随着现代医学的不断发展进步,越来越多的人工植入材料在生物医学领域得到了广泛的应用。由于生物系统和人工材料的相互作用通常发生在两者的界面上,界面的物理及化学性质是保证材料生物相容性和决定材料功能的重要因素。材料表面的刚度作为设计高性能可植入材料和人工细胞外基质的重要参量,对细胞行为具有显著的影响。因此,如何动态、可逆地调控材料的刚度,尤其在体内,既是一项重大挑战,又是一个新兴的研究方向。目前,最为常见的刚度调节手段是利用调节凝胶材料各组分的比例或交联度来实现的,该策略能够保证材料好的生物相容性,高的水含量和大的刚度可控范围等优点。但是,这种调控方法,也会不可避免地引起材料其他性质如化学组成、形貌、溶解性和表面电荷的变化,导致潜在的混淆效应。此外,该策略所制备的材料,在其刚度的调控上具有一定的难度。另外一种刚度调控策略是通过借助智能聚合物体系对外界刺激如电场、ultraviolet(UV)光、离子的响应特性,实现对材料刚度的动态调控。但是,外界物理(紫外光)或化学刺激(有机溶剂)的引入,使得现有的刺激响应性材料不适用于调控体内生物材料的刚度,因此,更为温和高效的调控手段急需被开发。利用弱相互作用来解决生物分子间的相互作用问题,是大自然给我们的启示。例如,糖和蛋白质之间的非共价键弱相互作用,作为许多生物识别过程的基础广泛地参与到众多生命活动中。如何以寡糖-肽间弱相互作用为驱动力,调控材料的刚度,进而开发高生物相容性、调控手段温和的刚度可调植入材料和器件,是一种智能材料设计和开发的新策略。本论文中,我们尝试提供一种动态、温和的材料刚度调控新方法:我们制备了一种寡肽修饰的聚乙烯亚胺材料,利用寡肽-糖间弱相互作用驱动的材料刚度转变。进一步,我们详细地分析了该调控方法的刚度转变分子机制,并探索了这种刚度可调界面材料在对映体过量值测量,细胞调控以及糖分离纯化等方面的应用。主要研究内容如下:1.结合我课题组在手性材料的研究特色,我们通过化学修饰的方式向柔性的聚乙烯亚胺(PEI)引入二肽单元(D-Asp-D-Phe,D-DF),制备了一种智能聚合物膜。该手性聚合物膜(缩写为PEI-g-D-DF)对核糖对映异构体展现了显著差异的吸附行为。L-核糖的吸附导致聚合物膨胀,伴随着粘弹性的增加和刚度的减小。相比,D-核糖的吸附导致聚合物收缩,伴随着粘弹性的减小和刚度的增加。通过原子力显微镜(AFM)的定量纳米力学测量模式(PFQNM)可以很清楚地观察到这种刚度转变效应。2.进一步,我们利用荧光滴定、核磁滴定、红外光谱和量子化学计算等方法研究了聚合物PEI-g-D-DF的刚度转变,并提出了刚度转变机制。加入的L-核糖倾向与二肽单元结合,破坏了由二肽和PEI所构成的聚合物氢键网格,导致聚合物链舒展,使得薄膜粘弹性增加,刚度减小;对比发现,D-核糖的加入,拉近了二肽与邻近PEI链之间的距离,使得聚合物网格紧缩,刚度增加。3.利用聚合物膜的高特异性手性相互作用和智能的构象转变,单糖分子的手性信号可以被捕获、放大,最后转化为聚合物膜机械性质的显著变化。基于此,我们开发了一种测量L/D-核糖混合物的对映体过量值测量新方法。特别地,利用具有不同对映体过量值(enantiomeric excess,ee)的L/D-核糖混合物(-100%到100%)处理PEI-g-D-DF膜,并采用AFM的PFQNM模式测定聚合物的平均杨氏模量。结果表明,随着D-核糖比例的增加,聚合物膜的刚度会随之变大。聚合物膜的平均杨氏模量与核糖对映体过量值呈线性关系,表明聚合物表面刚度可以作为识别分子手性的新参量。为了验证关系的准确性,我们对三组“未知”浓度的L/D-核糖样品进行了测试,测试结果与之前建立的线性拟合关系吻合(误差在3%到5%)。此外,基于聚合物膜刚度的转变行为,我们通过L/D-核糖差异性地调控了聚合物基底的刚度,进而调控了ES-2(一种典型的纤维细胞)细胞的粘附行为和形貌。4.由于PEI-g-D-DF对糖分子优异的立体选择性和化学选择性,我们将PEI-g-D-DF通过化学接枝到二氧化硅小球上,制备出对应的色谱填料。该手性色谱柱能实现脱氧核糖对映异构体的手性拆分,同时展现了对多种单糖、二糖和寡糖良好的化学选择性。