CN108250459A - 一种具有多重刺激响应的水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有多重刺激响应的水凝胶及其制备方法和应用，其中，制备方法为：将多元醇双缩醛化合物加入水中，加热使多元醇双缩醛化合物溶解，冷却至室温，得到水凝胶；多元醇双缩醛化合物为含有4‑6个羟基的多元醇类化合物和芳香醛类化合物缩合反应生成。该除此之外，该水凝胶还具有手性识别手性氨基酸和差向异构体药物、吸附废水中的染料、作为药物载体、细胞增殖等多种应用性。

Description

一种具有多重刺激响应的水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于精细化工技术领域，尤其涉及一种具有多重刺激响应的水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
超分子科学取得的重大成就，促使人们更加急切的寻找下一代功能材料，尤其是刺激响应性软物质，它能够促进适用于新兴技术的多功能材料的发展。作为刺激性软材料的一种，超分子水凝胶能够对许多化学和物理刺激产生响应，并且在非共价键的作用下可以产生可逆的相转变。近年来，构筑具有多刺激响应性的低分子水凝胶成为研究的热点，因为刺激响应性越多对智能材料的创建具有更大的灵活性。然而具有多刺激响应的水凝胶因子很少，因为这需要凝胶因子结构和环境的非共价键作用达到完美的融合。人们通常通过引入具有刺激响应的片段，来实现凝胶因子的多刺激。例如，Banerjee报道了两类氨基酸衍生的具有热、酸碱、机械力和离子刺激的金属水凝胶，该凝胶具有较好的自愈性和耐压性。刘鸣华课题组描述了对热、酸碱、机械力和超声相应的双组份凝胶因子。范青华课题组报道了具有温度、化学刺激、机械力响应的新型树枝状金属凝胶，并且该凝胶可以用于纳米银离子。瞿金清报道了一类金属水凝胶具有多刺激响应性。
水凝胶作为一种新型的自组装软材料，在环境响应材料、人工智能材料、药物载体等领域具有潜在的应用价值。虽然人们已经开发了许多具有载药等不同应用的凝胶因子，使用单一的凝胶因子实现水凝胶的多重刺激响应性和多种应用性一直是一个挑战。同时具有多重刺激响应性和多种应用性的水凝胶因子结构设计，可对水凝胶性能研究及应用领域拓展提供广阔前景。
发明内容
本发明提供了一种具有多重刺激响应的水凝胶及其制备方法和应用，以实现水凝胶的多重刺激响应性和多种应用性。
第一方面，本发明提供的一种具有多重刺激响应的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：将多元醇双缩醛化合物加入水中，加热使多元醇双缩醛化合物溶解，冷却至室温，得到水凝胶；其中，所述多元醇双缩醛化合物为含有4-6个羟基的多元醇类化合物和芳香醛类化合物缩合反应生成；所述水凝胶具有对热、酸碱、阳离子、阴离子和芳香醛多重刺激响应，在相应的刺激因素下，可以实现凝胶和溶胶的可逆转变。
可选地，所述多元醇类化合物为山梨醇、甘露醇或木糖醇；所述芳香醛类化合物为水杨醛、间羟基苯甲醛或对羟基苯甲醛。
可选地，所述多元醇双缩醛化合物为1,3:2,4-(邻羟基苄基)山梨醇、1,3:2,4-(间羟基苄基)山梨醇、1,3:2,4-(对羟基苄基)山梨醇、1,3:2,4-(邻羟基苄基)甘露醇、 1,3:2,4-(间羟基苄基)甘露醇、1,3:2,4-(对羟基苄基)甘露醇。
可选地，所述多元醇双缩醛化合物在水中的含量为0.1-30mg/mL。
第二方面，本发明还提供了由第一方面提供的制备方法制备得到的水凝胶。
第三方面，本发明还提供了第二方面提供的水凝胶在手性识别中的应用，所述水凝胶能够手性识别手性芳香族类氨基酸，所述水凝胶能够手性识别差向异构体药物，其中，所述手性芳香族类氨基酸为D-苯丙氨酸和L-苯丙氨酸、D-色氨酸和L-色氨酸，或，D- 酪氨酸和L-酪氨酸；所述差向异构体药物为熊去氧胆酸和鹅去氧胆酸，或，四环素和差向四环素。
可选地，所述手性芳香族类氨基酸为D-苯丙氨酸和L-苯丙氨酸；所述差向异构体药物为熊去氧胆酸和鹅去氧胆酸。
第四方面，本发明还提供了第二方面提供的水凝胶在染料吸附中的应用。
第五方面，本发明还提供了第二方面提供的水凝胶在药物载体中的应用。
第六方面，本发明还提供了第二方面提供的水凝胶在细胞增殖中的应用。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种具有多重刺激响应的水凝胶及其制备方法和应用，将多元醇双缩醛类化合物作为新型水凝胶因子引入凝胶体系，能够产生具有多重刺激响应性和多重应用性的水凝胶，有望应用于智能材料、药物识别、药物载体、废水净化等领域。该水凝胶具有良好的刺激响应性，具有热、酸碱、阳离子(铁离子)、阴离子(碘离子)和芳香醛(茴香醛)多重响应，在相应的刺激因素下，可以实现凝胶和溶胶的可逆转变，有望应用于医用、智能材料等领域。除此之外，该水凝胶还具有手性识别手性氨基酸和差向异构体药物、吸附废水中的染料、作为药物载体、细胞增殖等多种应用性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中凝胶因子形成的水凝胶图；
图2为本发明中水凝胶的多重刺激响应图；
图3为本发明中水凝胶的微观形貌图；
图4A为本发明中水凝胶在手性识别D-苯丙氨酸和L-苯丙氨酸中的应用图；
图4B为本发明中水凝胶在手性识别熊去氧胆酸和鹅去氧胆酸中的应用图；
图5为本发明中水凝胶染料吸附图；
图6为本发明中水凝胶细胞毒性测试结果。
具体实施方式
本发明提供了一种具有多重刺激响应的水凝胶及其制备方法和应用，以实现水凝胶的多重刺激响应性和多种应用性。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
1,3:2,4-(邻羟基苄基)山梨醇(2-HDBS)水凝胶可由以下四种方法制备而成：
方法一：以山梨醇与水杨醛的双缩物2-HDBS为水凝胶因子，在水中加热至溶解状态，冷却至室温可形成凝胶。具体地，在含有10mg化合物2-HDBS的密封小瓶中，加入1mL 水，加热到100℃使其完全溶解，冷却至室温可形成不透明凝胶，即为2-HDBS水凝胶(如图1所示)。
方法二：化合物2-HDBS在水中，超声波中超声，加热至溶解状态冷却至室温可形成凝胶。具体地，在含有10mg 2-HDBS的密封小瓶中，加入1mL水，在20℃，超声功率90W 情况下，超声5min，加热到100℃变成溶液，冷却至室温形成不透明凝胶，即为2-HDBS 水凝胶。
方法三：化合物2-HDBS在水中加热至溶解状态，超声波中超声至室温可形成凝胶。具体地例如在含有10mg 2-HDBS的密封小瓶中，加入1mL水，加热到100℃使其完全溶解，在20℃，超声功率90W情况下超声到室温形成不透明凝胶，即为2-HDBS水凝胶。
方法四：化合物2-HDBS在水中，超声波中进行超声，加热至溶解状态，超声波中超声至室温可形成凝胶。具体地，在含有10mg 2-HDBS的密封小瓶中，加入1mL水，在20℃，超声功率90W情况下，超声5min，加热到100℃变成溶液，在20℃，超声功率90W情况下超声到室温形成不透明凝胶，即为2-HDBS水凝胶。
实施例2
1,3:2,4-(间羟基苄基)山梨醇水凝胶制备
以1,3:2,4-(间羟基苄基)山梨醇为水凝胶因子，在水中加热至溶解状态，冷却至室温可形成凝胶。具体地，在含有10mg化合物1,3:2,4-(间羟基苄基)山梨醇的密封小瓶中，加入1mL水，加热到100℃使其完全溶解，冷却至室温可形成不透明凝胶，即为1,3:2,4-(间羟基苄基)山梨醇水凝胶。
实施例3
1,3:2,4-(对羟基苄基)山梨醇水凝胶的制备
以1,3:2,4-(对羟基苄基)山梨醇代替实施例2中的1,3:2,4-(间羟基苄基)山梨醇，可以得到不透明水凝胶
水凝胶的多重刺激响应(以2-HDBS水凝胶代表进行说明)
热响应：2-HDBS水凝胶具有热可逆性质，即加热后变成溶胶，冷却后再次形成凝胶，该过程可以多次重复。
酸碱响应：将不同剂量的固体碱(氢氧化钠或碳酸氢钠)放入2-HDBS水凝胶中，在碱的剂量为2mM-5mM时凝胶会逐渐变为溶液，向溶液体系中加入一定量的盐酸(2-5mM) 后，溶液又变回凝胶，可以实现凝胶溶液的可逆转变。同样，将不同剂量的酸(浓盐酸或三氟乙酸)放在步骤1)制得的凝胶上面中，在酸的剂量为6mM-10mM时凝胶会逐渐变为溶液，向溶液体系中加入一定量的碱后(2-5mM)后，溶液又变回凝胶，可以实现凝胶溶液的可逆转变。(见图2a)
阴离子响应：将碘化钠固体放在2-HDBS水凝胶上面，在碘化钠的剂量大于1eq时，凝胶会逐渐变为溶液，向溶液体系中加入一定量的硫代硫酸钠(2eq)后，溶液又变回凝胶，可以实现凝胶溶液的可逆转变。(见图2b)
阳离子响应：将无水氯化铁固体放在2-HDBS水凝胶上面，在无水氯化铁的剂量大于 1eq时，凝胶会逐渐变为溶液，向溶液体系中加入2eq的硫代硫酸钠饱和溶液后，溶液又变回凝胶，可以实现凝胶溶液的可逆转变。(见图2c)
芳香醛响应：将茴香醛液体滴在2-HDBS水凝胶上面，在茴香醛的剂量大于2eq时，凝胶会逐渐变为溶液。(见图2d)
水凝胶的微观形貌
为了对化合物的微观形貌进行考察，对2-HDBS水凝胶的干凝胶进行了扫描电镜检测 (见图3)。从SEM图可得出，该凝胶化合物为纤维状形貌，凝胶因子在水中组装成一维纤维结构。
水凝胶的应用
手性识别：(1)将5mg 2-HDBS和3mg D-苯丙氨酸或L-苯丙氨酸加入到1mL水中，加热至完全溶解，冷却后形成不透明凝胶；或将5mg化合物2-HDBS加入到1mL水中，加热至完全溶解，冷却后形成2-HDBS水凝胶，然后将3mg D-苯丙氨酸或L-苯丙氨酸加入到2-HDBS水凝胶表面，加热溶解，冷却后形成不透明凝胶。加入D-苯丙氨酸的制成的凝胶不具有触变性，即用机械力破坏后凝胶无法恢复(是否是恢复，请确认)，加入L- 苯丙氨酸的制成的凝胶具有触变性，即用机械力破坏后凝胶恢复，从而可以区分手性氨基酸D-苯丙氨酸或L-苯丙氨酸(见图4A)。除此之外，该水凝胶还能够手性识别其他手性芳香族类氨基酸，例如，D-色氨酸和L-色氨酸，或，D-酪氨酸和L-酪氨酸。
(2)将5mg化合物2-HDBS和5mg熊去氧胆酸或鹅去氧胆酸加入到1mL水中，加热至完全溶解，冷却后，加入熊去氧胆酸后仍然形成凝胶，加入鹅去氧胆酸后不能形成凝胶从而可以区分熊和鹅去氧胆酸；或将5mg化合物2-HDBS加入到1mL水中，加热至完全溶解，冷却后形成2-HDBS水凝胶，然后将5mg熊去氧胆酸或鹅去氧胆酸加入到2-HDBS 水凝胶表面，加热溶解，冷却后，加入熊去氧胆酸后仍然形成凝胶(见图4B)，加入鹅去氧胆酸后不能形成凝胶从而可以区分熊和鹅去氧胆酸。除此之外，该水凝胶还能够手性识别四环素和差向四环素。
染料吸附：将20mg 2-HDBS水凝胶的干凝胶加入到5mL 0.01mol/L的结晶紫水溶液中，24h后可以吸附完毕。(见图5)
药物载体：化合物2-HDBS形成的水凝胶，浓度增加为4-30mg/ml时，水凝胶对细胞无毒性，可以作为药物载体。CCK8法检测了水凝胶对人永生角质形成细胞(HaCaT)细胞存活率的影响。将细胞接种到96孔板的中，使每个板中100μL培养基(RPMI 1640 containing10％FBS)中细胞密度为1x10-4，过夜，然后加入含有不同浓度的水凝胶的 100mL培养基，范围为0-320mg/mL。孵育24小时后，通过CCK-8测定法评估细胞活力。测试结果表明水凝胶浓度为4-30mg/ml时，细胞存活率超过100％，表明水凝胶对细胞无毒性，可以作为药物载体。(见图6)
细胞增殖：化合物2-HDBS形成的水凝胶，浓度为4-30mg/ml时，且具有细胞增殖的功能。CCK-8测试结果表明水凝胶浓度为4-30mg/ml时，细胞存活率超过100％，最高值达到了150％，表明与不加水凝胶相比，细胞成活率增加，说明水凝胶具有细胞增殖功能。 (见图6)。
以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims (10)

1.一种具有多重刺激响应的水凝胶的制备方法，其特征在于，将多元醇双缩醛化合物加入水中，加热使多元醇双缩醛化合物溶解，冷却至室温，得到水凝胶；其中，所述多元醇双缩醛化合物为含有4-6个羟基的多元醇类化合物和芳香醛类化合物缩合反应生成；
所述水凝胶具有对热、酸碱、阳离子、阴离子和芳香醛多重刺激响应，在相应的刺激因素下，可以实现凝胶和溶胶的可逆转变。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多元醇类化合物为山梨醇、甘露醇或木糖醇；所述芳香醛类化合物为水杨醛、间羟基苯甲醛或对羟基苯甲醛。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述多元醇双缩醛化合物为1,3:2,4-(邻羟基苄基)山梨醇、1,3:2,4-(间羟基苄基)山梨醇、1,3:2,4-(对羟基苄基)山梨醇、1,3:2,4-(邻羟基苄基)甘露醇、1,3:2,4-(间羟基苄基)甘露醇或1,3:2,4-(对羟基苄基)甘露醇。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多元醇双缩醛化合物在水中的含量为0.1-30mg/mL。
5.一种由权利要求1-4任一项所述的制备方法制备得到的水凝胶。
6.一种权利要求5所述的水凝胶在手性识别中的应用，其特征在于，所述水凝胶能够手性识别手性芳香族类氨基酸，所述水凝胶能够手性识别差向异构体药物，其中，所述手性芳香族类氨基酸为D-苯丙氨酸和L-苯丙氨酸、D-色氨酸和L-色氨酸，或，D-酪氨酸和L-酪氨酸；所述差向异构体药物为熊去氧胆酸和鹅去氧胆酸，或，四环素和差向四环素。
7.根据权利要求6所述的水凝胶在手性识别中的应用，其特征在于，所述手性芳香族类氨基酸为D-苯丙氨酸和L-苯丙氨酸；所述差向异构体药物为熊去氧胆酸和鹅去氧胆酸。
8.一种根据权利要求5所述的水凝胶在染料吸附中的应用。
9.一种根据权利要求5所述的水凝胶在药物载体中的应用。
10.一种根据权利要求5所述的水凝胶在细胞增殖中的应用。
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