CN109810265B - 一种溶剂驱动体积变化的dna-多糖杂化水凝胶及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种溶剂驱动体积变化的DNA‑多糖杂化水凝胶及制备方法，制备方法为将DNA水溶液和多巴胺或类似物接枝的多糖衍生物水溶液混合，在室温下静置，得到溶剂驱动体积变化的DNA‑多糖杂化水凝胶。本发明绿色环保，操作简便，成本较低，具体积响应特性。本发明制备的水凝胶，因疏水相互作用的存在，赋予其溶剂触发的体积变化特性，根据不同的溶剂极性值，溶剂驱动体积变化的DNA‑多糖杂化水凝胶可以实现不同程度的膨胀或收缩，其膨胀和收缩与引入的溶剂体系极性参数密切相关，具有溶剂触发的体积变化响应特性。配合DNase I的使用，使药物释放速率明显提高，实现对药物的可控缓慢释放。
Description
技术领域
本发明属于DNA水凝胶领域，具体涉及一种DNA-多糖杂化水凝胶及制备方法。
背景技术
水凝胶是一种由物理或化学交联的亲水高分子聚合物网络及大量水构成的高分子材料，其三维网状结构与生物组织相似，被广泛的应用于生物医学领域。随着DNA纳米技术的创立与发展，DNA作为一种材料分子，以其基于碱基互补配对的分子设计原则和可编程性，能够实现对材料纳米尺寸的精确调控与制备，兼具良好的生物相容性，水凝胶骨架功能和DNA的生物遗传特性，使得DNA水凝胶成为近期研究的热点，在生物医学，细胞治疗，柔性电子和无细胞蛋白生产等领域具有重要的应用前景。DNA水凝胶可分为纯DNA水凝胶和杂化DNA水凝胶，纯DNA水凝胶其成胶组分仅含有DNA；杂化DNA水凝胶则是由DNA与其他物质相互作用而成。DNA水凝胶的合成方法可分为化学法和物理法。化学法主要是通过化学键的形成得到DNA水凝胶，物理法是通过非化学键作用形成DNA水凝胶。
由于DNA分子本身较高的成本问题，使得纯DNA水凝胶的合成及实际应用受到了一定的限制，加之一些DNA水凝胶的合成会用到酶，增加了材料成本和局限性，使用温度等条件被严格限制，不利于实现DNA材料的宏量生产及实际化应用。
杂化DNA水凝胶赋予DNA水凝胶更多的功能与特性，在一定程度上缓解了材料的成本问题，但引入的杂化成分如无机纳米颗粒或金属离子往往生物相容性较低，限制DNA水凝胶在生物医学领域的实际推广。此外，杂化DNA水凝胶的成键作用力多为氢键或共价键，难以驱动水凝胶发生体积膨胀变化或致动行为，大大限制了杂化DNA水凝胶在柔性可穿戴电子等领域的应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的DNA水凝胶制备成本过高，体积膨胀率低，致动性差的问题，提供一种赋予DNA水凝胶新的溶剂触发的体积响应特性的溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶。
本发明的第二个目的是提供一种制备工艺简单，绿色环保的溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶的制备方法。
本发明的技术方案概述如下：
一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶的制备方法，是将DNA水溶液和多巴胺或类似物接枝的多糖衍生物水溶液混合，在室温下静置，得到溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶。
所述DNA水溶液的质量浓度大于1％，多巴胺或类似物接枝的多糖衍生物水溶液的质量浓度大于1％，所述DNA水溶液与多巴胺或类似物接枝的多糖衍生物水溶液的体积比为(1～100):(1～100)。
优选地，室温下静置的时间为1～14天。
DNA为天然DNA或人工合成DNA，所述天然DNA的一条链的碱基数在2000-50000范围；所述人工合成DNA的一条链的碱基数在2000-50000范围。
多巴胺或类似物接枝的多糖衍生物是多巴胺或类似物与多糖衍生物通过共价结合的方式制备而得，且多巴胺或类似物的接枝率大于5％。
优选地，多巴胺类似物为内啡肽，单宁酸，没食子酸，表没食子儿茶素没食子酸酯，茶多酚，邻苯三酚或3，4，5-三羟基苯丙氨酸。
优选地，多糖衍生物为葡聚糖，纤维素，甲基纤维素，透明质酸，壳聚糖，淀粉，硫酸软骨素，硫酸皮肤素，硫酸用层酸，肝素，硫酸乙酰肝素或果胶。
上述方法制备的溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶。
本发明采用绿色环保的一步合成法制备溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶，操作过程简便，成本较低，具体积响应特性。本发明的设计原理是充分利用DNA长链分子的疏水特性，通过引入多巴胺或类似物接枝的多糖衍生物，借助氢键等相互作用干扰碱基的自身排列，使其疏水部分得到充分暴露展现，增强疏水相互作用，并依赖后续多巴胺的共价键合的作用，制备DNA/多糖杂化水凝胶。本发明制备的溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶，因疏水相互作用的存在，赋予其溶剂触发的体积变化特性，根据不同的溶剂极性值，溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶可以实现不同程度的膨胀或收缩，其膨胀和收缩与引入的溶剂体系极性参数密切相关，具有溶剂触发的体积变化响应特性。
附图说明
图1为实施例1制备的溶剂驱动体积变化的DNA-葡聚糖杂化水凝胶的数码照片。
图2为实施例1制备的溶剂驱动体积变化的DNA-葡聚糖杂化水凝胶在紫外光下的数码照片。该水凝胶用DNA特异性染料(Sybr I，绿色)进行染色处理。
图3为实施例1制备的溶剂驱动体积变化的DNA-葡聚糖杂化水凝胶荧光显微镜的明场照片。
图4为实施例1制备的溶剂驱动体积变化的DNA-葡聚糖杂化水凝胶的荧光照片。该水凝胶用DNA特异性染料(Sybr I，绿色)进行染色处理。
图5为实施例1制备的溶剂驱动体积变化的DNA-葡聚糖杂化水凝胶在除去水前后的体积膨胀照片，其中a)为该凝胶在水中体积膨胀照片；b)为该凝胶在除去自由水状况下照片。
图6为实施例1制备的溶剂驱动体积变化的DNA-葡聚糖杂化水凝胶在不同溶剂中体积膨胀照片。
图7为实施例1制备的溶剂驱动体积变化的DNA-葡聚糖杂化水凝胶在DNase I(一种DNA降解酶)作用下，实现对药物加速释放的药物释放曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
下面的实施例是为了使本领域的技术人员能够更好地理解本发明，但并不对本发明作任何限制。
以多巴胺接枝的葡聚糖为例，介绍多巴胺接枝的多糖衍生物的制备，包括如下步骤：用无水二甲基亚砜分别将葡聚糖、1，1’-二羰基咪唑和盐酸多巴胺溶解；在三口烧瓶中将葡聚糖溶液、1，1’-二羰基咪唑溶液混合，在氮气氛围下常温搅拌30min；随后加入盐酸多巴胺溶液，在氮气氛围下常温过夜搅拌。加水终止反应，透析纯化产物1天，最后冻干得到终产物多巴胺接枝的葡聚糖。
多巴胺类似物接枝的多糖衍生物的制备都可以采用上述方法，(即用多巴胺类似物替代上述盐酸多巴胺，其余如上操作)。本发明公开上述方法是为了使本领域的技术人员能够实施，但并不对本发明作任何限定，用其它方法制备的多巴胺类似物接枝的多糖衍生物也可以用于本发明。
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)分别配制质量浓度为5％的鲑鱼精DNA(天然DNA，20000bp)水溶液，质量浓度为10％的多巴胺接枝的葡聚糖(数均分子量6000Da，接枝率11％)水溶液；
(2)将鲑鱼精DNA水溶液和多巴胺接枝的葡聚糖水溶液按体积比1：1混合，室温下静置5天，得到一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶；
本实施例制备的水凝胶，在日光下为不透明固体性质的水凝胶(图1)，在用DNA特异性染料Sybr I对水凝胶染色后，发现该水凝胶在紫外光条件下呈现绿色，表明该水凝胶的主要成分为DNA(图2)。在荧光显微镜下观察，其由相互交错的纳米纤维组成(图3)，在用DNA特异性染料Sybr I对水凝胶染色后，发现纳米纤维可以被特异性的染成绿色，进一步说明该纳米纤维为DNA纳米纤维(图4)。水凝胶在水中呈现体积膨胀的特性，在水中体积为50微升，当除去其中的自由水分，发现水凝胶体积缩小至5微升，其前后的体积膨胀比为10：1(图5)。在不同的极性溶剂下具有不同的体积膨胀特性，在水中的膨胀率最大，二甲基亚砜和甲醇次之，在丙酮中的体积膨胀特性最小，整体来说，随着溶剂极性参数的降低，水凝胶的体积逐渐缩小(图6)。
将药物(阿霉素)加入到10微升本实施例制备的溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶中并使药物的浓度为400μg/mL，再引入外源DNase II(一种DNA降解酶)，随着DNase I的终浓度从50U/mL到500U/mL逐步增大时，阿霉素的释放的速率明显提高，实现对药物的可控缓慢释放，见图7。
实施例2
一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)分别配制质量浓度为5％的鲑鱼精DNA(天然DNA，20000bp)水溶液，质量浓度为1.5％的单宁酸接枝的透明质酸(数均分子量10000Da，接枝率6％)水溶液；
(2)将鲑鱼精DNA水溶液和单宁酸接枝的透明质酸水溶液按体积比1：100混合，室温下静置7天，得到一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶。
实施例3
一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)分别配制质量浓度为5％的鲑鱼精DNA(天然DNA，20000bp)水溶液，质量浓度为20％的没食子酸接枝的甲基纤维素(数均分子量200000Da，接枝率7％)水溶液；
(2)将鲑鱼精DNA水溶液和没食子酸接枝的甲基纤维素水溶液按体积比1：1混合，室温下静置14天，得到一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶；
实施例4
一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)分别配制质量浓度为1.5％的鲑鱼精DNA(天然DNA，20000bp)水溶液，质量浓度为2％的茶多酚接枝的壳聚糖(数均分子量400000Da，接枝率8％)水溶液；
(2)将鲑鱼精DNA水溶液和茶多酚接枝的壳聚糖水溶液按体积比100：1混合，室温下静置7天，得到一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶。
实施例5
一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)分别配制质量浓度为5％的鲑鱼精DNA(天然DNA，20000bp)水溶液，质量浓度为4％的邻苯三酚接枝的淀粉(数均)分子量10000Da，接枝率6％)水溶液；
(2)将鲑鱼精DNA水溶液和邻苯三酚接枝的淀粉水溶液按体积比2：1混合，室温下静置7天，得到一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶；
实施例6
一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)分别配制质量浓度为5％的鲑鱼精DNA(天然DNA，20000bp)水溶液，质量浓度为10％的表没食子儿茶素没食子酸酯接枝的肝素(数均分子量6000Da，接枝率10％)水溶液；
(2)将鲑鱼精DNA水溶液和表没食子儿茶素没食子酸酯接枝的肝素水溶液按体积比1：2混合，室温下静置7天，得到一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶；
实施例7
一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)分别配制质量浓度为1.1％的噬菌体DNA(天然DNA，50000bp)水溶液，质量浓度为12％的3，4，5-三羟基苯丙氨酸接枝的硫酸软骨素(数均分子量8000Da，接枝率7％)水溶液；
(2)将鲑鱼精DNA水溶液和3，4，5-三羟基苯丙氨酸接枝的硫酸软骨素水溶液按体积比5：1混合，室温下静置1天，得到一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶。
实验证明：用硫酸皮肤素，硫酸用层酸或果胶替代本实施例的硫酸软骨素，其它同本实施例，制备出与本实施例性质相似的一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶。
实施例8
一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)分别配制质量浓度为5％的人工合成DNA(2000bp)(SEQ ID NO.1)水溶液，其碱基序列信息为：[AAAAAAAAAAAAAAAAAAAATTAGGATAGATATACGGGTT]50，质量浓度为2％的内啡肽接枝的硫酸乙酰肝素(数均分子量40000Da，接枝率9％)水溶液；
(2)将人工合成的DNA水溶液和内啡肽接枝的硫酸乙酰肝素水溶液按体积比50：1混合，室温下静置7天，得到一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶。
实验证明，用50000bp的人工合成DNA(本实施例中的核苷酸序列重复1000次组成的)替换本实施例的2000bp的人工合成DNA，其它同本实施例，制备出与本实施例性质相似的溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶。
实验证明，实施例2-8之一制备得到的溶剂驱动体积变化的多种DNA-多糖杂化水凝胶，与实施例1制备的溶剂驱动体积变化的多种DNA-多糖杂化水凝胶性质相似。
实验证明，实施例2-8之一制备得到的溶剂驱动体积变化的多种DNA-多糖杂化水凝胶，在实现对药物的可控缓慢释放的用途与实施例1相同。
序列表
<110> 天津大学
<120> 一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶及制备方法
<160> 1
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 2000
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
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ttaggataga tatacgggtt 2000
Claims (4)
1.一种溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶的制备方法，其特征是将DNA水溶液和多巴胺或类似物接枝的多糖衍生物水溶液混合，在室温下静置，得到溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶；
所述DNA水溶液的质量浓度大于1%，多巴胺或类似物接枝的多糖衍生物水溶液的质量浓度大于1%，所述DNA水溶液与多巴胺或类似物接枝的多糖衍生物水溶液的体积比为（1～100）:（1～100）；
所述多巴胺或类似物接枝的多糖衍生物是多巴胺或类似物与多糖衍生物通过共价结合的方式制备而得，且多巴胺或类似物的接枝率大于5%；
所述多巴胺类似物为内啡肽，单宁酸，没食子酸，表没食子儿茶素没食子酸酯，茶多酚，邻苯三酚或3，4，5-三羟基苯丙氨酸；
所述多糖衍生物为葡聚糖，纤维素，甲基纤维素，透明质酸，壳聚糖，淀粉，硫酸软骨素，硫酸皮肤素，硫酸用层酸，肝素，硫酸乙酰肝素或果胶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于室温下静置的时间为1~14天。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述DNA为天然DNA或人工合成DNA，所述天然DNA的一条链的碱基数在2000-50000范围；所述人工合成DNA的一条链的碱基数在2000-50000范围。
4.权利要求1-3之一所述的方法制备的溶剂驱动体积变化的DNA-多糖杂化水凝胶。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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