环糊精多轮烷结构在材料领域的应用

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环糊精与嵌段共聚物(特别是与可降解的嵌段共聚物)形成包结物的报道较少。由于环糊精具有嵌段识别作用，它可穿在嵌段共聚物的特定嵌段上，并影响未被包结的嵌段的形态，进而影响材料的降解性和渗透性等行为和特征。这类包结物是潜在智能生物材料。

1998年，Tooru等44制备了可生物降解的多聚轮烷，这种轮烷的客体大分子两端含有可酶解的多肽，环糊精通过与环氧丙烷反应进行修饰，并研究了其在番木瓜酶( papain)作用下的体外降解的情况。2000年，他们制备了以寡肽Tyr-Gly-G1y封端的多聚轮烷，对其在氨基酸酶M作用下的体外降解情况进行了研究。由于氨基酸酶( amino peptidases )位于体内中枢神经等特定部位来控制肤的活动，因此这种含有多肤的多聚轮烷作为药物载体具有很大的应用潜力。最近，他们制备了用羰乙酯修饰环糊精的多聚轮烷(Carboxy ethyl ester- polyrotaxanes)，研究了其对钙的结合力及对胰岛素的抑制情况，他们发现，随着链上修饰环糊精的数目增多，对钙的结合能力增强，对胰岛素的抑制能力增加。

Li Jun45首次报道了环糊精和聚乙二醇和丙二醇的无规共聚物（PEO-PPO）形成的多聚准轮烷[23]，他们发现，尽管有较大的丙二醇(PPO)单元无规地分布在聚合物骨架上，但该无规共聚物仍然能够穿过α-CD较小的空腔以较高的产率形成包结物。这纠正了人们当时普遍持有的传统观点，即α-环糊精的空腔太小，不能穿过丙二醇单元。后来，他们制备了聚丙-醇-聚乙二醇-聚丙二醇三嵌段共聚物(PPO-PEO-PPO)和α-环糊精形成的包结物，α-CD可以滑过具有较大侧基的PPO链段，选择中间的PEO链段形成包结物，具有较大侧基的PPO链段不被包结从而形成非晶相。制备的多聚准轮烷在大量水中慢慢溶解，这说明形成多聚准轮烷的过程是可逆的。

另外，他们还制备了聚乙二醇-聚3-羟基丁酸的两亲三嵌段共聚物(PEO-PHB-PEO)与α-CD形成的包结物46。经研究发现α-CD倾向于包结两侧的PEO嵌段，而中间的PHB嵌段只是部分被CD包结。众所周知，聚3-羟基丁酸具有良好的生物相容性和生物降解性，通过形成包结物对其进行改性，可以进一步开发其智能生物材料方面的应用潜力。

Nobuhiko Yui等47研究了环糊精与血小板活性物质形成的轮烷的生物降解性，研究结果表明，在水解酶的作用下，环糊精多轮烷迅速水解，由此引发血小板抗凝血酶的变化，对Ca2+的含量也产生了影响。

环糊精多轮烷在酶的作用下解离的过程大致如下图（图3.5）所示：

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图3.5 环糊精多轮烷的生物降解过程

3.7 生物相容性与生物组织工程材料的应用

近年来，人们对多聚(准)轮烷作为生物医用材料的研究愈来愈感兴趣，尤其注重对含有超分子结构水凝胶的研究，以便制备出生物相容性良好的医用材料，更好地应用于组织工程和药物控释等方面48。

Won等49用可水解的聚轮烷交联聚乙二醇制备了可用于骨组织工程的水凝胶支架。制备的水凝胶有相互连接的微孔结构，孔的大小依赖于溶液浇注粒子浸出法中致孔剂的大小。把软骨细胞种在支架上后，细胞增殖很快，软骨细胞在孔内可很好地粘附和铺展，说明这种水凝胶是软骨组织工程的理想材料支架材料。

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Junji Watanabe等用α-CDs和PEG包结形成的多聚准轮烷作为PEG水凝胶的多官能团交联剂，观察了成纤细胞在制备的水凝胶(记作E/RX)上的粘附和分化，并和成纤细胞在CDs作交联剂时形成的PEG水凝胶(记作E/CD)的粘附和分化现象进行了对照。他们发现，成纤细胞在E/RX水凝胶上的粘附数量与接触角和相关长度成比例，在E/RX水凝胶上粘附的细胞的数量多于E/CD水凝胶上的细胞数量。E/RX上粘附的细胞的数量和水凝胶表面的疏水性和本体的多相性有关，而在E/CD上粘附的细胞的数量和水凝胶表面的疏水性和本体的多相性无关。粘附的细胞的数量与多聚轮烷的含量有关。可见，在多聚轮烷交联的PEG水凝胶上培养细胞是重建受损组织的一种好的方法。

3.8 固定于表面的轮烷

要制造真正的分子器件，最终应该将轮烷有序的固定在表面上。此时，轮烷

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应该表现出一定的平行或串联相关性，并可在纳米范围内操控。固定于金属表面的以CD主体的（类）轮烷也已有报道51，如金电极上的单分子层52，就是在类轮烷一端接上含S的基团，利用Au-S键将类轮烷固定在金电极上，形成单分子层。D.Fitzmaurice等人53则将轮烷组装在TiO2纳米粒子上。

3.9 分子项链、聚轮烷与瓜环

CD的内腔是疏水的，很适合与长烷基链或芳香链包结，有利于形成（类）聚轮烷与分子项链等大结构超分子。基于CD的（类）聚轮烷已有大量的文献报道[10,46,51,52]，合成以CD为主体的聚轮烷时，一般先合成类聚轮烷，再接上末端的塞子，而类聚轮烷的合成又有两种方法54：

(1)CD包结直链或侧链聚合物，这是一种简便有效的方法，大量的聚合物已商品化生产，只要CD 与长链聚合物尺寸匹配，一般均可形成（类）聚轮烷；

(2) 由CD（类）轮烷单元以共价键或配位键（/金属离子）连接聚合，由于包结常在亲水条件下进行而共价聚合常为惰性疏水条件，此法限制性较大，文献报道较少。

若环糊精多轮烷的重复单元数不断增大，则能形成关环的分子项链，开环的一维或多维超分子实体；若选用含复键或芳环的重复单元数，则有可能形成以瓜环为绝缘层的分子导线等。

具有疏水性空腔和含极性羰基氧的两端口成为系列瓜环的共同特征，而不同大小空腔和端口的系列瓜环具有突出的分子识别功能，这促使各国学者积极进行基于此特性的各种性质研究和应用性探索55-58。最近的研究表明，瓜环与金刚烷胺、金刚烷羧酸、六次甲基四胺等笼状化合物能自组装包结，形成稳定的主客体配合物59；而瓜环与分子截面积较大的啉啡罗啉及其衍生物也有很强的相互作用60

。瓜环内腔是疏水性的，当其与有机胺相互作用时能以笼体效应将有机分子疏水部分“吞噬”于“腹腔”，而端口所具有的众多偶极羰基氧原子却能与氨基的阳离子相互作用以加强笼体作用，故瓜环通常能与有机胺(盐)相互作用形成稳定的主客体包结配合物。杨守林等考察了七、八元瓜环与各种客体相互作用的情况，了解瓜环与客体相互作用的条件、作用模式以及反应机理，探讨这些主客体包结物的结构特征，包结比及包结常数等物理化学性质，为瓜环在超分子自组装实体、分子识别、捕集与缓释等方面的应用提供有用的信息。

4 总结与展望

环糊精作为主体分子有自身的优势：CD 容易进行大规模制备且纯度较高；易溶于水，也可溶于某些有机溶剂，而包结物一般易形成沉淀，便于制备、分离包结物；CD 的毒性低生物相容性好；更重要的是，CD的功能化修饰已有很多合成方法，使得人们可以根据设计的超分子体系的特点来修饰CD，以实现其自组装过程。因此环糊精多轮烷的研究热潮不减，并向许多领域内渗透。

综上所述，过去人们制备了许多种类的多聚(准)轮烷，并已开始尝试将其用作智能生物材料。从已有的研究可以看出，经过环糊精修饰有助于提高材料的生物相容性，有利于细胞的粘附分化。而且，多聚(准)轮烷用作药物控释载体亦有一定的优势。对于今后的研究，一方面应进一步拓宽该类材料的应用领域，开发其在如下方面的应用：蛋白、多肽等药物的控释载体及基因治疗、细胞包埋的载

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体组织工程支架材料；化学传感器；诊断试剂；功能分离膜等23。另一方面，应重点确定多聚(准)轮烷结构与材料性能的关系，以合成出结构可控、性能可调的智能生物材料。

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