初级组装体的模块化组装、功能集成与仿生应用

Although great progress has been made, the research of supramolecular self-assembly of synthetic molecules still pales in comparison to the self-assembly in nature in both the structures and functionalities. In the project, we hope to perform the further self-assembly of preformed primary self-assemblies into complex supramolecular systems and studied the biomimetic applications of them. This project includes three parts. In the first part, the self-assembly of functional molecules inside or on the vesicle membranes together with DNA origami will be studied, in order to obtained supramolecular structures that mimic real cells. Such a process has been defined as systematized self-assembly. In the second part, the patch vesicles will be prepared through the controlled lateral phase separation of functional polymers on the vesicle membranes, which are used to bind other supramolecular structures or nanoparticles to form anisotropic functional self-assembly systems. Such a process has been defined as anisotropic self-assembly of vesicles. In the third part, the obtained complex vesicles have been used as the model systems to mimick the cellular processes like cell communications, light harvesting and bacterial motion. We believe the present project will give a new light on the development of self-assembly into a more smart and complex level.

当前分子自组装研究已经取得了极大进展，但和自然界高度复杂和智能的自组装过程相比，依然存在组装体结构过于简单，组装体功能单一的问题。为此，本项目拟以初级组装体为组装基元，通过它们之间的可控分子识别和协同组装，形成多个组装结构集成的组装体系，在提高组装体的尺寸和结构复杂性的同时，积极拓展其仿生功能。研究内容包括：1）囊泡的体系化自组装。通过功能分子在超支化聚合物囊泡膜内或膜上自组装，结合DNA折纸技术，构筑具有类细胞结构的复杂囊泡体系；2）囊泡的各向异性自组装。在可控制备补丁囊泡（patch vesicles）的基础上，通过和其他组装体或纳米粒子之间的识别和组装，构筑各向异性的囊泡功能体系；3）囊泡组装体系的仿生应用。以所制备的囊泡体系为模型，模仿细胞间的通讯，自然界的光合作用和细菌的定向运动等过程。希望通过本项目研究，为分子自组装研究向体系化和智能化方向发展提供新的思路和方法。

当前分子自组装研究已经取得了极大进展，但和自然界高度复杂和智能的自组装过程相比，依然存在组装体结构过于简单，组装体功能单一的问题。本项目紧密围绕“可控自组装体系及其功能化”重大研究计划的指南，主要在新颖功能性组装基元的开发，新的自组装结构与功能等方面开展研究工作。主要完成了三方面的创新工作。1）通过点击化学的方法合成了新一类两亲性交替共聚物，并通过实验结合理论模拟的方法系统研究了其在溶液、本体中的自组装行为，揭示了交替共聚物自组装的独特优势；2）合成了可溶、可分散的两亲性rod-coil梳状共聚物，并研究了其在有机溶剂和水中的自组装行为；3）通过“药-药缀合物”策略和DNA折纸技术，制备了组装结构和药物负载量精确，可以自传递的抗肿瘤纳米药物，并从体内和体外细致评价了纳米药物的效果。此外，还在还初步探索研究了大分子自组装在光捕获、化学传感、催化等方面的应用。.本项目拓展了大分子自组装的结构基元，获得了新的组装结构，建立了新的自组装理论，而且所开发的纳米药物优势明显，具有良好的肿瘤治疗潜力。经过3年研究，本项目在国内外化学学科主流刊物发表SCI收录论文60篇。培养了博士和硕士毕业生17名，参与国际和国内会议30次。完成了项目拟定的任务和指标。