基于（类）Bola型短肽纳米管的构筑及尺寸调控

作     者：张黎民 

作者单位：中国石油大学(华东) 

学位级别：硕士

导师姓名：赵玉荣

授予年度：2020年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 070303[理学-有机化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：多肽 Bola 自组装 纳米管 调控 

摘      要：多肽自组装是多肽分子在一系列非共价键力(氢键、疏水作用、静电作用、π-π堆积等)的协同作用下自发形成有序组装体的过程。在不同非共价键力的作用下,多肽可以组装成纳米纤维、胶束、囊泡和纳米管等组装体。由于多肽具有生物相容性好、免疫原性低、穿透性强、易于化学修饰、分子识别等诸多优点,这些组装体在抗菌抗肿瘤、组织工程、生物传感、生物矿化等方面展示出良好的应用前景。作为构成多肽分子的基本单元,氨基酸残基的性质对多肽分子的自组装行为有着显著的影响。研究中,人们通过改变多肽分子结构和外界条件可有效调控组装体的形貌和尺寸。然而,由于不同非共价键力的复杂性,如何控制多肽组装体的定向生长一直是该领域的难题。在众多组装体结构中,肽纳米管由于具有独特的性能备受关注,而影响其性能的主要因素包括尺寸(例如,内径、外径、长度)和管壁结构,因此如何通过分子结构和外界条件的改变调控纳米管的尺寸对实现其在不同领域的应用至关重要。基于此,本论文设计合成了系列(类)Bola型短肽,通过合理的分子设计和外界条件的改变实现了对肽纳米管尺寸的定向调控,并跟踪了肽纳米管形成的动态过程,阐明了尺寸不同的纳米管的形成机理。研究内容包括以下几个方面:(1)通过在Bola型两亲肽中引入了芳香族氨基酸F,Y,Dopa合成了多肽Ac-KIIIFK-NH(KIFK)、Ac-KIIIYK-NH(KIYK)和Ac-KIIIDopa K-NH(KIDopa K),详细考察了它们的自组装行为。发现这三种具有Bola型结构的含芳环多肽均可自组装成管状结构,但所形成管的管径相对较小。这主要是由于芳香环之间的位阻作用阻碍了sheet之间侧向堆积造成的。另外,由于Y和Dopa侧链上的羟基能够形成Polar-zipper结构,从而可以促进sheet的侧向堆积,且这种促进作用随羟基数目的增加而增强,所以上述三条多肽形成纳米管的管径大小依次为KIDopa KKIYKKIFK。由于KIDopa K的疏水性较低,导致其自组装能力较弱,形成纳米管的过程相对较慢,我们对其形成纳米管的过程进行了跟踪。通过小角度中子散射(SANS)、透射电子显微镜(TEM)以及原子力显微镜(AFM)对纳米管形成过程中的关键中间体进行了详细表征,并在此基础上阐明了纳米管的形成机理。上述研究工作的开展有助于我们认识羟基和苯环在组装体尺寸调控中的重要作用,为纳米管尺寸调控提供了思路。(2)通过在Bola型短肽Ac-KIIIVK-NH(KIVK)体系中加入酒石酸钠(STA),成功制备了双层纳米管。研究发现STA分子中的羟基和两端电离产生的负电荷是促进双分子层纳米管形成的重要因素。通过考察中间体结构,我们提出了双层纳米管形成的不同途径。上述研究工作的开展为我们构筑多层纳米管提供了新思路。(3)两亲性短肽Ac-IIIK-NH(IK)在水中可自组装成宽约15 nm的纳米纤维,我们通过改变肽链中氨基酸残基的排列次序设计合成了Ac-KIII-NH(KI),考察了氨基酸残基的排列次序对多肽自组装行为的影响。研究表明,交换端基后组装体的形貌和尺寸发生了显著变化,KI形成了直径150 nm左右的纳米管。AFM进一步表明该纳米管具有双层结构,这可能是由于KI在组装时首先通过C端保护基之间的氢键形成了二聚体,该二聚体具有类Bola结构,进一步组装形成了直径较大的纳米管。通过对纳米管形成过程中不同中间体的尺寸进行统计,我们发现KI纳米管的形成过程中螺旋带的螺距保持不变,而带的宽度逐渐增加并最终闭合逐渐形成了纳米管。上述研究工作为构建类Bola型多肽并在此基础上构筑双层超大纳米管提供了思路。