超小型人造黑色素粒子与相关智能水凝胶的设计与制备

Polydopamine-based synthetic melanin functional materials possess similar chemical structures and physical properties as natural resources, rendering them ideal candidates in bio-inspired nanomaterials for vast range of applications in various areas. However, currently the general method for controlling material morphology and size is still in its infancy, in particular, the lack of efficient way to prepare nanopaticles with sub-20 nm size, which limits its further utilization in polymer composites and hybrids. This proposal strives to employ 4 different strategies for the preparation of ultrasmall synthetic melanin nanoparticles via decreasing the kinetics of radical generation and polymerization during weak oxidation process of dopamine: (1) using dopamine derivative monomers, (2) adding radical/inhibitor molecules, (3) tuning the solvent polarity, and (4) copolymerization with multi-amines functionalized macromolecules. In addition, besides particle size control, we are also able to efficiently tune the physical chemistry properties of particles via the molecular design strategy, particularly in the improving their photothermal conversion ability. The resulting ultrasmall synthetic melanin nanoparticles will be used to further design and preparation of kinds of smart polymeric materials (i.e. smart hydrogels with programmable drug release profile), and investigate their potential biomedical applications.

基于聚多巴胺的人造黑色素功能材料因具有与天然黑色素相似的化学结构和物理性质，所以被认为是一类能在诸多领域发挥作用的理想仿生纳米材料。然而目前对这类材料形貌和尺寸控制的方法尚不成熟，特别是缺乏合成小于20纳米尺寸纳米粒子的有效方案，使得这类材料在高分子复合/杂化材料领域的应用受到限制。本项目计划从减缓多巴胺在弱氧化条件下自由基的产生和聚合过程这一学术思想出发，利用四种不同的合成策略来制备超小型人造黑色素粒子：（1）功能化多巴胺单体策略，（2）添加自由基/阻聚剂分子策略，（3）改变反应溶剂策略，和（4）添加多氨基功能化大分子共聚策略。此外，我们希望通过分子层面的设计，在兼顾粒子尺寸的同时也实现对粒子物理化学性质的有效调控，特别是改善其光热转换能力。所制备得到的目标粒子将进一步被用来设计和制备智能高分子功能材料（如可编程化释药的智能水凝胶），并讨论其在生物医药领域的潜在应用。

基于聚多巴胺的人造黑色素材料具有与天然黑色素相似的化学成分和物理性质。由于其固有的生物相容性、自由基清除、强近红外吸收和高光热转换效率，近年来人造黑色素在生物医学等领域引起了越来越多的研究兴趣。然而，由于对其单体聚合动力学鲜有系统研究并且缺乏对此过程的有效调控手段，这使得人造黑色素材料的进一步发展受到了极大地限制。因此，探索人造黑色素的聚合过程，深入理解其聚合机理并使用有效手段加以控制，是实现对这类材料进行有效结构调控和功能定制的有效途径，这将为探索这类材料在生命、化工和能源领域的实际应用提供重要思路。.本项目基于减缓多巴胺单体在弱氧化环境下的自由基产生和聚合过程，理性设计和开发了一系列有效的合成策略来对人造黑色素纳米材料的粒径形貌进行有效调控，以实现超小型人造黑色素纳米粒子的成功合成。通过多巴胺单体功能化，在聚合过程中添加自由基/阻聚剂，使用氨基功能化分子进行共聚，以及使用新型人造黑色素单体和调控组装相互作用等方法，我们初步建立了多巴胺聚合的基本机制，并且详细分析了不同掺杂物对其聚合过程的影响，实现了利用不同化学方法对材料粒径和材料本征性能的有效调控。在此基础上，我们通过不同的物理化学作用设计了一系列的水凝胶材料，重点关注其功能性的传递和刺激响应性行为，并基于其出色的性能进行下游应用设计。这些工作对研究和理解人造黑色素材料的可控制备及构效关系均具有重要参考意义。.在本项目的支持下，项目负责人已经以通讯作者身份在Sci. Adv., Chem. Soc. Rev., Adv. Mater.等主流期刊上发表SCI论文44篇，申请并成功授权专利8项。而凭借相关成果，项目负责人入选2021年《麻省理工科技评论》——“35岁以下科技创新35人”名单，荣获2021年中国化学会高分子青年学者奖，2020年中国科技新锐人物卓越影响奖，2020年和2021年冯新德高分子奖提名奖，2020年川渝产学研创新成果奖一等奖和2021年川渝科技大会优秀论文奖一等奖等多个奖项。受邀担任中国青年科协理事会理事（2019-），担任Macromol. Rapid Commun.(2022-), Giant（2020-），Chin. Chem. Lett.（2020-）等多个主流杂志的编委，以及高等学校化学学报（两刊）（2019-）和Chem. Syn.（2021-）等国产杂志的青年编委。

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