金属离子配位驱动聚合物单链纳米粒子的多级自组装

摘要

作为一种模拟天然蛋白结构和功能的方法，单链聚合物纳米粒子研究非常活跃。聚合物前驱体的化学结构可类比于蛋白质初级结构，其单链纳米粒子(single-chain nanoparticles, SCNPs)类比于蛋白质二级结构，SCNP腔室化或粒子自组装则可类比于蛋白质三级结构。本课题组前期报道了利用配位驱动嵌段共聚物的单分子自组装。其残存的质子化咪唑基静电斥力和亲水嵌段的空间位阻在其分子内折叠形成 SCNPs过程中起到重要作用。基于以上认识，本文在亲水性羟基高分子中介入少量(9 mol％)统计分布的组胺衍生咪唑配位单元，探讨金属配位驱动SCNP水溶液多级自组装。
　　本研究主要内容包括：⑴合成组胺甲基丙烯酰胺(histamine methacrylamide, HisMA)和2-羟丙基甲基丙烯酰胺(2-hydroxypropyl methacrylamide, HPMA)单体。通过可见光活化RAFT室温水溶液聚合，制备了结构明确的PHisMA60均聚物(P-1)、PHPMA220-b-PHisMA21嵌段共聚物(P-2)和P(HPMA202-co-PHisMA20)无规共聚物(P-3)。⑵通过电位滴定和紫外可见(UV-vis)光谱，考察了聚合物与铜离子在水溶液中的配位行为。结果表明，HisMA单元去离子化的咪唑基团与Cu(II)配位。HisMA与HPMA单元的分布显著影响咪唑基团与Cu(II)的配位行为。核磁共振氢谱(1H NMR)考察高分子链的折叠行为发现，与嵌段共聚物链折叠相比较，金属配位驱动P-3在水溶液中分阶段链折叠。逐步提高水溶液pH，73%HisMA单元先塌陷；高于pH4.7，HPMA亲水单元被迫与残存的HisMA单元同步塌陷。采用动态光散射(DLS)、核磁共振扩散序谱(DOSY)和原子力显微镜(AFM)，考察了金属离子配位驱动 P-3组装行为。结果表明，pH3.9–4.6内P-3链内折叠，形成包含若干1.2 nm尺度纳米团簇的SCNPs(NP-1)。pH4.6–5.0，SCNPs的纳米团簇之间融合自组装，被迫塌陷的HPMA单元形成疏水微区。pH5.0–5.6区间内，溶胀的NP-2体积收缩，形成包含几个约5 nm尺度的亚微区(subdomain)的组装体，为后续跨尺度自组装提供基本组装单元。pH5.6–7.5内， NP-2作为组装单元进一步自组装成蚕茧状纳米材料。以上结果表明，P-3中少量统计分布的 HisMA单元咪唑基与 Cu(II)进行程序化配位，迫使邻近 HisMA的亲水性HPMA单元同步塌陷。由此驱动聚合物经由 NP-1-to-NP-2-to-NP-3的一系列程序化“自下而上”多级自组装。⑶采用抗坏血酸钠还原多级组装体金属中心，进而降低配位中心配位数。DLS、DOSY和AFM结果表明，加入过量抗坏血酸钠还原组装体金属配位中心后，NP-2重组形成结构与 NP-1相似的内部含若干个纳米团簇的SCNPs，NP-3重组则形成结构与 NP-2相似的含几个纳米亚微区的组装体。水溶液pH驱动的自组装和还原驱动结构重排特征表明，经由SCNP内部复合物纳米团簇的程序化多级组装，可以形成类似蛋白质三级结构的相对独立的腔室化超细(<5 nm)非均质组装结构。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2高分子单链纳米粒子(SCNPs)构建方法研究进展

1.3 SCNPs的多腔室化

1.4 SCNPs的自组装

1.5本论文立题依据、意义及主要内容

第二章 咪唑衍生高分子的合成与表征

2.1引言

2.2实验部分

2.3测试方法

2.4测试结果与讨论

2.5 本章小结

第三章 金属配位驱动高分子单链折叠与多级自组装

3.1引言

3.2实验部分

3.3 测试方法

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第四章 还原驱动的组装结构重排

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 测试方法

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

文章录用及发表情况

致谢