基于仿凝集素的高分子微凝胶的合成及葡萄糖响应性研究

Glucose-responsive polymer gels have great potential in the fabrication of self-regulated smart systems on the basis of glucose recognition. So far, most glucose-responsive polymer gels are synthesized with biological molecules, such as glucose oxidase and sugar-binding proteins, or synthetic boronic acids as the glucose-recognition moieties. Recently, the design and synthesis of bionic synthetic molecules are receiving increased interested; however, the synthetic lectin, a new class of bionic synthetic molecules, has not been used in the synthesis of polymer gels. In this project, we would like to commence our study by selecting a simple and accessible synthetic lectin, which then will be functionalized with polymerizable double bonds for the synthesis of polymer microgels of controllable size and surface properties. Next, we will investigate the volume phase transition behavior and dynamics of the microgels in response to glucose, where we can get the feedback for optimizing the synthesis of the microgels, towards the design and synthesis of microgels with controllable glucose-responsive characteristics, and more importantly, towards the understanding of structure-property relationships among glucose-recognition, volume phase transitions and optical response. Moreover, as a primary linkage between foundational research and practical application, we would like to extend our research to the synthesis of functional microgels, which may be used for glucose-to-optical signal conversation or regulate transport of insulin, and microgel-structured film as well. Our results should underscore the vast potential of synthetic-lectin-based glucose-responsive microgel for the fabrication of smart systems that can be used in optical sensing/monitoring and controlled drug delivery.

葡萄糖响应性高分子凝胶极有希望用于构建葡萄糖识别相关自我反馈型智能系统。目前大量研究的葡萄糖响应性高分子凝胶，主要采用葡萄糖氧化酶/糖结合蛋白等生物分子、人工合成硼酸衍生物作为葡萄糖识别基元；近年来，仿生人工合成分子的有机设计合成研究已成为一个热点，但尚无研究报道将仿凝集素用于聚合制备高分子凝胶。本项目拟选择一种合成步骤较少、产率较高的仿凝集素作为开始，修饰结构以接上可聚合双键，然后控制合成出基于仿凝集素的高分子微凝胶，并调控其体积相转变行为与动力学，进而从宏观、微观、分子水平三个层次理解从识别到体积相转变再到光学变化等葡萄糖响应性的内在机制。作为基础研究通往实际应用的链接，本项目还将尝试构建并研究主要突出葡萄糖——光学信号定量转换、胰岛素控释等功能的微凝胶，以及微凝胶结构薄膜，为从高分子化学与物理角度设计光学传感监测、药物控制输运等生物学功能导向自我反馈型智能系统的最终目标提供科学依据。

本项目意在选择使用仿凝集素（sLectin）等仿生人工合成分子作为葡萄糖识别基元，设计制备葡萄糖响应微凝胶，以期拓展新材料。（1）相关合成方法及葡萄糖响应性探索：从设计不同的化学合成途径出发，探索制备了聚离子液体微凝胶等，进而筛选条件、通过物理包埋等方法制备出含apo-GOx微凝胶，为探索可控合成葡萄糖响应微凝胶及其微凝胶结构薄膜提供合成技术储备，也为理解葡萄糖响应性内在机制提供思路。（2）基于sLectin的高分子微凝胶的合成及其葡萄糖响应性研究：针对研究目标，探索优化sLectin全合成步骤，进而合成含sLectin微凝胶，寻找最佳的合成与生长条件，并研究微凝胶的葡萄糖响应性；在此基础上，合成具有可聚合双键的d-sLectin，进而合成d-sLectin微凝胶，并研究微凝胶的葡萄糖响应性。根据解决问题的需要，借鉴凝集素、apo-GOx等糖结合蛋白与葡萄糖结合的机制，人工模拟合成出具有响应性可调控、高选择识别葡萄糖等特征的聚苯硼酸微凝胶，理解从识别到响应、再到光学信号的内在机制，并建立了葡萄糖——光学信号转换定量模型，进而将微凝胶用于定量检测血清等体系中葡萄糖浓度以评价其传感响应性能，还尝试用于胰岛素控释等。（3）微凝胶结构薄膜的制备及其葡萄糖响应性研究：以优化合成的葡萄糖响应微凝胶作为阵列单元，制备了具有较为规整自组装结构的微凝胶结构薄膜，寻找具有可控厚度的微凝胶结构薄膜的制备方法及最佳工艺条件，实现能感知微小葡萄糖浓度变化并产生快速、较大响应的“弱刺激强响应”式葡萄糖响应特性，阐明葡萄糖——光学信号定量转换规律和动力学，进而尝试发展可持续感知葡萄糖浓度变化并快速、定量光学检测的新型葡萄糖传感器，以及用于胰岛素控释等。综上所述，本项目研究结果体现了sLectin等仿生人工合成分子在葡萄糖响应性高分子凝胶设计制备的应用，为从高分子化学与物理角度设计光学传感监测、药物控制输运等生物学功能导向自我反馈型智能系统提供科学依据，也为理解普遍认为最关键的问题——化学结构与材料性能的关系——提供有价值的视角。