多价离子对高分子电解质透明质酸构象的影响及其相互作用的分子机理研究

The objective of this project is to study the topological behavior and intermolecular forces of polyelectrolyte Hyaluronic acid in multivalent counterion solution at surfaces. Hyaluronic acid would be fixed on the solid/liquid interface through three ways - physical adsorption, chemical modification of the polymer surface and polymer's chemical anchoring to the substrate. The polymer-coated surfaces can be characterized through atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), ellipsometry, dynamic light scattering (DLS) in order to determine the surface properties, adsorption activities and secondary folding of Hyaluronic acid and illustrate the relationship between polyelectrolyte surface charges and its topology prepared as above. Next, the surface forces and interaction free energy between Hyaluronic acid layers would be measured to investigate the mechanism of how the solution conditions and counterions, particularly divalent ions, affect the conformation and interactions of Hyaluronic acid layers. By establishing a model system and identifying the relationship between multivalent ions and polyelectrolyte interfacial topology, the understanding and application of charged polymer can be expanded further than the current DLVO theory. Such fundamental study could benefit and lead to more innovative polymer-based material design in the future.

本项目旨在分子层面上研究高分子电解质聚合物（polyelectrolyte）透明质酸在多价离子溶液界面上的拓扑构象及分子间作用力的变化。将透明质酸通过物理吸附、化学修饰高分子表面及基层表面化学锚定等三种方法固定在界面,首先利用原子力显微镜(AFM),透射电镜(TEM),椭圆偏振仪，动态光散射等手段检测透明质酸层的表面性质，吸附行为和分子折叠的二级结构,明确透明质酸层的表面电荷与拓扑结构之间的关系。然后通过测量高分子层之间的表面力与反应自由能,揭示溶液环境和抗衡离子,尤其是二价离子对透明质酸分子层形态和功能的影响。最后总结分析,建立分子模型,阐明多价离子对高分子的构效影响以及对高分子层之间的表面力和反应自由能的调控机理，明确抗衡离子的类型与分子表面电荷及界面的拓扑结构之间的关系，拓宽和完善DLVO理论在高分子电解质领域的应用，为未来新型高分子材料的设计奠定基础。

透明质酸是生物体内常见的重要生物大分子。近年来,大量文献报道了关于透明质酸及其衍生物在生物医学材料及免疫方面的应用。但是，透明质酸具有大分子量和电荷性，结构较为复杂，它们发挥作用的机制机理目前尚未阐明。本项目通过物理吸附、化学接枝、化学吸附三种方法将不同分子量的透明质酸固定在固液界面,得到具有良好界面活性的透明质酸分子层。然后分析透明质酸层在固液界面上的表面特性并进行相关参数的计算，推导其单分子在界面上的可能拓扑构象为环状、链条状和尾 链状。. 根据原子力显微镜(AFM)、石英晶体微天平分析（QCM-D）、傅里叶转换红外光谱（FTIR）等分析手段和数据结果检测透明质酸的吸附行为和分子折叠的二级结构,解析了透明质酸层的表面电荷与拓扑结构之间的关系，证明了二价离子对透明质酸分子与带相似电荷的表面之间的搭桥的电荷反转作用。.在此基础上，观测了在多价离子溶液环境下抗衡离子对透明质酸表面的调控及对高分子之间相互作用的影响，对不同拓扑结构的透明质酸层的分子结构特征及溶液条件与其表面性质、构象变化和高分子层相互作用进行了偶联分析，发现透明质酸层分子层的构象与其分子量直接相关，其含水量和粘弹性随着溶液离子的类型和浓度而变化。. 最后总结数据和分析结果,建立分子模型,解析了Mg2+等离子对透明质酸高分子的构效影响以及对高分子层之间的表面力和反应自由能的调控机理，揭示了分子表面电荷调节界面分子的拓扑构象转换和分子层参数之间的关系，为未来新型高分子材料，尤其是基于透明质酸及其衍生物的生物材料的设计提供了实验证据。本项目已在SOFT MATTER等杂志发表研究论文7篇（均是项目负责人作为第一或通讯作者），培养研究生3名，申请国家发明专利3项，其中1项已获得授权。