PEO-PPO-PEO嵌段共聚物的纳微结构及其与生物活性分子的相互作用

Amphiphilic PEO-PPO-PEO block copolymer has wide applications in many fields and affords the opportunity and challenge for novel chemical engineering processes due to its designable, adjustable and sensitively responsive properties. Their aggregation behavior and interactions with biomolecules are of great importance for their application. In this project, dynamic nano-structures of block copolymer will be systematically studied by molecular simulation and spectrum. The formation and change of nano-structures will be revealed at atom/molecule level through various advanced analytical techniques and performing the molecular dynamics simulations, which would result in new understanding of self-assembly and changing rule of nano-structures. The effect of temperature, composition and additives on the nano-structures will be investigated and the directional control rule of nano-structures will be obtained. The structure activity relationship and interaction mechanism of block copolymer with biomolecules will be set up. This research will provide scientific basis for the application of block copolymer in chemical engineering separation, control release of drug and synthesis of nano-materials etc.

嵌段共聚物具有分子可设计性、易于调控和环境响应性好等优良特点，在众多领域中得到了广泛应用，为创建新型化工过程技术提供了机遇和可能。了解和掌握嵌段共聚物在选择性溶剂的纳微结构是其应用的基础。本项目拟采用光谱与模拟相结合的方法对PEO-PPO-PEO嵌段共聚物溶液中动态的纳微结构进行系统的研究，通过多种先进的检测技术和建立嵌段共聚物的力场并进行分子动力学模拟，力图从原子/分子水平上揭示纳微结构的形成机理，获得纳微结构自组装行为特征及变化规律的新认识；研究在不同条件下共聚物的聚集行为，获得温度、组成及添加剂对嵌段共聚物溶液体系纳微结构形态的定向调控规律；建立嵌段共聚物溶液中纳微结构与生物活性分子之间的构效关系，揭示嵌段共聚物的聚合物链段、分子聚集体和团簇结构与生物活性分子的功能基团的相互关系和微观作用本质，为嵌段共聚物在化工分离、药物控制释放及纳米材料合成等方面的应用提供科学基础。

聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(PEO-PPO-PEO)嵌段共聚物具有分子可设计性、生物相容性和环境响应性等优良特点。生物活性分子与嵌段共聚物相互作用，是实现药物释放的关键因素。PEO-PPO-PEO嵌段共聚物已成为一种最有潜力的药物输送负载体系之一，在新兴的纳米医药领域也有着重要的影响。然而，目前 PEO-PPO-PEO 嵌段共聚物种类繁多、构效关系尚未完全建立，无论是它们应用于生化分离领域还是药物输送体系的构建，这些体系的构建均是凭借经验选择若干种类进行尝试，缺乏系统的筛选方法和设计理论。研究从原子/分子水平上揭示了嵌段共聚物和生物活性分子的活性基团之间的微观相互作用，即各种复杂结构及其动态变化，为实现嵌段共聚物应用于生化分离或药物负载提供基础支持。主要成果如下：（1）在纯水相中实现嵌段共聚物结构调控，对于实现嵌段共聚物的实际应用具有重要的意义。传统方式，包括使用无机盐，主要通过无机盐的去水化作用，仅仅能够获得有限的聚集体形貌。本研究通过多种小分子，调控PEO-PPO-PEO 聚集体形貌转变。通过不同小分子结构来调节相互作用的强度，从而改变聚集体内嵌段共聚物链的伸展程度、聚集体的自由能，最终实现聚集体形貌调控，验证了疏水相互作用、氢键等单一作用（考察了氢键供体的数量和种类影响），能够作为调控聚集体结构的主要作用力。（2）表面活性离子液体能够承载多种分子间相互作用，系统研究了一系列表面活性离子液体在水溶液中聚集行为及微观结构，获得了PEO-PPO-PEO和表面活性离子液体共同构筑的体系胶团聚集规律及调控机制。（3）进一步拓展研究了贵金属离子的嵌段共聚物形貌调控规律。低浓度的嵌段共聚物容易自组装形成胶束，存在单体-胶束平衡。加入贵金属离子后，分子链与金属离子进行配位，发生构象的变化，并形成假冠醚结构，研究了金属离子与聚合物相互作用对聚集体形貌的影响规律。研究揭示了嵌段共聚物的分子链段、聚集体和团簇结构与生物活性分子的功能基团的相互关系和微观作用本质，为嵌段共聚物在化工分离、药物控制释放及纳米材料合成等方面的应用提供科学基础。到2021年1月，基本完成项目中研究内容，已发表论文10篇（其中SCI论文6篇）。