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摘 要：超分子聚合物是指以非共价键结合，并拥有聚合物的性质的单体分子聚集体。如今，通过在化学、物理、生物、医药等各个领域开展的研究，超分子聚合物已经在农业、工业、国防及医药学方面有了广泛的应用。同时，在生命科学、材料科学、能源科学、信息科学、航天科技、环境科学、材料科学、仿生学众多领域有着诱人的应用前景。本文将简要介绍近年来超分子聚合物的制备，重点综述了其在宏观尺度的性质和功能及其应用。
关键词：超分子聚合物;自组装;自愈;材料学;生物医药
与经典的共价聚合物相比较，共价聚合物单体之间通过共价键连接，性质稳定、不易降解。而超分子聚合物一般由具有一定强度和方向性的非共价键构建，如氢键、π-π作用、主客体相互作用以及配位键等。这类非共价键作用具有键能较低，形成可逆与对温度等敏感，易解离等特点。[1]
也正是因为非共价键作用的这种动态可逆特性，超分子聚合物往往能在共价键与非共价键相结合的基础上，利用其特殊性质，产出具有新功能的材料。此外，超分子聚合物往往能够依靠构成分子的性质和功能，集成具有不同功能的超分子聚合物。最终产物还能够实现在不同环境内可逆的调控。
1 从自修复水凝胶到具有一定硬度的自修复材料的研究
非共价键作用的可逆性赋予了超分子聚合物自修复的性能。基于高分子聚合物形成的自愈性水凝胶是近来备受关注的一种自愈性材料，这种材料具有本征性的自愈性，可应对外界破坏造成的损伤，进行自我修复，同时其非共价键对多种环境刺激具有响应性，能自我调节以适应环境变化，自愈性水凝胶开发为自适性多功能智能新材料奠定了基础。[2～5]
利用氢键相互作用来制备自愈合弹性体，是基于超分子化学方法合成自愈合弹性体的最常见方法，该方法比较简单且普适性较强。如何开发出具有更强的力学性能，更低的自愈条件是弹性体的研究热点。
东京大学Takuzo Aida教授领导的研究团队研制出了一种新型玻璃材料，即聚醚硫脲玻璃，破碎后可在室温条件下实现自修复，且在短时间内能恢复功能强度。这项新的突破即将应用于手机屏幕，而且有利于环保。[6]
2 基于主客体相互作用构成的超分子聚合物研究进展
常见的主体化合物有大环类的冠醚、环糊精、杯芳烃、葫芦脲、柱芳烃等。
冠醚发现时间较早，合成简单，同时具有丰富的主客体识别能力，在超分子聚合物的构筑和阳离子的检测方面有较大应用空间。国内黄飞鹤课题组，就曾基于冠醚和穴醚的醚客体分子识别体系制备出多种具有特殊性质和结构的的准轮烷，轮烷，索烷，并进一步构筑了功能化的超分子自组装体系，如超分子聚合物、超分子凝胶、超分子传感器等。[7]
环糊精具有圆筒状疏水空腔和亲水外沿，使得环糊精在水溶液中能够和疏水的客体形成很稳定的主客体复合物。比如疏水的药物分子和荧光分子，由于和环糊精的主客体作用，可以大大提高他们的水溶性并且改善他们在水溶液中的性质。近年来，由于环糊精具有优越的生物相容性，使得其在生物医药领域被广泛应用基于环糊精的主客体识别体系，基于环糊精和二茂铁及其衍生物的主客体作用在近几年被广泛研究。
例如朱新远等基于二茂铁和环糊精的主客体相互作用构筑了带有正电荷的超分子聚合物，其与带有负电荷的DNA通过静电作用结合后可形成纳米组装体并被细胞内吞。进入细胞后，二茂铁被氧化，超分子聚合物解体，进而实现DNA的可控释放，证明超分子聚合物可作为基因治疗的非病毒载体。刘育等通过锰卟啉与环糊精的主客体相互作用，在水中制备了可用于磁共振成像造影的超分子聚合物.更重要的是，通过超分子聚合物的富集作用，实现了显著的磁共振信号增强效果。这一性质，其单体并不具备的新的性质和用途，利用超分子聚合物的富集作用，在生物成像和传感等方面会有广阔的应用前景。[8]
杯芳烃不仅可络合中性的客体分子，也可络合离子型的客体，使其在构筑两亲体系方面存在天然的优势。刘育课题组通过使用超分子手段，超两亲体系的建立，提供了一种对酶响应的药物传递方法。即磺化杯芳烃与肉豆蔻胆碱主客体构建的具有酶响应性的超分子囊泡，该囊泡能够在胆碱酯酶存在下解离，而胆碱酯酶正是阿尔茨海默氏病过度表达的关键蛋白质，因此这个超两亲体系可以作为输送阿尔茨海默病药物的载体。[9-11]
葫芦脲的重复单元是由双桥连接的，所其结构更对称，更刚性。对于拥有更多重复单元的高阶葫芦脲的合成也慢慢成为了研究者们的挑战。近5年，基于葫芦脲主客体分子巧别所构筑的超分子自组装体系在纳米阀口，药物缓释，底物检测，及吸附材料等方面展现出巨大的应用潜力。张希课题组报道了一种基于葫芦脲的超分子光敏剂，并且大大提高了抗菌性能。超分子光敏剂可以有效改善卟啉或其他光敏剂的抗癌性质，在光动力治疗系统中具有很好的应用前景。[12]
柱芳烃不仅可以在有机相中进行主客体络合也可实现在水相中的选择性识别，基于柱芳烃的客体分子可以是中性的，也可以是离子型的。柱芳烃的这些特点赋予了其在构筑超分子材辑方面极大的优势，在超分子聚合物、跨膜通道、超两亲自组装、超分子有机框架材料，超分子探针和葫物传递方面有着广泛的应用，柱芳烃化学已成为超分子化学的研究热点之一。黄飞鹤课题组报道了一种基于长链的烷基胺修饰的单功能化柱芳烃的分子弹簧。接着该研究，黄飞鹤课题组还制备了一个溶剂驱动的伸缩的超分子聚合物。即能够随着溶剂极性改变而能够伸长和压缩的雏菊链。并通过多种测试手段表征了这个聚合物的组装和溶剂驱动的伸缩过程。这个工作为将超分子聚合物走向仿生材料迈出了坚实的一步。[13]
3 两亲性肽与生物组织修复
两亲性肽能够在水中自组装形成的高长径比纳米纤维，在材料科学和生命科学中得到了广泛应用，在纳米技术、生物医用材料和有机电子材料等领域都有着不俗的表现。
典型的两亲性肽由长链烷烃结构的疏水尾部和特定多肽结构的亲水头部组成，其自组装形成的纳米线是一种可调性非常强的超分子纤维。通过对两亲性肽结构的改变，能够实现对纳米线形貌的调控，并赋予其丰富的功能。这类基于两亲性肽的超分子纳米线最引人瞩目的应用是医学组织再生材料。以该纳米线为基体，通过修饰单体分子的末端基团，可以赋予纳米线多样的组织修复功能。例如利用纳米线诱导羟基磷灰石表面结晶的功能，探究了其在骨骼修复上的潜在应用。又如将两亲性肽分子末端亲水肽替换为与促进血管生长物质有较强结合的多肽序列，则纳米线具有诱导血管生長和修复血管的功能。以及通过向纳米线表面修饰有利于神经细胞突触生长的短肽序列，能够实现部分修复受损的小鼠中枢神经。 美国西北大学Stupp教授及其团队开发了一系列由肽和DNA分子自组装形成的水溶性纳米级长丝。当溶液中混入可形成双螺旋互补的DNA序列时，细丝中的DNA分子会从细丝中分离并结合为双螺旋结构，最后留下了不含DNA的分子，这些分子形成了简单的细丝状聚合物，并最终得到了含有双螺旋结构的硬材料。继续添加一个简单的DNA分子，破坏超结构中细丝互连的双螺旋，细丝就会松开，从而使材料恢复到其初始较软的状态。这些材料的潜在用途可扩展到医药及其他领域。蛋白质、抗体、药物甚至基因的复杂疗法都可以存储在超结构中，并随着层次结构消失而按需释放到体内。
这项研究在临床上也获得了应用。新材料将应用于大脑和脊髓中的星形胶质细胞与神经元相关联的研究。星形胶质细胞十分重要，因为当大脑或脊髓受伤或患病时，它们会获得一种称为“反应性表型”的特定形状，并产生致密纤维网络疤痕。通常在健康大脑中，星形胶质细胞具有“幼稚表型”和不同形状。当将星形胶质细胞放在仅有简单细丝的材料上时，星形胶质细胞具有幼稚的表型。但当其形成超结构时，它们变得具有反应性。然后，当分层结构被拆解时，他们又返回到幼稚表型。这一发现将细胞微环境的结构与中枢神经系统损伤和疾病中表型的这些关键变化联系在一起。通过将这些反应性星形胶质细胞移植到没有受伤的健康受试者中，可以将这些反应性星形胶质细胞恢复到幼稚状态。Stupp团队的研究表明，新材料会触发脑细胞中的这些表型转化，这对消除受伤或患病的大脑和脊髓中的疤痕有很大的意义。[14]
4 结语
综上所述，超分子聚合物，正成为材料化学和纳米科学新的宠儿，无论是用于递送抗癌药物的生物分子纳米载体还是在内部或外部刺激下能够实现自愈性的新仿生学材料。任何新一代超分子聚合物的到来都将为材料科学，生物医学提供新的机会。
参考文献
[1]Yang L，Tan X，Wang Z，Zhang X.Chem Rev，2015，115（15）：7196_7239.
[2]Wojtecki R J，Meador M A，Rowan S J.Nat Mater，2011，10（1）：14 _27.
[3]Aida T，Meijer E W，Stupp S I.Science，2012，335（6070）：813_817.
[4]Yan X，Wang F，Zheng B，Huang F.Chem Soc Rev，2012，41（18）：6042_6065.
[5]Liu K，Kang Y，Wang Z，Zhang X.Adv Mater，2013，25（39）：5530_5547.
[6]Hendrik O，Kazushi，Kenichi T，Takashi Y，Takuzo Aida. Angewandte Chemie International EditionVolume 49，Issue 25
[7]Huang F，Slesdbodnick S，Ratliff A E，Gibson H W.Tetrahedron Lett.2005，46，6019-6022.
[8]Harada A，Hashidzume A，Yamaguchi H，Takashima Y.Polymeric Rotaxanes.Chem.Rev.2009，109，5974-6023.
[9]Liu Y，Yu Y，Gao J，Wang Z，Zhang X.Angew.Chem.Int.Ed.2010，49，6576-6579
[10]Lee J W，Samal S，Selvapalam N，Kim H J，Kim K..Acc.Chem.Res.2003，36，621-630.
[11]Kim K.Chem.Soc.Rev.2002，31，96-107.
[12]Huang Z，Yang L，Liu Y，Wang Z，Scherman O A，Zhang X..Angew.Chem.Int.Ed.2014，53，5351-5355.
[13]Zhang Z，Han C，Yu G，Huang F.A Solvent-Driven Molecular Spring.Chem.Sci.2012，3，3026-3031.
[14]Christopher W.B，Nicholas A，Daniel H，Samuel S，Carol A.Podlasek The Journal of Sexual Medicine.2012，dec，13，Volume 10，Issue 3.
（作者單位：苏州大学材料与化学化工学部）
关键词：超分子聚合物;自组装;自愈;材料学;生物医药
与经典的共价聚合物相比较，共价聚合物单体之间通过共价键连接，性质稳定、不易降解。而超分子聚合物一般由具有一定强度和方向性的非共价键构建，如氢键、π-π作用、主客体相互作用以及配位键等。这类非共价键作用具有键能较低，形成可逆与对温度等敏感，易解离等特点。[1]
也正是因为非共价键作用的这种动态可逆特性，超分子聚合物往往能在共价键与非共价键相结合的基础上，利用其特殊性质，产出具有新功能的材料。此外，超分子聚合物往往能够依靠构成分子的性质和功能，集成具有不同功能的超分子聚合物。最终产物还能够实现在不同环境内可逆的调控。
1 从自修复水凝胶到具有一定硬度的自修复材料的研究
非共价键作用的可逆性赋予了超分子聚合物自修复的性能。基于高分子聚合物形成的自愈性水凝胶是近来备受关注的一种自愈性材料，这种材料具有本征性的自愈性，可应对外界破坏造成的损伤，进行自我修复，同时其非共价键对多种环境刺激具有响应性，能自我调节以适应环境变化，自愈性水凝胶开发为自适性多功能智能新材料奠定了基础。[2～5]
利用氢键相互作用来制备自愈合弹性体，是基于超分子化学方法合成自愈合弹性体的最常见方法，该方法比较简单且普适性较强。如何开发出具有更强的力学性能，更低的自愈条件是弹性体的研究热点。
东京大学Takuzo Aida教授领导的研究团队研制出了一种新型玻璃材料，即聚醚硫脲玻璃，破碎后可在室温条件下实现自修复，且在短时间内能恢复功能强度。这项新的突破即将应用于手机屏幕，而且有利于环保。[6]
2 基于主客体相互作用构成的超分子聚合物研究进展
常见的主体化合物有大环类的冠醚、环糊精、杯芳烃、葫芦脲、柱芳烃等。
冠醚发现时间较早，合成简单，同时具有丰富的主客体识别能力，在超分子聚合物的构筑和阳离子的检测方面有较大应用空间。国内黄飞鹤课题组，就曾基于冠醚和穴醚的醚客体分子识别体系制备出多种具有特殊性质和结构的的准轮烷，轮烷，索烷，并进一步构筑了功能化的超分子自组装体系，如超分子聚合物、超分子凝胶、超分子传感器等。[7]
环糊精具有圆筒状疏水空腔和亲水外沿，使得环糊精在水溶液中能够和疏水的客体形成很稳定的主客体复合物。比如疏水的药物分子和荧光分子，由于和环糊精的主客体作用，可以大大提高他们的水溶性并且改善他们在水溶液中的性质。近年来，由于环糊精具有优越的生物相容性，使得其在生物医药领域被广泛应用基于环糊精的主客体识别体系，基于环糊精和二茂铁及其衍生物的主客体作用在近几年被广泛研究。
例如朱新远等基于二茂铁和环糊精的主客体相互作用构筑了带有正电荷的超分子聚合物，其与带有负电荷的DNA通过静电作用结合后可形成纳米组装体并被细胞内吞。进入细胞后，二茂铁被氧化，超分子聚合物解体，进而实现DNA的可控释放，证明超分子聚合物可作为基因治疗的非病毒载体。刘育等通过锰卟啉与环糊精的主客体相互作用，在水中制备了可用于磁共振成像造影的超分子聚合物.更重要的是，通过超分子聚合物的富集作用，实现了显著的磁共振信号增强效果。这一性质，其单体并不具备的新的性质和用途，利用超分子聚合物的富集作用，在生物成像和传感等方面会有广阔的应用前景。[8]
杯芳烃不仅可络合中性的客体分子，也可络合离子型的客体，使其在构筑两亲体系方面存在天然的优势。刘育课题组通过使用超分子手段，超两亲体系的建立，提供了一种对酶响应的药物传递方法。即磺化杯芳烃与肉豆蔻胆碱主客体构建的具有酶响应性的超分子囊泡，该囊泡能够在胆碱酯酶存在下解离，而胆碱酯酶正是阿尔茨海默氏病过度表达的关键蛋白质，因此这个超两亲体系可以作为输送阿尔茨海默病药物的载体。[9-11]
葫芦脲的重复单元是由双桥连接的，所其结构更对称，更刚性。对于拥有更多重复单元的高阶葫芦脲的合成也慢慢成为了研究者们的挑战。近5年，基于葫芦脲主客体分子巧别所构筑的超分子自组装体系在纳米阀口，药物缓释，底物检测，及吸附材料等方面展现出巨大的应用潜力。张希课题组报道了一种基于葫芦脲的超分子光敏剂，并且大大提高了抗菌性能。超分子光敏剂可以有效改善卟啉或其他光敏剂的抗癌性质，在光动力治疗系统中具有很好的应用前景。[12]
柱芳烃不仅可以在有机相中进行主客体络合也可实现在水相中的选择性识别，基于柱芳烃的客体分子可以是中性的，也可以是离子型的。柱芳烃的这些特点赋予了其在构筑超分子材辑方面极大的优势，在超分子聚合物、跨膜通道、超两亲自组装、超分子有机框架材料，超分子探针和葫物传递方面有着广泛的应用，柱芳烃化学已成为超分子化学的研究热点之一。黄飞鹤课题组报道了一种基于长链的烷基胺修饰的单功能化柱芳烃的分子弹簧。接着该研究，黄飞鹤课题组还制备了一个溶剂驱动的伸缩的超分子聚合物。即能够随着溶剂极性改变而能够伸长和压缩的雏菊链。并通过多种测试手段表征了这个聚合物的组装和溶剂驱动的伸缩过程。这个工作为将超分子聚合物走向仿生材料迈出了坚实的一步。[13]
3 两亲性肽与生物组织修复
两亲性肽能够在水中自组装形成的高长径比纳米纤维，在材料科学和生命科学中得到了广泛应用，在纳米技术、生物医用材料和有机电子材料等领域都有着不俗的表现。
典型的两亲性肽由长链烷烃结构的疏水尾部和特定多肽结构的亲水头部组成，其自组装形成的纳米线是一种可调性非常强的超分子纤维。通过对两亲性肽结构的改变，能够实现对纳米线形貌的调控，并赋予其丰富的功能。这类基于两亲性肽的超分子纳米线最引人瞩目的应用是医学组织再生材料。以该纳米线为基体，通过修饰单体分子的末端基团，可以赋予纳米线多样的组织修复功能。例如利用纳米线诱导羟基磷灰石表面结晶的功能，探究了其在骨骼修复上的潜在应用。又如将两亲性肽分子末端亲水肽替换为与促进血管生长物质有较强结合的多肽序列，则纳米线具有诱导血管生長和修复血管的功能。以及通过向纳米线表面修饰有利于神经细胞突触生长的短肽序列，能够实现部分修复受损的小鼠中枢神经。 美国西北大学Stupp教授及其团队开发了一系列由肽和DNA分子自组装形成的水溶性纳米级长丝。当溶液中混入可形成双螺旋互补的DNA序列时，细丝中的DNA分子会从细丝中分离并结合为双螺旋结构，最后留下了不含DNA的分子，这些分子形成了简单的细丝状聚合物，并最终得到了含有双螺旋结构的硬材料。继续添加一个简单的DNA分子，破坏超结构中细丝互连的双螺旋，细丝就会松开，从而使材料恢复到其初始较软的状态。这些材料的潜在用途可扩展到医药及其他领域。蛋白质、抗体、药物甚至基因的复杂疗法都可以存储在超结构中，并随着层次结构消失而按需释放到体内。
这项研究在临床上也获得了应用。新材料将应用于大脑和脊髓中的星形胶质细胞与神经元相关联的研究。星形胶质细胞十分重要，因为当大脑或脊髓受伤或患病时，它们会获得一种称为“反应性表型”的特定形状，并产生致密纤维网络疤痕。通常在健康大脑中，星形胶质细胞具有“幼稚表型”和不同形状。当将星形胶质细胞放在仅有简单细丝的材料上时，星形胶质细胞具有幼稚的表型。但当其形成超结构时，它们变得具有反应性。然后，当分层结构被拆解时，他们又返回到幼稚表型。这一发现将细胞微环境的结构与中枢神经系统损伤和疾病中表型的这些关键变化联系在一起。通过将这些反应性星形胶质细胞移植到没有受伤的健康受试者中，可以将这些反应性星形胶质细胞恢复到幼稚状态。Stupp团队的研究表明，新材料会触发脑细胞中的这些表型转化，这对消除受伤或患病的大脑和脊髓中的疤痕有很大的意义。[14]
4 结语
综上所述，超分子聚合物，正成为材料化学和纳米科学新的宠儿，无论是用于递送抗癌药物的生物分子纳米载体还是在内部或外部刺激下能够实现自愈性的新仿生学材料。任何新一代超分子聚合物的到来都将为材料科学，生物医学提供新的机会。
参考文献
[1]Yang L，Tan X，Wang Z，Zhang X.Chem Rev，2015，115（15）：7196_7239.
[2]Wojtecki R J，Meador M A，Rowan S J.Nat Mater，2011，10（1）：14 _27.
[3]Aida T，Meijer E W，Stupp S I.Science，2012，335（6070）：813_817.
[4]Yan X，Wang F，Zheng B，Huang F.Chem Soc Rev，2012，41（18）：6042_6065.
[5]Liu K，Kang Y，Wang Z，Zhang X.Adv Mater，2013，25（39）：5530_5547.
[6]Hendrik O，Kazushi，Kenichi T，Takashi Y，Takuzo Aida. Angewandte Chemie International EditionVolume 49，Issue 25
[7]Huang F，Slesdbodnick S，Ratliff A E，Gibson H W.Tetrahedron Lett.2005，46，6019-6022.
[8]Harada A，Hashidzume A，Yamaguchi H，Takashima Y.Polymeric Rotaxanes.Chem.Rev.2009，109，5974-6023.
[9]Liu Y，Yu Y，Gao J，Wang Z，Zhang X.Angew.Chem.Int.Ed.2010，49，6576-6579
[10]Lee J W，Samal S，Selvapalam N，Kim H J，Kim K..Acc.Chem.Res.2003，36，621-630.
[11]Kim K.Chem.Soc.Rev.2002，31，96-107.
[12]Huang Z，Yang L，Liu Y，Wang Z，Scherman O A，Zhang X..Angew.Chem.Int.Ed.2014，53，5351-5355.
[13]Zhang Z，Han C，Yu G，Huang F.A Solvent-Driven Molecular Spring.Chem.Sci.2012，3，3026-3031.
[14]Christopher W.B，Nicholas A，Daniel H，Samuel S，Carol A.Podlasek The Journal of Sexual Medicine.2012，dec，13，Volume 10，Issue 3.
（作者單位：苏州大学材料与化学化工学部）