苝酰亚胺作为一种光热性质优良的荧光发色团,拥有特殊的紫外吸收和接近近红外光区(650-900 nm)的荧光发射波段(600-630m)。以苝酰亚胺为核的荧光星形聚合物继承了它的荧光性能,同时又解决了苝酰亚胺溶解性能差的缺点。星形聚合物是树枝状聚合物家族中的一员,与线性聚合物相比,星形聚合物具有特殊的拓扑结构优势,其内部的空腔结构及裸露于外部更多的功能基团,使得它在药物载体等生物医学领域拥有广泛的应用前景；与合成过程繁琐的树枝状大分子相比,星形聚合物简单易得,有望实现大量生产,并降低成本。这些优势使得星形聚合物非常适用于合成功能型聚合物。刺激响应型聚合物是功能型聚合物中的一种,该类聚合物在受到外界环境刺激,如pH、温度、光、电解质分子、电压等的条件下,会发生一系列特异性的响应变化。离子型聚合物属于刺激响应型聚合物,它们对电解质或pH值具有响应性,其中的阳离子型聚合物还常被用做基因载体方向的研究。本论文的研究对象是以苝酰亚胺为核的多种荧光星形聚合物中的离子型聚合物,它们的制备方法涉及原子转移自由基聚合(ATRP)和聚合物改性；在合成聚合物之前,我们首先合成了两种以苝酰亚胺为核的引发剂,其中涉及了羟基的保护以及酯化反应。本论文的主要内容是研究这些荧光星形聚合物在pH探针和基因载体方面的应用。本论文的研究成果主要分如下几个方面：1、对苝酰亚胺衍生物的“海岛”位进行修饰,合成了两种花酰亚胺衍生物ATRP引发剂。原料为实验室已合成的一种氯化花酰亚胺化合物(4C1-PDI),通过取代反应得到羟基化的四羟基花酰亚胺(4OH-PDI)。随后以40H-PDI作为原料与2-溴异丁酰溴发生酯化反应制备了末端是溴原子的四溴苝酰亚胺(4Br-PDI),即四臂引发剂;同样以4OH-PDI作为原料,运用了树枝状大分子的合成思路,首先制备了带有更多羟基的八羟基苝酰亚胺(8OH-PDI),再与2-溴异丁酰溴发生酯化反应,最终得到八溴花酰亚胺(8Br-PDI),即八臂引发剂。2、用上述两种引发剂和本实验室已经合成的另一种八臂引发剂(引发剂1)引发ATRP聚合,得到了多种荧光星形聚合物,经过聚合物的改性,最终获得了荧光星形聚电解质,包括两种阴离子型聚合物和六种阳离子型聚合物。我们对得到的聚合物分别作了核磁谱图和凝胶渗透色谱的表征。3、首次以荧光星形聚合物苝酰亚胺-聚丙烯酸(PDI-PAA)和苝酰亚胺-聚甲基丙烯酸胺乙基酯(PDI-PAEMA)为材料制备了pH荧光探针,其中PDI-PAA和PDI-PAEMA分别是荧光星形阴离子型和阳离子型聚合物的代表。研究表明,两种聚合物均以单分子胶束状态存在于溶液中,而且pH的调节可以引起胶束尺寸的变化,这些结论建立在小角X光散射(SAXS)和动态光散射(DLS)的表征数据基础上。随后的光学性质的研究表明,胶束尺寸的变化会导致溶液荧光的相应变化,pH值变化能够引起聚合物溶液可回复性的荧光强度变化。研究表明这种荧光变化的内因是水分子对荧光基团的淬灭作用,单分子胶束的体积相转变改变了荧光基团所处环境。这一原理同样适用于其他种类的星形聚合物。4、对两种荧光四臂星形阳离子型聚合物PDI-PAEMA和苝酰亚胺-聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PDI-PDMAEMA)作了基因载体和细胞成像方向的研究,并比较了它们的基因转染效率。这两种聚合物均以花酰亚胺为核,它们的侧基分别含有伯胺或叔胺基团,并且具有相同的重复单元数,光学性质相似。琼脂糖电泳实验表明,在较低的氮磷比条件下(N/P>8：1),它们可以和带有负电的DNA形成稳定的复合物。进一步的细胞实验证明,这种复合物可以成功进入细胞,并表现出良好的荧光成像效果。与聚乙烯亚胺(PEI)相比,两种聚合物在毒性和转染效率方面具有明显的优势。在这两者中,侧基为叔胺的聚合物PDI-PDMAEMA具有较高的基因转染效率。5、为了寻找更好的制备高转染效率基因载体的方法,我们首先合成了四臂或八臂荧光星形聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PDI-PGMA),之后在温和条件下分别与乙二胺(EDA)和N’-(3-氨丙基)-N,N-二甲基-1,3-丙二胺(DMDPA)进行开环反应,制备了阳离子化的聚甲基丙烯酸甘油酯(PGOHMA):SP1, SP2和SP3。它们的水溶液保持了良好的荧光性能,拥有大于0.1的荧光量子产率((?)f)。在琼脂糖电泳实验中,当氮磷比大于2：1时SP2就可以与DNA形成稳定的复合物。细胞水平的毒性实验表明这几种PGOHMAs均具有良好的生物相容性。在这三种聚合物中,SP2因为基因转染效率最高,是理想的荧光聚合物基因载体。