CN109134866A - 一种星状poss-peg-acryl大分子聚合物及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星状POSS‑PEG‑ACRYL大分子聚合物及其制备方法和应用。上述大分子聚合物结构如下式所示：本发明提供的星状大分子聚合物POSS‑PEG‑ACRYL可作为交联剂与巯基类官能团化合物发生反应，制备出可降解型、酶敏感型等水凝胶，由于多官能团POSS纳米粒子的引入，可在成胶过程中增加多个交联位点，以有效提高水凝胶的机械性能。

Description

一种星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物及其制备方法和应用。

背景技术

多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)是一种分子水平上的纳米杂化材料，分子尺寸在1-3nm之间，由核心的Si-O-Si键组成的无机骨架和外围的有机取代基组成有机-无机杂化结构，外围的有机取代基赋予了POSS良好的分子可设计性。POSS作为一种有效的功能性有机-无机纳米粒子，最初被广泛运用在聚合物增韧、耐温性能、力学性能等改性研究上。通过官能化POSS直接聚合或利用化学反应将POSS结合到聚合物中以及作为纳米添加剂与其他材料共混，可制备多种多样的聚合物/POSS纳米复合材料。POSS的引入能有效降低材料的介电常数，改善材料的热性能、机械性能、耐火性、防水防油性，加工性能、牢固度和透明度等；因此，POSS被认为是一种优良的纳米构筑材料。同时，POSS无毒无味，具有良好的生物相容性，被认为是新一代生物医用材料。但是，POSS的水溶性相对较差。通过在POSS上接枝亲水基团是实现其成为水溶性材料的有效方法之一，从而能更有效的利用其功能，使之在材料方面有着更为广泛的应用前景。

聚乙二醇(PEG)是乙二醇的聚合物，由环氧乙烷与水或乙二醇逐步加成聚合而成，其具有良好的水溶性，是一类长链型大分子聚合物。聚乙二醇与许多有机物组分有良好的相容性，可溶于绝大多数有机溶剂，因其具有生物相容性、对人体无毒、可降解被修饰物抗原性等优点而被广泛应用于蛋白质、多肽类药物及生物医用材料的改性修饰。而聚乙二醇衍生物在聚乙二醇的基础上得到进一步的改善修饰。

水凝胶是以水为分散介质的凝胶。是由具有网状交联结构的水溶性高分子中引入的一部分疏水基团和亲水基团引起，亲水基团与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水部分遇水而膨胀，变成的交联聚合物；是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定形态，吸收大量的水。在应用方面极为广泛。利用PEG水溶性高分子的优点，使PEG可作为制备水凝胶的常用聚合物，制备各类PEG水凝胶。然而传统的PEG水凝胶往往在较低含水量时具有一定的机械性能，而在较高含水量时机械强度显著下降，甚至在极低的压强下就发生碎裂，使其实际应用受到限制，且生物活性较弱，对于进一步的对蛋白质、多肽类药物及生物医用材料的改性修饰，仍然存在挑战。

发明内容

针对水凝胶存在的上述问题，现提供一种星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物及其制备方法和应用，以利用聚乙二醇链修饰多面体低聚倍半硅氧烷，并合成POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物，以改善POSS的水溶性，并利用POSS的纳米效应提高PEG机械性能。

具体技术方案如下：

本发明的第一个方面是提供一种星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物，具有这样的特征，其结构如下式所示：

其中，R为

其中，n＝10-50。

本发明的第二个方面是提供一种上述星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物的制备方法，具有这样的特征，包括如下步骤：

1)、在反应瓶中，将第二反应物、第一溶剂、光引发剂混合形成第一反应液，并将第一反应物溶于第一溶剂后滴入第一反应液中，滴加完毕后在紫外光照射下于20-30℃反应7-13h，水洗分液，水相萃取，合并有机相，水洗、干燥、过滤、浓缩后经沉淀、过滤得第一聚合物；

其中，第一反应物的结构如下式所示：

其中，

其中，第二反应物的结构式如下式所示：

其中，n＝10-50；

2)、在反应瓶中于惰性气体保护下加入第二溶剂、碱形成第二反应液，于0-5℃将丙烯酰氯滴入第二反应液中，滴加完毕后于0-5℃酰化反应2-6h，再升温至20-26℃反应18-24h，水洗分液，水相萃取，合并有机相，水洗、干燥、过滤、浓缩后经沉淀、过滤得星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物。

上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤1)、2)中第一溶剂和第二溶剂均选自二氯甲烷、甲苯、四氢呋喃、乙醇、甲醇、乙酸乙酯、丙酮、甲基叔丁基醚或乙醚中的一种。

需要说明的是，本领域的技术人员在本发明的技术体系下应可适当选择、量取溶剂体积。

上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤1)中光引发剂、第一反应物和第二反应物的摩尔比为(0.5-2):(1-4):1。

上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤1)中光引发剂选自2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮。

上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤2)中碱、丙烯酰氯和第一聚合物的摩尔比为(0.5-2):(2-10):1。

上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤2)中碱选自三乙基胺、二乙胺、N,N-二异丙基乙基胺或苯胺中的一种。

本发明的第三个方面是提供一种上述星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物在制备凝胶中的应用。

本发明提供的星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物中，将POSS官能化链端与修饰后的PEG衍生物通过化学键连接，显著改善POSS溶解性。

本发明提供的星状大分子聚合物POSS-PEG-ACRYL可作为交联剂与巯基类官能团化合物发生Michael反应，制备出可降解型、酶敏感型等水凝胶，由于多官能团POSS纳米粒子的引入，可在成胶过程中增加多个交联位点，以有效提高水凝胶的机械性能；且由于在POSS链端引入了不同分子量的PEG链端，使整个大分子聚合物呈现优良的水溶特性，进而使水凝胶可在水溶液中制备获得，成胶时间也较短。本发明提供的水凝胶具有良好的水溶性及生物相容性，其在多领域发光，特别是在生物医学工程领域具有广阔的应用空间。

附图说明

图1为本发明的实施例中提供的水凝胶的红外测试示意图；

图2为本发明的实施例5中提供的水凝胶的扫描电镜测试示意图；

图3为本发明的实施例9中提供的水凝胶的扫描电镜测试示意图；

图4为本发明的实施例中提供的水凝胶的振荡-频率测试示意图；

图5为本发明的实施例中提供的水凝胶的振荡-应力测试示意图；

图6为本发明的实施例5中提供的水凝胶用于体外细胞培养活/死细胞染色荧光示意图；

图7为本发明的实施例9中提供的水凝胶用于体外细胞培养活/死细胞染色荧光示意图。

具体实施方式

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作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明提供一种星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物，其制备方法包括如下步骤：

1)、在反应瓶中，将第二反应物、第一溶剂、光引发剂混合形成第一反应液，并将第一反应物溶于第一溶剂后滴入第一反应液中，滴加完毕后在紫外光照射下于20-30℃反应7-13h，反应结束后用水(20mL)水洗分离有机相，水相用二氯甲烷(30mL×3)萃取，合并有机相，用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，过滤，滤液浓缩后用甲基叔丁基醚沉淀，过滤、烘干得第一聚合物；

其中，第一反应物的结构如下式所示：

其中，

其中，第二反应物的结构式如下式所示：

其中，n＝10-50；

2)、在反应瓶中于惰性气体保护下加入第二溶剂、碱形成第二反应液，于0-5℃将丙烯酰氯滴入第二反应液中，滴加完毕后于0-5℃酰化反应2-6h，再升温至20-26℃反应18-24h，反应结束后用水(20mL)水洗分离有机相，水相用二氯甲烷(30mL×3)萃取，合并有机相，用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，过滤，滤液浓缩后用甲基叔丁基醚沉淀，过滤、烘干得星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物；

本实施例中，第一溶剂和第二溶剂均选自二氯甲烷；

本实施例中，光引发剂、第一反应物和第二反应物的摩尔比为(0.5-2):(1-4):1，且光引发剂选自2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮；

本实施例中，碱选自三乙基胺，且碱、丙烯酰氯和第一聚合物的摩尔比为(0.5-2):(2-10):1。

本发明的实施例1-4中相关物质用量如下表所示：

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					第二反应物/g	6.88(n为10-15)	8(n为16-20)	7.4(n为21-25)	8.4(n为45-50)
光引发剂/mg	50.96	43.7	30.58	17.732
					第一反应物/g	1	0.858	0.957	0.347
第一聚合物/g	5	6	6.3	7
					三乙基胺/ul	366	338.2	279	168
丙烯酰氯/ul	215	201.5	163	98

将本实施例1-4提供的星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物(简称为POSS-PEG-ACRYL)和第三反应物(Mw＝2000)溶解于PH＝7.4、浓度为4mM的三乙醇胺缓冲液中形成体积为700ul胶溶液，将其转至1ml模具中，于37℃生化培养箱中反应3h，使其充分反应，得水凝胶5-8，水凝胶5-8中相关物质用量如下表所示：

其中，第三反应物的结构式如下式所示：

将本实施例1-4提供的星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物(简称为POSS-PEG-ACRYL)和交联剂底物肽(MMP(W)X、Mw＝1605)溶解于PH＝7.4、浓度为4mM的三乙醇胺缓冲液中形成体积为700ul胶溶液，将其转至1ml模具中，于37℃生化培养箱中反应3h，使其充分反应，得水凝胶9-12，水凝胶9-12中相关物质用量如下表所示：

其中，底物肽的结构如下式所示：

如图1所示，本发明的实施例5-12提供的水凝胶中，2560cm^-1处S-H键的伸缩振动吸收峰均消失，同时，1680cm^-1处丙烯基的C＝C双键吸收峰消失，在1120cm^-1附近出现了极强的C-O-C的不对称伸缩振动吸收峰以及Si-O-Si的不对称伸缩振动吸收峰，表明本发明的实施例5-12提供的水凝胶中反应底物通过Michael加成反应成功交联。

如图2、图3所示，本发明实施例5、9中提供的水凝胶通过扫描电镜显示，实施例5、9中制备出的水凝胶网络孔隙结构规整，大小均一。

如图4、图5所示，本发明的实施例提供的水凝胶以储能模量(G’)和损耗模量(G”)表征水凝胶的机械性能，结果表明，引入多官能团POSS纳米粒子后水凝胶机械强度得到极大提高，具体的，最大可达到15000MPa，但随着n值增加，力学性能会降低，这是因为随着水凝胶内部链长缠绕以及包裹导致，水凝胶力学性能虽会降低，但相较于传统PEG水凝胶，其力学性能依然显著提升。

如图6、图7所示，本发明的实施例5、9中提供的水凝胶用于体外细胞培养活/死细胞的染色荧光图表明，细胞均一封装入水凝胶结构内部，且细胞成活率较好，说明该水凝胶具有良好的生物相容性、无毒，有利于种子细胞在其内部进行生长、繁殖及粘附，这对于以后运用在组织工程支架材料上具有较为重要的意义。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物，其特征在于，其结构如下式所示：

其中，R为

其中，n＝10-50。

2.一种权利要求1所述星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)、在反应瓶中，将第二反应物、第一溶剂、光引发剂混合形成第一反应液，并将第一反应物溶于第一溶剂后滴入所述第一反应液中，滴加完毕后在紫外光照射下于20-30℃反应7-13h，水洗分液，水相萃取，合并有机相，水洗、干燥、过滤、浓缩后经沉淀、过滤得第一聚合物；

其中，所述第一反应物的结构如下式所示：

其中，

其中，所述第二反应物的结构如下式所示：

其中，n＝10-50；

2)、在反应瓶中于惰性气体保护下加入第二溶剂、碱形成第二反应液，于0-5℃将丙烯酰氯滴入所述第二反应液中，滴加完毕后于0-5℃酰化反应2-6h，再升温至20-26℃反应18-24h，水洗分液，水相萃取，合并有机相，水洗、干燥、过滤、浓缩后经沉淀、过滤得所述星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)、2)中所述第一溶剂和所述第二溶剂均选自二氯甲烷、甲苯、四氢呋喃、乙醇、甲醇、乙酸乙酯、丙酮、甲基叔丁基醚或乙醚中的一种。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述光引发剂、所述第一反应物和所述第二反应物的摩尔比为(0.5-2):(1-4):1。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述光引发剂选自2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述碱、所述丙烯酰氯和所述第一聚合物的摩尔比为(0.5-2):(2-10):1。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述碱选自三乙基胺、二乙胺、N,N-二异丙基乙基胺或苯胺中的一种。

8.权利要求1所述星状POSS-PEG-ACRYL大分子聚合物在制备凝胶类物质中的应用。