聚輪烷是一種由弦和環組成的機械聯鎖分子，其中多個環螺紋連接到分子軸上，并通過兩個龐大的端基防止脫螺紋。作為輪烷的低聚或聚合物質，聚輪烷還能夠將能量輸入轉化為分子運動，因為環運動可以通過外部刺激來控制。聚輪烷幾十年來一直備受關注，因為它們可以幫助構建具有復雜分子結構的功能分子機器。盡管軸和環之間沒有共價鍵，但聚輪烷是穩定的，因為需要克服高自由活化能（吉布斯能）才能將環從軸上撤出。此外，環能夠沿軸自由穿梭和繞軸旋轉，這導致聚輪烷具有很大的內部自由度。由于這種拓撲互鎖結構，與傳統聚合物相比，聚輪烷具有許多不同的機械、電學和光學性能。此外，機械互鎖結構可以保持在滑環材料中，滑環材料是一種通過在不同聚輪烷中交聯環（稱為八字形交聯）合成的超分子網絡。在滑環材料中，環的交聯可以沿軸自由通過，以平衡螺紋聚合物網絡的張力，這類似于滑輪。有了這種特殊的結構，滑環材料由于其不同的力學性能，可以制造出高度可拉伸的工程材料。如果環和軸是可生物降解和生物相容的，則聚輪烷還可以用于生物醫學應用，例如基因/藥物遞送。與其他生物醫學聚合物（例如多糖）相比，聚輪烷的優勢在于，由于互鎖結構是由弦末端的大塞子維持的，如果去除大塞子（例如通過化學刺激去除），環會從弦上脫落。軸。劇烈的結構變化可用于程序xxx物或基因遞送，其中當塞子在特定目的地被切斷時，藥物或基因可以與環一起釋放。

根據輪烷單元的位置，聚輪烷主要可分為兩種：主鏈聚輪烷，輪烷單元位于主鏈（軸）上；側鏈聚輪烷，輪烷單元位于主鏈（軸）上。側鏈。相應的聚假輪烷也可以根據相同的原理分為：主鏈聚假輪烷或側鏈聚假輪烷，其中末端沒有終止劑。在主鏈聚輪烷或側鏈聚輪烷中，其他聚合物的獨特之處在于環單元相對于弦單元的運動可能不同。由于組件的形狀和位置能夠對溫度、pH或其他環境條件的變化表現出不同的響應，因此聚輪烷具有許多獨特的特性。

主鏈聚輪烷是由聚合物主鏈（主鏈）與環狀分子的主客體相互作用形成的，環狀分子由龐大的塞子互鎖。主鏈聚輪烷有五種主要合成路線。(1)在主鏈存在下環化。該合成路線需要環化反應的高稀釋條件。然而，在大多數情況下，很難維持輪烷形成的高稀釋條件。解決此問題的其他可能方法是模板環化，例如基于金屬螯合、變化轉移絡合或包合絡合物的環化。(2)單體輪烷單元的聚合。通過聚合穩定的輪烷單體，得到聚輪烷。該方法要求單體輪烷單元在溶劑中穩定且具有可聚合的活性基團，這意味著環不會從主鏈上脫出。(3)化學轉化。這種方法需要專門設計的線性聚合物。將設計好的單體聚合，得到具有環狀化合物前體的特殊線性聚合物。在聚合物鏈的兩側改性后，前驅體中的臨時化學鍵被裂解，在主鏈上產生環狀結構，形成聚輪烷。這種方法的缺點是在設計和合成具有前體的特殊線性聚合物以及向聚輪烷的轉變過程中需要復雜的化學過程，例如選擇性化學鍵斷裂。該方法需要許多合成步驟。(4)預制主鏈分子穿過預制環。第四種方法是合成聚輪烷的最簡單方法。通過將溶液中的主鏈聚合物和環混合，在加入大體積的塞子以防止環從鏈中脫出后，可以得到聚輪烷。每條鏈上的環數取決于螺紋平衡。由于鏈末端濃度低和熵效應導致的動力學限制也需要進一步考慮。為了克服這些障礙，模板螺紋（見下文）也是一種可行的替代方案，可以通過改變平衡常數來動態提高螺紋環的數量。(5)在預成型環的存在下產生線性大分子。這種方法包括兩種通用方法：統計方法和模板線程方法。在統計方法中，環和弦之間的相互作用是弱吸引或排斥，甚至可以忽略不計。通過使用過量的環，在聚合之前將用于穿線或脫線的平衡強制到穿線側。與合成路線1相比，環是系統的主要成分，而不是輪烷，因此該方法不需要高稀釋條件。在模板線程方法中，與統計方法不同，環和弦之間的相互作用需要有吸引力，例如合成路線1中提到的金屬螯合或電荷轉移相互作用。因此，平衡是焓驅動的，其中焓為負。在這種方法中，可以獲得大量的螺紋環，因此它是化學計量控制聚輪烷環比的有用方法。統計方法的一個例子是聚輪烷是通過聚合由低聚乙二醇（串）和冠醚（環）和萘-1,5-二異氰酸酯（塞子）組裝而成的輪烷單體來合成的。鏈環系統中的螺紋平衡。環糊精作為聚輪烷中的主體分子（環）已被廣泛研究。聚（乙二醇）可以與α-環糊精組裝形成分子鏈。聚（乙二醇）中每兩個乙烯氧基重復單元可以穿入一個α-環糊精。模型證實，重復單元形成之字形結構的距離對應于α-環糊精中空腔的大小。這是模板螺紋的經典例子，它也解釋了為什么聚（乙二醇）不能與β-環糊精形成輪烷。冠醚是另一種用于合成聚輪烷的單大環聚合物。聚輪烷可以通過在脂肪族冠醚存在下進行逐步增長聚合來制備。在大多數情況下，冠醚與OH或NH/NHCO部分之間的氫鍵以組裝形式存在。穿線效率會隨著冠狀分子大小的增加而增加。此外，塞子也將xxx提高穿線效率。金屬配位也可用于構建聚輪烷結構。該方法以金屬離子為合成模板，確定輪烷結構的配位點。共軛聚輪烷可以通過金屬模板策略合成，然后進行電聚合，確保調節環引用和共軛骨架（串）之間的電子耦合。

側鏈聚輪烷是由聚合物側鏈與環狀分子的主客體相互作用形成的，環狀分子由龐大的塞子互鎖。側鏈聚輪烷主要有以下三種：(1)多軸/轉子：由側鏈不互鎖的環狀分子組裝而成的梳狀聚合物。(2)多轉子/軸：聚合物在側鏈上具有環狀分子，與客體分子組裝形成聚假輪烷。(3)多轉子/多軸：聚合物具有共價鍵合的環狀分子部分，聚合物組裝在側鏈中。與主鏈聚輪烷的合成路線類似，側鏈聚輪烷的合成途徑主要有六種。(1)已完成接枝聚合物的穿環(2)環接法(3)輪烷接枝(4)大分子帶環聚合(5)輪烷單體的聚合(6)化學轉化類似地，鏈和環的位置可以互換，從而產生相應的側鏈聚輪烷。

在聚輪烷中，與傳統聚合物不同，分子通過機械鍵（例如氫鍵或電荷轉移）而不是共價鍵連接。此外，這些環能夠在軸上旋轉或繞軸穿梭，從而使聚輪烷具有很大的自由度。這種非常規的分子組合導致了聚輪烷的獨特性質。

由于輪烷單元末端存在終止劑，聚輪烷比聚假輪烷具有更高的熱力學穩定性（結構與聚輪烷相似，但兩端沒有終止劑）。此外，如果客體和主體分子之間的相互作用是有吸引力的，例如氫鍵或電荷轉移，它們比沒有有吸引力的相互作用的具有更好的穩定性。然而，特定的鹽、pH條件或溫度的變化會干擾或中斷環-環、環-主鏈或主鏈-主鏈之間的相互作用，會破壞聚輪烷的結構完整性。例如，二甲基甲酰胺或二甲亞砜能夠中斷環糊精基聚輪烷中環糊精之間的氫鍵。還，pH值或高溫的變化也會破壞結晶域。塞子和鏈之間的一些化學鍵在酸性或堿性溶液中不穩定。當塞子從鏈上切下時，環將從軸上脫落，從而導致聚輪烷的解離。例如，由α-環糊精和聚乙二醇組裝而成的分子項鏈不溶于水和二甲基甲酰胺，盡管它們的母體成分α-環糊精和聚乙二醇可以溶解并且這種合成可以在水中進行。該產品溶于二甲亞砜或0.1M氫氧化鈉溶液。這是因為環糊精之間的氫鍵。由于氫鍵被二甲亞砜或堿溶液破壞，它可以溶解，但水不會使環糊精之間的氫相互作用發生變形。此外，在熱力學測試中絡合過程是放熱的，這也與氫鍵的存在相對應。

當將光活性或電子活性單元引入機械互鎖結構時，聚環烷的特性之一涉及光電響應。例如，聚輪烷結構能夠增強接枝在環和末端的其他分子上的熒光猝滅分子。熒光化學感應的放大可以通過使用聚輪烷結構來實現，這增強了聚合物中的能量遷移。發現空穴-電子對快速遷移到輪烷位點之后是快速結合，導致能量遷移增強。此外，這些聚輪烷的電導率低于母體組分。還可以通過在聚輪烷結構中采用金屬鍵合來獲得導電聚輪烷。例如，含有共軛骨架的聚輪烷可以通過金屬模板和電聚合來合成。當使用另一種具有更強結合能力的金屬去除之前的離子時，金屬離子的結合是可逆的，這導致了支架效應的可逆性。自由配位點和有機基質能夠由不穩定的支架維持。

已經研究了許多機械互鎖的分子來構建分子機器。由于分子通過機械鍵而不是傳統的共價鍵連接，一個組件可以圍繞另一個母組件移動（穿梭）或旋轉，這導致機械聯鎖分子的大量自由度。聚輪烷作為相應輪烷的聚合物形式，也應用于分子機器中。例如，分子穿梭的穿梭行為可以通過溶劑或溫度來控制。由于環和弦之間的疏水相互作用，以及環和接頭之間的排斥相互作用，能夠影響這些相互作用的條件可用于控制分子穿梭中環的移動性。此外，如果使用陽離子或陰離子單元形成聚輪烷，溶液中的鹽或pH值也會影響環和弦之間的電荷相互作用，這是控制分子穿梭環運動的另一種方法。聚[2]輪烷菊花鏈（就像一串菊花，莖連接形成鏈）是可用于形成分子肌肉的分子的一個例子。聚[2]輪烷可以響應外界刺激而膨脹或收縮，這與肌肉的行為相似，是構建分子肌肉的理想模型。鏈上的環站可以通過pH值或光來控制。由于菊花鏈結構，菊花鏈上的兩個環會從一個站點轉移到另一個站點，這會改變兩個環之間的距離以及整個菊花鏈的狀態。當環靠近時，菊花鏈的整體尺寸會增加，這就是展開狀態。隨著環到達更遠的位置，分子隨著尺寸的減小而變為收縮狀態。

通過化學交聯聚輪烷中所含的環，通過八字形交聯拓撲互鎖獲得滑動凝膠。雖然它是一種聚合物網絡（凝膠），但環不固定在聚合物網絡中的聚輪烷上，環的交聯鍵可以沿聚合物鏈自由移動。這可以均衡網絡的張力，就像滑輪方式一樣，稱為滑輪效應。在化學凝膠中，聚合物鏈很容易斷裂，因為非均相聚合物的長度是有限的或固定的。結果，當化學凝膠處于高壓下時，張力不能完全平衡。相反，網絡中最薄弱的部分會更容易被破壞，從而導致凝膠的損壞。然而，在滑環材料中，聚合物鏈可以通過像滑輪一樣的八字形交聯，平衡網絡的張力。因此，滑環材料被用于構??造高度可拉伸的材料，拉伸時的長度可達其長度的24倍，并且此過程是可逆的。

雖然聚輪烷是由組分形成的，但它們的溶解度與主體或客體分子不同。例如，在基于環糊精的聚輪烷中，由于環糊精的親水性或外部結構的高極性，盡管客體分子是疏水的或非極性的，但一些聚輪烷能夠溶解在水或其他極性溶劑中。這些水溶性可應用于藥物或基因載體。應用于藥物/基因遞送的聚輪烷有兩個主要優點。

因為機械聯鎖結構由弦末端的大塞子保持，如果大塞子被移除，例如通過化學刺激移除，環從軸上脫出。劇烈的結構變化可用于程序化藥物或基因遞送，當塞子在特定目的地切斷時，藥物或基因可以隨環釋放。例如，可以通過使用由環、主鏈、然后通過二硫鍵（或可以在體內被選擇切割的其他化學鍵）連接的終止物形成的聚輪烷來獲得增強的基因遞送載體。陽離子功能化的聚輪烷可以通過靜電相互作用與pDNA結合形成復合物。谷胱甘肽（或其他可以裂解敏感化學鍵的相應化學物質）在靶細胞中過度表達。當聚輪烷/質粒DNA(pDNA)復合物被靶細胞攝取時，細胞間谷胱甘肽可裂解二硫鍵，切斷聚輪烷末端的塞子，導致聚輪烷解離。當環從鏈上脫出時，pDNA與環分子一起釋放。

聚（假）輪烷的另一個優點是能夠長期釋放藥物或基因。一些聚輪烷可以用來形成物理水凝膠，稱為超分子水凝膠。在這些情況下，可以獲得由聚（假）輪烷形成的三維物理交聯網絡，該網絡能夠在該網絡中保留大量的水。如果在溶液中加入水溶xxx物或基因，則可以將其包裹在超分子水凝膠中。此外，聚（假）輪烷單元中可采用功能單元，增強聚（假）輪烷與包封藥物/基因之間的相互作用，并為載體提供其他預定功能。隨著網絡在水基環境中進一步膨脹，部分載體會逐漸溶解，