借助导电水凝胶检测和影响生物活性物质的吸收和或释放的方法和材料技术

本发明专利技术涉及一种方法，用于检测和影响生物活性物质在水凝胶材料(1)中的吸收和/或生物活性物质从水凝胶材料中的释放，其中水凝胶材料为由带阴离子电性的构造单元和不带电的构造单元形成的聚合物网络，能够借助限定带阴离子电性的构造单元的参数来配置聚合物网络对于生物活性物质的亲和性，并且水凝胶材料具有导电组分，导电组分的电阻和电荷储存容量取决于与水凝胶构造单元的相互作用以及生物活性物质在水凝胶材料上的键合，其中导电组分适合于通过影响电势来改变水凝胶材料的阴离子电荷及其对于生物活性物质的亲和性。在所述方法中使水凝胶材料与生物流体进行接触，其中检测水凝胶材料的电阻的变化和/或电荷储存容量的变化并且借助所检测的电阻的变化和/或电荷储存容量的变化来得知生物活性物质向水凝胶材料中的吸收或者生物活性物质从水凝胶材料向生物流体中的释放，和/或其中通过作用于水凝胶材料的电势来影响生物流体中生物活性物质的浓度和/或水凝胶材料中生物活性物质的浓度。本发明专利技术还涉及一种适合的导电水凝胶材料。本发明专利技术还涉及一种适合的导电水凝胶材料。本发明专利技术还涉及一种适合的导电水凝胶材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】借助导电水凝胶检测和影响生物活性物质的吸收和或释放的方法和材料
[0001]本专利技术涉及一种方法，用于影响和检测生物活性物质在水凝胶材料中的吸收和/或生物活性物质从所述水凝胶材料中的释放。本专利技术另外涉及一种适合用于执行所述方法的导电水凝胶。
[0002]基于水凝胶的物质释放体系和物质吸收体系对于在生物技术且尤其在医学中的应用而言是很有前途的，因为与许多其他生物材料相比水凝胶在其含水量和机械特性方面与人体生理组织相似并且可以实现各种物质的封装及其针对性的释放。根据定义，水凝胶是大幅度水合的、共价或物理交联的聚合物，这些聚合物允许物质经由各种非共价的相互作用可逆地键合至水凝胶网络的有亲和性的聚合物构造单元上并且由此针对性地从生物流体或活体组织中去除这些物质，也就是说将其封存在水凝胶中，或者从水凝胶中释放到生物流体或活体组织。此类物质可以为来自细胞因子、趋化因子、荷尔蒙、神经递质、生长因子类别的基于蛋白质的信号分子，或者非基于蛋白质的低分子有效成分，即所谓的小分子(英语Small Molecules)，这些小分子承担上述基于蛋白质的信号分子的一种或多种生物功能，或者还有非基于蛋白质的化学/医学有效成分如抗微生物有效成分、防腐剂、色素，这些物质通过电荷相互作用和/或疏水相互作用或其他特定的化学相互作用如氢桥键而可逆地结合至水凝胶中的赋予亲和性的聚合物构造单元上。由现有技术已知如下的水凝胶体系，其中水凝胶的用于封存和/或释放某些物质的物化特性必须在形成时就已经固定下来。这通过水凝胶网络的特定电荷特征例如由WO 2018/162009 A2已知，或者通过针对性地设定物理特性如网眼宽度来实现。另外已知的是，通过酶触发物、光或变化的pH值使共价偶联的物质受控释放，其中此类水凝胶网络的缺点是不能进行可逆的物质键合。因此无法进行物质的受控封存以及由此从生物流体或组织周边削减物质。
[0003]在经由非共价相互作用可逆地实现了对物质的亲和性的已知体系中，亲和性以及由此对物质的封存或释放的控制由其固有的(也就是说在形成水凝胶网络时定下的)网络架构来决定。后续的调制只能通过先前所述的外部触发物光、pH值变化或酶切断来实现。
[0004]除了固有带电的水凝胶之外，在生物医学研究中还描述了导电水凝胶。这些导电水凝胶主要用作电极材料的涂层，例如用于神经电极，以便优化其生物相容性和电荷注入。由于其与组织和器官的机械相似性，与使用金属电极相比，使用软性的经水合的聚合物材料产生较小的排异反应。另外，在经典的金属电极的情况下，对于刺激组织和器官而言关键的电荷注入只能在电极表面处发生。人们试图通过纳米结构化增大表面并由此增大电极与组织液(生物流体)之间的接触面积，其结果是增大的电荷注入。因为在导电水凝胶的情况下生物流体可以渗入到材料的整个体积中，所以在没有进一步结构化的情况下接触面积已经明显大于具有类似尺寸的金属电极的情况。这同样产生了明显提高的电荷注入。作为用于能够将电荷传导到生理溶液中的措施，在文献中使用了术语电荷存储容量(英文charge storage capacity)。
[0005]为了制备此类导电水凝胶，使用了导电物质如碳纳米管和/或导电聚合物，其中大多数情况下将导电物质分布在水凝胶前体溶液中并且随后通过在与导电物质无关的另一
种组分中聚合和交联形成水凝胶。在此，作为综合性的特性要提及的是，导电组分大多是疏水的并且因此不形成水凝胶。
[0006]由于其多种多样的应用可能性及其简单且成本有利的加工，导电有机聚合物越来越多地用在工业应用中。这些聚合物按照半导体原理来工作。最重要的组成部分是穿过整个聚合物骨架延伸的共轭π电子体系。这些聚合物的固有的电导率是较低的。为了产生游离的载流子以便提高分子的电导率，需要从聚合物体系中去除电子(p掺杂)或者向聚合物体系中引入电子(n掺杂)的带电分子。这个过程被称为初级掺杂。大多数情况下使用的方法是p掺杂。掺杂和由此产生的疏水聚合物与强带电的亲水分子的相互作用额外地降低了聚合物
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掺杂物
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复合体的疏水性并且由此允许将这些聚合物用在水溶液或水凝胶中。
[0007]除了初级掺杂之外，导电聚合物链相对彼此的排列方式也具有决定性意义。为了在较长的路程上传输载流子，必须在导电聚合物链之间转移载流子。为此，在空间上彼此接近的同时，聚合物链在体积中需要均匀分布。导电聚合物和相应掺杂用的分子的水溶液大多形成悬浮液。由于导电聚合物链彼此缺少相互作用，造成了较低的电导率。通过导电聚合物链相对彼此的结构上的重新组织(次级掺杂)可以实现聚合物链相对彼此所需的空间上的接近度并且由此进一步提高电导率。这例如可以通过提高离子浓度以及与之相关的电荷屏蔽效应(通过Debye长度来表征)来实现。
[0008]关于导电的聚
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3,4
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亚乙基二氧噻吩(PEDOT)的例子由Zhenan Bao及其他作者进行了说明(DOI:10.1038/s41467
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018
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05222
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4和US20190390068A1)。如从这篇文献中已知的，由亲水的聚磺苯乙烯(PSS)和PEDOT(初级掺杂)的混合物通过物理缠绕PSS并且在使用离子液体(次级掺杂)的情况下首先形成弱交联的水凝胶，随后通过形成用丙烯酸酯单体的自由基交联反应形成的伪互穿(pseudo
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interpenetrierendes)网络在机械上稳定水凝胶。在聚合之后产生了导电水凝胶网络(10.1038/s41467
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018
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05222
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4和US20190390068A1)，其中次级聚合物网络仅仅用于稳定和改善材料的机械特性。水凝胶的电特性仅仅得自于初级的非共价的PEDOT:PSS水凝胶。
[0009]从US 9 299 476 B2中已知获得导电水凝胶的另一种方法。从US 9 299 476 B2中已知的方法的结果是基于生物聚合物的水凝胶网络，该水凝胶网络带有阴离子官能团、形成并沉积在电极的表面上。将如此获得的初级网络在包含3,4
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亚乙基二氧噻吩(EDOT)单体的溶液中溶胀或转移到其中，并且通过影响电压来触发EDOT单体到聚
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3,4
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亚乙基二氧噻吩(PEDOT)的电聚合。通过PEDOT与初级网络的阴离子官能团的离子相互作用产生了伪互穿的聚合物网络。这些阴离子基团同时以p掺杂的方式作用于PEDOT(初级掺杂)并且组合地产生导电水凝胶材料。基于共价键合在水凝胶中的阴离子基团的预定的分布以及PEDOT围绕初级水凝胶网络的后续聚合，由于PEDOT聚合物链的均匀分布，在没有次级掺杂的情况下就已经可以获得具有高电导率的水凝胶。
[0010]此前已知的水凝胶材料可以通过固有确定的物化特征实现对物质的封存和/或释放，或者在导电水凝胶材料的情况下显示出对于与某些生物活性物质的相互作用而言有限的可调制性和特异性。
[0011]本专利技术的目的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种方法，用于检测和影响生物活性物质(6)在水凝胶材料(1)中的吸收和/或生物活性物质(6)从所述水凝胶材料(1)中的释放，其中所述水凝胶材料(1)为由带阴离子电性的构造单元(3)和不带电的构造单元形成的聚合物网络(2)，能够借助限定所述带阴离子电性的构造单元(3)的参数来配置所述聚合物网络对于生物活性物质(6)的亲和性，并且所述水凝胶材料具有导电组分(5)，所述导电组分的电阻和电荷储存容量取决于与所述水凝胶构造单元(3)的相互作用以及生物活性物质(6)在所述水凝胶材料(1)上的键合，其中所述导电组分(5)适合于通过影响电势来改变所述水凝胶材料(1)的阴离子电荷及其对于生物活性物质(6)的亲和性，在所述方法中使所述水凝胶材料(1)与生物流体进行接触，其中检测所述水凝胶材料(1)的电阻的变化和/或电荷储存容量的变化并且借助所检测的电阻的变化和/或电荷储存容量的变化来得知生物活性物质(6)向所述水凝胶材料(1)中的吸收或者生物活性物质(6)从所述水凝胶材料(1)向所述生物流体中的释放，和/或其中通过作用于所述水凝胶材料(1)的电势来影响所述生物流体中生物活性物质(6)的浓度和/或所述水凝胶材料(1)中生物活性物质(6)的浓度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了释放生物活性物质(6)，在与所述生物流体接触之前用预定浓度的预定的生物活性物质(6)加载所述水凝胶材料(1)。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，能够借助至少三个限定所述带阴离子电性的构造单元(3)的参数将所述聚合物网络(2)在其组成方面进行配置，所述参数选自参数P0、P1、P2、P3的组，其中参数P0为对应于由在生理条件下溶胀的水凝胶材料(1)的每体积单位的经电离阴离子基团数量得出的值，假定所有阴离子基团的30％发生电离，参数P1为对应于由在生理条件下溶胀的水凝胶材料(1)的每体积单位的具有小于2.5的固有pK
s
值的强阴离子基团数量得出的值，参数P2为对应于由每个重复单元的具有小于2.5的固有pK
s
值的强阴离子基团数量除以所述重复单元的分子量得出的值，并且参数P3对应于用于描述所述阴离子型构造单元(3)的两亲性的值，其中所述水凝胶材料(1)的电阻和/或电荷储存容量由所述水凝胶材料(1)的参数配置的参数值预定。4.根据权利要求1至3所述的方法，其特征在于，所述水凝胶材料(1)为了检测生物活性物质(6)的键合，至少在0.1Hz至1MHz范围内的频率下测量所述水凝胶材料(1)的阻抗变化。5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，为了吸收生物活性物质(6)，对所述水凝胶材料(1)加载1mV至1000mV范围内、优选400mV至600mV范围内的电势，并且为了释放生物活性物质，对所述水凝胶材料(1)加载
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1mV至
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1000mV范围内、优选
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400mV至
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600mV范围内的电势。6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，为了吸收生物活性物质(6)，对所述水凝胶材料(1)加载大于0mA的恒定电流，其中改变所述电流流动方向以释放生物活性物质(6)。7.一种导电的水凝胶材料(1)，适合于执行根据权利要求1至6所述的方法，所述水凝胶材料具有由带阴离子电性的构造单元(3)和不带电的构造单元形成的聚合物网络(2)，能够借助限定所述带阴离子电性的构造单元(3)的至少三个参数将所述聚合物网络在其组成方面进行配置，所述参数选自参数P0、P1、P2、P3的组，其中
参数P0为对应于由在生理条件下溶胀的水凝胶材料(1)的每体积单位的经电离阴离子基团数量得出的值，假定所有阴离子基团的30％发生电离，参数P1为对应于由在生理条件下溶胀的水凝胶材料(1)的每体积单位的具有小于2.5的固有pK
s
值的强阴离子基团数量得出的值，参数P2为对应于由每个重复单元的具有小于2.5的固有pK
s
值的强阴离子基团数量除以所述重复单元的分子量得出的值，并且参数P3对应于用于描述所述阴离子型构造单元(3)的两亲性的值，以及导电组分(5)，所述导电组分被结合到所述聚合物网络(2)中，其中所述水凝胶材料(1)的电导率、电阻和/或电荷储存容量能够由所述水凝胶材料(1)的参数配置的参数值预定。8.根据权利要求7所述的导电水凝胶材料，其特征在于，所述带阴离子电性的构造单元(3)选自包含以下项的组：聚(丙烯酸
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共
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丙烯酰胺基甲基苯磺酸)，聚(丙烯酸
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共
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丙烯酰胺基乙烷磺酸)，聚(丙烯酸
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共
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丙烯酰胺基乙烷硫酸氢盐)，聚(4
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苯乙烯磺酸
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共
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马来酸)，硫酸化的糖胺聚糖、尤其肝素，选择性去硫酸化的肝素衍生物，硫酸乙酰肝素，硫酸软骨素，硫酸角质素和硫酸皮肤素，并且所述不带电的构造单元为包含氨基或硫醇基的聚合物或带有至少两个氨基或硫醇基的交联剂分子(4)，其中所述带电的构造单元和不带电的构造单元被交联到所述聚合物网络(2)，能够通过以下方式进行：用EDC...

【专利技术属性】
技术研发人员：缇尤库，
申请(专利权)人：德累斯顿协会莱布尼茨聚合物研究所，
类型：发明
国别省市：