環(huán)糊精與客體分子的鎖-鑰包合作用

環(huán)糊精包合型大分子水凝膠材料的研究進展環(huán)糊精（cd）是d-氨基葡萄糖-4的一種環(huán)形低聚糖化合物。d-1和4是由d-a和4糖苷鍵組成的環(huán)化合物。根據(jù)分子中所含吡喃葡萄糖單元數(shù)不同,分為α-、β-和γ-環(huán)糊精,分別含6、7和8個葡萄糖單元,內(nèi)徑依次為0.57nm、0.78nm、0.95nm。其結(jié)構(gòu)如圖1所示,內(nèi)腔疏水,外側(cè)親水,獨特的兩親性結(jié)構(gòu)使環(huán)糊精可作為“主體”包結(jié)不同的疏水性“客體”化合物,因而受到科技工作者們的廣泛關(guān)注。基于環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)特點,通過設計制備含有環(huán)糊精的主體分子以及疏水基修飾的水溶性客體聚合物,二者在水溶液中簡單混合,便可利用分子間包合作用自組裝形成大分子網(wǎng)絡,從而構(gòu)筑新型包結(jié)締合型流體材料及水凝膠材料。從本質(zhì)上看,這種締合體系的驅(qū)動力源于酶和底物間的超分子作用力或“鎖-鑰匙”間的匹配關(guān)系,因此組裝而成的大分子網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)具有可控和分子識別功能的特點。對于這種以環(huán)糊精包合作用為驅(qū)動力的新型締合體系,1997年首次被Wenz等進行了報道,此后十多年,國內(nèi)外科學家對這種包結(jié)締合型大分子進行了廣泛研究。根據(jù)主體聚合物的構(gòu)成情況主要分為五類:環(huán)糊精二聚物、水溶性環(huán)糊精交聯(lián)聚合物、接枝型(線型、吊燈式)環(huán)糊精聚合物、環(huán)糊精-無機功能分子雜化體、星型(支化)環(huán)糊精聚合物分別與含有疏水基團的兩親聚合物的自組裝體系。該締合體系在粘度控制、藥物控釋、組織工程等方面已表現(xiàn)出潛在的應用價值。本文主要以環(huán)糊精主體聚合物分子形態(tài)為主線,對基于環(huán)糊精包合作用的大分子網(wǎng)絡的最新成果進行綜述,同時對如何豐富和拓展這種締合體系進行了展望。1金剛烷改性聚丙烯酸ad-pnipam的制備將環(huán)糊精二聚物與不同類型的客體聚合物相互作用,不僅可以構(gòu)筑超分子聚合物還能獲得水凝膠。2005年,Hasegawa等采用分子量為600的聚乙二醇為橋聯(lián)劑,分別制備了β-環(huán)糊精和金剛烷(AD)的二聚物,將二者混合后得到了分子量為100000的線性超分子聚合物。最近,Ge等將ATRP與點擊化學法相結(jié)合制備得到聚異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)鏈上同時含一個AD分子和兩個β-CD分子的大分子單體——AD-PNIPAM-(β-CD)2。在水溶液及高濃度下,該AB2型大分子單體可形成高分子量的超分子超支化聚合物。在環(huán)糊精二聚合物與客體聚合物構(gòu)成的水凝膠方面,2006年,Kretschmann等用對苯二甲酸與單胺基化的β-CD進行縮合反應,得到β-CD的二聚物,然后將β-CD二聚物與金剛烷改性PNIPAM在水中混合制備得到一種具有開關(guān)控制功能的智能凝膠。β-CD二聚物的加入會抑制聚合物的移動和溶解,使得PNIPAM的LCST值從35℃降至15℃。2010年,Guo等將具有不同連接基長度的環(huán)糊精二聚物與具有不同間隔基長度的金剛烷改性聚丙烯酸構(gòu)筑得到超分子水凝膠。研究發(fā)現(xiàn),通過調(diào)節(jié)環(huán)糊精二聚物連接基長度和金剛烷與聚丙烯酸間的烷基鏈長可實現(xiàn)對水凝膠流變性調(diào)控。對于環(huán)糊精二聚物,連接基越長,所得聚合物網(wǎng)絡粘度越高;對于金剛烷改性聚丙烯酸,如圖2所示,隨連接基長度增加,烷基鏈將與金剛烷相互競爭,與環(huán)糊精進行包結(jié)。最近,該課題組又采用流變及二維NOESY譜研究了具有不同連接基長度的環(huán)糊精二聚物與不同烷基鏈(C12和C18)改性聚丙烯酸的相互作用規(guī)律。2金剛烷的合成通過化學交聯(lián)劑,如表氯醇、二縮水甘油醚等進行縮聚反應可得到水溶性環(huán)糊精交聯(lián)聚合物(CDP),然后將其與含有疏水側(cè)基或疏水端基的水溶性高分子相互作用,可自組裝形成圖3所示的包結(jié)締合體系,使聚合物溶液粘度上升,呈現(xiàn)獨特的流變性能,一定條件下還可形成物理交聯(lián)凝膠。由于β-環(huán)糊精空腔與金剛烷(AD)分子的高度匹配性,對于這種體系常采用金剛烷改性水溶性聚合物與CDP進行自組裝研究。在這方面,1999年,Amiel等首次將金剛烷改性聚氧乙烯(PEO-AD)與CDP進行相互作用研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種包合作用可增強PEO-AD分子間的締合作用,但易發(fā)生締合相位分離,對pH和離子強度很敏感,締合強度主要受聚合物鏈上的疏水基含量及兩種聚合物濃度的影響。同年,Gosselet等在聚(N,N-二甲基丙烯酰胺/羥乙基甲基丙烯酸酯)上引入金剛烷(AD),并與β-CDP構(gòu)筑得到締合體系。研究認為,兩種聚合物處于一定組成時,存在一個最高粘度,符合1∶1包合比,并且粘度隨客體聚合物分子量和疏水基含量而變化。通過相圖研究證實:β-環(huán)糊精與金剛烷的包合作用使得兩種聚合物間確實存在強烈的締合作用。隨后,該課題組又合成了側(cè)基含金剛烷的聚N-三羥甲基-甲基-丙烯酰胺,由于聚合物鏈上存在強烈的氫鏈作用,不利于分子間疏水作用,使其與β-CDP混合后,粘度增加更加顯著。鹽的加入有助于締合,但也使得改性后的聚合物在更低濃度下就出現(xiàn)了兩相區(qū)。此外,在2000年,Sandier等研究證實,隨PEO-AD濃度增加,網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)粒徑分布明顯變寬,平均松弛時間增加,聚集體體積增大,但存在最大尺寸,PEO-AD的金剛烷基團間無“膠束化”趨勢。2001年,Amiel等又對聚(β-蘋果酸-co-β-蘋果酸金剛烷乙酯)與β-CDP的二元組裝體系進行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)締合強度受溶液pH值影響很大,并且主要受兩親聚合物鏈上的凈電荷控制。除金剛烷外,用其它疏水基團(烷基鏈、苯基、環(huán)烷基等)對水溶性聚合物進行疏水修飾后,也可與水溶性環(huán)糊精交聯(lián)聚合物進行超分子組裝,構(gòu)筑主客體締合體系。2005年,Wintgens等制備了金剛烷或十二烷基疏水改性聚異丙基丙烯酰胺共聚物,該聚合物在水溶液中存在自締合作用和最低臨界溶解溫度(LCST)。對β-環(huán)糊精和環(huán)糊精交聯(lián)聚合物包合誘導疏水改性PNIPAM的熱敏性能進行研究發(fā)現(xiàn):加入β-環(huán)糊精單體后,LCST值增加;而加入β-環(huán)糊精聚合物后,LCST值隨疏水基含量而變化,疏水基為1%時增加,疏水基為4%時減小。此外,對兩種聚合物間的締合作用進行研究發(fā)現(xiàn):這種締合由疏水基團與環(huán)糊精空腔形成包結(jié)復合物引起,締合常數(shù)近似為104M-1;吸附在環(huán)糊精聚合物層上的PNIPAM數(shù)取決于取代基的種類和數(shù)量。2005年,李姝靜等則采用2-苯氧乙基丙烯酸酯疏水體修飾的丙烯酰胺共聚物P(AM/POEA)與水溶性β-環(huán)糊精聚合物(β-CDP)共同構(gòu)筑了主客體締合聚合物體系,并證實這種締合體系具有良好增粘功能和耐鹽性質(zhì)。2006年,Burckbuchler等借助流變及小角中子散射(SANS)對疏水改性海藻酸(HM-alginate)/CDP體系進行研究發(fā)現(xiàn),CDP可與聚合物鏈上相鄰疏水基發(fā)生橋連而增強締合網(wǎng)絡,并且在高剪切速率下存在剪切增稠現(xiàn)象。對于這種締合體系的應用研究,目前主要集中在藥物控釋方面。2006年,Gref等將β-CDP與烷基鏈改性葡聚糖(MD)溶液在室溫下混合,組裝得到如圖4所示的納米級水凝膠MD-βCDP。隨后,該課題組分別采用顯微鏡、動態(tài)光散射、分子模型、表面張力及1HNMR譜法對其形成機理及分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了深入研究:MD分子有著水溶性兩親分子的典型特征,可吸附在氣/液界面上;與β-CD相比,β-CDP上的環(huán)糊精分子對MD的解吸有著協(xié)同作用;MD-βCDP自發(fā)形成,主要驅(qū)動力源于環(huán)糊精包合作用;納米組裝體粒徑分布在60~160nm。此外,該水凝膠具有生物相容性和可注射性,可負載難溶性藥物,如二苯甲酮、他莫昔芬和三苯氧胺等。此外,2009年,Amiel等對環(huán)烷酸(CHX)改性葡聚糖與環(huán)糊精交聯(lián)聚合物構(gòu)成的納米自組裝體進行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),引入羧酸基團后,聚合物間的締合作用具有pH響應性。當pH為4時可獲得球形納米粒子,當pH<4時納米粒子變得不穩(wěn)定,當pH>4時納米粒子會轉(zhuǎn)變成水溶液。最近,Yang等將葡糖氧化酶(GOD)與十六烷酸N-琥珀酰亞胺基酯(PA-NHS)反應,得到疏水改性葡糖氧化酶(HM-GOD),將其固定于環(huán)糊精交聯(lián)聚合物接枝改性的聚乙烯亞胺水凝膠(PEI-βCD)中,得到了一種具有對葡萄糖濃度變化敏感的水凝膠材料。3環(huán)糊精線型聚合物的合成利用環(huán)糊精空腔與客體分子一一對應的分子識別關(guān)系,將帶有環(huán)糊精側(cè)基的水溶性線型聚合物與疏水改性水溶性聚合物混合,可組裝得到一類重要的大分子網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),其中,環(huán)糊精線型聚合物主要通過改性環(huán)糊精單體聚合法和環(huán)糊精改性聚合物法得到。根據(jù)客體分子的類型主要分為以下四種:苯基、長鏈烷基、金剛烷、偶氮苯及其衍生物改性水溶性聚合物,由不同的客體聚合物與環(huán)糊精線型聚合物所組成的大分子體系,具有不同的結(jié)構(gòu)特點和宏觀性能。3.1環(huán)糊精-客觀物理法制備高分子的研究進展1997年,Wenz等首次制備了這種基于主客體包合作用的締合增稠體系。將馬來酸酐與異丁烯共聚物上的酸酐基團分別與β-環(huán)糊精的醇羥基和4-叔丁基-對苯胺上的胺基反應,分別得到含有環(huán)糊精側(cè)基的高分子A和含有客體側(cè)基的高分子B。兩種線性高分子長鏈在水溶液混合后通過包合作用組裝得到大分子網(wǎng)絡,溶液粘度比混合前有很大提高。加入HP-β-CD后,客體分子選擇性地與環(huán)糊精單體進行包合并拆散網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),導致粘度急劇下降。2009年,Larsen等將甲基丙烯酰胺環(huán)糊精與乙烯吡咯烷酮的共聚物同苯基疏水改性葡聚糖進行自組裝得到納米微粒。加入金剛烷醇,該微粒可逐漸分散成水溶液,具有可控性。由于該微粒中各成分均為生物相容性聚合物,分子尺寸都位于納米/微米范圍,適宜藥物傳送。3.2環(huán)糊精包合物的增強對于這種基于環(huán)糊精包合作用的分子間締合體系,華東理工大學郭旭虹等在這方面做了很多有意義的工作。將單氨基化環(huán)糊精與聚丙烯酸反應,合成了帶有α-CD和β-CD側(cè)基的聚丙烯酸(CD-PAA);再用長鏈正烷烴胺與聚丙烯酸反應,分別制備得到正烷基鏈疏水改性聚丙烯酸(HM-PAA)。二者混合后,CD-PAA與HM-PAA通過環(huán)糊精的包合作用組裝得到如圖5所示的包結(jié)締合大分子網(wǎng)絡,與疏水締合聚合物相比,這種新的組裝體系可產(chǎn)生更強的締合效應和水溶液粘度。對于α-CDPAA所構(gòu)成的聚合物混合體系,濃度較高時可部分形成包合比α-CD/HM=2∶1的主客體包合物,具有剪切增稠現(xiàn)象,其粘度大于β-CDPAA與HMPAA構(gòu)成的混合體系,改變環(huán)糊精類型可對包結(jié)締合作用進行調(diào)節(jié)。另外,分子間作用力屬純粹二元相互作用力,締合結(jié)構(gòu)易于通過改變疏水基團含量和兩種基團配比進行調(diào)控,網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)形成的驅(qū)動力源于環(huán)糊精包合作用,包合過程主要遵循1∶1包合比。而且,通過調(diào)節(jié)疏水締合及包合作用可實現(xiàn)溶液流變性調(diào)控,主要方法有:改變主客體摩爾比例、烷基鏈長度、聚合物濃度、鹽濃度、pH值、溫度及外加β-CD等。增加疏水基長度和聚合物濃度可獲得更大的溶液粘度;增加離子強度或pH值,由于靜電排斥力與疏水或包結(jié)締合力的相互競爭,粘度會出現(xiàn)峰值;加入β-CD后發(fā)生競爭包合,從而拆散締合網(wǎng)絡。3.3環(huán)糊精、金剛烷單體及聚合物的熱性能由于金剛烷與環(huán)糊精空腔非常匹配,能形成較強的主客體包結(jié)復合物,比較容易制備得到超分子水凝膠。郭旭虹等分別將三種連接基長度不同的β-環(huán)糊精修飾的聚丙烯酸與金剛烷修飾的聚丙烯酸通過分子組裝形成了聚合物水凝膠(見圖6)。研究發(fā)現(xiàn):聚合物骨架的空間位阻效應、分子內(nèi)-分子間主客體包合相互競爭以及環(huán)糊精、金剛烷與聚丙烯酸主鏈間的連接基長度是控制這種同分異構(gòu)型聚合物網(wǎng)絡凝膠強度的主要影響因素;通過環(huán)糊精與金剛烷及連接基間的選擇性包合可調(diào)節(jié)水凝膠結(jié)構(gòu);外加β-CD可拆散聚合物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。對包合常數(shù)K進行測定發(fā)現(xiàn),接技在聚合物鏈上的環(huán)糊精與金剛烷間的包合常數(shù)遠小于β-CD單體與金剛烷-1-羧酸鹽的包合常數(shù),說明接枝到聚合物鏈以后,連接基的限制效應和聚合物骨架的空間位阻效應減弱了包合作用強度。2002年,Charlot等將環(huán)糊精(CD)、金剛烷(AD)分子分別引入殼聚糖大分子鏈,二者混合得到大分子網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。隨后,該課題組又分別將環(huán)糊精、金剛烷單體及其二聚物接枝在透明質(zhì)酸(HA)上,分別得到聚合物鏈上含有環(huán)糊精及金剛烷的HA-CD和HA-AD衍生物。將二者進行超分子組裝,可得到如圖7a、b所示的聚合物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。等溫滴定量熱(ITC)測定結(jié)果表明,環(huán)糊精及金剛烷二聚物間的包合焓是單體的兩倍,包合常數(shù)顯著增加,將兩者的二聚物接技到透明質(zhì)酸后,包合作用有一定下降。與單體包合作用比較,由于鏈間物理交聯(lián)點的類型及活化能存在差異,混合溶液體系表現(xiàn)出不同的粘彈性行為。加入競爭主體CD單體,AD分子將選擇性地與CD單體進行包合。與HA(AD)/HA(CD)體系相比,同樣數(shù)量的AD、CD分子條件下,HA(AD)2/HA(CD)2體系只有一半的締合結(jié)點,且加入一個環(huán)糊精分子,締合結(jié)點數(shù)就減少一個。如圖7c所示,在HA(AD)/HA(CD)體系中,剩下的一個締合點還能為聚合物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)提供足夠的內(nèi)聚力。然而在HA(AD)2/HA(CD)2體系中,由于存在空間位阻效應,加入一個CD分子即可完全拆散締合點(圖7d),即加入更少的CD即可拆散聚合物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn),共混物在重疊濃度之上會發(fā)生可逆凝膠化;二者可形成線性復合物(雙鏈);聚合物鏈上基團隨機分布,非麥克斯韋粘彈性現(xiàn)象明顯。2009年,Layre等對聚(甲基乙烯醚-順丁烯二酸酐)進行環(huán)糊精接枝改性,制備了含環(huán)糊精的聚合物P(MVE-MA)-g-βCD以及金剛烷改性葡聚糖,二者在水溶液中簡單混合,組裝得到締合網(wǎng)絡。研究發(fā)現(xiàn),網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)形成的驅(qū)動力除環(huán)糊精包合作用外,還有氫鍵和靜電相互作用,對溶液中pH、離子強度變化敏感。如圖8所示,大分子網(wǎng)絡在不同pH值時具有不同的儲能模量,其中pH=2時,網(wǎng)絡強度最大。2010年,Kaya等則利用環(huán)糊精包合作用,將環(huán)糊精及金剛烷的甲基丙烯酸酯單體分別與甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯的共聚物組裝得到水凝膠。3.4p6cd/pc12aze體系的光照射2004年,Harada等利用β-CD空腔可與反式偶氮苯(trans-Azo)包合而不與順式偶氮苯(cis-Azo)包合的性質(zhì),研究了由環(huán)糊精接枝改性聚丙烯酸(P3αCD和P6βCD)與偶氮苯十二烷基改性聚丙烯酸(PC12Azo)構(gòu)成的光敏水凝膠。結(jié)果發(fā)現(xiàn),Azo容易穿過P6βCD的CD空腔,P3αCD/PC12Azo體系粘度比P6βCD/PC12Azo體系低。對P3αCD/PC12Azo體系進行紫外光照射,Azo可完全從CD空腔解離,粘度降低;進行可見光照射后,Azo又可重新進入CD空腔。然而,對P6βCD/PC12Azo體系進行紫外光照射,與Azo包合的CD空腔卻進一步與十二烷基鏈包合,形成聯(lián)鎖復合物;可見光照射后又與Azo包合。最近,該課題組又將環(huán)糊精接枝改性可德膠(CD-CUR)與PC12Azo進行組裝得到光敏凝膠(見圖9所示),采用UV(λ=365nm)光照射,PC12Azo上的Azo基團發(fā)生異構(gòu)化從反式轉(zhuǎn)為順式(反式/順式=12∶88),凝膠變?yōu)槿苣z;可見光(λ=430nm)照射或加熱到60℃又使Azo從順式轉(zhuǎn)為反式(反式/順式=75∶25),溶膠又能恢復成凝膠。4環(huán)糊精共價鍵改性近年來,將各種新功能無機分子,如碳納米管、量子點、二氧化硅微粒、膨脹石墨等引入水凝膠,可增強其機械性能和流變性能,引起了科學家們的極大興趣。2007年,Harada等首次將外層覆蓋有β-CD的單壁碳納米管(Py-β-CD/SWNT)與十二烷基疏水改性聚丙烯(PAAC12)通過包合作用制備得到了相應的雜化水凝膠。加入競爭主體分子α-CD或金剛烷羧酸鈉后,可使凝膠發(fā)生“gel-sol”轉(zhuǎn)變。隨后,Klink等將環(huán)糊精以共價鍵形式連接到多壁碳納米管(MWCNTs)上,在水溶液中與聚(異丁烯-co-順丁烯二酸酐-co-異丁苯基順丁烯酰胺)混合后制備得到大分子網(wǎng)絡,該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)具有很高穩(wěn)定性。加入環(huán)糊精分解酶(高峰氏淀粉酶,來自曲霉菌)可使網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)崩塌并使MWCNTs沉淀。2010年,江明等制備了一種由偶氮苯基(Azo)末端修飾的聚二甲基丙烯酰胺-聚異丙基丙烯酰胺嵌段共聚物[(Azo-(PDMA-b-PNIPAM)]以及β-CD改性的硫化鎘(CdS)量子點(β-CD@QD)組成的雙重響應性超分子混合凝膠,見圖10。對于β-CD@QD與Azo-(PDMA-b-PNIPAM)構(gòu)成的星型混合物(HIC),溫度大于LCST時發(fā)生聚集,對濃度為7%(wt)的HIC溶液進行簡單加熱即可得到水凝膠。加入競爭主體分子α-CD或金剛烷羧酸后,凝膠發(fā)生“gel-sol”轉(zhuǎn)變,具有對主/客體競爭和溫度變化的雙重響應性。此外,向β-CD功能改性的二氧化硅粒子(β-CD@SiO2)中加入一端被金剛烷修飾的聚乙二醇(AD-PEG)后,通過包合作用得到水溶性混合微粒。然后加入α-CD,由于AD-PEG一端已被β-CD@SiO2封鎖,α-CD將從PEG的另一端穿過聚合物鏈,由α-CD分子間的相互聚集以及混合微粒間的協(xié)同效應可得到雜化水凝膠。5星型超分子水凝膠的制備基于水凝膠在藥物傳遞、組織工程,特別是蛋白質(zhì)療法的控釋及持續(xù)傳遞中的重要應用。Manakker等利用β-CD與膽固醇的包