[发明专利]一种超分子水凝胶材料的构建方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种基于Arg₂-PEG-Arg₂与DNA静电作用构建的超分子水凝胶材料及构建方法与应用。

背景技术

水凝胶材料是以水为分散介质的凝胶材料，是具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。利用高分子为基本原料构建的水凝胶材料，根据其凝胶形成机理大致可以分为两大类，一类是聚合物通过共价连接的方法所形成的化学交联水凝胶，另一类是利用聚合物之间主客体识别、静电作用等非共价作用力形成的物理交联水凝胶。由高分子链段之间物理交联形成的超分子凝胶网络，由于能够充分利用大量天然存在的各类生物分子及其聚集体为基本构造单元，具有原料来源的广泛性、构建过程的可逆性和组装结构的有序性等特点，受到研究人员的广泛关注。同时，物理交联机理又能极大地简化功能材料的构筑过程，拓展功能材料的应用领域。

由两种或两种以上不同类型高分子复合而成的杂化材料，由于可以同时兼具不同种类单体或聚合物的性质，使该类材料拥有独特的结构和功能。专利CN103910893A公开了一种聚多肽-DNA水凝胶及其制备方法，包括共价结合有单链DNA分子的多肽和具有两个粘性末端的双链DNA分子，通过单链DNA分子与双链DNA分子的互补形成交联结构，该水凝胶机械强度可调节、生物相容性良好。但是通过共价结合的方式，操作条件复杂、不可逆，同时也未公开通过静电作用构筑杂化超分子水凝胶材料的方法。

在各类超分子非共价作用力当中，静电相互作用由于其良好的响应性与可逆性，使基于静电作用形成的水凝胶体系往往具有很好的动态可控性，因此，分子间的静电作用是构筑超分子水凝胶材料的重要非共价驱动力。Aida等人在Nature，2010(463)：339-343中将由聚乙二醇连接多个胍基形成的树状分子与黏土纳米薄片进行混合后，基于树状高分子两端胍基与黏土片层表面电荷之间的静电作用，形成了具有自愈性且模量可调控的环境友好型水凝胶材料。在Journal of the American Chemical Society，2009(131)：1626-1627中，他们将多个胍基通过柔性链段与聚乙二醇连接起来，提高和稳定这种非共价作用力的方法，已经成功应用于稳定微蛋白的“分子胶水”的研究中。

很多生物大分子往往也是带有电荷的聚电解质，如DNA、RNA、海藻酸、聚谷氨酸等是阴离子型聚电解质，壳聚糖、聚赖氨酸、溶菌酶等是阳离子型聚电解质。这些聚电解质类生物大分子之间的静电相互作用，在基因调控、胞间通讯和适配体识别等过程中发挥了重要的作用，并且带相反电荷的聚电解质还可利用多价离子之间的相互作用实现共组装，因此静电作用是负载和转运生物大分子的重要方法。

因此，本发明提供了一种利用柔性PEG链段作为连接部分、经修饰后的PEG两端的精氨酸中的胍基与DNA骨架中的磷酸基团形成稳定铆合位点，形成质量浓度低且稳定性高的新型超分子水凝胶材料。

发明内容

本发明提供了一种利用柔性PEG链段作为连接部分、经修饰后的PEG两端的精氨酸中的胍基与DNA骨架中的磷酸基团形成稳定铆合位点，形成质量浓度低且稳定性高的新型超分子水凝胶材料；利用聚乙二醇(HO-PEG-OH)末端的羟基与丁二酸酐进行偶联反应，使PEG末端羟基转化成羧基，随后加入脱水试剂及催化剂将PEG端位羧基与N-羟基丁二酰亚胺反应制备成活化酯结构后，再与氨基酸中氨基进行偶联的方法进行PEG端基修饰，该方法具有操作简便、易于纯化、高效、成本低并能在偶联过程中保持氨基酸原有手性中心活性等特点。采用该方法制备的超分子网络结构的水凝胶材料可以最大程度地保持所负载分子的生物活性，并实现对特定靶位的局部持续释放，同时具有生物降解性、可逆性、更多的环境响应性和结构动态可控性；同时通过静电作用方式结合的杂化超分子而具有瞬态网络结构的特征，同时解决了传统使用光引发剂和化学交联剂带来的毒性。

本发明人还惊奇的发现质量浓度为30mg/mL的精氨酸功能化的聚乙二醇Arg₂-PEG-Arg₂水溶液的Zeta电位测量值为+3mV左右，而相同浓度的原料(HO-PEG-OH)与合成中间体(Glu-PEG-Glu)的Zeta电位的测量值都为负电位(-2.8mV与-12.3mV)，证明聚乙二醇经精氨酸功能化修饰后，两侧端基成功连接了带有正电荷胍基，为后续研究利用静电作用构筑超分子三维网络水凝胶材料提供了结构基础。