遥爪形聚电解质凝胶的结构与性能的多尺度研究

本基金申请课题采用实验和模拟相结合，针对相同体系在多尺度上研究遥爪形聚电解质的凝胶化行为。一方面通过荧光光谱、核磁共振、激光光散射、同步辐射X-光散射、激光共聚焦显微镜、流变等实验手段获得组成、浓度、PH值以及盐浓度等对物理凝胶的微观和介观结构及其流变性质的影响规律。另一方面建立微观和介观模拟方法，如Monte Carlo、布朗动力学、耗散离子动力学等模拟方法，在微观尺度上探讨不同条件下，链是如何聚集形成聚集体，介观上聚集体如何进一步形成网络的。由于介观聚集结构是实验和模拟比较容易获得的共性特征，通过实验和模拟的介观聚集结构比较，达到验证模拟模型的目的；进而一方面通过介观和微观比较，可以回推获得微观聚集行为；另一方面介观与宏观实验比较获得介观结构与宏观流变性质之间的关系，从而构建从微观到介观再到宏观性质的多尺度理解该物理凝胶化过程，深层次揭示其物理凝胶化机理。

本基金申请课题旨在通过Monte Carlo方法、布朗动力学方法等模拟手段，以及X 射线小角散射（SAXS）、透射电子显微镜(TEM)、动态光散射(DLS)和紫外-可见光谱、振荡剪切等实验手段，研究了聚电解质嵌段共聚物的胶束化和凝胶化行为，探讨了胶束结构、网络结构、凝胶机理以及流变性能，并且采用多种可控/活性聚合方法，合成了一系列具有生物相容性和环境响应性的三嵌段聚电解质模型体系，并探究了这些材料的生物相容性以及在生物医用等领域中的潜在应用价值。模拟方面，首先，研究了外加盐离子存在下聚电解质嵌段共聚物的凝胶化行为及构象变化，发现外加盐离子的存在会对体系中带电基团之间的相互作用产生屏蔽作用，导致聚电解质末端疏水作用和嵌段的静电相互作用形成一个新的平衡；其次，研究了含有多肽嵌段的聚电解质嵌段共聚物的凝胶化行为，发现不同的氢键类型（平行和反平行β折叠方式）会显著影响聚电解质嵌段共聚物的溶胶-凝胶转变和链构象；再次，分析了遥爪型聚合物凝胶网络中的拓扑限制，发现桥型链能够形成两种基本类型的缠结，即使在非常低的浓度下，长链只有部分缠结，也能够提供非常多的交联点数目，这些交联点会对凝胶模量产生显著影响。实验方面，首先，定性地研究了不同条件下PEO-PPO-PEO水溶液体系中凝胶结构的变化；其次，研究了聚乙烯醇/硼酸盐可逆物理凝胶网的大应变振荡剪切行为，发现这一水凝胶瞬态网络结构的应变硬化行为受到交联剂浓度、聚乙烯醇和扫描频率的影响；再次，初步研究了我们合成的具有生物相容性和环境响应性的遥爪型聚电解质在不同pH下的物理凝胶化行为及其流变性能。应用方面，制备了多种具有温度响应性、生物活性以及部分可降解的多嵌段含糖聚合物，研究表明其不仅可以携带药物，而且同时具有作为荧光标记追踪载体位置的功能，因此其在靶向输运方面具有潜在的应用价值，进一步研究了其修饰的金纳米粒子在水溶液中的组装行为及与凝集素特异性识别性质，表明其在靶向输运和光热治疗上具有潜在应用。