1. 磁性高分子复合微球的结构设计及制备研究

磁性纳米粒子在核磁共振成像、磁热疗、磁靶向输送、磁分离等生物医学领域中有着广泛而实际的应用需求。由于特殊的使用要求,尤其是在生物医学方面,无论是体内还是体外使用,都要对其表面性质、结构、尺寸大小、磁性特点、功能化等进行设计调控。此外,探索一些新途径来精确调控多功能复合材料的组成和微观结构,从而实现各种性能的整合和协同作用,也一直是功能高分子材料学科发展需解决的关键科学问题。

目前,对于磁性纳米材料的修饰及功能化主要通过复合有机或无机材料来实现,而可控精确的构筑微观复合结构一直是该类材料发展中的难题。经过长期的探索研究,课题组在这一领域逐步建立了一套成熟的模板诱导合成及结构组成可调控的技术方法,并且围绕Fe3O4磁性纳米粒子,在微观尺度上实现了功能模块的组装集成,从而开发了一类具有良好生物相容性的、环境敏感的多功能聚合物磁性复合微球。相关研究获得了国家自然科学基金委杰出青年基金等项目的资助(基金号:50525310)。

2. 可生物降解磁性高分子复合微球的在疾病诊治一体化及蛋白检测中的基础研究

通过结构设计及表面修饰,磁性复合微球可用于磁靶向药物输送、磁热疗和磁共振成像、蛋白质多肽的磁分离纯化等,为生物医学研究的快速发展提供了新手段和新技术。课题组在生物医用强劲需求的牵引下,深入研究了磁性纳米材料和环境响应性高分子复合微球的合成方法、结构调控、功能整合和应用探索。基于功能模块组装的思路,建立了灵活、普适的模块化方法,将温敏、pH敏感、多孔性、荧光等功能与磁性材料整合,开发了核壳、响铃、空心等形态的复合微球,研究了组成功能模块间的协同作用,进而展示了其在靶向药物输送、蛋白多肽的分离纯化等方面的优异性能。

构筑智能磁性复合微球药物载体: 基于功能模块组装的思路,分别以硅基硬模板、胶束软模板和蒸馏沉淀聚合等方法,将不同性质的环境响应高分子水凝胶、功能纳米材料、多孔材料与磁性纳米粒子复合,体现了多功能间协同作用的效果,特别是在药物的负载以及控释方面,我们逐步深入的研究了提高药物负载能力以及多种环境响应条件下的药物控释行为。例如通过聚谷氨酸诱导合成的多孔Fe3O4簇状粒子,其多孔结构可以大大提高药物的负载量,对于疏水药物紫杉醇,其载药率达到35%,在pH=7.4时的药物累积释放量为17.1%,而在pH=5.0时,由于磁簇被酸刻蚀而缓慢降解,导致药物的累积释放明显增加,48小时后释放量接近100%,展示了pH响应的释放行为以及载体的可降解性,为其生物医用奠定了良好的基础。相关研究获得了国家重点研发项目的资助(基金号:21474017; 2016YFC1100300)。

磁性复合微球在蛋白多肽的选择性富集的应用: 蛋白的磷酸化及糖基化等是蛋白的重要翻译后修饰过程,在许多复杂的生物过程如细胞的生长、分裂和信号传递中都起到重要的作用。质谱是分析相关翻译后修饰过程的重要和有效工具,前提是能够在复杂体系中选择性富集出翻译后修饰蛋白,才能保证质谱分析的可靠性。相比于传统的固定金属亲和色谱法,磁分离技术更加简单、高效,而且富集纯度、特异性更好。例如,我们将Fe3O4超级磁性纳米粒子为核、结晶的多孔二氧化钛为壳层的磁性复合微球用于磷酸化蛋白的选择性富集和分离,该类磁性介孔二氧化钛复合微球在富集磷酸肽中显示了极高的选择性(1:1000)和灵敏度(fmol/μL)、优异的富集容量(225 mg/g)和富集回收率(93%),展现了在蛋白质组学分析中极其重要的应用前景。该方面的技术在标志物检测方面也具有极好的应用前景。相关研究获得了国家863项目的资助(基金号:2012AA020204)。

3. 多孔有机高分子复合微球的制备及在光能转化方面的应用基础研究

多孔有机高分子(特别是共价有机骨架和二维高分子)是高分子学科发展的新热点,不仅丰富和拓展了高分子材料在多维尺度上的拓扑结构,而且也为高分子合成、分析表征和应用提出了新的挑战。本课题组专注于多孔有机高分子的功能开发和基础应用研究,从构效关系的基本问题出发,不仅在方法上提出了可控合成多尺度的多孔有机高分子的新思路,而且基于不同多孔有机高分子拓扑结构的特点,引入功能性分子来开发并提升此类材料的性能和应用潜力。重点围绕二维层叠层结构的共价有机骨架(COF)和三维网状结构的共轭微孔聚合物(CMP)展开,探索了在特定的拓扑结构中,聚合物的光捕获、光吸收、荧光发射、光能转换、光催化等光功能相关的性质,同时结合此类材料具有的高比表面积和多孔性特点,深入研究了在催化、传感、生物医用等一系列关键领域的应用潜力。相关成果已经发表在国际化学材料领域的重要期刊上,如:Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Mater.、Chem. Commun.等。相关研究获得了国家863项目的资助(基金号:21474015)。

4. 基于单分散聚合物微球的光子晶体(结构颜色)薄膜材料的制备及产业化应用

课题组长期从事乳液聚合基础和应用技术研究,精确控制胶体聚合物粒子大小、形态、稳定性以及表面性质一直是我们追求的目标之一。经过多年的不断探索,现已发展出了常规乳液聚合,分散聚合,沉淀聚合,细乳液聚合,无皂乳液聚合及微乳液聚合等制备各种聚合物粒子的方法; 同时,通过特殊结构高分子材料的自组装,也可以制备各种尺寸的聚合物粒子。目前,通过各种制备方法,可以简单、方便地制备50nm5m尺寸的聚合物粒子,并且可以控制其粒子大小和结构形态。近期,我们在制备具有核壳结构的单分散聚合物粒子的基础上,通过传统加工技术,获得了批量大规模制备光子晶体薄膜的技术,通过粒子尺寸的调整,可以获得各种颜色的光子晶体薄膜,相关技术也在产业化过程中。

5. 具有“热缩冷胀”特性的聚合物材料及其相关的功能材料和器件研发

具有热缩冷胀(负热膨胀系数)特性的材料在自然界中是非常罕见的,尤其是具有负的热膨胀系数的聚合物。2013年我们课题组与加利福尼亚大学Merced分校的Jennifer Lu教授合作,首次发现了一类具有负的热膨胀系数的聚芳基酰胺材料,由该聚合物制备的薄膜具有快速的热和光响应性能,而且性能优异,相关文章发表在2013年的Nat. Chem. (2013, 5, 1035-1041), 2014年的Adv. Funct. Mater. (2014, 24, 77-84)和2016年Macromol. Rapid Commun. (2016, 37, 1904-1911)上,相关研究目前也在快速推进中。该研究2016年获得了国家自然科学基金委重点项目的资助(基金号:51633001)。