9.3.3 超分子凝胶
在过去的几十年中，人们对超分子凝胶的设计和应用产生了极大的兴趣，其中低分子量凝胶因子通过非共价键自组装成纳米结构，并将溶剂固定化。超分子凝胶集有机分子的精巧设计、先进的超分子自组装和纳米材料的应用于一体，已成为软材料研究的重要领域之一。
超分子凝胶是指凝胶因子（包括高分子和小分子）在溶剂介质中通过多种非共价键的作用力自组装形成的三维网络状结构。这些三维网络结构巨大的表面积可以包裹与吸附溶剂分子，使其失去流动性，而在宏观上表现出半固态的一类软物质材料[40]。形成超分子凝胶的驱动力一般包括疏水作用、静电作用、氢键、π-π堆积、主客体相互作用、金属-配体配位作用等。在实际中，往往是一种作用力占主导地位并在其他几种作用力的协同下来共同驱动分子发生聚集，并经过多级组装的过程，形成纤维状结构（线状、带状、管状、棒状等细长的一维纳米纤维结构），纤维之间进一步通过弱相互作用相互缠绕而形成三维纳米网络状结构，实现溶剂分子的固定而使溶剂失去流动性，最终形成宏观上不可流动的半固体相态，如图9-24所示。
图9-24 超分子凝胶形成过程的示意图
超分子凝胶从本质上来说是热力学不稳定态，但表现出良好的动力学稳定性，这是超分子凝胶具备应用价值的重要基础条件。超分子凝胶介于溶解与结晶这两种状态之间，因此在设计凝胶的时候，要充分考虑凝胶因子之间的相互作用和凝胶因子-溶剂的相互作用。通俗地讲，凝胶因子在溶剂中应具有一定的溶解度，但溶解度又不能太好。如果凝胶因子在相关溶剂中的溶解度太差，凝胶因子会发生结晶形成沉淀，失去固化溶剂的能力；若溶解度太好，凝胶因子-溶剂之间的相互作用力大于凝胶因子之间的相互作用力，使凝胶因子之间无法发生有效的组装而无法形成交联的三维网络状结构，因而也无法固定溶剂。Feringa等[41]提出关于胶凝剂设计的三个重要原则：① 控制合适的纤维-溶剂表面能用于调节体系的溶解性，防止形成结晶；② 存在协同互补的分子间作用力驱动各向异性的自组装；③ 设计能够促使纤维交联的作用位点构筑三维的网络结构。凝胶因子结构的合理设计，使其胶凝化溶剂的能力能够得到预判，基于一些典型的成胶基团，超分子凝胶得以构筑，并被赋予广阔的应用前景。
1.凝胶因子的设计
超分子凝胶的研究始于实验室的偶然发现，在研究某些分子的合成和提纯过程中，发现溶液直接变成了半流动的状态。而后进行深入研究，发现能够形成凝胶的分子在分子结构上有一些特点，从而从偶然的发现上升为理性的设计。能够形成凝胶的分子可以称为凝胶因子，是一类能够发生超分子组装的分子体系或者组装基元。从这些组装基元上来看，一些源于天然分子的体系例如甾体类衍生物，核苷碱基类衍生物，氨基酸和肽类衍生物，脂肪酸类衍生物，糖类衍生物，金属有机配合物等非常容易成为凝胶因子，胶凝各类溶剂，如图9-25所示。从图中可以看出，超分子凝胶因子的设计上凸显了各种非共价相互作用的协同，如核苷碱基类多重氢键、脂肪酸类衍生物的氢键和长烷基链的疏水作用及金属有机配合物的金属-配体配位作用等。
图9-25 超分子凝胶的组装基元、成胶驱动力及成胶方式示意图
最近，刘鸣华课题组[42]分析了一系列胶凝因子的特征，提出了胶凝子的概念，用于凝胶因子的设计（图9-26）。
图9-26 超分子胶凝子
（a）有机化学中的合成子概念；（b）晶体工程中的超分子合成子概念；（c）用于设计凝胶分子的胶凝子概念；（d）从超分子胶凝子概念设计凝胶分子的示意图；（e）常见的胶凝子化学结构
分子是物质的基本单位，也是凝胶因子的基础。在分子的合成和转化中，分子片段的设计与连接至关重要。Corey[43]于1967年提出了“synthon”一词，在设计有机合成路线中具有重要意义。Corey对synthon的定义是一个骨架的一部分，它可以与其他部分共价结合形成目标分子，如图9-26（a）所示。synthon的概念扩展到晶体工程，1995年，Desiraju[44]提出了用超分子合成子的概念来指导分子晶体工程，并通过特定分子间相互作用的化学和几何性质，构建了晶体和有机分子之间的概念关系。超分子合成子被定义为超分子内的结构单元，它可以与其他分子发生非共价相互作用，形成超分子晶体。我们从有机合成中的合成子和晶体工程中的超分子合成子的概念出发，提出了胶凝子的概念，并进一步说明了如何利用凝胶来设计靶向凝胶。
胶凝子被定义为一个结构单元或一种特殊的分子，可以用来构建超分子凝胶和/或凝胶，类似于合成子。当它共价键连到另一个基团上时，生成的分子成为凝胶因子，如图9-26（d）所示。最常用的连接基是酰胺和脲键，它们能形成分子间氢键并促进凝胶形成，而官能团主要是具有荧光、配位和刺激响应等特殊性质的活性基团或芳香族化合物。研究人员发现，一系列胆固醇、氨基酸和糖更容易作为凝胶因子的骨架[图9-26（e）]，其他一些分子，如C3对称性分子和没食子酸，也能有效地起到帮助胶凝的作用。在许多情况下，长烷基链可以用来将分子修饰成凝胶因子。以氨基酸为例，刘鸣华等设计了基于两亲性谷氨酸的胶凝子，将该胶凝子与其他的官能团通过酰胺和脲键进行连接，就可以形成凝胶因子，并从分子结构的设计、组装结构的多样性到功能化的表达进行了深入系统的研究。如将谷氨酸中的两个羧基通过长链烷基胺酰胺化后，不仅酰胺基元之间可形成分子间氢键，引入的两个疏水长链还可增强分子间的疏水作用，而在头基部分引入不同的功能基团，如萘环、蒽环、芘环、偶氮苯等[45]，能提供分子间的π-π堆积相互作用；希夫碱、八羟基喹啉、羧基、吡啶等具有配位能力的基团则可以引入金属-配体配位相互作用，这些非共价相互作用共同相互协同，可在大部分有机溶剂及水中形成结构各异的超分子凝胶，如纳米纤维、纳米螺旋线、螺旋纤维、纳米管、螺旋管等丰富的纳米结构（图9-27）。
2.超分子凝胶的制备方式分类
根据超分子凝胶的组装驱动力不同，可以使用不同的方法制备超分子凝胶，如图9-25所示。最根本的是要使凝胶因子达到过饱和的状态，然后在各种非共价相互作用的驱动下发生聚集。例如可以通过升温、超声溶解、溶解于良溶剂等各种手段，使凝胶因子达到溶解状态，然后在温度逐渐降低或者加入不良溶剂的条件下，降低凝胶因子在溶剂中的溶解度，并促使凝胶因子在各种非共价相互作用的驱动下自组装，形成一维纳米结构并继续发生物理交联形成三维网络状结构。目前，最为普遍的方法是通过加热使凝胶因子在高温下溶解，逐渐降温的过程中凝胶因子在分子间氢键的驱动、疏水作用和π-π堆积等作用力的协同下发生自组装从而形成超分子凝胶。大部分超分子凝胶都可以通过升温溶解-冷却进行制备，并表现出良好的温度响应性，即在高温时表现为溶液态，低温时则呈现半固体的凝胶态。
图9-27 谷氨酸基凝胶因子的分子结构及自组装形成的典型纳米结构
（a）化合物3a；（b）化合物3b；（c）化合物3c；（d）化合物1；（e）化合物7；（f）化合物8
随着超分子凝胶在生物体系中的广泛应用，室温成胶成为必要条件之一，因此科研工作者们发展了不需要加热处理的反溶剂成胶方法和酶促成胶方法，例如，刘鸣华课题组[46]报道的抗溶剂法制备的室温瞬时凝胶。他们设计了一类简单的C3对称性分子TMGE（图9-28），将其溶解在良溶剂（如DMSO）中，得到稳定透明的溶液，在其溶液中加入水作为反溶剂，可以达到室温迅速成胶的效果。其中良溶剂和反溶剂的比例相对宽松，成胶浓度低，在有些体系中可低于1mg/mL。通过扫描电子显微镜表征发现形成了六方纳米管状结构。进一步地，他们借用以上室温快速成胶的方法来实现纳米管的功能化，将功能分子（包括生物大分子、导电高分子、小分子染料等）在混合溶剂成胶的同时引入纳米管中。混合溶剂的组合非常多，所以以这种快速成胶法形成的有机纳米管在实现对客体分子普适而高效地包裹上性能优异。此外，近年来发展起来的酶促或酶解方法制备的超分子凝胶在生物成像、癌症早期检测与治疗等方面具有潜在的应用。徐兵教授课题组[47]通过模拟自然环境中的酶，合理设计了凝胶因子前体分子。前体扩散通过细胞膜进入细胞内，在碱性磷酸酶（肿瘤微环境相关酶）的作用下去磷酸形成水凝胶因子，自组装形成三维网状的纤维结构，可应用在酶抑制剂筛选控制、药物传输、伤口愈合等领域。(https://www.daowen.com)
图9-28 TMGE分子式及反溶剂成胶示意图
3.超分子凝胶的特点-刺激响应性
由于构筑超分子凝胶的驱动力是各种弱的非共价相互作用，使超分子凝胶具有很强的刺激响应性，即对外界的刺激因素（包括温度、pH、光照、机械力、化学物质等）会表现出良好的响应性行为，从而可以制备许多智能材料。通过改变外界条件实现对流体流变性质的控制，在药物递送、汽车离合器和刹车、建筑物的抗震、火箭推进及其他领域都有很大的用途。超分子凝胶的优势在于能够通过在凝胶因子中有目的地引入对不同的外界刺激产生响应的基团，来实现对流体流变性质的调控。总体来说，响应性分子凝胶可以分为如下几种：温度响应性凝胶、化学响应性凝胶、光响应性凝胶、触变凝胶和电化学响应凝胶等。
（1）温度响应性凝胶
大部分超分子凝胶都具有温度响应性，即在高温下，分子间非共价相互作用（特别是氢键）减弱，凝胶因子以单分子溶解状态存在；温度降低，凝胶因子自组装形成凝胶。也有少数的情况呈现相反的温度响应性，即温度升高促进超分子凝胶的形成，温度降低反而呈现溶液态，如郝京诚课题组[48]报道β-CD凝胶剂在含有LiCl的DMF中具有热致成胶能力。β-CD在室温DMF中以单分散形式存在，随着温度的升高，β-CD的溶剂化程度减弱导致β-CD头-头二聚体的形成，并继续生成β-CD分子簇，β-CD分子簇堆积而成纳米棒状结构，β-CD-Li+的静电相互作用和β-CD之间的氢键驱动纳米棒状结构彼此相连，形成多枝化的纳米棒状结构，导致有机凝胶的形成，该系统可用于加热捕获液体和冷却释放液体，对开发控温材料具有重要意义。
（2）化学响应性分子凝胶
这类超分子凝胶种类非常丰富。化学信号可以是溶剂、pH、金属阳离子、阴离子、能够与凝胶因子发生化学反应或非共价相互作用的化合物等。在这些化学信号的作用下，超分子凝胶能够发生凝胶与溶液的相转变。除此之外，化学响应性凝胶还可能发生其他性质变化，如吸收光谱或是荧光光谱的变化、CD信号的变化等。因此，它们可以广泛地应用于生物或者化学传感等领域。
（3）光响应小分子凝胶
这类超分子凝胶往往带有光致变色官能团，如偶氮苯、二芳基乙烯和螺吡喃等，以及一些可以发生光聚合反应的基团，如联二炔、肉桂酸等。在紫外光或可见光照射下发生可逆的光致变色反应，伴随着凝胶与溶液之间的相转变或者是吸收光谱、荧光光谱等的显著变化。光辐射是一种绿色、清洁、无侵入的刺激方式，这使得光响应超分子凝胶在微流控、显示成像、信息存储等领域具有应用前景。
如图9-29所示，将光敏性肉桂酸与二烷基链谷氨酰胺共价连接，合成了光响应的手性凝胶因子L-CG[49]。研究发现，L-CG在甲醇溶液中自组装形成稳定的超分子凝胶。在避光条件下，通过加热将L-CG溶解，随后放置在黑暗环境中自然冷却至室温，得到了白色且稳定的甲醇凝胶。通过扫描电子显微镜，我们能清楚地观察到白色凝胶由成束纳米螺旋纤维或超螺旋结构组成。仔细观察这些螺旋结构，我们发现L-CG凝胶完全由左手超螺旋结构[图9-29（b）]组成。当其接受365nm的紫外光辐射后凝胶会发生坍塌，凝胶即转变成了溶胶。同时L-CG凝胶的左手超螺旋结构都变成均匀的纳米串珠结构[图9-29（c）]，这些串珠结构的直径约为175nm，长度最长可达到20 μm。将光照后坍塌形成的溶胶加热溶解冷却后，溶胶又形成了凝胶，同时在微观结构上，我们发现纳米串珠结构几乎也全部转变成了纳米螺旋结构；继续光照，我们发现这些螺旋结构又一次转变成了纳米串珠结构。这说明凝胶-溶胶转变和超分子螺旋结构之间的转变是可逆的，可以通过紫外光照和加热冷却成胶交替进行实现。
图9-29 含有肉桂酸基团的光响应超分子凝胶及其纳米结构示意图
（a）肉桂酰胺两亲分子L-CG分子式；（b）L-CG在甲醇中形成的超分子凝胶照片及SEM图；（c）L-CG甲醇凝胶经紫外光辐照坍塌，纳米结构转变为串珠状
刘鸣华课题组[50]设计合成了一对含有螺吡喃官能团的谷氨酰类胶凝因子（图9-30）。研究发现，其形成的凝胶在交替的紫外和可见光照射下，螺吡喃环发生开环和闭环可逆响应。由此引发一系列变化响应，如光学、手性光学的及微观结构变化等。其中，谷氨酸上的分子手性通过凝胶自组装可以转移到螺吡喃生色团从而产生超分子手性。在紫外光作用下，可见吸收区域出现明显的超分子手性信号，此信号属于开环螺吡喃（花菁结构）形成的超分子手性信号。若改换可见光照射，该手性信号会逐渐消失，由此得到光响应的可逆手性开关。进一步研究发现，对映体凝胶在闭环状态下不发光，但开环的花菁结构会发射红光。同时该发射的红光具有圆偏振发光特性（CPL）[51]。因此，通过交替的紫外和可见光刺激作用，可以制备手性CPL开关。
（4）触变凝胶
很多超分子凝胶在施加一定外力的条件下会由凝胶变成流体，黏度明显降低，在消除外力后其黏度又可以恢复，这种性质称为触变性。例如van Esch等[52]发现环己二胺类超分子凝胶在外界剪切力作用下，凝胶转变为具有流动性的溶胶，体系经静置后，凝胶态重新出现，这样的过程可以重复多次，因此证实该凝胶体系具有触变响应性。研究者认为，体系之所以具备触变性是因为凝胶纤维节点部分的可逆破坏与形成。在施加外界搅动时，凝胶纤维的节点被部分破坏导致三维网络坍塌，形成了分散的纤维束，在宏观上表现出溶胶态的出现；当外力撤去后，这些分散的纤维重新交联而形成三维网络，凝胶态得以恢复。刘鸣华等研究了含有联吡啶基团，两头由谷氨酸胶凝子取代的凝胶体系的触变性，发现在临界应变约为50Pa时，凝胶部分破裂，在60Pa以上，凝胶已经转化成完全黏性溶胶。然而，当静置1min后，系统恢复到凝胶状态，且该触变过程可以多次重复[53]。
图9-30 含有螺吡喃基团超分子凝胶的光响应性
左：光响应凝胶用于可擦写的图案化制备；右：螺吡喃超分子凝胶在紫外光和可见光的交替辐照下得到的手性光学开关和光学开关
（5）电化学响应超分子凝胶
形成这类超分子凝胶的凝胶因子通常带有电子给体或电子受体，如四硫富瓦烯（TTF）、苝二酰亚胺、寡聚噻吩、二茂铁等，或者是可变价态的金属离子等，如利用β-环糊精和二茂铁之间的主客体相互作用对电化学刺激的敏感性，可构建刺激响应超分子水凝胶。房喻等[54]报道了一种连接有二茂铁的胆固醇类衍生物，可以在环己烷中形成凝胶，表现出氧化还原响应特性。这种凝胶是一种多重响应性超分子凝胶，集氧化还原响应、触变、超声波和等热响应性于一体，这种多重响应的相变软物质材料在多通道信息存储方面有很大的应用潜力。
