（物理化学专业论文）fmoc保护的二肽小分子水凝胶的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 9 芴甲氧基( f m o c ) 保护的二肽是多肽合成中常见一种中间产物，研究发 现该类物质具有以下优点：( 1 ) 具有生物相容性；( 2 ) 容易被生物降解； ( 3 ) 具有一定的药物作用；因此由该类分子形成的水凝胶在药物载体、药物缓 释、组织工程和化学传感器等方面应用广泛。 本论文选用n 羟基琥珀酰亚胺作为羧基活化试剂，d c c 作为缩合剂，在二 甲氧基乙烷溶剂中将f m o c d 一丙氨酸的羧基进行活化，然后以乙醇和丙酮的混 合液( v l ：v 2 = 4 ：1 ) 作溶剂，在碳酸氢钠提供的弱碱性条件下，直接用上述反应 生成的活化酯分别与另外的五种氨基酸反应，合成出了f m o c d 丙氨酰基d 丙氨酸、f m o c d 丙氨酰基l 丝氨酸、f m o c d 丙氨酰基l 苏氨酸、f m o c d 丙氨酰基l 酪氨酸和f m o c d 丙氨酰基l 赖氨酸五种f m o c d 丙氨酰基二肽。 运用紫外可见( u v ) 、核磁共振( 1 h 卜琢保) 和傅里叶变换红外( f t i r ) 等测 试手段对产物分子进行了结构签定，并根据反应物及其产物的性质特征推测了 该类反应的反应机理。 研究了上述合成的五种结构相似侧链基团大小不同的f m o c d 丙氨酰基二 肽形成凝胶的情况。运用流变测试手段检测了五种二肽形成凝胶的性能，采用 t e m 和s e m 对形成的凝胶的形貌进行了表征，并用c d 测试手段测试了分子间 的微观排列情况。另外还研究了p h 、酸根离子以及外界温度的变化对四种 f m o c d 丙氨酰基二肽水凝胶的影响。 研究发现，尽管五种f m o c d 丙氨酰基二肽结构相似，但其侧链基团的大小 不同，其形成凝胶的微观形貌及机械性能有很大的差别，随着侧链基团的增大， 形成凝胶的形貌逐渐由丝状变成管状，机械性能也随侧链基团的增加而降低。根 据测试数据对上述五种凝胶的形成机制进行了推测。另外研究还发现，用含有不 同阴离子的酸调节f m o c d 丙氨酰基二肽溶液的p h 值来制备水凝胶，在p h 5 的条件下四种f m o c d 丙氨酰基二肽都能形成水凝胶，并且同一种f m o c d 丙氨 酰基二肽用含有不同阴离子的酸调节p h 值形成的水凝胶的形貌相似，说明酸的 阴离子对f m o c d 丙氨酰基二肽形成的水凝胶没有产生明显的影响。由于氯元素 是人体中常见的元素，所以在用作药物载体、组织工程等方面的水凝胶的研究时 山东大学硕士学位论文 可以选择盐酸作为酸化试剂来制备水凝胶。温度对四种f m o c d 丙氨酰基二肽形 成的水凝胶的影响比较显著，酸化后形成的水凝胶随外界温度的变化而发设定那 个相应的相变，即当温度达到一定的高度( 溶胶凝胶转变温度) 时，凝胶变成 溶胶，室温下冷却又恢复成凝胶状，说明四种f m o c d 丙氨酰基二肽水凝胶是温 敏型可逆凝胶。 本论文研究的意义在于合成了五种f m o c d 丙氨酰基- h ) t ，制备出了四种温 敏型可逆水凝胶，发现了结构相似的分子，侧链基团的大小对分子性质产生很大 影响的现象。 本论文的研究结果为生物药物寻找合适的载体提供了一定的参考，在某种程 度上，丰富生物药物载体库。 关键词：f m o c d 丙氨酰基二肽；水凝胶；纳米丝；纳米管 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t 9 - f l u o r e n y l m e t h o x y c a r b o n y l ( f m o c ) p r o t e c t e dd i p e p t i d e sa r eo n e so fc o m m o n i n t e r m e d i a t e si nt h es y n t h e s i so fp e p t i d e s i tw a sf o u n dt h a t9 - f l u o r e n y l m e t h o x y c a r b o n y l ( f m o c ) p r o t e c t e dd i p e p t i d e sh a v es o m ea d v a n t a g e ss u c ha sb i o c o m p a t i b i l i t y , b i o d e g r a d a b i l i t ya n dd r u ge f f e c t s ，s ot h eh y d r o g e l sf o r m e db yt h e s ed i p e p t i d e sc a l lb e u s e di nd r u gd e l i v e r y , d r u gr e l e a s e ，t i s s u ee n g i n e e r i n g ，c h e m i c a ls e n s o ra n ds oo n i nt h i sp a p e r , w ec h o s en h y d r o x y s u c c i n i m i d ea sa c t i v a t o ro fc a r b o x y lg r o u p a n dd c ca sc o n d e n s i n ga g e n t t h en - h y d r o x y s u c c i n i m i d ee s t e ro ff m o c - d a l a n i n e w a ss y n t h e s i z e di na n h y d r o u sd i m e t h o x y e t h a n es o l v e n t ，t h e nt h ee s t e rw a su s e da s o n eo fr e a c t a n tp r o v i d e dc a r b o x y lt or e a c tw i t ha n o t h e ra m i n oa c i d si ne t h a n o la n d a c e t o n em i x t u r e ( v l ：v 2 = 4 ：1 ) ，a tl a s t ，f i v ef m o c d a l a n y l - d i p e p t i d e sw e r es y n t h e s i z e d t h es t r u c t u r e so f f m o c d a l a n y l - - d i p e p t i d e s a r ee s t a b l i s h e d b ye x p e r i m e n t a l t e c h n i q u eu v1h - n m ra n df t i r , a n dt h er e a c t i o nm e c h a n i s mw a ss p e c u l a t e d a c c o r d i n g t ot h ep r o p e r t i e so ft h er e a c t a n t sa n dp r o d u c t s t h ec h a r a c t e ri ng e l l e ds o l v e n to ft h ea b o v er e s u l t e df m o c d - - a l a n y l - d i p e p t i d e s w a ss t u d i e d ，a n dt h ep r o p e r t i e so ft h ef i v ef m o c - d - a l a n y l - d i p e p t i d e si nt h e o l o g y , m o r p h o l o g ya n dm i c r o s c o p i ca r r a n g e m e n tw a st e s t e db yt h ee x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e r h e o m e t e r , t e m ，s e ma n dc d i na d d i t i o n ，t h ee f f e c t so fp h ，t h ea c i dr a d i c a li o n a n dt h et e m p e r a t u r et ot h eh y d r o g e l sw a ss t u d i e d i tw a sf o u n dt h a ta l t h o u g ht h ef i v ef m o c - - d a l a n y l - d i p e p t i d e sh a v et h es i m i l a r s t r u c t u r e ，t h ef i v eg e l sf o r m e db yt h e ma r ed i f f e r e n ti nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n d m o r p h o l o g y a l o n gw i t ht h es i z eo fs i d eg r o u pi n c r e a s i n g ，t h em o r p h o l o g yo ft h e g e l sc h a n g e df r o mn a n o f i b e rt on a n o t u b e a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o nf r o mt h e a b o v et e s t ，w es p e c u l a t e dt h em e c h a n i s mo ft h eh y d r o g e l sf o r m a t i o n ，i na d d i t i o n ，i t w a sa l s of o u n dt h a tt h ea b o v ef o u rc o m p o u n d sc a nf o r mh y d r o g e l sa d j u s t e db y d i f f e r e n ta c i d so nt h ec o n d i t i o no fp h 5 ，t h er e s u l t so ft e ms h o wt h a tt h e m o r p h o l o g i e so fh y d r o g e l sa c i d i z e db yh y d r o c h l o r i d e ，n i t r i ca c i da n ds u l f u r i ca c i da r e n o td i f f e r e n t t h er e s u l ts u g g e s t st h a tw ec a i la c i d i z e dt h ef m o c d a l a n y l d i p e p t i d e s 山东大学硕士学位论文 s o l u t i o nb yh y d r o c h l o r i d ei nt h e s t u d yo fp r e p a r a t i o nh y d r o g e lu s e d i n d r u g d e l i v e r y ，d r u gr e l e a s ea n dt i s s u ee n g i n e e r i n g t h et e m p e r a t u r eo fs u r r o u n d i n g sm a d e g r e a te f f e c tt ot h eh y d r o g e l s ，w h e nt h et e m p e r a t u r ea r r i v e dt h et g ，t h eh y d r o g e l sc a l l c h a n g ei n t os o l u t i o n ，b u tc o o l e dt ot h er o o mt e m p e r a t u r e ，t h eh y d r o g e l sf o r m e da g a i n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh y d r o g e l sa r et h e r m o s e n s i t i v er e v e r s i b l eh y d r o g e l s t h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c ei nt h i sp a p e rc o n s i s t si ns y n t h e s i so ff i v ef m o c - d - - a l a n y l d i p e p t i d e s ，p r e p a r e d f o u r f m o c - d - a l a n y l - d i p e p t i d e s t h e r m o s e n s i t i v e r e v e r s i b l eh y d r o g e l s ，f i n d i n gt h ep h e n o m e n o no ft h es i d eg r o u p se f f e c t st ot h ew h o l e m o l e c u l e t h er e s u l t so fo u rr e s e a r c hp r o v i d es o m er e f e r e n c ef o rd r u gd e l i v e r ya n d e n r i c h e dt h ed a t a b a s eo fd r u gd e l i v e r yt oac e r t a i ne x t e n t k e yw o r d s ：f m o c - d - a l a n y l - d i p e p t i d e ；h y d r o g e l ；n a n o f i b e r ；n a n o t u b e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 蛳芈 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：继导师签名：丝日期? 驰矽 山东大学硕士学位论文 第一章前言 凝胶是一种在溶剂中不能溶解，但是可以溶胀成为三维的网状结构，并且可 以把溶剂包裹在这种三维网状结构中的半固态物质【l 】，兼有液体和固体的性质， 是一种特殊的分散体系。凝胶中胶体颗粒或者高聚物分子相互交联，形成空间网 状结构，在网状结构的空隙中充满溶剂【2 3 j 。像食品豆腐、果冻、蛋青等都是凝 胶；人体的许多组织，如：眼球、肌肉、蛋白质、以及一些软组织、结缔组织等 也都属于凝胶；另外，人类使用的许多口服型或注射型药物以及一些日用商品、 妇婴保健产品等也都以凝胶为载体。由此可见，凝胶的应用范围非常广泛。 根据溶剂的不同，凝胶一般可以分为有机凝胶和水凝胶两大类，其中水凝胶 又可以根据形成凝胶的分子的大小分为：小分子水凝胶、高聚物水凝胶和超分子 水凝胶三类。超分子是小分子通过分子间弱的非键作用结合在一起的聚集体，它 与高聚物的区别就在于分子之间相互作用力的强弱，前者是小分子之间通过形成 氢键、兀吼共轭等非键作用聚集，而后者是小分子之间通过强的化学键连接。小 分子一般可以通过生物相容的分子衍生而来，因此它们具有一定的生物相容性， 容易被生物降解，另外，有些小分子可以引入具有某种和生物药物分子可以产生 作用的官能团，使小分子可以和药物分子发生作用。因此，由这些小分子形成的 水凝胶在药物分子的传输方面应用广泛。本论文重点讨论了通过非键作用形成的 小分子水凝胶。 1 1 小分子水凝胶 小分子水凝胶就是小分子在溶剂水中通过非键相互作用结合在一起，形成网 状结构，溶剂水被限制在这种网状结构中的一种存在状态。 ( 一) 分子结构特征 研究发现可以形成水凝胶的小分子一般其结构中都既含有亲水基团又含有 疏水基团，小分子水凝胶就是具有这种结构的物质在水中溶解和聚合达到平衡时 的一种存在状态。为了更好地理解小分子水凝胶的形成机制，可以将小分子水凝 胶的结构分解成像蛋白质一样的一级结构、二级结构和三级结构，如图1 1 所示 h j ，其中一级结构( 埃米级到纳米级) 体现在分子水平上，是形成水凝胶的小分 山东人学硕l ：学位论文 子在一维或二维方向上的聚集，氢键和疏水作用是这种聚集行为的常见驱动力， 另外盐桥和过渡金属协同作用在这种一级结构的形成过程起到一定的促进作用。 、。灭。 t 、。灭， 矗 、。欠 1 4 4 苫i - i j 卜， 、。j l ， t，矗 、。篮， a矗 、a 厂 5 忖a 百盂育：i】0 姗j o 圳 f i g u r e1 - 1 t h ep r i m a r y ，s e c o n d a r y ，a n dt e r t i a r ys t r u c t u r eo fas e l f - a s s e m b l e dp h y s i c a lg e l 图卜1 自组装物理凝胶的一级结构、二级结构和三级结构 蒹一” 卿移。 国 妙 撇嘲 o 一卿莎 、 v m i c l e l妊latakia f i g u r e1 - 2 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o n so fp o s s i b l ea g g r e g a t e so fa m p h i p h i l i cm o l e c u l e si na q u e o u s s o l u t i o n t h ea l t o w sr e p r e s e n tp o s s i b l ei n t e r c o n v e r s i o np a t h w a y s ，d e p e n d e n to n c o n c e n t r a t i o na n do t h e rs o l u t i o nv a r i a b l e s ( p h ，i o n i cs t r e n g t h ，e t c ) 图l - 2 ：两性分子在水溶液中可能的聚集形态示意图，箭头表示随着溶液的浓度和其他变化 因素( 如p h 、离子强度等) 变化而可能的转化途径 二级结构( 纳米级到微米级) 主要是一些胶束、囊泡、纤维、丝带和薄片等( 如 图1 2 所示5 1 ) ，是级结构的进一步聚集。聚集结构依赖于物质的浓度，如在 2 山东火学硕j j 学位论文 临界胶束浓度( c m c ) 附近形成胶束，随着浓度的增加，会出现球形胶束，胶 束进一步聚集，就形成了盘状胶束或者层状胶束，浓度再增加则形成棒状或者带 状胶束等等，因此二级结构与物质的浓度有很大关系。三级结构( 微米级到毫米 级) 体现在聚集体的相互作用上，它决定体系是否能够形成凝胶还是形成沉淀。 三级结构是二级结构的进一步聚集，二级结构向三级结构的转变取决于聚集体之 间的相互作用力。目前为止已经构建了一些模型来解释从分子到一级结构和二级 结构的转化，女h b o d e n 研究组已经模拟了棒状手性分子缩氨酸的b 一折叠构造的分 等级自组装，模拟结果显示该分子可以自组装成带状和丝状( 如图1 3 所示1 6 j ) 。 ( c )( d ) ( e 。)( f ) ( a ) t ，少； 。 m o n l e r ( b ) t a p e ( c ) 砖b d 均nf i b r i l ( d ) ( e )( f ) c o n c e n t r a t i o n f i g u r e1 3 m o d e lo ft h eh i e r a r c h i c a ls e l f - a s s e m b l yo fc h i r a lr o d l i k em o n o m e r s ( a ) t h e m o n o m e rw i t hc o m p l e m e n t a r yf u n c t i o n a l i t ya n dc h e m i c a l l yd i f f e r e n tf a c e s t h e l o c a la r r a n g e m e n t s ( c f ) a n dt h ec o r r e s p o n d i n gg l o b a le q u i l i b r i u mc o n f o r m a t i o n s ( c 一f ) o ft h es t r u c t u r e sf o r m e di ns o l u t i o n so ft h em o n o m e rw i t hi n c r e a s i n g c o n c e n t r a t i o n 图1 3 ：手性棒状单体分级白组装模型：带有互补官能团和化学性质不同的面的单体( a ) ， 随着浓度的增加，在溶液中单体局部排列( c f ) 和相应的平衡构型( c ，f ) ( - - ) 分类 依据对外界刺激所作出的响应，小分子水凝胶可以分为温度敏感型( 简称为 温敏型) 、p h 敏感型、光敏感型、酶敏感型水凝胶等，这些都是单一响应型水 磅，隆憾眵 。少蕊黪 妒 ；t o ti、 山东大学硕士学位论文 凝胶，还有一类小分子水凝胶对外界的两种或两种以上的刺激都能做出响应，这 类水凝胶属于多重响应型水凝胶。上述类型的小分子水凝胶会对外界的刺激作出 相应的响应，发生一些可逆相变，如一些p h 敏感型水凝胶会随外界p h 的变化 发生溶胶凝胶的转变。小分子水凝胶因具有这些特殊的性质，所以具有更广泛 的应用空间，引起人们的特别关注。 ( 三) 性质 1 、固、液性质共存 小分子水凝胶是由小分子形成的网络和溶剂水两部分构成，溶剂水被限制在 一定的网络空间内，其流动性受到一定的约束，溶剂水的运动又会对小分子的网 络结构产生一定的影响。因此小分子水凝胶兼具有固体和液体两方面的性质。如， 在高度溶胀的小分子水凝胶中，所含溶剂具有很大的扩散系数，这是小分子水凝 胶具有液体性质的特性，又如小分子水凝胶具有一定的形状，可以加力切断，从 而可改变形状，这又是小分子水凝胶具有固体性质的特性。 2 、相变行为 小分子水凝胶还呈现一种非线性变化的现象体积相变现象，即随溶剂组 成、温度、p h 值、水凝胶中离子组成、光、电场强度等外界条件的变化，小分 子水凝胶的体积发生突然的、显著的变化的现象。常将水凝胶的这种体积相变现 象简称为相变，将水凝胶转变为溶液的那一点的温度称为凝胶转变温度。 3 、溶胀性质 小分子水凝胶的性质很大程度上取决于小分子网络结构以及小分子网络结 构与溶剂的相互作用。网络结构的运动受到两方面因素的影响：一是受交联的制 约，一是溶剂水分子的溶剂化作用。因此，网络结构在溶剂水中向三维方向伸展 而造成水凝胶具有运动性，从而导致水凝胶具有一定的溶胀性能，水凝胶可以脱 水，变成干凝胶，干凝胶也可以吸收溶剂水变成水凝胶，其溶胀率可以利用下面 的公式加以计算。公式中s 表示溶胀率，m 。代表水凝胶吸收溶剂水达到平衡时 的重量，m d 代表水凝胶脱水变成干凝胶的重量。 s = k ms m d l | md x l 0 0 4 、其他一些性质 小分子水凝胶本身是处于非平衡状态的开放性体系，已经发现小分子水凝胶 4 山东大学硕士学位论文 与外界可以发生作用，能够进行能量、物质、信息的交换，具有作为传感器和化 学反应场所的功能。并且，小分子水凝胶具有应答外环境，从而改变自身形状或 状态的特性。因而，可吸附、脱吸附、输送、透过物质，即具有载持、分离、缓 释物质的功能。 ( 四) 制备方法 小分子水凝胶的制备方法很多，如可以通过提高分子问氢键作用，从而形成 水凝胶，也可以通过静电耦合、配位键、疏水结合、范德华力等分子间相互作用 来实现该类凝胶的制备。 上述制备方法可以单独使用，也可以同时运用几种制备方法制备出具有预计 性能的水凝胶。本论文利用7 c 冗共轭作用及分子间氢键作用等共同作用制备出了 一系列f m o c d 丙氨酰基二肽小分子水凝胶。 1 2 研究手段 小分子水凝胶的研究手段很多。随着科学技术的发展一些新型的测试仪器也 应运而生，为小分子水凝胶的研究提供了更多方便，使对小分子水凝胶进行深刻 的研究成为可能。 1 2 1 流变 小分子水凝胶的宏观性质主要源于其三级结构，在一定程度上也与其二级结 构有关，小分子水凝胶结构上的这些差别可以利用流变测试和热动力学来进行研 究，给出的数据可以评价凝胶的强度和粘弹性能的好坏【7 。1 1 1 。另外流变测试还可 以测试出溶胶一凝胶转变温度( t 酩1 ) ，当然，凝胶转变温度也可以用其他手段检 测出来，如：落球实验、差热分析等。 流变( r h e o l o g y ) 测试手段是用来研究材料的流动及变形规律的一种测试技 术1 1 2 ，用这种技术可以测得样品随振荡而发生变化的一些变量的数据，如复合 模量( g 木) 、弹性模量( g ) 和粘性模量( g ”) 等，由这些数据可以得知流体 的网状结构的类型、强弱以及小分子组装的一些信息，为小分子结构的设计提供 依据。目前，流变测试已经成为水凝胶研究中不可缺少的一项测试技术。 山东大学硕士学位论文 1 2 2 波谱测试 核磁共振( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ，n m r ) 、荧光光谱( f l u o r e s c e n c e s p e c t r a ) 、紫外可见光谱( u l t r a v i o l e tv i s i b l es p e c t r a ，u v ) 、圆二色谱( c i r c u l a r d i c h o r i s m ，c d ) 和傅里叶红外变换光谱( f o u r i e rt r a n s f o n l li n f r a r e d ，f t i r ) 技术 已经用于小分子水凝胶体系的研究，这些研究手段可以提供凝胶分子组装的信 息。另外，随着科技的发展，上述技术都可以配备温度控件，从而提供一种测试 t g c l 的方法。 溶液状态的核磁共振可以检测凝胶化过程中氢键的形成【1 3 j5 1 ，提供的弛豫时 间可以用来鉴定胶凝化过程中分子的构型和平移运动【5 , 1 6 。固态魔角旋转核磁共 振可以通过溶液中和凝胶状态的化学位移的变化，来鉴定凝胶的形成【 18 1 。荧 光光谱是鉴别含有荧光基团的水凝胶的一种比较常用的方法【l o 1 9 2 0 1 ，荧光探针 也可以检测水凝胶内部的疏水堆积【2 1 埘】。紫外可见光谱技术则可以给出所检测基 团周围环境的疏水性变化【2 2 1 的一些信息，鉴别引起聚集从而导致胶凝化的兀7 【堆 积和金属配位键。圆二色谱测试技术可以用于研究手性凝胶，虽然手性凝胶给出 的紫外可见信号比较弱，但是胶凝时可以给出强的c d 信号，因此可以用c d 测 试技术进行研究，这种测试技术还可以用于监控凝胶的形成【2 5 1 ，得到类似于紫 外可见光谱中得到的兀兀堆积信息【1 9 2 6 ，2 7 1 。傅立叶变换红外( f o u r i e rt r a n s f o r m i n f r a r e d ，f t i r ) 法可以确定氢键的存在和羧酸的质子化状态【1 4 2 5 ，2 8 3 1 1 ，也是小 分子水凝胶研究中常用的一种测试技术。 1 2 3 显微镜方法 显微镜测试技术可以提供凝胶纳米结构的一些微观信息，因此被用于小分子 水凝胶的研究。 偏振光技术可以在被测样品溶液的浓度很低( 理论限度为0 2 山v 1 ) 的情况下， 检测到凝胶自然状态下的聚集结构【2 3 2 8 3 2 3 3 】，而且不需要对被测样品进行处理， 除此之外，还可以测得消光样品的聚集度，因此，该技术常被用于小分子水凝胶 的研究。扫描探针显微镜( 如a f m 和s t m 等) 是高分辨测试技术，可以在高 湿度和不脱水的条件下用于原位检测水解样品【3 4 3 5 1 。电子显微镜包括扫描电镜 ( s e m ) 和透射电镜( t e m ) ，这两种显微镜的分辨率也很高，最高分辨率可 f ； 山东大学硕士学位论文 达0 2 r i m ，可以提供有关凝胶的聚集形貌的一些信息。这两种测试操作条件相对 比较苛刻，需要高真空下进行，而且要求样品完全干燥【3 6 1 。除此之外，有时t e m 测试还需要对样品进行染色，以增加电子密度，得到较清晰的图像。用于t e m 测试的常用染色剂有磷钨酸盐和四氧化锇。 近几年来，低温技术也被应用于凝胶体系的研究，这种测试技术可以得到自 然状态下的凝胶纳米尺度的图像，如：冷冻t e m ，可以观测到含水环境中的分 子组装结构。另外还有其他一些冷冻技术，如：冷冻蚀刻t e m 、冷冻s e m 等也 都已经被用于小分子水凝胶的研究。 1 2 4 衍射 小角x 射线衍射( s a x s ) 和小角中子散射( s a n s ) 的分辨率接近于t e m 测试技术，可以用于水凝胶中研究纤维缠结促使形成的超结构3 5 3 7 。9 1 。利用这 种技术测试进行测试时，首先需要选择聚集模型，如：棒状胶束，然后用合适的 参数进行测试，就可以得到棒状胶束聚集的堆积信息( 如，立方、六角等) ，除 此之外，s a x s 测试技术可以用于测试自然状态下的凝胶，不需要对样品进行处 理。测试的结果需要用严谨的数学分析来解释。 宽角x 射线粉末衍射( x r d ) 也可以阐释凝胶中的分子结构，给出晶体结 构中重复单元的间距d 等一些信息，将测试出的间距与分子尺度的间距进行比 较，可以得出分子堆积结构( 如：层状堆积的间距为：1 ，1 2 ，1 3 ；六角状堆积 的间距为：l ，1 4 2 ，1 4 3 ) 。这种测试技术需要对被测样品进行干燥，不能得 到自然状态下凝胶的结果。 1 2 5 模拟 由于有些凝胶中固有的无序性，利用上述测试技术不能得到原子水平的分析 结果，分子模拟可以解决这种问题。通过构建模型对水凝胶进行模拟研究，可以 得到一些实验无法测试的结果。这种研究手段必须建立在上述一些测试技术得到 的实验数据基础上，从上述一些测试技术中得到凝胶状态下的一些分子组装数 据，然后才可以建立比较合适的模型，进行分子模拟。较高水平的能量最小化和 分子动力学模拟已经用于凝胶初级结构的研究【9 1 4 “0 1 。 7 山东大学硕士学位论文 1 3 研究现状 “凝胶”自古有之，但是对于其结构、功能、应用系统的深入研究却是近三十 年的事情，特别是自2 0 世纪7 0 年代末，美国马萨诸塞州理工学院的田中丰一教 授【4 1 】发现凝胶的体积相变现象，立即引起世界各国学术界的重视，人们看到了 凝胶的巨大的应用前景，纷纷加入对凝胶，特别是对智能凝胶理论和应用方面的 研究队伍中来。小分子水凝胶由于其不仅可以形成三维的网状结构，而且自身具 有生物可降解性和生物相容性，有些小分子还能把引起生物组织发炎的可能性降 低到最小限度，在生物药物材料和组织工程方面具有很大的应用潜能，因此备受 人们关注。 研究发现可以形成水凝胶的小分子结构中既含有亲水基团又含有疏水基团， 小分子水凝胶是这类物质在水中溶解和聚集达到平衡的一种存在状态。两亲分子 具有类似的结构，分子结构中的疏水基团促使分子聚集，而亲水基团增加了分子 间的排斥力，促使分子在水中溶解，由此看来，两亲分子具备形成水凝胶的条件， 而且可以通过调节溶液的p h 值和离子强度来控制凝胶的形成。起初人们对小分 子水凝胶的研究就是从传统的两亲分子开始的。 1 3 1 两亲小分子水凝胶 一个亲水头基连有一条疏水尾巴的传统两亲分子和两个亲水头基由一条疏 水链连接的纺锤型两亲分子以及两条疏水尾巴连在同一个亲水基团上g e m i n i 两 亲分子都具备形成水凝胶的条件，许多研究工作者对这些类型的分子进行了大量 的研究。 1 9 8 1 年，k u n i t a k e 等【4 2 1 作了聚集形貌和两亲分子结构之间的关系报道。他们 将两亲分子结构分成独立的四部分，即：f l e x i b l et a i l 、r i g i ds e g m e n t 、s p a c e rg r o u p 和h y d r o p h i l i ch e a d g r o u p ( 如图1 - 4 所示) 。他们在一些分子的弹性尾巴上引入了 8 山东大学硕士学位论文 l 、厂少厂少一 f l e x i b l el a i j f i g l ds p 啦褂 f l e x i b l e h y l c l r 印h i l i c l i n k e r h e a d g r o u p f i g u r e1 - 4 t h ed i v i s i o n so fa na m p h i p h i l i cs t r u c t u r e 图1 4 ：两亲分子的划分示意图 可以产生相互作用的基团，如：酯基、氨基等，增加分子间氢键，从而得到预期 的形貌。另外他们还进行了通过改变弹性尾基长度的方法来改变聚集形态的研 究，发现结构中的四个部分都不同程度地影响了分子的聚集形貌。 1 9 9 5 年t h o m a s ，b n 等 4 3 1 进行了一种通过控制冷却速度的方法，调节二炔基 磷脂的自组装从而形成多层管状结构及其形成动力学的研究。利用x 射线衍射、 原子力显微镜、扫描电镜等研究手段对样品进行了表征，发现管状结构的形成来 源于层间的可逆一级相变，这一研究发现为管状结构的制备提供了参考。 i s r e l a c h v i l i 【伽根据前人的研究成果，总结油脂类两亲分子聚集形貌与头基面 积、碳氢链长和体积等一些变量的关系，如表1 1 所示。 表1 1 油脂的堆积形状和结构与堆积参数的关系 随着对小分子水凝胶研究的逐渐深入，人们开始更加关注于小分子水凝胶的 作用与用途。由两亲小分子自身性质确定，其用途受到一定的限制，因此，人们 开始把注意力转移到生物小分子，开始了糖类和氨基酸及其衍生物等一些生物小 分子水凝胶的研究。 9 山东大学瑚1 学位论义 132 糖类及其衍生物小分子水凝胶 糖类具有很好的水溶性，分子结构中含有手性基团，且具有生物相容性，因 此备受研究者的关注，他们将这些分子引入到两亲分子上，然后对两亲分子进行 了研究。现已经成功设计出许多糖类基础上的水凝胶【4 5 j 。 b h a t t a c h a r y a ，s 等1 4 ”进行t n 烷基二糖两亲分子自组装的研究。他们在麦芽 糖和乳糖二糖基础合成了六种不同的二糖两亲分子，研究了它们形成凝胶的情 况。研究发现，这类分子形成的水凝胶，在温度升高至u 7 0 c 变成澄清的各向同性 溶液，冷却后，又重新变成水凝胶，即制各出了一些温度可逆型水凝胶。运用高 分辨s e m 进行了形貌检测，发现链长不同，形成水凝胶的形貌也不相同。研究还 发现，二糖基团的引入增加了两亲分子的水溶性，使制各的水凝胶吸水性增强， 但是强度减弱。另外还对体系进行了分子模拟和能量最小化的研究。 s h i m i z l l t 等一7 j 在糖类分子的基础上引入其他一种长链基团，合成出一种新的分 子。研究发现这种合成的分子可以在水溶剂中形成凝胶。运用s e m 、t e m 、n m r 和x r d 研究手段，对该分子形成的水凝胶的超结构进行了测试，发现该凝胶形 成了直径在2 0 5 0 0 n m 的三维网状结构( 如图1 5 a 所示) ，而且发现了螺旋纤维 手性聚集( 如图1 5 b 中箭头所指部分) ，宽度在8 5 n m 到3 1 5 n m 不等，长度达 几个微米，这种螺旋结构的发现排除了左旋分子存在的可能性。x r d 测试结果 表明，水凝胶1 主要以双层结构聚集，层间距为2 9 n m 。这一发现为制各双层结 构的水凝胶提供了参考。x r d 、f t - n m r 和f t i r 测试结果证明，水凝胶1 的 形成是氢键、廿相互作用和疏水作用共同作用的结果。 m 东 学坝l 学位论立 f i g u r e1 - 5 e f - t e mp i c t u r e s o fa i l a q u e o u sg e l 1w i t h o u t n e g a t i v e l ys t a i n i n g ：( a ) l o w m o d i f i c a t i o n ，( b ) h i g hm o d i f i c a t i o n ，a n d ( c ) s e mp i c t u r eo f t h ex e r o g e l1p r e p a r e d f r o mw a t e r t h ea r r o w si n d i c a t eah e l i c a lf i b e 图i - 5 ：没有染色的水凝胶i 的e f t e m ( a ) 低放大倍数( b ) 高放大倍数( c ) i 的干凝股的 s e m 。箭头指出螺旋纤维 h a m a c h i ，i 等h 8 l 合成了一种n 一乙酰基半乳糖胺修饰的氨基酸酯，发现这种分 子不仅可以在很多有机溶剂中形成凝胶而且表现出很好的胶凝水的性质，运用 透射电镜、扫描电镜、共聚焦显微镜以及f t i r 研究了凝胶的结构性质，发现这 种超分子纤维是由强的氢键缠结形成的，这种结构可以将溶剂限制在网状结构 中，另外，这种分子形成的水凝胶即使在高的盐浓度的溶液中也可以稳定存在， 这是由它的非离子型结构决定的。 13 3 氨基酸及其衍生物类小分子水凝胶 氨基酸是生命现象中不可缺少的一种物质，可以由蛋白质分解得到，因此具 有很好的生物相容性和降解性，由这类分子及其衍生物形成的小分子水凝胶受氨 基酸这种物质性质的影响也具有一定的生物相容性和降解性，是生物药物及其药 物载体很好的候选物质，因此备受研究者的青睐。 m a s a h i r os u z u k i 等【4 在l 一赖氨酸衍生物基础，研究了一系列低分子量的水凝 胶的性质。由于中性的这些物质的溶解度很低，所以在这些物质上引入正电荷， 从而增加其溶解度，制各出水凝胶，并利用透射电子显微镜( t e m ) 、傅立叶 变换红外光谱( f t i r ) 和发光光谱( l s ) 等测试技术对形成的一系列水凝胶进 行了表征，结果表明，这些凝胶体分子在很低的浓度下通过疏水作用和分子间氢 键形成纳米纤维状的水凝胶，在这种水凝胶的三维网状空间内可以充满水，作为 生物药物的载体或为某些特定反应提供反应场所，足一种很有用途的材料。 2 0 0 3 年，x ub i n g l - 俐在一系列f m o c 保护的氨基酸形成的二肽的基础上研 究了凝胶体分子的结构对超分子水凝胶的形成及性质的影响，并首次报道了超分 f i g u r1 - 6 c r y o - s e mi m a g e so f t h en a n o f i b e r si nt h eh y d r o g e l so f ( a ) 1 ，( b ) 2 ，a n dt h es e m i m a g e so f t h e m i x t u r e sa f t e r le q u i vo f v a ns o l i d w a , sa d d e d t o t h eh y d r o g e l so f l ( d ) ， 2 ( e ，i n s e t ：f l t o wi n d i c a t e d t h ep r e c i p i t a t eo f v a n ) 创i - 6 ：水凝胶中的纳米纤维形貌的冷冻s e m 蹦像( a ) 1 ，( b ) 2 ，( d ) 1 + v a n ，( e ) 2 + v m l 子水凝胶对生物接受体和给与体的相互作用的响应。研究发现分子的结构对其形 成凝胶的条件和性质都有很大的影响，并且发现分子式相同，手性不同的一对对 应体对同一种药物分子作出不同的反映，其s e m 测试结果如图1 - 6 所示： 他们利用t e m 、s e m 和c d 等测试手段对形成的凝胶进行了表征，根据测试 数据合理推测了水凝胶形成的机制( 如图1 7 所示) 。 f i g u r e1 - 7 p o s s i b l el i g e n d r e c e p t o ri n t e r a c t i o n st h a ti n d u c et h eg e l s o lp h a s ei r a n s i t i o n 图1 7 ：配位体- 接受体可能的相互作用诱导凝胶一溶胶相态转变 山东大学硕士学位论文 a r i a r m af r i g g e r 等【