Stimuli-Responsive Self-Assembly Based on
Macrocyclic Hosts and Biomedical
Applications
23
Weipeng Mao and Da Ma
Contents
23.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
23.2 Macrocyclic Host Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604
23.2.1 Cyclodextrin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
23.2.2 Cucurbituril . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606
23.2.3 Calixarene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607
23.2.4 Pillar[n]arenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609
23.3 Stimuli Types for Biomedical Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611
23.3.1 pH Responsiveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611
23.3.2 Reducing Agent Responsiveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 612
23.3.3 Reactive Oxygen Species Responsiveness . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 612
23.3.4 Photosensitive or Temperature Sensitive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
23.3.5 Guest Responsiveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
23.4 Drug Delivery Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
23.4.1 Organic/Polymeric Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614
23.4.2 Inorganic/Composite Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
23.4.3 Hydrogel Biomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629
23.4.4 Bioimaging Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635
23.5 Conclusion and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642
23.6 Cross-References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643
23.1 Introduction
Self-assembly systems, including nanoparticles, microparticles, and hydrogels, have
important biomedical applications [1–6]. Among these biomedical applications, the
most widely studied are drug delivery and bioimaging. Drug delivery is generally
used to solubilize, stabilize, or targeted deliver small-molecule or macromolecule
W. Mao · D. Ma (*)
Department of Chemistry, Fudan University, Shanghai, China
e-mail: 17110220072@fudan.edu.cn; dama@fudan.edu.cn
© Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2020
Y. Liu et al. (eds.), Handbook of Macrocyclic Supramolecular Assembly,
https://doi.org/10.1007/978-981-15-2686-2_27
603
Macrocyclic Hosts and Biomedical
Applications
23
Weipeng Mao and Da Ma
Contents
23.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
23.2 Macrocyclic Host Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604
23.2.1 Cyclodextrin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
23.2.2 Cucurbituril . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606
23.2.3 Calixarene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607
23.2.4 Pillar[n]arenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609
23.3 Stimuli Types for Biomedical Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611
23.3.1 pH Responsiveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611
23.3.2 Reducing Agent Responsiveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 612
23.3.3 Reactive Oxygen Species Responsiveness . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 612
23.3.4 Photosensitive or Temperature Sensitive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
23.3.5 Guest Responsiveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
23.4 Drug Delivery Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
23.4.1 Organic/Polymeric Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614
23.4.2 Inorganic/Composite Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
23.4.3 Hydrogel Biomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629
23.4.4 Bioimaging Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635
23.5 Conclusion and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642
23.6 Cross-References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643
23.1 Introduction
Self-assembly systems, including nanoparticles, microparticles, and hydrogels, have
important biomedical applications [1–6]. Among these biomedical applications, the
most widely studied are drug delivery and bioimaging. Drug delivery is generally
used to solubilize, stabilize, or targeted deliver small-molecule or macromolecule
W. Mao · D. Ma (*)
Department of Chemistry, Fudan University, Shanghai, China
e-mail: 17110220072@fudan.edu.cn; dama@fudan.edu.cn
© Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2020
Y. Liu et al. (eds.), Handbook of Macrocyclic Supramolecular Assembly,
https://doi.org/10.1007/978-981-15-2686-2_27
603