CN102770407A - 交联的两性离子水凝胶 - Google Patents

交联的两性离子水凝胶 Download PDF

Info

Publication number
CN102770407A
CN102770407A CN201080055967XA CN201080055967A CN102770407A CN 102770407 A CN102770407 A CN 102770407A CN 201080055967X A CN201080055967X A CN 201080055967XA CN 201080055967 A CN201080055967 A CN 201080055967A CN 102770407 A CN102770407 A CN 102770407A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydrogel
crosslinked
cbmax
integer
alkyl
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201080055967XA
Other languages
English (en)
Inventor
S·江
L·R·卡尔
H·薛
W·杨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Washington Center for Commercialization
Original Assignee
University of Washington Center for Commercialization
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Washington Center for Commercialization filed Critical University of Washington Center for Commercialization
Publication of CN102770407A publication Critical patent/CN102770407A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L33/00—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides or nitriles thereof; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L33/04—Homopolymers or copolymers of esters
    • C08L33/14—Homopolymers or copolymers of esters of esters containing halogen, nitrogen, sulfur, or oxygen atoms in addition to the carboxy oxygen
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K41/00—Medicinal preparations obtained by treating materials with wave energy or particle radiation ; Therapies using these preparations
    • A61K41/10—Inactivation or decontamination of a medicinal preparation prior to administration to an animal or a person
    • A61K41/17—Inactivation or decontamination of a medicinal preparation prior to administration to an animal or a person by ultraviolet [UV] or infrared [IR] light, X-rays or gamma rays
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/28—Materials for coating prostheses
    • A61L27/34—Macromolecular materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/52—Hydrogels or hydrocolloids
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L29/00—Materials for catheters, medical tubing, cannulae, or endoscopes or for coating catheters
    • A61L29/08—Materials for coatings
    • A61L29/085—Macromolecular materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L29/00—Materials for catheters, medical tubing, cannulae, or endoscopes or for coating catheters
    • A61L29/14—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. lubricating compositions
    • A61L29/145—Hydrogels or hydrocolloids
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L31/00—Materials for other surgical articles, e.g. stents, stent-grafts, shunts, surgical drapes, guide wires, materials for adhesion prevention, occluding devices, surgical gloves, tissue fixation devices
    • A61L31/08—Materials for coatings
    • A61L31/10—Macromolecular materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L31/00—Materials for other surgical articles, e.g. stents, stent-grafts, shunts, surgical drapes, guide wires, materials for adhesion prevention, occluding devices, surgical gloves, tissue fixation devices
    • A61L31/14—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L31/145—Hydrogels or hydrocolloids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C229/00—Compounds containing amino and carboxyl groups bound to the same carbon skeleton
    • C07C229/02—Compounds containing amino and carboxyl groups bound to the same carbon skeleton having amino and carboxyl groups bound to acyclic carbon atoms of the same carbon skeleton
    • C07C229/04—Compounds containing amino and carboxyl groups bound to the same carbon skeleton having amino and carboxyl groups bound to acyclic carbon atoms of the same carbon skeleton the carbon skeleton being acyclic and saturated
    • C07C229/06—Compounds containing amino and carboxyl groups bound to the same carbon skeleton having amino and carboxyl groups bound to acyclic carbon atoms of the same carbon skeleton the carbon skeleton being acyclic and saturated having only one amino and one carboxyl group bound to the carbon skeleton
    • C07C229/10—Compounds containing amino and carboxyl groups bound to the same carbon skeleton having amino and carboxyl groups bound to acyclic carbon atoms of the same carbon skeleton the carbon skeleton being acyclic and saturated having only one amino and one carboxyl group bound to the carbon skeleton the nitrogen atom of the amino group being further bound to acyclic carbon atoms or to carbon atoms of rings other than six-membered aromatic rings
    • C07C229/12—Compounds containing amino and carboxyl groups bound to the same carbon skeleton having amino and carboxyl groups bound to acyclic carbon atoms of the same carbon skeleton the carbon skeleton being acyclic and saturated having only one amino and one carboxyl group bound to the carbon skeleton the nitrogen atom of the amino group being further bound to acyclic carbon atoms or to carbon atoms of rings other than six-membered aromatic rings to carbon atoms of acyclic carbon skeletons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F26/00—Homopolymers and copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a single or double bond to nitrogen or by a heterocyclic ring containing nitrogen
    • C08F26/02—Homopolymers and copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a single or double bond to nitrogen or by a heterocyclic ring containing nitrogen by a single or double bond to nitrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/02—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
    • C08J3/03—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
    • C08J3/075—Macromolecular gels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L33/00—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides or nitriles thereof; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L33/04—Homopolymers or copolymers of esters
    • C08L33/06—Homopolymers or copolymers of esters of esters containing only carbon, hydrogen and oxygen, which oxygen atoms are present only as part of the carboxyl radical
    • C08L33/10—Homopolymers or copolymers of methacrylic acid esters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/54—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving glucose or galactose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Y—ENZYMES
    • C12Y101/00—Oxidoreductases acting on the CH-OH group of donors (1.1)
    • C12Y101/03—Oxidoreductases acting on the CH-OH group of donors (1.1) with a oxygen as acceptor (1.1.3)
    • C12Y101/03004—Glucose oxidase (1.1.3.4)
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2433/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers
    • C08J2433/04—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers esters
    • C08J2433/14—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers esters of esters containing halogen, nitrogen, sulfur, or oxygen atoms in addition to the carboxy oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L2201/00—Properties
    • C08L2201/54—Aqueous solutions or dispersions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L2312/00—Crosslinking
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2333/00—Assays involving biological materials from specific organisms or of a specific nature
    • G01N2333/90—Enzymes; Proenzymes
    • G01N2333/902—Oxidoreductases (1.)
    • G01N2333/904—Oxidoreductases (1.) acting on CHOH groups as donors, e.g. glucose oxidase, lactate dehydrogenase (1.1)
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/31504—Composite [nonstructural laminate]
    • Y10T428/31786—Of polyester [e.g., alkyd, etc.]

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

两性离子交联剂，由两性离子单体与两性离子交联剂的共聚制备的交联的两性离子水凝胶，用于制备交联的两性离子水凝胶的方法，包括所述交联的两性离子水凝胶的设备以及利用所述交联的两性离子水凝胶的方法。

Description

交联的两性离子水凝胶
与相关申请的交叉引用
本申请要求2009年11月6日递交的美国专利申请号61/259,074的权益，明确地在此以其全部通过引用而并入。
政府许可权利声明
本发明是以海军研究办公室授予的、N000140910137和N000140711036之下的政府支持进行的。政府在本发明中有一定的权力。
发明背景
水凝胶长久以来就是对于生物学和生物材料应用而言所感兴趣的，这是因为它们的高水含量模拟间质组织环境，确保高的扩散通透性，并提供生物模拟性的机械强度。特别感兴趣的是PEG水凝胶和聚(2-羟基乙基丙烯酸甲酯)(pHEMA)水凝胶，因为除了水凝胶的一般特性之外,它们还通常被认为是低污染的，生物惰性的和万用的。
pHEMA水凝胶被用于下列应用中，并就下列应用对其进行了研究：例如，特别是隐形眼镜，人工角膜，药物递送媒介，软骨替代物以及组织支架。然而，pHEMA的水合低于天然组织的水合，并且其污染虽然低，仍高于其它非污染性材料。此外，通过羟基而使pHEMA官能化通常是困难的。
PEG水凝胶被常规地使用，并且当将其它的官能团引入PEG水凝胶中时，其仅可以用于受控的体外和体内应用的特定的附加生物活性官能进行修饰而用于需要生物惰性背景的应用。然而，发现了PEG经受氧化。PEG对于氧化损伤的敏感性降低了其对于需要长期材料稳定性的应用的效用。然而，对于要求最大的生物稳定性和非污染的应用，基于PEG的材料是不足以的。
最近，显示了两性离子化合物（包括聚(羧基甜菜碱丙烯酸甲酯)(pCBMA，图示1，结构1)是超低污染性的，这意味着以这些聚合物涂覆的表面允许少于5ng/cm2的蛋白吸附。还显示了以两性离子聚(羧基甜菜碱丙烯酸甲酯)涂覆的表面极大地抵抗非特异性的蛋白吸附（甚至是来自未稀释的血浆和血清的），并且还阻止绿脓假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的长期细菌定殖（在室温下直至10天）。两性离子材料的超低污染性是由于相反电荷周围的高水合以及去除那种水合层所需的高能量。此外，通过常规的EDC/NHS化学而使CBMA(羧基甜菜碱丙烯酸甲酯)可官能化。
由于两性离子材料的高水合和超低污染特性，两性离子水凝胶作为具有优越稳定性的水凝胶是生物医学应用所感兴趣的。显示了硫代甜菜碱丙烯酸甲酯(SBMA)和混合电荷水凝胶上的低蛋白附着，以及羧基甜菜碱丙烯酸甲酯凝胶上的低细胞附着。然而，目前为止所研究的两性离子水凝胶显示出了低机械强度，这限制了其潜在的生物学应用。因此，对于具有改善的机械特性的水凝胶存在需求。
对这些两性离子水凝胶的另一个根本性的限制特征是亲水性交联剂的缺乏。最常用的商业上可得的"亲水性"交联剂是N,N'-亚甲基双(丙烯酰胺)(MBAA，图示1，结构2)。此交联剂在非常低的浓度下是水溶性的，其在10%左右的交联剂浓度时仅中度可溶，特别是在对于形成两性离子水凝胶而言理想的盐溶液中。对于与pSBMA和pCBMA聚合而言的其它问题是可聚合部分的内在不相容性：交联剂的非常不同的化学结构可导致不良地整合到生长中的甲基丙烯酸酯聚合物链中。也许MBAA作为两性离子水凝胶中的交联剂的最不可接受的特征是其不以两性离子单体所进行的方式来构造水。两性离子材料中相反电荷周围的结构化的水提供了非污染的机制;MBAA将破坏有序的水并呈现出蛋白质、细菌、甚至细胞可结合和污染水凝胶的位置。此外，MBAA交联剂不是可官能化的。
对于保持非交联两性离子水凝胶的有利特性的交联的两性离子水凝胶存在需求。本发明寻求满足这一需要并提供其它相关的优势。
发明概述
本发明提供了：两性离子交联剂，通过使两性离子单体与所述两性离子交联剂共聚而制备的交联的两性离子水凝胶，用于制造交联的两性离子水凝胶的方法和包括所述交联的两性离子水凝胶的设备，以及使用所述交联的两性离子水凝胶的方法。
一方面，本发明提供了具有下式的交联剂:
Figure BDA00001747458500031
其中
R1和R2独立地选自：氢，氟，三氟甲基，C1-C6烷基，和C6-C12芳基;
R3选自C1-C6烷基，C6-C12芳基，CH2=C(R1)-L1-，和CH2=C(R2)-L2-;
L1和L2独立地选自：-C(=O)O-(CH2)n-和-C(=O)NH-(CH2)n-，其中n为1至20的整数;
L3是-(CH2)n-，其中n是1至20的整数;
A1是C，S，SO，P或PO;
X-是与N+阳离子中心相缔合的反离子;以及
M+是与(A1=O)O-阴离子中心相缔合的反离子。
在一个实施方案中，A1是C或SO。
另一方面，本发明提供了以本发明的交联剂交联的交联水凝胶。在一个实施方案中，所述交联水凝胶包含具有重复单元和多个交联的交联聚合物,
其中每个重复单元具有下式:
Figure BDA00001747458500041
其中
R4选自：氢，氟，三氟甲基，C1-C6烷基，和C6-C12芳基;
R5和R6独立地选自：烷基和芳基，或与其所连接的氮一起形成阳离子中心;
L4是使阳离子中心[N+(R5)(R6)]与聚合物主链[-(CH2-CR4)n-]共价偶联的连接子;
L5是使阴离子中心[A2(=O)-O-]与阳离子中心共价偶联的连接子;
A2是C，S，SO，P或PO;
M+是与(A2=O)O-阴离子中心相缔合的反离子;
X-是与阳离子中心相缔合的反离子;
n是5至约10,000的整数;并且
其中每个交联具有下式:
其中
R1和R2独立地选自：氢，氟，三氟甲基，C1-C6烷基，和C6-C12芳基;
R3选自C1-C6烷基，C6-C12芳基，CH2=C(R1)-L1-，CH2=C(R2)-L2-，或R3是第三交联的残余部分-L1-CR1-CH2-或-L2-CR2-CH2-);
L1和L2独立地选自-C(=O)O-(CH2)n-和-C(=O)NH-(CH2)n-，其中n是1至20的整数;
L3是-(CH2)n-，其中n是1至20的整数;
A1是C，S，SO，P或PO;
x是约5至约10,000的整数;
X-是与N+阳离子中心相缔合的反离子；且
M+是与(A=O)O-阴离子中心相缔合的反离子。
在另一个实施方案中，所述交联水凝胶包含具有重复单元的交联聚合物，其中每个重复单元具有下式:
Figure BDA00001747458500051
其中
R7和R8独立地选自：氢，氟，三氟甲基，C1-C6烷基和C6-C12芳基;
R9，R10和R11独立地选自烷基和芳基，或与其所连接的氮一起形成阳离子中心;
A3(=O)-OM)是阴离子中心，其中A3是C，S，SO，P或PO，且M是金属或有机反离子;
L6是使阳离子中心[N+(R9)(R10)(R11)]与聚合物主链共价偶联的连接子;
L7是使阴离子中心[A(=O)-OM]与聚合物主链共价偶联的连接子;
X-是与阳离子中心相缔合的反离子;
n是5至约10,000的整数;且
p是5至约10,000的整数。
另一方面，本发明提供了基质表面，其中所述表面包括本发明的交联水凝胶。
附图说明
通过参考下面的详细描述并与附图相结合，将更好地理解从而更容易认可本发明的前述方面以及许多所伴随的优势。
图1显示了羧基甜菜碱单体，羧基甜菜碱丙烯酸甲酯(CBMA)(1)，N,N'-亚甲基二(丙烯酰胺)(MBAA)(2)，和羧基甜菜碱二甲基丙烯酸酯(CBMAX)(3)的化学结构。
图2是代表性的本发明的两性离子交联剂羧基甜菜碱二甲基丙烯酸酯(CBMAX)(3)和羧基甜菜碱二甲基丙烯酸酯(CBMA3X)(4)的合成的图示。
图3A和3B比较了本发明的代表性两性离子交联水凝胶CBMAX-交联的CBMA水凝胶(CBMAX)与MBAA-交联的CBMA水凝胶(MBAA)的水合特性:体积分数(图3A)，膨胀水凝胶中聚合物的体积量;以及平衡水含量(EWC)(图3B)，膨胀水凝胶中水的重量，作为交联剂含量(%)的函数。实心的柱状代表CBMAX-交联的CBMA水凝胶，而空心柱状代表MBAA-交联的CBMA水凝胶。
图4比较了CBMAX-与MBAA-交联的CBMA水凝胶的相对细胞附着，作为交联剂含量(%)的函数。相对于pHEMA水凝胶的细胞附着使CBMA水凝胶的细胞附着归一化。
图5比较了CBMAX-和MBAA-交联的CBMA水凝胶的压缩模数(MPa)，作为交联剂含量(%)的函数。将水凝胶压缩至破坏，所报道的模数取自前10%应变。实心菱形代表CBMAX-交联的CBMA水凝胶，而空心方形代表MBAA-交联的CBMA水凝胶。
图6A和6B比较了CBMAX-和MBAA-交联的CBMA水凝胶的物理特性:交联密度(μmol/mm3)(图6A)和筛孔尺寸(nm)(图6B)，每种都作为交联剂浓度(%)的函数，是由机械和膨胀特性计算出来的。实心的菱形代表CBMAX-交联的CBMA水凝胶，而空心方形代表MBAA-交联的CBMA水凝胶。
图7比较了通过光聚合制备的、本发明的代表性两性离子交联聚合物CBMA/CBMAX的水合特性(EWC)，作为交联剂含量(mol%)的函数。
图8比较了通过光聚合制备的、本发明的代表性两性离子交联聚合物CBMA/CBMAX的压缩强度(MPa)，作为交联剂含量(%)的函数。
图9比较了通过光聚合制备的、本发明的代表性两性离子交联聚合物CBMA/CBMAX的压缩模数(MPa)，作为交联剂含量(%)的函数。
图10是具有交联梯度的、本发明的代表性两性离子交联水凝胶CBMA/CBMAX的制备的图示。
图11比较了具有交联梯度的、本发明的代表性两性离子交联聚合物CBMA/CBMAX的水合特性(EWC)，作为交联剂浓度(%)的函数。
图12比较了具有交联梯度的、本发明的代表性两性离子交联聚合物CBMA/CBMAX的交联剂密度(μmo l/mm3)，作为交联剂浓度(%)的函数。
图13比较了具有交联梯度的、本发明的代表性两性离子交联聚合物CBMA/CBMAX的压缩模数(MPa)，作为交联剂浓度的函数(%)。
图14比较了具有交联梯度的、本发明的代表性两性离子交联聚合物CBMA/CBMAX的筛孔尺寸(nm)，作为交联剂浓度(%)的函数。
图15是代表性CBMA/CBMAX梯度水凝胶的照片:显示了4%CBMA-XCBMA水凝胶的5-mm直径盘(A)和75%CBMAX-水凝胶的方形(B)，与代表性梯度水凝胶(C)相比，以通过伴随CBMAX交联的颜色来表明梯度。
图16的图表明了交联剂含量(%)，其作为沿代表性梯度水凝胶的距离(cm)的函数。
图17比较了代表性CBMA/CBMAX水凝胶的水含量(EWC)，其作为CBMAX含量(0.1，1，10和20%)的函数。
图18A-18H是比较3天培养后，代表性CBMA/CBMAX水凝胶上的COS-7细胞附着的图像:水凝胶CBMAX含量0.1%（GOx固定之前(图18A)和之后(图18B)），1%水凝胶（GOx固定之前(图18C)和之后(图18D)），10%水凝胶（GOx固定之前(图18E)和之后(图18F)），以及20%水凝胶（GOx固定之前(图18G)和之后(图18H)）。
图19A-19D比较了1，10，25和40天时，涂覆了代表性CBMA/CBMAX水凝胶的葡萄糖传感器的电流应答(nA)，作为PBS中葡萄糖浓度(mM)的函数。水凝胶CBMAX含量0.1%(图19A)，1%(图19B)，10%(图19C)和20%(图19D)。运行电势:+0.75V vs.Ag/AgCl参考电极。
图20A-20D比较了1，10，25和40天时，涂覆了代表性CBMA/CBMAX水凝胶的葡萄糖传感器的电流应答(nA)，作为100%血清中葡萄糖浓度(mM)的函数：水凝胶CBMAX含量0.1%(图20A)，1%(图20B)，10%(图20C)和20%(图20D)。运行电势:+0.75V vs.Ag/AgCl参考电极。
图21比较了未稀释的血清中OA-GNP，OC-GNP，CA-GNP和CC-GNP的流体动力学大小。通过离心和在测量前重新分散在PBS中而去除了血清蛋白。
图22比较了与未稀释的血清相混合的OA-GNP，OC-GNP，CA-GNP和CC-GNP的流体动力学大小。
发明详述
本发明提供了：两性离子交联剂，通过使两性离子单体与所述两性离子交联剂共聚而制备的交联的两性离子水凝胶，用于制造交联的两性离子水凝胶的方法，以及包括所述交联的两性离子水凝胶的设备和使用所述交联的两性离子水凝胶的方法。
两性离子交联剂
一方面，本发明提供了两性离子交联剂。所述两性离子交联剂可与合适的可聚合单体及共聚单体共聚，以提供交联聚合物和交联共聚物。
所述两性离子交联剂有利地被用于制备交联聚合物和交联共聚物，例如交联水凝胶，这是通过与一种或多种两性离子单体共聚，或通过与一种或多种带电的共聚单体（例如离子对共聚单体）共聚。
本发明的两性离子交联剂具有式(I):
Figure BDA00001747458500081
其中
R1和R2独立地选自：氢，氟，三氟甲基，C1-C6烷基和C6-C12芳基;
R3选自C1-C6烷基，C6-C12芳基，CH2=C(R1)-L1-或CH2=C(R2)-L2-;
L1和L2独立地选自-C(=O)O-(CH2)n-和-C(=O)NH-(CH2)n-，其中n是1至20的整数;
L3是-(CH2)n-，其中n是1至20的整数;并且
A1是C，S，SO，P或PO;
X-是与N+阳离子中心相缔合的反离子;且
M+是与(A=O)O-阴离子中心相缔合的金属或有机反离子。
在一个实施方案中，R1，R2和R3是C1-C3烷基。在一个实施方案中，R1，R2和R3是甲基。
在一个实施方案中，L1和L2为-C(=O)O-(CH2)n-，其中n为1-6。在一个实施方案中，L1和L2为-C(=O)O-(CH2)2-。
在一个实施方案中，L3为-(CH2)n-，其中n为1-6。在一个实施方案中，L3为-(CH2)-。
在一个实施方案中，A1为C。在一个实施方案中，A1为SO。
图1显示了本发明的代表性两性离子交联剂的化学结构，见化合物3，在本文中称为CBMAX。实施例1中描述了本发明的代表性两性离子交联剂CBMAX的制备，并且在图2中图示地显示。
交联的两性离子水凝胶
另一方面，本发明提供了由两性离子单体与所述两性离子交联剂的共聚而制备的交联的两性离子水凝胶。所述两性离子交联剂可与合适的可聚合单体及共聚单体共聚以提供交联的聚合物和交联的共聚物。
本发明的交联水凝胶是具有源自所述两性离子交联剂的重复基团和交联的交联聚合物。
两性离子单体.在一个实施方案中，本发明的交联水凝胶是由所述两性离子交联剂与合适的可聚合两性离子单体共聚而制备的交联聚合物。在这一实施方案中，所述交联聚合物(例如水凝胶)具有重复单元，所述重复单元具有式(II):
Figure BDA00001747458500091
其中
R4选自：氢，氟，三氟甲基，C1-C6烷基和C6-C12芳基;
R5和R6独立地选自：烷基和芳基，或与其所连接的氮一起形成阳离子中心;
L4是使阳离子中心[N+(R5)(R6)]与聚合物主链[-(CH2-CR4)n-]共价偶联的连接子;
L5是使阴离子中心[A2(=O)O-]与阳离子中心共价偶联的连接子;
A2是C，S，SO，P或PO;
M+是与(A2=O)O-阴离子中心相缔合的金属或有机反离子;
X-是与阳离子中心相缔合的反离子;
n是5至约10,000的整数;和
*代表所述重复单元与相邻的重复单元或与两性离子交联共价连接的点。
在一个实施方案中，R4为C1-C3烷基。
R5和R6独立地选自烷基和芳基，或与其所连接的氮一起形成阳离子中心。在一个实施方案中，R5和R6为C1-C3烷基。
在某些实施方案中，L4选自-C(=O)O-(CH2)n-和-C(=O)NH-(CH2)n-，其中n是1至20的整数。在某些实施方案中，L4是-C(=O)O-(CH2)n-，其中n是1-6。
在某些实施方案中，L5是-(CH2)n-，其中n是1至20的整数。
在某些实施方案中，A2是C或SO。
在某些实施方案中，n是5至约5,000的整数。
在一个实施方案中，R4，R5和R6是甲基，L4是-C(=O)O-(CH2)2-，L5是-(CH2)-，A1是C，且n是10至约1,000的整数。
除了有具有含有上面式(II)的重复单元的交联聚合物(例如水凝胶)之外，交联聚合物包括具有式(III)的两性离子交联:
Figure BDA00001747458500101
其中R1，R2，R3，L1，L2，L3，A1，X-和M+如上面对于两性离子交联剂所描述的(式(I))，且x是约5至约10,000的整数。对于其中R3包括可聚合的基团的交联水凝胶，所述水凝胶还通过R3交联，如上面所示(-L1-CR1-CH2-和-L2-CR2-CH2-)。
可通过使具有式(IV)的单体与两性离子交联剂共聚而制备本发明的交联两性离子水凝胶:
CH2=C(R4)-L4-N+(R5)(R6)-L5-A2(=O)O-M+X-        (IV)
其中R4，R5，R6，L4，L5，A2，X-和M+如上文中对于式(II)的重复单元所描述的。
本发明的代表性交联两性离子聚合物具有式(V):
PB-(L4-N+(R5)(R6)-L5-A2(=O)O-M+)n    (X-)n(V)
其中R5，R6，L4，L5，A2，X-，M+和n如上文中对于式(II)的重复单元所描述的，且PB是包括重复单元[式(II)]和交联[式(III)]的聚合物主链。
实施例2中描述了本发明的代表性交联两性离子水凝胶CBMA/CBMAX的制备和特征。
交联的混合电荷水凝胶
另一方面，本发明提供了由离子对共聚单体与两性离子交联剂的共聚而制备的交联的混合电荷共聚物(或水凝胶)。
如本文中所使用的，术语“混合电荷共聚物(或水凝胶)”是指具有聚合物主链、多个带正电的重复单元，和多个带负电的重复单元的共聚物。在本发明的实施中，这些共聚物可通过离子对共聚单体的聚合而制备。
混合电荷共聚物包括多个带正电的重复单元，和多个带负电的重复单元。在一个实施方案中，所述混合电荷共聚物是基本上电中性的。如本文中所使用的，术语“基本上电中性的”是指赋予共聚物有利的非污染特性的共聚物。在一个实施方案中，基本上电中性的共聚物是具有基本上为零的净电荷的共聚物(即具有大约相同数目的带正电的重复单元和带负电的重复单元的共聚物)。在一个实施方案中，带正电的重复单元的数目与带负电的重复单元的数目的比例为约1:1.1至约1:0.5。在一个实施方案中，带正电的重复单元的数目与带负电的重复单元的数目的比例为约1:1.1至约1:0.7。在一个实施方案中，带正电的重复单元的数目与带负电的重复单元的数目的比例为约1:1.1至约1:0.9。
离子对共聚单体.在一个实施方案中，本发明的交联水凝胶是由使两性离子交联剂与合适的可聚合离子对共聚单体共聚而制备的交联聚合物。
可用于本发明的代表性离子对共聚单体具有式(VI)和(VII):
CH2=C(R7)-L6-N+(R9)(R10)(R11)X-   (VI)
CH2=C(R8)-L7-A3(=O)-OM            (VII)
在这一实施方案中，交联聚合物(例如水凝胶)有具有重复单元，所述重复单元具有式(VIII):
Figure BDA00001747458500121
其中
R7和R8独立地选自：氢，氟，三氟甲基，C1-C6烷基和C6-C12芳基;
R9，R10和R11独立地选自烷基和芳基，或与其所连接的氮一起形成阳离子中心;
A3(=O)-OM)是阴离子中心，其中A3是C，S，SO，P或PO，且M是金属或有机反离子;
L6是使阳离子中心[N+(R9)(R10)(R11)]与聚合物主链共价偶联的连接子;
L7是使阴离子中心[A(=O)-OM]与聚合物主链共价偶联的连接子;
X-是与阳离子中心相缔合的反离子;
n是5至约10,000的整数;
p是5至约10,000的整数;且
*代表代表所述重复单元与相邻的重复单元或与两性离子交联共价连接的点。
在一个实施方案中，R7和R8是C1-C3烷基。
R9，R10和R11独立地选自烷基和芳基，或者与其所连接的氮一起形成阳离子中心。在一个实施方案中，R9，R10和R11为C1-C3烷基。
在某些实施方案中，L6选自-C(=O)O-(CH2)n-和-C(=O)NH-(CH2)n-，其中n是1至20的整数。在某些实施方案中，L6为-C(=O)O-(CH2)n-，其中n是1-6。
在某些实施方案中，L7是C1-C20烯烃链。代表性的L7基团包括-(CH2)n-，其中n为1-20(例如1，3或5)。
在某些实施方案中，A3是C，S，SO，P或PO。
在某些实施方案中，n是5至约5,000的整数。
在一个实施方案中，R7，R8，R9，R10和R11是甲基，L6和L7是-C(=O)O-(CH2)2-，A1是C，且n是10至约1,000的整数。
除了有具有含有上面式(VIII)的重复单元的交联共聚物(例如水凝胶)之外，交联聚合物包括具有式(III)的两性离子交联。
本发明的代表性交联两性离子聚合物具有式(IX):
PB-[L6-N+(R9)(R10)(R11)]n[L7-A3(=O)-O-M+)]p    (X-)n    (IX)
其中L6，N+(R9)(R10)(R11)，L7，A3(=O)OM，X-，n和p如上文所描述的，且PB是包括重复单元[式(VIII)]和交联[式(III)]的聚合物主链。
下面是对于上述式(I)-(IX)的交联剂、单体、共聚单体、聚合物、共聚物和交联的描述。
在上面的式中，PB是聚合物主链。代表性的聚合物主链包括源自乙烯基单体的乙烯基主链(例如-C(R')(R″)-C(R″')(R″″)-，其中R'，R″，R″'和R″'独立地选自氢，烷基和芳基)(例如丙烯酸酯，甲基丙烯酸酯，丙烯酰胺，甲基丙烯酰胺，苯乙烯)。其它合适的主链包括提供侧基的聚合物主链。其它的代表性聚合物主链包括肽（多肽)，尿烷(聚氨酯)和环氧主链。
类似地，在上面的式中，CH2=C(R)-是可聚合的基团。将认可的是，可使用其它可聚合的基团（包括上文所示的那些）来提供本发明的单体和聚合物。
在上面的式中，N+是阳离子中心。在某些实施方案中，所述阳离子中心是季铵(例如与L4，R5，R6和L5相连接的N)。除了铵之外，其它有用的阳离子中心(R5和R6，连同N)包括咪唑鎓,三唑鎓,吡啶鎓,吗啉鎓,噁唑烷鎓,吡嗪鎓,哒嗪鎓,嘧啶鎓,哌嗪鎓和吡咯烷鎓。
R4，R5，R6，R9，R10和R11独立地选自氢，烷基和芳基。代表性的烷基包括C1-C10直链和分支烷基。在某些实施方案中，所述烷基还经一个或多个取代基取代，所述取代基包括例如，芳基(例如-CH2C6H5，苄基)。代表性的芳基包括C6-C12芳基，这包括例如苯基。对于上面的式的某些实施方案，R5和R6，或R9，R10和R11连同N+一起形成阳离子中心。
L4(或L6)是将阳离子中心与聚合物主链共价偶联的连接子。在某些实施方案中，L4包括使L4的剩余部分与聚合物主链(或单体的可聚合部分)偶联的官能团(例如酯或酰胺)。除了所述官能团之外，L4可包括C1-C20烯烃链。代表性的L4基团包括-C(=O)O-(CH2)n-和-C(=O)NH-(CH2)n-，其中n是1-20(例如3)。
L5是将阳离子中心与阴离子基团(即(A=O)O-)共价偶联的连接子。L5可以是C1-C20烯烃链。代表性的L5基团包括-(CH2)n-，其中n是1-20(例如1，3或5)。
L7是将聚合物主链与阴离子基团共价偶联的连接子。L7可以是C1-C20烯烃链。代表性的L7基团包括-(CH2)n-，其中n是1-20(例如1，3或5)。
A(=O)-O-是阴离子中心。阴离子中心可以是羧酸(A为C)，亚磺酸(A为S)，磺酸(A为SO)，次膦酸(A为P)或膦酸(A为PO)。
在上面的式中，代表性的烷基包括C1-C30直链和分支烷基。在某些实施方案中，所述烷基进一步经一个或多个取代基取代，所述取代基包括例如芳基(例如，-CH2C6H5，苄基)。
代表性的芳基包括C6-C12芳基，这包括例如苯基，包括经取代的苯基(例如苯甲酸)。
X-是与阳离子中心相缔合的反离子。所述反离子可以是产生自阳离子聚合物或单体(例如Cl-，Br-，I-)的合成的反离子。起初由阳离子中心的合成产生的所述反离子也可与其它合适的反离子交换以提供具有受控的水解特性和其它生物学特性的聚合物。代表性的疏水性反离子包括羧酸根，例如苯甲酸和脂肪酸阴离子(例如CH3(CH2)nCO2 -，其中n=1-19);烷基磺酸根(例如CH3(CH2)nSO3 -，其中n=1-19);水杨酸根;乳酸根;二(三氟甲基磺酰基)酰胺阴离子(N-(SO2CF3)2);以及它们的衍生物。其它的反离子也可选自氯离子，溴离子，碘离子，硫酸;硝酸;高氯酸(ClO4);四氟硼酸(BF4);六氟磷酸(PF6);三氟甲基磺酸(SO3CF3);以及它们的衍生物。其它合适的反离子包括疏水性反离子和具有治疗活性的反离子(例如抗微生物试剂，例如水杨酸(2-羟基苯甲酸)，苯酸，乳酸)。
对于单体，R1和R2[式(I)]以及R4[式(IV)]，选自氢，氟，三氟甲基，和C1-C6烷基(例如甲基，乙基，丙基，丁基)。在一个实施方案中，R1，R2和R4为氢。在一个实施方案中，R1，R2和R4为甲基。
以交联的两性离子水凝胶处理的表面
在另一个方面，本发明提供了经交联的两性离子水凝胶处理过的表面。本发明的、两性离子聚合物可水解的交联的两性离子水凝胶，可被有利地用作各种设备的表面涂层，所述设备包括例如医疗设备。
本发明的水凝胶被有利地用作涂覆表面以提供生物相容的，抗细菌的和无污染的表面。因此，在另一个方面，本发明提供了具有下述表面（即一个或多个表面）的设备和材料，向所述表面上应用了(例如涂覆，共价偶联，离子缔合，疏水缔合)一种或多种本发明的交联两性离子水凝胶。可用本发明的水凝胶有利地处理、经修饰以包括本发明的水凝胶、或掺入本发明的水凝胶的代表性设备和载体包括:
颗粒(例如纳米颗粒)，其具有经本发明的水凝胶处理的、经修饰以包括本发明的水凝胶或掺入本发明的水凝胶的表面;
药物载体，其具有经本发明的材料处理的、经修饰以包括本发明的材料或掺入本发明的材料的表面;
非病毒基因递送系统，其具有经本发明的水凝胶处理的、经修饰以包括本发明的水凝胶或掺入本发明的水凝胶的表面;
生物传感器，其具有经本发明的水凝胶处理的、经修饰以包括本发明的水凝胶或掺入本发明的水凝胶的表面;
用于生物加工或生物分离的设备，例如用于微生物悬浮、激素分离、蛋白分级、细胞分离、废水处理、寡糖生物反应器、蛋白超滤和乳品加工的膜，其具有经本发明的水凝胶处理的、经修饰以包括本发明的水凝胶或掺入本发明的水凝胶的表面;
可植入的传感器，其具有经本发明的水凝胶处理的、经修饰以包括本发明的水凝胶或掺入本发明的水凝胶的表面;
皮下传感器，其具有经本发明的水凝胶处理的、经修饰以包括本发明的水凝胶或掺入本发明的水凝胶的表面;
植入体，例如乳房植入体，耳蜗植入体和牙植入体，其具有经本发明的水凝胶处理的、经修饰以包括本发明的水凝胶或掺入本发明的水凝胶的表面;
隐形眼镜，其具有经本发明的水凝胶处理的、经修饰以包括本发明的水凝胶或掺入本发明的水凝胶的表面;
组织支架，其具有经本发明的水凝胶处理的、经修饰以包括本发明的水凝胶或掺入本发明的水凝胶的表面;
可植入的医疗设备，例如人工关节，人工心脏瓣膜，人工血管，起搏器，左心室辅助设备(LVAD)，动脉移植物和支撑架(stent)，其具有经本发明的水凝胶处理的、经修饰以包括本发明的水凝胶或掺入本发明的水凝胶的表面;和
医疗设备，例如耳引流管，饲管，青光眼引流管，脑积水分流器，角膜补体，神经引导管，尿管，组织附着物和x射线引导，其具有经本发明的水凝胶处理的、经修饰以包括本发明的水凝胶或掺入本发明的水凝胶的表面。
可被本发明的水凝胶有利地处理的、经修饰以包括本发明的水凝胶或掺入本发明的水凝胶的其它代表性基质和表面包括：在织物，例如服装(例如外衣，衬衫，裤子，内衣，包括例如医院和军队工作人员所穿着的)，寝具(例如毯子，床单，枕套，床垫和枕头)，毛巾和擦拭物中的。
可被本发明的水凝胶有利地处理的、经修饰以包括本发明的水凝胶或掺入本发明的水凝胶的其它代表性基质和表面包括工作表面，例如桌面，桌子和台面。
下面是对本发明的代表性两性离子交联水凝胶(CBMA/CBMAX)的描述。
如上文所述，本发明提供了两性离子交联剂以改善非污染性pCBMA水凝胶的机械特性而不使用污染性交联剂。图1的结构3中显示了代表性两性离子交联剂-基于CBMA的二甲基丙烯酸酯交联剂(CBMAX)-的结构。除了下述以外，所述交联物与CBMA单体的化学结构相同：在阳离子季胺基和阴离子羧基之间有一个碳间隔子而不是两个，并且所述季胺上的两个甲基之一被第二个甲基丙烯酸酯基团替代了。所述交联剂在1M盐溶液中显示出出色的溶解性，并且它的两性离子基团确保了，与MBAA不同，其将在pCBMA水凝胶中跨过交联而提供结构化的水的连续性。研究了用定制的、基于磷酰胆碱的交联剂制造的基于两性离子磷酰胆碱(PC)的水凝胶的水结构并且观察到了PC交联的两性离子水凝胶与MBAA交联的两性离子水凝胶相比在水方面的定性差异(Goda T,Watanabe J,Takai M,Ishihara K.Water structure and improved mechanicalproperties of phospholipid polymer hydrogel withphosphorylcholine centered intermolecular cross-linker.Polymer 2006;47:1390-1396;和Goda T,Matsuno R,Konno T,TakaiM,Ishihara K.Protein adsorption resistance and oxygenpermeability of chemically crosslinked phospholipid polymerhydrogel for ophthalmologic biomaterials.J Biomed Mater Res BAppl Biomater 2009;89:184-190)。与由两性离子单体和MBAA制成的水凝胶相比，由两性离子单体和两性离子交联剂制成的水凝胶具有更多的冰样的结合水，并且两性离子交联的两性离子水凝胶的改善的机械特性归因于水的增加的秩序。
实施例1中描述了本发明的代表性两性离子交联剂1-羧基-N-甲基-N-二(2-甲基丙烯酰氧基-乙基)甲铵内盐(CBMX)的制备。所述制备显示在图2中。
实施例2中描述了本发明的代表性两性离子交联水凝胶(CBMA/CBMAX)的制备。
实施例3中描述了通过光聚合作用制备的、本发明的代表性两性离子交联水凝胶（CBMA/CBMAX）的制备和特性。
实施例4中描述了通过光聚合作用制备的且具有交联梯度的、本发明的代表性两性离子交联水凝胶（CBMA/CBMAX）的制备和特性。
实施例5中描述了本发明的代表性两性离子交联水凝胶（CBMA/CBMAX）在葡萄糖生物传感器中的应用。
含有CBMAX的CBMA水凝胶的水合特性
由于水凝胶的高水含量通常映现出生物学组织中的水含量，水凝胶对于生物学应用而言是有吸引力的。使用等式(1)和(2)计算了CBMA水凝胶的膨胀特性:使用了脱水之前和之后的水凝胶盘的质量和尺寸来分别计算凝胶的平衡水含量和体积分数。图3A和3B显示了对于MBAA交联的水凝胶（直至17%交联剂的溶解度极限）和对于CBMA交联的水凝胶（从2%CBMAX至100%CBMAX）(分别为空白和实心的柱状)所测量的平衡水含量(图3A)和体积分数(图3B)。如所预期的，交联剂含量的增加引起水合和膨胀的减少。在100%CBMAX时，水合跌至约60%平衡水含量，此值对于如此大量的交联而言是显著地高的。
如这些附图所示，当CBMA与CBMAX或MBAA交联时，在水含量方面似乎没有差别。
含有CBMAX的CBMA水凝胶的非污染特性
就非污染性测试了用4% CBMAX，4% MBAA，17% CBMAX和17% MBAA制成的CBMA水凝胶，以及CBMAX水凝胶。选择了低交联剂含量是因为其为实际处理的最低含量，而选择了17%交联剂水凝胶是因为17%是MBAA掺入的上限;预期这种组合最清楚地表明这两种水凝胶的污染特性间的任何差异。将成纤维细胞(COS-7)接种在经抗生素灭菌的水凝胶上，并允许其在经补充的生长培养基中生长三天。第三天时，视觉上定量细胞附着:对于每种水凝胶制剂收集15个显微镜图像，并计数附着至凝胶的细胞绝对数目。
在图4中定量地比较附着至每种制剂的水凝胶的细胞数目（作为交联剂含量的函数），并且相对于附着至pHEMA水凝胶的细胞数目进行归一化。实心柱状代表CBMAX交联的水凝胶，而空心柱状代表MBAA交联的水凝胶。最右侧的柱状代表对照pHEMA水凝胶。相对于低污染的pHEMA，所有的CBMA水凝胶都显示出细胞粘附方面的显著减少(约80-90%)，特别是在经补充的生长培养基中。pHEMA本身显示出仅仅小比例的在TCPS上的细胞附着。
在低交联剂含量时，CBMAX和MBAA交联的水凝胶都具有非常少的污染，其为pHEMA水凝胶的污染的约10-15%(在误差内是相同的)。在更高的交联剂含量时，存在显著的差异：CBMAX交联的水凝胶保持是非常无污染的(为pHEMA的约10%)，而MBAA交联的水凝胶的污染变差了(至pHEMA的约20%)。此外，甚至100%的CBMAX水凝胶显示出轻度交联的CBMA水凝胶的相同的低污染水平(pHEMA水凝胶的约10%)。因此，MBAA的掺入损坏CBMA水凝胶的非污染特性，这有可能是通过破坏两性离子聚合物链周围的有序水，而CBMA交联剂提供分子水平的化学作用和水合的连续性，从而保持CBMA水凝胶内的非污染特性。这些结果由通过ELISA测量非特异性蛋白吸附而得到了支持。
CBMA水凝胶的RGD-官能化
与上文所述的非污染研究相似，使用17% CBMAX和17% MBAA水凝胶制成的CBMA水凝胶显示出其用于官能化的能力。用cRGD（在所有的整合素上找到的细胞结合基序）对所述水凝胶进行后官能化（post-functionalized），其中利用传统的EDC/sulfoNHS化学作用。在对照水凝胶上进行没有EDC的相同的化学作用。将COS-7细胞接种在经EDC/sulfoNHS-cRGD处理的水凝胶上，以及接种在经sulfoNHS-cRGD处理的对照水凝胶上。允许细胞培养物生长3天，之后用光学显微镜定量细胞增殖。对于每种水凝胶试剂，摄取15张照片，并且计数附着至所述凝胶的细胞的绝对数目。结果总结在表1中。
表1.用cRGD官能化的、17% CBMAX和MBAA交联的水凝胶上的细胞附着。来自ELISA的非特异性蛋白质吸附反映出官能化之前的水凝胶上的非特异性细胞附着。
Figure BDA00001747458500201
如表1中所显示的，官能化的CBMAX-和MBAA交联的水凝胶二者都显示出细胞附着的增加。来自经补充的培养基的非特异性附着的蛋白将污染表面并促进非特异性的细胞附着。如ELISA所显示的，CBMAX交联的水凝胶比MBAA交联的水凝胶有效得多地抵抗非特异性的蛋白质吸附，这反映在附着至CBMAX交联的水凝胶的更低的总体细胞数目方面。17%MBAA交联的水凝胶上更高的附着细胞绝对数目反映出更高的非特异性细胞附着或污染，其产生自MBAA的存在。两种水凝胶都以cRGD官能化以诱导特异性细胞附着并显示出受控的生物相容性。然而，CBMAX交联的水凝胶展示出更低的背景非特异性细胞附着水平。
CBMA水凝胶的机械特性
机械特性是高度水合的水凝胶的主要挑战。一般地，水凝胶中的水越多，结构越弱。为了作为生物学组织的模拟物而有效地起作用并为细胞生长提供有益的环境，水凝胶应当是“柔软的”。然而，实际上，需要机械强度来进行操作。此外，基质刚度在细胞命运和干细胞分化中起重要作用。
将水凝胶盘压缩至损坏，图5中显示了所提取的压缩杨氏模数，其作为交联剂组成(CBMAX相对于MBAA，分别由实心的菱形和空心的方形表示)和含量(%交联剂)的函数。这些值也列于表2中。
表2.CBMAX-和MBAA交联的CBMA水凝胶的机械特性。从压缩之下CBMA水凝胶的应力-应变曲线获取了模数，断裂应变和断裂应力。
Figure BDA00001747458500211
在可将CBMAX-与MBAA交联的水凝胶进行直接比较的交联剂浓度下(4%，9%和17%)，CBMAX交联的水凝胶显示出改善的机械特性。在两种交联剂都可获得的所有浓度下，CBMAX交联的水凝胶的压缩模数均大于MBAA交联的水凝胶的压缩模数，并且断裂应力在所有的浓度下也都更大。CBMAX可获得更高的交联剂含量。在100% CBMAX下，压缩模数达到8MPa，这对于具有相对高的水含量(60%)的水凝胶而言是令人瞩目的值，并且这一值将这种材料很好地置于关节软骨的范围内。这也优于pHEMA水凝胶(压缩模数为0.6MPa)，甚至优于PEG水凝胶(压缩模数直至约3MPa，具有50%交联剂水含量)。
因为没有发现含有CBMAX的CBMA水凝胶相对于含有MBAA交联剂的CBMA水凝胶在平衡水含量方面的差别，这些改善的机械特性不能归因于减少的水合，而是归因于水结构的质量方面的差异。
压缩数据显示出交联剂含量与CBMA-CBMAX水凝胶的压缩模数之间的关系的线性性质。当将压缩模数作为交联剂含量（从4%交联剂至100%CBMAX）的函数作图时(图5)，关系是线性的，并且回归为0.9616。这强调了凝胶系统的相容性：在低交联剂组成时，交联剂被均匀地掺入生长中的线性聚合物链中，而在标度的另一端，在高交联组成时，单体被均匀地掺入高度交联的网络中。因此，水凝胶的结构更加均匀。另一方面，MBAA交联剂显示出较差地整合到生长中的聚合物链中，如交联剂组成与压缩模数之间较少线性(R2=0.8562)的关系所表明的。将交联剂含量从9%增加至17%仅边缘性地改善了凝胶的机械特性，这是由于甚至在这种低浓度下的有限的溶解度，以及由于溶解的交联剂不良地掺入生长中的线性CBMA聚合物中。不均匀水凝胶网络中所出现的微观结构缺陷损害了宏观水凝胶的机械完整性。
CBMA水凝胶的物理特性
使用上面所收集的水合数据和应力-应变曲线，使用等式3和4来计算与MBAA或CBMAX交联时CBMA水凝胶的一些物理特性。特别地，将应力-应变曲线操控为应力vs.(α-α-2)曲线，其中α是变形长度与原始长度的比率。在低应力时，这种关系是线性的，并且从此线的斜率可提取出交联密度(见等式3)。然后，将交联数目/体积转化为体积/单个交联剂，得出两个交联之间的距离。这些所计算出的交联剂密度和筛孔尺寸的值，作为交联组成和含量的函数分别显示在图6A和6B中。可以看出，在相同的标示交联剂含量处，MBAA交联的水凝胶的交联密度低于CBMAX交联的水凝胶的交联密度，强化了下列假设：MBAA与CBMA单体较不匹配，因此MBAA的丙烯酰胺不良地掺入生长中的甲基丙烯酸酯聚合物链中。另一方面，CBMAX交联的水凝胶更高的交联剂密度表示更好的相容性和CBMAX甲基丙烯酸酯更均匀地掺入到生长中的甲基丙烯酸酯聚合物中。由交联剂密度值计算出的筛孔尺寸表明了相似的内容，并进一步支持了下述想法：单体-交联剂相容性方面的差异在CBMA-CBMAX和CBMA-MBAA系统的机械特性的差异中起主要作用。
此外，由于其出色的溶解度和与CBMA单体的共聚，CBMAX交联的水凝胶可利用更宽范围的制剂，这提供了更大的物理特性多样性。使用CBMAX交联的水凝胶时以受控的方式产生的不同的交联密度（因此不同的孔径）提供了另一种生物学操控的方式。水凝胶因其生物模拟性结构而被褒奖:高水含量和允许生物分子通过的孔。大小范围从<2nm（用于小分子，例如糖和生长因子）到>10nm（用于生物大分子，例如大的蛋白和抗体）的孔使得所有都可用于掺入水凝胶中。通过控制交联剂含量，可控制水凝胶的孔径而不损害非污染特性。
本发明的两性离子交联剂具有出色的与两性离子水凝胶系统的相容性。代表性的交联剂CBMAX具有对应于有用的两性离子单体CBMA的结构，其提供了两个有利的效果。第一，交联剂的两性离子性质意味着，除了改善的溶解度之外，所述交联剂不中断在两性离子单体侧链周围发生的水的重构。与用MBAA交联的水凝胶相比，CBMAX交联的水凝胶在MBAA交联的水凝胶可得的所有组成中都显示出改善的非污染性，并且其最终显示出仅仅约10%的pHEMA水凝胶的非特异性蛋白吸附。第二，CBMA单体与CBMAX交联剂之间的化学相似性提供了很好的聚合相容性。CBMAX交联的水凝胶显示出单体和交联剂的明显的化学计量掺入。另一方面，当MBAA交联的水凝胶达到MBAA的溶解度极限时，交联剂含量与压缩模数之间的关系开始下跌。因此，在相同的标示交联剂含量下，相对于MBAA交联的水凝胶，CBMAX交联的水凝胶显示出大大改善的机械特性。此外，与之前可能的相比，CBMAX交联剂的水溶解度允许获得广泛得多的制剂。仅通过聚合交联剂(没有单体)而制成的水凝胶被发现具有高的水含量(60%)，出色的非污染特性(与pHEMA对照水凝胶的非污染性相比，约90%更低的非特异性细胞附着)，和高的机械强度(压缩模数为约8MPa)。此外，与由CBMA单体制成的那些水凝胶相似，由CBMAX交联剂构成的这些水凝胶可通过简单的EDC/sulfoNHS化学作用被官能化。
下面的实施例是为了阐释、而非限制本发明的目的而被提供的。
实施例
材料.N,N'-亚甲基双(丙烯酰胺)，过硫酸铵，焦亚硫酸钠，2-(N-吗啉基)乙磺酸(MES)，甲基丙烯酸，离子交换树脂(IRA 400 OH形式)和磷酸缓冲盐水购自Sigma Aldrich(St.Louis，MO)。乙醇购自DeconLabs(King of Prussia，PA)，乙腈和二乙醚来自EMD Biosciences(Gibbstown，NJ)，乙二醇来自VWR(West Chester，PA)，四甘醇二甲基丙烯酸酯来自Polysciences(Warrington，PA)，2-羟乙基甲基丙烯酸酯，溴乙酸叔丁酯和N-环己基-2-氨基乙磺酸(CHES)来自TCI America(Portland，OR)，和N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED)来自Bio-RadLaboratories(Hercules，CA)。N-甲基二乙醇胺，三乙醇胺，甲磺酸和三氟乙酸购自Acros Organics(Morris Plains，NJ)。杜氏改良Eagle培养基，胎牛血清，非必需氨基酸和青霉素-链霉素购自InvitrogenCorp(Carlsbad，CA)。环(精氨酸-甘氨酸-天冬酰胺-D-酪氨酸-赖氨酸)肽(cRGD)购自Peptides International(Louisville，KY)。过氧化氢和氯化钠盐购自J.T.Baker(Phillipsburg，NJ)，以及
Figure BDA00001747458500241
邻苯二胺盐酸购自Pierce(Rockford，IL)。辣根过氧化物酶(HRP)-缀合的抗纤维蛋白原购自US Biological(Swampscott，MA)。COS-7细胞(非洲绿猴成纤维细胞)购自美国典型培养物保藏中心(Manassas，VA)。所使用的所有水都在Millipore Simplicity水纯化系统上被纯化至18.2mΩ。
实施例1
代表性两性离子交联剂的制备:
1-羧基-N-甲基-N-二(2-甲基丙烯酰氧基-乙基)甲铵内盐(CBMX)和 1-羧基-N-三(2-甲基丙烯酰氧基-乙基)甲铵内盐(CBMA3X)
在此实施例中，描述了本发明的代表性两性离子交联剂1-羧基-N-甲基-N-二(2-甲基丙烯酰氧基-乙基)甲铵内盐(CBMX)和1-羧基-N-三(2-甲基丙烯酰氧基-乙基)甲铵内盐(CBMA3X)的制备。制备显示在图2中。
N-甲基-N-二(乙醇胺甲基丙烯酸酯)(1).向500ml反应瓶中加入N-甲基二乙醇胺(11.9g，0.1mol)，甲苯(100ml)，对苯二酚(2.0g)和甲基丙烯酸(21.5g，0.25mol)，其中所述反应瓶配有搅拌子，冷凝器和Dean-Star阱。缓慢加入甲磺酸(14.4g，0.15mol)并将混合物加热至回流。共沸收集了反应的理论水之后，将溶液冷却至室温。然后用25wt%含水氢氧化钠中和所述混合物并用10%盐水溶液清洗有机相，使其在无水硫酸镁上干燥。将所述溶液过滤，并用活性碳和碱性氧化铝进一步处理滤过物。在真空下去除所产生的溶液以给出无色的油，产率为73%。1H-NMR(CDCl3)δ:6.10(s，2H)，5.56(s，2H)，4.25(t，J＝6.0Hz，4H)，2.78(t，J＝6.0Hz，4H)，2.39(s，3H)，1.94(s，6H)。
N-甲基-N-二(2-甲基丙烯酰氧基-乙基)-N-1-(叔丁氧羰基甲基)溴 化铵(2).在充氮摇瓶中混合化合物(1)(12.75g，50mmol)，溴乙酸叔丁酯(11.70g，60mmol)，乙腈(100ml)。在60°C下将所述混合物搅拌2天。在真空下使溶剂蒸发，用乙醚清洗残余物并使其干燥以获得白色固体，产率为90%。1H-NMR(CDCl3)δ:6.15(s，2H)，5.67(s，2H)，4.80(s，2H)，4.73(t，J＝6.0Hz，4H)，4.47(m，4H)，3.75(s，3H)，1.95(s，6H)，1.48(s，9H)。
1-羧基-N-甲基-N-二(2-甲基丙烯酰氧基-乙基)甲铵内盐(3) (CBMAX).通过在室温下、在二氯甲烷(120ml)中，用三氟乙酸(TFA，30ml)处理两天而去除化合物(2)(13.5g，30mmol)的叔丁基酯部分。在真空下去除溶剂并用乙腈(120ml)代替。在离子交换树脂(IRA 400 OH形式)上中和所述溶液，随后将其浓缩并沉淀到乙醚中，最后真空干燥以获得白色固体，具有定量的产率。1H-NMR(D2O)δ:6.05(s，2H)，5.66(s，2H)，4.56(t，4H)，4.20(m，2H)，3.95(m，4H)，3.24(s，3H)，1.83(s，6H)。
1-羧基-N-三(2-甲基丙烯酰氧基-乙基)甲铵内盐(4)(CBMA3X).使用与制备CBMAX相似的方法制备化合物(4)，从三乙醇胺和甲基丙烯酸获得N-三(乙醇胺丙烯酸甲酯)，然后与溴乙酸叔丁酯反应以给出N-三(2-甲基丙烯酰氧基-乙基)-N-1-(叔丁氧羰基甲基)溴化铵。去除叔丁基酯部分后以获得化合物4（作为白色固体）。1H-NMR(D2O)δ:6.07(s，3H)，5.70(s，3H)，4.60(t，6H)，4.20(t，6H)，4.04(s，2H)，1.85(s，9H)。
实施例2
代表性两性离子交联的水凝胶CBMA/CBMAX的制备和特性
在此实施例中，描述了本发明的代表性两性离子交联的水凝胶CBMA/CBMAX的制备。将两性离子CBMAX交联的水凝胶(CBMA/CBMAX)的特性与两性离子MBAA交联的水凝胶(CBMA/MBAA)进行了比较。
如Zhang Z,Chao T,Chen S,Jiang S.Superlow foulingsulfobetaine and carboxybetaine polymers on glass slides.Langmuir 2006;22(24):10072-10077中所描述的来合成2-羧基-N,N-二甲基-N-(2'-(甲基丙烯酰氧基)乙基)乙铵内盐(羧基甜菜碱丙烯酸甲酯，CBMA)。
水凝胶制备
在1M NaCl中制备单体溶液，单体浓度为65%（按重量）。向这些溶液中加入交联剂(N',N'-亚甲基二(丙烯酰胺)(MBAA)或CBMAX(如实施例1中所描述的而制备的)，所加入的量的范围为2-23%(单体的摩尔百分比)。通过维持单体和交联剂的恒定的总摩尔量和调节其相对摩尔量而制备这以上的CBMAX制剂，直至75%。只是通过将所需量的CBMAX溶解在1M NaCl中而制备100% CBMAX。通过超声处理来混合溶液。在一些情形中(约10%MBAA以上)，所述交联剂不完全溶解。将40%过硫酸铵溶液和15%焦亚硫酸钠加入所述溶液中以引发聚合。在60°C下、使溶液在显微镜玻片之间聚合，所述玻片由0.5或2mm厚的聚四氟乙烯(PTFE)间隔物分离。然后从所述玻片上去除凝胶并将其浸在磷酸缓冲盐水(PBS)中以水合。每天更换此水合的水，进行5天，以去除未反应的化学物质和过量的盐。使用活组织检查冲压机（Biopsy punches）来将经水合的水凝胶冲压为5mm直径的盘。通过将0.78ml HEMA单体混合到1.5ml混合溶剂（包含1份乙醇，1.5份乙二醇和1.5份水）中而制备HEMA水凝胶。然后加入交联剂四甘醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA)(60μl)，对所产生的溶液进行超声处理以使其混匀。最后，加入24μl 40%过硫酸铵和7.5μl TEMED。这种水凝胶是如上文所述形成的。
水凝胶的膨胀特性
允许水凝胶在PBS中膨胀至平衡，进行5天。以0.5mm的厚度，从膨胀的凝胶铸模(cast)上切下直径为0.5cm的盘。将所述盘称重，然后在真空、50°C和30in.Hg真空下脱水3天。用卡尺测量干燥的水凝胶盘并对其称重。膨胀的水凝胶中聚合物的体积分数(Φ)是由下式给出的:
f 2 = ( D o D ) 3 - - - ( 1 )
其中Do和D分别为干燥和膨胀的盘的直径。由单体/交联剂溶液来确定松弛（未膨胀）的水凝胶中聚合物的体积分数将溶液的体积与所加入的水的体积进行比较。将体积的差异作为单体的体积，这相应于聚合后聚合物的体积。
如下确定平衡水含量值:
EWC = 100 ( % ) * m w - m d m w - - - ( 2 )
其中mw是湿润水凝胶的质量而md是干燥水凝胶的质量。一式三份测量所有的样品。
通过酶联免疫吸附测定(ELISA)评价蛋白吸附
为了测量纤维蛋白原吸附，在室温下、在孔板中用1mg/ml的纤维蛋白原孵育0.5cm直径(当铸模时为0.5mm厚)的水凝胶盘15分钟，随后用PBS缓冲液清洗4小时。然后，从最后一次PBS清洗中去除水凝胶并将其转移到新的孔中。随后用PBS中的、辣根过氧化物酶(HRP)缀合的抗纤维蛋白原的1:500稀释物将它们孵育10分钟，之后用相同的缓冲液再清洗5次。然后，用PBS缓冲液将所述水凝胶重复清洗4小时，从最后一次清洗中去除所述水凝胶，并将其转移到新的孔中。最后，以30秒的间隔，向各个水凝胶中加入500μl 1mg/ml的邻苯二胺盐酸(OPD)（在0.1M柠檬酸-磷酸缓冲液中，pH 5.0），其含有0.03%过氧化氢。将样品避光在OPD溶液中孵育30分钟。从各个水凝胶盘中去除上清液，转移至比色皿中，并测量其在492nm处的吸光度。一式三份测量所有的样品。
水凝胶的细胞附着
将三个直径为0.5cm的水凝胶盘(铸模时为0.5mm厚)单独置于含有500μl PBS溶液的48孔板的孔中。为了对所述水凝胶进行灭菌，用UV光对它们进行30分钟的辐射并在PBS中的1x青霉素-链霉素中将其冷藏过夜。以经补充的杜氏改良Eagle培养基中104细胞/ml的浓度将COS-7细胞(p=7)接种到水凝胶上。允许细胞在37°C、5% CO2和100%湿度下生长72小时，之后在Nikon Eclipse TE2000-U显微镜上以10x放大率对所述水凝胶进行拍照。在水凝胶表面上的5个预先确定的区域拍摄照片，对每种水凝胶制剂总共拍摄15幅图像，汇总每幅图像上的附着细胞数目并相对于附着至pHEMA水凝胶的细胞数目进行归一化。
通过EDC/sulfoNHS化学作用的RGD官能化
用cRGD对CBMA/MBAA和CBMA/CBMAX凝胶进行官能化。将直径为0.5cm(铸模时厚度为0.5mm)的三个水凝胶盘置于24孔板的孔中。将每种制剂的所有凝胶分为两组。将每一组的凝胶置于同一孔中，小心确保各个水凝胶的表面不被覆盖。将所述水凝胶在500μl MES缓冲液(pH=5.5，10mM MES，100mM NaCl)中孵育过夜。然后，从每种制剂的一个组中去除MES并用500μl含有5mM sulfoNHS和100mM EDC的基于MES的缓冲液替代，以活化表面，在室温下进行2小时。作为对照，用5mM sulfoNHS的基于MES的缓冲液将每种制剂的第二组孵育相同的时间。然后，从孔中去除EDC/sulfoNHS和sulfoNHS溶液，并用MES缓冲液将水凝胶盘清洗三次。然后向所有的孔中加入500μl 1.4mM的cRGD（在CHES缓冲液(pH=9，50mM CHES，100mM NaCl)中），允许反应在室温下进行。3小时后，用PBS清洗所述水凝胶3次，允许每次清洗进行10分钟。最后，将水凝胶转移至48孔聚苯乙烯组织培养板的单个的孔中，小心使经官能化的表面保持朝上。如上文所述，用青霉素-链霉素将水凝胶过夜灭菌，次日进行细胞附着，也如上文所述进行。
水凝胶的机械强度
使用Instron 5543A机械测试仪(Instron Corp.，Norwood，MA)，以10N荷重元件、1mm/min的速度，将每种制剂的至少5个0.5cm直径的盘(铸模时为2mm厚)压缩至损坏。从起初的10%应变计算杨氏模数。
计算CBMA水凝胶的物理特性
可使用水凝胶水合特性(膨胀和松弛的体积分数)和应力-应变曲线来计算不同的2臂CBMAX-和MBAA交联的水凝胶制剂的交联剂密度和筛孔尺寸。为了计算水凝胶的交联剂密度(νe/V)，使用了下列等式:
Figure BDA00001747458500291
其中τs是特定应变下的应力（单位为Pa），α是变形比或交联的水凝胶在压缩下变形的长度与原始长度之比。R是通用气体常数，T是绝对温度，φ2是完全膨胀的水凝胶中平衡时聚合物的体积分数，且φo为松弛状态下(未膨胀但是未脱水的水凝胶)聚合物的体积分数。τsvs(α-α-2)的绘图在低应变下是线性的，交联密度(νe/V)可从斜率(νe/V)(RT)(φ2/φo)-2中提取。
使用等式(4)可将摩尔/单位体积的交联密度转化为交联之间的距离或筛孔尺寸:
&xi; = ( N A v e V ) 1 / 3 - - - ( 4 )
其中NA是阿伏加德罗数。等式(4)将摩尔/体积转化为体积/摩尔，将摩尔转化为交联的数目，并且取立方根以获得每个交联的距离。此值是水凝胶的有效孔径。
实施例3
通过光聚合制备的代表性两性离子交联水凝胶（CBMA/CBMAX）的制 备和特性
在这个实施例中，描述了通过光聚合制备的本发明的代表性两性离子交联水凝胶CBMA/CBMAX的制备和特性。
基于CB的水凝胶的制备
在1M NaCl溶液中制备单体和交联剂的溶液，其中含有按重量47%可聚合的材料。所包括的交联剂(CBMAX)的量的范围为2-80摩尔%的单体(CBMA)。通过将所需量的CBMAX溶解在1M NaCl中而制备100% CBMAX的溶液，其中含有47wt% CBMAX。通过在冰水中进行超声处理而将所有的溶液相混合。将1%(wt/wt)光引发剂，2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮加入每种溶液中并且利用在冰水中超声处理而将溶液充分混合。所述溶液在显微镜玻片之间聚合，所述玻片被1mm厚的聚四氟乙烯(PTFE)间隔子分离，其中在每一侧上以365nm进行30分钟的UV辐射。然后从所述玻片上去除凝胶并将其浸在PBS中以水合。每天更换这一水合的水，进行5天，以去除未反应的化学物质和过量的盐。使用活组织检查冲压机来将经水合的水凝胶冲压为5mm直径的盘。
水凝胶的水合特性
使膨胀的水凝胶盘在PBS中平衡5天。将0.5cm的盘从完全水合的水凝胶厚片上切下并称重。然后使所述盘在45℃和30in.Hg真空下，在真空炉中脱水3天。通过膨胀的水凝胶重量与干燥水凝胶重量的比来确定膨胀比例，并且每个盘的平衡水含量(EWC)被确定为EWC=100(%)*(mw-md)/mw，其中mw是湿润水凝胶的质量而md为干燥水凝胶的质量。所有的样品均一式三份进行测量。图7中显示出具有不同CBMAX含量的CBMA-CBMAX水凝胶的EWC值。随着所述凝胶变得更为交联，EWC减少直至达到稳定的值，对于含有超过50摩尔% CBMAX的凝胶，所述稳定的值为大约51%。
水凝胶的压缩特性
使用Instron 5543A机械测试仪(Instron Corp.，Norwood，MA)，以10N荷重元件、1mm/min的速度，将至少3个0.5cm直径的盘(铸模时为1mm厚)压缩至损坏。由起初的10%应变计算杨氏模数。图8和图9分别显示了具有不同的CBMAX掺入的CBMA-CBMAX水凝胶的压缩强度和模数。凝胶的压缩强度和模数随着交联剂含量的增加而增加。模数的趋势与通过热引发而合成的水凝胶相同，但是在数值方面有10倍的增加。热聚合的水凝胶的减少的模数值可能是由于凝胶中的不均一性，这种不均一性是由引发过程中热传递的限制造成的。不均一性的袋（pocket）将不利地影响机械特性。对于光聚合的凝胶模数增加的备选解释可基于光引发剂的溶解度。光引发剂的水溶性小于热引发剂，所以将引发更少的聚合物链。这转化为更长的聚合物链，这与在水凝胶中具有更多交联相同。
水凝胶的细胞毒性和内毒素毒性测试
测试了光聚合的CBMAX交联的CBMA水凝胶以确保它们不含有细胞毒性化学特征或内毒素污染。用于体内移植而制备的材料必须不含内毒素，所述内毒素是革兰氏阴性细菌细胞壁的细菌残留物。体外细菌残留物是无关紧要的，但是它们在体内可触发免疫应答，所述免疫应答将增加抵抗所述材料的外来体应答并扰乱体内测试的结果。
为了测试细胞毒性，将完全水合的水凝胶盘在经补充的生长培养基(89%杜式改良Eagle培养基，10%胎牛血清，1%青霉素-链霉素和1x非必需氨基酸)中浸泡24小时，然后从水凝胶上移除所述培养基并将其用于培养COS-7细胞，所述COS-7细胞在之前被铺板并在新鲜的经补充的培养基中生长了24小时。然后，用水凝胶-浸渍的、经补充的培养基再孵育所述细胞48小时，并分析它们的形态作为细胞增殖和健康的指征。发现了所有的细胞群体都展现出相同程度的增殖和健康，无论其是经水凝胶-浸渍的培养基孵育的还是经新鲜的培养基对照孵育的。
为了测试内毒素污染，按照标准的程序进行了鲎阿米巴样细胞溶解物(LAL)内毒素测试。用不含LAL的水提取样品数天，然后使用酶促测定就内毒素的存在测试所述水，其中灵敏度为检测0.06EU/ml(Lonza)以上的内毒素。当存在这一检测极限的浓度的内毒素时，酶测定溶液将自我交联以形成凝胶，但是在此浓度之下的内毒素水平时，胶凝将不发生。与样品一同测试了标准，以验证所述结果。胶凝测试显示出所测试的所有水凝胶都不含内毒素。
实施例4
通过光聚合制备的、具有交联梯度的代表性两性离子交联水凝胶 CBMA/CBMAX的制备和特性
在这一实施例中，描述了通过光聚合制备的、具有交联梯度的本发明的代表性两性离子交联水凝胶CBMA/CBMAX的制备和特性。
水凝胶制备
在1M NaCl中制备单体(CBMA)溶液，浓度为65%（按重量）。以超声处理将此溶液混合并将其冷却。将与上文中所使用的相同的光引发剂加入所述单体溶液中，并将单体-引发剂溶液加载到两个显微镜玻片之间，所述玻片被2mm厚的聚四氟乙烯(PTFE)间隔子分离。接下来，类似地制备65%（按重量）的交联剂(CBMAX)溶液，也进行超声处理和冷却。将单体溶液加载到显微镜玻片设备中之后，将这一溶液小心地加入所述单体溶液中。由于不同的溶液密度，交联剂溶液表现出在扩散之前沉降到设备的底部，产生了交联剂梯度。通过交联剂中痕量的有色材料使得有可能目视观察这一现象。这一过程显示在图10中。最后（但是在扩散均一化所述溶液之前），通过长波UV光照30分钟而引发聚合，所述时间之后从玻片上移除水凝胶并使其在PBS中水合5天。
梯度分析
通过沿着水凝胶厚片的长度测量平衡水含量而测定梯度水凝胶的交联谱。沿着凝胶边缘从连续切片上切下5mm的盘，从最高交联剂浓度的区域(更深地着色，见图10)到最低交联剂浓度的区域。称量所述盘，使其在50°C和30in.Hg真空中彻底脱水3天，并重新称重。将每个盘的平衡水含量测定为EWC=100(%)*(mw-md)/mw，其中mw是湿润水凝胶的质量且md是干燥水凝胶的质量。
水凝胶表征
之前，对具有不同CBMAX浓度的CBMA水凝胶测量了平衡水含量，CBMAX的浓度范围为2%CBMAX至100%CBMAX。利用这种已建立的关系，有可能将在同一CBMA/CBMAX水凝胶的不同位置处测量的平衡水含量转化为每个特定位置处的CBMAX浓度。此外，利用在之前的章节中进行的对物理和机械特性的详尽表征的结果，可将交联剂含量谱与其相应的机械(压缩)模数、筛孔尺寸和交联密度相关联(图11-14)。
梯度水凝胶形成和分析
如上文所述形成了梯度凝胶。由于交联剂中包括的有色示踪物，所述梯度是肉眼可见的(图15)。使用图11中显示的关系来将平衡水含量转化为交联剂含量。图16中显示了交联剂含量，其作为从最高交联剂边缘开始沿着凝胶的距离的函数。交联剂的含量范围为约100%至30%，其中在中间的区域有相当均匀的梯度，这表示成功地形成了在一端具有更高交联剂浓度的单一材料。
制成了具有多种的和空间上受控的特性的水凝胶。交联剂的含量范围为约100%至30%，其在中间区域具有相当均一的梯度。因为所使用的材料CBMA单体和CBMA交联剂具有相同的主链和侧链，总体的水凝胶基本上由单一的材料构成。因此，水含量中的梯度、交联剂密度和筛孔尺寸没有损害某些所需特性（例如非污染性和可官能化性）的连续性。
水凝胶是由单一材料制成的并且显示出均一的交联梯度和相应的物理、机械和水合特性。单体和交联剂仅通过一个或两个甲基丙烯酸酯基团而彼此不同，因此整个结构仅仅是由两性离子羧基甜菜碱和甲基丙烯酸酯构成的;所述梯度是通过逐渐增加甲基丙烯酸酯与两性离子的比例而形成的。甚至在100%交联剂(2:1的甲基丙烯酸酯比两性离子)时，与非污染的pHEMA水凝胶相比，所述水凝胶仍显示出90%更低的非特异性细胞附着和良好的官能化。因此，沿着整个梯度，尽管减少了机械强度和交联剂密度并增加了孔径和水合，材料保持是两性离子的并且是可官能化的，这使得凝胶的生物学活性是可控制的。
实施例5
两性离子聚(羧基甜菜碱)水凝胶用于葡萄糖生物传感器
在这一实施例中，描述了本发明的代表性两性离子交联水凝胶CBMA/CBMAX在葡萄糖生物传感器中的应用。
聚CBMA水凝胶的制备。首先将CBMA单体与水混合，并将溶液超声处理1min以溶解所述单体。将CBMAX加入上述溶液并在0℃将混合物超声处理1min至完全溶解。CBMA与CBMAX的摩尔比为1000:1，100:1，10:1和5:1，且CBMA的最终浓度为10M。加入1%(w/w)的光引发剂(Benacure 1173)并在0℃混合所述溶液。将溶液转移到一对玻璃板中，所述玻璃板被0.4mm PTFE间隔子分离。在365nm UV光下、在室温下进行光聚合反应30min以使水凝胶聚合。然后，从所述板上移除水凝胶并将其浸入大量的PBS中。在进一步使用之前，每天更换PBS，进行5天，以去除残留的化学物质。
分析水凝胶的机械和细胞附着特性.允许水凝胶在PBS缓冲液中膨胀5天至平衡。然后将经平衡的水凝胶冲压为直径是5mm的盘。对所述盘进行称重，然后在50℃和30in.Hg真空下，使其在真空下脱水3天。由膨胀的水凝胶重量与干燥的水凝胶重量之比确定膨胀比率，并且如上文所述确定平衡水含量值。一式三份测量了所有的样品。如图17中所示，对于0.1% CBMAX水凝胶获得了最高的水含量，其为94.19±0.26%。随着CBMAX摩尔比的增加，水含量减少。
将直径为5mm的三个水凝胶盘(当铸模时厚度为0.5mm)各自置于含有500μL PBS溶液的48孔板的孔中。为了对水凝胶进行灭菌，将它们在PBS中的1x青霉素-链霉素中冷藏过夜。以经补充的DMEM中1x 104细胞/mL的浓度将COS-7细胞(p=7)接种到水凝胶上。允许细胞在37℃、5% CO2和100%湿度下生长72小时，之后在Nikon Eclipse TE2000-U显微镜上以10x放大率对所述水凝胶进行拍照。在水凝胶表面上的5个预先确定的区域拍摄照片，对每种水凝胶制剂总共拍摄15幅图像。在图18A-18H中定量地显示了GOx固定化之前和之后，不同CBMAX摩尔比的聚CBMA水凝胶表面上的细胞结合差异。在GOx固定化之前和之后，所有的聚CBMA水凝胶（除了10% CBMAX摩尔比的水凝胶之外）对于细胞附着都是有高度抗性的；有极低量的细胞附着至所述表面。
制备聚CBMA水凝胶涂覆的葡萄糖传感器.葡萄糖传感器是基于卷曲型可植入的传感器。通过将40-50mm长的铂丝的顶部10mm沿着25-规格的针缠绕以形成卷曲样的圆柱体而制备卷曲型葡萄糖生物传感器。为了改善聚CBMA水凝胶的附着，使用甲苯中10%(三甲氧基硅基)丙基丙烯酸甲酯和0.5%水的溶液、在80℃下使所述卷曲的表面官能化。为了在葡萄糖传感器尖上形成水凝胶涂层，用移液器将1.2μL混合的溶液(CBMA，CBMAX，光引发剂以及水)吸取到传感器尖上。允许所述溶液均匀地分布到所述尖的表面上。暴露于254nm的UV光30min后，将传感器(称作Pt/CBMA/GOx)存储在PBS中直至进一步使用。
通过NHS/EDC化学作用进行的酶固定.通过注射新鲜制备的、10mMMES缓冲液(pH 5.5，100mM NaCl)中的N-羟基琥珀酰亚胺磺酸钠(5mM)和N-乙基-N'-(3-二乙氨基丙基)碳二亚胺盐酸(EDC)(100mM)的溶液而在25℃下活化聚CBAA水凝胶的羧酸基团2h。然后，移除传感器并将其浸入大量的上述MES缓冲液中2h。更换所述MES缓冲液数次以去除残留的化学物质。在4℃下、将所述传感器在新鲜制备的MES缓冲液中的葡萄糖氧化酶(GOx)(10mg/mL)溶液中浸渍4h，随后在4℃下用新鲜制备的、PBS缓冲液中的葡萄糖氧化酶(GOx)(1mg/mL)溶液处理2h。在进行进一步的葡萄糖测试之前，将所述传感器浸渍在大量的PBS中以去除所有不稳定的结合。
体外传感器评价.在葡萄糖PBS溶液中检测传感器的体外表现以测定传感器的灵敏度和线性范围。首先使用4和20mM的葡萄糖PBS溶液来测量Pt/CBMA/GOx传感器的灵敏度。利用样品中PBS的基本电流和葡萄糖的稳态电流之间的差异来获得校准曲线图。然后，用分散在100%人血清中的葡萄糖溶液检测所述传感器。对于长期的传感器评价，在不同孵育日的下一个测试之前，在4℃下将所述传感器浸入100%人血清中。在确定血清样品中的葡萄糖时，取所述血清中的基本电流，然后将所述传感器转移到样品中以获得稳态电流。所有的实验都在室温下进行并且在测量过程中对所有的溶液都进行搅拌。在室温下，在+0.75V vs.Ag/AgCl和铂丝反电极下进行电流测量。图19A-19D中比较了涂覆了不同CBMAX摩尔比的聚CBMA水凝胶的葡萄糖传感器的电流应答，其作为PBS中葡萄糖浓度的函数。所有的传感器对于PBS中的葡萄糖都展示出非常高的灵敏度和电流应答。此外，它们的应答没有延迟，且在4-20mM的范围中有出色的线性。图20A-20D中比较了涂覆了不同CBMAX摩尔比的聚CBMA水凝胶的葡萄糖传感器的电流应答，其作为100%血清中葡萄糖浓度的函数。涂覆了0.1% CBMAX摩尔比的聚CBMA水凝胶的传感器在暴露于血液样品超过10天后没有显示出灵敏度或线性的下降，而其它传感器表现不佳。所述结果表明，添加聚CBMA水凝胶涂层改善了植入的葡萄糖传感器的长期性能。
实施例6
用于金纳米颗粒的两性离子聚(羧基甜菜碱)水凝胶
在此实施例中，描述了本发明的代表性两性离子交联水凝胶CBMA/CBMAX在葡萄糖生物传感器中的应用。
引发剂修饰的金纳米颗粒(GNPs)的合成.将5mM HAuCl4水溶液(30mL)加入甲苯中的4mM四辛基溴化铵(TOAB)溶液(80mL)中，搅拌10min。然后将NaBH4(0.4M，25mL)水溶液逐滴加入此溶液中，伴随剧烈搅拌。深橙色的溶液在一分钟内变红，继续搅拌3h以确保反应完全。然后将两相分离，随后用0.1M H2SO4、0.1M NaOH和水(各3次)清洗有机相。然后，以逐滴的方式在15分钟内向所述溶液中加入引发剂，即274.2mg的11-巯基十一烷基2-溴异丁酸(Br(CH3)2COO(CH2)11SH)(0.808mmol，溶解在1mL甲苯中)。允许反应过夜进行。将甲醇(60mL)加入所述系统中以沉淀Au-NPs。收集沉淀物并将其重新分散在甲苯中且再次沉淀到乙醇中。重复这一沉淀和重新分散的循环两次，然后获得了纯的Au-NP(即不含反应副产物)。NP很好地分散在丙酮中而没有凝聚，并且Au-NP的平均直径为约5nm。
通过ATRP制备CBMA涂覆的GNP(CA-GNPs).在氮气气氛下，将300mgCBMA单体，61.70mg的2,2-二吡啶和28.53mg溴化铜(I)溶解在3ml脱气丙酮和0.5ml甲醇中。在与上述溶液混合之前，通过起泡的氮气使1mL经引发剂修饰的GNP溶液脱氧。在室温下搅拌(100rpm)最终的混合物2h。聚合之后，通过离心/重新分散在水中而清洗CA-GNP数次。CA-NP在水中的平均直径为69.8nm。
通过ATRP制备经OEGMA涂覆的GNP(OA-GNPs).在氮气下，将47.7mg溴化铜(I)，7.43mg溴化铜(I I)和104mg 2,2-二吡啶溶解在4ml脱气的丙酮中。在直接与上述溶液混合之前，通过起泡的氮气而使1mL经引发剂修饰的GNP溶液脱氧。加入2g大单体OEGMA并在室温下将最终的混合物搅拌6h。聚合之后，通过离心/在Milli-Q水中重新分散而清洗OA-GNP数次。OA-NP在水中的平均直径为72.4nm。
加入EGDMA交联剂、通过ATRP制备经OEGMA涂覆的GNP(OC-GNPs).在氮气下，将47.7mg溴化铜(I)、7.43mg溴化铜(II)和104mg 2,2-二吡啶溶解在4ml脱气的丙酮中。在直接与上述溶液混合之前，通过起泡的氮气而使1mL经引发剂修饰的GNP溶液脱氧。加入2g大单体OEGMA和126.4μL EGDMA并且将最终的混合物在50℃下搅拌6h。聚合之后，通过离心/在Milli-Q水中重新分散而清洗OC-GNP数次。OC-NP在水中的平均直径为71.9nm。
加入CBMAX交联剂、通过ATRP制备经CBMA涂覆的GNP(CC-GNPs).在氮气气氛下，将300mg CBMA单体，3.0mg CBMAX，61.7mg 2,2-二吡啶，4.4mg溴化铜(II)和28.533mg溴化铜(I)溶解到3ml脱气的丙酮和0.5ml甲醇中。在直接与上述溶液混合之前，通过起泡的氮气而使1mL经引发剂修饰的GNP溶液脱氧。在50℃下将最终的混合物搅拌6h。聚合之后，通过离心/在Milli-Q水中重新分散而清洗CCE-GNP数次。CC-NP在水中的平均直径为80nm。
聚合物涂覆的GNP的稳定性测试.在37℃下，在100%人血清中进一步评价聚合物涂覆的GNP的稳定性。由于高的蛋白质浓度，通过离心和在PBS缓冲液中重新分散而将这些纳米颗粒与人血清蛋白分离。然后在37℃下，通过DLS评估纳米颗粒的平均直径。在不同孵育时间的下一个测试之前，在37℃下将所有的溶液与100%人血清混合。如图21中所示，OA-GNP在非常短的时间段中显示出约50nm的尺寸增加。在72h的最后，直径增加到了约140nm，这表明显著的蛋白吸附和微粒凝聚。虽然OC-GNP在这种极端的情况下不稳定，EGDMA的加入帮助了增强稳定性。在6h和72h的孵育时间后，直径增加分别为6nm和30nm。在上面的溶液中能够观察到沉淀物。然而，对于三种具有聚CBAA涂层的保护的GNP(CA-GNPs，CCE-GNPs和CCC-GNPs)，蛋白质和纳米颗粒之间的相互作用没有引起任何凝聚并且它们与人血清蛋白分离之后的颗粒大小与没有血清时的那些几乎相同(70nm，50nm和105.9nm)，这表明了它们出色的稳定性。
接下来，将经聚合物涂覆的纳米颗粒与人血清在非常高的浓度下混合并在37℃下孵育。然后，在37℃下通过DLS评估了纳米颗粒的平均直径。如图22中所示，OA-GNP在6h后显示出了约20nm的大小的增加。在72h之后，这一值增加到了200nm，这归因于纳米颗粒与孵育血清介质中的蛋白质的相互作用。再一次地，EGDMA的加入增加了稳定性。在72h的孵育时间段之后，直径的增加为70nm。然而，具有聚CBMA涂层时，没有凝聚并且在72h的测试时间段中，所有三个样品都显示出了良好的稳定性而没有明显的大小增加。
虽然阐释和描述了阐释性的实施方案，将领会可在其中进行各种改变而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (25)

  1. 如下限定了其中要求保护排他的所有权或特权的本发明的实施方案:
    1.具有下式的化合物:
    其中
    R1和R2独立地选自氢，氟，三氟甲基，C1-C6烷基和C6-C12芳基;
    R3选自C1-C6烷基，C6-C12芳基，CH2=C(R1)-L1-，和CH2=C(R2)-L2-;
    L1和L2独立地选自-C(=O)O-(CH2)n-和-C(=O)NH-(CH2)n-，其中n是1至20的整数;
    L3为-(CH2)n-，其中n是1至20的整数;
    A1为C，S，SO，P或PO;
    X-是与N+阳离子中心相缔合的反离子;且
    M+是与(A1=O)O-阴离子中心相缔合的反离子。
  2. 2.权利要求1的化合物，其中R1，R2和R3独立地选自C1-C3烷基。
  3. 3.权利要求1的化合物，其中L1和L2每次出现时独立地选自-C(=O)O-(CH2)n-，其中n是1-6。
  4. 4.权利要求1的化合物，其中L3是-(CH2)n-，其中n是1至6的整数。
  5. 5.权利要求1的化合物，其中M+是金属或有机离子。
  6. 6.权利要求1的化合物，其中X-选自卤离子，羧酸根，烷基磺酸根，硫酸根;硝酸根，高氯酸根，四氟硼酸根，六氟磷酸根，三氟甲基磺酸根，二(三氟甲基磺酰基)酰胺，乳酸根和水杨酸根。
  7. 7.权利要求1的化合物，其中A1是C或SO。
  8. 8.权利要求1的化合物，其中R1，R2和R3是甲基，L1和L2是-C(=O)O-(CH2)2-，L3是-(CH2)-，且A1是C或SO。
  9. 9.交联的水凝胶，其包含交联的聚合物，所述交联的聚合物具有重复单元和多个交联,
    其中每个重复单元具有下式:
    Figure FDA00001747458400021
    其中
    R4选自氢，氟，三氟甲基，C1-C6烷基和C6-C12芳基;
    R5和R6独立地选自烷基和芳基，或者与其所连接的氮一起形成阳离子中心;
    L4是将阳离子中心[N+(R5)(R6)]与聚合物主链[-(CH2-CR4)n-]共价偶联的连接子;
    L5是将阴离子中心[A2(=O)-O-]与阳离子中心共价偶联的连接子;
    A2是C，S，SO，P或PO;
    M+是与(A2=O)O-阴离子中心相缔合的反离子;
    X-是与阳离子中心相缔合的反离子;
    n是5至约10,000的整数;并且
    其中每个交联具有下式:
    Figure FDA00001747458400022
    其中
    R1和R2独立地选自氢，氟，三氟甲基，C1-C6烷基和C6-C12芳基;
    R3选自C1-C6烷基，C6-C12芳基，CH2=C(R1)-L1-，CH2=C(R2)-L2-，或R3是第三交联的残余部分-L1-CR1-CH2-或-L2-CR2-CH2-);
    L1和L2独立地选自-C(=O)O-(CH2)n-和-C(=O)NH-(CH2)n-，其中n是1至20的整数;
    L3是-(CH2)n-，其中n是1至20的整数;
    A1是C，S，SO，P或PO;
    x是约5至约10,000的整数;
    X-是与N+阳离子中心相缔合的反离子;且
    M+是与(A=O)O-阴离子中心相缔合的反离子。
  10. 10.权利要求9的水凝胶，其中R1，R2，R3，R4，R5，R6独立地选自C1-C3烷基。
  11. 11.权利要求9的水凝胶，其中L1和L2是-C(=O)O-(CH2)n-，其中n是1-6。
  12. 12.权利要求9的水凝胶，其中L3是-(CH2)n-，其中n是1-6的整数。
  13. 13.权利要求9的水凝胶，其中A1是C或SO。
  14. 14.权利要求9的水凝胶，其中L4选自-C(=O)O-(CH2)n-和-C(=O)NH-(CH2)n-，其中n是1至20的整数。
  15. 15.权利要求9的水凝胶，其中L5是-(CH2)n-，其中n是1至20的整数。
  16. 16.权利要求9的水凝胶，其中A2是C或SO。
  17. 17.权利要求9的水凝胶，其中n是10至约1,000的整数。
  18. 18.权利要求9的水凝胶，其中M+每次出现时为金属或有机离子。
  19. 19.权利要求9的水凝胶，其中X-每次出现时为卤离子，羧酸根，烷基磺酸根，硫酸根;硝酸根，高氯酸根，四氟硼酸根，六氟磷酸根，三氟甲基磺酸根，二(三氟甲基磺酰基)酰胺，乳酸根或水杨酸根。
  20. 20.权利要求9的水凝胶，其中x是约10至约1,000的整数。
  21. 21.权利要求9的水凝胶，其中R1，R2和R3是甲基，L1和L2是-C(=O)O-(CH2)2-，L3是-(CH2)-，A1是C或SO，R4，R5和R6是甲基，L4是-C(=O)O-(CH2)2-，L5是-(CH2)-，A2是C或SO。
  22. 22.权利要求9的水凝胶，其中所述交联的聚合物具有重复单元，所述重复单元具有下式:
    Figure FDA00001747458400041
    其中
    R7和R8独立地选自氢，氟，三氟甲基，C1-C6烷基和C6-C12芳基;
    R9，R10和R11独立地选自烷基和芳基，或与其所连接的氮一起形成阳离子中心;
    A3(=O)-OM)是阴离子中心，其中A3是C，S，SO，P或PO，并且M是金属或有机反离子;
    L6是将阳离子中心[N+(R9)(R10)(R11)]与聚合物主链共价偶联的连接子;
    L7是将阴离子中心[A(=O)-OM]与聚合物主链共价偶联的连接子;
    X-是与阳离子中心相缔合的反离子;
    n是5至约10,000的整数;且
    p是5至约10,000的整数。
  23. 23.基质的表面，其中所述表面包含权利要求9-22中任一项的聚合物。
  24. 24.权利要求23的表面，其中所述基质选自颗粒，药物载体，非病毒基因递送系统，生物传感器，膜，可植入的传感器，皮下传感器，植入物，和隐形眼镜。
  25. 25.权利要求23的表面，其中所述基质是可植入的医疗设备，所述医疗设备选自：耳引流管，饲管，青光眼引流管，脑积水分流器，角膜补体，神经引导管，尿管，组织附着物，x射线引导，人工关节，人工心脏瓣膜，人工血管，起搏器，左心室辅助设备(LVAD)，动脉移植物，组织支架和支撑架。
CN201080055967XA 2009-11-06 2010-11-08 交联的两性离子水凝胶 Pending CN102770407A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US25907409P 2009-11-06 2009-11-06
US61/259,074 2009-11-06
PCT/US2010/055875 WO2011057219A2 (en) 2009-11-06 2010-11-08 Crosslinked zwitterionic hydrogels

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102770407A true CN102770407A (zh) 2012-11-07

Family

ID=43970819

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201080055967XA Pending CN102770407A (zh) 2009-11-06 2010-11-08 交联的两性离子水凝胶

Country Status (5)

Country Link
US (3) US8835671B2 (zh)
EP (1) EP2496550B1 (zh)
JP (2) JP6067376B2 (zh)
CN (1) CN102770407A (zh)
WO (1) WO2011057219A2 (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107835826A (zh) * 2015-06-02 2018-03-23 华盛顿大学 自支撑型不污聚合物、其组合物和有关单体
CN109928889A (zh) * 2019-02-01 2019-06-25 中国医学科学院生物医学工程研究所 羧酸甜菜碱型含氟化合物及其合成方法和应用
CN110381956A (zh) * 2017-01-27 2019-10-25 康奈尔大学 两性离子修饰的聚合物和水凝胶
CN110520462A (zh) * 2017-04-18 2019-11-29 基础科学研究院 高分子凝胶及其制造方法、以及包含该高分子凝胶的物品
CN111164115A (zh) * 2017-10-18 2020-05-15 富士胶片株式会社 固化性组合物、膜、固化物及医疗用部件
CN111807979A (zh) * 2020-08-14 2020-10-23 中国医学科学院生物医学工程研究所 两性离子氟化交联剂、纳米凝胶及其应用
US20220079877A1 (en) * 2017-09-22 2022-03-17 University Of Florida Research Foundation, Inc. Devices and methods for reducing cystine crystals in vivo
CN114621743A (zh) * 2022-03-31 2022-06-14 中国石油大学(华东) 缓交联耐温耐盐聚合物冻胶压裂液及其制备方法和应用

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6067376B2 (ja) * 2009-11-06 2017-01-25 ユニヴァーシティ・オブ・ワシントン・スルー・イッツ・センター・フォー・コマーシャリゼーション 架橋した双性イオンヒドロゲル
US9599613B2 (en) 2011-07-20 2017-03-21 University Of Washington Through Its Center For Commercialization Photonic blood typing
US10031138B2 (en) 2012-01-20 2018-07-24 University Of Washington Through Its Center For Commercialization Hierarchical films having ultra low fouling and high recognition element loading properties
US9139684B2 (en) * 2012-07-20 2015-09-22 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Carboxybetaine-functionalized diols and zwitterionic polyurethane hydrogels derived therefrom
US9644076B2 (en) 2012-09-25 2017-05-09 Max-Planck-Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschafen e. V. Cross-linkers for hydrogels, hydrogels including these cross-linkers and applications thereof
US9788765B2 (en) 2012-09-28 2017-10-17 Dexcom, Inc. Zwitterion surface modifications for continuous sensors
US9737250B2 (en) 2013-03-15 2017-08-22 Dexcom, Inc. Membrane for continuous analyte sensors
WO2014194268A1 (en) * 2013-05-30 2014-12-04 The University Of Akron Switchable antimicrobial and antifouling carboxybetaine-based hydrogels
US9695275B2 (en) 2013-10-09 2017-07-04 The University Of Akron Integrated zwitterionic conjugated polymers for bioelectronics, biosensing, regenerative medicine, and energy applications
WO2016040489A1 (en) * 2014-09-09 2016-03-17 Shaoyi Jiang Functionalized zwitterionic and mixed charge polymers, related hydrogels, and methds for their use
EP3261626A4 (en) 2015-02-27 2018-10-03 Wayne State University Methods and compositions relating to biocompatible implants
EP3268804B1 (en) * 2015-03-11 2020-11-04 University of Florida Research Foundation, Inc. Mesh size control of lubrication in gemini hydrogels
US10351524B2 (en) * 2015-07-01 2019-07-16 National Chung Cheng University Hydrocarbyl carboxybetaine and method for preventing hofmann elimination in alkaline environment
JP2018168202A (ja) * 2015-08-31 2018-11-01 富士フイルム株式会社 光硬化性組成物、硬化物、部材、及び、装置
EP4218566A1 (en) * 2015-12-30 2023-08-02 Dexcom, Inc. Enzyme immobilized adhesive layer for analyte sensors
KR20190020318A (ko) 2016-06-13 2019-02-28 메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지 이물질 반응 및 섬유화를 감소시키기 위한 생체적합성 코팅 및 하이드로겔
WO2017223544A2 (en) * 2016-06-24 2017-12-28 University Of Iowa Research Foundation Durable photopolymerizable cross-linked anti-fouling coatings
EP3491122A4 (en) * 2016-07-27 2020-04-08 The University of North Carolina at Chapel Hill METHODS FOR GENERATING POLYMERIC SCAFFOLDS HAVING A GRADIENT OF CROSSLINKING DENSITY
US10676575B2 (en) 2016-10-06 2020-06-09 Johnson & Johnson Vision Care, Inc. Tri-block prepolymers and their use in silicone hydrogels
US11103588B2 (en) 2017-06-06 2021-08-31 Wayne State University Methods and compositions relating to carnitine-derived materials
US20200188558A1 (en) * 2017-06-12 2020-06-18 Mayo Foundation For Medical Education And Research Hydrogel based encapsulation device
KR102524877B1 (ko) 2017-06-20 2023-04-24 다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨 충격 보강제 및 탄산칼슘을 함유하는 폴리염화비닐 조성물
JP6986090B2 (ja) * 2017-10-18 2021-12-22 富士フイルム株式会社 硬化性組成物、膜、硬化物、医療用部材
US10996491B2 (en) 2018-03-23 2021-05-04 Johnson & Johnson Vision Care, Inc. Ink composition for cosmetic contact lenses
WO2020106338A2 (en) * 2018-08-14 2020-05-28 University Of Washington Zwitterionic double network hydrogels
US11912894B2 (en) 2018-11-26 2024-02-27 Cornell University Antimicrobial and antifouling conformal hydrogel coatings
US11891526B2 (en) 2019-09-12 2024-02-06 Johnson & Johnson Vision Care, Inc. Ink composition for cosmetic contact lenses
CN114106232B (zh) * 2021-11-25 2022-08-30 华南农业大学 一种两面粘附性不同的水凝胶及其制备方法和应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05179155A (ja) * 1991-12-27 1993-07-20 Kuraray Co Ltd 組成物
WO2007024393A2 (en) * 2005-08-25 2007-03-01 University Of Washington Super-low fouling sulfobetaine and carboxybetaine materials and related methods

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4219800B2 (ja) 2003-12-22 2009-02-04 株式会社豊田中央研究所 ＳｉＣ単結晶の製造方法
US8124128B2 (en) * 2005-11-08 2012-02-28 Industrial Technology Research Institute Amphiphilic block copolymers and nano particles comprising the same
JP4961133B2 (ja) 2005-11-10 2012-06-27 大阪有機化学工業株式会社 医療用材料
FR2894585B1 (fr) * 2005-12-14 2012-04-27 Rhodia Recherches Et Tech Copolymere comprenant des unites zwitterioniques et d'autres unites, composition comprenant le copolymere, et utilisation
CA2665493A1 (en) 2006-08-07 2008-02-14 University Of Washington Mixed charge copolymers and hydrogels
JP2010530955A (ja) 2006-12-29 2010-09-16 ユニヴァーシティ オブ ワシントン 二重機能性非汚染表面および材料
WO2009067562A1 (en) 2007-11-19 2009-05-28 University Of Washington Cationic beataine precursors to zwitterionic betaines having controlled biological properties
JP6067376B2 (ja) * 2009-11-06 2017-01-25 ユニヴァーシティ・オブ・ワシントン・スルー・イッツ・センター・フォー・コマーシャリゼーション 架橋した双性イオンヒドロゲル

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05179155A (ja) * 1991-12-27 1993-07-20 Kuraray Co Ltd 組成物
WO2007024393A2 (en) * 2005-08-25 2007-03-01 University Of Washington Super-low fouling sulfobetaine and carboxybetaine materials and related methods

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LOUISA R. CARR等: "Functionalizable and nonfouling zwitterionic carboxybetaine hydrogels with a carboxybetaine dimethacrylate crosslinker", 《BIOMATERIALS》 *
唐黎明等: "以聚氨酯预聚物为交联剂的两性水凝胶", 《清华大学学报(自然科学版)》 *
赵青春: "聚合物水凝胶研究进展", 《高分子材料科学与工程》 *

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107835826A (zh) * 2015-06-02 2018-03-23 华盛顿大学 自支撑型不污聚合物、其组合物和有关单体
US11512160B2 (en) 2015-06-02 2022-11-29 University Of Washington Free-standing non-fouling polymers, their compositions, and related monomers
CN107835826B (zh) * 2015-06-02 2022-05-17 华盛顿大学 自支撑型不污聚合物、其组合物和有关单体
CN110381956B (zh) * 2017-01-27 2024-02-02 康奈尔大学 两性离子修饰的聚合物和水凝胶
CN110381956A (zh) * 2017-01-27 2019-10-25 康奈尔大学 两性离子修饰的聚合物和水凝胶
CN110520462A (zh) * 2017-04-18 2019-11-29 基础科学研究院 高分子凝胶及其制造方法、以及包含该高分子凝胶的物品
CN110520462B (zh) * 2017-04-18 2022-07-26 基础科学研究院 高分子凝胶及其制造方法、以及包含该高分子凝胶的物品
US20220079877A1 (en) * 2017-09-22 2022-03-17 University Of Florida Research Foundation, Inc. Devices and methods for reducing cystine crystals in vivo
CN111164115B (zh) * 2017-10-18 2021-11-23 富士胶片株式会社 固化性组合物、膜、固化物及医疗用部件
CN111164115A (zh) * 2017-10-18 2020-05-15 富士胶片株式会社 固化性组合物、膜、固化物及医疗用部件
CN109928889B (zh) * 2019-02-01 2022-02-11 中国医学科学院生物医学工程研究所 羧酸甜菜碱型含氟化合物及其合成方法和应用
CN109928889A (zh) * 2019-02-01 2019-06-25 中国医学科学院生物医学工程研究所 羧酸甜菜碱型含氟化合物及其合成方法和应用
CN111807979A (zh) * 2020-08-14 2020-10-23 中国医学科学院生物医学工程研究所 两性离子氟化交联剂、纳米凝胶及其应用
CN111807979B (zh) * 2020-08-14 2023-04-28 中国医学科学院生物医学工程研究所 两性离子氟化交联剂、纳米凝胶及其应用
CN114621743A (zh) * 2022-03-31 2022-06-14 中国石油大学(华东) 缓交联耐温耐盐聚合物冻胶压裂液及其制备方法和应用
CN114621743B (zh) * 2022-03-31 2023-10-03 中国石油大学(华东) 缓交联耐温耐盐聚合物冻胶压裂液及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
WO2011057219A3 (en) 2011-09-22
US20170009069A1 (en) 2017-01-12
JP2013510179A (ja) 2013-03-21
EP2496550A2 (en) 2012-09-12
US20120322939A1 (en) 2012-12-20
US9394435B2 (en) 2016-07-19
WO2011057219A2 (en) 2011-05-12
JP6067376B2 (ja) 2017-01-25
EP2496550A4 (en) 2014-04-02
US9738780B2 (en) 2017-08-22
JP6400666B2 (ja) 2018-10-03
EP2496550B1 (en) 2015-08-05
JP2017101033A (ja) 2017-06-08
US8835671B2 (en) 2014-09-16
US20150037598A1 (en) 2015-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102770407A (zh) 交联的两性离子水凝胶
US10828398B2 (en) Functionalized zwitterionic and mixed charge polymers, related hydrogels, and methods for their use
Erathodiyil et al. Zwitterionic polymers and hydrogels for antibiofouling applications in implantable devices
Carr et al. Functionalizable and nonfouling zwitterionic carboxybetaine hydrogels with a carboxybetaine dimethacrylate crosslinker
Tomić et al. Smart poly (2-hydroxyethyl methacrylate/itaconic acid) hydrogels for biomedical application
Gyawali et al. Citric acid-derived in situ crosslinkable biodegradable polymers for cell delivery
Wu et al. Development of a biocompatible and biodegradable hybrid hydrogel platform for sustained release of ionic drugs
Dharunya et al. Curcumin cross-linked collagen aerogels with controlled anti-proteolytic and pro-angiogenic efficacy
HU229668B1 (en) Cross-linked hyaluronic acids, uses thereof and biological substances containing them
Janarthanan et al. Manufacturing of self-standing multi-layered 3D-bioprinted alginate-hyaluronate constructs by controlling the cross-linking mechanisms for tissue engineering applications
Jastram et al. Rheological properties of hydrogels based on ionic liquids
Kaczmarek et al. Characterization of gelatin and chitosan scaffolds cross-linked by addition of dialdehyde starch
Yang et al. Charged group-modified poly (vinyl alcohol) hydrogels: preparation and antibacterial property
Stubbe et al. Photo‐crosslinked gelatin‐based hydrogel films to support wound healing
Tomić et al. Hemocompatibility, swelling and thermal properties of hydrogels based on 2-hydroxyethyl acrylate, itaconic acid and poly (ethylene glycol) dimethacrylate
Choi et al. Three-dimensional porous HPMA-co-DMAEM hydrogels for biomedical application
Nguyen et al. Tuning the mechanical properties of multiarm RAFT-based block copolyelectrolyte hydrogels via ionic cross-linking for 3D cell cultures
Xu et al. Facile modification of electrospun fibrous structures with antifouling zwitterionic hydrogels
Han et al. Click-chemistry approach toward antibacterial and degradable hybrid hydrogels based on octa-betaine ester polyhedral oligomeric silsesquioxane
JP2023527796A (ja) インサイチュゲル化両性イオン性ヒドロゲル組成物、及びその使用方法
Wen et al. Coating polyvinylchloride surface for improved antifouling property
Wang Design, Synthesis, and Characterization of Zwitterionic Materials for Biomedical Applications
Thankam Guar Gum Based Hydrogel Matrices as Low-Cost Biomaterials for Bone Tissue Engineering
Capáková Conducting Polymer Scaffolds–the Technology of Preparation and Cytocompatibility
Zhang et al. Micropatterning of Phospholipid Hydrogel Layer on the Substrate for Controlled Cell Immobilization

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20121107