精准宏观超分子组装

宏观超分子组装是近年来超分子科学的新兴研究方向,其本质是表面修饰有大量超分子官能团的宏观构筑基元的界面组装.由于组装过程中存在较多热力学亚稳态,导致最终产生大量非精准组装体,整体结构有序度低,制约了其在高性能超分子材料方面的应用,因此,如何实现精准宏观超分子组装,构建有序超分子结构,成为了制约宏观超分子组装发展的瓶颈问题之一.本专论从宏观超分子组装的概念与组装机制出发,根据宏观超分子组装过程的特点,分析阐述了组装体中存在不同界面匹配度的热力学亚稳态的问题;继而,从能量面的角度展开分析,总结和归纳了提高组装结构有序度的精准组装策略,包括:(1)利用组装体热力学稳定性差异,设计各向异性构筑基元诱导目标组装结构的形成,发展自纠错策略提高组装界面匹配度;(2)引入宏观构筑基元的组装动力学设计,使构筑基元发生自驱动运动并通过界面长程力取向,使组装界面达到高度匹配,实现近热力学平衡态的精准组装,直接获得精准结构.进而,结合精准宏观超分子组装制备的有序结构,我们展望了其在构建组织工程支架方面的应用前景.     

肽超分子自组装:结构调控和功能化

生物分子自组装对生物体有重要意义,利用生物分子构筑具有功能性的有序组装体一直是人们关注的焦点.肽分子是一类重要的组装基元,肽的超分子自组装可形成多种纳米或微米尺度的结构,并可应用于能源、医药等领域.如何实现肽自组装结构的精准调控以及精准调控肽自组装实现功能化,是目前该领域面临的新挑战.肽的自组装是基于非共价键力的协同作用实现的,通过各种因素调节这些非共价键力的作用,是实现自组装结构调控和功能化的关键.虽然自组装结构调控可以通过改变外部环境调控,但是通过精确分子设计、组装基元分子间的相互作用调控可以更好地实现结构的精准调控;并有利于进一步通过引入功能性分子作为组装基元,实现自组装体的功能化.本文将针对肽自组装体的结构调控以及功能化两个方面对相关研究进行综述.     

仿病毒衣壳自组装体及其生物医学应用

仿病毒衣壳结构自组装体具有重要的基础研究和应用价值,是化学、材料、生物医学等多学科前沿交叉领域.本文从天然病毒衣壳的基本结构和特征出发,立足于从结构仿生到功能仿生的角度,综述了以天然病毒衣壳蛋白质和人工合成材料为组装基元构建仿病毒衣壳自组装体的策略,及其形态结构的调控和功能优化等.重点论述了近年来合成肽类分子在仿病毒衣壳自组装体结构和功能方面的进展.同时,就仿病毒衣壳自组装体在药物控释、基因传递等生物医学领域的应用也做了论述.     

基于蛋白质分子自组装体系的构建

蛋白质是一类功能丰富、结构独特的生物大分子,具有高度的自组装特性。氨基酸通过酰胺键形成序列确定的肽链,是蛋白质的基本构成单元。肽链通过弱相互作用控制肽链折叠以及蛋白质高级结构的形成。同时,蛋白质是一种来源丰富、生物可降解以及生物相容性可再生资源,利用蛋白质的自组装特性构建具有生物功能的可控自组装体系是纳米科学、材料科学以及生物医学等学科潜在的研究课题之一。本文从分子科学的角度解析了蛋白质三维结构的自组装特性,进一步探讨蛋白质热变性后自组装、金属诱导的蛋白质自组装、蛋白质与高分子的自组装以及蛋白质杂化体的自组装。旨在进一步认识和理解蛋白质的自组装特性,并为设计和构建结构可控及功能独特的自组装体系提供思路。     

基于P4VP-b-PBzMA嵌段聚合物在乙醇中的聚合诱导自组装

聚合诱导自组装是一种基于活性聚合的新型自组装策略,其特点是可以在较高固含量体系中一步制备不同形貌的聚集体结构.利用可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)活性聚合,在乙醇溶液中合成新型P4VP-b-PBz MA嵌段共聚物,发现聚合诱导自组装过程中聚集体结构发生球→蠕虫→囊泡的连续转变.亲溶剂链段P4VP的变化可有效调控聚集体的结构和尺寸.此外,采用无规共聚方法,研究了P4VP-b-(PHPMA-co-PBz MA)三嵌段共聚物在聚合诱导自组装过程中组装体结构的转变过程.     

基于卤键的谢尔宾斯基三角分形自组装的模拟研究（英文）

采用粗粒化的格点模型和蒙特卡罗方法,对在三角网格表面通过自组装形成了谢尔宾斯基三角分形结构进行了模拟研究。研究发现,对称和非对称基元都可以自发形成谢尔宾斯基三角分形结构,然而对于非对称分子的对映异构体的混合物,由于大量的具有竞争性的三元节点的出现,很难形成更高阶的分形结构。我们还发现,分形结构在表面覆盖度低的时候才会出现,而且对温度较为敏感。此外,为了检测是否可以通过分子设计来控制组装途径和结果,我们通过使用与组装基元不同的模板来实现对自组装过程和结果的控制。其中,模板作为"催组剂"诱导自组装,但不会出现在最终的组装结构中。     

基于气体的动态化学与组装

探索新的组装基元,丰富分子组装策略是推动自组装化学发展的核心,为复杂纳米结构的构筑与功能材料的创制提供了持续动力.气体分子是一类结构简单的资源性化学物质,将其作为外部刺激源调控组装过程与材料性能近年来取得了很大进步.然而,能否将气体分子作为一种组装基元,参与化学组装过程、构建组装材料,我们尚缺乏足够的原理性认识.本文以本课题组的工作为主,系统介绍了广谱气体分子作为一类新型组装基元,通过形成动态气桥键参与分子组装的新原理,着重论述了动态气桥键与其他动态共价键、超分子相互作用截然不同的特性及其微小结构差异影响组装动力学的本质,并总结了气体动态化学驱动的气控组装体系形成与气筑组装材料构建.最后,本文展望了该研究领域当前所面临的机遇和挑战,并提出了未来可能的发展方向.     

层层组装构建蛋白质基多层结构及其生物医用研究进展

对蛋白质基自组装多层结构的发展和生物医学应用进行了综述。详细介绍了蛋白质多层结构的组装原理、组装基元类型、不同物理结构如涂层、微胶囊和纳米管的制备技术。阐述了蛋白质多层结构在抗凝血、抗菌、生物活性涂层、药物控释和生物分离方面的应用。最后对蛋白质基组装体系的优势进行总结,对其进一步的发展方向作了展望。     

超分子手性组装体的构建与应用

超分子手性组装体通常由多种非共价相互作用协同驱动形成,是一类具有独特手性限域微环境的软物质,对材料工程、生命科学、光学器件、催化合成等领域的发展具有重要作用.其主要构建方法分为三种;手性基元组装、手性因素诱导非手性基元组装、非手性基元对称性破缺组装.通过分析近年来的研究成果,归纳了利用这三种方法构建超分子手性组装体的一...     

基于主客体作用构筑的聚集诱导发光型超分子组装体 在生物医用领域的研究进展

主客体相互作用是超分子自组装过程中最重要的作用方式之一,常被用于构建多功能超分子材料.基于主客体相互作用,利用具有聚集诱导发光性质的大环主体分子或客体分子作为自组装基元,构筑具有聚集诱导发光效应的超分子体系,并将其应用于药物递送、细胞成像、生物传感等生物领域,已成为超分子化学的研究热点.从超分子组装体的发光效应分别源于主体分子和客体分子两方面,介绍了近五年来以环糊精、杯芳烃、葫芦脲、柱芳烃及其它大环为主体化合物,基于主客体作用构筑的聚集诱导发光超分子组装体,并对其在生物医用领域的研究进展进行了简要综述.     

多肽分子自组装

源于自然界中广泛存在的蛋白质自组装现象,近年来多肽的自组装逐渐成为材料学和生物医学等领域的研究热点.通过合理调控多肽的分子结构以及改变外界的环境,多肽分子可以利用氢键、疏水性作用、π-π堆积作用等非共价键力自发或触发地自组装形成形态与结构特异的组装体.由于多肽自身具有良好的生物相容性和可控的降解性能,利用多肽自组装技术构建的各种功能性材料在药物控制释放、组织工程支架材料以及生物矿化等领域内有着巨大的应用前景.本文总结了近年来多肽自组装研究的进展,介绍了多肽自组装技术常见的几种结构模型,概括了多肽自组装的机理,并进一步阐述多肽自组装形成的组装体形态及其在材料学和生物医学等领域里的应用.     

纳米粒子的程序化自组装研究进展

纳米粒子的自组装作为自下而上构筑纳米组装结构的简便且高效的策略而受到广泛关注,但在组装结构的精准性、多样性以及可操控性等方面仍面临较大的挑战.纳米粒子的程序化自组装是指特定的纳米粒子基元按照预先编好的程序自发排列成位置和取向等空间排列方式受到精准调控的组装结构,其更强调任意构筑一系列符合预先设定结构的多种形式纳米粒子组装体.本文总结了应用于纳米粒子程序化自组装的四类常用策略,即类原子成键、区域选择性修饰、模板引导和物理场调控,着重评述了近年来该领域的一些重要进展,并对纳米粒子程序化自组装的未来发展做了展望.     

基于金属配位的螺旋折叠体研究进展

利用非共价键作用组装构建的人工折叠体系来模拟生物体内蛋白质、DNA等生物大分子结构,有利于从分子水平上理解生命现象的化学本质,因此折叠体已经成为超分子化学的一个重要研究领域.配位键具备较强的键强度和多样的几何构型,是超分子折叠体自组装过程中最常用的一种作用力.重点介绍了几种金属配位螺旋折叠体,包括单螺旋折叠体系、双螺旋折叠体系、三螺旋折叠体系、四螺旋折叠体系和环状螺旋折叠体系,并简单介绍了这些有机配体分子在金属离子诱导下的折叠行为以及不同超分子结构间的重组,同时对金属配位螺旋体的发展前景加以展望.     

二维有机组装体的可控制备

二维有机组装体是一类具有特殊形貌和性质的有序结构, 有可能带来新功能和光电子领域的潜在应用, 但如何实现二维有机组装体的可控制备是尚待解决的问题. 针对这一问题, 我们通过对构筑基元的理性设计, 调控分子间的相互作用, 发展了三种可控制备二维有机组装体的新方法: (1)利用疏水有机阴离子作为Bola型两亲分子的抗衡离子, 能够削弱亲水头基间的静电排斥作用, 从而诱导两亲分子的组装结构从一维向二维转变; (2)基于非共价键形成超两亲分子, 通过设计和控制超两亲分子的拓扑结构, 简便有效地实现二维组装体的制备; (3)通过共价修饰或引入新的非共价键, 以限制三维结构在某一方向上的生长, 从而降低三维结构的维度, 也能实现二维组装体的可控制备. 未来, 上述研究有望进一步拓展, 并实现功能二维有机组装体的构筑.     

基于几何约束的蛋白质-配体准确结合自由能计算

蛋白质-配体的结合过程伴随着复杂的结构变化, 在分子模拟可及的时间尺度内难以完全捕获, 这使得准确估计蛋白质-配体的结合自由能十分困难. 一种有效的解决途径是采用几何约束减小需要采样的构象空间, 再通过后处理方式扣除约束的影响. 本文综述了三种几何约束策略——漏斗状约束、球形约束和七自由度约束与自由能计算算法结合准确计算结合自由能的原理和进展, 重点概述理论严谨的七自由度约束的最新进展以及与Alchemistry或重要性采样方法的联用策略, 最后, 讨论了如何针对不同体系选择合适的计算策略以及蛋白质-配体准确结合自由能计算在药物设计等领域中的挑战和前景, 并提出了将上述方法进一步运用于研究更复杂的蛋白质-蛋白质问题的可能性.     

芳基柔性二齿配体在金属超分子自组装中的结构调控作用

芳基柔性二齿佤体的配位构型多变，使得其金属配合物的结构丰富多彩。该文介绍了15种该类配体及其相应的金属配合物的结构与性质和自组装策略，对其在超分子自组装中的结构调控作用作了概述。     

阴离子在构筑配位聚合物网络结构中的作用

本文结合近年来我们的研究工作及国内外相关研究进展，概述了利用金属离子和简单有机配体通过配位自组装构筑配位聚合物过程中阴离子因素的作用，并进一步展望了今后的研究和发展方向。     

刀豆球蛋白A诱导的葡聚糖纳米凝胶高层级自组装

基于葡聚糖这类结构明确的水溶性多糖,以接枝聚合诱导自组装法(GISA)制备得到具有交联结构的葡聚糖纳米凝胶。在此基础上,利用刀豆球蛋白A(Con A)与葡聚糖中葡萄糖单元之间的特异性识别作用,诱导葡聚糖纳米凝胶的高层级自组装,从而制备尺度可控的Con A-葡聚糖纳米凝胶高层级自组装体。通过透射电镜、红外光谱、核磁共振光谱、等温滴定量热法等手段对高层级自组装体的粒径、结构和形貌进行表征,探讨了其高层级自组装的机理。此外,还探究了Con A以及Con A-葡聚糖纳米凝胶高层级自组装体对人肺癌细胞A549的细胞毒性。结果表明:该自组装体的尺寸同葡聚糖与Con A的质量比直接相关;游离的Con A对A549细胞具有抑制作用,且Con A在参与高层级自组装的过程中生物活性保持不变。     

有机-金属超分子化合物的合成、结构及性质研究

本论文设计合成了一系列含功能团的有机配体,并研究了它们与金属离子的自组装、组装体结构以及物理化学性质.取得了一系列创新性成果,主要包括以下几个方面:1.合成了不同连接链长、两端带有蒽基的双胺配体,使与锌、银、钯离子进行组装,得到了一系列不同结构的超分子化合物,测定了它们的晶体结构,研究了其光物理性质.证明了在水存在下,由丙二胺缩合得到的配体与锌离子作用形成的配合物聚集体中,蒽呈T-型二聚体.2.研究了双吡咯席夫碱或柠檬酸为构筑单元的有机-金属自组装,以及过渡金属、金属-配体比例、反应条件对组装体结构的影响,得到了一系列的网络结构,并研究了它们在溶液中和固态的光谱性质和热行为.研究发现,通过简单改变吡咯席夫碱间隔体的长度,就能显著调节配合物的超分子结构;而通过改变金属-配体反应的投料比,就可以得到具有不同堆积方式的二维或三维氢键网络.     

超声和光双重调控的AB_2主客体型两亲分子的超分子自组装与程序化控释研究

合成了一种同时含有单偶氮苯基团和双β-环糊精单元的AB2型两亲分子(Azo-CD2),并通过核磁共振谱和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱对其结构进行了表征和确认.动态光散射和透射电子显微镜测试结果表明,在水溶液中,Azo-CD2在无任何外界刺激的条件下可自发地形成球形自组装体,而当施加超声振动后逐渐转变为超分子超支化聚合物自组装体;该自组装体被进一步施加紫外光辐射后可解离成尺寸较小的支化聚集体,而其在可见光辐射下又可以可逆地变回原来的超支化自组装形貌.利用紫外分光光度计测试Azo-CD2自组装体对抗癌药物阿霉素(DOX)的释放曲线发现,通过超声和光的双重调控作用可实现Azo-CD2自组装体对DOX的程序化控制释放.利用一维1H-NMR谱和二维NOESY谱进一步阐明了Azo-CD2自组装体形貌转变过程与其程序化控释结果的相关关系.