高分子生物材料

高分子生物材料中国科大2013‐秋张国庆高分子生物材料第讲第一讲生命体系中的物质和能量尺度2013‐9‐4高分子生物材料中国科大2013‐秋张国庆教学大纲Syllabus09月04日生物体系中的物质和能量尺度11月13日高分子生物材料概论生物体系中的物质能量度高分生物材料概论09月11日中心法则（1）11月20日基因和药物输送09月18日中心法则（2）11月27日柔性生物电子器件(徐航勋))*09月25日生物合成、能量和代谢12月04日高分子抗菌材料(TBA) *10月09日系统生物学（1）12月11日DNA材料(TBA)&10月16日系统生物学（2）12月18如软物质、微流控和生物芯片10月23日生物医学工程概论（1）12月25日荧光高分子生物材料10月30日生物医学工程概论（2）01月08日医用高分子生物医学程概论（11月06 日期中考试01月15日期末考试*美国开会&新西兰开会成绩grades 平时成绩：30%其中考试：30%期末考试：40%本次课目标Lecture Goal •能够解释为什么生物体系的最小单位细胞的尺寸在微米(micron) 级别(i)解为什物体中作用力尺•理解为什么生物体系中的相互作用力的尺度在1‐20 千卡/摩尔(kcal/mol)•能够解释为什么生物体系需要水才能生存•复习高分子材料的基本性质"You now see how,from the things demonstrated thus far,there clearly follows the impossibility (not only for art,but for nature herself)of increasing machines to immense size.Thus it is impossible to build enormous ships,palaces,or temples,for which oars,masts,beamwork,iron chains,and in sum all parts shall hold together;nor could nature make trees of immeasurable size, because their branches would eventually fail of their own weight;and likewise it would be impossible to fashion skeletons for men,horses,or other animals which could exist and carry out their functions proportionably when such animals were increased to immense height unless the—bones were made of much harder and more resistant material than the usual,or where deformed by disproportionate thickening,so that the shape and appearance of the animal would become monstrously gross."Galileo Galilei,Two New Sciences(1638),as translated byDrake(1974:127)问题一问题•某科学家刚刚在水中搜集到一种新的球型单细胞生物，直径大约1微米，密度1.05，试问重力对该生物做功多少？该生物在室温的平均动能是多大？如果体积长1毫米会如何？g/(ρ1ρ0)gmg∆h= 4/3 πa3 ‐ ⨯ ⨯2a = 2.6 ⨯10‐23Jk b T= 4.1⨯10‐21J问题二•D 大约某蛋白质分子在细胞中的扩散常数μ/(是16.67 m2/s，那么蛋白质在大肠杆菌(2μm)和神经细胞(1 mm) 中从一头扩散到另头所需要的时间各是多少？一头所需要的时间各是多少？τ= l2/6D本次课目标Lecture Goal •理解为什么生物体系的最小单位细胞的尺()寸在微米(micron) 级别•理解为什么生物体系中的相互作用力的尺度在1‐20 千卡/摩尔(kcal/mol)•能够解释为什么生物体系需要水才能生存•复习高分子材料的基本性质12C 原子核(2 ⨯109)Loses 0.1 amu (E = mc 2)高分子生物材料中国科大2013‐秋张国庆++++6‐‐‐‐•8氢键+++‐ m o l e‐C •••C 6离子键k c a l /C 核电子(2 ⨯104)4C 原子(3 ⨯103)配位键‐(能量1/2 ⨯4共价单键(2 ⨯102)2ππ堆积疏水相互作用非共价键(1‐20)l o g 0van der Waals 力-2He•He @52Å!(2 ⨯10‐6)~Why 1‐20 kcal/mol?Bonding 氢键Hydrogen蛋白质 螺旋DNA双螺旋酶催化细胞壁‐纤维素氢键的本质是什么？•The answer is–We don t know yet!don’t离子相互作用ionic interactions蛋白质‐盐桥DNA聚合酶DNA polymerase蛋白质‐锌手指配位相互作用π‐π堆积π‐πstacking黄色荧光蛋白YFP血红蛋白DNA双螺旋蛋白中离子‐ 相互作用药物化学‐Tacrine分子夹Interactions疏水作用Hydrophobic t 疏水作用和熵entropy 密切相关水分子自由水分子，可以取任何构象“半自由”水分子疏水基团水分子自由度受水分子被释放获得绝对“自由”到限制水分子避免接触非极性基团ΔG = ΔH ‐T ΔSΔG = ΔH ‐TΔSfoldingΔG = ΔH ‐T ΔS蛋白质折叠protein细胞膜cell membrane跨膜蛋白transmembrane protein微管蛋白microtubule烟草花叶病毒TMV范德华力van der Waals 1/R61‐20 kcal/mole WHY?本次课目标Lecture Goal •理解为什么生物体系的最小单位细胞的尺()寸在微米(micron) 级别•理解为什么生物体系中的相互作用力的尺度在1‐20 千卡/摩尔(kcal/mol)•能够解释为什么生物体系需要水才能生存•复习高分子材料的基本性质水特殊的化学物理性质高熔点高沸点（比较\•高熔点、高沸点（比较H 2S ，‐86\‐61 ︒C ）•在所有有机液体中具有最高的表面张力•较低的动态粘度系数=•具有非常高的比热容∆T Q/mc •具有很高的熔点热、蒸发热•4 ︒C 时密度最大•高极性（水和离子）、高介电常数•……水分子的结构液体水是动态高分子50 fs液体水是动态“高分子”8个价电子sp 3氢键：0度：85%40度：50%37度109冰的晶体结构水在生物体中参与的重要过程1、水的极性可以包围离子、屏蔽电荷2、水在极性生物大分子周围可以形成具有高度规整的结构3、水分子通过从有序到无序的变化可以促进蛋白质‐配体的稳定性4、水分子在非极性分子周围可以形成高度有序的冰状结构水的重要生理功能•水是细胞内外的普遍溶剂•通过氢键和疏水作用，水能够有效的稳定生物高分子和生物膜高分生物膜•水直接参与重要的生化反应，如ATP水解•水是质子来源，参与光合和呼吸作用•水是小分子、高分子的传导介质水是小分子高分子的传导介质•水直接参与高等动物的体温调控•水是重要的生物减震剂和润滑剂•……本次课目标Lecture Goal •理解为什么生物体系的最小单位细胞的尺()寸在微米(micron) 级别•理解为什么生物体系中的相互作用力的尺度在1‐20 千卡/摩尔(kcal/mol)•能够解释为什么生物体系需要水才能生存•复习高分子材料的基本性质高分子高分子是个复杂的统计系统（分子量、末•高分子是个复杂的统计系统（分子量末端距、化学组成等等），和小分子材料不同的是，高分子材料的分析必须用统计的同的是高分子材料的分析必须用统计的方法对待。

高分子的特性•熵弹力：熵弹力玻璃态转变温度T g自由体积论•自由体积理论：f T = f g + f (T ‐T g )–末端和侧基运动增加•热力学理论：热力学参数非连续变化–玻璃态为非平衡态•动力学理论：高分子链的弛豫–T g 下体积随时间收缩流变性质•剪切变稀高分子链解缠结g g–高分子链解缠结（shower gel、salad dressing）•爬杆现象–法向应力效应•挤出胀大、不稳定流动–熵弹力•不可逆性变–黏性高分子合成方法•缩合聚合化产品的重要来源–工业化产品的重要来源•链式反应–可控聚合能够产生性能优越的材料(分布均一)分布均•活性物种浓度必须很低•活性‐休眠物种之间的转换可逆•聚合反应速率相对可控•很少或者没有副反应（例如：链转移）•例如：ATRP, RAFT, ROP 等生物相容高分子•聚酯（PLA、PCL、聚木糖醇‐己二酸）聚酯聚木糖醇酸生物医学程手术缝合线–生物医学工程、手术缝合线•聚乙二醇（PEG）、聚乙烯醇–水凝胶、药物输送水凝胶药物输送•聚碳酸酯–隐形眼镜•天然高分子–甲壳素、DNA、多肽、纤维素、多糖高分子工程•高分子加工（结晶、退火……）高分子加工（结晶退火•成膜（甩膜、激光沉淀、溶剂挥发）–制药工程纳米粒子超声溶解置换•纳米粒子（超声、溶解置换）–基因疗法、药物输送•纳米线（静电纺丝）–高分子传感器、干细胞工程、组织工程纤维（熔融湿法）•纤维（熔融、湿法）–生物工程、医疗器械共轭高分子•导体‐半导体分子量分布链构象–分子量、分布、链构象•荧光、电致发光（PLED，飞利浦®）–柔性电子器件•光伏应用–激发态电荷分离（聚集和自组装）–高分子太阳能电池本次课目标Lecture Goal •理解为什么生物体系的最小单位细胞的尺()寸在微米(micron) 级别•理解为什么生物体系中的相互作用力的尺度在1‐20 千卡/摩尔(kcal/mol)•能够解释为什么生物体系需要水才能生存•复习高分子材料的基本性质。