CN113174061A - 一种结构优化的手性超分子水凝胶基元、制备方法及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构优化的手性超分子水凝胶基元的设计思路与制备方法，所述手性超分子水凝胶以苝酰亚胺、联苯、萘环等含大π键共轭结构疏水基团为中心核，在所述中心核两侧对称对称连接手性氨基酸基元。本发明通过优化中心核疏水基元，使其在分子自组装时，由于分子中心更大的π键共轭结构、使得分子间π‑π相互作用大大增强，协同手性氨基酸酰胺键间氢键作用，可获得手性组装结构更稳定的超分子水凝胶材料。

Description

一种结构优化的手性超分子水凝胶基元、制备方法及用途
技术领域
本发明属于化学合成领域，尤其涉及一种结构优化的手性超分子水凝胶制备方法及其应用，尤其具体涉及一种通过增大凝胶基元中心共轭核体系进而增强凝胶基元间π-π堆积相互作用。利用凝胶基元中心核间强π-π共轭作用协同手性氨基酸间氢键作用，可获得手性组装结构更稳定的超分子水凝胶材料，解决现有凝胶基元间由于分子间弱相互作用造成的组装结构无法长期稳定存在，易解体的问题。
背景技术
手性现象普遍存在于生物和自然界中，在分子水平(如L-氨基酸和D-糖)、纳米螺旋结构(如DNA、RNA和蛋白质)、宏观系统(如海螺和植物)，甚至在星系中都存在。在半个世纪前就在药物设计中对手性对映体有了详细的研究。对有些手性药物而言，一个对映体是有效的且安全的，而另一个对映体是无活性甚至有毒的。由于手性分子的这些生物学效应，分子手性一直被认为是生物材料发展的关键因素。例如，手性对映体修饰的手性表面可以调节生命活动，包括蛋白质和DNA吸附，细胞粘附、扩散和分化。
与分子手性相比，超分子手性的重要性及其潜在的生物功能尚未得到充分的探索。然而，由于分子单元的空间不对称堆积产生的超分子手性(如DNA中的双螺旋、蛋白质中的螺旋与折叠结构)却参与了许多重要的生命活动。DNA的右旋螺旋结构就是一个典型的例子，它在基因表达中起着重要的作用。此外，蛋白质构象紊乱或错误折叠可能会破坏体内细胞和组织功能，增加患阿尔茨海默病、克雅氏病、帕金森氏病等疾病的风险。在这些高度复杂的超分子手性结构及其相应的生物学应用的启发下，构建手性可调的仿生超分子组装是化学、材料科学和生物学面临的一个极大挑战。由超分子组装构成的水凝胶是最具吸引力的材料之一，类似生命体内的细胞外基质。与传统的高分子水凝胶的共价交联不同，超分子水凝胶内部为非共价相互作用，如氢键，π-π堆叠、范德华力、疏水相互作用。由于非共价相互作用的可逆性，超分子水凝胶面对外部刺激(如温度、溶剂、pH值、酶和光)和生化信号反应更加敏感，并能为细胞生长提供一个动态环境。因此，超分子水凝胶手性结构的组装过程以及组装体性能可以为理解超分子手性在生物学中的作用提供重要见解。
例如：公开号为CN 110408584A，公开日为2019年11月5日，名称为“左旋手性纳米凝胶细胞支架材料及其制备方法”的中国专利文献公开了一种左旋手性纳米凝胶细胞支架材料及其制备方法；公开号为CN 109316632，公开日为2019年2月12日，名称为“一种左旋水凝胶材料的制备方法”的中国专利文献公开了一种左旋凝胶材料的制备方法；公开号为CN109337864，公开日为2019年2月15日，名称为“一种右旋水凝胶材料的制备方法”的中国专利文献公开了一种右旋凝胶材料的制备方法；公开号为CN 111729622，公开日为2020年10月2日，名称为“一种苯丙氨酸衍生的手性超分子水凝胶及其应用”的中国专利公开了一种苯丙氨酸衍生的手性超分子水凝胶及其应用。然而在以上专利文献所公开的技术方案中，该凝胶材料在结构上仍有不少缺陷，特别是中心核共轭结构仅为单苯环，共轭体系过小，导致π-π堆叠作用力较弱，使得手性微结构不稳定，易解体，限制了材料的实际应用，以上专利公开的材料均无法实现手性材料用于长时间(两周以上)细胞培养。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构优化的手性超分子水凝胶基元结构的设计思路及其用途。在之前发明专利的基础上通过优化中心核疏水基元，使其在分子自组装时，由于分子中心更大的π键共轭结构、使得分子间π-π相互作用大大增强，协同手性氨基酸酰胺键间氢键作用，可获得手性组装结构更稳定的超分子水凝胶材料，解决现有手性超分子水凝胶难以稳定存在的问题。
为了实现上述目的，本发明从以下几个方面实现了：
第一方面，本发明提出了一种结构优化后的手性超分子水凝胶基元，该手性超分子水凝胶基元通过增大凝胶基元中心共轭核体系来增加分子间相互作用和凝胶组装体稳定性的设计思路与制备方法。
其中，所述手性超分子水凝胶基元以含大π键共轭结构疏水基团为中心核，在所述中心核两侧成对对称连接手性氨基酸基团。
例如，所述手性超分子凝胶基元的结构可以为下式的其中之一：
Figure BDA0003012225890000021
Figure BDA0003012225890000031
上述结构通式中，R1为手性氨基酸基团。
此外，由上述结构通式可以看出，具有该结构的手性超分子水凝胶基元由于中心核为更大的π键共轭结构，因此使得其在分子自组装时，由于分子中心更大的π键共轭结构、使得分子间π-π相互作用大大增强，协同手性氨基酸酰胺键间氢键作用，可获得手性组装结构更稳定的超分子水凝胶材料。
尤其是当中心核为苝酰亚胺、联苯或萘环时，该种π键共轭结构相较于中心核为苯环的结构更佳，因此可以组装为有序的手性纤维结构，进一步形成缠结的三维网络结构有利于凝胶的形成。
另外，需要说明的是，由上述结构通式还可以看出，手性氨基酸基团R1与中心核连接的碳位置实际是任意的，但手性氨基酸基团R1间相对于中心核呈中心对称方式分布。
另外需要指出的是，手性氨基酸基团R1理论上可以为任意氨基酸基团，但在本发明所述的技术方案中，优选地采用苯丙氨酸、色氨酸以及丙氨酸的至少其中之一，这是因为：苯丙氨酸中的苯环、色氨酸中的吲哚以及丙氨酸中的甲基官能团，均为疏水基团，可以有效为氨基酸中酰胺键提供一个疏水微环境，保证了凝胶基元酰胺键间的氢键相互作用，进而凝胶基元自组装形成水凝胶，避免了因氨基酸中酰胺键与溶剂水分子形成氢键而导致的凝胶基元溶于水，无法形成水凝胶。
优选地，所述中心核为苝酰亚胺、联苯或萘环其中之一。
优选地，所述手性氨基氨基酸包括苯丙氨酸、色氨酸以及丙氨酸的至少其中之一。
优选地，所述手性氨基酸基团呈中心对称方式连接于中心核两侧。
第二方面，通过以下制备方法得到了上述结构、性能优化后的手性超分子水凝胶，所述制备方法包括以下步骤：
步骤A：将含大π键共轭结构疏水基团的对二甲酰氯衍生物与甲酯盐酸盐的氨基酸衍生物溶于二氯甲烷中，随后加入三乙胺反应，以获得初产物；
步骤B：将初产物过滤真空干燥，随后加入甲醇中，即得甲醇悬浮溶液；
步骤C：向步骤B所获得的甲醇悬浮溶液内加入碱溶液反应，随后加入酸溶液反应，最终获得凝胶状沉淀；
步骤D：将步骤C中的凝胶状沉淀抽滤，以获得最终的水凝胶材料。
优选地，所述碱溶液为NaOH，所述酸溶液为HCl。
优选地，在所述步骤A中，反应时间为12～24小时。
优选地，在所述步骤A中，添加的所述含大π键共轭结构疏水基团的对二甲酰氯衍生物与含有甲酯盐酸盐的亲水基元氨基酸衍生物的摩尔比为1:2～1:3。
优选地，在所述步骤A中，所述添加的三乙胺的碱性条件为：所述三乙胺的添加量为所述含大π键共轭结构疏水基团的对二甲酰氯衍生物的4～5倍。
优选地，在所述步骤C中，加入NaOH后反应时间为12～24小时。
第三方面，本发明提出了一种上述的手性超分子水凝胶的应用，所述手性超分子水凝胶可作为细胞支架材料，用于长时间(两周以上)细胞培养。
与现有技术相比，本发明具有如下所述的优点以及有益效果：
本发明中所涉及到的化学药品除特殊说明都可从现有的商业途径购买获得，本发明的合成方法成本低，操作简便，设备简单，原料易得。合成得到的手性分子由于中心核结构的优化，使得分子间作用力大大增加，最终形成的凝胶组装体可以长期稳定存在，解决了现有超分子凝胶由于分子间弱相互作用造成的结构易解体问题。本发明提供手性超分子水凝胶手性结构的组装过程以及组装体性能可以为体外细胞培养等研究提供良好的生物材料。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为b-Ph(D-Phe-OH)2合成1H NMR谱图；
图2为b-Ph(D-Phe-OH)2水凝胶宏观图和SEM图；
图3为n-Ph(D-Phe-OH)2合成1H NMR谱图；
图4为n-Ph(D-Phe-OH)2凝胶宏观图和SEM图；
图5为PDI-PhOH合成1H NMR谱图；
图6为PDI-PhOH凝胶宏观图和SEM图；
图7为p-Ph(D-Phe-OH)2合成1H NMR谱图；
图8为p-Ph(D-Phe-OH)2凝胶宏观图和SEM图
图9为中心核为苯环凝胶p-Ph(D-Phe-OH)2与中心核为联苯凝胶b-Ph(D-Phe-OH)2在25℃下放置20天后的凝胶图片与相应扫描电镜图片；
图10为b-Ph(D-Phe-OH)2凝胶纤维膜作为细胞培养支架材料，置于细胞培养基中15天后的扫描电镜图，和培养MC3T3细胞15天后的细胞图片。
具体实施方式
以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。下面结合具体实施例对本发明进行详细说明：
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。手性超分子凝胶基元的结构通过核磁氢谱测定，Bruker 500MHz，DMSO为溶剂，手性分子的超分子形貌由场发射扫描电子显微镜(SEM,Nova NanoSEM 450)拍摄。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、式(I)所示b-Ph(D-Phe-OH)2的制备
Figure BDA0003012225890000051
(1)将联苯二甲酰氯(3.58g,13.0mmol)溶解在在干燥的二氯甲烷中，滴加到含有D-苯丙氨酸甲酯盐酸盐(6.0g,26.1mmol)的二氯甲烷和三乙胺(Et3N,8.0mL,58.3mmol)的溶液中，室温下搅拌24h，旋蒸除去溶剂后溶解到乙醇中，过滤干燥得到b-PH(D-Phe-OMe)2。
(2)在20mL b-Ph(D-Phe-OMe)2(3.46g,6.14mmol)甲醇悬浮液溶液中，加入NaOH水溶液，缓慢冷却至室温搅拌24小时后得到澄清溶液。用HCl酸化，得到凝胶状沉淀。抽滤干燥得到b-Ph(D-Phe-OH)2，核磁氢谱如图1所示。
(3)水凝胶的制备：称取一定量的b-Ph(D-Phe-OH)2分子，加入去离子水，加热至完全溶解后，室温下静置冷却，半透明的水凝胶形成。经扫描电镜观察，水凝胶内部由具有左旋结构的纳米纤维/纳米带/纳米管组成，b-Ph(D-Phe-OH)2分子可以构筑出具有右旋手性结构的水凝胶。纳米纤维结构如图2所示。
实施例2、式(II)所示n-Ph(D-Phe-OH)2的制备：
Figure BDA0003012225890000061
(1)将2,6-萘二甲酰氯(3.27g,13.0mmol)溶解在二氯甲烷中，滴加到含有D-苯丙氨酸甲酯盐酸盐(6.0g,26.1mmol)的二氯甲烷和三乙胺(Et3N,8.0mL,58.3mmol)的溶液中，室温下搅拌24h，旋蒸除去溶剂后溶解到的乙醇中，过滤干燥得到b-PH(D-Phe-OMe)2。
(2)在20mL n-Ph(D-Phe-OMe)2(3.30g,6.14mmol)甲醇悬浮液溶液中，加入NaOH水溶液，缓慢冷却至室温搅拌24小时后得到澄清溶液。用HCl酸化，得到凝胶状沉淀。抽滤干燥得到n-Ph(D-Phe-OH)2，核磁氢谱如图3所示。
(3)水凝胶的制备：称取一定量的n-Ph(D-Phe-OH)2分子，加入去离子水，加热至完全溶解后，室温下静置冷却，半透明的水凝胶形成。经扫描电镜观察，水凝胶内部由具有左旋结构的纳米纤维/纳米带/纳米管组成，n-Ph(D-Phe-OH)2分子可以构筑出具有右旋手性结构的水凝胶。纳米纤维结构如图4所示。
实施例3、式(III)所示PDI-PhOH的制备：
Figure BDA0003012225890000062
(1)将对苝酰亚胺二甲酰氯溶解在二氯甲烷中，滴加到含有D-苯丙氨酸甲酯盐酸盐的二氯甲烷和三乙胺的溶液中，室温下搅拌24h，旋蒸除去溶剂后溶解到的乙醇中，过滤干燥得到PDI-(PhOMe)2。
(2)在PDI-(PhOMe)2的甲醇悬浮液溶液中，加入NaOH水溶液，缓慢冷却至室温搅拌24小时后得到澄清溶液。用HCl酸化，得到凝胶状沉淀。抽滤干燥得到PDI-PhOH，核磁氢谱如图5所示。
(3)水凝胶的制备：称取一定量的PDI-PhOH分子，加入去离子水，加热至完全溶解后，室温下静置冷却，半透明的水凝胶形成。经扫描电镜观察，水凝胶内部由具有左旋结构的纳米纤维/纳米带/纳米管组成，PDI-PhOH分子可以构筑出具有右旋手性结构的水凝胶。纳米纤维结构如图6所示。
实施例4.式IV所示的中心核为苯环凝胶p-Ph(D-Phe-OH)2的制备
Figure BDA0003012225890000071
中心核为苯环凝胶基元p-Ph(D-Phe-OH)2的制备如下：
(1)将对苯二甲酰氯溶解在二氯甲烷中，滴加到含有D-苯丙氨酸甲酯盐酸盐的二氯甲烷和三乙胺的溶液中，室温下搅拌24h，旋蒸除去溶剂后溶解到的乙醇中，过滤干燥得到p-Ph-(PhOMe)2。
(2)在p-Ph-(PhOMe)2的甲醇悬浮液溶液中，加入NaOH水溶液，缓慢冷却至室温搅拌24小时后得到澄清溶液。用HCl酸化，得到凝胶状沉淀。抽滤干燥得到p-Ph-(PhOMe)2，核磁氢谱如附图7所示。
(3)水凝胶的制备：称取一定量的p-Ph-(PhOMe)2分子，加入去离子水，加热至完全溶解后，室温下静置冷却，半透明的水凝胶形成。纳米纤维结构如图8所示。
对实施例1以及实施例4进行稳定性测试：
分别将中心核为苯环凝胶p-Ph(D-Phe-OH)2(式IV)与中心核为联苯凝胶b-Ph(D-Phe-OH)2(式I)在环境温度25℃下放置20天，结果显示中心核为苯环凝胶p-Ph(D-Phe-OH)2完全解体坍塌，而中心核为联苯凝胶b-Ph(D-Phe-OH)2仍然稳定存在。
其测试结果可以参见图9。图9为在25℃下放置20天后中心核为苯环凝胶p-Ph(D-Phe-OH)2(式IV)与中心核为联苯凝胶b-Ph(D-Phe-OH)2的宏观图片与相应的扫描电镜SEM图。从SEM图可以看出，20天后中心核为苯环凝胶p-Ph(D-Phe-OH)2坍塌后，无纳米纤维存在，而中心核为联苯凝胶b-Ph(D-Phe-OH)2(式I)纳米纤维结构清晰。
实施例5.b-Ph(D-Phe-OH)2凝胶作为细胞培养支架材料
将400μL实施例1中制备的水凝胶加入24孔板的孔中，放入鼓风干燥箱(40℃)中进行干燥，待溶剂水完全蒸发后，凝胶纤维膜完全沉积在孔板二维表面，作为细胞培养支架材料。将上述凝胶纤维膜包覆的24孔置于紫外等下消毒30分钟，向每个孔板中加入1mL含有100个MC3T3细胞的细胞悬液，培养15天，每两天更换细胞培养液。图10为15天后b-Ph(D-Phe-OH)2凝胶纤维膜的扫描电镜图片和细胞生长图片。结果显示，在细胞培养液中15天后，b-Ph(D-Phe-OH)2凝胶组装体仍然能够稳定保持纤维形貌，为细胞增殖提供生长支架。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种结构优化后的手性超分子水凝胶基元，其特征在于，所述手性超分子水凝胶基元以含大π键共轭结构疏水基团为中心核，在所述中心核两侧成对对称连接手性氨基酸基团。
2.根据权利要求1所述的手性超分子水凝胶基元，其特征在于，所述含大π键共轭结构疏水基团包括苝酰亚胺、萘环以及联苯的其中之一。
3.根据权利要求1所述的手性超分子水凝胶基元，其特征在于，所述手性氨基酸基团呈中心对称方式连接于中心核两侧。
4.根据权利要求1所述的手性超分子水凝胶基元，其特征在于，所述手性氨基酸基团包括苯丙氨酸、丙氨酸以及色氨酸。
5.一种制备如权利要求1-4中任意一项所述的手性超分子水凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤A：将含大π键共轭结构疏水基团的对二甲酰氯衍生物溶于二氯甲烷中，滴加含有甲酯盐酸盐的氨基酸基元的二氯甲烷溶液，随后在三乙胺的碱性条件下反应，以获得初产物；
步骤B：将初产物过滤真空干燥，随后加入甲醇中，即得甲醇悬浮溶液；
步骤C：向步骤B所获得的甲醇悬浮溶液内加入碱溶液反应，随后加入酸溶液反应，最终获得凝胶状沉淀；
步骤D：将步骤C中的凝胶状沉淀抽滤，以获得最终的水凝胶材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤A中，反应时间为12～24小时；添加的所述含大π键共轭结构疏水基团的对二甲酰氯衍生物与含有甲酯盐酸盐的亲水基元氨基酸衍生物的摩尔比为1:2～1:3；
所述添加的三乙胺的碱性条件为：所述三乙胺的添加量为所述含大π键共轭结构疏水基团的对二甲酰氯衍生物的4～5倍。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C中，所述碱溶液为NaOH，所述酸溶液为HCl。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其中特征在于，在所述步骤C中，加入NaOH后反应时间为12～24小时，随后加入HCl调节溶液pH值至3以下。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤C中，抽滤前，采用去离子水进行冲洗。
10.一种如权利要求1-4中任意一项所述的手性超分子水凝胶的应用，其特征在于，所述手性超分子水凝胶用于细胞培养支架材料。
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