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G-四链体等超分子结构的组装和调控

厉晓杨  
【摘要】:目前,自组装技术已经成为了制备以超分子为基础的新材料的重要方法。由于具有特有的生物相容性和生物可降解性等优势,生物小分子成为了非常重要的组装单元。通过自组装形成的凝胶由于具有丰富的刺激响应性等特点,在生物医药、纳米技术和环境科学等领域表现出良好的应用前景。聚合物分子也可以构筑丰富的自组装结构。由于具有较高的分子量,聚合物分子表现出与小分子不同的自组装行为。本论文构筑了丰富的组装结构,研究了多种超分子体系的组装机理、结构与性质之间的关系以及结构的转变与调控。通过共价、动态共价以及非共价修饰等多种方式对构筑基元进行衍生化,研究了分子的自组装行为。通过改变阳离子的种类、分子的组成和浓度等调控分子间的非共价相互作用,探究了影响分子自组装的因素。本论文主要内容包括以下四个部分。一、设计了三种含有不同烷基链长的组氨酸衍生物NIPCA、UIPCA和TIPCA,研究了它们与柠檬酸的自组装行为。所有的组氨酸衍生物都能与柠檬酸组装形成凝胶。随着烷基链长的增加,胶凝能力变弱,形成凝胶的机械强度降低。组氨酸衍生物和柠檬酸复合组装结构的形成是静电作用、氢键和疏水作用协同作用的结果。凝胶在水溶液中对荷电染料表现出优异的释放选择性,有可能用于荷电染料的分离。二、研究了金属离子的类型和浓度对G-四分体堆积方式的影响。一价的金属离子K+能够促进G-四链体的形成,并且兼具异极堆积和同极堆积两种方式,形成的凝胶具有较弱的机械强度。而二价的金属离子(Ca2+、Sr2+和Ba2+)在一定的浓度下,由于和硼酸盐之间的离子桥联作用,能够限制G-四分体的堆积方式,形成的凝胶的机械强度也随离子浓度的增大而增强。通过对微观结构的观察发现,对于Ca2+和Ba2+,在合适的浓度下,G-四链体组装形成了具有左手手性的规则扭曲的纤维。此外,还发现了由G-四链体纤维组装形成的向列相液晶液滴,其纤维取向垂直于界面。利用Frank-Oseen弹性能量和Rapini-Papoular各向异性表面能合理地解释了液滴的两种构型。这些结果加深了对G-四链体的结构和G-四链体纤维的理解,为它们在自组装和生物材料方面的应用奠定了基础。三、研究发现,阳离子表面活性剂CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)能够促进G-四链体结构的形成。CTAB的烷基链的疏水作用对于G-四链体凝胶的形成起了至关重要的作用。CTAB含量的改变能够调控形成的组装体的结构和形貌,同时还可调节样品由凝胶/溶胶两相转变为均一的溶胶相。我们还对G-四链体凝胶的流变学性质和水含量进行了深入研究,并利用MacKintosh理论对其机械性能和水含量之间的关系进行了合理的理论解释。这让我们对G-四链体结构的构筑和调控有了新的理解。四、利用液/液界面调节嵌段共聚物的自组装。以HAuC14水溶液作上相,聚(2-乙烯基吡啶)-嵌-聚己内酯(P2VP199-b-PCL22)的氯仿溶液为下相,形成液/液界面。透射电子显微镜(TEM)观察结果表明,在下相中发生了由环形结构和片状结构到囊泡和大复合囊泡的结构转变。研究证实,囊泡和大复合囊泡的形成经历了聚合物在液/液界面的吸附和脱附以及在下相中的聚集和微相分离这一过程。在组装过程中形成了 Au纳米颗粒,并且均匀地分散在囊泡的双分子层结构中。HAuC14和P2VP199-b-PCL22的浓度对自组装行为有影响,在较高的浓度下形成了“项链状”结构。研究还发现,形成的聚集体结构与聚合物P2VP-b-PCL的组成有关,这可以通过临界堆积参数p解释。


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