双亲性DNA/合成高分子杂化体的组装调控研究

The precise control of the polymers' properties and functions via rationally designing polymers' structures has attracted increasing attention in the areas of polymer chemistry and nano-material science. One important strategy toward functionalized nano-structures and nano-devices is the application of oligonucleotide (DNA) due to its inherent base-pairing fidelity and sequence programmability. In this project, we plan to prepare a series of amphiphilic DNA block copolymers by introducing the macromolecule DNA as a hydrophilic component to link with various synthetic polymers through covalent linkage. Furthermore, we will systematically investigate their self-assembly behavior in solution, as well as morphologic control of the assembled nanostructures, depending on both conformational change of DNA sequence and stimuli responsiveness of polymers. The assembled structures and assembly progress will be characterized by transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscope (AFM), dynamic light scattering (DLS), and fluorescent experiments.

通过对高分子结构的设计实现其性质和功能的精确设计和调控是当前化学和材料科学的重要前沿热点领域之一，也是当前高分子科学的一个重要发展方向。脱氧核糖核酸（DNA）作为一类天然的生物大分子，具有序列可编程、纳米级尺寸、精确识别、易于合成等性质，在纳米科学和材料科学等领域迅速发展。本项目拟通过分子设计，将具有优异特性的生物大分子DNA与多种具有不同环境响应性的合成高分子通过共价键连接，获得一系列双亲性DNA/合成高分子杂化体。利用DNA的构象互变和合成高分子对环境的刺激响应性，系统研究这些双亲性杂化体在溶液中的组装行为以及环境刺激对双亲性杂化体组装形貌的调控，并拟通过荧光包裹实验和金纳米颗粒的外围负载实验研究其组装机理及其潜在的应用领域。我们将运用飞行时间质谱、圆二色谱、凝胶电泳、透射电镜和动态光散射等技术对双亲性杂化体的组装及其形貌转变展开系统研究。

智能自组装纳米材料具有环境刺激响应，从而产生可调控的形态变化，不仅在基础研究中引起广泛关注，在纳米技术和药物传递中也引起了研究人员的兴趣。DNA由于序列可编程性，热稳定性和显著的结合特异性，常被用于构筑刺激响应性的纳米材料。目前，刺激响应性的DNA纳米材料大多数由两亲性DNA嵌段共聚物或两亲性DNA-树状杂化体组成。它们可以在水溶液中自组装成各种有序结构，例如球形胶束，纳米纤维，纳米片和囊泡等。这些组装结构的尺寸和形状可以通过外界刺激实现调控。本项目执行期间，设计合成了一类新型的DNA杂化体，即DNA与有机小分子共价连接的化合物，通过了聚丙烯酰胺凝胶和MALDI-TOF的表征；在一定条件下，其在水相中组装成球形胶束；通过主客体识别的性质，加入葫芦[10]脲，由于葫芦[10]脲能包合两个有机小分子（苝酰亚胺单体），使球形胶束转变为二维的DNA纳米片；进一步通过竞争客体实验，加入金刚烷胺盐酸盐，由于其与葫芦[10]脲的结合能力更强，将葫芦[10]脲从DNA二维纳米片上拉下来，又回到了最初的球形胶束，实现了组装形貌的可逆调控；经过金纳米颗粒的负载实验，阐明了二维纳米片能作为模板定位负载金属颗粒或功能分子。另一方面，利用DNA修饰葫芦[7]脲，以及客体分子连接疏水尾巴，通过主客体识别，构筑DNA超两亲分子，其在水相中组装成球形胶束，并且具有竞争客体响应性；由于引进了具有氧化还原性质的二茂铁客体分子，使得组装体也具有氧化还原的响应性。这些利用主客体识别性质构筑的具有刺激响应性的DNA纳米组装体有望为药物的可控释放与运输提供新的载体。