一种基于层状双氢氧化物仿生限域驱动的活性超分子聚合物的制备方法与流程

：
[0001]
本发明属于活性超分子聚合技术领域，特别涉及一种基于层状双氢氧化物仿生限域驱动的活性超分子聚合物的制备方法。


背景技术：
：
[0002]
超分子聚合物的发展为诸如软物质材料，药物输送和催化剂等新一代功能材料提供了广阔的蓝图，特别是具有高效的可控性和均匀的分散性的活性超分子聚合物(lsp)的出现，为超分子聚合物的制备及其生物应用提供了一个新颖的制备途径。从严格意义上讲，只有通过循环实验以证明超分子聚合物的活性末端可以多次聚合，才可以将其定义为lsp。2014年，sugiyasu和takeuchi课题组通过远离路径的聚集体建立了第一个种子诱导的lsp并引导了后来的可编程lsp的实现。然而，lsp仍需要更加精确地控制聚合度，链立体化学和寿命。因此，2015年，aida和miyajima课题组首先引入了链增长机制，以实现由引发剂控制的lsp，这种独特的lsp为以后精密大分子工程的研发提供了灵感。但是，lsp仍处于起步阶段，并且最终目标是获得可控的栩栩如生的活性材料。在2018年，balasubramanian和george课题组通过消耗化学燃料atp展示了首个仿生lsp，使我们更接近复杂的生物实体的实现。
[0003]
即使lsp的制备已经有了巨大突破，但在单体设计上仍面临着严峻的挑战，因为上述工作针对特定的系统，需要精密的分子设计和复杂的官能团修饰，这不可避免地增加了合成难度和材料成本，极大地限制了它们的通用性和应用性。然而，使用可商购的具有简单结构的单体制造lsp这种策略很难从能量原理上获得成功，因为与自发成核相比，简单小分子在成核步骤中的活化能垒不够高，无法控制后续伸长的动力学。因此，需要找到合适的方案以合理地选择组装途径，从而实现活性超分子的制备。
[0004]
一直以来，科学家一直受到生物系统的启发，以实现时间控制的超分子聚合物。就自组装而言，生物受限环境可以促进自组装系统的分子间相互作用的形成和稳定性。例如，在细胞受限的环境中，多肽链的折叠和自组装速度显著加快。在分子伴侣约束的纳米笼中，可以抑制蛋白质的异常折叠和聚集，从而提高正常蛋白质的折叠率。这些生物限域现象为通过仿生作用指导简单小分子的有序组装提供了重要灵感。
[0005]
传统的lsp制备方案对分子的精细调控要求很高，而且必须是动态的驱动系统，暂时将其保持在亚稳态。然而，具有简单结构的单体组成的聚集体的活化势垒不足以控制随后的生长动力学，因此，简单单体构成的lsp的制备仍然是一个相当大的挑战。


技术实现要素：
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[0006]
本发明提供一种基于层状双氢氧化物仿生限域驱动的活性超分子聚合物的制备方法。
[0007]
所述的制备方法为：利用层状双氢氧化物的二维限域空间模拟内质网的生物限域
作用，采用离子交换法使带负电荷的有机小分子在层状双氢氧化物的层间有序排列形成分子阵列，从而抑制其自发成核；然后加入酸去除层状双氢氧化物后，层间的分子阵列维持其有序排列形成超单体；然后与有机小分子溶液混合，超单体受结晶驱动伸长形成活性超分子聚合物。
[0008]
上述制备的活性超分子聚合物重复1-5次与有机小分子溶液混合，得到继续伸长的活性超分子聚合物。
[0009]
所述的有机小分子的选择具备以下两个条件：1)分子具备可以形成氢键网络的官能团；2)分子间具备刚性平面，可以进行定向长程的π-π堆叠。
[0010]
所述的有机小分子为8-羟基芘-1,3,6-三磺酸盐(sg7)、3-氨基苯磺酸(3-absa)、2,5-二氨基苯磺酸(2,5-dabsa)、刚果红(cr)中的一种或几种。
[0011]
所述的酸为三氟乙酸。
[0012]
所述的有机小分子溶液的溶剂为甲醇和三氟乙酸的混合液。
[0013]
一种基于层状双氢氧化物仿生限域驱动的活性超分子共组装聚合物的制备方法：利用层状双氢氧化物的二维限域空间模拟内质网的生物限域作用，采用离子交换法使带负电荷的有机小分子在层状双氢氧化物的层间有序排列形成分子阵列，从而抑制其自发成核；然后依次加入酸和精氨酸溶液，得到活性超分子共组装聚合物。
[0014]
所述的酸为三氟乙酸。
[0015]
所述的精氨酸溶液的溶剂为甲醇和三氟乙酸的混合液。
[0016]
所述的精氨酸为l-精氨酸或d-精氨酸。
[0017]
一种精氨酸手性识别的方法：利用层状双氢氧化物的二维限域空间模拟内质网的生物限域作用，采用离子交换法使带负电荷的有机小分子在层状双氢氧化物的层间有序排列形成分子阵列；然后依次加入酸和精氨酸溶液，利用l-精氨酸和d-精氨酸分别形成活性超分子共组装聚合物的时间差进行肉眼可视化手性识别。
[0018]
在本发明中，层状双氢氧化物(又叫水滑石，ldh)可以作为一种提供仿生限域空间的纳米材料，可以将各种简单小分子单体限域组装成有序排列的超单体。除去层板后，超单体可以暂时维持其形态与性质，在合适的条件下可以进一步组装成具有可控长度和窄分散性的lsp。通过动力学研究表明，ldh克服了巨大的能垒，可以抑制单体的自发成核和亚稳态lsp的解聚。lsp的聚合度可以达到～6000，这是由3μm的ldh制备出的lsp的最小值，但却超过所有已发表的lsp的聚合度。这种新的活性聚合策略将带动对其他多功能分子的探索，并促进功能性lsp的快速发展。
附图说明：
[0019]
图1是sg7，bsa，3-absa，2,5-dabsa，cr，dhns，l-精氨酸和d-精氨酸的分子式示意图；
[0020]
图2是实施例1中bsa按照lsp制备方法得到的产物(a)及其在没有ldh限域下物理混合同样投料的对比样(b)；
[0021]
图3是实施例1中成功制备的3-absa lsp(a)及其cycle 1产物(b)、cycle2产物(c)，以及在没有ldh限域下物理混合同样投料的对比样(d)；
[0022]
图4是实施例1中2,5-dabsa按照lsp制备方法得到的产物(a)及其cycle1产物(b)、
cycle 2产物(c)，以及在没有ldh限域下物理混合同样投料的对比样(d)；
[0023]
图5是实施例1中sg7按照lsp制备方法得到的产物(a)及其cycle 1产物(b)、cycle 2产物(c)，以及在没有ldh限域下物理混合同样投料的对比样(d)；
[0024]
图6是实施例1中dhns按照lsp制备方法得到的产物(a)及其在没有ldh限域下物理混合同样投料的对比样(b)；
[0025]
图7是实施例1中cr按照lsp制备方法得到的产物(a)及其在没有ldh限域下物理混合同样投料的对比样(b)；
[0026]
图8是实施例2中制备的四种尺寸的ldh(a-d，依次是20nm，50nm，100nm和3μm)以及其在插层后(e-h)的sem图；
[0027]
图9是实施例2中制备的四种ldh前体(a)和对应的插层后sg7-ldh(b)的xrd图；
[0028]
图10是实施例2中超声1h后新制的lsp
20
(a)，lsp
50
(b)，lsp
100
(c)和lsp
3000
(d)的静态光散射(sls)图及其对应的sem图(e-h)，以及静置12h后的lsp
20
(i)，lsp
50
(j)，lsp
100
(k)和lsp
3000
(l)的sem图；
[0029]
图11是实施例2中以lsp
20
为种子制备得到的cycle 1产物(a)，cycle 2产物(b)，cycle 3产物(c)，以及另外三种lsp的cycle 1产物ssp
50
(d)，ssp
100
(e)，ssp
3000
(f)的sem图；
[0030]
图12是实施例2中以20nm，50nm，100nm和3μm的ldh为前体制备共组装产物polymer-l与polymer-d的荧光光谱图。
具体实施方式：
[0031]
为了更好地理解本发明，下面结合有机小分子sg7，bsa，3-absa，2,5-dabsa，cr和dhns以及20nm，50nm，100nm和3μm的ldh前体进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0032]
实施例1：
[0033]
步骤a：将naoh溶液(0.500mol/l)滴入含有30.0mmol mgcl2·
6h2o和10.0mmol alcl3·
9h2o的盐溶液(50.0ml)中，直到ph≈8.50，期间所用溶液均由去二氧化碳的蒸馏水新鲜制备。将浆液转移至高压釜中110℃加热24小时，用去二氧化碳的蒸馏水洗涤3次、在70℃的真空干燥箱中干燥后备用，得到尺寸为50nm的ldh前体。
[0034]
步骤b：利用离子交换将各种有机小分子插层到ldh层间。先用去二氧化碳的蒸馏水制备有机小分子(sg7，bsa，3-absa，2,5-dabsa，cr和dhns)的储备液(ph≈8.00，12.5mmol/l)，分别取50ml的储备液，在搅拌的情况下向其中加入0.313g的ldh前体粉末，升温至80℃，在n2氛围下离子交换24小时，先后用去二氧化碳的蒸馏水、无水甲醇洗涤3次后，所得的六种插层水滑石分别以20g/l分散至无水甲醇中备用。
[0035]
步骤c：分别以六种小分子为单体制备lsp
50
。取100μl的插层ldh的甲醇分散液(20g/l)，加入300μl的tfa，超声1h后，成功得到四种亚稳态的lsp
50
(分别由sg7，3-absa，2,5-dabsa和cr组成)。
[0036]
步骤d：以尺寸较大便于观察的sg7为例，将sg7其溶于ch3oh/tfa(1:3v/v)混合溶剂中，制备新鲜的高浓度储备液(0.500g/l)。以新鲜制备的sg7 lsp作为种子，取100μl步骤c中制备好的sg7 lsp，再取100μl的sg7储备液，以1:1v/v混合后，超声1h，得到sg7 lsp的cycle 1的产物，重复该步骤得到cycle 2的产物。3-absa和2,5-dabsa的循环实验亦是如
此。
[0037]
六种有机小分子的分子式如图1所示，选取其作为本方法的候选研究对象，其sem图(图2-7)显示有四种分子适用本方法：sg7，3-absa，2,5-dabsa和cr。这四种分子在没有ldh限域驱动的前题下，均发生自发成核，无法形成尺寸均一的长方体形状的lsp。另外两种分子，bsa只有一个可以形成氢键的官能团，不能形成氢键网络；dhns由于分子间堆叠时存在角度，难以形成长程有效的π-π堆积。值得注意的是，虽然2,5-dabsa的氢键官能团比3-absa更多，但是却也导致了分子间氢键的形成，影响了氢键网络的构建，因此，3-absa构建的lsp的尺寸较大。
[0038]
实施例2：
[0039]
步骤a：制备各种尺寸的ldh(所有溶液用去二氧化碳的蒸馏水制备，ldh产物用去二氧化碳的蒸馏水洗涤)。20nm的ldh前体：将50.0ml的nacl溶液(1.00mol/l)添加到500ml四颈烧瓶中，将50.0ml含3.75mmol mgcl2·
6h2o和1.25mmol alcl3·
9h2o的盐溶液标记为溶液a，将50.0ml naoh溶液(1.00mol/l)标记为溶液b，n2氛围下将溶液a、b逐滴滴加到烧瓶中并剧烈搅拌，滴加过程维持悬浮液ph≈8.00，滴加完毕后，将混合物在n2氛围下室温老化24小时，用去二氧化碳的蒸馏水洗涤3次、在70℃的真空干燥箱中干燥后备用；50nm的ldh前体：制备方法见实例1的步骤a；100nm的ldh前体：将50.0ml的nacl溶液(10.0mol/l)添加到500ml四颈烧瓶中，将50.0ml含37.5mmol mgcl2·
6h2o和12.5mmol alcl3·
9h2o的盐溶液标记为溶液a，将50.0ml naoh溶液(5.00mol/l)标记为溶液b，n2氛围下将溶液a、b逐滴滴加到烧瓶中并剧烈搅拌，滴加过程维持悬浮液ph≈8.00，滴加完毕后，将混合物在n2氛围下室温老化24小时，用去二氧化碳的蒸馏水洗涤3次、在70℃的真空干燥箱中干燥后备用；3μm的ldh前体：将包含4.00mmol mgcl2·
6h2o，1.00mmol alcl3·
9h2o和20.0mmol尿素的盐溶液(70.0ml)加入高压反应釜中100℃下加热24小时；将得到的mg3al-co
3-ldhs(0.300g)加入nacl溶液(1.00mol/l，300ml，ph＝6.50)，在100℃的n2氛围下进行离子交换72h，再用去二氧化碳的蒸馏水洗涤3次，在70℃的真空干燥箱中干燥。
[0040]
步骤b：利用离子交换将sg7分别插层到尺寸为20nm，50nm，100nm和3μm的ldh层间。先用去二氧化碳的蒸馏水制备sg7的储备液(ph≈8.00，12.5mmol/l)，取50ml的sg7储备液，在搅拌的情况下向其中加入0.313g的ldh前体粉末，升温至80℃，在n2氛围下离子交换24小时，先后用去二氧化碳的蒸馏水、无水甲醇洗涤3次后，所得的四种尺寸的sg7-ldh分别以20g/l分散至无水甲醇中备用。
[0041]
步骤c：取100μl的sg7-ldh的甲醇分散液(20g/l)，加入300μl的tfa，超声1h后得到亚稳态的lsp。20nm，50nm，100nm和3μm的ldh前体对应的lsp命名为lsp
20
，lsp
50
，lsp
100
和lsp
3000
。
[0042]
步骤d：将sg7其溶于ch3oh/tfa(1:3v/v)混合溶剂中，制备新鲜的高浓度储备液(0.500g/l)。以新鲜制备的sg7 lsp作为种子，取100μl步骤c中制备好的sg7 lsp，再取100μl的sg7储备液，以1:1v/v混合后，超声1h，得到sg7 lsp的cycle 1的产物，重复该步骤得到cycle 2和cycle 3的产物。lsp
20
，lsp
50
，lsp
100
和lsp
3000
对应的种子诱导的超分子聚合物叫做ssp
20
，ssp
50
，ssp
100
和ssp
3000
。
[0043]
步骤e：新制l-或d-精氨酸在ch3oh/tfa(1:3v/v)混合溶剂中的储备液(100mmol/l)，取100μl的sg7-ldh(20.0g/l的甲醇储备液)，60.0μl tfa和340μl的l-精氨酸(新制的
100mmol/l的储备液)，依次混合，超声一定时间即可生成polymer-l，将上述步骤的l-精氨酸替换为d-精氨酸，即可得到polymer-d。对于四种尺寸的sg7-ldh，方法类似，区别在于得到共组装聚合物的时间不同：对于20nm的ldh前体，超声10min；对于50nm的ldh前体，超声15min；对于100nm的ldh前体，超声30min；对于3μm的ldh前体，超声50min。
[0044]
图8的sem显示20nm，50nm，100nm和3μm的ldh均已成功制备，并且在插层前后，形貌几乎没有发生变化。图9的xrd图显示不同尺寸的sg7-ldh均已成功插层，但是(003)与(006)的峰强比有所变化，这说明不同尺寸的ldh对sg7的限域能力不同，最终得到的超单体的活性以及应用均有所不同。根据图10中a-d，lsp
20
，lsp
50
，lsp
100
和lsp
3000
的sls图中的结果，结合rayleigh方程：计算可得新鲜制备的最小尺寸的lsp
20
，lsp
50
，lsp
100
和lsp
3000
的聚合度分别为40，400，4000和6000，其对应的sem图在图10e-h。在静置12h后lsp
20
，lsp
50
，lsp
100
和lsp
3000
对应的sem图显示在图10i-l中，其中，lsp
50
，lsp
100
和lsp
3000
的尺寸逐渐增大，而lsp
20
则不同，其尺寸远大于lsp
50
，这可能归因于20nm的ldh赋予其超单体最小的尺寸，导致其活性位点的增多，因此lsp的最终尺寸不仅决定于ldh赋予其的初始尺寸还取决于ldh赋予其的活性。图11中是lsp
20
，lsp
50
，lsp
100
和lsp
3000
在循环实验中的表现，sem图显示，lsp
20
的循环效果尤为突出，不仅保持了lsp的形貌，其尺寸依旧在增大。而其余的lsp虽然保持了lsp的形貌，但是尺寸有所减小，说明在诱导sg7的有序排列的同时，发生了解聚，从而释放更多的活性位点以维持活性。循环实验证明了ldh赋予lsp不同的活性。
[0045]
图12表明，超声10min，polymer-l
20
与polymer-d
20
同时形成；超声15min，polymer-l
50
与polymer-d
50
同时形成，但发光光谱略有差别；超声30min，polymer-l
100
形成，但polymer-d
20
在停止超声后20min形成；超声50min，polymer-l
3000
形成，polymer-d
1000
在停止超声后几天甚至一周形成。表明20nm的ldh赋予了超单体极高的活性，迅速地形成共组装体。因此，尺寸较大的100nm的ldh和3μm的ldh则因为尺寸较大，活性较低，可以较慢地呈现共组装产物的形成，可以有效识别不同的竞争性单元在组装动力学过程中产生强烈而不同的阻滞作用，即放大手性精氨酸的官能团在组装动力学中的不同的阻滞作用，实现手性有效识别，如图12c-d所示。该实验表明，可以根据实验需要调节ldh尺寸大小，从而得到不同活性的lsp。