CN102391427A - 对温度和氧化还原刺激响应的纳米水凝胶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对温度和氧化还原刺激响应的纳米水凝胶及其制备方法。所述纳米水凝胶，命名为“二硫交联聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖”。其制备过程：2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸的合成；2-十二烷基三硫代羰基2-甲基丙酸嫁接葡聚糖大分子的合成；聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖的合成：聚合物二硫交联聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖的合成。本发明优点，其制备方法采用可逆加成-断裂链转移自由基聚合法，过程具有聚合可控、所用试剂对生物体无毒或低毒、所得产物分子结构准确和分子量分布可控的特点；制得的对温度和氧化还原刺激响应的纳米水凝胶有着广泛应用性。

Description

对温度和氧化还原刺激响应的纳米水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明具体涉及一种对温度和氧化还原刺激响应的纳米水凝胶及其制备方法，属于功能高分子水凝胶材料技术领域。

背景技术

纳米水凝胶作为一种新型纳米材料，同时具备纳米颗粒和水凝胶的性质。其中刺激响应型纳米凝胶随着环境的微小变化，吸水量也发生变化，因此又称为“智能”纳米凝胶。通过设计选用不同的聚合物，可以实现水凝胶对温度、pH值、离子强度、光、电场等外界刺激的响应。为了使纳米水凝胶能够应用到更多领域，如体内诊断、药物控释、化学分离、化学和生物传感器、光学材料等，需要合成更加复杂的聚合物来获得先进的多功能纳米材料。

温敏型聚合物是一类在温度改变下，自身性质会发生相应变化的聚合物。这些性质包括相态、形状、表面能、反应速率、渗透速率或识别性能等。温敏型聚合物是近年发展起来的一种新型智能材料，由于其对温度的敏感性，在药物释放、固定化酶、物料分离、免疫分析等方面有广阔的应用前景。

温敏型聚合物一般都同时含有疏水基团和亲水基团。以聚异丙基丙烯酰胺为例，异丙基丙烯酰胺分子结构中存在疏水基团[-CH(CH₃)₂]及亲水基团(-CONH-)两部分。在低温时，异丙基丙烯酰胺与水的相互作用主要是酰胺基团与水分子间的氢键作用，由于氢键与范德华力的作用，大分子链周围的水分子将形成一种有氢键连接的在低温下稳定的溶剂化壳层，随着温度上升到一定温度，分子内及大分子间疏水作用加强形成疏水层，部分氢键被破坏，大分子链的溶剂化壳层被破坏，水分子从溶剂化层析出，表现为相变，产生温敏性。发生相变时的温度称为临界相转变温度(H Dautzenberg，Y Gao，M Hahn，Langmuir，2000，16：9070～9081.)。

氧化还原响应型聚合物通常在其化合物结构中含有二硫键(S-S)。二硫键会在还原剂的作用下被还原为巯基(-SH)，从而使聚合物在水溶液中发生迅速降解。同时这个反应为可逆的，在氧化剂的存在下，巯基可以被氧化为二硫键。“二硫键-巯基”  的反应对于保持正常的细胞功能具有非常重要的作用。谷胱甘肽(GSH)是生物体中最丰富的低分子量生物硫醇。因此谷胱甘肽和其氧化产物(GSSG)在生物细胞中组成了人体最重要的氧化还原对。在体液、细胞外基质、细胞表面存在着能够使GSSG稳定的蛋白质，因此在上述区域存在着较高的氧化电位。同时，在细胞内部，由于GSH还原酶的存在，使得GSH在细胞内部富集，从而维持了细胞内部的还原电位。细胞内外的氧化还原电位差可以被设计用来生物物质的传递(Y M Go，D P Jones，Bi℃himicaet Biophysica Acta，2008，1780(11)：1273～1290；G Wu，Y Z Fang，S Yang，Journal of Nutrition，2004，134(3)：489-92)。同时，肿瘤组织的还原环境要比正常组织更强。因此，还原响应型聚合物在肿瘤药物的控释领域具有很广阔的应用前景。

目前对刺激响应型聚合物的研究主要集中在温度刺激响应型聚合物和pH刺激响应型聚合物，很少有涉及具有对温度和氧化还原刺激响应的双刺激响应型纳米水凝胶的研究，且制得的聚合物的生物可降解性和生物毒性都有待优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种对温度和氧化还原刺激响应的纳米水凝胶及其制备方法，所述的水凝胶具有对温度与氧化还原刺激响应特点。其制备方法为可逆加成-断裂链转移自由基聚合法(RAFT法)，过程简单。

本发明是通过以下技术方案加以实现的：一种对温度和氧化还原刺激响应的纳米水凝胶，其特征在于，该水凝胶的分子结构式如式1所示，命名为“二硫交联聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖”(SS-DexPNI)，

式1

式中：R₁，R₂，R₃，R₄，R₅，R₆各自为H或为

其中：n为40～100；m为5～50，异丙基丙烯酰胺基团在每个大分子中的质量分数为7％～45％，分子量为8.08×10⁴～1.29×10⁵。

上述的对温度和氧化还原刺激响应的纳米水凝胶的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)链转移引发剂2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸(DTM)的合成：

按照硫醇、三辛基甲基氯化铵及氢氧化钠之间的摩尔比为1∶(0.02～0.04)∶1，将硫醇和三辛基甲基氯化铵溶于丙酮中，并在氮气保护下，在温度10℃～15℃，滴加质量浓度为50％氢氧化钠溶液形成A反应液；搅拌下，向A反应液中滴加二硫化碳与丙酮按摩尔比为1∶2～3的混合溶液，该混合溶液的体积量与A反应液的体积量比为1∶5～6，滴加完毕形成B反应液；持续搅拌下，再按B反应液中的二硫化碳与氢氧化钠摩尔比为1∶4～5，向B反应液中滴加质量分数为50％氢氧化钠溶液形成C反应液，室温搅拌12h后向C反应液中加入去离子水形成D反应液，去离子水的体积量为C反应液的体积量的0.5～1倍，搅拌下，再向D反应液中加入质量浓度为30％～35％的盐酸，其中盐酸的体积量为D反应液的体积量的0.1～02倍，最终得到黄色固体，该黄色固体用正己烷重结晶，所得黄色晶体即为2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸(DTM)。

(2)2十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸嫁接葡聚糖(DexDTM)的合成：

在氮气保护下，将步骤(1)合成的2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸溶解于二氯甲烷中，在室温下搅拌，向2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸溶液中滴加乙二酰氯溶液，在温度50℃滴加至反应溶液变成深红色为止，得到深红色反应溶液A；按照葡聚糖、二甲基氨基吡啶及三乙胺的质量比为1∶(0.3～0.4)∶(0.3～0.4)，将该三种化合物溶于无水二甲亚砜中配制成混合溶液B，再按混合溶液B的葡聚糖用量与深红色反应溶液A的DTM用量的质量比为1∶(0.4～0.55)将混合溶液B加入到深红色反应溶液A中，升温至80℃，反应24h后加入乙醇，析出沉淀即为DexDTM粗品，用截留分子量(MWCO)为3500的透析袋透析3天进行纯化，冷冻干燥即得DexDTM；

(3)聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖(DexPNI)的合成：

按照DexDTM、异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)及水溶性偶氮引发剂的质量比为1∶(0.25～4)∶(0.3～0.5)，首先将DexDTM溶解在去离子水中，配制为浓度为5～15mg/ml的溶液，然后加入异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)，及加入偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸和偶氮二异丙基咪唑啉水溶性偶氮引发剂的其中一种，在温度60～80℃反应4h，将反应液用截留分子量(MWCO)为14000的透析袋透析3天，即得聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖(DexPNI)；

(4)聚合物二硫交联聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖(SS-DexPNI)的合成：

按照聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖(DexPNI)、异丙胺及二硫苏糖醇质量比为1∶(0.5～2)∶(0.1～0.5)，首先将聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖(DexPNI)加入去离子水中，配制为浓度为5～15mg/ml的溶液，然后在氮气保护、室温和搅拌的条件下，向溶液中加入异丙胺、二硫苏糖醇反应2h，得到巯基聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖(SH-DexPNI)溶液，该溶液在温度50℃下与氧反应12h，最终得到二硫交联聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖(SS-DexPNI)。

本发明有以下几个优点。(一)纳米水凝胶同时具有刺激的温度刺激响应性及氧化还原刺激响应性。当温度高于最低临界溶解温度(LCST)，纳米水凝胶粒径大幅减小，其LCST温度范围为32～35℃；在还原剂或氧化剂的作用下，二硫键(S-S)可以通过还原成巯基(-SH)，(-SH)可以被氧化为二硫键(S-S)，纳米水凝胶的粒径也会随之改变。(二)本发明采用大分子的葡聚糖上作为聚合物的主链。葡聚糖具有高吸水性、生物可降解性、粒径可调、相对表面积大等性质，非常适合应用于药物载体、生物纳米技术、组织工程等方面。(三)本发明采用可逆加成-断裂链转移自由基聚合法(RAFT法)对聚合物进行接枝。RAFT反应具有以下几个方面的优势：(1)可用于更多单体的可控聚合；(2)实验证明很多RAFT试剂对生物体无毒或低毒；(3)所得产物分子结构准确，分子量分布可控；(4)应用RAFT自由基聚合制备的聚合物的末端官能团可用于进一步的反应，赋予聚合物新的性质。本发明的纳米水凝胶在体内诊断、药物控释、化学分离、化学和生物传感器、光学材料等方面具有较大的应用价值；也可以与多种纳米材料(如金纳米颗粒)结合，赋予纳米材料稳定性和环境响应性。

附图说明

图1为实施例1制备的DexPNI在D₂O中，当聚合物浓度为10mg/ml时，在温度25℃、32℃、34℃和40℃下的核磁共振光谱。

图2为在温度40℃下，实施例1制备的的SS-DexPNI在二硫苏糖醇作用下的水力学半径-时间曲线图。该图说明本发明的纳米凝胶具有氧化还原刺激响应性。

图3为实施例1制备的SS-DexPNI在温度25℃和温度40℃下的水力学半径，说明纳米水凝胶具有温度刺激响应性。

具体实施方式

实施例1

首先将十二硫醇(12ml)、丙酮(40ml)、三辛基甲基氯化铵(0.8ml)充分混合，将溶液加入到150ml的三口烧瓶中，控制溶液温度为5℃，往三口瓶中通N2三十分钟。将质量分数为50％的NaOH(4ml)在氮气保护和搅拌的情况下滴加入溶液中。滴加结束后反应20min。反应结束后将二硫化碳(3ml)和丙酮(8ml)的混合液滴加至上述溶液中，搅拌反应30min。然后将50％的NaOH(13ml)滴加至溶液中，常温反应12h后加入65ml水，最后加入33ml浓盐酸，得到黄色固体。黄色固体用正己烷重结晶8次，最终得到黄色片状固体，即为反应产物2-十二烷基二硫代羰基-2-甲基丙酸，简称DTM。

将0.55g DTM溶解在5ml二氯甲烷中，在氮气保护、搅拌和室温条件下，将1.5g乙二酰氯滴加至上述溶液中。滴加完毕后，溶液加热到50℃，并在50℃下反应2h，得到暗红色的溶液。将1g葡聚糖、0.38g二甲基氨基吡啶、0.31g三乙胺加入到10ml二甲基亚砜中，充分混合后加入到上述暗红色溶液中。混合液加热到80℃，并在80℃下反应24h。反应结束后，往混合液中加入无水乙醇，提取出固体。将固体透析三天后冻干，最终得到淡黄色固体，即为目标产物2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸嫁接葡聚糖，简称DexDTM。

将0.2g DexDTM溶解在40ml去离子水中，将0.20g异丙基丙烯酰胺加入到上述溶液中，再加入0.08g引发剂VA-044，在60℃反应四小时，反应结束后溶液透析3天后冻干得反应产物聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖，简称DexPNI。通过核磁分析，聚合物接枝聚异丙基丙烯酰胺的平均链长度为13.8。

将50mg DexPNI溶解在10ml水中，然后在氮气保护、室温和搅拌的条件下，将0.1ml异丙胺、10mg二硫苏糖醇加入到上述溶液中，最后在室温下反应2h，得到SH-DexPNI。将得到的5mg/ml的SH-DexPNI溶液，在氧气环境和50℃下反应12h，最终得到聚合物二硫交联聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖，简称SS-DexPNI。

通过对比SS-DexPNI纳米水凝胶在25℃和40℃下的粒径可以发现，当温度升高到相变温度以上时，纳米水凝胶的粒径相比25℃时的粒径减小了80～180nm。由此验证了该纳米水凝胶的温度刺激响应性。SS-DexPNI的临界相转变温度约为32℃。制得的纳米凝胶具有氧化还原刺激响应性，在25℃和40℃下，纳米水凝胶在二硫苏糖醇的还原作用下，通过动态光散射仪测得的粒径分别增大23nm和40nm。在还原剂二硫苏糖醇下，SS-DexPNI被还原为SH-DexPNI，通过二硫键发生的交联消失了，纳米水凝胶颗粒的结构变得相对疏松了，因此纳米水凝胶粒径增大。由此证明了该纳米水凝胶的氧化还原刺激响应性。

实施例2

2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸嫁接葡聚糖(DexDTM)的制备同实施例1。将0.2g DexDTM溶解在40ml去离子水中，将0.40g异丙基丙烯酰胺加入到上述溶液中，再加入0.08g引发剂VA-044，在60℃反应四小时，反应结束后溶液透析3天后冻干得反应产物聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖，简称DexPNI。通过核磁分析，聚合物接枝聚异丙基丙烯酰胺的平均链长度为36.9。

将50mg DexPNI溶解在10ml水中，然后在氮气保护、室温和搅拌的条件下，将0.1ml异丙胺、10mg二硫苏糖醇加入到上述溶液中，最后在室温下反应2h，得到SH-DexPNI。将得到的5mg/ml的SH-DexPNI溶液，在氧气环境和5O℃下反应12h，最终得到聚合物二硫交联聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖，简称SS-DexPNI。

实施例3

首先将十二硫醇(18ml)、丙酮(60ml)、三辛基甲基氯化铵(1.2ml)充分混合，控制溶液温度为10℃，往三口瓶中通N2三十分钟。将质量分数为50％的NaOH(4ml)在氮气保护和搅拌的情况下滴加入溶液中。滴加结束后反应30min。反应结束后将二硫化碳(5ml)和丙酮(12ml)的混合液滴加至上述溶液中，搅拌反应30min。然后将50％的NaOH(18ml)滴加至溶液中，常温反应12h后加入5Oml水，最后加入50ml浓盐酸，得到黄色固体。黄色固体用正己烷重结晶8次，最终得到黄色片状固体，即为反应产物2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸嫁接葡聚糖，简称DTM。

将0.6g DTM溶解在8ml二氯甲烷中，在氮气保护、搅拌和室温条件下，将1.8g乙二酰氯滴加至上述溶液中。滴加完毕后，溶液加热到50℃，并在50℃下反应3h，得到暗红色的溶液。将1.5g葡聚糖、0.57g二甲基氨基吡啶、0.46g三乙胺加入到15ml二甲基亚砜中，充分混合后加入到上述暗红色溶液中。混合液加热到8O℃，并在80℃下反应36h。反应结束后，往混合液中加入无水乙醇，提取出固体。将固体透析三天后冻干，最终得到淡黄色固体，即为目标产物聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖，简称DexDTM。

将0.8gDexDTM溶解在80ml去离子水中，将0.4g异丙基丙烯酰胺加入到上述溶液中，再加入0.2g引发剂VA-061，在60℃反应四小时，反应结束后溶液透析3天后冻干得反应产物聚合物二硫交联聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖，简称DexPNI。通过核磁分析，聚合物接枝聚异丙基丙烯酰胺的平均链长度为6.5。

将100mgDexPNI溶解在10ml水中，然后在氮气保护、室温和搅拌的条件下，将0.1ml异丙胺、10mg二硫苏糖醇加入到上述溶液中，最后在室温下反应2h，得到SH-DexPNI。将得到的5mg/ml的SH-DexPNI溶液，在氧气环境和50℃下反应12h，最终得到SS-DexPNI。

Claims (2)

1.一种对温度和氧化还原刺激响应的纳米水凝胶，其特征在于，该水凝胶的分子结构式如式1所示，命名为“二硫交联聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖”，

式1

式中：R₁，R₂，R₃，R₄，R₅，R₆各自为H或为

其中：n为40～100；m为5～50，异丙基丙烯酰胺基团在每个大分子中的质量分数为7％～45％，分子量为8.08×10⁴～1.29×10⁵。

2.一种制备权利要求1所述的对温度和氧化还原刺激响应的纳米水凝胶的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)链转移引发剂2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸的合成：

按照十二硫醇、三辛基甲基氯化铵及氢氧化钠之间的摩尔比为1∶(0.02～0.04)∶1，将十二硫醇和三辛基甲基氯化铵溶于丙酮中，并在氮气保护下，在温度10℃～15℃，滴加质量浓度为50％氢氧化钠溶液形成A反应液；搅拌下，向A反应液中滴加二硫化碳与丙酮按摩尔比为1∶2～3的混合溶液，该混合溶液的体积量与A反应液的体积量比为1∶5～6，滴加完毕形成B反应液；持续搅拌下，再按B反应液中的二硫化碳与氢氧化钠摩尔比为1∶4～5，向B反应液中滴加质量分数为50％氢氧化钠溶液形成C反应液，室温搅拌12h后向C反应液中加入去离子水形成D反应液，去离子水的体积量为C反应液的体积量的0.5～1倍，搅拌下，再向D反应液中加入质量浓度为30％～35％的盐酸，其中盐酸的体积量为D反应液的体积量的0.1～0.2倍，最终得到黄色固体，该黄色固体用正己烷重结晶，所得黄色晶体即为2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸(DTM)；

(2)2十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸嫁接葡聚糖的合成：

在氮气保护下，将步骤(1)合成的2-十二烷基三硫代羰基2甲基丙酸溶解于二氯甲烷中，在室温下搅拌，向2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸溶液中滴加乙二酰氯溶液，在温度50℃滴加至反应溶液变成深红色为止，得到深红色反应溶液A；按照葡聚糖、二甲基氨基吡啶及三乙胺的质量比为1∶(0.3～0.4)∶(0.3～0.4)，将该三种化合物溶于无水二甲亚砜中配制成混合溶液B，再按混合溶液B的葡聚糖用量与深红色反应溶液A的DTM用量的质量比为1∶(0.4～0.55)将混合溶液B加入到深红色反应溶液A中，升温至80℃，反应24h后加入乙醇，析出沉淀2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸嫁接葡聚糖粗品，用截留分子量(MWCO)为3500的透析袋透析3天进行纯化，冷冻干燥即得2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸嫁接葡聚糖；

(3)聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖的合成：

按照2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸嫁接葡聚糖、异丙基丙烯酰胺及水溶性偶氮引发剂的质量比为1∶(0.25～4)∶(0.3～0.5)，首先将2-十二烷基三硫代羰基-2-甲基丙酸嫁接葡聚糖溶解在去离子水中，配制为浓度为5～15mg/ml的溶液，然后加入异丙基丙烯酰胺，及加入偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸和偶氮二异丙基咪唑啉水溶性偶氮引发剂的其中一种，在温度60～80℃反应4h，将反应液用截留分子量(MWCO)为14000的透析袋透析3天，即得聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖；

(4)聚合物二硫交联聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖的合成：

按照聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖、异丙胺及二硫苏糖醇质量比为1∶(0.5～2)∶(0.1～0.5)，首先将聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖加入去离子水中，配制为浓度为5～15mg/ml的溶液，然后在氮气保护、室温和搅拌的条件下，向溶液中加入异丙胺、二硫苏糖醇反应2h，得到巯基聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖溶液，该溶液在温度50℃下与氧反应12h，最终得到二硫交联聚异丙基丙烯酰胺接枝葡聚糖。

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