CN109503822A - 一种具有生物相容性的有机光热大分子的制备方法 - Google Patents

一种具有生物相容性的有机光热大分子的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有生物相容性和生物可降解的有机光热大分子的制备方法。该方法通过化学键接方式，将具有光异构化的偶氮苯官能团引入到柔性高分子链中，首次制备出具有生物相容性的有机光热线性高分子。与现有的有机/无机纳米颗粒、有机小分子染料、交联大分子光热体系相比，由该方法设计的有机光热大分子除具有光热作用外，还具有生物相容性和生物可降解性，并可进行多样性重复加工。在生物、能源，柔性致动等领域具有潜在的应用价值。此外，该有机光热大分子的制备方法对制备具有功能性的光热有机大分子提供了一个平台，进而拓宽了光热有机大分子的应用范围。

Description

一种具有生物相容性的有机光热大分子的制备方法
技术领域
本发明属于光热分子材料制备领域，特别涉及一种具有生物相容性的有机光热大分子的制备方法。
背景技术
光作为大自然的馈赠，简单易得，无毒副作用，具有时间和空间时效性，远程定点可控，强度可调等优点被广泛应用于医学、能源、电子及人工智能等领域。由于这种得天独厚的自然条件，光热分子的研究受到越来越多人的关注和研究。
现有的关于光热分子的研究和应用多集中在小分子，如有机无机纳米颗粒(Jaque,D.,et al.,Nanoparticles for photothermal therapies.Nanoscale,2014.6(16):p.9494-530.)包括石墨烯、碳纳米管、金纳米颗粒、有机纳米团簇等，和有机自组装大分子。基于现有光热小分子杂化的高分子体系的作用方式主要有两种，一种是物理或化学共混作用，另一种为表面改性处理，包括表面涂覆、表面接枝等。但就小分子和高聚物杂化体系仍存在诸多问题，如相容性差，易产生分相现象，纳米颗粒易团聚，难分散。此外，掺杂量对基体性能有很大影响，含量高时会导致基体混溶性差，易相分离，透明性下降，同时影响力学性能。掺杂含量不足时，达不到应用的光热效果。
针对上述问题，研究者提出了通过化学键接的方式将有机小分子光热试剂添加到高分子体系。如杨洪团队(Liu,L.,et al.,Near-Infrared Chromophore FunctionalizedSoft Actuator with Ultrafast Photoresponsive Speed and Superior MechanicalProperty.J Am Chem Soc,2017.139(33):p.11333-11336.)设计了一个具有光热效应的有机小分子交联剂，首次通过化学键接作用将其复合到高分子体系，制备出了具有光热效应的有机大分子。张希团队(Yang,Y.,et al.,Supramolecular Radical Anions Triggeredby Bacteria In Situ for Selective Photothermal Therapy.Angew Chem Int EdEngl,2017.56(51):p.16239-16242.)利用分子自组装的方法将光热小分子复合到自组装高分子体系，自组装高分子遇到特定的菌落后解离出光热小分子，起到特定靶向作用，然后通过光热作用将菌落杀死。将光热有机分子作为小分子交联剂接入高分子体系时，聚合物一旦交联成型，不能进行二次加工。自组装体系需要光热有机小分子上带有特定的官能团在特定的环境下提供自组装的条件，而现有光热有机小分子种类较少(如吲哚菁绿、降冰片二烯、偶氮苯类小分子、有机金属化合物等)，而带有特定基团的光热分子更是罕见。因此一种自身具有光热效应且可被多样性加工的有机光热线性大分子体系亟待被研发。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有生物相容性的有机光热大分子的制备方法，以克服现有技术中有机光热大分子不能自身具有光热效应的同时可被多样性加工的缺陷。
本发明的一种具有生物相容性的有机光热大分子的制备方法，包括：
将第一单体(二酰基二缩水甘油酯有机物)、第三单体与催化剂混合于溶剂中，在保护气作用下伴随磁力搅拌作用进行反应，反应结束后对所得混合液进行洗涤，抽真空处理，得到有机光热线性大分子；其中第三单体为偶氮苯-3,3-二羧酸、偶氮苯-4,4-二羧酸中的一种；催化剂含量为体系羧基官能团摩尔总量的0.2-1mol％；环氧官能团与羧基官能团的摩尔为1:0.5～1:1.5。
所述第一单体的制备方法包括：无水无氧条件下，将缩水甘油、溶剂一和溶剂二混合，加入二酰氯有机物，-50℃-0℃温度下伴随磁力搅拌进行反应6～12h，反应结束后将所得混合物过滤，提纯，得到二酰基二缩水甘油酯有机物，其中二酰氯有机物与缩水甘油的摩尔比为1:2.3-1:3.5，溶剂一和溶剂二的体积比为1:3～1:6.5。
所述溶剂一为三乙胺。
所述溶剂二为甲苯。
所述溶剂一需经过氢氧化钠除水纯化。
所述溶剂二需经过金属钠除水纯化处理。
所述二酰氯有机物为己二酰氯、癸二酰氯、壬二酰氯、二十二酰氯、戊二酰基二氯、1,7-庚二酰氯、1,8-二辛酰氯、偶氮苯-4,4’-二羰酰氯中的一种。
所述提纯包括：柱层析；柱层析所用溶剂为C，展开剂为D，溶剂C选自二氯甲烷、三氯乙烷、甲苯中的一种，展开剂D为石油醚、己烷、苯、乙酸乙酯、甲酸中的几种复合。
所述柱层析使用的展开剂D为石油醚和乙酸乙酯复合，其体积配比为2:1～4:1。
所述催化剂为溴化十六烷基三甲铵、四丁基溴化铵、十二水合硫酸铁铵、氧化锌、三氯化铁中的一种。
所述将二酰基二缩水甘油酯有机物、第三单体与催化剂混合于溶剂中时加入第二单体，第二单体包括：双酚F二缩水甘油酯，1,2-二羧酸二缩水甘油酯、癸二酸、己二酸、辛二酸、十六碳二酸、十二烷基二酸、2,6-二氨基庚二酸、2,4-二甲基戊二酸中一种。
所述第二单体经过纯化处理。
所述溶剂为二甲基亚砜、N,N’-二甲基甲酰胺或者二氯乙烷。
所述搅拌反应温度为80～145℃，搅拌反应时间为18-36h。
所述有机光热大分子的光热转换作用是高分子链中偶氮苯的光异构化性能，在紫外光区，偶氮苯吸收能量从低能稳态的反式构型转化为高能亚稳态的顺式构型，储存能量。在可见光区或热的作用下，偶氮苯的顺式构型可回复到反式构型，以热的形式释放能量。
所述有机光热大分子的紫外光热转换温度范围为50-250℃。
所述有机光热大分子对紫外光、蓝光和太阳光有光热作用。
所述有机光热大分子对紫外光的响应波长范围为300-380nm。
所述有机光热大分子对蓝光的响应波长范围为440-500nm。
所述有机光热大分子对太阳光具有光热作用的能量密度大于等于70mw/cm-1。
本发明提供一种具有生物相容性的有机光热大分子的制备方法制备的有机光热大分子。
本发明还提供一种具有生物相容性的有机光热大分子的制备方法制备的有机光热大分子的应用。
基于N＝N双键或C＝C双键的光响应顺反构型变化的分子是一类有机光热分子，在太阳能存储，柔性驱动器方面具有广泛的应用。其中偶氮苯类分子由于含有一个偶氮基团(N＝N)，具有稳态的反式和亚稳态的顺式两种构型。在紫外光区作用下，稳态的反式构型吸收热量转变为亚稳态的顺式构型，亚稳态的顺式构型又会在黑暗中自发地或在热、可见光作用下恢复到稳态的反式构型，释放热量。基于此理论基础，本发明利用化学键接方法将偶氮官能团引入到柔性主链体系中设计了一种自身具有光热效应且可多样性加工的有机光热线性高分子。并且该有机聚合物表面含有大量羟基自由基，可进一步加工改性处理成多功能性的光热有机聚合物，在生物、能源，柔性致动等领域发挥其潜在应用价值。
通过本发明获得的有机光热高分子不仅在紫外、可见及太阳光区具有优异的光热效应，且可通过模塑法、静电纺丝、3D打印等多种加工手段进行重塑加工。自身可作为有机光热试剂通过简单的表面涂覆或化学键接与其他材料复合应用。为开发和应用有机光热大分子材料提供了一个平台。
有益效果
本发明通过化学键接方式将具有光异构化的偶氮苯官能团引入柔性主链中，制备具有生物相容性的有机光热线性高分子。通过该方法制得的光热大分子对紫外、可见光区有显著的光热效应，可按需进行塑性加工、具有一定的力学性能，可应用于生物、能源、柔性致动等领域。
附图说明
图1为本发明中有机光热大分子的光热原理示意图。
图2为实施例1中有机光热大分子经紫外辐照前后的紫外可见吸收光谱。
图3为实施例1中有机光热大分子在不同紫外光强(空白，1％～100％)下的光热效应。
图4为本发明中有机光热大分子通过熔融可塑加工成的贝壳结构的光学图片。
图5为实施例1中有机光热大分子制备的条形样品(长×宽×高＝3cm×0.5cm×1mm)的力学性能。
图6a为用实施例1中有机光热大分子材料、聚(癸二酰基甘油酯)分别培养成纤维细胞1、3和7天后的cck-8数据；图6b为用实施例1中有机光热大分子材料培养3天后，成纤维细胞的光学图像。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)第一单体的合成
在200℃条件下，三乙胺用氢氧化钠去水处理后备用，甲苯用金属钠丝去水处理后备用。取一个圆底烧瓶进行无水无氧处理，然后取18ml无水三乙胺、100ml无水甲苯、3.9ml缩水甘油于烧瓶中置于冰乙醇浴中进行混合，待温度降至-5℃以下，取5ml的癸二酰氯以10ml/h的速度滴加到已混合好的溶液中，反应进行10h，反应过程中伴随磁力搅拌。反应终止后，将反应产物用层析柱过滤纯化已得到纯净的第一单体。
(2)PSeD-Azo的合成
取第一单体(1mmol)、第二单体癸二酸(0.5mmol)、第三单体偶氮苯-4,4-二羧酸(0.5mmol)、催化剂四丁基溴化铵(羧基官能团的0.5mmol％)置于反应瓶中，同时添加溶剂二甲基亚砜6ml，做无水无氧处理后，在100℃氮气氛围下，磁力搅拌20h进行反应。反应结束后，将所得产物用无水乙醚洗涤3次，抽真空处理获得干燥的淡红色有机光热高分子。
实施例2
将实施例1中第一单体(0.5mmol)、第二单体双酚F二缩水甘油酯(0.5mmol)、第三单体偶氮苯-4,4-二羧酸(1mmol)、催化剂四丁基溴化铵(羧基官能团的0.5mmol％)置于反应瓶中，同时向反应瓶中添加溶剂N，N’-二甲基甲酰胺9ml，做无水无氧处理后，在100℃氮气氛围下，磁力搅拌18h。反应结束后，将所得产物用无水乙醚洗涤3次，抽真空处理获得淡黄色固态有机光热高分子。
实施例3
将实施例1中第一单体(1mmol)、第二单体己二酸(0.5mmol)，第三单体偶氮苯-3,3-二羧酸(0.5mmol)、催化剂溴化十六烷基三甲铵(羧基官能团的0.5mmol％)置于反应瓶中，同时向反应瓶中添加溶剂二氯乙烷6ml，做无水无氧处理后，在100℃氮气氛围下，磁力搅拌24h。反应结束后，将所得产物用无水乙醇洗涤3次，抽真空处理获得淡黄色固态有机光热高分子。
实施例4
将实施例1中第一单体(1mmol)、第二单体辛二酸(0.5mmol)，第三单体偶氮苯-3,3-二羧酸(1mmol)、催化剂溴化十六烷基三甲铵(羧基官能团的0.5mmol％)置于反应瓶中，同时向反应瓶中添加溶剂N,N’-二甲基甲酰胺7ml，做无水无氧处理后，在100℃氮气氛围下，磁力搅拌24h。反应结束后，将所得产物用去离子水洗涤3次，抽真空处理获得淡黄色固态有机光热高分子。
实施例5
将实施例1中第一单体(1mmol)、第二单体十二烷基二酸(0.5mmol)，第三单体偶氮苯-4,4-二羧酸(0.5mmol)、催化剂四丁基溴化铵(羧基官能团的0.5mmol％)置于反应瓶中，同时向反应瓶中添加溶剂二甲基亚砜9ml，做无水无氧处理后，在100℃氮气氛围下，磁力搅拌24h。反应结束后，将所得产物用无水乙醚洗涤3次，抽真空处理获得淡黄色固态有机光热高分子。
在本发明所制备的生物相容性有机光热高分子中，偶氮苯的光异构化转换为材料光热效应提供条件。反式的稳态构型吸收紫外光区的能量，转变为顺式的亚稳态构型，将能量存储在化学键内。顺式的亚稳态构型不稳定，在黑暗中可自发或可见光、热的作用下恢复到反式稳态结构，以热能的形式释放能量。而且由于体系分子链多是柔性链，不会对体系内偶氮苯光异构化发生产生阻碍，同时偶氮苯的苯环两端连接对称的推电子取代基，对异构化的发生起到促进作用。因此，本发明选择将刚性的偶氮苯基团引入到柔性分子主链中来制备有机光热大分子材料，并对该材料的基本性能进行了一系列表征，证实了该有机光热大分子具有良好的光热效果。
图1表明：偶氮苯官能团在有机光热高分子光作用下的异构化过程，以及伴随构型变化的能量变化。
图2表明：反式构型的偶氮苯在紫外光区，由于π到π*的跃迁表现出强的吸收峰，在可见光区由于n到π*的跃迁表现出弱的吸收峰。经紫外光辐照后，反式构型的偶氮苯转化为顺式构型的偶氮苯，表现为紫外光区吸收峰减弱，可见光区吸收峰增强。证实了该发明制备的有机光热大分子在紫外光的照射下反式构型的偶氮苯明显转变为顺式构型的偶氮苯。
图3表明：随着光强增强，光热大分子的温度逐渐升高。在光强为1％(对应光能量密度为0.01W/cm-2)时的光热转变温度为26.8℃,随着光强的增加能量逐渐增大，在光强为100％(对应光能量密度为0.75W/cm-2)时的光热转变温度可达120℃,其原因主要是偶氮苯基团存在顺反两种构型，稳态的反式构型的偶氮苯基团在紫外光作用下吸收能量转变为亚稳态的顺式构型，将能量存储在化学键中；顺式构型在热或可将光的刺激下又可恢复到反式构型，以热能形式释放能量。在此方法所制备的有机光热大分子中，偶氮苯基团处在柔性的分子链中，且两端带有相同的推电子取代基图，结构对称，偶氮双键内部电子云分布均匀，化学键翻转不受限制，因此将偶氮苯引入到高分子链后，其异构化转变不受阻碍，反而可能加快了偶氮苯的异构化过程。
图5表明：有机光热大分子在一定的拉伸下力学强度可达8MPa。
图6a和6b表明：从图6b可以看出成纤维细胞在材料表面培养3天后仍有细胞存活，图6a的cck-8数据给出了培养1、3和7天后的细胞存活相对数量。以空白培养板和涂有聚(癸二酰基甘油酯)的培养板做对比，发现7后有机光热大分子的活细胞数量明显较前两者明显增多，说明了该有机光热大分子具有良好的生物相容性。

Claims (9)

1.一种有机光热大分子的制备方法，包括：
将第一单体二酰基二缩水甘油酯有机物、第三单体与催化剂混合于溶剂中，在保护气作用下伴随磁力搅拌作用进行反应，反应结束后对所得混合液进行洗涤，抽真空处理，得到有机光热线性大分子；其中第三单体为偶氮苯-3,3-二羧酸、偶氮苯-4,4-二羧酸中的一种；催化剂含量为体系羧基官能团摩尔总量的0.2-1mol％；环氧官能团与羧基官能团的摩尔为1:0.5～1:1.5。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述二酰基二缩水甘油酯有机物的制备方法包括：无水无氧条件下，将缩水甘油、溶剂一和溶剂二混合，加入二酰氯有机物，-50℃-0℃温度下伴随磁力搅拌进行反应6～12h，反应结束后将所得混合物过滤，提纯，得到二酰基二缩水甘油酯有机物，其中二酰氯有机物与缩水甘油的摩尔比为1:2.3-1:3.5，溶剂一和溶剂二的体积比为1:3～1:6.5。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述溶剂一为三乙胺；溶剂二为甲苯；二酰氯有机物为己二酰氯、癸二酰氯、壬二酰氯、二十二酰氯、戊二酰基二氯、1,7-庚二酰氯、1,8-二辛酰氯、偶氮苯-4,4’-二羰酰氯中的一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述催化剂为溴化十六烷基三甲铵、四丁基溴化铵、十二水合硫酸铁铵、氧化锌、三氯化铁中的一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述将第一单体二酰基二缩水甘油酯有机物、第三单体与催化剂混合于溶剂中时加入第二单体，第二单体包括：双酚F二缩水甘油酯，1,2-二羧酸二缩水甘油酯、癸二酸、己二酸、辛二酸、十六碳二酸、十二烷基二酸、2,6-二氨基庚二酸、2,4-二甲基戊二酸中一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述溶剂为二甲基亚砜、N,N’-二甲基甲酰胺或者二氯乙烷。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述搅拌反应温度为80～145℃，搅拌反应时间为18-36h。
8.一种如权利要求1所述方法制备的有机光热大分子。
9.一种如权利要求1所述方法制备的有机光热大分子的应用。
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