賈 園，劉 茜，楊菊香，劉 振

(西安文理學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院 西安市食品安全檢測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065)

0 引 言

自2001年唐本忠院士報(bào)道了聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)現(xiàn)象以來(lái)[1-2]，AIE發(fā)光體作為一種新興的材料，在有機(jī)電致發(fā)光二極管、發(fā)光傳感器、生物醫(yī)學(xué)成像和光子器件等領(lǐng)域中得到了較為廣泛的應(yīng)用[3-4]。其中，AIE聚合物因其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和固有的性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注由于聚合方法、單體、聚合物組分等的不同[5]，AIE聚合物的結(jié)構(gòu)比小分子AIE染料復(fù)雜得多。此外，相對(duì)于小分子，聚合物具有許多突出的固有特性，如耐熱性、耐溶劑性、延展性、可塑性等[6-7]，因此，將AIE活性部分納入聚合物鏈中可進(jìn)一步拓展AIE型聚合物的應(yīng)用。超支化聚合物(HBP)是樹(shù)枝狀聚合物的一種特殊結(jié)構(gòu)，具有極高的支化度和末端活性官能團(tuán)，從而表現(xiàn)出良好的溶解性和高化學(xué)反應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)[8]。相較于普通的樹(shù)枝狀聚合物而言，HBP的合成過(guò)程更加簡(jiǎn)便易操作，不需要經(jīng)過(guò)多步反應(yīng)和純化[9]，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。目前已有研究顯示，將AIE熒光團(tuán)與HBP結(jié)合后會(huì)賦予其良好的AIE性能，當(dāng)HBP在聚集狀態(tài)時(shí)可有效促進(jìn)AIE熒光團(tuán)的發(fā)射，使HBP表現(xiàn)出明亮的發(fā)光性能和良好的量子產(chǎn)率[10]。目前已有大量的AIE型HBP被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并對(duì)其發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了較為深入的研究。

1 AIE型超支化聚合物的分類

HBP作為一類新興的功能高分子材料，由于具有黏度低、溶解度好、可溶性好等特點(diǎn)[11-12]，在涂料、膠粘劑、添加劑、藥物載體、生物材料、納米材料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[13]。與小分子量或低分子量AIE分子相比，AIE型HBP具有更為突出的優(yōu)勢(shì)，如：靈活的分子結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單的制備過(guò)程和易得的原料，可調(diào)控的發(fā)光強(qiáng)度和力學(xué)性能等[14-15]。在聚合物化學(xué)家的不懈努力下，各種聚合方法如開(kāi)環(huán)聚合、縮合聚合、加成聚合、自縮合乙烯基聚合、質(zhì)子轉(zhuǎn)移聚合等[16-17]得到了發(fā)展，并制備了多功能HBP。然而，大多數(shù)這些聚合必須在惡劣的條件下進(jìn)行，這使實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜化，并極大地限制了它們的應(yīng)用[18]。因此，在溫和條件下開(kāi)發(fā)更高效的聚合方法制備AIE型HBP具有重要的意義。常見(jiàn)的AIE型HBP的制備方法主要分為兩種，一種是在HBP的結(jié)構(gòu)中引入傳統(tǒng)的芳香環(huán)類共軛發(fā)色基團(tuán)，在調(diào)控HBP結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，防止π-π堆積所引起的聚集誘導(dǎo)猝滅(ACQ)現(xiàn)象[19]；另一種即在HBP合成過(guò)程中加入非常規(guī)的發(fā)色基團(tuán)，HBP特殊的結(jié)構(gòu)能夠使這些發(fā)色基團(tuán)形成良好的“分子簇”，從而使HBP表現(xiàn)出良好的AIE發(fā)光效應(yīng)[20]。隨著對(duì)AIE型聚合物的不斷深入研究，新型的AIE型HBP及其制備方法不斷被開(kāi)發(fā)和更新，為HBP的AIE性能優(yōu)化提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1.1 含芳香環(huán)的AIE超支化聚合物

與小分子相比，AIE型活性聚合物具有結(jié)構(gòu)多變、多功能化、高可加工性和器件制備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[21]。自2003年，第一個(gè)AIE型活性聚合物是被報(bào)道以來(lái)，對(duì)其制備方法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究就得到了快速地發(fā)展[22]。其中，HBP末端含有大量的活性官能團(tuán)，如果能夠通過(guò)化學(xué)合成活物理結(jié)合等策略將AIE共軛芳香基團(tuán)與聚合物材料相結(jié)合，所得到的AIE型HBP體系將繼承雙方的優(yōu)點(diǎn)，在各種高科技應(yīng)用中顯示出巨大的潛力[23]。此外，由于HBP具有低粘度、高流動(dòng)性、多官能團(tuán)、高支化度等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效抑制芳香環(huán)的分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)和分子內(nèi)振動(dòng)[24]。

1.1.1 含多苯環(huán)的AIE超支化聚合物

四苯乙烯(TPE)是一類以乙烯作為中心單元，通過(guò)單鍵將四個(gè)苯環(huán)鏈接在中心單元上的多苯環(huán)類化合物，是一種常見(jiàn)的AIE發(fā)光基元[25]。將TPE結(jié)構(gòu)引入到HBP中，能夠有效實(shí)現(xiàn)HBP良好的AIE發(fā)光性能。Chi等[26]以三苯基丙酸酯與二疊氮化物為原料，通過(guò)無(wú)金屬多環(huán)加成反應(yīng)制備出了四種高分子量、結(jié)構(gòu)良好的可溶超支化聚(苯三唑羧酸酯)(hb-PPTC，其結(jié)構(gòu)式如圖1所示)。這類hb-PPTC易溶于普通有機(jī)溶劑，具有良好的成膜性能和熱穩(wěn)定性。同時(shí)，由于hb-PPTC結(jié)構(gòu)中含有 TPE單元和靈活的烷基鏈，因此表現(xiàn)出良好的AIE特性，使其可用于高靈敏度的爆炸物檢測(cè)。此外，其薄膜可以用來(lái)制作在紫外線照射下的二維熒光圖案。

圖1 hb-PPTC的結(jié)構(gòu)式Fig.1 The chemical structure of hb-PPTC

He等[27]以酯化活化的三炔和二胺作為單體，通過(guò)自發(fā)的氨基炔鍵聚合法合成了一系列多功能超支化聚(β-氨基丙烯酸酯)(hb-PAAs，其制備過(guò)程如圖2所示)。在優(yōu)化的聚合條件下，獲得了高質(zhì)量平均分子量(Mw可達(dá)18290)、可溶且熱穩(wěn)定型良好的hb-PAAs，收率高達(dá)99%。此外，這種點(diǎn)擊聚合具有較高的區(qū)域和立體特異性，可以通過(guò)反馬氏加成的方式得到具有100% e -異構(gòu)體的HBP。而當(dāng)在hb-PAA主鏈中引入具有AIE活性的TPE基團(tuán)可以使其呈現(xiàn)出典型的AIE特征，所得的納米聚集體具有低LOD和超擴(kuò)增猝滅效果，能夠用于爆炸物的靈敏檢測(cè)。這項(xiàng)工作不僅豐富了超支化聚合物的種類，而且進(jìn)一步提高了自發(fā)氨基炔鍵聚合在HBP制備中的通用性。

Lian等[28]首先以兩步反應(yīng)合成了含有四脲嘧啶的四苯乙烯(TPE)衍生物(TPE- tetraUpy)。該TPE- tetraUpy在CHCl3/己烷混合溶劑或微乳液態(tài)下，能夠通過(guò)四氫鍵的相互作用形成超分子HBP納米顆粒，并表現(xiàn)出典型的AIE效應(yīng)。以該TPE-tetraUPy納米粒子作為能量供體，以SR101作為能量受體的水分散體之間能夠產(chǎn)生靜電吸引，從而構(gòu)建出了人工光收集系統(tǒng)。此系統(tǒng)分別表現(xiàn)出高效的能量轉(zhuǎn)移和天線效應(yīng)，為基于四氫鍵超分子聚合物的人工捕光技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。

圖2 hb-PAAs的合成路線Fig.2 The synthesis route of hb-PAAs

將TPE與其他功能性官能團(tuán)一同引入到HBP結(jié)構(gòu)中，能夠?qū)崿F(xiàn)這類HBP材料的雙響應(yīng)性。Qiao等[29]將香豆素修飾的四苯乙烯衍生物(TPEC)和γ-環(huán)糊精(γ-CD)混合在水溶液中，基于TPEC和γ-CD之間的主客體相互作用構(gòu)建雙通道的HBP。γ-CD與TPEC之間的主-客體相互作用可有效限制分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)和非輻射松弛通道，使能量損失最小化，從而導(dǎo)致TPEC在稀溶液中發(fā)射出良好的發(fā)光性能。該方法具有操作簡(jiǎn)單和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)可調(diào)控的特點(diǎn)，所得HBP在新型光開(kāi)關(guān)領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力，為先進(jìn)超分子非共價(jià)/共價(jià)聚合物功能材料的之類提供了新的思路。該課題組還利用CB與萘取代四苯基乙烯衍生物之間的宿主增強(qiáng)π-π相互作用構(gòu)建了超分子HBP[30]，CB的加入使得TPE之間的主客體相互作用能夠有效地限制了分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)和非輻射弛馳通道，從而導(dǎo)致了TPE在稀溶液中的強(qiáng)發(fā)射。此外，該超分子HBP可組裝形成直徑約為60 nm的球形聚集體。以所形成的球形聚集體為能量供體，以伊紅Y二鈉鹽(EY)為能量受體，能夠構(gòu)建出高效的水溶液光收集系統(tǒng)，在水性捕光系統(tǒng)方面具有很大的潛力。這種高效的能量轉(zhuǎn)移和簡(jiǎn)單的制備方法使其HBP在光催化、發(fā)光器件和光學(xué)傳感器中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，為基于超分子聚合物的新型光收集系統(tǒng)的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。Zhang等[31]通過(guò)冠醚基的主客體相互作用和三吡啶基的金屬基相互作用為驅(qū)動(dòng)力制備出了含有芳香環(huán)的HBP。首先將二苯并-24-冠-8 (DB24C8)和三吡啶與烷基鏈連接得到單體1，以四對(duì)稱二芐基銨鹽(DBAS)修飾的四苯乙烯核(TPE)作為單體2。將單體1、單體2與Zn(OTf)2按4∶1∶2的摩爾比反應(yīng)得到超支化熒光超分子聚合物3(其制備過(guò)程如圖3所示)。由于該聚合物的超支化結(jié)構(gòu)中官能團(tuán)密度較大，系統(tǒng)的發(fā)射會(huì)因TPE的AIE效應(yīng)而增強(qiáng)。此外，由于DB24C8/DBAS和三吡啶/Zn識(shí)別基元具有較為良好的刺激響應(yīng)性，因此可以通過(guò)添加和去除鉀離子、氯離子、1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷配體以及溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)聚合物與單體之間不同熒光性能的轉(zhuǎn)化。

圖3 超支化熒光超分子聚合物3的合成路線Fig.3 The synthesis route of hyperbranched fluorescent supramolecular polymers 3

此外，制備出含有AIE發(fā)色基團(tuán)的兩親性HBP，并使其通過(guò)自組裝形成核殼結(jié)構(gòu)的膠束，能夠得到具有AIE性能的超支化熒光有機(jī)納米粒子。Kalva等[32]以含有羥基的TPE(TPE-OH)、異佛爾酮二異氰酸酯和超支化聚甘油(HPG)為原料，采用簡(jiǎn)便的一鍋法通過(guò)加成反應(yīng)制備出兩親性TPE-HPG聚合物。由于這類兩親性的TPE-HPG聚合物在水溶液中能夠通過(guò)自組裝形成具有TPE核和HPG殼的核殼型膠束，因此能夠得到一種具有AIE活性的超支化熒光納米粒子，并采用耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了TPE-HPG聚合物在水和乙醚中的聚集行為。由于TPE的AIE特征聚集，這些TPE-HPG納米顆粒在水溶液中表現(xiàn)出強(qiáng)烈的藍(lán)色發(fā)光，且顯示出高水溶性、良好的光穩(wěn)定性和生物成像性能。細(xì)胞活力測(cè)定和熒光顯微鏡成像結(jié)果表明，TPE-HPG熒光高分子有機(jī)納米顆粒具有較低的細(xì)胞毒性和良好的生物相容性，是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中良好的備選材料。

Lv等[33]以將含有TPE的羥基與丙烯酰氯反應(yīng)生成四苯基丙烯酸乙烯(TPE-O-E)，之后使其和超支化多氨基化合物聚乙烯亞胺(PEI)通過(guò)邁克爾加成反應(yīng)制備出兩親性超支化嵌段共聚物PEI-TPE-O-E(其制備過(guò)程如圖4所示)。該前段共聚物能夠形成具有TPE核和PEI殼的核殼結(jié)構(gòu)大分子膠束，并表現(xiàn)出良好的水分散性、低細(xì)胞毒性和高細(xì)胞吸收。該大分子膠束直徑在200 ～ 400 nm范圍內(nèi)，尺寸均勻，可以通過(guò)改變PEI的比例來(lái)調(diào)節(jié)其尺寸。更重要的是，具有大量官能團(tuán)的PEI-TPE-O-E易與其他大分子發(fā)生反應(yīng)或經(jīng)過(guò)修飾提供組織和細(xì)胞特異性傳遞。這種易制備的AIE活性HBP納米探針在納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖4 AIE活性HBP納米探針的合成路線Fig.4 The synthesis route of AIE active HBP nanoprobe

除了含有TPE類的兩親性HBP能夠通過(guò)自組裝形成超支化的熒光有機(jī)納米粒子，其他多苯環(huán)類的兩親性HBP也逐漸被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并表現(xiàn)出較高的AIE發(fā)光強(qiáng)度。Long等[34]通過(guò)苯硼酸和H40二醇基團(tuán)之間的一鍋反應(yīng)，將疏水、超支化和可降解的Boltorn H40 (H40)與端基苯硼酸(PhB(OH)2)和硼酸端甲氧基聚乙二醇(mPEG- B (OH)2)鏈接起來(lái)，制備出了支鏈AIE活性有機(jī)熒光納米顆粒(H40-star-mPEG-PhB(OH)2FNPs)。由于H40是一種具有大量末端功能羥基的樹(shù)枝狀脂肪族聚酯，具有良好的生物降解性、生物相容性、球形架構(gòu)和鏈?zhǔn)焦δ?，且具有?yōu)異的疏水性，因此所制備的H40-star-mPEG-PhB(OH)2不但具有高度的支鏈結(jié)構(gòu)和兩親性，而且可以通過(guò)自組裝形成膠束，并發(fā)出強(qiáng)烈的橘紅色熒光。更重要的是，細(xì)胞活力結(jié)果表明，該H40-star-mPEG-PhB(OH)2FNPs表現(xiàn)出了良好的生物相容性，有望用于生物成像。該研究開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)形成動(dòng)態(tài)硼酸苯酯來(lái)制備支化結(jié)構(gòu)AIE活性FNPs的一鍋法，并在H40的生物降解性和硼酸苯酯響應(yīng)性方面的應(yīng)用具有廣闊的應(yīng)用前景。Huang等[35]首次以動(dòng)態(tài)硼酸苯酯為基礎(chǔ)，將AIE活性化合物An-B(OH)2與超支化聚甘油功能化β環(huán)糊精(HPG-β-CD)結(jié)合，即在含超支化聚甘油的β環(huán)糊精和含AIE的苯硼酸鹽染料之間形成動(dòng)態(tài)苯硼酸鹽，成功制備出了AIE活性復(fù)合材料(An-HPG-β-CD)，并進(jìn)一步探討了這類AIE活性復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)成像和藥物傳遞方面的潛在應(yīng)用。An-HPG-β-CD復(fù)合材料具有良好的水分散性、低的細(xì)胞毒性、優(yōu)異的熒光性能和均勻的尺寸和形貌，使其具有良好的細(xì)胞成像前景，且其多空腔可用來(lái)裝載阿霉素用于給藥應(yīng)用。

圖5 HPG-β-CD的合成路線Fig.5 The synthesis route of HPG-β-CD

1.1.2 含芳雜環(huán)的AIE超支化聚合物

芳雜環(huán)指的是含有雜原子的芳環(huán)類化合物，雜原子的引入能夠有效增大環(huán)上的電子云密度并使芳環(huán)活化，從而賦予HBP優(yōu)異的AIE發(fā)光性能[36]。具有高度支化三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、大量端基和多方面功能的HBP受到了廣泛關(guān)注，而具有AIE性能的聚合物成為近年來(lái)熱門(mén)的一類發(fā)光材料。AIE活性超支化聚合物的設(shè)計(jì)和合成，結(jié)合了這兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)有吸引力但具有挑戰(zhàn)性的工作。Huang等[37]在乙酸的催化作用下，以雙酯基團(tuán)活化的內(nèi)炔、多官能團(tuán)芳香胺和甲醛為原料，在甲醇中進(jìn)行無(wú)金屬室溫多組分串聯(lián)聚合，合成了4種超支化聚(四氫嘧啶)(其制備過(guò)程如圖6所示)。在反應(yīng)過(guò)程中通過(guò)選擇不同的單體組合和調(diào)整單體負(fù)載的順序，得到了具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同主鏈官能團(tuán)序列的HBP(最高分子質(zhì)量可達(dá)3.0104 g/mol)。這類超支化聚(四氫嘧啶)在溶液中發(fā)光微弱，而在聚集態(tài)時(shí)發(fā)光明顯增強(qiáng)，表明其典型的聚集誘導(dǎo)發(fā)光特性。該研究中所選擇的多組分聚合為構(gòu)建具有不同功能結(jié)構(gòu)的多雜環(huán)HBP提供了新的路徑。

圖6 HPG-β-CD的制備過(guò)程Fig.6 The preparation process of HPG-β-CD

1.2 含非典型發(fā)色基團(tuán)的AIE超支化聚合物

含有非常規(guī)發(fā)色基團(tuán)的AIE型HBP由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用前景，引起了學(xué)者們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注[38]。這些AIE型HBP結(jié)構(gòu)中一般含有叔胺、CN、OH、醚和亞胺基團(tuán)等，但其發(fā)光機(jī)制仍存在一些爭(zhēng)論。與在傳統(tǒng)熒光發(fā)光體中觀察到的濃度猝滅和ACQ現(xiàn)象不同，無(wú)論具有何種分子結(jié)構(gòu)，大部分含有非典型發(fā)色基團(tuán)的AIE型HBP都表現(xiàn)出獨(dú)特的AIE特征[39]。從已有的研究結(jié)果來(lái)看，已深入討論的聚簇觸發(fā)發(fā)射機(jī)制，即不同亞群的聚簇和隨后的電子云重疊和構(gòu)象硬化，能夠較好地解釋大多數(shù)這類系統(tǒng)的AIE行為。

圖7 H-PAMAM核HBP的制備過(guò)程Fig.7 The preparation process of HBP with H-PAMAM nuclear

Dong等[40]以具有AIE效應(yīng)的超支化聚酰胺胺(H-PAMAM)為核心，并通過(guò)二硫代二丙酸將聚乙二醇(PEG)用在其周?chē)M(jìn)行連接。之后，通過(guò)PEG和α-環(huán)糊精的主客體相互作用，構(gòu)建出了具有AIE效應(yīng)的超分子納米粒子(其制備過(guò)程如圖7所示)，用以負(fù)載抗癌藥物阿霉素(DOX)。由于超支化結(jié)構(gòu)形成了豐富的空洞，超分子組裝能夠負(fù)載足夠大的DOX。超支化核H-PAMAM具有很強(qiáng)的熒光，通過(guò)與DOX之間的AIE和FRET效應(yīng)可以監(jiān)測(cè)藥物載體的動(dòng)態(tài)軌跡和藥物的動(dòng)態(tài)釋放過(guò)程。此外，二硫鍵的引入和H-PAMAM的pH敏感性使負(fù)載的DOX在腫瘤上實(shí)現(xiàn)快速選擇性釋放，同時(shí)在正常生理?xiàng)l件下保持穩(wěn)定。體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)表明，載藥超分子組裝對(duì)腫瘤有良好的治療作用。由于H-PAMAM核心不同于傳統(tǒng)AIE官能團(tuán)，沒(méi)有苯環(huán)等共軛結(jié)構(gòu)，因此具有更好的生物相容性。綜上所述，該超支化聚合物納米粒子能夠作為一種新型的給藥系統(tǒng)，并具有廣闊的應(yīng)用前景。

Niu等[41]采用三乙氧基乙烯基硅烷(A-151)與過(guò)量新戊二醇(NPG)的一鍋縮聚反應(yīng)，合成了具有大量未共軛碳碳雙鍵和羥基的新型超支化聚硅氧烷(HPUHs)。HPUHs在不經(jīng)過(guò)任何處理的條件下即可表現(xiàn)出明亮的藍(lán)色光致發(fā)光和激發(fā)依賴的熒光行為，且其熒光強(qiáng)度隨著分子量和濃度的增加而顯著增強(qiáng)。研究表明，碳碳雙鍵和羥基在發(fā)光中心的構(gòu)成中都起著至關(guān)重要的作用，其緊密聚集是發(fā)光的原因。該研究為制備含有非常規(guī)發(fā)色團(tuán)的HBP提供新的概念和路線。

Miao等[42]以1,4-丁二醇、1,1,1-三羥甲基丙烷三縮水甘油醚(TMPGE)為原料，以四丁基溴化銨(TBAB)為催化劑，通過(guò)質(zhì)子轉(zhuǎn)移聚合的簡(jiǎn)單一鍋方法制備出了可再生資源型的脂肪族超支化聚醚環(huán)氧(EHBPE)。這種無(wú)發(fā)色團(tuán)的超支化分子在分枝點(diǎn)不含N和P原子，但在溶液態(tài)和體態(tài)都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的熒光。計(jì)算機(jī)模擬表明，由于距離較短，醚和羥基之間可能存在相互作用，EHBPE的強(qiáng)熒光與AIE機(jī)制有關(guān)。此外，EHBPE的熒光表現(xiàn)出對(duì)Fe3+的高選擇性猝滅，EHBPE也可以作為一種很有前途的生物Fe3+探針。

Wan等[43]首先通過(guò)ROMBP法對(duì)β-環(huán)糊精(β-CD)進(jìn)行超支化羥基修飾，得到β-CD- HPG，之后對(duì)羥基進(jìn)行改性，形成端肼基的β-CD(β-CD-HPG-EBA-HH)。這些肼基能夠與抗腫瘤藥物表阿霉素(EPI)形成動(dòng)態(tài)腙鍵，從而得到具有良好水分散性的含藥聚合物納米粒，其載藥效率可達(dá)42.5%左右。同時(shí)，腙鍵的pH響應(yīng)性能夠使β-CD-HPG-EBA-HH在藥物釋放時(shí)表現(xiàn)出pH依賴性。細(xì)胞攝取和細(xì)胞活力結(jié)果表明，EPI負(fù)載的β-CD-HPG-EBA-HH可被細(xì)胞內(nèi)化，具有良好的治療效果。這類HBP具有獨(dú)特的超支化樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)和β-CD的包合特性，因此可應(yīng)用于多種生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

圖8 NPGHPs/SA凝膠的制備過(guò)程Fig.8 The preparation process of NPGHPs/SA gel

1.3 其他AIE超支化聚合物

通過(guò)氫鍵或靜電等作用促進(jìn)HBP的AIE發(fā)光特性，也是制備AIE型HBP的一種新方法。其中，水凝膠類的AIE型HBP的開(kāi)發(fā)成為目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。盡管抗菌水凝膠在有效抑制細(xì)菌感染方面正逐漸成為一種有前景的生物材料，但以視覺(jué)方式監(jiān)測(cè)其動(dòng)態(tài)釋放行為仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。Wang將[44]具有AIE效應(yīng)的新型抗菌肽聚合物---納米工程肽接枝超支化聚合物(NPGHPs)封裝在陰離子聚電解質(zhì)中，制備出了具有AIE活性熒光聚合物水凝膠(NPGHPs/SA凝膠，其制備過(guò)程如圖8所示)。研究表明，由氫鍵和靜電相互作用介導(dǎo)的剛性環(huán)境有助于促進(jìn)熒光團(tuán)簇的非常規(guī)發(fā)光。此外，利用熒光顯微鏡可以實(shí)時(shí)跟蹤NPGHPs/SA凝膠的連續(xù)釋藥過(guò)程。該水凝膠對(duì)革蘭氏陰性菌(大腸桿菌、銅綠假單胞菌)和革蘭氏陽(yáng)性菌(金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌)也有較強(qiáng)的抗菌活性。本研究是首次使用具有AIE特征的非共軛發(fā)光聚合物來(lái)監(jiān)測(cè)載藥水凝膠釋放過(guò)程的可視化策略，不僅提供了一種具有廣譜抗菌能力的先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)材料，而且為凝膠系統(tǒng)藥物釋放的研究開(kāi)辟了一條更加簡(jiǎn)潔的途徑。

2 AIE型超支化聚合物的發(fā)光機(jī)理

AIE與傳統(tǒng)發(fā)光材料中觀察到的聚集引發(fā)猝滅(ACQ)現(xiàn)象完全相反，其發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家能夠更加有效地利用聚集效應(yīng)。在過(guò)去的幾十年里，AIE發(fā)光體的不斷發(fā)展使其在化學(xué)/生物傳感、生物成像與治療、有機(jī)發(fā)光二極管等高科技應(yīng)用領(lǐng)域中得到了更為廣泛的應(yīng)用，對(duì)其發(fā)光機(jī)理的研究也逐步深入。與傳統(tǒng)的發(fā)光體不同，AIE化合物一般為螺旋槳或殼狀，在稀溶液中不發(fā)射或弱發(fā)射，但在聚集體或固態(tài)中發(fā)射強(qiáng)烈。較傳統(tǒng)的AIE聚合物而言，AIE型HBP的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，官能團(tuán)效應(yīng)、分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)及分子鏈之間的相互作用都能夠極大影響其AIE發(fā)光效應(yīng)。因此，需要對(duì)其發(fā)光機(jī)理進(jìn)行探討，以實(shí)現(xiàn)AIE型HBP發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光光色及熒光壽命的可控調(diào)節(jié)。

2.1 分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)受限

目前普遍認(rèn)為AIE現(xiàn)象是由于分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)(RIM)的限制，包括旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)[45]。對(duì)于常見(jiàn)的含有芳香環(huán)(如六苯基噻咯(HPS)、四苯基乙烯(TPE)、二苯基蒽(DSA)等)的AIE型HBP，其結(jié)構(gòu)中包含有聚芳基取代部分的螺旋結(jié)構(gòu)。在稀溶液中，這類AIE型HBP能夠進(jìn)行活躍的分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)非輻射衰變途徑消耗激發(fā)態(tài)的能量以熄滅發(fā)射[46]。在聚集態(tài)下，擁擠環(huán)境中HBP分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)的限制阻礙了非輻射衰變到瞬時(shí)輻射的途徑[47]。然而由于HBP結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)的聚合物而言更為復(fù)雜，因此分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)理論不能單獨(dú)、完整地解釋所有目前所有AIE型HBP的發(fā)光理論。在實(shí)際研究過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合支化結(jié)構(gòu)、HBP分子量、分子結(jié)構(gòu)剛化、官能團(tuán)含量以及電荷轉(zhuǎn)移等情況共同探討其AIE發(fā)光機(jī)理。

2.2 分子結(jié)構(gòu)剛化

對(duì)于端功能化AIE的HBP，其端鏈被某些具有AIE基團(tuán)所功能化，因此既具有AIE活性骨架，又具有HBP分子的性質(zhì)。例如，以含有引發(fā)劑的普通單體作為原料，通過(guò)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合使其與苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸2-羥乙基等普通單體進(jìn)行反應(yīng)，是賦予聚合物AIE特性的有效策略[48]。這些聚合物能夠發(fā)射出良好的AIE特性。其光致發(fā)光機(jī)理主要是由于：聚合時(shí)聚合物鏈的強(qiáng)包覆可以使引發(fā)劑與溶劑分離，避免猝滅；聚合物鏈末端的發(fā)色團(tuán)可以很容易地扭曲形成有利于發(fā)射的構(gòu)型。而對(duì)于超支化結(jié)構(gòu)的HBP，其超高的支化度能夠有效造成主鏈段的分子結(jié)構(gòu)剛化，該分子鏈剛性有效限制了聚合物鏈末端發(fā)光體的分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致發(fā)射增強(qiáng)[49]。

2.3 雜原子簇形成發(fā)光基元

除了向HBP結(jié)構(gòu)中加入共軛型發(fā)光基團(tuán)，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將非共軛型的非常規(guī)發(fā)色基團(tuán)(如脂肪胺、羰基、酯基、酸酐和酰胺等)引入HBP分子鏈上，也是得到AIE型HBP的一個(gè)重要方法[50]。這類HBP不含有芳香環(huán)，具有低毒性和良好的生物相容性，既保持了HBP原有的優(yōu)異性能，又能夠表現(xiàn)出良好的發(fā)光性能[51]。作為最早發(fā)現(xiàn)的非共軛發(fā)光聚合物之一，超支化聚酰胺胺(H-PAMAM)比傳統(tǒng)芳香發(fā)光分子具有更好的生物相容性和更低的細(xì)胞毒性[52]。2016年Yuan等首次以“團(tuán)簇引發(fā)發(fā)射” 機(jī)制(cluster-triggered emission，CTE)來(lái)解釋這些含有非常規(guī)發(fā)光基團(tuán)的化合物所表現(xiàn)出的AIE效應(yīng)[53]。HBP具有非常高支化度及分子量，當(dāng)其在聚集狀態(tài)下時(shí)，這些官能團(tuán)中所含有的大量孤對(duì)電子和雜原子能夠形成“雜原子簇”，這些“雜原子簇”作為生色基團(tuán)，可以促使HBP表現(xiàn)出良好的AIE特性[54]。然而，這類非共軛發(fā)光聚合物具有發(fā)光強(qiáng)度較弱、量子子產(chǎn)率較低等缺陷，在熒光成像領(lǐng)域的應(yīng)用由于其而沒(méi)有得到足夠的重視。

3 結(jié) 語(yǔ)

超支化聚合物(HBP)具有較傳統(tǒng)樹(shù)枝狀聚合物而言更高的支化度、更多的末端活性官能團(tuán)以及更為簡(jiǎn)易便捷的合成過(guò)程，因此在熒光探針、生物成像、LED照明系統(tǒng)等領(lǐng)域中表現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。目前已有大量的AIE型HBP被開(kāi)發(fā)出來(lái)，主要包括含有共軛發(fā)光基團(tuán)的AIE型HBP、含有非傳統(tǒng)發(fā)色基團(tuán)的AIE型HBP等，并對(duì)制備方法的簡(jiǎn)化、結(jié)構(gòu)的調(diào)控以及其發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了深入的探討。然而， AIE型HBP具有較傳統(tǒng)的AIE聚合物而言更為復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，其主鏈結(jié)構(gòu)、分子量以及端位官能團(tuán)的種類及含量等均能極大影響其AIE發(fā)光效應(yīng)，因此在探討其AIE發(fā)光機(jī)理時(shí)，不但要考慮分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)及分子鏈之間的相互作用，而且要充分討論官能團(tuán)效應(yīng)、“雜原子團(tuán)簇效應(yīng)”以及電子效應(yīng)對(duì)其發(fā)光性能的影響，以實(shí)現(xiàn)AIE型HBP發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光光色及熒光壽命的可控調(diào)節(jié)。