基于“超分子结合-扩散”耦合过程的科学规律构建时空图案

Spatial-temporal distributions of active factors (e.g. growth factors or enzymes) are omnipresent in biological complexity. However, to control over moleculear spatial-temporal distributions in artificial materials has remained as challenging tasks. Inspired by the fact that spatial-temporal distribution of active factors in biological systems is driven by the coupled “supramolecular binding-diffusion” process, this proposal attempts fabrication of spatial-temporal patterns in artificial materials using the coupled “supramolecular binding-diffusion” process. The core concept of this proposal is to adjust molecular diffusion coefficients and diffusing patterns using supramolecular bindings of the diffusing guest toward matrices-bound receptors. Both experimental observations and numerical simulations are employed in the proposed studies. The scientific question of “how fast reversible supramolecular bindings influence the diffusion patterns” will be approached from the following three aspects: the influence on diffusion patterns of i) supramolecular binding parameters; ii) the spatial distributions of matrices-bound receptors (boundary conditions); and iii) multiple diffusing agents. Based on the scientific understanding of the coupled “supramolecular binding-diffusion” processes, strategies to fabricate spatial-temporal dynamic patterns will be developed. The implementation of this proposal will assist deepening scientific understanding over the spatial-temporal distributions of active factors in biological systems, and will potentially benefit the design strategies of controlled delivery devices, cell culturing matrices and tissue engineering materials.

功能分子的可控时空分布在生物体内普遍存在，是生物复杂性的代表现象之一。但是在人工材料中调控分子的时空分布仍是挑战性的任务。受生物体内“超分子结合-扩散”耦合过程调控分子时空分布的启发，本项目提出研究“超分子结合-扩散”耦合过程的规律并基于该过程构建时空图案。项目的核心概念是在含有受体分子的水凝胶基质中，利用扩散的客体分子与基质受体的超分子结合来调节客体分子的扩散系数，进而调控扩散图案。项目利用实验观察与数值模拟相结合的方法，研究快速可逆超分子结合-扩散耦合过程中，i) 超分子结合参数，ii) 扩散基质中受体的空间分布（边界条件），以及iii) 多元分子扩散等因素如何影响分子的时空分布这一科学问题，并在此基础上，发展基于“超分子结合-扩散”耦合过程构建时空图案的方法。本项目的开展有助于加深对生物体内分子时空分布规律的认识，并有望为可控给药、细胞培养及组织工程材料的设计带来新的思路。

在生物体中，活性物质例如生长因子或酶在特定的时间和空间有特定的分布特征（时空分布或时空图案）。浓度梯度是分子时空分布的基本单元，在生物体中，分子的浓度梯度和时空图案具有重要的生理作用。目前已经发展出多种构建梯度图案的方法，但是构建出与生物过程在时间、空间尺度上相关的浓度梯度仍然是具有一定的挑战性。针对这一问题，我们利用“超分子结合-扩散”耦合过程的规律构建时空图案，探究超分子结合扩散作用下功能材料的制备与应用。我们首先合成了含有受体官能团的PAA-CD水凝胶作为扩散基质，研究客体分子在基质中的超分子结合-扩散的耦合过程；同时研究了该过程产生的浓度梯度，进而将浓度梯度加以衔接联合，构建时空图案。其次，结合层层自组装技术制备了给药基质，探索了超分子作用在缓释给药体系中的潜在应用，研究了基质与药物分子之间的相互作用在给药体系中的影响，进而通过超分子作用实现了功能药物分子的负载与释放。为了进一步发展层层自组装的可调控性，我们将其用于高效固定二维二氧化钛片层和金纳米粒子复合催化剂的制备，提高了光子的利用效率，从而优化了复合催化剂的光催化产氢效果。此外，我们利用层层自组装技术结合柔性压电基底设计了用于药物释放的发电-释放一体化的功能材料，同时具有良好的生物相容性。受到超分子扩散和仿生扩散的启发，我们设计了一种新型扩散海藻酸钙水凝胶，较常规海藻酸钙水凝胶，这种由扩散机制调控的水凝胶具有更优异的机械性能。另一方面，我们针对共价交联的稳定多层膜做了系统介绍，尤其是对如何通过化学交联方法和表征手段有效实现目标多层膜的制备、表征及特定应用。