| 词条 | 高分子科学 |
| 释义 | § 高分子科学 § 正文 高分子科学实验 高分子科学在我国已有50 年的历史,老一辈高分子科学家为我国高分子科学的建立与发展做出了卓越贡献,并为今后的发展培养了一大批人才,我们应该永远牢记他们。 近年来,伴随着世界高分子科学的发展,我国高分子科学基础研究的整体水平有了明显提高,随着科教兴国战略的实施,研究条件有了明显改善,本文是基于学科管理中学科前沿调研、学科发展研讨等形成的材料中摘要而写的,凝练了高分子领域集体的智慧,力图反映近期高分子科学前沿、热点和发展趋势,仅供读者参考。 对于近年来高分子科学学科基金资助情况已有介绍对于2004 年我国高分子学者的某些重要研究进展也已进行综述 近年世界高分子科学在诸多领域取得重要进展,主要是控制聚合、超分子聚合物、聚合物纳米微结构、高通量筛选高分子合成技术、超支化高分子、光电活性高分子等方面。 § 高分子合成化学 高分子科学的诞生源于高分子合成化学。世界上目前每年生产的2 万多亿吨高分子都是以高分子合成化学为基础而实现的。因此,高分子合成化学作为高分子科学重要的基础和支撑分支学科,其发展对高分子科学与工程发展起着十分重要的推动作用。高分子合成化学研究从单体合成开始,研究高分子合成化学中最基本问题,探索新的催化剂体系、精确控制聚合方法、反应机理以及反应历程对产物聚集态的影响规律等,高分子合成化学基础研究具有双重作用,一是运用已有合成方法研究聚合物结构调控;二是设计新的合成方法,获得新颖聚合物。 20 世纪90 年代以来在高分子合成化学领域中,前沿领域是可控聚合反应,包括立构控制,相对分子质量分布控制,构筑控制、序列分布控制等。其中,活性自由基聚合和迭代合成化学研究最为活跃。活性自由基聚合取得了许多重要的成果,但还存在一些问题。活性自由基的发展前景,特别是工业应用前景以及未来研究工作趋势是令人关心的问题。对于活性自由基聚合反应机理的深入研究、在较低的温度下能快速进行聚合的研究是目前受到关注的研究方向。迭代合成化学是唯一可用来制备多肽、核酸、聚多糖等生物高分子和具有精确序列、单分散非生物活性高分子齐聚物的方法。树枝状超支化高分子的合成就是此合成策略的成功应用例证之一,是过去10 年高分子合成中最具影响力的发展方向。树枝状超支化聚合物由于其独特球形分子形状,分子尺寸,支化图形和表面功能性赋予它不同于线型聚合物的化学和物理性质。 § 高分子合成化学发展需注意 (1) 与无机化学、配位化学、有机化学等的融合与渗透,吸取这些学科领域的研究成果开发新的引发/催化体系,这是合成化学的核心,是高分子合成化学与聚合方法原始创新发展的关键。对于传统的工业化单体,需要利用新型引发P催化体系和相应聚合方法,研究开发合成新的微观结构的聚合物新材料。 (2) 与有机合成化学和高分子化学紧密结合,将有机合成化学的先进技术“嫁接”到高分子合成化学中,研发高分子合成的新方法,实现高分子合成的可设计化、定向化和控制化,这里包括通过非共价键的分子间作用力结合来“合成”超分子体系。 (3) 在大分子工程方面,不仅要达到控制聚合物的分子量与分子量分布,而且要开发设计合成多种拓扑结构的聚合物链(如超支化聚合物、星型多臂嵌段共聚物、树枝状聚合物、浓密刷型聚合物等) 的新合成技术。 国家自然科学基金鼓励并支持从事高分子合成化学基础研究的课题,将注意各分支学科的平衡协调发展,对暂时冷门的研究方向,将予以持续资助。目前,我国在负离子聚合、正离子聚合和偶联聚合等方面的研究需要吸引中青年研究人员加入。同时在高分子合成化学领域近期应关注以下几个方向: (1) 新的聚合反应和新的聚合方法特别是酶催化聚合和微生物聚合等; (2) 功能性高分子合成; (3) 高分子链结构的设计和控制合成;新型超支化聚合物的合成;新型树形大分子的合成;树枝化聚合物的合成;聚合物分子刷的合成;新型多肽的化学合成等; (4) 借助分子间弱相互作用及特殊识别作用组装合成新型聚合物; (5) 聚合反应机理方面的研究; (6) 通过量子化学计算和计算机模拟准确预测聚合物结构与性能之间关系,指导分子设计和高分子合成。 国际上重要的高分子合成进展有:可控自由基聚合和活性配位聚合又有许多新进展。Fujita 等[4 ] 报道了配位聚合方法乙烯的活性聚合。聚合温度25～50 ℃,分子量分布很窄(1. 05～1. 19) ,分子量可高达40 万,催化活性很高(20000 min - 1 atm- 1 ) 。 Marks[5 ] 以有机钛化合物催化苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯共聚,获得双全同无规共聚物,在此催化剂作用下,苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯的均聚反应生成间规均聚物。 将组合化学研究方法发展运用到高分子合成的催化体系高通量筛选方法研究只有三、四年的时间,但发展很快。许多学术研究小组、研究中心和工业界实验室都开始进行研究。几乎每个月都有相关的学术会议。“Macromol Rapid Commun”已分别于2003 年第1 期和2004 年第1 期出版了两期专集,前者只有15 篇论文,后者升至45 篇,有望改变传统研究方式和速度。我国高分子学术界和工业界尚未对此领域给予充分重视。 高度支化的聚合物是具有前沿性并具有潜力的研究方向。2003 年含超支化聚合物一词的论文有302 篇, 2004 年含树枝状聚合物一词的论文有450 篇,呈现出非常活跃的景象。Percec[6 ] 提出了一种合成新概念TERMINI-Terminator Multifunctinal Initiator ,即被保护的多功能团化合物,它能够定量和不可逆的中断活性聚合或链式有机反应,去除保护基团后,其活性官能团能100 %再引发活性聚合,再引发过程中,TERMINI 重复单元新产生一个支化点。利用这种方法与活性自由基聚合相结合发展了一种全新的收敛法合成超支化聚合物的方法。 Britz 等[7 ] 利用碳纳米管作为受限反应器,将环氧化富勒烯灌装到单臂碳纳米管中,然后引发环氧化富勒烯开环聚合形成线形聚合物,获得了用其他方法难以制备的聚合物,为在受限空间进行可控高分子合成开辟了新途径。 § 高分子科学与生命科学的交叉研究 国际发展态势表明:众多高分子背景学者的研究方向开始集中在与生命科学相关的高分子研究方面,对生物高分子、医用高分子、生物大分子体系理论计算模拟、高分子科学中的生物技术和大分子化学生物学等相关研究前沿的科学问题是近期需给予重点关注的方向,从美国化学会年会的论文就可反映这一点。 高分子科学是研究分子量在数千至数百万甚至数千万大分子合成、结构与性能的学科,而生命科学中的核心物质DNA、多肽、蛋白质,聚多糖等都是分子量很高的大分子,属于高分子科学研究的对象,而由这些生物大分子构成的细胞又构成了生命。因此,高分子科学与生命科学存在着不可分割的联系和许多有待进行学科交叉研究的前沿问题。主要有以下3 个层面的交叉点: (1) 在DNA、蛋白、多糖、高分子药物及诊断试剂等研究方面存在着分子水平层面的交叉点; (2) 高分子科学在小尺寸药物传输系统、单层、双层和多层高分子膜和生物传感的研究方面存在着细胞层面上的交叉; (3) 高分子科学在软组织或骨组织工程在人体组织和生命层面上有着很好的交叉点。 过去高分子科学向生命科学和现代医学领域的渗透给给现代生物医学带来的巨大变化。就高分子科学与生命科学交叉的研究领域而言,以前的研究主要集中在用传统高分子材料制备生物医用材料,如组织工程的支架、人造器官、药物传输载体等高分子。在药物学领域,高分子药物控释技术几乎从根本上改变了传统的给药概念和模式,成为药物治疗科学中的一个里程碑。在医用高分子方面,由于植入体内高分子的应用,对提高医疗水平,改善人类生活质量、减轻疾病对人们健康的影响,均起了重要作用。 用于医疗中诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官的生物医用高分子材料要求高分子在具有特殊功能与性能的同时还具有对人体组织、血液不产生不良作用的性质。生物医用高分子的研究与开发对提高人民健康水平、国防和国家经济发展都具有重要意义。由于生物医用高分子产品的附加值非常高, 而其质量直接与使用者生命安全相关,发达国家多年来已将生物医用高分子的研究作为优先发展的重点领域。近年来,国际上此领域的研究蓬勃发展,出现了许多新的研究热点并孕育着新的突破。在用于药物控制释放高分子研究领域,高分子2药物、高分子2蛋白质结合体、高分子2基因聚络物和高分子微胶束等涉及生物高分子药物的研究方向已成为高分子科学研究者进入现代生物医学领域的切入点。体现了生物大分子与合成高分子相互融合,传统高分子科学与现代生命科学相互融合。总之,从高分子分子设计、高 分子结构,到高分子凝聚态、高分子组装;从分子运动到生物屏障的跨越;从分子间相互作用到载药系统与生命系统间的相互作用等方面的研究,高分子科学都发挥出越来越重要的作用。高分子科学工作者应抓住际遇,与生命科学与技术、纳米科学与技术和生物纳米技术相结合,为高分子学科的发展,为国家社会与经济的发展做出贡献。 高分子科学研究者除了继续重视生物医用高分子研究之外,还须通过运用高分子科学研究特长和知识,从分子水平研究生物大分子结构、相互作用等,为研究生物大分子在生命体系中生命过程做出应有的贡献。通过研究高分子组装和高级有序结构构筑、手性高分子、配位高分子以及受生物启发或模拟生物体系高分子的研究,在高分子科学与生命科学之间架起跨接的桥梁。今后在高分子科学与生命科学交叉研究中应重视下列领域的研究: 组织工程研究中支架高分子的仿生微观结构和高分子的生物降解性,特别是可诱导细胞与组织生长、降解速度可控的高分子; 利用生物学原理将蛋白质、细胞生长因子、酶及多肽等生物活性物质固定在生物医用高分子等医用材料的表面,通过表面修饰构建第三代的生物活性医用植入或介入诊疗高分子等;研究具有优异抗凝血性、生物相容性及抗菌性的高分子; 用于基因治疗的高分子药物控释体系,特别需重视非病毒高分子基因载体,大分子蛋白类药物释放载体以及靶向性和释放速度可控性; 运用生物技术发展高分子合成方法也是国际上非常重视的研究方向;开展酶催化聚合、微生物法合成聚羟基烷酸酯等生物医学高分子; 大分子化学生物学:运用高分子科学的原理与方法以研究和揭示与生物大分子相关的生命运动的化学本质,研究生物大分子的结构与其生物活性的关系;研究生物体内的蛋白质-蛋白质、多(寡) 糖2蛋白质等相互作用、研究分子识别; 非生物活性与生物功能大分子的自组装过程与超分子结构的深入研究对加深蛋白质等重要生物大分子的结构与功能的关系的理解,以天然蛋白如胶原蛋白、弹性蛋白、蚕丝蛋白、蜘蛛蛋白等为例,揭示生物大分子自组装原理、结构及其生物学效应;推动大分子分子(簇) 器件与高性能仿生高分子材料的发展; 合成可实现溶液中精巧高级结构的聚合物的研究:非天然齐聚物或高聚物的分子内弱相互作用控制其二级结构(折叠与螺旋等精致结构) ,模拟或复制生物大分子结构与功能,理解折叠与螺旋构象、结构与性能。通过合成出具有与生物高分子相同的折叠机理以天然高分子所显示的精巧水平和程度形成三维结构、功能和性能,从合成高分子或生物高分子衍生物,探讨通过控制高级结构获得与生物分子类似功能的可能性; 运用合成高分子结构研究的基本理论方法开展生物大分子及其人工合成类生物大分子结构的理论计算模拟研究; 高分子生物学效应和生物大分子相互作用的表征新方法及其应用,用于生物传感与检测的高分子等。 |
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