《Journal of Polymer Science》：Macromolecular Materials and Their Applications: From Biomimetic Polymers to Affinity Materials
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高分子材料的多样性和基础重要性使其成为科学、医学和技术领域进步与创新的关键贡献者。本综述概述了受生物系统启发并专为选择性相互作用设计的聚合物材料的发展，借鉴了Denizli及其同事的工作。该综述调查了多种合成和天然高分子材料，如低温凝胶（cryogels）、大
高分子材料的多样性和基础重要性使其成为科学、医学和技术领域进步与创新的关键贡献者。本综述概述了受生物系统启发并专为选择性相互作用设计的聚合物材料的发展，借鉴了Denizli及其同事的工作。该综述调查了多种合成和天然高分子材料，如低温凝胶（cryogels）、大颗粒（macroparticles）、微粒（microparticles）和细菌纤维素（bacterial cellulose），并讨论了它们独特的性质和潜在用途。文章重点介绍了在设计具有仿生（biomimetic）和亲和性（affinity-based）特征的聚合物方面取得的进展，特别关注不同物理形式的分子印迹聚合物（molecularly imprinted polymers, MIPs）。研究人员探讨了这些材料在结构设计和功能能力方面的最新创新，反映了它们在科学研究以及技术和工业实际应用中日益增长的重要性。
论文主体内容总结
1 引言
高分子材料是由重复结构单元键合而成的大分子组成的物质，包括天然、半合成和合成聚合物。聚合反应分为逐步增长聚合和加成聚合两种主要机制。高分子材料在化学、材料科学和生物技术等多个科学领域具有重要意义。高分子工程是一个多学科领域，涉及聚合物的战略设计，包括链长、拓扑结构、微观结构和特定官能团等特征的定制。Adil Denizli教授团队专注于开发能够模拟生物识别或表现出选择性结合的高级聚合物材料，旨在解决当前纯化和诊断技术的局限性。他们的研究涵盖低温凝胶、微粒和细菌纤维素等多种合成和天然材料，特别强调分子印迹聚合物（MIPs）和基于亲和的系统。
2 仿生高分子材料
分子识别依赖于结构上的紧密契合，并由非共价力（静电作用、疏水作用、范德华力、氢键等）控制。科学家受自然启发，开发出能够模拟酶和受体功能的合成体系。其中，分子印迹技术因能产生具有定制结合位点的聚合物而脱颖而出。该方法首先将模板分子与互补功能单体通过非共价相互作用组装，然后通过交联将该组装体固定在聚合物基质中。去除模板后，聚合物保留了能够特异性识别和再结合目标分子的空腔。MIPs因其稳健的结构、高选择性和多功能性而备受重视。
2.1 分子印迹聚合物
分子印迹提供了一种有前景的仿生策略，可生成针对目标分子形状和官能团定制的选择性结合位点。MIPs可针对从小分子到大分子乃至整个微生物的广泛分析物进行定制。MIP的制备过程包括三个阶段：功能单体与模板分子形成预复合物、在交联剂和引发剂作用下形成聚合物网络、去除模板形成特异性识别位点。MIP的合成方法包括非共价法、半共价法、共价法和金属离子配位法，其中非共价法应用最广。功能单体的作用是提供能与目标分子强选择性结合的官能团，而交联剂则用于形成坚固刚性的聚合物网络。MIPs因其制备简便、稳定性好、选择性可与天然配体-受体相互作用相媲美而受到广泛关注，已应用于固相萃取、高效液相色谱、生物传感器等领域。
2.1.1 低温凝胶
2.1.1.1 低温凝胶的结构与形成
低温凝胶化是在溶剂冰点以下进行聚合以形成凝胶网络的方法。在此过程中，冰晶作为致孔模板，聚合反应发生在未冻结的液相中。解冻后，冰晶留下相互连通的大孔，即超大孔。这种结构有利于处理粘稠的生物流体，避免了背压和扩散限制问题。低温凝胶的性质主要由聚合物或单体组分决定，同时交联度、孔径、壁厚等因素也产生影响。快速冷冻通常会导致更小的孔径。温度梯度的存在会导致低温凝胶内部孔径分布不均匀。
2.1.1.2 大分子蛋白与酶的分离、纯化和去除应用
Derazshamshir等人设计了具有分子印迹的大孔低温凝胶，用于从人血中提取血红蛋白（Hb）。Per?in等人制备了免疫球蛋白G（IgG）印迹的温度响应性整体式低温凝胶用于IgG纯化。Anda?等人报道了一种新型蛋白质印迹复合低温凝胶，用于从人血清中选择性去除白蛋白。Bereli等人开发了印迹溶菌酶的超大孔低温凝胶，用于从蛋清中分离该蛋白。此外，还有多项研究分别针对细胞色素C、肌红蛋白、胆红素、凝血酶以及细胞外囊泡（EVs）的选择性分离和纯化，均取得了良好效果。
2.1.1.3 小分子分离应用
Akg?nüllü等人开发了一种用于L-苯丙氨酸手性分离的低温凝胶柱膜。Aydo?an等人开发了L-谷氨酸印迹低温凝胶用于选择性分离。?ztürk等人开发了一种结合分子印迹磁性二氧化硅微球的复合低温凝胶，用于选择性吸附酪氨酸。?etin等人设计了一种可植入、可降解的分子印迹低温凝胶系统，用于pH响应的阿霉素（DOX）递送。?ncel等人开发了基于丝裂霉素C分子印迹低温凝胶膜的植入式药物递送系统。Dereli等人制备了用于姜黄素递送的聚HEMA超大孔低温凝胶。
3 亲和材料
亲和层析是一种利用高度特异性分子识别机制来鉴定、纯化和分离大分子的成熟技术。其原理依赖于选择性吸附，这种吸附可以自然发生，也可以人工设计。Denizli等人开发了固定化蛋白A的聚HEMA微珠，用于从水溶液和人血浆中选择性去除HIgG。Kara等人开发了聚EGDMA-VIM水凝胶珠，用于吸附α-淀粉酶。低温凝胶吸附剂可通过多种衍生化方法实现生物亲和、离子交换、疏水相互作用、免疫亲和、染料配体亲和或固定化金属亲和色谱（IMAC）特性。例如，Denizli团队报道了用伴刀豆球蛋白A功能化的整体式聚AAm-AGE低温凝胶，用于选择性吸附IgG。Yilmaz等人开发了功能化的超大孔聚HEMA低温凝胶用于溶菌酶纯化。Aliyeva等人报道了基于DNA适配体的低温凝胶膜用于活化蛋白C（APC）的纯化。Do?an等人使用Cibacron Blue F3GA染料配体构建了用于干扰素纯化的低温凝胶。Ak?n等人开发了聚HEMA-GMA/PEI超大孔低温凝胶膜用于内毒素吸附。?etin等人开发了免疫亲和微低温凝胶用于转铁蛋白的纯化。Vasfi等人合成了功能化的大孔聚HEMA微低温凝胶，用于固定化金属亲和色谱（IMAC）纯化IgG。Sari等人开发了磁性金属螯合吸附剂用于过氧化氢酶的固定化。Tatar等人报道了使用Cibacron Blue F3GA功能化的磁性二氧化硅颗粒分离人血清白蛋白（HSA）。文章还通过表格对比了MIPs、MIP基低温凝胶、超分子主客体材料、抗体基亲和材料、适配体功能化聚合物、染料配体亲和材料、金属螯合亲和材料以及肽基亲和材料在分子识别机制、分子架构、靶标分子、主要应用、优势和局限性等方面的特点。
4 未来展望与挑战
尽管仿生和基于亲和的高分子材料取得了重大方法学进展，但在工业和临床环境中可靠实施仍面临若干挑战。首要问题是材料的不可溶性导致批间差异。建立稳健的合成标准、实时质量控制和共享参考材料至关重要。另一个主要障碍是对大型、复杂或脆弱模板（如完整细菌、病毒、细胞外囊泡）进行印迹的技术难题。发展混合识别系统，将MIPs和低温凝胶的化学耐久性与适配体、抗体片段等生物组分的精确结合能力相结合，是一个有前景的方向。将这些材料与先进的传感和微流控技术紧密结合，以实现对复杂生物样品的快速、现场检测也是一项挑战。提高材料的可持续性和可扩展性，包括采用环保型单体和致孔剂，也是未来的优先发展方向。
5 结论
高分子材料，特别是仿生和基于亲和的聚合物系统，为选择性分离、传感和生物医学应用提供了强大且多功能的平台。低温凝胶、微低温凝胶和MIPs可以通过合理设计成不同的物理形式，在高特异性、容量和可重复使用性方面取得优异表现。Denizli团队的工作展示了如何通过结合分子印迹、亲和配体和可控低温凝胶化策略，获得适用于多种目标的材料。这些系统已成功应用于蛋白质纯化、手性分离、毒素去除和控制药物递送等领域。
