膠體與界面化學(xué)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

膠體與界面化學(xué)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

膠體和界面化學(xué)是研究膠體和界面現(xiàn)象的科學(xué)，與能源、材料、生物、化學(xué)制造和環(huán)境科學(xué)密切相關(guān)。它們滲透到經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域，與土壤改良、功能和建筑材料、三次采油、水煤漿、漿體管道運(yùn)輸、人工血漿、藥物緩沖、方向運(yùn)輸、摩擦、滑動和油漆等密切相關(guān)。它在國家安全、能源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)和人民生活方面發(fā)揮著重要作用。這在社會可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。近年來,由于先進(jìn)功能材料、仿生學(xué)和生物醫(yī)藥等學(xué)科的迅速發(fā)展,要求在納米尺寸(膠體)范圍內(nèi)進(jìn)行分子組裝和材料的制備,構(gòu)建具有各種功能與結(jié)構(gòu)的有序分子組合體和進(jìn)行仿生合成,特別是與生命現(xiàn)象有關(guān)的超分子組裝、新型兩親分子有序聚集體的構(gòu)建和分子間相互作用的研究方興未艾。過去兩年里,中國膠體與界面化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家的創(chuàng)新性研究工作層出不窮,國際影響力日益提升,所獲得的研究成果越來越受到國際同行的關(guān)注,這在2012年5月日本仙臺舉辦的第14屆國際膠體與界面科學(xué)會議得以驗證。此次會議上張希院士受邀做大會報告“Supraamphiphilesforcontrolledassemblyanddisassembly”,受到與會者高度評價。1分子有序聚集體結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型表面活性劑分子(又稱兩親分子)同時具有親水和親油特征,通過分子間弱相互作用力,可自組裝形成具有介觀尺度的二維或三維(在兩相界面上或在溶液中)的分子有序聚集體結(jié)構(gòu)(包括膠束、反膠束、微乳液、囊泡、液晶及納米結(jié)構(gòu)材料等)。這些有序分子組合體,特別是囊泡和液晶相是各種生物膜的最佳模擬模型,對它們的研究涉及生命的起源和奧秘,在生命科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)和仿生學(xué)等領(lǐng)域起著十分重要的作用,是國際上長久不衰的研究熱點。1.1環(huán)糊精-表面活性劑高級組裝體系的酶催化作用張希課題組依據(jù)他們率先提出的超分子兩親分子設(shè)計與組裝理念,繼續(xù)開展各種新穎和特色的研究工作。他們將光敏基團(tuán)引入分子設(shè)計,所構(gòu)筑的超分子可以通過紫外光等外界條件的改變,實現(xiàn)分子兩親性的可逆調(diào)控,從而實現(xiàn)對聚集體形貌、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的掌控。此外,環(huán)糊精、葫蘆脲等主體分子的包結(jié)作用也被用來調(diào)節(jié)分子的兩親性從而控制分子自組裝和解離。以上研究成果受到國際同行高度關(guān)注,他們被邀請在著名學(xué)術(shù)刊物《Chem.Soc.Rev.》和《Acc.Chem.Res.》上發(fā)表多篇評述性文章[1~3],系統(tǒng)論述了改變分子兩親性對形成的聚集體進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控的一些方法和表征手段,并提出了基于超分子相互作用來構(gòu)筑“超分子表面活性劑”的思想,從而進(jìn)一步拓展了可控、可逆的超分子自組裝體系的應(yīng)用范圍。兩親性是分子自組裝的基礎(chǔ)之一,而僅由親水分子或疏水分子構(gòu)建有序分子組合體是近來具有挑戰(zhàn)性課題。黃建濱課題組利用環(huán)糊精與表面活性劑的包結(jié)作用,構(gòu)建了全親水的超分子體系,若體系濃度足夠大,這種主客體包結(jié)復(fù)合物能夠通過氫鍵進(jìn)行高級組裝,在溶液中能形成囊泡、管狀或?qū)訝畹榷喾N有序聚集體(圖1)。這種體系還可以進(jìn)一步形成凝膠,并展現(xiàn)各種刺激響應(yīng)特性[4~6]。環(huán)糊精-表面活性劑高級組裝體系的一個重要特點是具有酶觸性,借助生物酶對環(huán)糊精的分解作用,可使用酶作調(diào)控劑控制表面活性劑/環(huán)糊精體系有序聚集體的形成,得到相關(guān)的酶響應(yīng)自組裝。他們發(fā)現(xiàn),沒有淀粉酶參與時,環(huán)糊精超分子體系在低濃度時難以自發(fā)組裝;而酶的存在水解了環(huán)糊精,使兩親分子釋放出來,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為膠束、囊泡等結(jié)構(gòu),同時伴隨溶液表面性質(zhì)的改變(圖2)。相關(guān)工作被選做內(nèi)封面文章發(fā)表于《Chem.Commun.》。對于Bola、Gemini這類非常規(guī)表面活性劑溶液聚集行為的研究,依舊是國內(nèi)科學(xué)家關(guān)注的熱點。王毅琳等將Gemini分子與高分子的相互作用以及它們在水溶液中的聚集行為作為研究對象,發(fā)現(xiàn)不同類型的Gemini分子與中性聚合物、聚電解質(zhì)和生物大分子的混合物有良好的聚集行為。將Gemini分子與陽離子雙鏈表面活性劑DDAB復(fù)配,體系會形成膠束與囊泡等不同的聚集體。各種無機(jī)鹽和有機(jī)鹽對于Gemini分子在水溶液中的聚集行為也有著重要的影響。趙劍曦等研究發(fā)現(xiàn),陽離子型Gemini分子(m-3(OH)-m)在低濃度時形成蠕蟲狀膠束并形成凝膠,間隔基上的羥基發(fā)揮了重要作用。陰離子型Gemini雙親分子(Cm(azo)Cm)是間隔基團(tuán)為偶氮苯的羧酸鈉鹽,它們也可在無外加鹽的條件下形成蠕蟲狀膠束。黃建濱等研究了離子頭基為乙基的Gemini分子12-s-12(Et)在水溶液中的膠束化行為,考察了間隔基碳鏈長度s對于分子性質(zhì)和聚集體的影響。陳曉等對質(zhì)子化離子液體中Gemini分子的聚集行為以及分子結(jié)構(gòu)不對稱性對聚集行為的影響進(jìn)行了考察。作為新型非水溶劑,離子液體[bmim]Cl與DNA之間的締合特性和分子作用機(jī)理是郭榮團(tuán)隊近來的研究內(nèi)容?；陉栯x子bmim+基團(tuán)和DNA磷酸鹽間的靜電作用、及其[bmim]CI的烷烴鏈與DNA疏水堿基間的疏水作用,離子液體能有效地與DNA結(jié)合形成復(fù)合物,可通過改變離子液體濃度調(diào)節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)(圖3)。所形成的復(fù)合物可望在基因遺傳,生物大分子的純化和分離等生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要的應(yīng)用。表面活性劑復(fù)配體系通常有更好的應(yīng)用效果,其中無鹽陰、陽離子表面活性劑混合體系形成的聚集結(jié)構(gòu)一般具有較高的穩(wěn)定性,對實際應(yīng)用具有重要意義。郝京誠課題組發(fā)展了粗率化模型的理論計算,發(fā)現(xiàn)當(dāng)鏈長相等時,無鹽陰、陽離子囊泡的雙分子層強(qiáng)度和邊緣能增加,呈現(xiàn)多曲率彎曲的特點,對解釋離子在膜上的傳輸具有重要的指導(dǎo)意義。相關(guān)研究結(jié)果如圖4所示。文章發(fā)表后受到普遍關(guān)注,被本領(lǐng)域知名刊物《Adv.ColloidandInterf.Sci.》邀請撰寫綜述文章。1.2多金屬氧簇超分子體系吳立新課題組在早先提出雜化超分子反膠束概念基礎(chǔ)上,針對如何發(fā)展新的膠束構(gòu)筑基元、引入更多功能組分、實現(xiàn)自組裝體的功能化等重要科學(xué)問題,設(shè)計了以親水的無機(jī)多陰離子簇為內(nèi)核,以疏水的兩親性陽離子為殼,通過分子間靜電相互作用驅(qū)動構(gòu)建的一類新超分子反膠束體系。它們作為構(gòu)筑基元在有機(jī)溶劑甚至水體系中有很高的穩(wěn)定性,并在有機(jī)相中表現(xiàn)出兩親性而形成有序聚集體。圖5是表面含偶氮基團(tuán)的多金屬氧簇超分子復(fù)合物制備及其在不同極性溶劑中的光響應(yīng)可逆異構(gòu)化調(diào)控組裝與解組裝過程示意圖。利用偶氮基反式到順式異構(gòu)化產(chǎn)生的極性增強(qiáng),實現(xiàn)了復(fù)合物在甲苯溶液中解組裝到組裝的變化。當(dāng)選用極性溶劑時,則可以發(fā)生相反的轉(zhuǎn)變。這一工作發(fā)表后被作為卷首插頁在當(dāng)期加以介紹。進(jìn)而,他們設(shè)計合成了新的具有二茂鐵共價連接的雜化多金屬氧簇和兩親性超分子聚合物,其在有機(jī)溶劑中表現(xiàn)出特征的自組裝形態(tài)和結(jié)構(gòu)。在加入無機(jī)或有機(jī)氧化劑后,由于層內(nèi)靜電相互作用差異,使得聚集體發(fā)生不同的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。在有機(jī)還原劑存在下則可使有機(jī)氧化劑導(dǎo)致的聚集形態(tài)和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變發(fā)生逆轉(zhuǎn),實現(xiàn)了可逆調(diào)控,見圖6。1.3有序多孔薄膜的制備在表面上完美地復(fù)制尺寸可調(diào)的納米功能材料無論在理論還是實際應(yīng)用上都具有重要意義。隨著仿生學(xué)的興起,蜂窩狀結(jié)構(gòu)因其用料省、強(qiáng)度高、空間有效利用率最高等優(yōu)點在工業(yè)應(yīng)用上備受關(guān)注。郝京誠課題組近來分別以側(cè)鏈帶有膽固醇基的二茂鐵齊聚物、聚苯乙烯/金納米顆粒復(fù)合物為基本單元,利用水滴模板法分別在氣/固界面和氣/液界面制備了高度有序的蜂窩狀薄膜,探究了蜂窩狀薄膜的形成規(guī)律及形成過程動力學(xué);并考察了薄膜三維結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理,相關(guān)研究結(jié)果如圖7所示。該方法對于進(jìn)一步構(gòu)筑具有傳感和催化特性的有序多孔功能薄膜具有指導(dǎo)意義。此外,他們以自然界中奇特的“咖啡環(huán)效應(yīng)”為出發(fā)點,根據(jù)含非揮發(fā)性溶質(zhì)液滴在固體基底上蒸發(fā)時由于非平衡效應(yīng)進(jìn)而自組裝形成大尺度圖案和結(jié)構(gòu)的思路,以具有界面活性的金納米粒子與聚合物的納米復(fù)合物為成膜材料,在低濕度條件下觀察到了大面積高度有序的條紋狀結(jié)構(gòu)的形成,相關(guān)的研究結(jié)果如圖8所示。該圖案化表面的形成是毛細(xì)對流作用引起的耗散結(jié)構(gòu)在固態(tài)薄膜上的體現(xiàn),對開發(fā)以不相容的納米顆粒與聚合物為原料的圖案化薄膜在微電子學(xué)及微流控芯片等領(lǐng)域具有重要的意義。有序圖案化的蛋白,由于可以作為一種在特定微區(qū)域內(nèi)研究蛋白與抗體以及其他生物分子相互作用的有效途徑,在生物傳感器、細(xì)胞的粘附與生長和組織工程等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注,發(fā)展新的制備有序蛋白圖案化的簡便方法是目前蛋白圖案化方向的一個基本需求。吳立新等應(yīng)用微乳液滴模板法,通過將蛋白預(yù)先溶解在水中作為水相,聚合物的有機(jī)溶液作為油相,在表面活性劑的作用下形成微乳液,將蛋白、聚合物和表面活性劑混合體系形成的微乳液在一定的條件下澆鑄在合適的基底上,在得到有序多孔薄膜的同時實現(xiàn)有序蛋白圖案化結(jié)構(gòu)的制備(圖9)。該圖案化的蛋白可與特定的識別基元進(jìn)行選擇性反應(yīng),當(dāng)將抗體圖案化的薄膜浸入到2種蛋白的混合溶液中時,此薄膜可識別出特定的蛋白。因此,可以發(fā)展出一種基于蛋白特異性識別反應(yīng)的篩分方法。1.4重氮化石墨烯材料的合成國內(nèi)研究工作者在兩親分子聚集體的設(shè)計合成及其作為藥物載體方面開展了卓有成效的研究。郭榮等利用水溶性高分子聚乙二醇(PEG)與藥物布洛芬以酯鍵結(jié)合,在不改變其藥性基團(tuán)的同時大大提高布洛芬的溶解性。合成得到的PEG改性布洛芬(IP800)是具有兩親性的功能型分子,在水溶液中具有疏水性的藥物端基布洛芬處于其自發(fā)形成的分子有序組合體內(nèi)部,可以實現(xiàn)藥物的控制釋放,并且可以利用分子有序組合體的疏水微區(qū)增溶其他疏水性藥物,實現(xiàn)藥物的協(xié)同增效。圖10為這種調(diào)控的原理示意圖。通過改變體系中表面活性劑與高分子的組成對體系的宏觀性質(zhì)和功能進(jìn)行調(diào)控,為拓展疏水性藥物的實際應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。石墨烯在生物醫(yī)藥以及生物器件方面的應(yīng)用正成為當(dāng)前的研究熱點,對石墨烯表面進(jìn)行重氮化,接上功能基團(tuán)是一種有效的功能化還原石墨烯的手段,同時使其在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用成為可能。郝京誠等以對氨基苯甲酸重氮化還原石墨烯的表面(圖11),并以重氮化的石墨烯為基礎(chǔ)開展了一些工作。通過將具有良好水溶性的聚乙烯亞胺(PEI)及靶向分子葉酸連入rGO-C6H4-COOH,組裝成了藥物遞送系統(tǒng)(圖12)。通過進(jìn)一步改進(jìn)修飾方式,可使藥物遞送材料的生物毒性大大降低,從而成為潛在的臨床應(yīng)用候選材料。馬小軍課題組以可生物降解、生物相容性好的殼聚糖為主鏈,根據(jù)分子結(jié)構(gòu)和分子間相互作用力分析,設(shè)計合成了多種陽離子型/電中性兩親殼聚糖衍生物,探討了分子結(jié)構(gòu)與兩親分子聚集體形成過程及穩(wěn)定性的關(guān)系;合成出了水溶性的兩親殼聚糖,形成各種粒徑可控膠束類聚集體,以脂溶性抗腫瘤藥物,例如,紫杉醇(PTX)和阿霉素,為模型,載藥量和載藥效率分別為10%~18%和60%~90%,載阿霉素納米粒與MCF-7細(xì)胞孵育48h的達(dá)70%,84h達(dá)90%,與阿霉素裸藥的抗腫瘤活性相當(dāng),表現(xiàn)出顯著的抗腫瘤活性;進(jìn)而成功地將含有細(xì)胞粘附因子RGD的靶向肽段或PEG接枝到殼聚糖分子鏈,既實現(xiàn)了細(xì)胞靶向粘附,又可實現(xiàn)長循環(huán)以利于載體的轉(zhuǎn)運(yùn)、胞內(nèi)吸收與釋藥。另外,他們以生物相容的海藻酸鈉材料,通過物理或化學(xué)手段賦予其部分疏水性,能在溫和條件下構(gòu)建穩(wěn)定的兩親結(jié)構(gòu)海藻酸鈣凝膠(圖13)。與傳統(tǒng)親水凝膠相比,疏水物質(zhì)在兩親結(jié)構(gòu)凝膠中的擴(kuò)散速率明顯加快,累積擴(kuò)散量是傳統(tǒng)親水凝膠的2倍,表明該兩親凝膠可用于調(diào)控親水或疏水物質(zhì)的釋放性能[27~30]。王春剛等在以磁性Fe3O4為核、熒光介孔SiO2為殼的蛋黃-蛋殼納米膠囊表面修飾肝癌靶向基團(tuán),將其應(yīng)用于生物靶向以及磁場導(dǎo)向雙模式的熒光成像診斷以及藥物輸送治療,成像清晰,磁誘導(dǎo)有效,抗癌藥物能被特定地輸送到病灶位置,達(dá)到殺傷癌細(xì)胞的目的。他們將其進(jìn)一步用于生物靶向與磁場導(dǎo)向雙模式下的針對肝癌細(xì)胞的熒光成像診斷與藥物輸送治療及siRNA輸送。他們還合成了以鐿、餌和釓摻雜的氟釔鈉納米棒為核,摻雜光敏劑血卟啉的介孔SiO2為殼的殼-核結(jié)構(gòu)納米顆粒,并最終形成蛋黃-蛋殼結(jié)構(gòu)的納米膠囊。與可控合成的兼具熒光和磁性的雙功能Fe3O4@Y2O3:Eu蛋黃-蛋殼結(jié)構(gòu)的中空納米膠囊類似,其外層厚度和內(nèi)空腔的大小可精確調(diào)控,并用于體外肝癌細(xì)胞的熒光成像示蹤。他們利用模板方法,還開發(fā)了一種具有嶄新形貌的中空、多功能熒光介孔SiO2立方體納米籠,體內(nèi)外肝癌實驗證明其是一種很好的化療藥物載體。通過在SiO2殼層中固定光敏化劑分子,使粒子結(jié)合了化學(xué)療法與光動力學(xué)療法兩種治療模式,體外肝癌實驗證明這種協(xié)同治療具有顯著的治療效果。2無機(jī)微納米材料的合成由于材料的形貌與結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了材料的性能,因而具有特定形態(tài)、大小與結(jié)構(gòu)的納米材料的控制合成是當(dāng)前材料科學(xué)領(lǐng)域的一個重要研究方向,膠體與界面化學(xué)方法在形貌可控的無機(jī)微納米功能材料合成方面發(fā)揮著十分重要的作用,北京大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)、中科院化學(xué)所和東北師范大學(xué)等單位的研究取得許多出色的成果。2.1在納米材料和晶體結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用進(jìn)展,主要有以乙聚酸自然界存在的天然生物材料不斷給人們以新的啟示,由此逐漸發(fā)展了一系列生物啟發(fā)下的膠體材料的可控合成方法。齊利民課題組最近應(yīng)邀為《J.Mater.Chem.B》撰寫了一篇特色論文,系統(tǒng)總結(jié)了仿生膠體材料的發(fā)展?fàn)顩r,并對該領(lǐng)域的發(fā)展方向作了展望。仿生材料合成所取得的巨大成功促使人們不斷從生物礦化過程中尋求新的啟示。他們結(jié)合多種表征技術(shù)詳細(xì)研究了翼足目海洋浮游生物(俗稱海蝴蝶)的超薄碳酸鈣外殼的微觀結(jié)構(gòu),通過結(jié)合螺旋纖維堆積模型和外殼斷裂面的SEM觀測,首次提供了這種特殊的螺旋纖維緊密堆積結(jié)構(gòu)存在的有力證據(jù),并揭示了這些顯示出“L”和“T”形橫截面的螺旋纖維所具有的自鎖結(jié)構(gòu)(圖14)。海蝴蝶超薄外殼的獨特結(jié)構(gòu)特點對于人工合成具有優(yōu)良機(jī)械性能的超薄或輕質(zhì)材料提供了新的啟示。此外,他們還提出了一種以具有特殊配位功能的乙酸作為反應(yīng)溶劑來調(diào)控半導(dǎo)體氧化物結(jié)構(gòu)與形貌的新策略。以乙酸作為溶劑,并借助于添加劑[bmim][BF4]的形貌調(diào)控作用,成功合成出了大小均一且形貌規(guī)整、同時具有{100}和{001}高活性暴露面的銳鈦礦型TiO2長方體顆粒。采用乙酸作為溶劑,通過簡單的非水溶劑熱反應(yīng),在無需外加添加劑的條件下,大批量合成了紡錘狀的類單晶結(jié)構(gòu)銳鈦礦型TiO2納米孔“介晶”(圖15)。這一新穎的、取向的類單晶結(jié)構(gòu)TiO2介晶是通過溶液中一個復(fù)雜的介觀自組裝過程形成的,乙酸在該過程中發(fā)揮了多重作用。當(dāng)被用作鋰離子電池負(fù)極材料時,該TiO2納米孔介晶呈現(xiàn)出較為優(yōu)異的高倍率充放電性能。此結(jié)果為低成本、大批量制備具有高晶化度和高孔隙度以及重要應(yīng)用價值的納米孔介晶材料提供了一條行之有效的新途徑。這一結(jié)果2011年在《J.Am.Chem.Soc.》發(fā)表后受到廣泛關(guān)注,成為ESI高被引論文。最近,他們還通過溶液相動力學(xué)調(diào)控的方法,在金屬Ti基底上生長了金紅石型TiO2介晶納米棒陣列,它呈現(xiàn)出優(yōu)異的減反射性能及自清潔和耐酸堿性能,在光能捕獲與利用等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價值。郭榮等以酪蛋白為生物模板,仿生合成了各種形貌新穎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的碳酸鈣等無機(jī)生物礦物,例如,切片面包狀無定形結(jié)構(gòu)、帶刺啞鈴狀結(jié)構(gòu)。研究表明,在控制礦物結(jié)晶過程中,酪蛋白中磷酸基團(tuán)和鈣離子之間的靜電作用起著關(guān)鍵性作用。通過正常礦化和病理礦化兩方面的研究,對蛋白質(zhì)分子在生物礦化過程中作用機(jī)制的認(rèn)識有了進(jìn)一步深化,同時也為材料合成提供新的理論指導(dǎo)和設(shè)計依據(jù)。他們進(jìn)而研究了氧化亞鐵硫桿菌作用下鐵的氫氧化合物的形成及轉(zhuǎn)化,結(jié)果可為天然環(huán)境礦物材料的形成、轉(zhuǎn)化與應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。邢艷課題組以天然纖維素-濾紙為生物模板,采用溶膠-凝膠技術(shù)合成了TiO2納米海綿,之后利用紫外光照射光還原法將Ag納米粒子沉積到TiO2納米海綿的表面上。海綿狀TiO2/Ag納米復(fù)合物較高的光催化活性歸因于其特殊的海綿狀結(jié)構(gòu)、Ag納米粒子的高度分散性以及Ag納米粒子與TiO2納米海綿之間強(qiáng)烈的相互作用。2.2通過自模板法制備出一維無機(jī)納米材料與傳統(tǒng)的兩親分子單獨或與混合體系形成的自組裝結(jié)構(gòu)相比,有機(jī)/無機(jī)雜合的結(jié)構(gòu)在材料制備及器件探索方面無疑具有得天獨厚的優(yōu)勢。黃建濱課題組從具有配位作用的膽酸鹽兩親分子出發(fā),通過與不同的金屬離子配位,獲得了一系列準(zhǔn)一維自組裝結(jié)構(gòu)(見圖16)[45~47]。該方法不僅為有機(jī)/無機(jī)雜合自組裝材料的制備探索出一條簡單易行的途徑,更為重要的是克服了準(zhǔn)一維納米材料合成中難于控制合成條件使其沿著一維方向生長的問題,成功地發(fā)展出一種通過自模板法獲得形貌可控的一維無機(jī)納米材料的可靠方法。一維有序結(jié)構(gòu)的形貌控制一直都是分子自組裝及材料制備領(lǐng)域的難點問題。黃建濱等通過兩親分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計,巧妙地獲得了雙螺旋、單螺旋以及鋸齒型的一維納米材料。通過選用偶氮基團(tuán)引入分子排列的空阻作用,在獲得單、雙螺旋納米帶自組裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,在納米帶表面沉積Si,就可以分別可控地得到雙螺旋及單螺旋SiO2納米材料(圖17);通過在分子結(jié)構(gòu)中引入四硫富瓦烯(TTF)基團(tuán),就可以在與金屬離子配位后形成具有獨特導(dǎo)電性能的鋸齒型新穎納米材料(圖18)。2.3金@聚苯胺體系的表面修飾齊利民課題組充分利用表面活性劑和特殊溶劑的調(diào)控作用來實現(xiàn)Au納米結(jié)構(gòu)的形貌可控合成。利用正負(fù)離子混合表面活性劑的調(diào)控作用、表面活性劑-環(huán)糊精超分子復(fù)合物的調(diào)控作用以及金屬-表面活性劑復(fù)合物前體的模板作用,分別實現(xiàn)了Au納米帶/納米梳、平面枝狀結(jié)構(gòu)及多孔帶狀結(jié)構(gòu)的可控制備。鑒于他們在表面活性劑輔助下Au納米結(jié)構(gòu)的可控合成方面所取得的系列研究進(jìn)展,應(yīng)邀為《Nanoscale》撰寫了一篇相關(guān)的特色論文(圖19)。除了利用表面活性劑的調(diào)控作用之外,他們還利用離子液體的輔助作用實現(xiàn)了對Au納米結(jié)構(gòu)的形貌調(diào)控。以離子液體[BMIM]PF6為反應(yīng)介質(zhì),利用簡單的化學(xué)還原方法大量制得新穎的、具有納米三叉刺陣列的高級結(jié)構(gòu)Au片,該納米陣列結(jié)構(gòu)顯示出良好的表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)活性。離子液體環(huán)境中顯著降低的反應(yīng)速率及擴(kuò)散速率所導(dǎo)致的動力學(xué)控制的生長條件可能是造成這一結(jié)果的關(guān)鍵因素。此外,他們利用氣液界面膠體球刻蝕法,制備了單面具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的大面積二維有序大孔金屬銀薄膜(圖20)。由于其具有周期性的表面尖端結(jié)構(gòu),一方面可以作為具有高增強(qiáng)因子的SERS活性基底,另一方面也可用作等離子共振峰呈現(xiàn)出顯著環(huán)境響應(yīng)性的等離子晶體(Plasmoniccrystals)。通過在其表面修飾上具有特異結(jié)合位的改性生物素分子,可以實現(xiàn)對抗生物素蛋白分子的高靈敏檢測,其最低檢測限約為100pmol/L,檢測范圍約為100pm~200nm。鑒于他們在利用單層膠體晶體模板法合成新型圖案化納米結(jié)構(gòu)方面所取得的系列進(jìn)展,應(yīng)邀為《NanoToday》撰寫了一篇相關(guān)綜述文章。聚苯胺作為貴金屬納米粒子的載體受到廣泛關(guān)注,特別是高分散、小粒徑、高活性聚苯胺基貴金屬納米催化劑。韓杰等提出聚苯胺功能酸摻雜表面改性,成功實現(xiàn)了小粒徑、高活性聚苯胺基貴金屬納米催化劑的合成。其催化性能研究表明,相對大粒徑金粒子而言,小粒徑聚苯胺負(fù)載型金催化劑顯示出優(yōu)異催化活性。類似的方法還可以衍生到合成聚苯胺納米纖維負(fù)載MnO2以及聚苯胺納米管負(fù)載貴金屬納米催化劑材料。此外,他們還發(fā)展了表面納米化途徑,利用空間限域效應(yīng)實現(xiàn)小粒徑聚苯胺負(fù)載型金納米粒子的合成。通過表面納米化,使金核之間不易接觸,達(dá)到控制粒徑的目的。為結(jié)合介孔SiO2孔道的限域效應(yīng),他們在介孔SiO2形成過程中直接引入貴金屬納米粒子,通過一步法得到介孔SiO2負(fù)載型貴金屬納米粒子。該方法得到的負(fù)載型粒子鑲嵌于SiO2壁中,因而具有很高的穩(wěn)定性,具有較高的催化效率及循環(huán)使用特性。在此基礎(chǔ)上,通過表面保護(hù)蝕刻法得到聚苯胺/介孔SiO2結(jié)構(gòu),進(jìn)一步引入氯金酸,可得到聚苯胺/金/介孔SiO2結(jié)構(gòu),具有高效可循環(huán)使用效率,其原理圖見圖21。邢雙喜等將金@聚苯胺核殼材料與聚苯乙烯-聚丙烯酸嵌段共聚物相結(jié)合,制備了多瓣狀殼結(jié)構(gòu)的金@聚合物納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。此類材料既保持了導(dǎo)電聚合物層的優(yōu)良特性,又因為嵌段共聚物的存在而體現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。合理改變聚苯胺與嵌段共聚物的比例可以得到不同瓣數(shù)的核殼結(jié)構(gòu),形成空間對稱性可調(diào)的新型材料,其原理和所得花瓣狀材料形貌見圖22。他們又在十二烷基硫酸鈉的作用下,通過苯胺與氯金酸之間的氧化還原反應(yīng)一步法得到形態(tài)規(guī)整、尺寸可調(diào)的覆盆子狀二元復(fù)合材料。由杯芳烴修飾所形成的金屬納米材料最近在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和應(yīng)用方面都受到了廣泛的關(guān)注。但是,對于杯芳烴研究大部分集中于有機(jī)體系中,對其在水體系中的研究仍處于起步階段。沈明等研究了多胺基兩親杯芳烴分子在水體系中的自組裝行為,首次發(fā)現(xiàn)直徑在微米級、長度在厘米級的多壁微米管。在此基礎(chǔ)上,以多胺基兩親杯芳烴分子作修飾劑,得到杯芳烴改性水溶性貴金屬納米粒子,并在溶液中能夠自組裝得到各種不同的結(jié)構(gòu),并成功實現(xiàn)納米粒子在自組裝體中的定位與釋放,其復(fù)合材料形成示意圖見圖23。江龍課題組利用新型帶多胺頭的表面活性劑調(diào)控制備了單分散的圓形、片型、星形和棒型金納米顆粒,對這些顆粒進(jìn)行有序組裝,得到較大面積的粒子排布以及含有特殊功能的微納結(jié)構(gòu)。他們研究了新型表面活性劑對顆粒形成和長程有序排布的作用機(jī)制以及表面活性劑為晶種模板對單分散顆粒形成的重要性[65~70]。2.4高分子水凝膠材料基于小分子凝膠劑聚集結(jié)構(gòu)的小分子物理凝膠的創(chuàng)制,集中體現(xiàn)了傳統(tǒng)化學(xué)合成技術(shù)和當(dāng)代超分子組裝技術(shù)的完美結(jié)合。與傳統(tǒng)的純粹化學(xué)合成材料不同,維系這類材料結(jié)構(gòu)的是功能分子間的弱相互作用,因此,更易表現(xiàn)出小刺激-大響應(yīng)的軟物質(zhì)特點,使得它們可以用于仿生學(xué)、藥物輸送體系和智能材料。此外,通過超分子凝膠化可以得到各種形貌和物化性質(zhì)可控的納米結(jié)構(gòu),因此,超分子凝膠目前正成為一個熱門研究課題且具有相當(dāng)吸引力的跨學(xué)科領(lǐng)域。在2011年我國首屆超分子凝膠會議上,有來自中國多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的50余名科學(xué)家討論了超分子凝膠科學(xué)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。劉鳴華課題組合成了一種含席夫堿和手性谷氨酰胺基的新型雙親性凝膠劑,在不同溶劑中,當(dāng)引入Cu2+或Mg2+時,能夠形成凝膠。然而Zn2+或Ni2+的引入?yún)s會使之破壞。此類凝膠的熒光對不同手性的酒石酸有選擇性猝滅,展現(xiàn)出在手性識別功能材料方面的應(yīng)用潛力。此外,他們合成的一種C3對稱的L-谷氨酸-堿基凝膠劑,在不同混合溶劑中能瞬間凝膠化形成六角狀納米管,具有高效封裝生物大分子、聚合物和小分子化合物的能力,是一種合成功能化納米管封裝材料的簡易途徑。他們還制備了谷氨酸-堿基的bola型兩親分子對映體,發(fā)現(xiàn)它們能夠形成水凝膠。通過共溶解和混合2種方式引入偶氮苯衍生物參與超分子凝膠的分級共組裝,得到的納米管具有激發(fā)型Cotton效應(yīng)。郝京誠課題組以表面活性劑小分子為構(gòu)筑單元,制備了具有高機(jī)械強(qiáng)度和多重響應(yīng)性的表面活性劑凝膠。相關(guān)的研究結(jié)果如圖24所示。通過改變外界條件,如溫度、光照、pH和鹽度等可以調(diào)控表面活性劑分子自組裝結(jié)構(gòu)的變化,使得凝膠在藥物傳輸、基因傳遞、光催化、重金屬檢測、廢水處理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。他們制備的凝膠具有很好的生物親和性和生物降解性,具有高機(jī)械強(qiáng)度的凝膠有望在化學(xué)及光學(xué)傳感器、超疏水材料、光子晶體材料及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮其應(yīng)用價值。高分子水凝膠因其高含水和保水特性,在物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)行為上與生物體內(nèi)的細(xì)胞外基質(zhì)非常相似,與組織之間的摩擦較小,且其凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不易形成膠原包裹,而被譽(yù)為新一代用于藥物控制釋放載體、組織/細(xì)胞承載系統(tǒng)等領(lǐng)域的最具潛力的生物材料。馬小軍課題組研究表明,高分子凝膠界面性能如表面電勢和表面形貌等均影響高分子凝膠表面與生物大分子(如蛋白、多糖等)、細(xì)胞的相互作用,是影響高分子水凝膠在上述領(lǐng)域成功應(yīng)用的關(guān)鍵。他們以界面自由能低、水合程度高、空間構(gòu)象靈活、排阻體積大的PEG為修飾劑,修飾高分子水凝膠膜表面,并擴(kuò)散一定深度修飾在3D網(wǎng)狀水凝膠結(jié)構(gòu)內(nèi),且集中在微囊表面的MPEG鏈比擴(kuò)散進(jìn)入微囊膜一定深度的MPEG鏈具有更好的蛋白排斥效果。通過引入聚電解質(zhì)多糖緩沖層和原位共價接枝的方法,顯著提高PEG表面密度,從而實現(xiàn)降低表面接觸角的目的[76~78]。3微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究近年來,膠體化學(xué)在生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用研究得到了迅速發(fā)展,并愈來愈受到人們的普遍關(guān)注,這一新興的交叉學(xué)科前沿領(lǐng)域已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點。江龍課題組將納米顆粒及微納結(jié)構(gòu)應(yīng)用于生物傳感器中,包括聚聯(lián)乙炔變色囊泡、聚苯乙烯/納米金復(fù)合微球(PS@AuNPs)、磁性微球/功能膜等,用以進(jìn)行微球上功能膜和被檢測物的相互作用,分別應(yīng)用于單聯(lián)DNA和配對DNA的識別(P53片斷)、抗體和抗原的識別(藻毒素的測定與禽流感病毒的測定)、單鏈DNA和汞離子的作用(胸腺嘧啶和汞離子相互作用)以及藻毒素在磁性微球上的富集(可富集藻毒素達(dá)90%以上)。其中,聚聯(lián)乙炔變色囊泡的研究為水中汞離子和藻毒素的測定提供了一種快速、簡便的測定方法。利用微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)解決了囊泡易破的缺點,對于將變色囊泡用于微流控和實際檢測中有重要意義。將這些方法和石英晶體微天平以及微流控技術(shù)相結(jié)合,可以研究許多生物過程和生命現(xiàn)象[79~85]。他們進(jìn)而研究了納米金顆粒對細(xì)胞和其他生物體毒性和生長的影響,主要關(guān)注納米金顆粒大小、表面吸附層和聚集態(tài)對細(xì)胞毒性和生長的影響以及納米金顆粒對酶的結(jié)合量和電子傳遞的影響;提出了被細(xì)胞胞吞的納米金顆粒有毒的觀點,其毒性和顆粒大小和與聚集性有關(guān)。在研究不同尺寸納米金顆粒對Hela等細(xì)胞的死亡動力學(xué)時發(fā)現(xiàn),當(dāng)納米金顆粒過大或其他原因不能進(jìn)入細(xì)胞時,常常會促使細(xì)胞生長?；趩畏肿悠脚_的多色熒光發(fā)射是發(fā)光器件研究中的難點之一。黃建濱課題組利用噻吩基團(tuán)的發(fā)光受發(fā)色團(tuán)之間距離影響的性質(zhì),通過調(diào)節(jié)自組裝體系中噻吩基團(tuán)之間的距離,成功獲得了基于單一三聯(lián)噻吩衍生物的多色熒光發(fā)射。當(dāng)噻吩基團(tuán)在分子有序組合體中的距離很大時,體系表現(xiàn)出單體噻吩的紫色熒光發(fā)射;當(dāng)噻吩發(fā)生π-π堆積時,體系表現(xiàn)出聚集體的藍(lán)色熒光;而當(dāng)噻吩基團(tuán)之間的距離適中時,體系表現(xiàn)出激基締合物的綠色熒光。由于激基締合物表現(xiàn)出寬譜激發(fā)行為,通過改變激發(fā)波長,還可以獲得黃色、橙色等多色熒光(見圖25)。4對軟物質(zhì)的重新解析和表征作為探測物質(zhì)內(nèi)部動力學(xué)和結(jié)構(gòu)信息的介電譜方法正越來越多地發(fā)揮其在膠體與界面科學(xué)研究中的獨特作用,因而,近年來以該方法為主要手段的研究工作也呈現(xiàn)出指數(shù)型的增長趨勢。隨著膠體與界面科學(xué)自身的發(fā)展以及和材料、生物等學(xué)科的結(jié)合,理論上和方法上有了顯著的改進(jìn)和突破,除此之外,測量手段和表征技術(shù)的開發(fā)也變得更加重要。簡單的表征往往不能對研究所涉及到的本質(zhì)問題給出答案,因此,建立在牢固理論之上的實驗方法和表征手段也是目前膠體與界面科學(xué)發(fā)展策略上值得關(guān)注的問題之一。正確的介電譜解析可以在從實驗的表征向內(nèi)部參數(shù)的詳細(xì)計算中提供一個很好的銜接,完成從對物質(zhì)體系的直接觀察到內(nèi)部微區(qū)域和各組分的理論分析和洞察。趙孔雙課題組一直秉承上述理念,近年來將介電譜解析方法集中在具有典型軟物質(zhì)特征的膠體體系:離子液體參與構(gòu)筑的表面活性劑體系(離子液體膠束和離子液體微乳液),聚電解質(zhì)溶液和軟球(SoftParticles)體系(球形或球殼形聚電解質(zhì)刷,SPBs),從介電參數(shù)對水含量的標(biāo)度關(guān)系實驗上支持了標(biāo)度論是軟物質(zhì)體系主要性質(zhì)之觀點。他們將介電解析得到的弛豫參數(shù)與結(jié)合標(biāo)度律和反離子凝聚理論,完成了對幾類典型聚電解質(zhì)溶液的構(gòu)象、相互作用以及抗衡的反離子分布等問題的研究。研究表明,介電譜是探測內(nèi)部相互作用以及聚集狀態(tài)的重要手段之一。對聚丙烯酸接枝聚苯乙烯粒子懸浮系的初步研究表明,當(dāng)荷電微球表面修飾了長鏈帶電物質(zhì)或疏/親水性物質(zhì)時,不僅雙電層的性質(zhì)將發(fā)生變化,而且可能會改變對經(jīng)典的MW界面極化效應(yīng)在粒子分散系中的解釋。就膠體中的軟物質(zhì)而言,因其具有微觀的鏈結(jié)構(gòu)、介觀的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和宏觀的流變行為之復(fù)雜性,通常的物理測試方法很難同時對體系3個尺度上的性質(zhì)進(jìn)行研究。因此,尋求并建立能夠探測軟物質(zhì)內(nèi)時間和空間不同層次的內(nèi)部信息的方法十分必要和重要。介電譜在不同頻率段對體系的電極化響應(yīng)極其敏感,可以探測研究體系內(nèi)部ps級到數(shù)s級的寬時間尺度內(nèi)發(fā)生的所有弛豫過程,這使得準(zhǔn)確地獲得體系內(nèi)不同聚集形態(tài)、多種界面和多層次相互作用的信息(如分子聚集體形態(tài),分子構(gòu)象和鏈振動、電荷遷移和波動、界面層性質(zhì)和微結(jié)構(gòu)等)成為可能。這就是介電譜方法在膠體體系可能獲得成功的原因[89~96]。此外,同步輻射光源激發(fā)的光電子能譜和邊帶吸收光譜技術(shù)因其較高的表面靈敏度、能量分辨率等,已在膠體與界面化學(xué)的表面結(jié)構(gòu)和性能研究中取得顯著進(jìn)展。5擴(kuò)展研究領(lǐng)域,加強(qiáng)學(xué)科交流合作膠體與界面化學(xué)是密切結(jié)合實際并與其他學(xué)科息息相關(guān)的學(xué)科,它涉及的范圍廣,研究的內(nèi)容豐富。從它的發(fā)展歷程也可以看出,膠體與界面化學(xué)的內(nèi)容在不斷深入、面貌在不斷更新,開拓的領(lǐng)域也越來越廣。在自身的發(fā)展過程中,也繁衍出一些新的學(xué)科,或豐富了其他學(xué)科的內(nèi)容。今后需要積極擴(kuò)展領(lǐng)域,加強(qiáng)學(xué)科間的交流合作。作為一門與實際應(yīng)用密切結(jié)合的學(xué)科,現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會為膠體與界面化學(xué)的發(fā)展提供