点击反应最早由Sharpless等人提出,其被定义须符合以下条件：模块化、范围广、产率高、几乎无副产物且有立体选择性。这要求点击反应必须有简单的反应环境(反应过程不会受水和氧气的干扰),反应起始原料易得,反应的溶剂简单(如水)且可以简单地分离出纯净的产物。由于以上特质,点击反应已经被广泛地用于生物成像、材料制备和生物医药等领域。水凝胶是一种“果冻”状软物质,其内部包含了许多充满水的微孔。水凝胶常常分为两种,高分子水凝胶和超分子水凝胶。前者主要通过共价键相结合,其力学强度大,可用于材料制造和长时间药物释放等领域,但是由于在合成过程中容易引入有毒物质,且难于降解,这种水凝胶的生物相容性不太好。超分子水凝胶主要通过非共价相互作用(例如氢键作用、氕-π相互作用和电荷相互作用等)相结合,其力学强度较弱,但由于良好的生物相容性被广泛地应用于药物运载、伤口愈合和组织工程等领域。水凝胶的成胶过程伴随着成胶因子与水(溶剂)之间相互作用的变化,常用的方法有加热-冷却、调节pH和改变溶剂等。点击反应用于成胶因子的即时合成也是依据以上原理。前体化合物在水溶液中有良好的溶解性,加入某种外加化合物触发点击反应后,两亲性的成胶因子快速生成,在水溶液中发生自组装,即可得到超分子水凝胶。传统的化学反应常常条件苛刻、溶剂非水或是伴随有副产物生成,但点击反应克服了这些问题。点击反应选择性好、无副产物、产物不需纯化且可以在水溶液中进行,这为水凝胶成胶因子的即时合成创造了完美的条件。本文第一部分研究内容,点击反应被用于低聚物水凝胶的制备。高聚物水凝胶和基于小分子的超分子水凝胶都已经得到了足够的研究,但由于合成难度较大、两亲性难以控制等因素,低聚物水凝胶还未得到足够的研究。基于CBT-Cys点击反应(CBT指2-氰基-6-氨基苯并噻唑),我们设计了两种成胶前体化合物Cys(SEt)-Lys-CBT和(Cys-Lys-CBT)2,在还原型谷胱甘肽存在的条件下,其双硫键被切断,生成同种化合物Cys-Lys-CBT。该化合物中CBT可与半胱氨酸的1,2-氨基硫醇结构发生点击缩合反应,生成两亲性环状低聚物。这些低聚物在合适的pH条件下快速自组装形成纳米纤维,从而形成超分子水凝胶。倒瓶法和荧光光谱分别证明两种水凝胶有相近的临界成胶浓度和临界胶束浓度。使用流变测试表征两种水凝胶,我们发现它们的力学强度相似,均强于大多数由小分子组成的超分子水凝胶,与常见的高聚物水凝胶的力学强度相似。使用冷冻透射电子显微镜我们可以观察到两种水凝胶是由相似的纳米纤维组成。使用高效液相色谱和基质辅助激光解吸电离-质谱分析水凝胶化学成分,可以证明两种水凝胶主要组成成分均为二聚体,但后一种水凝胶中含有更多的高级低聚物(如三聚体和四聚体等)。二聚体纤维可能的分子堆积的模型与冷冻透射电子显微镜中观察到的纳米纤维相符,也印证了二聚体为水凝胶中主要组成成分这一结论。作为超分子水凝胶,这两种低聚物水凝胶有良好的生物相容性和可降解性,同时又具有类似于高聚物水凝胶的理想力学性能,其在长时间药物释放领域或许有潜在的应用价值。本文第二部分研究内容,点击反应被用于甲基乙二醛(MGO)的特异性成胶过程。甲基乙二醛(MGO)是一种小分子双羰基活性化合物。其与糖尿病、蛋白质机能障碍以及一些炎症有着密切的关系。在细胞内乙二醛酶I(GLOI)可以催化还原型谷胱甘肽和MGO反应生成S-D-乳酰谷胱甘肽以除去细胞中的MGO。基于邻苯二胺(OPD)与MGO生成甲基喹喔啉(MQ)的点击反应,我们设计了一种亲水性前体化合物OPD-Phe-Phe-OH,其可与MGO发生点击反应生成两亲性的MQ-Phe-Phe-OH。该化合物可通过自组装形成超分子水凝胶。冷冻透射电子显微镜的表征证实该水凝胶是由两步自组装形成形成的直径为32.8nm的纳米管：成胶因子自组装形成纳米纤维,纳米纤维平行排列环绕形成纳米管。荧光光谱、透过率和圆二色光谱测试均验证了以上自组装机理。成胶干扰实验证明,一氧化氮虽然同样可以与邻苯二胺发生反应,但其并不会影响到MGO引发的成胶过程。我们的研究证明,我们设计的化合物可以用于MGO引发的特异性成胶过程,可以用于MGO的可视化检测和体外去除。本文第三部分研究内容,点击反应被用于磁共振造影剂的自组装和解组装过程。Caspase-3 (Casp3)酶是半胱天冬酶家族的重要一员,其与细胞凋亡有密切的关系。磁共振成像是一种常见的分子成像技术,由于其可以在细胞尺度进行3D成像,已经越来越多地应用于分子成像和临床诊断。含有钆离子(Gd3+)的磁共振造影剂可以缩短造影剂周围水的自旋-晶格弛豫时间,增强质子的信号,使之在T1-加权成像中的有效信号更“亮”。我们探索了醛基和半胱氨酸之间的点击反应,实验证明,醛基和半胱氨酸的1,2-氨基硫醇基团可发生点击缩合反应生成噻唑烷结构,产物可与甲氧胺反应,重新生成1,2-氨基硫醇基团。该点击反应为二级反应,使用高效液相色谱监测该反应的进程,可以计算得到,该反应的二级反应速率常数为4.58×10-2 M-1s-1。基于此,我们设计了Ac-Asp-Glu-Val-Asp-Cys (StBu)-HQC和Ac-Asp-Glu-Val-Asp-Cys(StBu)-Lys(DOTA-Gd)-HQC两种探针(HQC指8-羟基喹啉-2-甲醛),预计两者均可在还原和Casp3酶切双重作用下发生缩合反应自组装,在甲氧胺的存在的条件下其缩合形成的噻唑烷结构会被切断,实现解组装。其中后一种探针螯合了Gd3+,其在自组装和解组装的过程中可能会伴有磁共振T1-加权成像的信号明暗的变化。该课题还未完成,还需要进一步的研究。本论文将点击反应用于超分子水凝胶成胶因子的即时合成,实现了外加物引发的特异性成胶过程。该研究为高效制备超分子水凝胶提供了新的方向。