超分子水凝胶是由低分子量凝胶因子通过弱的非共价键相互作用(如氢键、π-π堆积、范德华力、静电作用等)在水相中自组装而成。由于它具有良好的生物相容性、环境响应灵敏以及较强的分子设计性等优点,在药物释放、组织工程以及生物传感等领域具有潜在的应用前景。近年来,荧光纳米纤维材料在细胞成像研究中的实际应用引起了研究者们的广泛关注,例如观察细胞与细胞外基质的相互作用。但目前报道的构建方法常常面临制备过程复杂、生物相容性差和荧光效率低等问题。另一方面,由于目前对凝胶因子的组装机理研究还不够深入,存在凝胶因子的发现具有一定偶然性等问题,因此通过单晶结构解析凝胶因子的自组装机理对后续的分子结构设计具有重要的指导意义。基于上述研究背景,我们首先设计并一步法合成了一类基于香豆素环6-位取代的非传统同分异构凝胶因子,它们不含酰胺键或者长碳链,分子结构中仅仅是吡啶的氮原子取代位置有所改变。通过单晶结构解析了同分异构凝胶因子的自组装机理及其构筑超分子组装体的性能差异。接着,为了构建制备简单、生物相容性好以及荧光效率高的纳米纤维材料,我们通过改变取代基位置和取代基类型,开发了一系列基于香豆素7-位取代的荧光水凝胶因子。通过二维和三维细胞培养,实现了该类荧光纳米纤维材料在紫外光以及近红外光激发下的细胞成像研究。此外,利用香豆素类衍生物的光响应特性,设计并合成了多功能的超分子凝胶因子前驱体,研究了该前驱体靶向进入肝癌细胞后,光触发细胞内超分子组装体的形成以及对癌细胞生长的抑制作用。论文主要包含以下四个部分:1.6-(吡啶甲酸酯基)香豆素类同分异构凝胶因子的自组装机理研究1)设计并一步法合成了一系列非传统的基于香豆素环6-位取代的同分异构凝胶因子,它们不含酰胺键或者长碳链,分子结构中仅仅是吡啶的氮原子取代位置有所改变。2)对同分异构凝胶因子的单晶结构进行了解析,结果表明,它们都是通过非常规C-H…O氢键和π-π堆积协同作用组装成三维晶体框架。但发现它们的晶体属于不同晶系或空间群,组装方式也完全不同。3)研究了同分异构凝胶因子形成的超分子水凝胶的流变学性能以及对细胞增殖的影响。实验结果表明同分异构水凝胶的弹性模量和粘性模量存在一定差异,并且影响了细胞在凝胶纤维膜上的增殖行为。2.7-(吡啶甲酸酯基)香豆素类凝胶因子应用于二维细胞成像1)改变取代基位置,设计并一步法合成了一系列非传统的7-位取代香豆素类凝胶因子。通过荧光显微镜(FM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等表征手段,发现三维凝胶网络是由纳米纤维结构缠绕而成,并且在紫外光激发下可以发射蓝色荧光。2)采用单晶X-射线衍射(SC-XRD)、粉末X-射线衍射(PXRD)、紫外吸收光谱(UV-Vis)、荧光发射光谱、变浓核磁等手段研究了凝胶因子的组装机理,它们主要是以非常规C-H…O氢键为驱动力自组装成三维网络结构。3)通过二维细胞培养,对细胞和纤维材料的荧光图像进行原位捕捉,获得了具有更好可视化的关于细胞与纤维材料之间相互作用的荧光图像,说明该类荧光纳米纤维在细胞成像领域有着较好的潜在应用。3.7-(苯甲酸酯基)香豆素类凝胶因子应用于三维细胞成像1)改变取代基类型,设计并一步法合成了一系列可用于细胞三维培养的香豆素-苯环类非传统凝胶因子。超分子水凝胶的纳米纤维结构可以被单光子或双光子激发而发射出蓝色荧光。2)通过单晶结构解析了凝胶因子在晶体中的组装机理,它是通过非常规C-H…O氢键和π-π堆积协同作用驱动而组装成三维框架结构。3)利用双光子荧光显微镜对三维细胞培养进行Z轴扫描,获得了单个细胞与周围纤维材料相互接触的荧光图像,说明该类荧光纳米纤维材料在三维原位观察细胞动态行为有着很好的潜在应用。4)设计并一步法合成了一系列基于香豆素与苯环或吡啶的复合物凝胶因子,构建了一个可用于二维或三维环境下观察细胞与细胞外基质相互作用的荧光凝胶因子平台。4.半乳糖修饰的光响应凝胶因子前躯体靶向抑制肝癌细胞1)通过多步反应合成了基于香豆素类的荧光凝胶因子4-羟甲基-7-苄氧基香豆素(BHMC)及其半乳糖修饰的前驱体(Gal-BHMC),所有产物的分子结构均通过了核磁氢谱、核磁碳谱、质谱等手段确认。通过SC-XRD以及PXRD探讨了凝胶因子BHMC的组装机理,它是通过分子间O-H…O氢键驱动而形成三维凝胶网络。2)利用高效液相色谱(HPLC)、UV-Vis等手段对凝胶因子前驱体Gal-BHMC的分子光降解进行了测试。利用SEM和TEM研究了光照前后前驱体Gal-BHMC水溶液的微观形貌变化,发现光照后可以形成纳米纤维结构。3)利用FM、TEM和酶标仪验证了前驱体Gal-BHMC通过给体-受体介导机制主动靶向进入肝癌细胞。在光辐射的条件下,Gal-BHMC发生分子光剪切,引起细胞内超分子组装体的形成,导致肝癌细胞凋亡。