高分子學科已經走過了100年，《Nature》《Science》雖然每週都更新，但要說正兒八經“高分子”想發NS還是真的不容易，可能一年也沒有幾篇。
上個世紀90年代有個“精神小夥”，在博士期間跟著導師一年發一篇，連發三篇，堪稱高分子領域的傳奇故事了。今天跟小編一起來回顧一下在分子水平上“穿針引線”。
談到聚輪烷（Polyrotaxane），就不得不說其組成單體——輪烷（Rotaxane），是一類由一個環狀分子套在一個啞鈴狀的線型分子上的而形成的內鎖型超分子體系。當包含多個環狀分子，則形成聚輪烷。而與輪烷相對應的即假輪烷（Pseudortaxane），又稱準輪烷，主要區別在於線型分子兩端沒有位阻基團，主體（環狀分子）與客體（線型分子）可以自由的離解和締合。其若包含多個環狀分子，則為聚準輪烷（Polypseudortaxane）。
由上可知，（準）聚輪烷是一種通過非共價鍵相互作用組合得到的超分子結構，其中就以我們最為熟悉的環糊精（CDs）為代表。因為利用環糊精與大分子間的組裝以其選擇性、可調性和生物相容性等優勢而備受關注。
1、首次報道人工合成聚輪烷
眾所周知，分子間的非共價相互作用在生物系統中是至關重要的，從而激發了科研人員對超分子組裝的研究興趣。其中，聚輪烷就是超分子領域的經典例子，將分子“轉子”通過線性“軸”穿連起來。
例如由聚合物、百草枯（化學名稱是1-1-二甲基-4-4-聯吡啶陽離子鹽，是一種快速滅生性除草劑，具有觸殺作用和一定內吸作用。）對苯二酚配合物和環糊精配合物穿線的環狀冠醚。
SCI、SSCI、EI會議/源刊I、ISTP、A&HCI
基於此，日本大阪大學Akira Harada等人發現，α-環糊精與聚乙二醇（PEG）會形成高結晶度的複合物，並且或許PEG會穿過環糊精的“燒杯狀”通道。
在1992年3月26日，Nature在線報道了“The molecular necklace: a rotaxane containing many threaded α-cyclodextrins”，即“分子項鍊”：含有許多穿過的α-環糊精的輪烷”。
具體而言，作者製備了一種化合物將其中幾個環糊精被擰在一條PEG鏈上，並通過使用封端基劑（2,4-二硝基氟苯）封蓋該鏈，該工作的成果向Stoddart及其同事提出的“分子算盤”更邁近了一步。而這種超分子組裝也被為“分子項鍊”。
圖1、“分子項鍊”的分子結構示意圖
2、首次報道人工化學合成“分子管”
基於上述成果，Akira Harada課題組和其他課題組報道了大量具有許多穿線CDs的聚輪烷。因此，科研人員開始集中注意力在大尺寸分子結構的設計和製造上，其中以電弧放電法形成碳納米管（CNTs）為代表。
因為這些CNTs的直徑為約1-30 nm，長度為約1 μm。但是無法制備尺寸更小的分子管。眾所周知，天然產物葡萄糖的環狀低聚物——環糊精（CDs），可分為α-CDs、β-CDs和γ-CDs，其直徑分別為0.45 nm、0.7 nm和0.85 nm，都含有約0.7 nm深的圓柱孔，因而有極大希望成為形成分子管組件的理想候選物。
基於前期在聚輪烷方面取得成績，日本大阪大學的Akira Harada等人繼往開來，進一步開拓該領域。在1993年8月5日，Nature在線報道了“Synthesis of a tubular polymer from threaded cyclodextrins”，即“由穿過的環糊精（CDs）合成管狀聚合物”。
本文報道了一種通過交聯在聚輪烷中相鄰CD單元以構建分子管。通過移除聚合物穿線兩端的封端劑，可以將分子管中的聚合物長鏈移除，從而充當小分子可逆結合的主體。
圖2、製備無“穿線”的聚輪烷——“分子管”
3、首次報道含有雙鏈聚合物的聚輪烷
在成功製備了有無聚合物鏈的聚輪烷後，Akira Harada等人引領了該領域的研究潮流，進而報道了大量的關於有無聚合物的聚輪烷。接著，作者又開始考慮是否可以引入兩條鏈聚合物進入聚輪烷中，來構建新的納米結構分子呢？
因此，科研人員希望通過利用超分子組裝來設計和構造納米級的分子結構。因為利用聚合物和受體之間的特定相互作用可以高效的構建納米級的分子結構。例如已合成報道的冠狀醚或環糊精為環狀組分的聚輪烷絡合物，其中幾個環狀分子穿在聚合物的主鏈或側鏈上。
基於此，日本大阪大學的Akira Harada等結合之前已取得研究成果，希望構建具有雙鏈聚合物的聚輪烷，以拓寬聚輪烷的應用。在1994年7月14日，Nature在線報道了“Double-stranded inclusion complexes of cyclodextrin threaded on poly(ethylene glycol)”，即“以環糊精為單體，聚乙二醇雙鏈複合物為穿線的聚輪烷”。
具體而言，利用聚乙二醇雙鏈複合物與γ-環糊精（γ-CDs）自組裝，其中兩個聚合物鏈穿過γ-CDs的中心。製備的這些複合物可能作為更復雜的超分子組裝體（聚索烴）的前體。
圖3、聚乙二醇雙鏈聚合物聚輪烷的可能結構
值得關注的是Akira Harada的三篇代表作，主要由他的博士生李俊在博士期間和Makiharu Kamachi合作完成，在那個年代也是一段傳奇故事，尤其是在高分子領域。
原田明簡介
原田明（harada akira，1949年9月8日-），日本著名超分子化學家，大阪大學特聘教授。Akira Harada研究方向：超分子科學，高分子合成，生物反應高分子，功能性抗體等，近年來有進一步拓展了基於環糊精（CDs）的自修復材料和分子機器等領域，還包括宏觀的分子識別、光控的宏觀分子識別等領域。
李俊簡介
李俊，博士，教授，新加坡國立大學工程學院生物醫學工程系系主任。在1992和1995獲得日本大阪大學的大分子科學的碩士和博士學位。1995到1998他在日本RIKEN從事博士後研究。1998年，他作為研究型科學家加入新加坡材料研究與工程研究所。
從2002開始，他成為新加坡國立大學生物醫學工程系的助理教授，2007年晉升為副教授，2015年晉升成為教授。李博士的研究興趣包括新型超分子結構和嵌段共聚物功能材料的製備及其在生物醫學中的應用，已經開發出具有自組裝成超分子結構和兩親性的可生物降解嵌段共聚物，作為生物材料（水凝膠，納米顆粒，膠束，納米囊泡，微納米封裝，表面塗層等）的各種應用，如藥物和基因傳遞，組織工程的能力。
到目前為止，他已經先後在Nature、Angewandte Chemie、Macromolecules 、Soft Matter 、Biomaterial 、Advanced Functional Materials發表了150餘篇SCI收錄論文，他引次數累積達到9750，H指數（學術水平指數）為51。另外還擁有9項專利和幾本專著。
相關文獻：
1、The molecular necklace: a rotaxane containing many threaded α-cyclodextrins. Nature, 1992.
鏈接：https://www.nature.com/articles/356325a0
2、Synthesis of a tubular polymer from threaded cyclodextrins. Nature, 1993.
鏈接：https://www.nature.com/articles/364516a0
3、Double-stranded inclusion complexes of cyclodextrin threaded on poly(ethylene glycol). Nautre, 1994.
鏈接：https://www.nature.com/articles/370126a0
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