具有温度响应性、pH响应性、二氧化碳响应性的星型聚合物、自愈合水凝胶及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有温度响应性、pH响应性、二氧化碳响应性的星型聚合物、自愈合水凝胶及制备方法。本发明专利技术先通过一系列反应制备出端基为羟基的聚合物SPDMAEMA‑OH。再将SPDMAEMA‑OH与三氯氧磷发生取代反应，透析后水解得到SPDMAEMA‑phosphate。将SPDMAEMA‑phosphate与Fe(NO3)3·9H2O分别配成一定浓度的水溶液，按照比例混合后即可通过铁离子与磷酸根形成的动态可逆金属配位键形成交联网络从而得到水凝胶。本发明专利技术制备的自愈合水凝胶材料具有良好的生物相容性和较高的自愈合效率，在固态创可贴、药物缓释、细胞培养和纳米反应器等领域存在着潜在性应用。

Star polymers, self healing hydrogels with temperature response, pH responsiveness and carbon dioxide responsiveness and their preparation methods

The invention relates to a star type polymer, self healing hydrogels with temperature response, pH responsiveness and carbon dioxide responsiveness and a preparation method thereof. The invention first produces a polymer SPDMAEMA, OH, which is hydroxyl terminated by a series of reactions. Then SPDMAEMA - OH and three phosphorus oxychloride were replaced and SPDMAEMA - phosphate was hydrolyzed after dialysis. SPDMAEMA phosphate was mixed with Fe (NO3) 3.9H2O to form a certain concentration of aqueous solution, and then the hydrogel was obtained by crosslinking the dynamic reversible metal coordination bonds formed by Fe ions and phosphate. The self healing hydrogel material prepared by the invention has good biocompatibility and high self-healing efficiency, and has potential applications in solid band aids, drug delivery, cell culture and nano reactors.

【技术实现步骤摘要】
具有温度响应性、pH响应性、二氧化碳响应性的星型聚合物、自愈合水凝胶及制备方法
本专利技术属于智能仿生材料，高分子材料，生物医学工程领域和纳米反应器领域，具体涉及一种基于金属配位键具有温度响应性，pH响应性，二氧化碳响应性的自愈合水凝胶及其制备方法。技术背景自愈合(self-healing)是生物体在受到创伤后，由于细胞的新陈代谢与增殖生长，表现出恢复成一个完整的器官或生物体的性能。自愈合水凝胶正是受到仿生学的启发，合成一种可以对外界刺激做出响应，不需要提供额外的能量便能基本恢复材料的原始力学强度与原始功能的一类仿生凝胶材料(DanielleL.T.；MarcinhetP.；AdvancedMaterials2016,28,9060–9093)。智能有机材料近年来得到广泛关注，这些材料能对外界刺激，如温度、pH值、光、盐、糖等做出响应。目前使用响应性材料制备的自愈合水凝胶已被用作组织、细胞和基因等生物材料的载体。(Hu,X.Y.；Wang,Y.M.etal.CarbohydratePolymers2017,2(115):242-251)PDMAEMA是一类重要的温敏性聚合物。温度升高破坏了PDMAEMA分子与水分子的氢键作用，导致PDMAEMA链段疏水析出，从而实现温度响应性。同时研究表明PDMAEMA具有pH响应性与CO2响应性。(Wei,W.；Li,J.J.；Qi,X.L.etal.CarbohydratePolymers,2017,1(177):275-283)通过动态可逆的金属配位键连接而成的超分子聚合物被称为金属的超分子聚合物被称为金属(metallo-supramolecularpolymers,MSPs)或配位键聚合物，金属超分子具有动力学的稳定性与热不稳定双重特点，对外界刺激较敏感且形成的凝胶强度较为理想。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种基于金属配位键的具有温度响应性、pH响应性、二氧化碳响应性的星型聚合物、自愈合水凝胶及制备方法。本专利技术中涉及到的用于制备凝胶的具有温度、pH与二氧化碳响应性的星型聚合物为首次制得。本专利技术的方法是通过季戊四醇与2-溴代异丁酰溴发生溴化反应生成季戊四溴。以季戊四溴为引发中心，引发DMAEMA通过原子转移自由基聚合反应制备星型聚合物SPDMAEMA-Br。再将SPDMAEMA-Br通过取代反应叠氮化，与叠氮化钠生成SPDMAEMA-N3。再将SPDMAEMA-N3通过点击化学反应炔基化，与炔丙醇生成端基为羟基的聚合物SPDMAEMA-OH。再将SPDMAEMA-OH与三氯氧磷发生取代反应，透析后水解得到星型聚合物SPDMAEMA-phosphate。将星型聚合物SPDMAEMA-phosphate与Fe(NO3)3·9H2O分别配成一定浓度的水溶液，按照比例混合后即可通过铁离子与磷酸根形成的动态可逆金属配位键形成交联网络从而得到水凝胶，实现其在注射水凝胶、药物缓释、细胞培养等方面的应用。本专利技术所述合成方法简单易行，原料均可工业化生产，具有很好的推广应用价值。本专利技术提出的具有温度响应性、pH响应性、二氧化碳响应性的星型聚合物的制备方法，具体步骤如下：(1)将干燥的季戊四醇溶解在溶剂A中，并将缚酸剂三乙胺加入至干燥的单口烧瓶中，将2-溴异丁酰溴溶解于溶剂A中加入至恒压滴液漏斗中，逐滴滴入冰浴中的烧瓶内，滴加结束后撤掉冰浴装置，常温下剧烈搅拌反应24～48h。将反应产物与大量无水乙醚混合，用饱和碳酸氢钠溶液洗涤三次，得上层有机层，用无水硫酸镁干燥过夜除水。过滤得滤液并蒸干乙醚，将产物溶于适量石油醚中重结晶得到浅黄色固体S-Br，将产物置于真空干燥箱中50℃干燥12～36h。(2)将步骤(1)中所得最终产物、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)、催化剂B以摩尔比为1：80～100:4～6溶于溶剂C中并加入至反应瓶中。体系冷冻-抽真空-充氩气-冷冻三个回合后，40～90℃磁力搅拌下反应3～7h。停止反应后透析2～5d并冷冻干燥至恒重，得到白色固体SPDMAEMA-Br。(3)将步骤(2)中所得最终产物、叠氮化钠以摩尔比为1：4～12溶于溶剂D，加入干燥的反应瓶中，密封后在40～90℃下反应36～60h。停止反应后透析2～5d并冷冻干燥至恒重，得到白色固体SPDMAEMA-N3。(4)将步骤(3)中所得最终产物、炔丙醇、催化剂B以摩尔比为1：4～12:4～6溶于溶剂C中并加入至反应瓶中。体系冷冻-抽真空-充氩气-冷冻三个回合后，40～90℃磁力搅拌下反应3～7h。停止反应后透析3天并冷冻干燥至恒重，得到白色固体SPDMAEMA-OH。(5)将干燥溶剂E、干燥缚酸剂二异丙胺、试剂F以体积比为20:1:1加入至单口烧瓶内，将步骤(4)中所得最终产物溶解至干燥溶剂A中转移至恒压滴液漏斗中，逐滴滴入烧瓶。常温反应12～48h。反应结束后旋干溶剂，加去离子水溶解，透析2～5d并冷冻干燥至恒重，即可得到星型聚合物SPDMAEMA-phosphate。上述制备方法得到的星型聚合物SPDMAEMA-phosphate的结构式如下：本专利技术中，溶剂A是四氢呋喃、丙酮、二氯甲烷或三氯甲烷中的一种或几种。本专利技术中，催化剂B是氯化亚铜/联吡啶、溴化亚铜/联吡啶、氯化亚铜/五甲基二乙烯三胺、溴化亚铜/五甲基二乙烯三胺、氯化亚铜/六甲基三亚乙基四胺或溴化亚铜/六甲基三亚乙基四胺中的一种或几种。本专利技术中，溶剂C是四氢呋喃，甲苯，苯甲醚、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。本专利技术中，溶剂D是甲苯，苯甲醚、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。本专利技术中，溶剂E是四氢呋喃、丙酮、二氯甲烷或三氯甲烷中的一种或几种。本专利技术中，试剂F是三氯氧磷。本专利技术还提供一种由前述的星型聚合物制备所得的具有温度响应性、pH响应性、二氧化碳响应性的自愈合水凝胶。该具有温度响应性、pH响应性、二氧化碳响应性的自愈合水凝胶的制备方法，具体步骤如下：将星型聚合物SPDMAEMA-phosphate配成0.10g/mL的水溶液，向其中缓慢滴加4.00mol/LFe(NO3)3·9H2O水溶液并剧烈搅拌，3min内溶胶转变至凝胶。本专利技术首先利用溴化反应和原子转移自由基聚合(ATRP)，制备了以季戊四醇为核、聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯为臂的四星形聚合物(SPDMAEMA)，然后通过点击化学和磷酸反应，制备了末端为磷酸根集团的(SPDMAEMA-phosphate)。聚合物链端基的磷酸根基团可与金属铁离子发生配合反应形成交联的网状结构，进而形成水凝胶。响应性原理：PDMAEMA是一种阳离子聚电解质合物，由于分子结构中同时具有亲水性的叔胺基、羰基和疏水性的烷基集团。通过水溶液温度或pH的变化，可以PDMAEMA链段的溶解性，从而影响水凝胶的形成情况。PDMAEMA结构单元中的(N,N-二甲氨基)乙基既是一个疏水基团，又是一个氢键受体。低温时，该集团与水分子间形成氢键作用，从而表现出水溶性；当温度升高至LCST时，氢键受热解离引起分子内以及分子间疏水部分聚结，通过疏水缔合作用而表现为不溶。其中叔氨基的质子化作用而表现出对pH的响应性。低pH时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有温度响应性、pH响应性、二氧化碳响应性的星型聚合物，其特征在于结构式如下所示：

【技术特征摘要】
1.一种具有温度响应性、pH响应性、二氧化碳响应性的星型聚合物，其特征在于结构式如下所示：2.一种如权利要求1所述的具有温度响应性、pH响应性、二氧化碳响应性的星型聚合物的制备方法，其特征在于具体步骤如下：(1)将干燥的季戊四醇溶解在溶剂A中，并将缚酸剂三乙胺加入至干燥的单口烧瓶中，将试剂2-溴异丁酰溴溶解于溶剂A中加入至恒压滴液漏斗中，逐滴滴入冰浴中的烧瓶内，滴加结束后撤掉冰浴装置，常温下剧烈搅拌反应24～48h；所得反应产物与大量无水乙醚混合，用饱和碳酸氢钠溶液洗涤三次，得上层有机层，用无水硫酸镁干燥过夜除水，过滤得滤液并蒸干乙醚，将产物溶于适量石油醚中重结晶得到浅黄色固体S-Br，将浅黄色固体产物置于真空干燥箱中50℃干燥12～36h；(2)将步骤(1)中所得最终产物、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)、催化剂B以摩尔比为1：80～100:4～6溶于溶剂C中并加入至反应瓶中，体系冷冻-抽真空-充氩气-冷冻三个回合后，40～90℃磁力搅拌下反应3～7h，停止反应后透析2～5d并冷冻干燥至恒重，得到白色固体SPDMAEMA-Br；(3)将步骤(2)中所得最终产物、叠氮化钠以摩尔比为1：4～12溶于溶剂D，加入干燥的反应瓶中，密封后在40～90℃下反应36～60h，停止反应后透析2～5d并冷冻干燥至恒重，得到白色固体SPDMAEMA-N3；(4)将步骤(3)中所得最终产物、炔丙醇、催化剂B以摩尔比为1：4～12:4～6溶于溶剂C中并加入至反应瓶中，体系冷冻-抽真空-充氩气-冷冻三个回合后，40～90℃磁力搅拌下反应3～7h，停止反应后透析3天并冷冻干燥至恒重，得到白色固体SPDMAEMA-OH；(5)将干燥溶剂E、干燥缚酸剂二异丙胺、试剂F以体积比为20:1:1加入至单口烧瓶内，将步骤(4)中所得最终产物溶解至干燥溶剂A中转移至恒压滴液漏斗中，逐滴滴入烧瓶，常温反应12～48h，反应结束后旋干溶剂，加去...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁伟忠，王春堯，卫珺堃，李舒玥，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31