介观超分子组装中柔性间隔层的作用机理研究

Mesoscale supramolecular assembly from micrometer to millimeter is among the significant research issues of supramolecular chemistry, and is promising in the application of fabricating tiny and fine three dimensional scaffolds for tissue engineering. Till now, the key element to realize mesoscale supramolecular assembly is how to make supramolecular interactions at molecular level enable the mesoscale building blocks to interact with each other efficiently. Hence, this project used the theory of "soft decoupling effect" in polymer science, and has proposed the concept of introducing soft spacer layer, which aims at realizing the assembly of mesoscale building blocks of different materials. We will apply layer-by-layer technique to successively construct the soft spacer layer, the anti-adhesive layer and the supramolecular host or guest layer; we will characterize the surface morphology and interactions between building blocks with cryo scanning electronic microscopy, in situ atomic force microscopy and dynamic contact angle, to analyze and summarize the mechanism of the soft spacer layer in the procedure of mesoscale supramolecular assembly; semi-quantified correlations for the thickness of the soft spacer layer versus the sizes of the building blocks and the supramolecular systems will be obtained. Moreover, combining the mesoscale supramolecular assembly and the controlled locomotion induced by magnetic field, we expect to prepare three dimensional ordered structures from micrometers to millimeters with local chemical differences, to selectively adsorb cells, and to further explore the applications in the differentiation of stem cells.

微米到毫米尺度的介观超分子组装是超分子化学的重要发展方向，并有望实现其在微小精细三维组织工程支架方面的潜在应用。介观超分子组装的关键问题是如何使分子层次上的超分子相互作用能够克服构筑基元的尺寸效应而有效地发生作用，为此，本项目借助高分子科学中已有的"柔性去耦合效应"理论，提出在介观超分子组装中引入柔性间隔层的概念，以普适性地实现在不同基材的介观构筑基元的组装。我们借助交替层状组装技术，在构筑基元表面设计并依次制备柔性间隔层、抗粘性涂层和超分子识别层，通过冷冻SEM、原位AFM、动态接触角等表征手段监测其组装过程，并总结出柔性间隔层在介观超分子组装中的作用机理，构建柔性间隔层厚度与构筑基元尺寸以及表面超分子作用体系之间的定量关系。进而，结合介观超分子组装和外磁场定位，实现具有区域化学性质差异的微米到毫米尺度三维有序结构的制备，将其用于细胞的选择性吸附，并探索在诱导干细胞分化方面的应用。

宏观超分子组装的自下而上构筑、实验条件温和、生物相容性体系丰富等独特优点，有望为体相超分子材料的广泛应用提供可能，然而目前宏观超分子组装还面临一系列研究难点。首先宏观尺度构筑基元的表面通常存在一定的粗糙度，且构筑基元表面所修饰的超分子官能团也存在一定的空间分布，因此难以保证特超分子官能团恰好在对应位置发生相互作用。针对这一问题，我们课题组提出并发展了“柔性间隔层”的概念，实现了非水凝胶体系的宏观超分子组装。我们以毫米级立方形PDMS构筑基元为模型，在其表面通过Layer-by-Layer修饰PEI/PAA多层膜作为“柔型间隔层”，继而修饰PDDA/PSS多层膜作为粘性阻隔层，最外层修饰PDDA/PAA-CD或PDDA/PAA-Azo多层膜作为超分子作用层，在水中震荡实现了宏观超分子组装，相反地无柔性间隔层的PDMS构筑基元不能在震荡条件下实现宏观超分子组装。一方面“柔性间隔层”通过其自流平效应弥补宏观构筑基元表面的粗糙度，使表面相对光滑平整；另一方面，“柔性间隔层”所支撑的超分子官能团自由度较高，根据多重相互作用原理，当有一对超分子官能团发生作用时会促进邻近的未作用的自由官能团达到分子间作用距离，进而实现尽可能多的识别位点。基于柔性间隔层实现宏观超分子组装的作用机理是由于所构筑的聚电解质多层膜的流动性，为了进一步发展柔性间隔层体系，我们制备了PEI/HA和PAA&HA/PDMAEMA两种自修复聚电解质多层膜，并以这两种自修复膜为柔性间隔层实现了宏观超分子组装。在基于“柔性间隔层”实现宏观超分子组装的基础上，我们通过有效作用面积对不同组装体形态进行筛选，实现了圆柱状构筑基元的选择性组装，通过结合亲疏水长程作用和超分子短程作用实现精准的宏观超分子组装。此外，在构筑基元的可控运动方面，我们进一步发展与组装过程相匹配的驱动力实现了智能器件的可控运动和化学能到电能的转换；结合构筑基元的可控运动与宏观超分子组装，利用磁场等外场定向组装，实现了复杂三维有序结构的构筑，并初步探索了生物相容性、细胞吸附特性及对细胞生长的影响等。