基于全氟苯基叠氮偶联剂的纳米材料功能化研究

In recent years, biomedicine has witnessed an explosive development, taking the benefits of rapid development of nanomaterials. However, efficient and precise control of the functionalization of various nanomaterials remains a major scientific and technological challenge in the nanomedicine field. Based on p-substituted perfluorophenyl azides, a variety of heterobifunctional coupling agents, this project aims to develop an accurately controllable multifunctional biological nanomaterial system using carbohydrates as model, in which various types of bioaffinity can be achieved through an accurate control of functional groups and functional molecular loading. A rich array of nanoparticles, including upconversion nanoparticles, silica nanoparticles, magnetic nanoparticles, and their composites, will be used as nanocarries. The resulting nanomaterials with desirable and controllable functionalities are expected to be useful for many applications, such as biorecognition, biosensing and bioimaging.

近年来，以纳米材料为基础与突破点，生物医学得以迅速发展。然而，如何对各类纳米材料表面进行高效、精准的可控功能化修饰，依然是纳米生物医学面临的一大科学与技术挑战。本课题拟采用具有异双活性中心的全氟苯基叠氮衍生物作为偶联剂，以上转换纳米粒子、硅纳米粒子、磁性纳米粒子、及它们的复合纳米粒子作为纳米载体，结合生物糖分子，通过调控偶联基团、功能分子负载等参数，初步建立精准可控的功能化纳米材料体系, 构建具有不同生物活性的材料表面，并进一步发展多重功能化的生物纳米材料，探索其在生物识别、生物传感、生物成像等生物医学领域的应用。

研究基于具有异双活性中心的全氟苯基叠氮衍生物作为偶联剂，构建了多重复合功能纳米载体，用于纳米复合体系在生物识别领域的基础理论方法和平台构建。主要包括：利用全氟苯基叠氮的N-琥珀酰亚胺活性酯衍生物作为偶联剂，直接对本征石墨烯进行功能化修饰，尽量降低对其特有共轭网络的破坏。对比了传统加热反应和微波辅助功能化方法。结果表明，由于微波辐射的引入，保证了石墨烯共轭结构受热的均一度，相对传统加热反应方法，很大程度提高了石墨烯的功能化效率。此活性石墨烯可以与含有氨基的糖分子进行酰胺反应，制备得到糖功能化石墨烯材料，此功能化材料具有良好分散性和生物相容性。为了进一步开拓纳米载体在生物工程方面应用，为功能纳米材料制备提供生物亲和性和功能性蛋白，我们进一步探索了蛛丝纤维蛋白的结构和功能特性，首次研究了Nephila pilipes蜘蛛外层包卵丝纤维结构-性能关系，分别从形貌特征、力学性能、分子结构及氨基酸组成等方面对该丝纤维进行了研究。研究发现该丝纤维具有其他包卵丝的刚性，但也呈现了其独有的特征。从头测序法发现其氨基酸序列由短链的丙氨酸 (An, n ≤ 3)，交替排列的丝/丙氨酸（S/AX），甘/丙氨酸以及甘氨酸-甘氨酸（GGX）和丝氨酸-丝氨酸（SSX）序列组成，并且穿叉有丰富的极性氨基酸。并从仿生学角度出发，基于该丝蛋白的特征氨基酸序列，结合基因工程，我们制备了重组管状腺体丝蛋白，用于生物材料的制备。为进一步发展多重功能化的生物纳米材料，探索其生物医学领域的应用提供了新的思路和理论依据。