CN106999270B

CN106999270B - 官能化的两性离子和混合电荷聚合物、相关的水凝胶及它们的使用方法

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Publication number: CN106999270B
Application number: CN201580058874.5A
Authority: CN
Inventors: 江绍毅; 白涛; H·S·孙达拉姆; A·W·辛克莱; J-R·艾拉-梅尼; P·杰
Original assignee: University of Washington
Current assignee: University of Washington
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2021-01-01
Anticipated expiration: 2035-09-09
Also published as: US20170266350A1; US10828398B2; WO2016040489A1; EP3191016B1; US10272180B2; JP2020139163A; EP3191016A1; US20200289712A1; JP2017527669A; EP3191016A4; JP6709780B2; CN106999270A

Abstract

官能化的两性离子和混合电荷聚合物和共聚物，用于制备该聚合物和共聚物的方法，由该官能化的两性离子和混合电荷聚合物和共聚物制备的水凝胶，用于制备和使用该水凝胶的方法，和用于给予治疗剂的两性离子和混合电荷聚合物和共聚物。

Description

官能化的两性离子和混合电荷聚合物、相关的水凝胶及它们的使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年9月9日提交的美国专利申请第62/048,155号的权益，通过引用明确地将其全部并入本文。

政府许可权利的声明

本发明是利用国家科学基金会(the National Science Foundation)授予的、根据合同号DMR 1307375和CBET-1264477，以及由海军研究局(the Office of NavalResearch)授予的、根据合同号N00014-14-1-0090和N00014-15-1-2277的政府支持完成的。政府在本发明中享有一定的权利。

背景技术

对于生物学和生物材料应用而言，水凝胶长期以来一直是令人感兴趣的，这是因为其模拟间质组织环境的高水含量，确保高扩散渗透性，并提供仿生机械强度。特别感兴趣的是PEG水凝胶和聚(2-羟乙基甲基丙烯酸酯)(pHEMA)水凝胶，因为除了水凝胶的一般特性之外，其还通常被认为是结垢少的、生物惰性的和通用的。

已发现pHEMA水凝胶被用于并被研究用于例如尤其接触透镜、人工角膜、药物递送载体、软骨替代物以及组织支架的应用。然而，pHEMA的水合低于天然组织的水合，并且虽然其结垢少，但仍高于其它非结垢材料。此外，经由羟基的pHEMA官能化通常是困难的。

常规使用PEG水凝胶，并且当将其它的官能团引入PEG水凝胶中时，为了体外和体内应用受控制，仅能对PEG水凝胶进行修饰，用于需要具有特定增加的生物活性功能性的生物惰性背景的应用。然而，已发现PEG易于氧化。PEG对氧化损伤的敏感性降低了其用于需要长期材料稳定性的应用的效用。然而，对于其中需要最大生物稳定性和非结垢的应用，基于PEG的材料是不能胜任的。

最近，包括聚(羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯)的两性离子化合物已被证实是结垢超少的，意味着用这些聚合物涂覆的表面实现低于5ng/cm²的蛋白吸附。由于两性离子材料的高水合和超低的结垢性，因此作为对生物医学应用具有优良适用性的水凝胶，两性离子水凝胶是令人感兴趣的。然而，迄今为止研究的两性离子水凝胶已显示出低机械强度，这限制了其潜在的生物学用途。

因此，存在对具有改善的机械性能的水凝胶的需求。本发明力图满足该需求并提供另外的相关优点。

发明概述

本发明提供官能化的两性离子和混合电荷聚合物和共聚物，用于制备该聚合物和共聚物的方法，由官能化的两性离子和混合电荷聚合物和共聚物制备的水凝胶，用于制备该水凝胶的方法，将该水凝胶用于体外和体内细胞培养的方法，和用于给予治疗剂的两性离子和混合电荷聚合物和共聚物。

官能化的两性离子聚合物和混合电荷共聚物

一方面，本发明提供了官能化的两性离子聚合物和共聚物以及官能化的混合电荷共聚物。

在一个实施方案中，本发明提供了一种官能化的聚合物，其包含核，所述核具有共价偶联到核并从核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的结构单元，并且其中所述两个或多个聚合物支链各自包含一个或多个官能团，所述一个或多个官能团有效将所述聚合物共价偶联到能够与所述一个或多个官能团形成共价键的材料。

在某些实施方案中，所述聚合物包含三个、四个、五个或六个聚合物支链。支链的数目可以变化，并取决于所述核和所述支链本身的性质。在一些实施方案中，所述支链是支化的。

在某些实施方案中，所述结构单元是两性离子结构单元。在其它实施方案中，所述结构单元是混合电荷结构单元。将被理解的是，所述两性离子聚合物和混合电荷共聚物可进一步包含其它结构单元(例如，两性离子聚合物可以是共聚物)。合适的其它结构单元包括包含赋予共聚物反应性的官能团或赋予共聚物期望性质的其它基团(例如阴离子基团、阳离子基团、中性基团、疏水基团、亲水基团)的结构单元。

在某些实施方案中，官能团位于聚合物支链的末端。在其它实施方案中，官能团的位置是沿着所述聚合物支链的骨架。在一些实施方案中，一个或多个结构单元包含官能团。可以控制聚合物或聚合物支链中官能团的数目以达到期望的聚合物或支链的整体官能度，并且聚合物或聚合物支链中官能团的数目将取决于聚合物的最终用途。

在某些实施方案中，官能团是硫醇。在其它实施方案中，官能团是反应对之一。在这些实施方案中，官能团是选自叠氮化物和炔烃、叠氮化物和烯烃、硫醇和马来酰亚胺、或硫醇和二硫化物的反应对之一。

两性离子和混合电荷聚合物水凝胶

在本发明的另一方面，提供了两性离子和混合电荷水凝胶。

在一个实施方案中，水凝胶包含共价偶联至第二聚合物的第一聚合物，其中所述第一聚合物包含第一核，所述第一核具有共价偶联到第一核并从第一核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第一结构单元，并且其中所述两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第一聚合物共价偶联到所述第二聚合物的一个或多个第一官能团，其中所述第二聚合物包含第二核，所述第二核具有共价偶联到第二核并从第二核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第二结构单元，并且其中所述两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第二聚合物共价偶联到所述第一聚合物的一个或多个第二官能团，并且其中所述水凝胶包含通过所述第一官能团和第二官能团的反应形成的键合所述第一聚合物和第二聚合物的共价键。

在另一个实施方案中，水凝胶包含共价偶联至第二聚合物的第一聚合物，其中所述第一聚合物包含第一核，所述第一核具有共价偶联到第一核并从第一核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第一结构单元，并且其中所述两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第一聚合物共价偶联到所述第二聚合物的一个或多个第一官能团，其中所述第二聚合物包含第二核，所述第二核具有共价偶联到第二核并从第二核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第二结构单元，并且其中所述两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第二聚合物共价偶联到所述第一聚合物的一个或多个第二官能团，并且其中所述水凝胶包含通过具有两个或多个第三官能团的交联剂键合所述第一聚合物和第二聚合物的共价键，其中键合所述第一聚合物和第二聚合物的共价键通过所述第一官能团和第三官能团以及所述第二官能团和第三官能团的反应形成。

在包含由交联剂形成的交联的某些水凝胶实施方案中，将被理解的是，交联的性质可以变化。在某些实施方案中，所述第一聚合物和第二聚合物是不同的，具有不同的官能团，并且通过具有合适的反应官能团的交联剂进行交联。在其它实施方案中，所述第一聚合物和第二聚合物是相同的，具有相同的官能团，并且通过具有合适的反应官能团的交联剂进行交联。

在包含由交联剂形成的交联的某些水凝胶实施方案中，所述第一官能团和第二官能团是相同的。在包含由交联剂形成的交联的某些水凝胶实施方案中，所述第一官能团是硫醇，所述第二官能团是硫醇，并且所述第三官能团是硫醇或二硫化物。在包含由交联剂形成的交联的其它水凝胶实施方案中，所述第一官能团和第三官能团以及所述第二官能团和第三官能团是点击化学反应对。在这些实施方案中的某些实施方案中，所述第一官能团和第三官能团选自叠氮化物和炔烃、叠氮化物和烯烃、硫醇和马来酰亚胺、或硫醇和二硫化物。在这些实施方案中的某些实施方案中，所述第二官能团和第三官能团选自叠氮化物和炔烃、叠氮化物和烯烃、硫醇和马来酰亚胺、或硫醇和二硫化物。

对于如上所述的本发明的水凝胶，在某些实施方案中，所述第一聚合物包含三个、四个、五个或六个聚合物支链。在某些实施方案中，所述第一结构单元是两性离子结构单元。在其它实施方案中，所述第一结构单元是混合电荷结构单元。

在某些实施方案中，所述第一官能团位于聚合物支链的末端。在其它实施方案中，所述第一官能团的位置是沿着所述聚合物支链的骨架。在某些实施方案中，所述第一结构单元包含所述第一官能团。

在某些实施方案中，所述第二聚合物包含三个、四个、五个或六个聚合物支链。在某些实施方案中，所述第二结构单元是两性离子结构单元。在其它实施方案中，所述第二结构单元是混合电荷结构单元。

在某些实施方案中，所述第二官能团位于聚合物支链的末端。在其它实施方案中，所述第二官能团的位置是沿着所述聚合物支链的骨架。在某些实施方案中，所述第二结构单元包含所述第二官能团。

在某些实施方案中，所述第一和第二官能团是相同的。在某些实施方案中，所述第一官能团是硫醇，并且第二官能团是硫醇。在其它实施方案中，所述第一官能团和第二官能团是不同的。在某些实施方案中，所述第一官能团和第二官能团是点击化学反应对。代表性的对包括叠氮化物和炔烃、叠氮化物和烯烃、硫醇和马来酰亚胺、或硫醇和二硫化物。

本发明的水凝胶可以有利地包含另外的组分。在某些实施方案中，水凝胶进一步包含细胞、病毒、细菌及其组分，或其基因改变的变体。

代表性的细胞包括天然细胞及其基因修饰的对应物，例如外分泌上皮细胞、激素分泌细胞、角质化上皮细胞、湿分层屏障上皮细胞(wet stratified barrier epithelialcells)、感觉传导细胞、自主神经元细胞、感觉器官和外周神经元支持细胞、神经元和胶质细胞、晶状体细胞、肝细胞、脂肪细胞(adipocyte)、脂细胞(lipocyte)、屏障功能细胞、肾细胞、心脏细胞、细胞外基质细胞、收缩细胞，血液和免疫系统细胞如红细胞、单核细胞、嗜中性粒细胞、肥大细胞、T细胞、干细胞、生殖细胞、滋养细胞、间质细胞、祖细胞、造血干细胞。

代表性病毒包括DNA病毒、RNA病毒、逆转录酶病毒、逆转录病毒和腺病毒。

代表性细菌包括病原菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、蓝细菌。代表性的细菌种类包括梭菌的种、鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌。

在某些实施方案中，本发明的水凝胶包含寡核苷酸(DNA和RNA)、脂质复合物(lipoplexes)、聚合物囊泡(polymersome)、聚合复合物(polyplexes)、树状聚合物(dendrimer)、无机颗粒。

在其它实施方案中，本发明的水凝胶包含蛋白质、肽、多糖或小分子。

在某些实施方案中，本发明的水凝胶包含治疗剂或诊断剂。

在其它实施方案中，本发明的水凝胶包含纳米材料。

用两性离子和混合电荷聚合物水凝胶处理的表面和制备的装置

在另一方面，本发明提供了用本发明的水凝胶处理的基质。在一个实施方案中，本发明提供了具有表面的基质，其中所述表面的至少一部分用水凝胶涂覆。在某些实施方案中，所述表面全部用水凝胶涂覆。

在相关方面，本发明提供了至少部分地由本发明的水凝胶形成的装置(例如，医疗装置)或掺入本发明的水凝胶的装置(例如，医疗装置)。在这些实施方案中的某些实施方案中，所述装置全部或部分地由本发明的水凝胶制成。

代表性的基质和装置包括以下：可植入的生物传感器、伤口护理装置、密封剂、接触透镜、牙科植入物、矫形装置(人工关节、人工骨、人工韧带、人工腱)、心血管装置(导管、人工瓣膜、人工血管、人工支架、LVAD、节律管理装置)、胃肠病学装置(饲管、消化道夹、胃肠套(gastro-intestinal sleeve)、胃气囊(gastric balloon))、OB/Gyn装置(植入式生育控制装置、阴道吊带)、肾脏装置(吻合连接器、皮下港)、神经外科装置(神经引导管、脑脊液引流管或分流器)、皮肤病学装置(皮肤修复装置)、眼科装置(分流器)、耳鼻喉科装置(支架、耳蜗植入物、管、分流器、扩张器)、眼内透镜(intra-ocular len)、美容植入物(乳房植入物、鼻植入物、脸颊植入物)、神经学植入物(神经刺激装置)、耳蜗植入物、神经导管、激素控制植入物(血糖传感器、胰岛素泵)、植入的生物传感器、接入端口装置(access portdevice)、组织支架肺部装置(用于COPD或人工肺的管理的瓣膜)、放射学装置(射线不透性或超声不透性标记物)或泌尿装置(导管、人工尿道)。

两性离子和混合电荷聚合物水凝胶的用途

另一方面，本发明提供了两性离子和混合电荷聚合物水凝胶的用途。

在某些实施方案中，本发明提供了包含水凝胶的用于细胞保护、保存或生长的培养基。所述培养基可进一步包含一种或多种营养素或生长因子。所述培养基可以在体外或体内使用。

在某些实施方案中，本发明提供了包含所述水凝胶的外科密封剂。

在某些实施方案中，本发明提供了包含所述水凝胶的外科抗粘附涂层。

在某些实施方案中，本发明提供了包含所述水凝胶的外科填充物。

在某些实施方案中，本发明提供了包含所述水凝胶的伤口敷料。

在某些实施方案中，本发明提供了包含所述水凝胶的美容填充物。

在某些实施方案中，本发明提供了包含所述水凝胶的预成型为特定形状的美容填充物。

在某些实施方案中，本发明提供了包含所述水凝胶的矫形软组织替代物(例如软骨或椎间盘(spinal disc))。

在某些实施方案中，本发明提供了包含所述水凝胶的组织生长支架。所述支架可以在体外或体内使用。

在某些实施方案中，本发明提供了至少部分地由水凝胶形成的医疗装置。

在某些实施方案中，本发明提供了掺入水凝胶的医疗装置。

用于制备两性离子和混合电荷聚合物水凝胶的方法

在另一方面，本发明提供了用于制备两性离子和混合电荷聚合物水凝胶的方法。

在第一实施方案中，本发明提供了一种用于形成水凝胶的方法，其包括使第一聚合物与第二聚合物反应以提供水凝胶，其中所述第一聚合物包含第一核，所述第一核具有共价偶联到第一核并从第一核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第一结构单元，并且其中所述两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第一聚合物共价偶联到所述第二聚合物的一个或多个第一官能团，其中所述第二聚合物包含第二核，所述第二核具有共价偶联到第二核并从第二核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第二结构单元，并且其中所述两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第二聚合物共价偶联到所述第一聚合物的一个或多个第二官能团，并且其中所述水凝胶通过所述第一官能团和第二官能团之间形成共价键而形成。

在某些实施方案中，所述水凝胶在原位形成(例如，在体内)。在其它实施方案中，所述水凝胶在容器中形成。在任一实施方案中，所述水凝胶可用于细胞培养。

在第二实施方案中，本发明提供一种用于在体内形成水凝胶的方法，其包括：

(a)在体内的部位放置第一聚合物；和

(b)在所述部位放置第二聚合物，由此所述第二聚合物在所述部位与所述第一聚合物接触以提供水凝胶，

其中所述第一聚合物包含第一核，所述第一核具有共价偶联到第一核并从第一核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第一结构单元，并且其中所述两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第一聚合物共价偶联到所述第二聚合物的一个或多个第一官能团，

其中所述第二聚合物包含第二核，所述第二核具有共价偶联到第二核并从第二核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第二结构单元，并且其中所述两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第二聚合物共价偶联到所述第一聚合物的一个或多个第二官能团，

其中所述水凝胶通过所述第一官能团和第二官能团之间形成共价键而形成。

在某些实施方案中，通过注射、喷射、灌注和浸涂将所述第一聚合物和第二聚合物置于所述部位。

在第三实施方案中，本发明提供了一种用于形成水凝胶的方法，其包括使第一聚合物、第二聚合物和交联剂反应以提供水凝胶，其中所述第一聚合物包含第一核，所述第一核具有共价偶联到第一核并从第一核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第一结构单元，并且其中所述两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第一聚合物共价偶联到所述交联剂的一个或多个第一官能团，其中所述第二聚合物包含第二核，所述第二核具有共价偶联到第二核并从第二核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第二结构单元，并且其中所述两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第二聚合物共价偶联到所述交联剂的一个或多个第二官能团；其中所述交联剂包含通过在所述第一聚合物和第二聚合物之间形成交联有效地将所述第一聚合物共价偶联到所述第二聚合物的两个或多个第三官能团；并且其中所述水凝胶通过所述第一官能团和第三官能团以及所述第二官能团和第三官能团之间形成共价键而形成。

在第三实施方案中的某些实施方案中，所述第一官能团和第二官能团是相同的；所述第一官能团是硫醇，所述第二官能团是硫醇，且所述第三官能团是硫醇或二硫化物；以及所述第一官能团和第三官能团、和所述第二官能团和第三官能团是点击化学反应对。在某些实施方案中，所述第一官能团和第三官能团选自叠氮化物和炔烃、叠氮化物和烯烃、硫醇和马来酰亚胺、或硫醇和二硫化物。在某些实施方案中，所述第二官能团和第三官能团选自叠氮化物和炔烃、叠氮化物和烯烃、硫醇和马来酰亚胺、或硫醇和二硫化物。

在上述方法(第一、第二和/或第三实施方案)中，所述第一聚合物包含三个、四个、五个或六个聚合物支链。

在这些实施方案中的某些实施方案中，所述第一结构单元是两性离子结构单元。在这些实施方案中的其它实施方案中，所述第一结构单元是混合电荷结构单元。

在某些实施方案中，所述第一官能团位于所述聚合物支链的末端。在其它实施方案中，所述第一官能团的位置是沿着所述聚合物支链的骨架。在某些实施方案中，一个或多个所述第一结构单元包含所述第一官能团。

在上述方法(第一、第二和/或第三实施方案)中，所述第二聚合物包含三个、四个、五个或六个聚合物支链。

在这些实施方案中的某些实施方案中，所述第二结构单元是两性离子结构单元。在这些实施方案中的其它实施方案中，所述第二结构单元是混合电荷结构单元。

在某些实施方案中，所述第二官能团位于聚合物支链的末端。在其它实施方案中，所述第二官能团的位置是沿着所述聚合物支链的骨架。在某些实施方案中，一个或多个所述第二结构单元包含所述第二官能团。

在某些实施方案中，所述第一官能团和第二官能团是相同的。在某些实施方案中，第一官能团是硫醇，且第二官能团是硫醇。

在其它实施方案中，所述第一官能团和第二官能团是不同的。在某些实施方案中，所述第一官能团和第二官能团是点击化学反应对。在某些实施方案中，所述第一官能团和第二官能团选自叠氮化物和炔烃、叠氮化物和烯烃、硫醇和马来酰亚胺、或硫醇和二硫化物。

两性离子和混合电荷星形聚合物治疗剂缀合物(conjugate)

另一方面，本发明提供了两性离子和混合电荷星形聚合物治疗剂缀合物。

在一个实施方案中，本发明提供一种聚合物，其包含核，所述核具有两个或多个共价偶联至核并从核延伸的聚合物支链，其中所述聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的结构单元，并且其中所述两性离子结构单元和混合电荷结构单元包含共价偶联至其的治疗剂。

在某些实施方案中，所述治疗剂通过可水解键共价偶联至结构单元。

在某些实施方案中，所述聚合物包含三个、四个、五个或六个聚合物支链。在某些实施方案中，所述结构单元是两性离子结构单元。在其它实施方案中，所述结构单元是混合电荷结构单元。

在相关方面，提供了一种用于向受试者给予治疗剂的方法。在该方法中，将治疗有效量的具有共价偶联至其的治疗剂的本发明的聚合物给予有其需要的受试者(例如，温血动物，如人)。

在某些实施方案中，给予聚合物包括全身、表面(topical)或局部(local)给予。在某些实施方案中，给予聚合物包括吸入、口服和经皮给予。在某些实施方案中，给予聚合物包括静脉内注射、肌内注射、皮下注射、腹膜内注射或局部注射。

附图说明

因为当结合附图时，参照下面的详细描述，本发明的上述方面和许多伴随的优点变得更好理解，所以其将变得更容易领会。

图1是具有两性离子(聚羧基甜菜碱)支链的本发明的代表性星形聚合物的合成的示意图。在该星形聚合物中，所述支链显示以溴甲基封端，所述溴甲基是用于连续聚合(例如原子转移自由基聚合，ATRP)的自由基引发剂基团。所述星形聚合物通过ATRP由具有所示的自由基引发剂基团(-O(C＝O)-C(CH₃)₂-Br)的四官能化核和羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯(CH₂＝C(CH₃)-C(＝O)-CH₂CH₂-N(CH₃)₂ ⁺-CH₂CH₂-CO₂ ^-，CBMA)单体制备。

图2是具有以硫醇基(-CH₂-SH)封端的两性离子(聚羧基甜菜碱)支链的本发明的代表性星形聚合物的合成示意图。这种星形聚合物由图1所示的所述星形聚合物通过点击化学(星形聚合物与叠氮化钠和3-硫代乙炔(3-thioacetylene)的反应)来制备。

图3A和3B示意性地示出了由本发明的适当官能化的星形聚合物制备的本发明的代表性水凝胶的制备。图3A示出了本发明的两种代表性星形聚合物的合成：(a)具有以硫醇基(-CH₂-SH)封端的两性离子(聚羧基甜菜碱)支链的星形聚合物，表示为pCB-A；和(b)具有以吡啶基二硫基(-CH₂-S-S-C₅H₄N)封端的两性离子(聚羧基甜菜碱)支链的星形聚合物，表示为pCB-B。这些星形聚合物由图1所示的所述星形聚合物通过点击化学(星形聚合物与叠氮化钠和(a)3-硫代乙炔或(b)3-吡啶基二硫乙炔(3-pyridyl disulfide acetylene)的反应)来制备。图3B示出了由图3A所示的所述星形聚合物(pCB-A和pCB-B)的反应制备的本发明的代表性水凝胶的制备。水凝胶可以通过在细胞存在下简单混合pCB-A与pCB-B来形成。

图4A-4D显示在本发明的代表性水凝胶(pCB水凝胶)中培养的包封的胰岛细胞的数据。图4A是显示在体外培养18天后对pCB水凝胶内的包封胰岛进行LIVE/DEAD测定的结果的图像。刻度条：300μm。胰岛细胞的水凝胶包封的效果示于图4B-4D。图4B比较了在本发明的代表性水凝胶(pCB)和对照物(Ctrl)(n＝3)中培养的胰岛细胞随时间的葡萄糖消耗。图4C比较了在本发明的代表性水凝胶(pCB)和对照物(Ctrl)中培养的胰岛细胞在静态孵育中第18天(n＝4)的胰岛素分泌。图4D比较了在本发明的代表性水凝胶(pCB)和对照物(Ctrl)中培养的胰岛细胞使用灌注系统(n＝3)通过低葡萄糖培养基(3mM，蓝色箭头)、高葡萄糖培养基(17mM，红色箭头)并再通过低(3mM)葡萄糖培养基的连续刺激评估的第18天的动态胰岛素释放。图中，*表示与对照胰岛(无水凝胶，p<0.05)有显著差异。均值±SEM。

图5A和5B示出在本发明的代表性水凝胶(pCB水凝胶)中培养的包封的外周血干细胞(PBSC)细胞的数据。图5A示出水凝胶模量随时间的变化(水凝胶降解)。图5B是显示在7天体外培养后在pCB水凝胶内对包封的PBSC细胞进行的LIVE/DEAD测定的结果的图像。

图6是从具有两性离子(聚羧基甜菜碱)支链的本发明的代表性星形聚合物释放代表性治疗剂的示意图。所述星形聚合物通过ATRP由具有所述自由基引发剂基团的四官能化核和羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯治疗剂单体(CH₂＝C(CH₃)-C(＝O)-CH₂CH₂-N(CH₃)₂ ⁺-CH₂CH₂-CO₂-治疗剂)制备。在所示的代表性星形聚合物中，通过与CBMA的延伸聚合进一步延伸支链，以提供除带有治疗剂的结构单元之外还具有两性离子结构单元的支链。图6所示的所述星形聚合物是嵌段共聚物。将被理解的是，在某些实施方案中，所述星形聚合物是通过两性离子单体(例如CBMA)和两性离子治疗剂单体(例如CBMA-治疗剂)的共聚制备的无规共聚物。在所述星形聚合物水解时，释放所述治疗剂。星形聚合物的水解和治疗剂的释放使星形聚合物中的两性离子结构单元再生。如图6所示，所述治疗剂是布洛芬(ibuprophen)，并且通过CBMA与布洛芬的缩合制备用于合成能释放布洛芬的所述星形聚合物的单体。

图7是对制备用于细胞包封的水凝胶有用的本发明的代表性星形pCB的制备的示意图。

图8比较了包封在本发明的代表性pCB水凝胶内的T细胞的活力。

发明详述

本发明提供了两性离子和混合电荷星形聚合物和共聚物，用于治疗剂递送和水凝胶形成的官能化的两性离子和混合电荷星形聚合物和共聚物，具有共价偶联至其的治疗剂的用于治疗剂递送的两性离子和混合电荷星形聚合物和共聚物，和由官能化的两性离子和混合电荷星形聚合物制备的水凝胶。

如本文所用，术语“两性离子聚合物或共聚物”是指具有两性离子结构单元的聚合物或共聚物。两性离子结构单元具有包含两性离子基团的侧基(即聚合物骨架侧面的基团)。代表性的两性离子侧基包括羧基甜菜碱基团(例如，-R_a-N⁺(R_b)(R_c)-R_d-CO₂ ^-，其中R_a是将聚合物骨架共价偶联到羧基甜菜碱基团的阳离子氮中心的连接基团，R_b和R_c是氮取代基，R_d是将阳离子氮中心共价偶联到羧基甜菜碱基团的羧基的连接基团)。

术语“混合电荷共聚物”是指具有基本上相等数量的带正电荷的结构单元和带负电荷的结构单元以提供基本上电中性的共聚物的共聚物。在某些实施方案中，混合电荷共聚物是无规共聚物，所述无规共聚物不具有沿聚合物骨架的带正电荷或带负电荷的延伸区域(即带正电荷和带负电荷的结构单元沿聚合物骨架相对均匀分布)。代表性的混合电荷侧基包括羧基(例如，-R_a-CO₂ ^-，其中R_a是将羧基共价偶联到聚合物骨架的连接基团)和氨基(例如，-R_a-N⁺(R_b)(R_c)(R_d)，其中R_a是将阳离子氮中心共价偶联到聚合物骨架的连接基团，R_b，R_c和R_d是氮取代基)。

术语“星形聚合物或共聚物”是指其中两个或多个聚合物或共聚物支链从核延伸的支化聚合物或共聚物。本发明的代表性的星形聚合物和共聚物包含从核延伸的两个、三个、四个、五个、六个或更多个支链。核是具有两个或多个官能团的原子团，通过聚合所述支链可以从所述核延伸。代表性的核具有两个、三个、四个、五个、六个或更多个官能团，支链可以从所述核延伸。在某些实施方案中，支链是两性离子聚合物或共聚物支链。在其它实施方案中，支链是混合电荷共聚物支链。

术语“官能化的聚合物或共聚物”是指共聚物的聚合物，其包含赋予聚合物或共聚物共价偶联到也是官能化的聚合物或共聚物的另一共聚物的聚合物的反应性的官能团。在本发明的实践中，本发明的官能化的星形聚合物和共聚物通过其官能团反应以形成共价偶联聚合物和共聚物(例如，使聚合物和共聚物交联)的共价键。为了将第一官能化的聚合物或共聚物共价偶联到第二官能化的聚合物或共聚物，第一聚合物或共聚物和第二聚合物或共聚物的官能团(即分别为第一官能团和第二官能团)具有互补的反应性。第一官能团和第二官能团是反应对。在某些实施方案中，第一官能团和第二官能团一旦在室温和生理温度之间的温度下混合就反应以形成键(例如，在没有外部刺激的情况下)。合适的这种反应对在本领域中是已知的。代表性的有用的反应对包括硫醇/马来酰亚胺和点击化学反应对(例如，叠氮化物/炔烃和叠氮化物/烯烃)。

聚合物定义

术语“结构单元”是指聚合物中的原子或原子团，其包括聚合物链的部分以及其侧面的原子或原子团(如果存在的话)。结构单元可以指重复单元。结构单元还可以指聚合物链上的端基。例如，聚乙二醇的结构单元可以是对应于重复单元的-CH₂CH₂O-或对应于端基的-CH₂CH₂OH。

术语“重复单元”对应于最小的结构单元，其重复构成了规则大分子(或寡聚物分子或嵌段)。

术语“端基”是指位于聚合物端部的具有仅一个与聚合物链的连接(attachment)的结构单元。例如，一旦单体单元已聚合，则端基可以来源于聚合物端部的单体单元。作为另一个实例，端基可以是用于合成聚合物的链转移剂或引发剂的部分。

术语“单体”是聚合时构成聚合物结构中的一个或多个结构单元的可聚合化合物。

术语“聚合物”是指作为单个单体聚合的结果的产物。

术语“共聚物”是指作为由两种或多种不同单体聚合的结果的聚合物。可以在共聚物中分别控制每种结构单元的数量和性质。除非另有明确说明，否则结构单元可以以完全随机、交替随机、规则交替、规则嵌段或随机嵌段的构型进行设置。完全随机构型可以例如为：x-x-y-z-x-y-y-z-y-z-z-z……或y-z-x-y-z-y-z-x-x……。交替随机构型可以为：x-y-x-z-y-x-y-z-y-x-z……，且规则交替构型可以为：x-y-z-x-y-z-x-y-z……。

官能化的两性离子聚合物和混合电荷共聚物

一方面，本发明提供了官能化的两性离子和混合电荷聚合物和共聚物。在某些实施方案中，本发明的官能化的两性离子和混合电荷聚合物和共聚物是官能化的两性离子星形和混合电荷星形聚合物和共聚物。

如上所述，对于本发明的星形聚合物和共聚物而言，支链可以是任何两性离子或混合电荷聚合物以及其通过水解、紫外线照射或热可以被转化为两性离子或混合电荷聚合物的前体。两性离子或混合电荷聚合物可以通过有效地使不饱和单体聚合的任何聚合方法获得，聚合方法包括原子转移自由基聚合(ATRP)、可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)、光聚合、开环聚合(ROP)、缩合、迈克尔(Michael)加成、支链产生/增长反应(branchgeneration/propagation reaction)或其它反应。在某些实施方案中，具有末端官能团的聚合物能够特异性结合到结合配偶体，且同时避免通过它们的两性离子或混合电荷结构被赋予聚合物的非特异性生物结垢。由于它们的官能化末端，通过互补偶联化学(例如，点击化学、硫醇交换反应、还原反应和本领域已知的其它化学过程)，本发明的聚合物可以被转化成用于制备本发明的水凝胶的进一步官能化的聚合物。在产生支链后，这些官能端基可以被预改性和后改性。

两性离子单体。在某些实施方案中，本发明的官能化的聚合物和共聚物是由合适的可聚合的两性离子单体的聚合制备的聚合物。在这些实施方案中的某些实施方案中，聚合物或共聚物具有式(I)的重复单元：

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，或与它们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)]共价偶联到聚合物骨架[-(CH₂-CR₄)_n-]的连接部。

L₅是将阴离子中心[A₂(＝O)O^-]共价偶联到阳离子中心的连接部；

A₂是C、SO、SO₂、P或PO；

n为5至约10,000的整数；和

*代表重复单元被共价连接至用于形成水凝胶的相邻的重复单元或官能团的点。

在聚合物中，侧基两性离子基团是内盐且M⁺和X^-不存在。

在一个实施方案中，R₄是C1-C3烷基。

R₅和R₆独立地选自烷基和芳基，或与它们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是C1-C3烷基。

在某些实施方案中，L₄选自以下：-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为1-6。

在某些实施方案中，L₅为-(CH₂)_n-，其中n为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为5至约5,000的整数。

在一个实施方案中，R₄、R₅和R₆为甲基，L₄为-C(＝O)O-(CH₂)₂-，L₅为-(CH₂)-，A₁为C，且n为10至约1,000的整数。

本发明的两性离子聚合物和共聚物可以通过具有式(II)的单体的聚合来制备：

CH₂＝C(R₄)-L₄-N⁺(R₅)(R₆)-L₅-A₂(＝O)O^- (II)

其中R₄、R₅、R₆、L₄、L₅和A₂如上文关于式(I)的重复单元所述的。

本发明的代表性两性离子聚合物支链具有式(III)：

PB-(L₄-N⁺(R₅)(R₆)-L₅-A₂(＝O)O^-)_n (III)

其中R₅、R₆、L₄、L₅、A₂和n如上文关于式(I)的重复单元所述的，并且PB是包含重复单元[式(I)]的聚合物骨架。

混合电荷共聚单体。另一方面，本发明提供由离子对共聚单体的共聚制备的混合电荷共聚物。如上所述，混合电荷共聚物具有聚合物骨架、多个带正电荷的重复单元和多个带负电荷的重复单元。在本发明的实践中，这些共聚物可以通过离子对共聚单体的聚合制备。

混合电荷共聚物包含多个带正电荷的重复单元和多个带负电荷的重复单元。在一个实施方案中，混合电荷共聚物是基本电中性的。如本文所用，术语“基本上电中性”是指赋予共聚物有利的不结垢性的共聚物。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(即带正电荷的重复单元和带负电荷的重复单元数目约相等的共聚物)。在一个实施方案中，带正电荷的重复单元的数目与带负电荷的重复单元的数目之比为约1:1.1至约1:0.5。在一个实施方案中，带正电荷的重复单元的数目与带负电荷的重复单元的数目之比为约1:1.1至约1:0.7。在一个实施方案中，带正电荷的重复单元的数目与带负电荷的重复单元的数目之比为约1:1.1至约1:0.9。

在一个实施方案中，混合电荷共聚物由合适的可聚合的离子对共聚单体的共聚制备。

用于本发明的代表性离子对共聚单体具有式(IV)和(V)：

CH₂＝C(R₇)-L₆-N⁺(R₉)(R₁₀)(R₁₁)X^- (IV)

CH₂＝C(R₈)-L₇-A₃(＝O)-O-M⁺ (V)

在该实施方案中，混合电荷共聚物具有式(VI)的重复单元：

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，或与它们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、SO、SO₂、P或PO，以及M是金属或有机反离子(counterion)；

L₆是将阳离子中心[N⁺(R₉)(R₁₀)(R₁₁)]共价偶联到聚合物骨架的连接部；

L₇是将阴离子中心[A(＝O)OM]共价偶联到聚合物骨架的连接部；

X^-是与阳离子中心缔合的反离子；

n为5至约10,000的整数；

p为5至约10,000的整数；和

*代表重复单元被共价连接至用于形成水凝胶的任一和相邻的重复单元或官能团的点。

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，或与它们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是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是-C(＝O)O-(CH₂)_n-，其中n为1-6。

在某些实施方案中，L₇是C1-C20亚烷基链。代表性的L₇基团包含-(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为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为C，以及n为10至约1,000的整数。

代表性的混合电荷聚合物支链具有式(VII)：

PB-[L₆-N⁺(R₉)(R₁₀)(R₁₁)]_n[L₇-A₃(＝O)-O^-M⁺)]_p(X^-)_n(VII)

其中L₆、N⁺(R₉)(R₁₀)(R₁₁)、L₇、A₃(＝O)O-M+、X^-、n和p如上所述，且PB是包含重复单元[式(VI)]的聚合物骨架。

以下是对上述式(I)-(VI)的交联剂、单体、共聚单体、聚合物、共聚物和交联物的描述。

在上式中，PB是聚合物骨架。代表性的聚合物骨架包含获自乙烯基单体(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)的乙烯基骨架(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)。其它合适的骨架包括提供侧基的聚合物骨架。其它代表性的聚合物骨架包括肽(多肽)、氨基甲酸乙酯(聚氨酯)和环氧骨架。

类似地，在上式中，CH₂＝C(R)-是可聚合的基团。将被理解的是，可以使用包含上述那些的其它可聚合的基团来提供本发明的单体和聚合物。

在上式中，N⁺是阳离子中心。在某些实施方案中，阳离子中心是季铵(例如，键合至L₄、R₅、R₆和L₅的N)。除了铵之外，其它有用的阳离子中心(与N一起的R₅和R₆)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直链和支链烷基。在某些实施方案中，烷基进一步被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，C6-C12芳基包括例如苯基。对于上述式的某些实施方案，R₅和R₆，或R₉、R₁₀和R₁₁与N⁺一起形成阳离子中心。

L₄(或L₆)是将阳离子中心共价偶联到聚合物骨架的连接部。在某些实施方案中，L₄包含将L₄的剩余部分偶联到聚合物骨架(或单体的可聚合部分)的官能团(例如酯或酰胺)。除了官能团之外，L₄还可以包含C1-C20亚烷基链。代表性的L₄基团包含-C(＝O)O-(CH₂)_n-和-C(＝O)NH-(CH₂)_n-，其中n为1-20(例如3)。

L₅是将阳离子中心共价偶联到阴离子基团(即(A＝O)O^-)的连接部。L₅可以是C1-C20亚烷基链。代表性的L₅基团包含-(CH₂)_n-，其中n为1-20(例如，1、3或5)。

L₇是将聚合物骨架共价偶联到阴离子基团的连接部。L₇可以是C1-C20亚烷基链。代表性的L₇基团包含-(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酯(A是C)、亚磺酸(A是SO)、磺酸(A是SO ₂)、次膦酸(A是P)或膦酸(A是PO)。

在上式中，代表性的烷基包含C1-C30直链和支链烷基。在某些实施方案中，烷基进一步被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，所述C6-C12芳基包括例如包括取代的苯基的苯基(例如苯甲酸)。

X^-是与阳离子中心缔合的反离子。反离子可以是产生自阳离子聚合物或单体的合成的反离子(例如Cl^-、Br^-、I^-)。最初由阳离子中心的合成所产生的反离子也可以与其它合适的反离子交换，以提供具有可控水解性质和其它生物学性质的聚合物。代表性的疏水性反离子包括羧酸盐，例如苯甲酸和脂肪酸阴离子(例如CH₃(CH₂)_nCO₂ ^-，其中n＝1-19)；烷基磺酸盐(例如CH₃(CH₂)_nSO₃ ^-，其中n＝1-19)；水杨酸盐；乳酸盐；双(三氟甲基磺酰基)酰胺阴离子(N^-(SO₂CF₃)₂)；及其衍生物。其它反离子也可以选自氯化物、溴化物、碘化物、硫酸盐；硝酸盐；高氯酸盐(ClO₄)；四氟硼酸盐(BF₄)；六氟磷酸盐(PF₆)；三氟甲基磺酸盐(SO₃CF₃)；及其衍生物。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，抗微生物剂，例如水杨酸(2-羟基苯甲酸)、苯甲酸盐、乳酸盐。

对于单体，R₁和R₂选自氢、氟化物、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是氢。在一个实施方案中，R₁、R₂和R₄是甲基。

本发明的代表性的两性离子星形聚合物如图1和2所示。

图1是具有两性离子(聚羧基甜菜碱)支链的本发明的代表性星形聚合物的合成的示意图。在该星形聚合物中，支链显示以溴甲基封端，所述溴甲基是用于连续聚合(例如原子转移自由基聚合，ATRP)的自由基引发剂基团。星形聚合物通过ATRP由具有所示自由基引发剂基团(-O(C＝O)-C(CH₃)₂-Br)的四官能化核和羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯(CH₂＝C(CH₃)-C(＝O)-CH₂CH₂-N(CH₃)₂ ⁺-CH₂CH₂-CO₂ ^-，CBMA)单体制备。

图2是具有以硫醇基(-CH₂-SH)封端的两性离子(聚羧基甜菜碱)支链的本发明的代表性星形聚合物的合成示意图。这种星形聚合物由图1所示的所述星形聚合物通过点击化学(星形聚合物与叠氮化钠和3-硫代乙炔的反应)来制备。

本发明的两性离子和混合电荷聚合物的代表性官能团包括OH、NH、NH₂、SH、N₃、CH＝CH₂、C≡CH、COOH、CHO、酰亚胺酯、卤代乙酰基、酰肼、烷氧基胺、芳基叠氮、双吖丙啶、马来酰亚胺、碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、噻唑烷-2-硫酮、吡啶基二硫化物(pyridyldisulfide)、二氟化环辛炔(difluorinatedcyclooctyne)、Staudinger试剂对、异氰酸酯、异硫氰酸酯、硫醚、巯基、肼、羟甲基膦、磺基-NHS酯、五氟苯基酯、磺酰基叠氮、5H-二苯并[b,f]吖庚因(5H-dibenz[b,f]azepine)及其衍生物。

在某些实施方案中，官能化的两性离子聚合物具有式(A)：

其中

(C)是核(例如，C1-C50亚烷基、亚芳基、丙烯酸酯、胺、酰胺或其它大分子核)；

R₁、R₄、R₅、R₈和M独立地选自C-C6亚烷基和C6-C12亚芳基。

R₂和R₃独立地选自C1-C6亚烷基、C6-C12亚芳基、-O(CH₂)_m-、-S(CH₂)_m-、-C(＝O)(CH₂)_m-、-C(＝S)(CH₂)_m-、-C(＝NH)(CH₂)_m-和-NH(CH₂)_m-、-(CH₂)_mC(＝O)-、-(CH₂)_mOC(＝O)-、-(CH₂)_mNHC(＝O)-、-(CH₂)_mNHC(＝S)-、-(CH₂)_mSC(＝O)-、-(CH₂)_mSC(＝S)-、-(CH₂)_mNHC(＝NH)-和-(CH₂)_mC(＝O)NHNH-，其中m是1至20的整数；

K是阳离子中心，其选自以下：铵、咪唑鎓、三唑鎓、吡啶鎓、吗啉鎓和其它氮-、硫化物-、磷酸盐-基阳离子，例如氨基亚膦酸(ammoniophosphinate)、氨基(烷氧基)二氰基乙烯醇盐(ammonio(alkoxy)dicyanoethenolate)、氨基硼酸盐(ammonioboronate)、磺酰基羧酸盐(sulfoniocarboxylate)和羟吡啶甜菜碱(oxypyridinebetaine)；

R₆和R₇独立地选自氢和C1-C6烷基、或与K一起形成阳离子中心，其选自以下：铵、咪唑鎓、三唑鎓、吡啶鎓、吗啉鎓和其它氮-、硫化物-、磷酸盐-基阳离子，例如氨基亚膦酸、氨基(烷氧基)二氰基乙烯醇盐、氨基硼酸盐、磺酰基羧酸盐和羟吡啶甜菜碱；

A₁是C、SO、SO₂、P、或PO^-；

n是从5到大约10,000的整数；

N_c是核重复度，为1至1000的整数；和

X是选自以下的官能团：OH、NH、NH₂、SH、N₃、CH＝CH₂、C≡CH、COOH、CHO、酰亚胺酯、卤代乙酰基、酰肼、烷氧基胺、芳基叠氮、双吖丙啶、马来酰亚胺、碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、噻唑烷-2-硫酮、吡啶基二硫化物、二氟化环辛炔、Staudinger试剂对之一、异氰酸酯、异硫氰酸酯、硫醚、巯基、肼、羟甲基膦、磺基-NHS酯、五氟苯基酯、磺酰基叠氮、5H-二苯并[b,f]吖庚因及其衍生物。

核重复度(N_c)是聚合物中支链的总数。在某些实施方案中，支链数为2至500、3至100、3至10、3至6。

在某些实施方案中，X是硫醇、二硫化物、马来酰亚胺或者点击化学反应对之一。

在其它实施方案中，官能化的两性离子聚合物具有式(B)：

其中

(C)、R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、M、K、n和N_c，如上文关于(A)所述的；

Q^-是选自以下的反离子：Cl^-、Br^-、I^-、SO₄ ^2-、NO₃ ^-、ClO₄ ^-、BF₄ ^-、PF₆ ^-、N(SO₂CF₃)₂ ^-、SO₃CF₃ ^-或RCOO^-(其中R为C1-C20烷基)、或乳酸盐、苯甲酸盐、水杨酸盐及其衍生物；和

R₉是选自以下的官能团：氢、三氟甲基、C1-C6烷基、C6-C12芳基、-(CH₂)_nOH、-(CH₂)_nNH₂、-(CH₂)_nSH、-(CH₂)_nN₃、-(CH₂)_nCH＝CH₂、-(CH₂)_nC≡CH、-(CH₂)_nCOOH、-(CH₂)_nCHO，其中n为1至6，酰亚胺酯、卤代乙酰基、酰肼、烷氧基胺、芳基叠氮、双吖丙啶、马来酰亚胺、碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、噻唑烷-2-硫酮、吡啶基二硫化物、二氟化环辛炔、Staudinger试剂对之一、异氰酸酯、异硫氰酸酯、硫醚、巯基、肼、羟甲基膦、磺基-NHS酯、五氟苯基酯、磺酰基叠氮、5H-二苯并[b,f]吖庚因及其衍生物。

在进一步的实施方案中，官能化的两性离子聚合物具有式(C)：

其中

(C)、R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、M、K、Q、X、n和N_c如上文关于(A)和(B)所述的。

在其它实施方案中，官能化的两性离子聚合物具有式(D)：

其中R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、Q、A₁、N_c和X如上文关于(A)、(B)和(C)所述的，

M₁、M₂和M₃是独立选择的，且如上文关于(A)、(B)和(C)的M所述的；

K₁和K₂是独立选择的，且如上文关于(A)、(B)和(C)的K所述的；

P₂和P₃如上文关于R₂和R₃所述的；

P₄、P₅和P₈分别如上文关于R₄、R₅和R₈所述的；

P₆和P₇如上文关于R₆和R₇所述的；

Q₂和Q₃如上文关于R₂和R₃所述的；

Q₄和Q₅如上文关于R₄和R₅所述的；

R₉、F和X是独立地选自以下的官能团：-(CH₂)_nOH、-(CH₂)_nNH₂、-(CH₂)_nSH、-(CH₂)_nN₃、-(CH₂)_nCH＝CH₂、-(CH₂)_nC≡CH、-(CH₂)_nCOOH、-(CH₂)_nCHO、其中n为1至6，酰亚胺酯、卤代乙酰基、酰肼、烷氧基胺、芳基叠氮、双吖丙啶、马来酰亚胺、碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、噻唑烷-2-硫酮、吡啶基二硫化物、二氟化环辛炔、Staudinger试剂对之一、异氰酸酯、异硫氰酸酯、硫醚、巯基、肼、羟甲基膦、磺基-NHS酯、五氟苯基酯、磺酰基叠氮、5H-二苯并[b,f]吖庚因及其衍生物。

m为5至约10,000的整数；

n为5至约10,000的整数；和

q是5至约10,000的整数。

在某些实施方案中，官能化的混合电荷共聚物具有式(E)：

其中

(C)、R₁、R₂、R₃、R₅、R₆、R₇、M、K、A₁、n、N_c和X如上文关于(A)所述的，且

N如上文关于M所述的；

R₈如上文关于R₆和R₇所述的。

R₉如上文关于R₂和R₃所述的。

R₁₀如上文关于R₅所述的。

在其它实施方案中，官能化的混合电荷共聚物具有式(F)：

其中

(C)、R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、M、K、N、A₁、n和N_c如上文关于(E)所述的，Q^-如上文关于(B)所述的，且R₁₁选自以下：-(CH₂)_nOH、-(CH₂)_nNH₂、-(CH₂)_nSH、-(CH₂)_nN₃、-(CH₂)_nCH＝CH₂、-(CH₂)_nC≡CH、-(CH₂)_nCOOH、-(CH₂)_nCHO，其中n为1至6，酰亚胺酯、卤代乙酰基、酰肼、烷氧基胺、芳基叠氮、双吖丙啶、马来酰亚胺、碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、噻唑烷-2-硫酮、吡啶基二硫化物、二氟化环辛炔、Staudinger试剂对之一、异氰酸酯、异硫氰酸酯、硫醚、巯基、肼、羟甲基膦、磺基-NHS酯、五氟苯基酯、磺酰基叠氮、5H-二苯并[b，f]吖庚因及其衍生物。

在进一步的实施方案中，官能化的混合电荷共聚物具有式(G)：

其中

(C)、R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、M、K、N、A₁、n、N_c和X如上文关于(E)和(F)所述的。

在其它实施方案中，官能化的混合电荷共聚物具有式(H)：

其中

(C)、R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、A₁、N_c、Q-和X如上文关于(G)所述的；

M₁、M₂和M₃独立地如上文关于(G)的M所述的；

N₁和N₂独立地如上文关于(G)的N所述的；

K₁和K₂独立地如以上关于(G)的K所述的。

P₂、P₃和P₉分别如关于R₂、R₃和R₉所述的；

P₄为如关于R₄所述的；

P₅和P₁₀分别如关于R₅和R₁₀所述的；

P₆、P₇和P₈分别如关于R₆、R₇和R₈所述的；

Q₂、Q₃和Q₄分别如关于R₂、R₃和R₄所述的；

F如上文关于(D)所述的；和

m、n和q如上文关于(D)所述的。

两性离子和混合电荷聚合物水凝胶

在另一方面，本发明提供了由官能化的两性离子和混合电荷星形聚合物制备的水凝胶。官能化的两性离子和混合电荷聚合物和共聚物可用于通过使用相同的聚合物(例如通过硫醇封端的聚合物的二硫化物键合)、两种或更多种聚合物(例如通过点击化学)，或与其它多功能分子、寡聚物和聚合物形成均聚物或共聚物(例如，水凝胶)。

由于在聚合物中存在大量的羧酸(COOH)基团(即存在于每个结构单元中)，所以聚(羧基甜菜碱)(pCB)聚合物是高度可官能化的。这种官能度使聚合物通用于使用简单化学过程进一步官能化。一种这样的化学过程是COOH基与胺官能化合物偶联。由于偶联剂(例如N-(3-二甲基氨基丙基)-N'-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS))的高效性，该化学操作简便。偶联化学可以用于使用各种不同的胺来官能化pCB聚合物。当选择含有用于点击化学的互补基团的胺时，可以获得点击反应性pCB聚合物对。本发明的水凝胶可以通过将具有互补官能团的两种聚合物简单地混合来制备。在其它实施方案中，合适的双官能交联剂或其它互补官能化的化合物可与反应性pCB聚合物混合以提供水凝胶。这些构思在图解1-3中示出。

在一个实施方案中，将用互补可点击基团(R和R*)官能化的第一两性离子聚合物和第二两性离子聚合物(例如pCB)组合以提供如图解1所示的水凝胶。

图解1。用互补可点击基团R和R*官能化的聚(羧基甜菜碱)聚合物(步骤1a和1b)和通过将其混合形成的所得水凝胶。

参看图解1，将带有侧面的第一反应基团(R)的第一聚合物和带有侧面的第二反应基团(R*)的第二聚合物组合以提供本发明的代表性水凝胶。第一聚合物和第二聚合物可由与图解1所示相同的聚合物制备(例如本发明的两性离子聚合物或混合电荷共聚物)。水凝胶通过互补的第一反应基团和第二反应基团(例如，互补的第一和第二点击组)交联第一聚合物和第二聚合物而形成。

在另一个实施方案中，可以分别通过两性离子单体(例如CBMA)和第一共聚单体和第二共聚单体的共聚制备第一和第二互补反应性(例如，点击反应性)聚合物。第一共聚单体包含第一反应基团(例如进一步包含第一反应基团如点击反应基团的两性离子单体)。第二共聚单体包含第二反应基团(例如进一步包含第二反应基团如点击反应基团的两性离子单体)。可以在需要高度官能化的情况下使用该共聚策略，例如用于制备高强度可注射水凝胶以模拟软骨或其它组织。通过这些方法，保持聚合物的官能度和总体两性离子特性。该策略如图解2所示。

图解2。通过共聚用互补可点击基团R和R*官能化的聚(羧基甜菜碱)共聚物(步骤2a和2b)和通过将其混合形成的所得水凝胶。

参看图解2路径2a，通过将两性离子单体(表示为CB单体)(例如CBMA)和包含第一反应基团(即进一步包含第一反应(例如，第一点击反应)基团的两性离子共聚单体)的第一共聚单体(表示为CB-点击单体)的共聚制备第一两性离子共聚物。参看图解2路径2b，通过将两性离子单体(表示为CB单体)(例如CBMA)和包含第二反应基团(例如，进一步包含第二反应(例如，第二点击反应)基团的两性离子共聚单体)的第二共聚单体(表示为CB-点击单体)的共聚制备第二两性离子共聚物，如2a所示。水凝胶通过互补的第一和第二反应基团(例如，互补的第一和第二点击反应基团)交联第一聚合物和第二聚合物而形成。

在另外的实施方案中，两性离子聚合物可用互补反应(例如，点击反应)基团端基官能化。参见图解3。这些端基官能化的聚合物可以与图解1和2中所示的聚合物和共聚物一起使用。端基官能化的聚合物的制备和通过将其混合形成的水凝胶示于图解3中。

图解3.端基官能化的聚合物和由聚合物形成的水凝胶。

参看图解3路径3a，用第一反应基团(例如，第一点击反应基团)端基官能化第一两性离子聚合物。参看图解3路径3b，用第二反应基团(例如，第二点击反应基团)端基官能化第二两性离子聚合物。水凝胶通过互补的第一反应基团和第二反应基团(例如，互补的第一点击反应基团和第二点击反应基团)交联第一聚合物和第二聚合物而形成。

将上述交联(水凝胶形成)化学过程描述为互补反应基团(即第一反应基团和第二反应基团)之间的反应。应当理解，互补的反应基团可以是具有适于键形成的反应性，优选适于在室温和生理温度之间的温度下的键形成的反应性的任何反应基团对。在某些实施方案中，互补反应基团是本领域众所周知的点击基团(点击反应对)。

使用上述策略形成的代表性的两性离子点击水凝胶在实施例1-6中阐明。

水凝胶可以采用有或无生物化合物的支架、可注射水凝胶或纳米凝胶的形式。在某些实施方案中，本发明的水凝胶进一步包含包封的小分子、纳米材料、核酸、多糖、蛋白质和细胞。这种水凝胶应用于医学和药物检测、矫形外科、心血管科、内部眼科、美容、眼部和药物/蛋白质/药物递送。水凝胶可以附着在用于医疗和工程应用的表面。除了形成水凝胶之外，官能化的两性离子聚合物也可以附着在生物或非生物分子和基质上。此外，对于可官能化的聚羧酸甜菜碱(PCB)聚合物，聚合物可以以可降解或不可降解的方式直接缀合，而支链可以用丙烯酰胺、噁唑啉和乙烯基吡咯烷酮代替。

本发明的水凝胶可用于物件、装置和组件，例如可植入的生物传感器；伤口护理装置、胶和密封剂、接触透镜；牙科植入物、矫形装置例如人工关节、人工骨、人工韧带和人工腱；心血管装置例如导管、人工瓣膜、人工血管、人工支架、LVAD或节律管理装置；胃肠病学装置(例如饲管、消化道夹、胃肠套)或胃气囊；OB/Gyn装置，例如植入式生育控制装置或阴道吊带；肾脏装置例如吻合连接器或皮下港；神经外科装置，例如神经引导管，脑脊液引流管或分流器，皮肤病学装置例如皮肤修复装置，眼科装置例如分流器，耳鼻喉科装置如支架、耳蜗植入物、管、分流器或扩张器，眼内透镜；美容植入物，例如乳房植入物，鼻植入物和脸颊植入物；神经学植入物例如神经刺激装置、耳蜗植入物和神经导管；激素控制植入物，例如血糖传感器和胰岛素泵；植入的生物传感器；接入端口装置；以及组织支架肺部装置，例如用于COPD或人工肺的管理的瓣膜；放射学装置，例如射线不透性或超声不透性标记物；或泌尿装置，例如导管或人工尿道。

以下是本发明的代表性水凝胶及其用于细胞培养和组织支架的用途的描述。

用于胰岛包封的官能化的两性离子聚合物基水凝胶。通过ATRP和点击化学的组合合成CBMA，通过CBMA的聚合制备的官能化的星形聚(羧基甜菜碱)聚合物(pBB)。合成硫醇基封端的pCB聚合物，并在生理条件下将硫醇封端的pCB与1,2-双(马来酰亚胺基)乙烷一起混合形成pCB水凝胶。

如图1所示进行通过ATRP的星形pCB聚合物的合成。简言之，将CBMA、2,2'-联吡啶(bpy)、催化剂、四官能引发剂、季戊四醇四(2-溴异丁酸酯)置于10mL反应管中，并将混合物进行三次冷冻-泵-解冻(freeze-pump-thaw)循环。将混合物保持在室温下20分钟，并以1:1的比例加入水和甲醇。在室温下搅拌使反应继续进行8小时。在用氧化铝处理后回收聚合物产物，且最后通过两次沉淀到丙酮中纯化。可以通过单体和引发剂之间的化学计量比调节聚合物的分子量。合成分子量为5000、20,000和50,000的星形聚合物。其它活性聚合法，如RAFT也可以应用于合成聚合物。通过点击化学制备官能化的星形pCB聚合物。如图2所示，纯化后，通过与叠氮化钠在水中的亲核取代反应将初始形成的星形pCB的末端溴基转化为叠氮基。产物通过透析纯化。使用冻干法去除水分。然后在甲醇中以CuBr/PMDETA为催化剂使pCB-N₃(pCB-叠氮化物)链与炔-SH反应，以生成具有四臂的星形pCB聚合物。如图2所示，纯化后通过透析和冻干获得硫醇封端的星形pCB。

图3A和3B示意性地示出了由本发明的适当地官能化的星形聚合物制备的本发明的代表性水凝胶的制备。图3A示出了本发明的两种代表性星形聚合物的合成：(a)具有以硫醇基(-CH₂-SH)封端的两性离子(聚羧基甜菜碱)支链的星形聚合物，表示为pCB-A；和(b)具有以吡啶基二硫基(-CH₂-S-S-C₅H₄N)封端的两性离子(聚羧基甜菜碱)支链的星形聚合物，表示为pCB-B。这些星形聚合物由图1所示的星形聚合物通过点击化学(星形聚合物与叠氮化钠和(a)3-硫代乙炔或(b)3-吡啶基二硫乙炔(3-pyridyl disulfide acetylene)的反应)来制备。图3B示出了由图3A所示的星形聚合物(pCB-A和pCB-B)的反应制备的本发明的代表性水凝胶的制备。水凝胶可以通过在细胞存在下简单地混合pCB-A与pCB-B来形成。

评估pCB水凝胶中的体外胰岛包封和分析。在RPMI-1640培养基中将大鼠胰岛与5％硫醇封端的pCB-A(MW＝15000)混合。然后，向混合物中加入1,2-双(马来酰亚胺基)乙烷，并使体系在37℃下固化5分钟。在37℃下用补充10％FBS的RPMI-1640培养基培养水凝胶包封的胰岛和对照胰岛，培养基每两天更换一次。如图4A所示，体外培养18天后，包封的胰岛表现出非常高的活力。用培养基中的葡萄糖消耗来衡量在培养物中保存的水凝胶包封的胰岛的代谢活性。葡萄糖代谢主要通过培养的胰岛在培养基中的葡萄糖利用率进行衡量，并且不仅显示为用于胰岛活力的指标而且还显示为用于细胞活性的指标。在18天的期间内每48小时测定培养基中葡萄糖的摄取量，以评估胰岛质量。包封胰岛中的葡萄糖摄取量保持在第1天水平的近100％直到第18天(图4B)。在对照胰岛中，葡萄糖消耗量在第7天下降到72％，并且随着时间的推移进一步下降。到第14和18天，分别利用仅59％和38％的葡萄糖。总的来说，与对照胰岛相比，包封的胰岛保持高得多的代谢活性(p<0.01)。为了量化胰岛素的生物合成能力，将培养的胰岛在低(3mM)或高(17mM)葡萄糖培养基中在第0天和第18天孵育18小时(图4B)。在高和低葡萄糖暴露(p＝0.13-0.40)下，水凝胶包封的胰岛均保持新鲜分离的胰岛的胰岛素分泌水平(第0天)。相反，在第18天测试的对照培养的胰岛中没有保持葡萄糖反应性(p<0.05，对比第0天的对照物和第18天的包封的胰岛)。对照胰岛的胰岛素储存/分泌能力下降也通过在第18天通过双硫腙(DTZ)的胰岛素染色降低来显示(图4C)。为了进一步评估β细胞功能，在使用或不用水凝胶包封培养18天的胰岛的灌注系统中测试动态葡萄糖刺激的胰岛素的释放。虽然在第0天在包封和对照样品中均存在相同数量的胰岛，但是对照组中的胰岛随着时间的推移分解，并且没有显示刺激的胰岛素分泌。相反，包封的胰岛对葡萄糖刺激反应良好(图4D)。

水凝胶也可以通过混合两种不同的聚合物而形成。例如，如图3A所示，通过ATRP和点击化学的组合合成硫醇封端的pCB-A和吡啶基二硫化物封端的pCB-B。水凝胶可以通过在生理条件下将pCB-A与pCB-B混合而形成(参见图3B)。因为水凝胶可以在生理条件下形成，所以可以在胶凝过程中加入诸如干细胞、免疫细胞、神经细胞、激素分泌细胞和心脏细胞的细胞，以被包封在水凝胶中。此外，由于水凝胶用二硫键交联，所以水凝胶可被生物制剂如半胱氨酸降解。

用于外周血干细胞(PBSC)细胞包封的官能化的两性离子聚合物基水凝胶。如上文关于大鼠胰岛细胞所述的，外周血干细胞(PBSC)细胞也包封在本发明的代表性水凝胶中。

图5A和5B示出在本发明的代表性水凝胶(pCB水凝胶)中培养的包封的外周血干细胞(PBSC)细胞的数据。图5A示出水凝胶模量随时间的变化(水凝胶降解)。图5B是显示在7天体外培养后在pCB水凝胶内对包封的PBSC细胞进行的LIVE/DEAD检测的结果的图像。

本发明的水凝胶还可进一步包含通过本发明的方法有利地给予的组分或添加剂。

在某些实施方案中，水凝胶进一步包含细胞。在这些实施方案中，细胞包含在或包封在水凝胶中。包封在水凝胶中的细胞的性质不受限制(天然细胞和基因修饰的细胞，以及其粉碎物)。有利地包封在水凝胶中的代表性细胞包括外分泌上皮细胞、激素分泌细胞、角质化上皮细胞、湿分层屏障上皮细胞、感觉传导细胞、自主神经元细胞、感觉器官和外周神经元支持细胞、神经元和胶质细胞、晶状体细胞、肝细胞、脂肪细胞、脂细胞、屏障功能细胞、肾细胞、心脏细胞、细胞外基质细胞、收缩细胞、血液和免疫系统细胞如红细胞、单核细胞、嗜中性粒细胞、肥大细胞、T细胞、干细胞、生殖细胞、滋养细胞、间质细胞、祖细胞、造血干细胞。

在某些实施方案中，水凝胶还包含病毒。在这些实施方案中，病毒包含在或包封在水凝胶中。代表性病毒包含逆转录病毒和腺病毒。

在某些实施方案中，水凝胶还包含细菌。在这些实施方案中，细菌包含在或包封在水凝胶中。代表性细菌包含梭菌的种、鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌。

有利地包封在水凝胶中的其它材料包含蛋白质、肽、核酸(寡核苷酸)、多糖、小分子(即分子量小于约800g/摩尔的有机、无机和有机金属化合物)和纳米材料。代表性的蛋白质包含抗体、抗体片段、酶(例如治疗性和保护性酶)和肽。代表性的核酸包含DNA(例如cDNA)和RNA(例如，siRNA，mRNA)。代表性的小分子包含其它治疗剂和诊断剂(例如荧光和磁共振成像剂)。代表性的纳米材料包含碳纳米结构(例如碳纳米管和石墨烯)和量子点。

有利地包封在水凝胶中的其它材料包括脂质复合物、聚合物囊泡、聚合复合物、树状聚合物和无机颗粒。

在某些实施方案中，水凝胶用可降解的交联剂交联。代表性的可降解交联剂包含肽、多糖、酸酐交联剂、二硫化物交联剂和聚酯交联剂。在这些实施方案中，可以将水凝胶设计成在特定环境(例如，生理条件)下降解，例如通过酶的水解或消化降解。

在某些实施方案中，本发明的水凝胶由官能化的两性离子聚合物制备并具有式(J)：

其中

(C1)和(C2)是核，并且独立地选自丙烯酸酯官能化的C1-C6烷基和C6-C12芳基；胺官能化的C1-C6烷基和C6-C12芳基；酰胺官能化的C1-C6烷基和C6-C12芳基；环氧官能化的C1-C6烷基和C6-C12芳基；C1-C6烷基和C6-C12芳基；或其它大分子核；

Y₁和Y₂是连接基团，独立地选自-O(CH₂)_n-、-S(CH₂)_n-、-C(＝O)(CH₂)_n-、-C(＝S)(CH₂)_n-、-C(＝NH)(CH₂)_n-、-NH(CH₂)_n-、-(CH₂)_nC(＝O)-、-(CH₂)_nOC(＝O)-、-(CH₂)_nNHC(＝O)-、-(CH₂)_nNHC(＝S)-、-(CH₂)_n-C(＝O)-、-(CH₂)_nSC(＝S)-、-(CH₂)_nNH-C(＝NH)-、-(CH₂)_nC(＝O)NHNH-，其中n为1至20的整数，以及可由上述定义的官能团X形成的其它连接；

R₁-R₈如上文关于(A)所述的；

R₉-R₁₆分别如上文关于R₁-R₈所述的；

M如上文关于(A)所述的；

N是M；

K₁和K₂独立地如上文关于(A)的K所述的；

A₁是C、SO、SO₂、P或PO^-；

A₂是C、SO、SO₂、P或PO^-；

m为5至约10,000的整数；

n为5至约10,000的整数；

N_c1和N_c2是核重复度，并且是独立地选自2至1000的整数；和

q是N_c1和N_c2中间的整数。

在其它实施方案中，本发明的水凝胶由官能化的两性离子聚合物制备并具有式(K)：

其中取代基的定义如上文关于(J)所述的，P^-如关于(B)的Q^-所述的，且R₁₇和R₁₈是官能团，并且独立地选自由(B)的R₉所定义的基团。

在某些实施方案中，本发明的水凝胶由官能化的混合电荷共聚物制备并具有式(L)：

其中

Y₁和Y₂是连接基团，且独立地选自-O(CH₂)_n-、-S(CH₂)_n-、-C(＝O)(CH₂)_n-、-C(＝S)(CH₂)_n-、-C(＝NH)(CH₂)_n-、-NH(CH₂)_n-、-(CH₂)_nC(＝O)-、-(CH₂)_nOC(＝O)-、-(CH₂)_nNHC(＝O)-、-(CH₂)_nNHC(＝S)-、-(CH₂)_n-C(＝O)-、-(CH₂)_nSC(＝S)-、-(CH₂)_nNH-C(＝NH)-、-(CH₂)_nC(＝O)NHNH-，其中n为1至20的整数，以及可由上述定义的官能团X形成的其它连接；

R₁-R₁₀如上文关于(E)所述的；

R₁₁-R₂₀如上文关于对应的R₁-R₁₀所述的；

M₁和M₂独立地如上文关于(K)的M所述的；

N₁和N₂独立地如上文关于(K)的N所述的；

K₁和K₂独立地如上文关于(K)的K所述的；

A₁是C、SO、SO₂、P或PO^-；

A₂是C、SO、SO2、P或PO^-；

m为5至约10,000的整数；

n为5至约10,000的整数；

N_c1和N_c2是核重复度，并且是独立地选自2至1000的整数；和

q是N_c1和N_c2中间的整数。

在其它实施方案中，本发明的水凝胶由官能化的混合电荷共聚物制备并具有式(M)：

其中取代基的定义如上文关于(L)所述的，P^-如关于(F)的Q^-所述的，R₂₁和R₂₂为官能团且独立地选自由(F)的R₈所定义的基团。

用两性离子或混合电荷聚合物水凝胶处理的表面

另一方面，本发明提供了已用本发明的两性离子或混合电荷水凝胶处理的表面。本发明的水凝胶在某些实施方案中可水解成两性离子聚合物或混合电荷共聚物，其可有利地用作各种装置，包括例如医疗装置的表面的涂层。

本发明的水凝胶有利地用于涂覆表面以提供生物相容的、抗微生物的和不结垢的表面。因此，在另一方面，本发明提供了具有表面(即一个或多个表面)的装置和材料，该表面上已施加(例如，涂覆、共价偶合、离子缔合、疏水缔合)一种或多种本发明的交联的两性离子水凝胶。可有利地用本发明的水凝胶处理、改性成包含本发明的水凝胶、或掺入本发明水凝胶的代表性的装置和载体包括：

颗粒(例如，纳米颗粒)，其具有用本发明的水凝胶处理、改性成包含或掺入本发明水凝胶的表面；

药物载体，其具有用本发明的材料处理、改性为包含或掺入本发明材料的表面；

非病毒基因递送系统，其具有用本发明的水凝胶处理、改性为包含或掺入本发明水凝胶的表面；

生物传感器，其具有用本发明的水凝胶处理、改性为包含或掺入本发明水凝胶的表面；

用于生物处理或生物分离的装置，例如用于微生物悬浮、激素分离、蛋白质分级、细胞分离、废水处理、寡糖生物反应器、蛋白质超滤和乳品加工的膜，其具有用本发明的水凝胶处理、改性为包含或掺入本发明的水凝胶的表面；

可植入的传感器，其具有用本发明的水凝胶处理、改性为包含或掺入本发明的水凝胶的表面；

皮下传感器，其具有用本发明的水凝胶处理、改性为包含或掺入本发明的水凝胶的表面；

植入物，例如乳房植入物、耳蜗植入物和牙科植入物，其具有用本发明的水凝胶处理、改性为包含或掺入本发明的水凝胶的表面；

接触透镜，其具有用本发明的水凝胶处理、改性为包含或掺入本发明的水凝胶的表面；

组织支架，其具有用本发明的水凝胶处理、改性为包含或掺入本发明的水凝胶的表面；

可植入的医疗装置，例如人工关节、人工心脏瓣膜、人工血管、起搏器、左心室辅助装置(LVAD)、动脉移植物(artery graft)和支架，其具有用本发明的水凝胶处理、改性为包含或掺入本发明的水凝胶的表面；和

医疗装置，例如耳引流管、饲管，青光眼引流管、脑积水分流器、人工角膜、神经引导管、导尿管、组织粘合剂和X射线引导器，其具有用本发明的水凝胶处理、改性为包含或掺入本发明的水凝胶的表面。

可有利地用本发明的水凝胶处理、改性成包含本发明的水凝胶、或掺入本发明水凝胶的其它代表性的基质和表面包括织物，例如衣服(例如，外套、衬衫、裤子、内衣，包括医院工作人员和军人穿戴的)、床上用品(如毯子、床单、枕套、床垫和枕头)、毛巾和抹布。

可有利地用本发明的水凝胶处理、改性成包含本发明的水凝胶、或掺入本发明的水凝胶的其它代表性的基质和表面包括工作表面，例如桌面、书桌和台面。

本发明的水凝胶可涂覆在包括物件、装置和组件的表面的各种表面，这些物件、装置和组件例如是可植入的生物传感器；伤口护理装置，胶和密封剂、接触透镜；牙科植入物；矫形装置例如人工关节、人工骨、人工韧带和人工腱；心血管装置例如导管、人工瓣膜、人工血管、人工支架、LVAD或/和节律管理装置；胃肠病学装置例如饲管、消化道夹、胃肠套或胃气囊；OB/Gyn装置，例如植入式生育控制装置或阴道吊带；肾脏装置例如吻合连接器或皮下港；神经外科装置，例如神经引导管、脑脊液引流管或分流器，皮肤病学装置例如皮肤修复装置，眼科装置例如分流器，耳鼻喉科装置如支架、耳蜗植入物、管、分流器或扩张器，眼内透镜；美容植入物，例如乳房植入物、鼻植入物和脸颊植入物；神经学植入物例如神经刺激装置、耳蜗植入物和神经导管；激素控制植入物，例如血糖传感器和胰岛素泵；植入生物传感器；接入端口装置；以及组织支架肺部装置，例如用于COPD或人工肺的管理的瓣膜；放射学装置，例如射线不透性或超声不透性标记物；或泌尿装置，例如导管或人工尿道。

原位两性离子和混合电荷聚合物水凝胶

另一方面，本发明提供了用于制备两性离子或混合电荷聚合物水凝胶的方法。在某些实施方案中，该方法是原位方法，例如体内方法的原位方法，其中将适当官能化的两性离子星形聚合物或适当官能化的混合电荷星形共聚物引入到期望水凝胶位于的环境中。由于官能化的两性离子星形聚合物或官能化混合电荷星形共聚物的互补官能团，聚合物或共聚物被交联以在原位提供水凝胶。

当环境是体内位置时，可通过例如注射将官能化的两性离子星形聚合物或官能化的混合电荷星形共聚物引入到期望的部位。

通过这种方法，水凝胶及其添加的承载物(added cargo)可以有利地在期望的体内部位形成。

在某些实施方案中，给予各自具有反应对的官能团(例如，带有第一官能团的第一聚合物和带有第二官能团的第二聚合物，第一官能团和第二官能团相互之间有反应活性以将第一聚合物共价偶联到第二聚合物)的本发明的两种适当官能化的两性离子聚合物，使得两种聚合物在组合或在原位彼此接触(例如，在期望的部位注射后在体内)时，反应形成水凝胶。

在其它实施方案中，给予各自具有反应对的一个官能团(例如，带有第一官能团的第一聚合物和带有第二官能团的第二聚合物，第一官能团和第二官能团相互之间有反应活性以将第一聚合物共价偶联到第二聚合物)的本发明的两种官能化的混合电荷共聚物，使得两种聚合物在组合或在原位(例如，在期望的部位注射后在体内)彼此接触时，反应形成水凝胶。

两性离子和混合电荷星形聚合物治疗剂缀合物

另一方面，本发明提供两性离子和混合电荷聚合物和共聚物，其具有共价偶联至其的治疗剂。这些缀合物对于治疗剂递送是有用的。通过水解从本发明的聚合物控制释放治疗剂。

以下是本发明的代表性缀合物和从缀合物释放治疗剂的描述。

图6是代表性治疗剂从具有两性离子(聚羧基甜菜碱)支链的本发明的代表性星形聚合物释放的示意图。星形聚合物通过ATRP由具有自由基引发剂基团的四官能化核和羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯治疗剂单体(CH₂＝C(CH₃)-C(＝O)-CH₂CH₂-N(CH₃)₂ ⁺-CH₂CH₂-CO₂-治疗剂)制备。在所示的代表性星形聚合物中，通过与CBMA的延伸聚合进一步延伸支链，以提供除了带有治疗剂的结构单元之外，还具有两性离子结构单元的支链。图6所示的星形聚合物是嵌段共聚物。应当理解，在某些实施方案中，星形聚合物是通过两性离子单体(例如CBMA)和两性离子治疗剂单体(例如CBMA-治疗剂)的共聚制备的无规共聚物。在星形聚合物水解时，释放所述治疗剂。星形聚合物的水解和治疗剂的释放使星形聚合物中的两性离子结构单元再生。如图6所示，治疗剂是布洛芬，并且通过CBMA与布洛芬的缩合制备用于合成能释放布洛芬的星形聚合物的单体。

如图6所示，通过在二氯甲烷(DCM)中与二环己基碳二亚胺(DCC)搅拌，通过酸酐形成反应将布洛芬掺入到羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯(CBMA)中以提供可聚合的单体。从单体制备4臂星形两性离子聚合物以提供聚合物治疗剂缀合物。如图6所示，通过水解释放治疗剂。水解后得到的聚合物转化成其对应的两性离子聚合物。

除非另外指出，在说明书和权利要求书中使用的表示成分数量、例如分子量、反应条件等的性质的所有数字应被理解为在所有情况下被术语“约”修饰。因此，除非有相反指示，在说明书和所附权利要求书中列出的数值参数是近似值，其可以根据本发明寻求获得的期望的性质而变化。作为最低限度，并且不试图限制将等同原则适用于权利要求的范围，每个数值参数至少应根据报告的有效数字的数和通过应用常规舍入技术来解释。当需要进一步的澄清时，术语“约”具有本领域技术人员在结合所述数值或范围使用时合理地归因于其的含义(即表示稍微多于或稍低于所述值或者范围，在所述值的±20％、所述值的±19％、所述值的±18％、所述值的±17％、所述值的±16％、所述值的±15％、所述值的±14％、所述值的±13％、所述值的±12％、所述值的±11％、所述值的±10％、所述值的±9％、所述值的±8％、所述值的±7％、所述值的±6％、所述值的±5％、所述值的±4％、所述值的±3％、所述值的±2％、或所述值的±1％的范围内)。

尽管列出本发明宽泛范围的数值范围和参数是近似值，但是在具体实施例中列出的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地包含必然由其各自试验测量中存在的标准偏差导致的某些误差。

给出以下实施例的目的在于说明而不是限制本发明。

实施例

实施例1

代表性水凝胶：第一两性离子聚合物和第二两性离子聚合物聚合物环辛炔/叠氮化物化学过程

在本实施例中，本发明的代表性水凝胶由第一两性离子聚合物和第二两性离子聚合物制备。第一聚合物包含侧面的第一反应基团(即环辛炔)，且第二聚合物包含侧面的第二反应基团(即叠氮化物)。

在没有任何外部刺激的情况下混合两种聚合物以提供水凝胶。

第一聚羧基甜菜碱聚合物和第二聚羧基甜菜碱聚合物的形成和由聚合物形成的水凝胶如下所示。

使用已知的EDC/NHS偶联，分别在与环辛炔胺和叠氮基胺的两种不同的反应中官能化聚羧酸甜菜碱(pCB)聚合物。首先通过EDC/NHS化学过程活化pCB聚合物，然后在THF中通过沉淀纯化聚合物。然后用各种胺处理活化的聚合物。聚合物再次在THF中通过沉淀纯化。将纯化的聚合物在真空下干燥。官能化程度由¹H和¹³C NMR表征。混合这两种官能化的pCB聚合物，然后进行点击反应以形成水凝胶。官能化程度以及由此的交联程度可容易地通过改变反应性胺的量而改变。

实施例2

官能化的两性离子共聚物

在本实施例中，描述了本发明的代表性官能化的两性离子共聚物的制备。代表性官能化的共聚物包含侧基(即N-羟基琥珀酰亚胺基团)，其实现另外的活化基团(互补反应基团)的共价偶联以提供用于形成本发明的水凝胶的可交联聚合物。

用N-羟基琥珀酰亚胺(NHS-CBMA)官能化羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯单体(CBMA)。该单体与羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯单体(CBMA)共聚(参见图解3)。所得聚合物是CBMA和NHS-CBMA的无规聚合物。共聚反应如下所示。

可以改变两种单体的进料比，以提供具有不同官能度的官能化的聚合物。活化的聚合物可容易地用合适的胺进一步官能化，促进图解1中的步骤1a和1b。

首先合成NHS活化的羧基甜菜碱单体。按不同的进料比将该单体与羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯一起聚合。所得的聚合物已经被活化。通过在THF中沉淀纯化该聚合物以去除所有小分子杂质(例如未反应的单体、引发剂)，然后真空干燥。用¹H和¹³C NMR表征聚合物。

实施例3

代表性水凝胶：第一两性离子聚合物和第二两性离子聚合物硫醇/马来酰亚胺化学过程

在本实施例中，本发明的代表性水凝胶由第一两性离子聚合物和第二两性离子聚合物制备。第一聚合物包含侧面的第一反应基团(即硫醇)，且第二聚合物包含侧面的第二反应基团(即马来酰亚胺)。

第一聚羧基甜菜碱聚合物和第二聚羧基甜菜碱聚合物的形成如下所示。

羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯和马来酰亚胺官能化的CBMA单体的无规共聚物的合成如下所示。

羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯和乙硫醇官能化的CBMA单体的无规共聚物的合成如下所示。

在没有任何外部刺激的情况下混合两种聚合物提供水凝胶。

首先用互补可点击基团合成官能化的羧基甜菜碱单体。将该官能化的单体与CBMA单体无规聚合。作为代表性实例，使用基于马来酰亚胺基和硫醇的胺合成马来酰亚胺和硫醇官能化的CBMA单体。通过在THF中沉淀纯化聚合物以去除未反应的单体。通过NMR(¹H和¹³C)确定聚合物的组成。通过调节进料比改变聚合物中官能化单元的量。因此，合成互补的可点击聚合物。将这些聚合物在水中以5-10wt％混合以形成水凝胶。

实施例4

代表性的两性离子共聚物：硫醇侧基

在本实施例中，通过保留羧酸盐上的负电荷的铵部分的改性合成改性的羧基甜菜碱单体以提供硫醇官能化的两性离子单体。

用以提供官能化的两性离子共聚物的CBMA和改性的CBMA单体的共聚合如下所示。

这样的单体具有高交联率的优点。可以获得类似的单体和共聚物用于相应的点击基团对应物以完成图解2所示的过程。

实施例5

代表性两性离子共聚物水凝胶：胰岛包封

在本实施例中，描述了使用代表性两性离子聚合物的胰岛包封。

通过ATRP和“点击”反应的组合合成官能化的星形pCB聚合物。合成具有不同分子量的马来酰亚胺和巯基封端的pCB聚合物。通过在生理条件下将马来酰亚胺封端的pCB(pCB-A)与硫醇封端的pCB(pCB-B)混合在一起形成pCB水凝胶。可以通过调整聚合物的分子量和使用的聚合物的量来调节水凝胶的机械性能、平衡水含量(EWC)和孔径尺寸。

通过ATRP合成星形pCB聚合物。将CBMA、2,2'-联吡啶(bpy)、催化剂、四官能引发剂、季戊四醇四(2-溴异丁酸酯)置于10mL反应管中，并将混合物进行三次冷冻-泵-解冻循环。将混合物保持在室温下20分钟，并以1:1的比例加入水和甲醇。在室温下在搅拌使反应继续进行8h。在用氧化铝处理后回收聚合物产物，且最后通过两次沉淀到丙酮纯化。可以通过单体和引发剂之间的化学计量比调节聚合物的分子量。合成重均分子量为5000、20000和50000的星形聚合物。其它活性聚合法如可逆加成断裂链转移(RAFT)也可以用于合成聚合物。

通过点击化学过程合成官能化的星形pCB聚合物。纯化后，通过在水中与叠氮化钠的亲核取代反应将星形pCB的末端溴基团转化为叠氮基。产物通过透析纯化。使用冻干法去除水分。然后在甲醇中以CuBr/PMDETA作为催化剂使pCB-N₃链与含炔化合物反应，以生成具有臂数量为4的星形pCB聚合物。纯化后通过透析和冻干获得硫醇封端的星形pCB(pCB-A)和马来酰亚胺封端的星形pCB(pCB-B)。

胶凝性能的无胰岛评估。在37℃下在PBS中通过与各种聚合物重量百分含量的pCB-B溶液一起添加pCB-A形成pCB凝胶。参见例如图3A和3B。用蒸馏水彻底洗涤所得水凝胶以去除未反应的聚合物。在37℃下使用重量法测定水凝胶的EWC。通过精密度为±0.1℃的恒温水浴控制温度。将样品浸入0.1M PBS缓冲溶液(pH 7.4)中至少24小时，然后取出，用湿滤纸吸干以去除表面上的水，在微量天平上称重。交联后，使水凝胶在PBS中自由溶胀24小时。

pCB水凝胶的体外胰岛功能评估。在体外测试pCB水凝胶的生物相容性。检测pCB水凝胶中包封的猪胰岛的活力和功能。此外，检测pCB水凝胶对补体系统、淋巴细胞、单核细胞、血小板和PMN的活化以及细胞因子产生的抑制作用。

胰岛活力评估。通过发光强度定量监测猪胰岛的活力。将水凝胶包封的胰岛或从猪分离的对照胰岛(100个胰岛/孔)培养长达28天，并通过将0.75mg/mL D-萤光素加入到胰岛培养基中使用Xenogen图像系统(Caliper Life Sciences，Hopkinton，MA)测定发光强度。在期望的时间点也使用活/死染色定性评估胰岛活力。通过在含有0.24mM荧光素二乙酸酯和7.5mM碘化丙啶(propidium iodide)的PBS中孵育装载有细胞的水凝胶进行活/死染色10分钟。然后在PBS中洗涤水凝胶，并通过荧光显微镜(Olympus IX50，Olympus America，Central Valley，PA)成像。

胰岛培养期间的葡萄糖消耗。在培养基更换期间每48小时收集培养基，并一式两份用One Touch葡萄糖计(LifeScan，Milpitas，CA)监测葡萄糖水平，并取均值。用没有胰岛的对照培养基(Ct)作为每个时间点的对照。将第一个48小时内的有(I0)和无(C0)胰岛的培养基葡萄糖水平的差异(C0-I0)设为每个样品的基线细胞葡萄糖消耗。具有胰岛的样品(It)中葡萄糖水平的随后变化计算如下：葡萄糖摄取百分比＝(Ct-It)*100/(C0-I0)。

对葡萄糖刺激的胰岛素和C-肽释放的长期反应。14天后在培养物中手选如上所述的在有或无水凝胶的情况下培养的胰岛，并将其收集于微管(单胰岛/管，sexplicate)中，用补充有5％FBS的含3mM葡萄糖(低葡萄糖培养基)的RPMI 1640培养基洗涤3次。根据制造商的说明书，将胰岛在含有低葡萄糖或高葡萄糖(17mM葡萄糖)培养基的无组织培养物包被的96孔板中培养16小时，此时使用猪胰岛素和猪C-肽Elisa试剂盒(Mercodia，WinstonSalem，NC)测定上清培养基中的胰岛素和C-肽的浓度。

通过灌注对葡萄糖刺激的胰岛素释放的短期反应的试验。如前所述，在有或无水凝胶的情况下培养胰岛(在第0天200个胰岛/样品)。在第28天，收集胰岛并在微柱中将其捕获夹在微珠(Biorad，Hercules，CA)的双层之间，并在37℃下用Krebse Ringer缓冲液灌注45分钟，随后用低葡萄糖缓冲液(3mM葡萄糖)灌注10分钟，高葡萄糖(17mM葡萄糖)缓冲液灌注15分钟，并最后用低葡萄糖缓冲液灌注。从首个3mM培养基开始每2分钟收集流出液。根据制造商的方案，使用用于猪胰岛素的酶联免疫吸附测定(ELISA)试剂盒(Mercodia，WinstonSalem，NC)分析实验中收集的培养基样品或流出物的胰岛素浓度。

实施例6

代表性两性离子共聚物水凝胶：T细胞包封

通过ATRP、“点击”反应和缀合的组合合成官能化的星形pCB聚合物。在图7中示意性地示出合成。

合成具有不同分子量的二氟化环辛炔部分(DIFO3)-封端的pCB聚合物。通过在生理条件下将二氟化环辛炔部分封端的pCB(pCB-A)与可生物降解的叠氮-GG-(KE)₂₀-GPQGIWGQ-(KE)₂₀-GG-叠氮混合在一起形成pCB水凝胶。可以通过调节聚合物的分子量和使用的聚合物的量来调节水凝胶的机械性能、平衡水含量(EWC)和孔径尺寸。

通过ATRP合成星形pCB聚合物。将CBMA、2,2'-联吡啶(bpy)、催化剂、四官能引发剂、季戊四醇四(2-溴异丁酸酯)置于10mL反应管中，将混合物进行三次冷冻-泵-解冻循环。将混合物保持在室温下20分钟，并以1:1的比例加入水和甲醇。在室温搅拌下使反应继续进行8h。在用氧化铝处理后回收聚合物产物，且最后通过沉淀到丙酮中两次纯化。可以通过单体和引发剂之间的化学计量比调节聚合物的分子量。合成重均分子量为5000、20000和50000的星形聚合物。其它活性聚合法如可逆加成断裂链转移(RAFT)也可以用于合成聚合物。

通过点击化学过程合成官能化的星形pCB聚合物。纯化后，通过在水中与叠氮化钠的亲核取代反应将星形pCB的末端溴基团转化为叠氮基。产物通过透析纯化。使用冻干法去除水。然后在甲醇中以CuBr/PMDETA为催化剂使pCB-N₃链与炔-NH₂化合物反应，以生成具有臂数量为4的星形pCB聚合物。纯化后通过透析和冻干获得胺封端的星形pCB。得到的聚合物通过EDC/NHS反应进一步与DIFO3反应，并在纯化后通过透析和冻干获得所得的聚合物。

水凝胶胶凝性能评估。在37℃下在PBS中通过与各种聚合物重量百分含量的上述肽的溶液一起添加DIFO3封端的pCB形成pCB凝胶。用蒸馏水彻底洗涤所得水凝胶以去除未反应的聚合物。在37℃下使用重量法测定水凝胶的EWC。通过精密度为±0.1℃的恒温水浴控制温度。将样品浸入0.1M PBS缓冲溶液(pH 7.4)中至少24小时，然后取出，用湿滤纸吸干以去除表面上的水，并在微量天平上称重。交联后，使水凝胶在PBS中自由溶胀24小时。

体外T细胞包封和pCB水凝胶中的活力测试。在体外测试pCB水凝胶的生物相容性。在凝胶化过程中将人外周血CD4⁺CD45RA⁺T细胞加入到混合溶液中。将T细胞包封水凝胶置于RPMI 1640培养基+10％胎牛血清中并培养。培养7天后，通过MMP蛋白溶解水凝胶，并通过离心收集细胞。通过台盼蓝检测pCB水凝胶中包封的T细胞的活力。在整个培养过程中发现几乎100％的活力(见图8)。

虽然已经示出和描述了示例性的实施例，但是将被理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行各种改变。

Claims

1.一种用于形成水凝胶的方法，其包括使第一聚合物与第二聚合物反应以提供水凝胶，

其中所述第一聚合物包含第一核，所述第一核具有共价偶联到所述第一核并从所述第一核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述第一聚合物的聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第一结构单元，并且其中所述第一聚合物的两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第一聚合物共价偶联到所述第二聚合物的一个或多个第一官能团，

其中所述第二聚合物包含第二核，所述第二核具有共价偶联到所述第二核并从所述第二核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述第二聚合物的聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第二结构单元，并且其中所述第二聚合物的两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第二聚合物共价偶联到所述第一聚合物的一个或多个第二官能团，和

其中所述水凝胶通过在所述第一官能团和第二官能团之间形成共价键而形成。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述水凝胶原位形成。

3.一种用于形成水凝胶的方法，其包括使第一聚合物、第二聚合物和交联剂反应以提供水凝胶，

其中所述第一聚合物包含第一核，所述第一核具有共价偶联到所述第一核并从所述第一核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述第一聚合物的聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第一结构单元，并且其中所述第一聚合物的两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第一聚合物共价偶联到所述交联剂的一个或多个第一官能团，

其中所述第二聚合物包含第二核，所述第二核具有共价偶联到所述第二核并从所述第二核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述第二聚合物的聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第二结构单元，并且其中所述第二聚合物的两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第二聚合物共价偶联到所述交联剂的一个或多个第二官能团；

其中所述交联剂包含通过在所述第一聚合物和第二聚合物之间形成交联有效地将所述第一聚合物共价偶联到所述第二聚合物的两个或多个第三官能团；和

其中所述水凝胶通过在所述第一官能团和第三官能团之间以及所述第二官能团和第三官能团之间形成共价键而形成。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一官能团和第二官能团是相同的。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一官能团是硫醇，所述第二官能团是硫醇，并且所述第三官能团是硫醇或二硫化物。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一官能团和第三官能团以及所述第二官能团和第三官能团是点击化学反应对。

7.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一官能团和第三官能团选自叠氮化物和炔烃、叠氮化物和烯烃、硫醇和马来酰亚胺、或硫醇和二硫化物。

8.根据权利要求3所述的方法，其中所述第二官能团和第三官能团选自叠氮化物和炔烃、叠氮化物和烯烃、硫醇和马来酰亚胺、或硫醇和二硫化物。

9.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第一聚合物包含三个、四个、五个或六个聚合物支链。

10.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第一结构单元是两性离子结构单元。

11.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第一结构单元是混合电荷结构单元。

12.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第一官能团位于所述聚合物支链的末端。

13.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第一官能团的位置是沿着所述聚合物支链的骨架。

14.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中一个或多个所述第一结构单元包含所述第一官能团。

15.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第二聚合物包含三个、四个、五个或六个聚合物支链。

16.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第二结构单元是两性离子结构单元。

17.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第二结构单元是混合电荷结构单元。

18.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第二官能团位于所述聚合物支链的末端。

19.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第二官能团的位置是沿着所述聚合物支链的骨架。

20.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中一个或多个所述第二结构单元包含所述第二官能团。

21.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第一官能团和第二官能团是相同的。

22.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第一官能团是硫醇，并且第二官能团是硫醇。

23.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第一官能团和第二官能团是不同的。

24.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第一官能团和第二官能团是点击化学反应对。

25.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，其中所述第一官能团和第二官能团选自叠氮化物和炔烃、叠氮化物和烯烃、硫醇和马来酰亚胺、或硫醇和二硫化物。

26.一种通过根据权利要求1-25中任一项所述的方法获得的水凝胶。

27.一种水凝胶，其包含共价偶联至第二聚合物的第一聚合物，

其中所述第二聚合物包含第二核，所述第二核具有共价偶联到所述第二核并从所述第二核延伸的两个或多个聚合物支链，其中所述第二聚合物的聚合物支链包含选自两性离子结构单元和混合电荷结构单元的第二结构单元，并且其中所述第二聚合物的两个或多个聚合物支链各自包含有效地将所述第二聚合物共价偶联到所述第一聚合物的一个或多个第二官能团；和

其中所述水凝胶包含通过所述第一官能团和第二官能团的反应形成的键合所述第一聚合物和第二聚合物的共价键。

28.一种水凝胶，其包含共价偶联至第二聚合物的第一聚合物，

其中所述水凝胶包含通过具有两个或多个第三官能团的交联剂键合所述第一聚合物和第二聚合物的共价键，其中连接所述第一聚合物和第二聚合物的共价键通过所述第一官能团和第三官能团以及所述第二官能团和第三官能团的反应形成。

29.根据权利要求28所述的水凝胶，其中所述第一官能团和第二官能团是相同的。

30.根据权利要求28所述的水凝胶，其中所述第一官能团是硫醇，所述第二官能团是硫醇，以及所述第三官能团是硫醇或二硫化物。

31.根据权利要求28所述的水凝胶，其中所述第一官能团和第三官能团以及所述第二官能团和第三官能团是点击化学反应对。

32.根据权利要求28所述的水凝胶，其中所述第一官能团和第三官能团选自叠氮化物和炔烃、叠氮化物和烯烃、硫醇和马来酰亚胺、或硫醇和二硫化物。

33.根据权利要求28所述的水凝胶，其中所述第二官能团和第三官能团选自叠氮化物和炔烃、叠氮化物和烯烃、硫醇和马来酰亚胺、或硫醇和二硫化物。

34.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第一聚合物包含三个、四个、五个或六个聚合物支链。

35.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第一结构单元是两性离子结构单元。

36.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第一结构单元是混合电荷结构单元。

37.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第一官能团位于聚合物支链的末端。

38.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第一官能团的位置是沿着所述聚合物支链的骨架。

39.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中一个或多个所述第一结构单元包含所述第一官能团。

40.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第二聚合物包含三个、四个、五个或六个聚合物支链。

41.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第二结构单元是两性离子结构单元。

42.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第二结构单元是混合电荷结构单元。

43.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第二官能团位于所述聚合物支链的末端。

44.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第二官能团的位置是沿着所述聚合物支链的骨架。

45.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中一个或多个所述第二结构单元包含所述第二官能团。

46.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第一官能团和第二官能团是相同的。

47.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第一官能团是硫醇，以及所述第二官能团是硫醇。

48.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第一官能团和第二官能团是不同的。

49.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第一官能团和第二官能团是点击化学反应对。

50.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其中所述第一官能团和第二官能团选自叠氮化物和炔烃、叠氮化物和烯烃、硫醇和马来酰亚胺、或硫醇和二硫化物。

51.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其进一步包含细胞、病毒、细菌，以及其基因改变的变体。

52.根据权利要求51所述的水凝胶，其中所述细胞选自外分泌上皮细胞、激素分泌细胞、角质化上皮细胞、湿分层屏障上皮细胞、感觉传导细胞、自主神经元细胞、感觉器官和外周神经元支持细胞、神经元和胶质细胞、晶状体细胞、肝细胞、脂肪细胞、屏障功能细胞、肾细胞、心脏细胞、细胞外基质细胞、收缩细胞、血液和免疫系统细胞。

53.根据权利要求51所述的水凝胶，其中所述细胞选自红细胞、单核细胞、嗜中性粒细胞、肥大细胞、T细胞、干细胞、生殖细胞、滋养细胞、间质细胞或祖细胞。

54.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其进一步包含蛋白质、多糖或小分子。

55.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其进一步包含核酸。

56.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其进一步包含治疗剂或诊断剂。

57.根据权利要求27或28所述的水凝胶，其进一步包含纳米材料。

58.一种具有表面的基质，其中所述表面的至少部分用权利要求27-57中任一项所述的水凝胶涂覆。

59.根据权利要求58所述的基质，其中所述表面全部用所述水凝胶涂覆。

60.根据权利要求58所述的基质，其中基质的所述表面选自可植入的生物传感器、伤口护理装置、密封剂、接触透镜、牙科植入物、矫形装置、心血管装置、胃肠病学装置、OB/Gyn装置、肾脏装置、神经外科装置、皮肤病学装置、眼科装置、耳鼻喉科装置、眼内透镜、美容植入物、神经学植入物、耳蜗植入物、神经导管、激素控制植入物、植入的生物传感器、接入端口装置、组织支架肺部装置、放射学装置或泌尿装置。

61.一种用于细胞保护、保存或生长的培养基，其包含权利要求27-57中任一项所述的水凝胶。

62.根据权利要求61所述的培养基，其进一步包含营养素或生长因子。

63.一种外科密封剂，其包含权利要求27-57中任一项所述的水凝胶。

64.一种外科抗粘附涂层，其包含权利要求27-57中任一项所述的水凝胶。

65.一种外科填充物，其包含权利要求27-57中任一项所述的水凝胶。

66.一种伤口敷料，其包含权利要求27-57中任一项所述的水凝胶。

67.一种美容填充物，其包含权利要求27-57中任一项所述的水凝胶。

68.一种预成型为特定形状的美容填充物，其包含权利要求27-57中任一项所述的水凝胶。

69.一种矫形软组织替代物，其包含权利要求27-57中任一项所述的水凝胶。

70.一种组织生长支架，其包含权利要求27-57中任一项所述的水凝胶。

71.一种医疗装置，其至少部分由权利要求27-57中任一项所述的水凝胶形成。

72.一种医疗装置，其掺入权利要求27-57中任一项所述的水凝胶。

73.根据权利要求71或72所述的医疗装置，其中所述装置是可植入的生物传感器、伤口护理装置、密封剂、接触透镜、牙科植入物、矫形装置、心血管装置、胃肠病学装置、OB/Gyn装置、肾脏装置、神经外科装置、皮肤病学装置、眼科装置、耳鼻喉科装置、眼内透镜、美容植入物、神经学植入物、耳蜗植入物、神经导管、激素控制植入物、植入的生物传感器、接入端口装置、组织支架肺部装置、放射学装置或泌尿装置。