超分子化学,即“超越分子概念的化学”,旨在研究分子或组装单元通过非共价相互作用而形成具有特定结构和独特功能的超分子聚集体。作为一门高度交叉的新兴学科,近年来超分子化学已经受到研究者的广泛关注,并逐渐在材料科学、纳米科学、信息科学以及生命科学等众多学科中展现出极其重要的理论意义和广阔的应用前景。迄今,超分子化学已经取得了突飞猛进的发展,但是已报道的绝大多数超分子体系主要局限于形貌的调控,而超分子体系的功能化以及结构与功能相互关系研究偏少,从而限制了超分子体系在各个领域中的应用。因此,如何利用非共价相互作用的可逆特性构建结构可控、功能可调的超分子体系以满足各个领域的使用需求,是当前超分子化学领域面临的前沿科学问题。本论文利用不同的非共价策略,成功制备了一系列具有不同结构和功能的超分子组装体系,不仅赋予了超分子体系独特的功能性,而且进一步实现了它们在基因转染、生物成像以及仿生模拟化学等领域中的应用。本论文共分为六个部分,具体研究内容和结论概括如下:1.两亲性卟啉分子的自组装及光学性能研究到目前为止,在卟啉化学领域绝大多数研究集中于结构规整的卟啉纳米材料的设计和构建,极少有研究致力于阐述卟啉材料的聚集结构与光学性能的相互关系。为了进一步推进卟啉化学的发展,有必要深入研究卟啉材料的聚集结构对光学性质的影响,建立结构与性能的确切关系。我们报道了一类具有独特化学结构的卟啉两性分子,在不同的溶剂中,能够组装形成具有不同形貌、不同光学性质的纳米结构。作为一种多价的客体分子,这类卟啉两性分子能够与α-环糊精发生络合并形成两亲性超分子内含复合物,在水相中可以自聚集形成具有优异光学性质及规整结构的球形纳米粒子。这类卟啉两性分子及组装体具有优异的光响应特性,在光照下其形貌和光学性能展现出了动态/可调的变化。我们进一步考察了卟啉两性分子的组装行为对光学性能的影响,阐明了组装结构与光学性能的相互关系。2.光可逆超分子超支化聚合物的构建与传统的共价聚合物相比,非共价相互作用的可逆性赋予了超分子聚合物独特的性能,尤其在受到外界刺激后超分子聚合物的结构和性能能够实现可逆调节,从而为智能超分子聚合材料提供了一个强大的设计平台。本章利用偶氮苯二聚体和β-环糊精三聚体之间的可逆主客相互作用,成功构建了一类新颖的A2-B3型光可逆超分子超支化聚合物。这类超分子超支化聚合物展现出高度支化的结构和优异的光学性能。在紫外光和可见光的交替照射下,超分子聚合物主链骨架中的非共价连接能够发生可逆的络合和解络合,导致聚合物发生可逆的聚合和解聚合,从而高效地实现超分子聚合物支化结构与光学性能的可逆调控。我们相信这类超分子聚合物有望成为一类具有广泛应用前景的荧光材料及自愈合材料。3.仿水母呼吸发光囊泡体系的构建在自然界中,许多细胞过程或生命体在膜变形的过程中往往都伴随着协同的功能表达。迄今为止,已报道的细胞模拟过程都仅仅局限于形貌变化,而在这个形变过程中却并未产生相应的功能变化。受到水母呼吸发光现象的启发,我们开发了一类智能的呼吸囊泡体系,在呼吸过程中伴随着可逆可调的荧光行为。这类仿生的囊泡体系是由含有大量二甲基氨基偶氮苯生色团的两亲性嵌段共聚物通过水相自组装而形成。这类囊泡展现出了p H诱导的“呼吸”行为,在呼吸过程中囊泡随即发生了溶胀和收缩。在酸性条件下,囊泡“吸入”,囊泡体积膨胀、囊泡壁变薄,同时伴随着荧光的淬灭;相反,在碱性条件下,囊泡“呼出”,囊泡体积收缩、囊泡壁变厚,同时伴随着绿色荧光的恢复。囊泡的这种膜变形和发光行为类似于水母的呼吸发光过程。此外,这类囊泡体系也呈现出了几个独特的性质,包括聚集诱导的发射行为(AIE)、可见光诱导的顺反异构化以及光致异构转变导致的可逆荧光减弱和恢复行为。这个工作将细胞模拟化学从仅有的形貌模拟扩展到形貌结合功能的模拟。4.超分子荧光纳米粒子的生物成像研究在水相媒介中,π共轭构建单元由于发生π-π堆积往往会形成无规的超分子聚集体或水不溶的沉淀物,这些无规超分子结构的形成通常导致共轭体系发生荧光淬灭。因此,利用非共价相互作用制备具有优异荧光性能的水溶性规整纳米结构是当前超分子领域面临的一大挑战。基于“砖块和水泥”的超分子策略,我们成功开发了一类基于钙黄绿素的超分子荧光纳米粒子,这类纳米粒子不仅具有优异的荧光性能,而且也展现出了智能的肿瘤细胞特异性识别能力,可以用于肿瘤组织的靶向成像。通过调节组分中金刚烷改性的钙黄绿素和β-环糊精接枝的支化聚乙烯亚胺的摩尔比例,可以实现超分子荧光纳米粒子尺寸的高效调控。值得注意的是,该体系中β-环糊精/金刚烷的主客相互作用极大减弱了钙黄绿素荧光生色团在水相中的π-π堆积作用,从而有效抑制了钙黄绿素的荧光淬灭效应,最终增强了超分子纳米粒子的荧光性能。此外,叶酸受体的引入也显著改善了荧光纳米粒子在肿瘤细胞中的成像效果。我们相信这类荧光纳米粒子能够进一步用于体内成像研究。5.氧化还原响应超分子线性阳离子基因载体的构建当前,几乎所有的超分子基因载体都是由高分子量的聚合物和低分子量的阳离子小分子通过主客相互作用构建而成。换言之,高分子量的聚合物是这些超分子基因载体不可或缺的构建单元。基于小分子的超分子聚合物在溶液中易于受到外界环境的刺激而发生降解,迄今为止,仍然没有实现这类超分子聚合物在生物医药领域中的应用。因此,利用小分子设计和开发超分子基因载体是当前超分子化学领域的一个最重要挑战。本章开发了一类基于小分子的具有氧化还原响应性的阳离子超分子聚合物,这类超分子聚合物是由二茂铁二聚体和β-环糊精二聚体通过主客识别构建而成,当交替加入过氧化氢和谷胱甘肽时,这类超分子聚合物发生了氧化还原诱导的可逆聚合和解聚合行为。这类基于小分子的超分子聚合物不仅具有高效的DNA压缩能力,而且也展现出了过氧化氢诱导的DNA释放行为,因此可以作为一种有前景的非病毒基因载体应用于基因治疗。我们相信这个工作能够进一步拓宽基于小分子的超分子聚合物的应用范围。6.电荷可调的超分子树形阳离子基因载体的构建众所周知,阳离子载体的基因转染效率与载体的结构及电荷性质密切相关,比如氨基种类、电荷密度和电荷分布等。一方面,基因载体结构参数的优化往往需要进行大量的化学合成和改性,从而极大增加了生产成本。另一方面,由于无法有效预测阳离子基因载体结构与性能的相互关系,因此研究者往往难以通过共价合成的方法获得最优的载体结构。为了解决这一科学问题,我们利用不同种类的阳离子环糊精衍生物和金刚烷修饰的超支化聚醚之间的主客相互作用,成功构建了一类电荷可调的超分子阳离子树形聚合物,这类聚合物不仅具有树形聚合物的多功能性,同时也具有超分子聚合物的动态可调特性。与传统的共价合成相比,这种非共价制备提供了一种简易可控的超分子策略,实现了对阳离子载体氨基种类、电荷密度、电荷分布以及分子功能性的高效调节。只需简单调节阳离子环糊精衍生物的比率,就可以得到一系列具有不同电荷结构(不同氨基种类、不同电荷密度)的基因载体,进而实现对载体转染性能的高效调节。因此,通过简单调节阳离子环糊精衍生物的摩尔比率,进一步优化了超分子阳离子载体的DNA压缩能力和质子缓冲能力,从而有效增强了超分子载体的基因转染效率。这个工作提供了一种利用非共价相互作用设计和开发高效非病毒基因载体的新策略。