生物小分子基超分子功能材料的设计与构建

作     者：曹帅 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：乔玉卿;关凤禹

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：生物小分子 超分子作用 水凝胶 生物分子玻璃 

摘      要：基于生物小分子的超分子组装体对生物体结构的稳定与功能发挥具有至关重要的作用。受生物体内超分子自组装结构的启发,通过对简单生物小分子间超分子相互作用的调控,来实现新型超分子功能材料的合理设计与开发已成为一种行之有效的策略。本文选择生物小分子寡肽以及氨基酸为模型,探究了金属离子对生小物分子基超分子材料的调控作用,进而构筑了基于生物小分子的新型超分子玻璃,解决了当前玻璃材料污染环境、生物相容性差的难题。本文主要包括以下内容:将棕榈酰三肽-5(Pal-KVK)溶于盐酸中,使其通过超分子自组装形成水凝胶。利用紫外-可见光光谱和红外光谱等手段研究了水凝胶对过渡金属离子和稀土离子的吸附作用。数据表明,Pal-KVK水凝胶能够有效吸附金属离子,对Co、Cu、Pr、Sm、Er的吸附容量分别为284.51 mg/g、183.73 mg/g、438.16 mg/g、665.34 mg/g、501.09 mg/g。SEM数据显示Pal-KVK水凝胶在吸附金属离子后发生了较大的结构转变。以上结果说明金属离子可以在生物小分子基超分子功能材料结构中产生较强的相互作用从而调控其结构。基于金属离子对生物小分子基超分子功能材料的调控作用,本文进一步以甲醇作溶剂,将结构更为简单的生物小分子N-芴甲氧羰基-L-亮氨酸(Fmoc-Leu-OH)与过渡金属离子Co、Cu、Zn的硫酸盐混合后共溶,挥发溶剂,然后将产物熔融淬火制备成一种氨基酸基玻璃态超分子功能材料。通过对产物进行荧光光谱和纳米压痕分析等表征,发现3种引入金属离子的样品具有特殊的荧光性质,且杨氏模量分别高达5.8 Gpa、5.3 Gpa、4.7 Gpa,维氏硬度分别高达0.38 Gpa、0.31 Gpa、0.29 GPa,均高于有机玻璃。以上工作基于生物小分子间超分子相互作用的有效调控,设计和构建了生物小分子基超分子功能材料。更为重要的是金属离子的引入,实现了生物相容性好、力学强度高的生物分子玻璃的可控构筑。生物分子的超分子作用可以很容易地适应各种功能模块的集成,为功能材料的设计和构建提供了新的思路。