智能纳米孔道材料及其在生物分离与操控中的应用

生物分离是现代生物技术应用的必要前提，开发具有特定生物分子识别功能的智能孔道材料可以很好得解决目前生物分离手段中的一些突出问题，同时具有清洁、高效、特异性好、费效比低等优点，具有广阔的应用前景。智能聚合物材料，特别是生物分子响应性材料是目前材料科学研究的一个热门方向，包括申请者课题组在内的国内国际多个研究组已经发展出了多种能对外界刺激（如光电热磁）具有良好响应性的智能界面材料。我们拟将生物分子响应性智能材料与多孔氧化膜基底相结合，开发出一系列膜通道孔径可调的智能纳米孔道薄膜材料。同时选取三类DNA作为生物分离研究的模型对象，系统评估上述孔道薄膜对目标DNA 的分离效果；同步观测聚合物链在纳米通道中，响应生物分子对象时所产生的伸缩行为，以及其对生物分子的操控行为，探索可能的分离作用机制。本项目研究开发的智能膜材料将在生物分离与纯化、药物释放、生物芯片、微流体器件等多方面具有良好的应用前景。

生物分离是现代生物技术应用的必要前提，开发具有特定生物分子识别功能的智能材料，可以很好得解决目前生物分离手段中的一些突出问题，同时具有清洁、高效、特异性好、费效比低等优点，具有广阔的应用前景。智能聚合物材料，特别是生物分子响应性材料是目前材料科学研究的一个热门方向。在项目基金的资助下，我们围绕着功能单体的构筑，聚合方法的探索，聚合物链构象运动，宏观效应转变，生物分离等关键科学问题，开展了一些针对性的研究工作，取得了一些创新性的研究成果，在化学学科顶级期刊发表论文3篇，另有2篇工作正准备投稿。具体而言，我们创新性地提出基于“识别-介导-功能主链”的智能聚合物设计思想，构建手性响应性聚合物材料，实现了对手性调控的浸润性转变。我们进一步提出这种思想能够应用于手性识别、手性分离和不对称催化的研究中，通过立体选择性相互作用和材料宏观性质的大幅转变，实现了对手性溶质传输、粘附、分配、解离等行为的动态调控。在功能单体的构筑方面，我们通过二肽正交序列筛选，寻找到了一种优异的二肽序列（DF），以此为基础开发为手性凝胶材料。我们发现手性奎啉的加入能够显著地影响凝胶的形成过程，（+）-奎啉的加入促进了凝胶的生成，而（-）-奎啉却明显抑制了这一过程。更有趣的是可以通过乙醇-氯仿两种溶剂的转换，实现主客体间手性相互作用能力的反转。这一效应进一步应用在手性药物的分离领域，能够通过溶剂的选择实现对目标手性异构体高效的分离和富集。在界面行为控制方面，我们创新性地提出，细胞膜表面手性有可能强烈影响Aβ肽（阿兹海默病前体蛋白）的聚集、堆叠、生长过程。研究表明S-型的石墨烯表面强烈地抑制了蛋白纤维化过程，而R-型的石墨烯表面显著加速了这一过程。这一发现首次揭示了界面手性在蛋白纤维化过程中的重大影响，为阿兹海默病的形成提出了一种新的可能的机制。在生物分离方面的研究，我们构筑了两类基于弱氢键相互作用的智能聚合物材料，实现了对磷酸化肽、糖基化肽高选择性的富集。材料同时展现出容量高、抗干扰能力强、特异性好的优点，已经全面超越了目前文献报道的最佳材料，展现出了很好的后期开发潜力。在基金委高分子化学学科青年项目的支持下，我们基本实现了实验预期，取得了较好的研究成果，在几个关键科学问题上展开了有益的讨论，为后续深入的研究奠定了坚实的基础。