国超分子聚合物的研究与动态

超分子聚合物是高分子科学与超分子科学交叉的研究方向.超分子聚合物的研究在中国引起了学术界的广泛兴趣,中国的学者们对推动此研究领域的发展做出了贡献,并在新的超分子聚合方法、可控超分子聚合以及功能超分子聚合物等方面取得了一系列重要的创新成果.本文总结和评述了中国超分子聚合物的研究与动态,并展望了超分子聚合物化学、超分子聚合物物理、超分子聚合物表征及功能超分子聚合物的未来发展.     

Group 4 Metal-Containing Polymers: An Overview

This review describes the recent advances in the chemistry of titanium-, zirconium-, and hafnium-containing polymers. The paper does not focus on the catalytic role of molecules including metal in their structure, but instead, on the different ways to incorporate these group 4 metals in macromolecular structures. The synthetic approaches of these structures are exposed, according to the three different routes listed, which are the blending, the chemical modification, and the direct polymerization. A particular interest is accorded to the applications of these group 4 metal-containing polymers, which impact various fields such as ceramic, biomedical, and photovoltaic materials.     

聚合物单分子力谱的研究进展

在单分子水平研究聚合物体系的分子内及分子间相互作用, 对于揭示其结构-性能的关系, 进而实现对相应功能的调控极为重要. 基于原子力显微镜技术(AFM)的单分子力谱, 由于其操作简单且适用面广, 在单分子研究领域得到了广泛的应用. 本文概括了该技术在生物高分子及合成高分子体系的研究进展. 对于生物高分子体系, 主要介绍了核酸(DNA/RNA)、 蛋白质和多糖(淀粉)的单分子力谱研究及利用各自力学指纹谱对其它分子间的相互作用的研究. 对于合成高分子体系, 主要介绍了聚合物的一级结构与单链弹性的关系及溶剂和聚集态结构等对高分子单链力学性质的影响规律.     

Adsorption of Mussel Protein on Polymer Antifouling Membranes: A Molecular Dynamics Study

Biofouling is one of the most difficult problems in the field of marine engineering. In this work, molecular dynamics simulation was used to study the adsorption process of mussel protein on the surface of two antifouling films—hydrophilic film and hydrophobic film—trying to reveal the mechanism of protein adsorption and the antifouling mechanism of materials at the molecular level. The simulated conclusion is helpful to design and find new antifouling coatings for the experiments in the future.     

合成高分子基温敏水凝胶在眼病治疗中的研究进展

由于眼部存在角膜/结膜屏障、血-房水屏障和血-视网膜屏障等,有效的眼部给药依然面临巨大挑战.近年来,温敏水凝胶在眼部给药领域受到了广泛关注.在室温下,温敏水凝胶材料呈液态,便于以局部滴加或玻璃体内注射的方式给药;当与眼部接触升温并超过其临界成胶温度时,能以物理交联的方式快速凝胶化,从而实现原位缓释给药,提高药物生物利用度.在众多温敏水凝胶材料中,合成高分子具有材料和功能多样化等优势,其中较常见的为泊洛沙姆、聚乙二醇/聚酯和聚(N-异丙基丙烯酰胺).本综述首先介绍了以上3类合成高分子基温敏水凝胶材料的制备方法和成胶特性.然后,围绕眼部给药存在的难点,探讨这些温敏水凝胶在治疗角膜病、干眼症、青光眼和眼部炎症等各种眼病中的相关研究进展.最后,我们比较了这3种水凝胶在使用性能上的优缺点,并对未来眼科温敏水凝胶的材料设计提出了设想和展望.     

Determination of chlorogenic acid in coffee using a biomimetic sensor based on a new tetranuclear copper(II) complex

A new tetranuclear copper(II) complex which mimics the active site of catechol oxidase was synthesized and characterized by IR, CHN, electronic spectroscopic and ¹H NMR methods. The title complex [Cu₂(μ-OH)(bpbpmp-NO₂)]₂[ClO₄]₂ was employed in the construction of a novel biomimetic sensor and used in the determination of chlorogenic acid by square wave voltammetry. The performance and optimization of the resulting biomimetic sensor were studied in detail. The best response of this sensor was obtained for 75:15:10% (w/w/w) ratio of the graphite powder:nujol:Cu(II) complex, 0.1 mol L⁻¹ phosphate buffer solution (pH 7.0), with frequency, pulse amplitude, and scan increment at 30 Hz, 100 mV, and 3.0 mV, respectively. The chlorogenic acid concentration was linear in the range of 5.0 × 10⁻⁶ to 1.45 × 10⁻⁴ mol L⁻¹ (r = 0.9985) with a detection limit of 8.0 × 10⁻⁷ mol L⁻¹. This biomimetic sensor demonstrated long-term stability (250 days; 640 determinations) and reproducibility, with a relative standard deviation of 10.0%. The recovery study of chlorogenic acid in coffee samples gave values from 93.2% to 106.1% and the concentrations determined showed good agreement when compared with those obtained using capillary electrophoresis at the 95% confidence level.     

功能性PolyNIP AAm系高聚物

本文总结了聚Ｎ－异丙基丙烯酰胺系温度敏感性高聚物研究的最新进展。对线型，水凝胶及基材接枝聚合物的制备方法，性质及应用研究几个方面进行了较为全面的详述。     

结构原子组成对Keggin型杂多酸铯盐上丙烷选择氧化性能的影响

系统地研究了具有不同结构原子组成的Keggin型杂多酸铯盐上丙烷选择氧化性能,重点考察了H3+n-xCsxPMo12-nVnO40(n=0-4,x=0-3)系列化合物以及H0.5Cs2.5PW12O40,H1.5Cs2.5PW11VO40和H1.5Cs2.5SiMo12O40样品.应用BET,UV-Vis,FTIR,XRD,TPR和SEM等手段研究了催化剂的物化性质.V取代Mo增加了H3+nPMo12-nVnO40(n=0-4)系列杂多酸的酸量和氧化性能.Cs+对质子的取代调变了样品的表面酸性以及氧化还原性,同时催化剂的热稳定性也随着Cs+取代数的递增而增强,当Cs+的取代数达到2以上时催化剂的热稳定性较好.Cs+取代对H3+n-xCsxPMo12-nVnO40(n=0-4,x=0-3)催化剂上丙烷选择氧化性能有重要影响.随着一级结构中V5+取代数目的增多,可能的Cs+取代数目相应减少;而对丙烯酸的选择性则存在一适宜的Cs+取代数目.Keggin型杂多阴离子的结构原子组成及平衡离子的种类和数量决定了其酸性、氧化还原性和热稳定性,这是影响该类催化剂上丙烷选择氧化性能的首要因素.研究结果表明,以P为中心原子,以Mo和V为配位原子的杂多酸铯盐[x(Cs+)=2.5]具有较好的催化性能.     

一维酞菁聚合物的从头算晶体轨道研究

用密度泛函自洽场晶体轨道方法计算了几种一维酞菁聚合物及其取代衍生物的能带结构和电子性质,得到这些聚合物均是半导体.研究发现,聚合方式和共轭程度的差异不仅影响能隙的大小,而且影响能带的形状.取代基对聚合物能带形状的影响不大,但取代基的电子特性对能带的位置高低起到一定的作用.     

两种环境敏感高分子在相分离免疫分析中的比较研究

进行了两种环境敏感高分子在相分离免疫分析嗜水气单胞菌外膜蛋白(outer membrane protein, OMP)中的比较研究. 首先合成温度敏感高分子聚N-异丙基丙烯酰胺和pH敏感高分子聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸), 分别以N-羟基琥珀酰亚胺丙烯酸酯(NAS)和碳二亚胺(EDCI)作为偶联剂与抗OMP抗体(Ab)偶联形成抗体复合物(Ab-polymer), 在竞争型免疫测定中, OMP标准溶液与异硫氰酸荧光素标记OMP在均相条件下竞争性地与Ab-polymer反应, 调节外界环境分离出高分子免疫复合物沉淀, 重新溶解后荧光法定量, 两种体系的OMP浓度均在400～3000 ng/mL范围内与荧光强度呈良好线性关系, 检出限分别为84.7和39.6 ng/mL. pH敏感高分子相比于温度敏感高分子具有以下优点: 可以在37 ℃的生理温度进行免疫反应, 进一步提高了免疫反应的速度和效率; 可利用高分子本身的活性基团进行Ab的固定, 固定化效率、固定Ab的免疫反应活性较之NAS偶联法得到了提高; 有更高的检测灵敏度. 因此, pH敏感高分子更适合于作为相分离免疫分析的载体.