大分子网络体系中的反常扩散动力学机制张轩钰,戴晓彬,陈文龙,魏文杰,高丽娟,燕立唐*清华大学化学工程系,北京100084*通讯作者,E-mail:ltyan@mail.tsinghua.edu.cn收稿日期:2022-12-27;接受日期:2023-01-30;网络版发表日期:2023-03-21国家自然科学基金(编号:22025302,21873053)资助项目摘要生物大分子网络是多种生物软质体系共同的结构基础之一.深入理解纳米尺度的粒子在大分子网络中的扩散动力学对于阐明众多生命现象背后的物理机制以及设计和制造具有优异性能的生物医用功能材料有重要意义.纳米粒子在大分子网络中的运动可能会受到其周围网络链的显著影响.从物理角度看,各种生物或合成聚合物链之间的主要区别在于其本征物理性质,这些性质可以显著改变纳米粒子所经历自由能势垒的高低与分布,进而决定纳米粒子的扩散动力学行为.本文从网络链的柔顺性、网格拓扑特征以及网络的动态共价连接三个方面的本征物理性质出发,综述了本课题组近年来针对该问题基于高分子凝聚态物理理论的研究进展,特别是对这些现象背后的熵机制进行了理论解释.最后对大分子网络中粒子扩散的未来发展方向进行了展望.关键词大分子网络,扩散,动力学异质性,网络拓扑,熵效应1引言高分子凝胶是分子链经交联而成的三维网络或互穿网络与溶剂组成的体系,与生物组织非常类似,例如它们具有相似的微观结构和物理性能.其交联点可以是化学的,由共价键组成;也可以是物理交联,如结晶等.大分子网络通常由多层次结构组成,即从小到大分为链、环、网格和整个网络,具有不同的本征物理性质.大分子网络的拓扑结构使得此类体系里的相互作用能通常比较小,因此结构的转变往往由链的构象熵主导.一方面,由生物大分子组成的生物大分子网络是多种生物软质体系最普遍的结构基础之一,如黏液、细胞外基质(ECM)、生物膜和核孔等,它们围绕着细胞、组织、器官等生物功能实体.因此,纳米粒子在大分子网络的受限环境中的扩散输运动力学是其众多重要生命过程的物理基础,例如基底层或结缔组织调节分子进出血流或细胞;人体内湿的上皮细胞外的黏蛋白聚合物形成水凝胶,保护基础细胞免受传染性因子的侵害;核孔中充满的核孔蛋白聚合物可以调节蛋白质进出;哺乳动物眼中的玻璃体液使特定的抗生素渗透等[1].另一方面,高分子网络是应用最为广泛的聚合物材料之一,其应用范围涵盖化妆品、黏合剂、橡胶、医疗器械、软致动器、水凝胶和电子材料等.其中许多物理过程都可以凝练为纳米尺度的粒子或物质在网络受限环境中的扩散输运动力学问...
