聚轮烷

聚轮烷是一种由弦和环组成的机械联锁分子，其中多个环螺纹连接到分子轴上，并通过两个庞大的端基防止脱螺纹。作为轮烷的低聚或聚合物质，聚轮烷还能够将能量输入转化为分子运动，因为环运动可以通过外部刺激来控制。聚轮烷几十年来一直备受关注，因为它们可以帮助构建具有复杂分子结构的功能分子机器。尽管轴和环之间没有共价键，但聚轮烷是稳定的，因为需要克服高自由活化能（吉布斯能）才能将环从轴上撤出。此外，环能够沿轴自由穿梭和绕轴旋转，这导致聚轮烷具有很大的内部自由度。由于这种拓扑互锁结构，与传统聚合物相比，聚轮烷具有许多不同的机械、电学和光学性能。此外，机械互锁结构可以保持在滑环材料中，滑环材料是一种通过在不同聚轮烷中交联环（称为八字形交联）合成的超分子网络。在滑环材料中，环的交联可以沿轴自由通过，以平衡螺纹聚合物网络的张力，这类似于滑轮。有了这种特殊的结构，滑环材料由于其不同的力学性能，可以制造出高度可拉伸的工程材料。如果环和轴是可生物降解和生物相容的，则聚轮烷还可以用于生物医学应用，例如基因/药物递送。与其他生物医学聚合物（例如多糖）相比，聚轮烷的优势在于，由于互锁结构是由弦末端的大塞子维持的，如果去除大塞子（例如通过化学刺激去除），环会从弦上脱落。轴。剧烈的结构变化可用于程序xxx物或基因递送，其中当塞子在特定目的地被切断时，药物或基因可以与环一起释放。

根据轮烷单元的位置，聚轮烷主要可分为两种：主链聚轮烷，轮烷单元位于主链（轴）上；侧链聚轮烷，轮烷单元位于主链（轴）上。侧链。相应的聚假轮烷也可以根据相同的原理分为：主链聚假轮烷或侧链聚假轮烷，其中末端没有终止剂。在主链聚轮烷或侧链聚轮烷中，其他聚合物的独特之处在于环单元相对于弦单元的运动可能不同。由于组件的形状和位置能够对温度、pH或其他环境条件的变化表现出不同的响应，因此聚轮烷具有许多独特的特性。

在聚轮烷中，与传统聚合物不同，分子通过机械键（例如氢键或电荷转移）而不是共价键连接。此外，这些环能够在轴上旋转或绕轴穿梭，从而使聚轮烷具有很大的自由度。这种非常规的分子组合导致了聚轮烷的独特性质。

已经研究了许多机械互锁的分子来构建分子机器。由于分子通过机械键而不是传统的共价键连接，一个组件可以围绕另一个母组件移动（穿梭）或旋转，这导致机械联锁分子的大量自由度。聚轮烷作为相应轮烷的聚合物形式，也应用于分子机器中。例如，分子穿梭的穿梭行为可以通过溶剂或温度来控制。由于环和弦之间的疏水相互作用，以及环和接头之间的排斥相互作用，能够影响这些相互作用的条件可用于控制分子穿梭中环的移动性。此外，如果使用阳离子或阴离子单元形成聚轮烷，溶液中的盐或pH值也会影响环和弦之间的电荷相互作用，这是控制分子穿梭环运动的另一种方法。聚[2]轮烷菊花链（就像一串菊花，茎连接形成链）是可用于形成分子肌肉的分子的一个例子。聚[2]轮烷可以响应外界刺激而膨胀或收缩，这与肌肉的行为相似，是构建分子肌肉的理想模型。链上的环站可以通过pH值或光来控制。由于菊花链结构，菊花链上的两个环会从一个站点转移到另一个站点，这会改变两个环之间的距离以及整个菊花链的状态。当环靠近时，菊花链的整体尺寸会增加，这就是展开状态。随着环到达更远的位置，分子随着尺寸的减小而变为收缩状态。

通过化学交联聚轮烷中所含的环，通过八字形交联拓扑互锁获得滑动凝胶。虽然它是一种聚合物网络（凝胶），但环不固定在聚合物网络中的聚轮烷上，环的交联键可以沿聚合物链自由移动。这可以均衡网络的张力，就像滑轮方式一样，称为滑轮效应。在化学凝胶中，聚合物链很容易断裂，因为非均相聚合物的长度是有限的或固定的。结果，当化学凝胶处于高压下时，张力不能完全平衡。相反，网络中最薄弱的部分会更容易被破坏，从而导致凝胶的损坏。然而，在滑环材料中，聚合物链可以通过像滑轮一样的八字形交联，平衡网络的张力。因此，滑环材料被用于构​​造高度可拉伸的材料，拉伸时的长度可达其长度的24倍，并且此过程是可逆的。

虽然聚轮烷是由组分形成的，但它们的溶解度与主体或客体分子不同。例如，在基于环糊精的聚轮烷中，由于环糊精的亲水性或外部结构的高极性，尽管客体分子是疏水的或非极性的，但一些聚轮烷能够溶解在水或其他极性溶剂中。这些水溶性可应用于药物或基因载体。应用于药物/基因递送的聚轮烷有两个主要优点。

因为机械联锁结构由弦末端的大塞子保持，如果大塞子被移除，例如通过化学刺激移除，环从轴上脱出。剧烈的结构变化可用于程序化药物或基因递送，当塞子在特定目的地切断时，药物或基因可以随环释放。例如，可以通过使用由环、主链、然后通过二硫键（或可以在体内被选择切割的其他化学键）连接的终止物形成的聚轮烷来获得增强的基因递送载体。阳离子功能化的聚轮烷可以通过静电相互作用与pDNA结合形成复合物。谷胱甘肽（或其他可以裂解敏感化学键的相应化学物质）在靶细胞中过度表达。当聚轮烷/质粒DNA(pDNA)复合物被靶细胞摄取时，细胞间谷胱甘肽可裂解二硫键，切断聚轮烷末端的塞子，导致聚轮烷解离。当环从链上脱出时，pDNA与环分子一起释放。

聚（假）轮烷的另一个优点是能够长期释放药物或基因。一些聚轮烷可以用来形成物理水凝胶，称为超分子水凝胶。在这些情况下，可以获得由聚（假）轮烷形成的三维物理交联网络，该网络能够在该网络中保留大量的水。如果在溶液中加入水溶xxx物或基因，则可以将其包裹在超分子水凝胶中。此外，聚（假）轮烷单元中可采用功能单元，增强聚（假）轮烷与包封药物/基因之间的相互作用，并为载体提供其他预定功能。随着网络在水基环境中进一步膨胀，部分载体会逐渐溶解，