延世大学与UNIST联合研究团队揭示强化高分子内聚力原理

Published 11 Feb.2025 09:01(KST)

Updated 01 Aug.2025 12:38(KST)

open/close

首次提出仿贻贝高分子体系中阴离子‑π相互作用设计策略

有望用于粘合剂、自组装系统、催化与药物递送等领域研究成果发表于世界权威期刊PNAS

延世大学化学系Kim Byeongsu教授研究团队与蔚山科学技术院（UNIST）Lee Dongwook教授研究团队通过共同研究，揭示了“阴离子-π相互作用”在增强高分子凝聚力的核心机理中发挥重要作用的事实。

（自左起）延世大学教授 Kim Byeong-su、蔚山科学技术院教授 Lee Dong-wook。UNIST提供

在本次研究中，研究团队开发了模仿贻贝足丝蛋白的环氧单体基高分子，并通过实验证明，阴离子-π相互作用是增强高分子凝聚力的关键因素。

所谓阴离子-π相互作用，是指带负电荷的分子（阴离子）与芳香环π电子体系之间产生的非共价键合（Non-covalent bond）。这种相互作用在酶的催化作用或离子传输等生物学体系中发挥着重要作用，但实际被系统研究的案例极为罕见，尤其是在合成高分子中加以利用的研究几乎不存在。

基于此，研究团队将目光投向自然界中具有强大黏附力的贻贝。贻贝足丝蛋白即使在海水中也能牢固附着，具有极强的结合力。研究团队对实现这一特性的核心成分进行分析后发现，多巴（DOPA）和天冬氨酸（Aspartic acid）的结构特征发挥着重要作用。

研究团队据此设计了模拟上述结构特征的功能性单体，并合成了新型高分子。由此提出了一种在设计新型高分子时同时考虑生物体系中复杂分子间相互作用的方案。

具体而言，模拟多巴的单体提供芳香环的π电子体系，模拟天冬氨酸的单体提供阴离子，从而在高分子内部实现阴离子-π相互作用的设计。此外，研究团队利用表面力测定仪（Surface Forces Apparatus，SFA），在多种条件下对高分子的凝聚力进行了定量分析。

研究团队比较分析了高分子官能团以电离状态存在的中性环境与以非电离状态存在的酸性环境中凝聚力的差异。结果显示，在中性环境中，阴离子-π相互作用作为主要的结合力发挥作用，高分子的凝聚力大幅提升；相反，在酸性环境中，氢键起主要作用，凝聚力相对较弱。

本研究是首次在合成高分子中通过实验验证阴离子-π相互作用在增强凝聚力方面具有决定性作用的案例。以此为基础，在黏合剂、自组装体系、催化、药物递送等多个领域，有望应用新的高分子设计策略。

贻贝仿生高分子体系中的阴离子-π相互作用设计。

研究团队表示：“通过本项研究，我们提出了将阴离子-π相互作用原理应用于高分子设计的方法”，并称“该研究不仅将拓展合成高分子的产业应用前景，也将推动高分子化学的学术发展”。

本研究在科学技术信息通信部资金支持下，作为韩国研究财团中坚研究者资助课题予以实施。研究成果已发表于世界权威学术期刊《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS），并于2025年2月6日在线公开。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。