细胞模拟化学(Cytomimetic Chemistry)是二十世纪末出现的一个新兴研究领域,研究内容主要是通过利用人工合成的双层膜(囊泡),来模拟细胞的结构和功能;属于一个涵盖了化学、生命科学及材料等多学科交叉诞生的研究方向。细胞-细胞聚集在生命体系中起着非常重要的作用,存在于多数的生物过程中,例如免疫反应、凝血、炎症、胚胎形成、内皮组织或神经组织等。作为细胞模拟化学的一个分支,用“囊泡-囊泡”聚集来模拟“细胞-细胞”聚集的研究工作引起了科学家们广泛的关注;迄今为止,许多科学家在这个领域中做出了卓有成效的工作。他们以脂质体囊泡为基元,通过多重超分子相互作用,实现了囊泡的聚集,用以模拟细胞聚集的过程。总结文献工作可以发现,该研究领域依然存在以下一些问题:第一,常用于囊泡聚集研究的囊泡尺寸过小,远远小于细胞的尺寸;第二,制备的囊泡聚集体尺寸偏小,远远小于自然界中细胞聚集体的尺寸;第三,大部分采用脂质体囊泡来开展研究工作,关于聚合物囊泡聚集的研究工作非常少;第四,可逆及可控的囊泡聚集研究甚少。针对上述问题,本论文成功地将细胞尺寸的超支化聚合物囊泡引入到模拟细胞聚集研究领域中,通过设计新的驱动力,包括相分离、主客体作用、点击化学反应、多巴胺的强吸附作用等,研究了超支化聚合物囊泡的聚集行为。主要研究内容和结论概括如下:1.“类聚合”的囊泡多级自组装研究采用阳离子开环聚合和原子转移自由基聚合的方法,合成了两亲性超支化多臂共聚物HBPO-star-PEO和pH响应性的两亲性超支化多臂共聚物HBPO-star-PDMAEMA。通过两种聚合物在中性水溶液中的共组装,成功制备了具有pH响应性的杂臂超支化聚合物囊泡,并研究了该杂臂超支化聚合物囊泡在不同pH下的多级自组装行为。通过OM、FM和LCSM对多级组装过程进行了详细地跟踪表征,并利用LCSM和NOSEY对组装机理进行了证明。研究发现,随着pH的增加,PDMAEMA在囊泡膜表面发生微相分离,形成类似脂筏结构的疏水微区,从而使囊泡带上各向异性的疏水位点。这些各向异性的囊泡可以通过疏水位点之间的识别进一步聚集形成线性、支化状、环状、超支化或者网状的囊泡链,如同单体的均聚、接枝共聚、内环化、超支化聚合及交联聚合过程。最后,通过融合,得到线性、支化状、环状或者网状的微米管。2.主客体作用驱动的宏观囊泡聚集通过端基修饰的方法,合成了环糊精、金刚烷或偶氮苯修饰的两亲性超支化多臂共聚物。将它们与未修饰的超支化多臂共聚物共组装,分别制备了环糊精、金刚烷或偶氮苯修饰的超支化聚合物囊泡,命名为cd-bps、ada-bps和azo-bps。基于环糊精和金刚烷的主客体作用,实现了cd-bps和ada-bps的聚集,制备了模拟细胞粘着连接的宏观可见的超支化聚合物囊泡聚集体。om和fm结果表明,囊泡聚集体是由三维的紧密堆积的囊泡组成。通过fl和nosey谱等表征方法,证实了主客体作用在囊泡聚集过程中举足轻重。基于环糊精和偶氮苯的光可逆的主客体作用,实现了cd-bps和azo-bps的聚集,构筑了光响应的可逆超支化聚合物囊泡聚集体系,模拟了细胞可逆的粘着连接。通过加入竞争主体分子、uv/vis和nosey谱等方法,对此过程的主客体作用进行了证明。超支化聚合物囊泡的聚集程度可以通过改变聚合物浓度或官能团浓度进行调节;且随着浓度的降低,超支化聚合物囊泡聚集体转变为线性超支化聚合物囊泡链。此外,om、fm和fl等结果表明囊泡融合发生在这两个囊泡聚集的体系中。3.点击化学反应驱动的囊泡聚集:可控融合和相分离通过端基修饰的方法,制备了叠氮基团和丙炔基团修饰的两亲性超支化多臂共聚物。将它们与未修饰的超支化多臂共聚物共组装,分别得到了叠氮基团或丙炔基团修饰的超支化聚合物囊泡(n3-bps或alk-bps)。通过om、fm及fl等表征方法,对复合囊泡的组成和结构进行了详细表征。将二者混合,在点击化学反应的条件下,实现了模拟粘着连接的超支化聚合物囊泡的聚集。om,nmr和ftir等结果表明,超支化聚合物囊泡聚集体是由点击化学反应促发的,并且官能团的浓度会影响到聚集体的堆积程度。研究还发现,不期望的囊泡融合发生在这个过程中。受桥粒连接启发,成功地制备了末端为叠氮基团的两亲性超支化多臂共聚物,它可以在水中自组装形成叠氮基团修饰的球形胶束。将它与alk-bps混合,制备了大面积、无融合的超支化聚合物囊泡聚集体。通过om、fm和fl等表征方法,证实了整个过程。调节丙炔基团与叠氮基团的摩尔比例,可以使紧密堆积的三维聚集体转变为单个超支化聚合物囊泡。此外还发现,在点击化学反应驱动的囊泡聚集过程中还伴随着囊泡表面的侧向微相分离,该微相分离过程与囊泡膜表面的官能团浓度有密切关系;随着官能团浓度的降低,相分离行为减弱。4.三组份识别作用驱动的囊泡聚集行为研究通过官能团的转换,制备了巯基修饰的两亲性超支化多臂共聚物,并通过水合自组装,制备了表面含硫醇的超支化聚合物囊泡。采用om和fm等表征方法,详细分析了超支化聚合物囊泡的中空结构。通过原位还原氯金酸,成功地制备了金纳米粒子覆盖的超支化聚合物囊泡。uv/vis、om、sem和tem等结果表明金纳米粒子均匀地分布在超支化聚合物囊泡的膜表面上,其平均直径为9.3 nm。通过多巴胺的自聚合反应,制备了聚多巴胺包裹的多壁碳纳米管。TEM结果表明聚多巴胺层的厚度为12.5 nm。在Tris缓冲溶液中,将金纳米粒子覆盖的囊泡和聚多巴胺包裹的碳纳米管混合,成功地制备了大面积的超支化聚合物囊泡聚集体。粒径统计结果表明,该囊泡聚集过程有效地避免了囊泡融合。