CN111892689A - 一种核酸水凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种核酸水凝胶及其制备方法，核酸水凝胶具有良好的机械性能，制备该核酸水凝胶所需核酸浓度低。本实施例的核酸水凝胶，包括以下按重量计的组分制备而成：N‑异丙基丙烯酰胺3～30份；设计序列核酸0.0001～1份；缓冲溶液60～97份；引发剂和催化剂，占N‑异丙基丙烯酰胺的1％‑10％。本发明实施例的核酸水凝胶，设计序列核酸与N‑异丙基丙烯酰胺，形成半互穿的三重网络的水凝胶，具有较强的机械性能。本实施例中，核酸能够被最大化利用，降低了制备核酸水凝胶时所需的核酸的浓度。

Description

一种核酸水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体来说，涉及一种核酸水凝胶及其制备方法。
背景技术
水凝胶是在水中溶胀并保持大量的水分而又不溶解的聚合物。高分子水凝胶是由高分子骨架、水、交联剂组成的三维体系，具有复杂空间网状结构，有着广泛的应用。在医学领域：用作药物释放的载体，水凝胶兼备储存药物、控制释放速度、驱动释放三种功能，既能调节制剂的强度和硬度，又能起到促进分解、赋形的作用，还能遮蔽医药品的苦味和气味，可用于口服、鼻腔、口腔、直肠、眼部、注射等给药途径。用作伤口敷料，水凝胶材料直接用于与人体组织接触，可防止体外微生物的感染，抑制体液的损失，传输氧到伤口可加速上皮细胞生长，加速新微血管增生，隔绝细菌侵犯，抑制细菌繁殖，促进伤口的愈合。水凝胶因具有生物相容性、生物降解性、高含水量和细胞膜粘附性而应用于组织工程。
作为生物体的遗传密码携带者的核酸是一种具有pH响应、温度响应和酶响应等刺激敏感性的生物高分子。此外，核酸本身就携带有可以控制生物体内细胞或组织生长的控制密码，单链的核酸分子之间还有严密的碱基互补配对特性。因此，近年来核酸被广泛的用来制备各种二位或三维的结构的核酸复合物、核酸水凝胶等材料来实现药物释放、基因治疗等功能。用核酸来制备的具有优异的亲水性、生物相容性的核酸水凝胶具有优异的刺激响应性质、独特的敏感性使其能在基因治疗或药物释放方面具有更优异的性能。
在制备核酸水凝胶的过程中现有的方法有：经过设计的核酸分子通过碱基互补配对进行单独的自组装、核酸的自缠绕、核酸单独通过如乙二醇二缩水甘油醚(EGDE)等交联剂进行化学交联、核酸与高分子如聚乙烯醇(PEG)、聚乙烯亚胺(PEI)等通过物理的相互作用结合、聚丙烯酰胺(PAAm)等经过化学交联结合以及核酸与其他材料如单壁碳纳米管(SWNT)、石墨烯(graphene)、金纳米颗粒(gold nanoparticle)等结合。但是现有的制备核酸水凝胶的方法，所需DNA的浓度大，数量多，使得制备成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种核酸水凝胶及其制备方法，核酸水凝胶顶具有良好的机械性能，制备该核酸水凝胶所需核酸浓度低。
为解决上述技术问题，本发明实施例一方面提供一种核酸水凝胶，包括以下按重量计的组分制备而成：
N-异丙基丙烯酰胺3～30份；
设计序列核酸0.0001～1份；
缓冲溶液60～97份；
引发剂和催化剂，占N-异丙基丙烯酰胺的1％-10％。
作为本发明实施例的进一步改进，所述设计序列核酸为单链核酸，所述单链核酸包括至少一个可与其它单链核酸互补配对的碱基片段，所述单链核酸带有至少一个双键。
作为本发明实施例的进一步改进，所述单链核酸还包括不可互补配对的碱基片段。
作为本发明实施例的进一步改进，所述引发剂为过氧化氢、过硫酸盐、水溶性偶氮类、亚硫酸盐与硫代硫酸盐构成的氧化还原体系水溶性的自由基聚合物中的一种。
作为本发明实施例的进一步改进，所述催化剂为脂肪胺。
作为本发明实施例的进一步改进，所述催化剂为四甲基乙二胺。
作为本发明实施例的进一步改进，所述缓冲溶液为TAE缓冲溶液、Tris-HCl缓冲溶液、硼酸盐缓冲溶液中的一种。
本发明实施例另一方面提供一种核酸水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)取能够互补配对的设计序列核酸于离心管中混均，形成核酸溶液；
步骤2)向核酸溶液中加入N-异丙基丙烯酰胺、缓冲溶液、引发剂和催化剂，混合均匀，放置于90℃的水浴锅内，培养10min，逐渐降温退火，得到核酸水凝胶。
作为本发明实施例的进一步改进，以重量记份，所述设计序列核酸0.0001～1份，N-异丙基丙烯酰胺3～30份，缓冲溶液60～97份，引发剂和催化剂占N-异丙基丙烯酰胺的1％-10％。
作为本发明实施例的进一步改进，所述设计序列核酸为单链核酸，所述单链核酸包括至少一个可与其它单链核酸互补配对的碱基片段，所述单链核酸带有至少一个双键。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明实施例提供一种核酸水凝胶及其制备方法，核酸水凝胶具有良好的机械性能，制备该核酸水凝胶所需核酸浓度低。本发明实施例的核酸水凝胶及其制备方法，设计序列核酸之间通过可互补配对的碱基片段进行互补配对形成一重网络，核酸上的双键，作为N-异丙基丙烯酰胺的交联剂，交联N-异丙基丙烯酰胺形成二重网络，还有一些N-异丙基丙烯酰胺经过聚合形成的聚N-异丙基丙烯酰胺长链穿插在二重网络中，形成半互穿的三重网络的水凝胶，三重网络的形成，使得水凝胶具有较强的机械性能。形成水凝胶的过程中，设计序列核酸经互补配对形成一重网络的同时，设计序列核酸又作为交联剂促进二重网络形成，从而使得核酸能够被最大化利用，降低了制备核酸水凝胶时所需的核酸的浓度。
附图说明
图1是本发明实施例的核酸水凝胶的宏观图像；
图2是制备本发明实施例的核酸水凝胶的设计序列核酸的结构示意图；
图3是本发明试验中实施例1至6制备得到的核酸水凝胶的机械性能测试结果图；
图4是本发明试验中实施例1制备得到的核酸水凝胶与本发明试验中对比例1制备得到的聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的雾点测试结果对比图；
图5是本发明试验中实施例1制备得到的核酸水凝胶与本发明试验中对比例1制备得到的聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的相变温度测试结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提供一种核酸水凝胶，包括以下按重量计的组分制备而成：
N-异丙基丙烯酰胺3～30份；
设计序列核酸0.0001～1份；
缓冲溶液60～97份；
引发剂和催化剂，占N-异丙基丙烯酰胺的1％-10％。
上述实施例中，所述设计序列核酸为单链核酸，如图1所示，单链核酸包括至少一个可与其它单链核酸互补配对的碱基片段以及不可互补配对的碱基片段，且带有双键。
设计序列核酸之间通过可互补配对的碱基片段进行互补配对，形成一重网络结构，如图2所示。设计序列核酸上的双键，作为N-异丙基丙烯酰胺的交联剂，交联N-异丙基丙烯酰胺形成二重网络。设计序列核酸上没有互补配对的单链片段，增加了设计序列核酸与N-异丙基丙烯酰胺交联时的自由度，可以使设计序列核酸能够更好的与N-异丙基丙烯酰胺交联。一些N-异丙基丙烯酰胺经过聚合形成聚N-异丙基丙烯酰胺长链，聚N-异丙基丙烯酰胺长链穿插在二重网络中，形成半互穿的三重网络的水凝胶，三重网络的形成，使得水凝胶具有较强的机械性能。
在形成水凝胶的过程中，设计序列核酸经互补配对形成一重网络的同时，设计序列核酸又作为交联剂促进二重网络形成，从而使得核酸能够被最大化利用，降低了制备核酸水凝胶时所需的核酸的浓度。
本发明实施例还提供一种核酸水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)取能够互补配对的设计序列核酸于离心管中混均，形成核酸溶液；
步骤2)向核酸溶液中加入N-异丙基丙烯酰胺、缓冲溶液、引发剂和催化剂，混合均匀，放置于90℃的水浴锅内，培养10min，逐渐降温退火，得到核酸水凝胶。
其中，以重量记份，设计序列核酸0.0001～1份，N-异丙基丙烯酰胺3～30份，缓冲溶液60～97份，引发剂和催化剂占N-异丙基丙烯酰胺的1％-10％。
优选的，引发剂为过氧化氢、过硫酸盐、水溶性偶氮类、亚硫酸盐与硫代硫酸盐构成的氧化还原体系水溶性的自由基聚合物中的一种。
优选的，催化剂为脂肪胺。优选采用四甲基乙二胺作为催化剂。
优选的，缓冲溶液为TAE缓冲溶液、Tris-HCl缓冲溶液、硼酸盐缓冲溶液中的一种。
本发明实施例的核酸水凝胶的制备方法，将能够互补配对的设计序列核酸、N-异丙基丙烯酰胺、缓冲溶液、引发剂和催化剂混合均匀后加热，在降温退火的过程中，设计序列核酸之间实现互补配对，形成第一重网络，N-异丙基丙烯酰胺在加热并缓慢降温的过程中与通过与设计序列核酸上的双键的聚合以及自聚合形成第二重网络和穿插其中的聚N-异丙基丙烯酰胺长链，形成半互穿的三重网络的水凝胶，制备得到的水凝胶具有较强的机械性能。
下面提供具体实施例来验证本发明的核酸水凝胶的优良性能。
实施例1
取0.1mg设计序列核酸于离心管中混均，再向离心管中加入3mgN-异丙基丙烯酰胺、0.27mg过硫酸铵、0.03mg四甲基乙二胺和97mgTris-HCl缓冲溶液，混合均匀，放置于90℃的水浴锅内，培养10min，逐渐降温退火，得到核酸水凝胶。
实施例2
取0.0001mg设计序列核酸于离心管中混均，再向离心管中加入9mgN-异丙基丙烯酰胺、0.2mg过硫酸铵、0.02mg四甲基乙二胺和90mgTris-HCl缓冲溶液，混合均匀，放置于90℃的水浴锅内，培养10min，逐渐降温退火，得到核酸水凝胶。
实施例3
取0.006mg设计序列核酸于离心管中混均，再向离心管中加入15mgN-异丙基丙烯酰胺、0.4mg过硫酸铵、0.6mg四甲基乙二胺和83mgTris-HCl缓冲溶液，混合均匀，放置于90℃的水浴锅内，培养10min，逐渐降温退火，得到核酸水凝胶。
实施例4
取0.0001mg设计序列核酸于离心管中混均，再向离心管中加入24mgN-异丙基丙烯酰胺、0.5mg过硫酸铵、0.05mg四甲基乙二胺和75mgTris-HCl缓冲溶液，混合均匀，放置于90℃的水浴锅内，培养10min，逐渐降温退火，得到核酸水凝胶。
实施例5
取0.0006mg设计序列核酸于离心管中混均，再向离心管中加入26mgN-异丙基丙烯酰胺、1mg过硫酸铵、0.2mg四甲基乙二胺和73mgTris-HCl缓冲溶液，混合均匀，放置于90℃的水浴锅内，培养10min，逐渐降温退火，得到核酸水凝胶。
实施例6
取1mg设计序列核酸于离心管中混均，再向离心管中加入30mgN-异丙基丙烯酰胺、2.7mg过硫酸铵、0.3mg四甲基乙二胺和66mgTris-HCl缓冲溶液，混合均匀，放置于90℃的水浴锅内，培养10min，逐渐降温退火，得到核酸水凝胶。
对比例1
向离心管中加入3mgN-异丙基丙烯酰胺、0.27mg过硫酸铵和0.03mg四甲基乙二胺，混合均匀，放置于90℃的水浴锅内，培养10min，逐渐降温退火，得到聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶。
对上述实施例1-实施例6制备得到的核酸水凝胶进行机械性能测试。
运用旋转流变仪和30mm夹具，在25℃，1Hz的频率下，测试在剪切速率为0.1rad s-1—110rad s-1范围内，实施例1-6制备的核酸水凝胶的储存模量G’和损耗模量G”。
机械性能测试结果如图3所示。储存模量G’反应了材料的弹性，即刚性，储存模量越大，材料越不容易变形。损耗模量反应了材料的粘性，即韧性。从图3中可以看出，实施例1-实施例6制备得到的六种核酸水凝胶的储存模量G’略大于损耗模量G”，说明这六种核酸水凝胶具有很好的刚性，具有优异的机械性能。
对上述实施例1制备得到的核酸水凝胶与对比例1制备得到的聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶进行雾点测试。
使用带有温控装置的紫外吸收光谱，在29℃-35℃的温度范围内，每0.5℃测试一次核酸水凝胶和聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶在500nm处的吸收值。通过光吸收值的变化来判断雾点。
雾点测试结果如图4所示，图中，PNIPAAm表示聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶，DNAgel表示核酸水凝胶。从图中可以看出，加入设计序列核酸制备得到的核酸水凝胶，有效的提高了聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的雾点温度。
对上述实施例1制备得到的核酸水凝胶与对比例1制备得到的聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶进行相变温度测试。
使用差示扫描量热法，在20℃-50℃的温度范围内，测试核酸水凝胶和聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的相变温度。
相变温度测试结果如图5所示，图中，PNIPAAm表示聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶，PDNA-PNIPAAm表示核酸水凝胶。从图中可以看出，加入设计序列核酸制备得到的核酸水凝胶，有效的提高了聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的相变温度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种核酸水凝胶，其特征在于，包括以下按重量计的组分制备而成：
N-异丙基丙烯酰胺3～30份；
设计序列核酸0.0001～1份；
缓冲溶液60～97份；
引发剂和催化剂，占N-异丙基丙烯酰胺的1％-10％。
2.根据权利要求1所述的核酸水凝胶，其特征在于，所述设计序列核酸为单链核酸，所述单链核酸包括至少一个可与其它单链核酸互补配对的碱基片段，所述单链核酸带有至少一个双键。
3.根据权利要求2所述的核酸水凝胶，其特征在于，所述单链核酸还包括不可互补配对的碱基片段。
4.根据权利要求1所述的核酸水凝胶，其特征在于，所述引发剂为过氧化氢、过硫酸盐、水溶性偶氮类、亚硫酸盐与硫代硫酸盐构成的氧化还原体系水溶性的自由基聚合物中的一种。
5.根据权利要求1所述的核酸水凝胶，其特征在于，所述催化剂为脂肪胺。
6.根据权利要求5所述的核酸水凝胶，其特征在于，所述催化剂为四甲基乙二胺。
7.根据权利要求1所述的核酸水凝胶，其特征在于，所述缓冲溶液为TAE缓冲溶液、Tris-HCl缓冲溶液、硼酸盐缓冲溶液中的一种。
8.一种核酸水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)取能够互补配对的设计序列核酸于离心管中混均，形成核酸溶液；
步骤2)向核酸溶液中加入N-异丙基丙烯酰胺、缓冲溶液、引发剂和催化剂，混合均匀，放置于90℃的水浴锅内，培养10min，逐渐降温退火，得到核酸水凝胶。
9.根据权利要求8所述的核酸水凝胶的制备方法，其特征在于，以重量记份，所述设计序列核酸0.0001～1份，N-异丙基丙烯酰胺3～30份，缓冲溶液60～97份，引发剂和催化剂占N-异丙基丙烯酰胺的1％-10％。
10.根据权利要求8所述的核酸水凝胶的制备方法，其特征在于，所述设计序列核酸为单链核酸，所述单链核酸包括至少一个可与其它单链核酸互补配对的碱基片段，所述单链核酸带有至少一个双键。
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