一种光控合成水凝胶的方法及由该方法获得的水凝胶

摘要

一种光控合成水凝胶的方法，包括以下步骤：1）先将四臂聚乙丙交酯‑聚乙二醇‑降冰片烯聚合物加水混合制得四臂聚乙丙交酯‑聚乙二醇‑降冰片烯聚合物溶液；2）再向上述溶液中加入二硫苏糖醇，于紫外光下照射即可。本发明首先合成四臂聚乙丙交酯‑聚乙二醇‑降冰片烯聚合物，后配置聚合物水溶液，然后加入二硫苏糖醇，在紫外光条件下，通过巯烯点击化学反应，获得了一种具有良好细胞相容性的光控合成水凝胶，可用于药物释放、细胞装载以及组织三维打印技术。

权利要求

1.一种光控合成水凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A）先将四臂聚乙丙交酯聚乙二醇-降冰片烯聚合物加水混合得四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液；

B）再向上述溶液中加入二硫苏糖醇，于紫外光下照射5～9min即可；

所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物由四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇聚合物与5-降冰片烯-2-羧酸反应制得，所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇聚合物由线性聚乙丙交酯-聚乙二醇和羧基化的季戊四醇通过酯化反应得到；

步骤A）中，四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液的浓度为10wt%～60wt%；

步骤B）中，二硫苏糖醇的加入量与四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液的用量比为（0.3～0.5）g：5mL；

所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物的具体合成过程为：（1）合成线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物：取0.008 mol聚乙二醇，加入丙交酯和乙交酯在干燥氮气保护下加热混合熔融，加入0.025mmol辛酸亚锡，体系升温至140～160℃，继续反应6～8h，加入二氯甲烷和冰乙醚提纯得线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物；所述丙交酯、乙交酯和聚乙二醇的摩尔比为（1～9）：1：1；（2）合成四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物：先将0.01 mol的丁二酸酐溶于300 mL的无水1,4-二氧六环中，加入0.01 mol的4-二甲基吡啶及0.01 mol的三乙胺于25～30 ℃下反应1h，再加入0.0025mol的季戊四醇于25～30 ℃下反应48～72h得到羧基化的季戊四醇，加入步骤（1）的线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物，于氮气保护下分别加入0.005 mol的N,N’- 二环己基碳二亚胺与0.005 mol 的4-二甲基吡啶，于25～30 ℃下反应24 h～36 h，产物提纯，得到四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物，产物提纯操作为：先加入二氯甲烷溶解，再加入二氯甲烷10倍体积量以上的冰乙醚沉淀即可；（3）将步骤（2）四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物溶于200 mL二甲基亚砜中，加入二碳酸二叔丁酯和4-二甲氨基吡啶，同时加入5-降冰片烯-2-羧酸，在40～50 ℃下反应24～36 h，旋蒸去除溶剂，得到四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物；所述二碳酸二叔丁酯、 4-二甲氨基吡啶、5-降冰片烯-2-羧酸摩尔比为1:1:1，5-降冰片烯-2-羧酸与季戊四醇的摩尔比4:1。

2.由权利要求1所述的光控合成水凝胶的方法获得的水凝胶。

说明书

一种光控合成水凝胶的方法及由该方法获得的水凝胶

技术领域

[0001] 本发明属于材料技术领域，具体涉及一种光控合成水凝胶的方法及由该方法获得的水凝胶。

背景技术

[0002] 水凝胶常被用于医学领域，特别是组织工程领域，比如具有微工程结构的水凝胶被应用于药物或者细胞的装载与控制释放[Biomaterials,2007,28,5087]。水溶性高分子聚乙二醇水凝胶被广泛应用于组织工程领域，比如药物释放和调控干细胞分化等[Science,2007,316,1133；Adv.Mater.,2009,21,3307]。聚乙丙交酯是一种合成高分子，因为具有良好的生物相容性和降解性能。聚乙二醇可以与聚酯类高分子通过共聚的方式形成响应性共聚物[Nature.,1997,388.60]，比如，聚乙丙交酯-聚乙二醇-聚乙丙交酯[Chem.Soc.Rev.,2008,37]、聚乙二醇-聚己内酯嵌段共聚物[Macromolecules.,2006,39,4873]、单甲醚聚乙二醇-聚己内酯嵌段共聚物[Tissue Eng.,2006,12,2863]等。此类嵌段共聚物具有用于细胞装载凝胶的潜力。Mrityunjoy等在聚乙二醇上引入二硫基团，制备水凝胶并用于细胞的包裹与装载，水凝胶的降解速度与装载细胞的类型有关系[Biomaterials.,2016,77,186]。此外，也可以点击化学方法制备水凝胶，苏州大学邓超等通过简单的光控“四唑-烯”点击化学方法制备了一种聚乙二醇水凝胶，该水凝胶可以用于细胞的包裹[CN103396554B]。华东师范大学贺小华等将聚(N-异丙基丙烯酰胺)和β-环糊精共同修饰的接枝聚合物PELG-g-(PNIPAM/β-CD)与偶氮苯修饰的二代树枝状分子(Me-G2-Azo)溶于水中，在光响应下可以形成凝胶[CN104292475B]。青岛大学夏建飞等通过酯化反应将四唑连接到多肽分子上，然后与端基修饰甲基丙烯基团的双链DNA按照一定比例混合，在37℃条件下通过紫外照射形成凝胶[CN103992486B]。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种光控合成水凝胶，同时提供其制备方法是本发明的又一发明目的。

[0004] 基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

[0005] 一种光控合成水凝胶的方法，包括以下步骤：A)先将四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物加水混合得四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液；B)再向上述溶液中加入二硫苏糖醇，于紫外光下照射5～9min即可；

[0006] 所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物由四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇聚合物与5-降冰片烯-2-羧酸反应制得，所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇聚合物由线性聚乙丙交酯-聚乙二醇和羧基化的季戊四醇通过酯化反应得到。

[0007] 步骤A)中，四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液的浓度为10wt％～60wt％；步骤B)中，二硫苏糖醇的加入量与四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液的用量比为(0.3～0.5)g：5mL。

[0008] 所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物的具体合成过程为：

[0009] (1)合成线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物：取0.008mol聚乙二醇，加入丙交酯和乙交酯在干燥氮气保护下加热使其混合熔融，加入0.025mmol辛酸亚锡，体系升温至140～160℃，继续反应6～8h，加入二氯甲烷和冰乙醚提纯得线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物；
所述丙交酯、乙交酯和聚乙二醇的摩尔比为(1～9)：1：1；

[0010] (2)合成四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物：先将0.01mol的丁二酸酐溶于300mL的无水1,4-二氧六环中，加入0.01mol的4-二甲基吡啶及0.01mol的三乙胺于25～30℃下反应1h，再加入0.0025mol的季戊四醇于25～30℃下反应48～72h得到羧基化的季戊四醇，加入步骤(1)的线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物，于氮气保护下分别加入0.005mol的N,N’-二环己基碳二亚胺与0.005mol的4-二甲基吡啶，于25～30℃下反应24h～36h，产物提纯，得到四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物，产物提纯操作为：先加入二氯甲烷溶解，再加入二氯甲烷10倍体积量以上的冰乙醚沉淀即可；

[0011] (3)将步骤(2)四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物溶于200mL二甲基亚砜中，加入二碳酸二叔丁酯和4-二甲氨基吡啶，同时加入5-降冰片烯-2-羧酸，在40～50℃下反应24～36h，旋蒸去除溶剂，得到四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物；所述二碳酸二叔丁酯、4-二甲氨基吡啶、5-降冰片烯-2-羧酸摩尔比为1:1:1，5-降冰片烯-2-羧酸与季戊四醇的摩尔比4:1。

[0012] 所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物的具体合成路线为：

[0013] ⅰ)先合成线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物，其反应历程为：

[0014]

[0015] ⅱ)再合成四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物，其反应历程为：

[0016]

[0017] 由所述的光控合成水凝胶的方法获得的水凝胶。

[0018] 本发明首先合成四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物，后配置聚合物水溶液，再加入二硫苏糖醇，在紫外光条件下，通过巯烯点击化学反应，获得了一种具有良好细胞相容性的光控合成水凝胶，可用于药物释放、细胞装载以及组织三维打印技术。

[0019] 与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

[0020] (1)使用的四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物，一个分子上有四个降冰片烯基团，极大提高了反应的速率；

[0021] (2)采用的巯烯点击化学反应为生物正交性反应，反应选择性高，制备的水凝胶具有良好的细胞相容性；

[0022] (3)制备水凝胶过程中无需加入催化剂，只需要在紫外光的照射下即可完成反应；

[0023] (4)本发明通过四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液固定后，调控二硫苏糖醇加入量进行调控合适的成胶时间，保证当水凝胶用于药物或者细胞时，可以在成胶前使药物或细胞分布均匀，并且易于操作，这是因为，形成凝胶时间过短时，细胞分散不均匀，当时间过长时，则会影响到细胞活性；

[0024] (5)本发明使用的四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物和未见文献报道，水凝胶的制备过程步骤简单，可操作性强，有利于本发明在生物医用领域的推广。

附图说明

[0025] 图1为线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物的凝胶渗透色谱测试图及分子量测试结果。

[0026] 图2为制备水凝胶的过程示意图。

[0027] 图3为四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物水凝胶包载骨髓间充质干细胞，并培养三天后在激光共聚焦显微镜下观测的细胞图。

具体实施方式

[0028] 以下结合实施例对本发明做进一步描述。

[0029] 实施例1

[0030] 一种光控合成水凝胶的方法，包括以下步骤：

[0031] 1)先将四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物加水混合得四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液；四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液的浓度为10wt％；

[0032] 2)取5ml上述溶液中加入0.5g二硫苏糖醇，于紫外光下照射5min即可。操作流程示意图见图2所示。

[0033] 所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物的具体合成过程为：

[0034] (1)合成线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物(PLGA-PEG-PLGA-OH)：取0.008mol聚乙二醇，加入丙交酯和乙交酯混合熔融，在干燥氮气保护下加入0.025mmol辛酸亚锡，体系升温至140℃，继续反应8h，加入二氯甲烷和冰乙醚提纯得线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物；所述丙交酯、乙交酯和聚乙二醇的摩尔比为1：1：1；

[0035] (2)合成四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物：先将0.01mol的丁二酸酐溶于300mL的无水1,4-二氧六环中，加入0.01mol的4-二甲基吡啶及0.01mol的三乙胺于25～30℃下反应1h，再加入0.0025mol的季戊四醇于30℃下反应48h得到羧基化的季戊四醇，加入步骤(1)的线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物，于氮气保护下分别加入0.005mol的N,N’-二环己基碳二亚胺与0.005mol的4-二甲基吡啶，于25℃下反应24h，产物提纯，得到四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物，产物提纯操作为：先加入二氯甲烷溶解，再加入二氯甲烷10倍体积量以上的冰乙醚沉淀即可；

[0036] (3)将步骤(2)四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物溶于200mL二甲基亚砜中，加入二碳酸二叔丁酯和4-二甲氨基吡啶，同时加入5-降冰片烯-2-羧酸，在40℃下反应24h，旋蒸去除溶剂，得到四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物；所述二碳酸二叔丁酯、4-二甲氨基吡啶、5-降冰片烯-2-羧酸摩尔比为1:1:1，5-降冰片烯-2-羧酸与季戊四醇的摩尔比4:1。

[0037] 实施例2

[0038] 一种光控合成水凝胶的方法，包括以下步骤：

[0039] 1)先将四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物加水混合得四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液；四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液的浓度为60wt％；

[0040] 2)取5ml上述溶液加入0.5g二硫苏糖醇，混匀，于紫外光下照射5min即可。

[0041] 所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物的具体合成过程为：

[0042] (1)合成线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物(PLGA-PEG-PLGA-OH)：取0.008mol聚乙二醇，油浴加热到120℃，熔融后加入丙交酯和乙交酯，在干燥氮气保护下加热使其完全熔融，加入0.025mmol辛酸亚锡，体系升温至150℃，继续反应6h，加入二氯甲烷和冰乙醚提纯得线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物；所述丙交酯、乙交酯和聚乙二醇的摩尔比为5：1：1；

[0043] (2)合成四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物：先将0.01mol的丁二酸酐溶于300mL的无水1,4-二氧六环中，加入0.01mol的4-二甲基吡啶及0.01mol的三乙胺于25℃下反应1h，再加入0.0025mol的季戊四醇于25℃下反应72h得到羧基化的季戊四醇，加入步骤(1)的线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物，于氮气保护下分别加入0.005mol的N,N’-二环己基碳二亚胺与0.005mol的4-二甲基吡啶，于25℃下反应36h，产物提纯，得到四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物，产物提纯操作为：先加入二氯甲烷溶解，再加入二氯甲烷10倍体积量以上的冰乙醚沉淀即可；

[0044] (3)将步骤(2)四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物溶于200mL二甲基亚砜中，加入二碳酸二叔丁酯和4-二甲氨基吡啶，同时加入5-降冰片烯-2-羧酸，在40℃下反应36h，旋蒸去除溶剂，得到四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物；所述二碳酸二叔丁酯、4-二甲氨基吡啶、5-降冰片烯-2-羧酸摩尔比为1:1:1，5-降冰片烯-2-羧酸与季戊四醇的摩尔比4:1。

[0045] 实施例3

[0046] 一种光控合成水凝胶的方法，包括以下步骤：

[0047] 1)先将四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物加水混合得四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液；四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液的浓度为50wt％；

[0048] 2)取5ml上述溶液加入0.4g二硫苏糖醇，混匀，于紫外光下照射5min即可。

[0049] 所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物的合成步骤如下：

[0050] (1)合成线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物(PLGA-PEG-PLGA-OH)：取0.008mol聚乙二醇，加入丙交酯和乙交酯，在干燥氮气保护下加热使其混合熔融，加入0.025mmol辛酸亚锡，体系升温至160℃，继续反应6h，加入二氯甲烷和冰乙醚提纯得线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物；所述丙交酯、乙交酯和聚乙二醇的摩尔比为9：1：1；

[0051] (2)合成四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物：先将0.01mol的丁二酸酐溶于300mL的无水1,4-二氧六环中，加入0.01mol的4-二甲基吡啶及0.01mol的三乙胺于30℃下反应1h，再加入0.0025mol的季戊四醇于30℃下反应48h得到羧基化的季戊四醇，加入步骤(1)的线性聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物，于氮气保护下分别加入0.005mol的N,N’-二环己基碳二亚胺与0.005mol的4-二甲基吡啶，于30℃下反应24h，产物提纯，得到四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物，产物提纯操作为：先加入二氯甲烷溶解，再加入二氯甲烷10倍体积量以上的冰乙醚沉淀即可；

[0052] (3)将步骤(2)四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇共聚物溶于200mL二甲基亚砜中，加入二碳酸二叔丁酯和4-二甲氨基吡啶，同时加入5-降冰片烯-2-羧酸，在50℃下反应24h，旋蒸去除溶剂，得到四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物；所述二碳酸二叔丁酯、4-二甲氨基吡啶、5-降冰片烯-2-羧酸摩尔比为1:1:1，5-降冰片烯-2-羧酸与季戊四醇的摩尔比4:1。

[0053] 实施例4

[0054] 一种光控合成水凝胶的方法，与实施例1不同之处在于：

[0055] 1)先将四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物加水混合得四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液；四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液的浓度为40wt％；

[0056] 2)取5ml上述溶液加入0.35g二硫苏糖醇，混匀，于紫外光下照射5min即可。

[0057] 其余同实施例1。

[0058] 实施例5

[0059] 一种光控合成水凝胶的方法，与实施例1不同之处在于：

[0060] 1)先将四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物加水混合得四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液；四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液的浓度为30wt％；

[0061] 2)取5ml上述溶液加入0.3g二硫苏糖醇，混匀，于紫外光下照射7min即可。

[0062] 其余同实施例1。

[0063] 实施例6

[0064] 一种光控合成水凝胶的方法，与实施例1不同之处在于：

[0065] 1)先将四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物加水混合得四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液；四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液的浓度为20wt％；

[0066] 2)取5ml上述溶液加入0.4g二硫苏糖醇，混匀，于紫外光下照射9min即可。

[0067] 其余同实施例1。

[0068] 实施例7

[0069] 一种光控合成水凝胶的方法，与实施例1不同之处在于：

[0070] 1)先将四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物加水混合得四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液；四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶液的浓度为10wt％；

[0071] 2)取5ml上述溶液加入0.5g二硫苏糖醇，混匀，于紫外光下照射5min即可。

[0072] 其余同实施例1。

[0073] 1、分子量测定

[0074] 采用渗透色谱测试乙丙交酯-聚乙二醇共聚物的凝胶进行分子量测试，样品重复三次，结果见图1所示。由图1可知，所得到的乙丙交酯-聚乙二醇共聚物的凝胶的三次测试所得分子量依次为3022、3112、2999，接近理论分子量Mth 3000，聚合物分散指数PDI接近1。

[0075] 2、效果实验：装载细胞实验

[0076] 装载骨髓间充质干细胞水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

[0077] (1)将四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物溶解在水中，配置浓度为40wt％的四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯共聚物水溶液；四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯聚合物的合成同实施例1。

[0078] (2)采用注射器吸取5ml四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-降冰片烯共聚物水溶液均匀注射在培养皿上，加入0.5g二硫苏糖醇混匀，置于紫外灯下照射5min后形成凝胶。

[0079] 最后将装载有细胞的水凝胶注入到培养板内，并加入营养液，并放入37℃二氧化碳培养箱内。培养三天后，用2.5％戊二醛固定12h，然后用DAPI和鬼笔环肽对细胞进行染色，在激光共聚焦显微镜下观察细胞形貌(图3)。

[0080] 由图3可知，培养三天后细胞的数量增加，同时也进一步表明本发明制得的凝胶具有良好的细胞相容性。