光敏性超分子水凝胶成胶因子及其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】光敏性超分子水凝胶成胶因子及其制备方法和应用，其结构通式如下所示，由于该水凝胶的成胶浓度低，其中水占比可大于99.9%，可用于干旱地区的抗旱、化妆品中的面膜、退热贴、镇痛贴、农用薄膜、建筑中的结露防止剂、原油或成品油的脱水，食品中的保鲜剂、增稠剂，细胞三维支架以及利用光点击后产物的荧光可以实现信息的记录与读取。
【专利说明】光敏性超分子水凝胶成胶因子及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光敏性超分子水凝胶成胶因子及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]超分子水凝胶是一种小分子进行通过氢键、静电相互作用、π - π堆积等作用自组装而形成的介于水溶液及固体状态的“软物质”。与高分子水凝胶相比，超分子水凝胶由于其自组装机理可以使其易受外界环境如温度、pH、光照、酶等影响形成智能超分子水凝胶，可以广泛被用于药物释放及组织工程等领域。超分子短肽水凝胶，尤其是含有功能性短肽序列的水凝胶，具有生物相容性、可降解、能被生物体系识别而功能化等优势在近几年的研究中得到越来越广泛的关注。
[0003]光敏性超分子水凝胶通常利用光致变色基团(如螺吡喃、偶氮苯)及光致离去基团(如邻硝基苄醇类、香豆素类化合物)等在光照下发生结构变化从而导致水凝胶自组装结构的改变，使得宏观上发生收缩/膨胀甚至凝胶/溶液的相变过程，实现水凝胶的智能响应，应用于药物的控制释放、细胞基质的修饰等过程。
[0004]二取代四氮唑可经过光引发脱去一分子N2进而与烯烃，如甲基丁烯酸酯，发生1，3-偶极环加成反应。此类四氮唑与烯烃间的光反应具有高立体选择性，反应底物较为广泛，是一个优秀的生物正交反应。且其产物二氢二氮唑类化合物已被报导具有广泛的生物活性，如抗菌活性(幽门螺杆菌)、抗病毒活性(西尼罗病毒)、治疗肥胖药剂以及可以作为治疗帕金森综合症的候选药物(Rajendra Prasad, Y.; Lakshmana Rao, A.;Prasoona, L.;Murali, Κ.; Ravi Kumar, P.Bioorg Med Chem Lett2005, 15, 5030 ；Camacho, M.E.; Leon, J.;Entrena, A.; Velasco, G.; Carrion, M.D.;Escamesj G.; Vivo, A.; Acuna-Castroviejoj D.;Gallo，M.A.; Espinosa, A.Journal of Medicinal Chemistry2004，47，5641.)?将二取代四氮唑与短肽分子相连是一种新颖的构建光敏性超分子水凝胶的方法。
【发明内容】
[0005]解决的技术问题:
[0006]本发明提供一种光敏性超分子水凝胶成胶因子及其制备方法和应用，由于超分子水凝胶在生物体系潜在的用途，对于生物相容性具有较高的要求。如图1所示，不同浓度的Tet (I)-GFF存在下，不同的细胞C2C12及hMSC细胞在不同的培养时间下均有较高的细胞存活率，表明基于连有二取代四氮唑的短肽水凝胶具有较好的生物相容性。
[0007] 由于之前的光敏性超分子水凝胶体系多数基于邻硝基苄醇类化合物的光致离去过程或者螺吡喃、偶氮苯类化合物的光致变色过程，这两种结构变化的动力学较为一般，所得到的水凝胶发生光响应所需要的时间都一般限制在数小时以上(Muraoka，T.;Koh, C.Y.; Cui，H.G.; Stupp，S.1.Angew.Chem.1nt.Ed.2009，48，5946 ;Haines，L.A.; Rajagopal, K.; Ozbasj B.; Sal ick, D.A.; Pochanj D.J.; Schneider, J.P.J.Am.Chem.Soc.2005, 127，17025.)。由于长时间的光照对于生物体系带来的不可避免的影响，如生物酶的活性降低、细胞毒性等，这大大影响了该类水凝胶在生物体系的应用。基于二取代四氮唑的水凝胶由于二取代四氮唑与烯烃之间反应在数分钟之内即完成，使得该类水凝胶在光照下IOmin内即可产生凝胶向溶液的转变过程，提高了在生物体系的应用价值。
[0008]由于光的特殊性质，使得二取代四氮唑的水凝胶获得了对光的时空分辨的响应，这在调控细胞在水凝胶的三维骨架结构中的微环境从而控制细胞的行为具有巨大的优势。通过光掩模技术，实现了对水凝胶200 μ m分辨率下的调控，同时利用反应产物的荧光可以对调控后的区域进行追踪研究细胞的行为。此外，通过对于光照时间的改变，可以调节该类水凝胶的机械性能，结合两者，可以从时空分辨上来调控细胞的行为。利用该类水凝胶将生物分子包裹在水凝胶中，通过光照将生物分子控制释放到细胞培养液中，从而调控C2C12细胞的调控过程。此外，将hMSC细胞包裹在水凝胶的三维骨架结构中，通过控制光照时间的不同可以调节细胞的行为。
[0009]技术方案:
[0010]一种光敏性超分子水凝胶成胶因子，其结构通式如式I所示:
[0011]
【权利要求】
1.一种光敏性超分子水凝胶成胶因子，其特征在于其结构通式如式I所示:
2.如权利要求1所述光敏性超分子水凝胶成胶因子，其特征在于所述化合物结构式如式14或15所示:
3.如权利要求1所述光敏性超分子水凝胶成胶因子，其特征在于所述天然氨基酸为:甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、酪氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺、赖氨酸、精氨酸、色氨酸或组氨酸，非天然氨基酸为羊毛硫氨酸、2-氨基异丁酸、脱氢丙氨酸、Y -氨基丁氨酸、硒代半胱氨酸、8-羟基2，7，10-三氨基癸酸或β -丙氨酸。
4.如权利要求1所述光敏性超分子水凝胶成胶因子，其特征在于所述Ar2为苯环、2-甲氧基苯环、3-甲氧基苯环、4-甲氧基苯环、2-烯丙氧基苯环、4-乙酰氨基苯环、1-萘环、2-萘环、吡啶环、吡咯、呋喃、噻吩、吡喃或噻喃。
5.如权利要求1所述光敏性超分子水凝胶成胶因子，其特征在于所述Ar2为取代或非取代的苯环、1-萘环或2-萘环时，R2为NHCOC2H4CO或缺失。
6.如权利要求1所述光敏性超分子水凝胶成胶因子，其特征在于所述R3SH、F、Cl、Br、CF3> CON(CH3)2' NHCOCH3' N(CH3)2' 0CnH2n+1、CN、CO2CH3 或为用 Xaa1Xaa2Xaa3Xaa4Xaa5Xaa6Xaa7Xaa8Xaa9Xaa1(l表示的短肽,其中Xaa1, Xaa2为天然氨基酸或非天然氨基酸；Xaa3、Xaa4> Xaa5>Xaa6、Xaa7、Xaa8、Xaa9或Xaaltl中任意多个缺失、为天然氨基酸或非天然氨基酸，氨基酸的构型为 D 型或 L 型!Xaa1, Xaa2, Xaa3, Xaa4, Xaa5, Xaa6, Xaa7, Xaa8, Xaa9, Xaa10 同时为天然氨基酸、同时为非天然氨基酸、或任意多个为天然氨基酸，其中n=l、2、3。
7.如权利要求1所述光敏性超分子水凝胶成胶因子，其特征在于所述Ar1为苯环、2-甲氧基苯环、3-甲氧基苯环、4-甲氧基苯环、2-烯丙氧基苯环、4-乙酰氨基苯环、1-萘环、2-萘环、吡啶环、吡咯、呋喃、噻吩、吡喃或噻喃。
8.如权利要求1所述光敏性超分子水凝胶成胶因子，其特征在于所述R1为H、F、C1、Br、CF3> CON (CH3) 2> NHCOCH3' N(CH3)2' OCnH2n+1、CN、CO2CH3 或为用 Xaa1Xaa2Xaa3Xaa4Xaa5Xaa6Xaa7Xaa8Xaa9Xaa10表示的短肽,其中Xaa1, Xaa2为天然氨基酸或非天然氨基酸，Xaa3, Xaa4, Xaa5,Xaa6, Xaa7, Xaa8, Xaa9, Xaa10中任意多个缺失、为天然氨基酸或非天然氨基酸，氨基酸的构型为 D 型或 L 型。Xaa1, Xaa2, Xaa3, Xaa4, Xaa5, Xaa6, Xaa7, Xaa8, Xaa9, Xaa10 同时为天然氨基酸、同时为非天然氨基酸、或任意多个为天然氨基酸，其中n=l、2、3。
9.如权利要求1所述光敏性超分子水凝胶成胶因子，其特征在于所述光敏性超分子水凝胶成胶因子，如式2 ，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12及其对应的盐:
10.如权利要求9所述光敏性超分子水凝胶成胶因子，其特征在于所述R1，R3，R5，R7,R9均为H。
11.如权利要求9所述光敏性超分子水凝胶成胶因子，其特征在于所述一个或多个Rn缺失， Rn+1与NRn上的N原子相连形成C3-C6的杂环。
12.一种通过光控制将如权利要求1或2所述的成胶因子形成的水凝胶进行荧光打开、由凝胶向溶液转变或降低水凝胶的机械性能以致破坏凝胶的方法。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述光源为波长为254nm、302nm或365nm的紫外灯，405nm的激光，可进行双光子激发的激光源，功率范围为100W-500W的高压汞灯，功率范围为100W-500W的氙灯，以及通过滤光片、光掩模控制光源波长和光照面积方式的光源，荧光打开的光照时间从ls-120s，由凝胶向溶液转变或破坏凝胶的光照时间从lmin-24h，水凝胶中掺杂或不掺杂如式13所示的烯烃，其中B1, B2, B3, B4可任意为CO2Me,CN, CHO, CONHR, alkyl，Ph，取代的芳环或缺失
14.一种利用权利要求1或2所述光敏性超分子水凝胶成胶因子在光照下对生物大分子、重组蛋白及药物分子进行控制释放中的应用。
15.权利要求1或2所述光敏性超分子水凝胶成胶因子在进行一种波长光照下信息的记录、在同一种或另一种波长光照下读取中的应用。
16.权利要求1或2所述光敏性超分子水凝胶成胶因子在作为生物支架在其表面进行二维培养细胞或在其内部进行三维培养中的应用。
17.含有四氮唑的短肽Tet(I)-GFF的合成方法，其特征在于步骤为按比例:四氮唑Tet⑴-OH的合成:将2mL含有5mmol亚硝酸钠的水溶液滴加到8mL含有5mmol2-烯丙氧基苯胺和1.3mL37%wt浓盐酸的50%wt的乙醇水溶液中，控制反应过程中的温度低于5°C，滴加完即得到2-烯丙氧基氯化重氮苯的I水溶液；I水溶液在30min内滴加到30mL含5mmol有4-((2-磺酰腙)甲基)苯甲酸的吡啶溶液中整个反应温度控制在-10~-15°C，反应Ih后，反应液用氯仿和水萃取；氯仿层分别用稀盐酸和水洗，无水硫酸钠干燥；减压蒸去溶剂后，粗产物用柱层析分离，石油醚:乙酸乙酯体积比=1:1，得到白色粉末四氮唑Tet(I)-OH;.1.在固相合成管中，加入lg2-chlorotrityl chloride树脂和8mL无水CH2Cl2,在摆床上震荡 5min 后，抽滤除去溶剂；2.加入 2.2mmol Fmoc-Gly-OH,4.4mmol DIEA 溶于 CH2Cl2 后，加入到树脂中，振摇30min，抽滤；DMF洗树脂，DCM:MeOH:DIEA体积比=80:15:5的溶液洗树脂；再用DMF洗，10mL25%wt哌啶的DMF溶液洗涤3min，抽滤后再用10mL25%wt哌啶的DMF溶液洗漆树脂IOmin,用DMF洗漆6次除去哌唳后抽滤；3.将5mmol Fmoc-Phe-OH>5mmoIH0BT、5mmol TBTU加入到5mL DMF后，加入IOmmol的DIEA充分混合，使其成透明粘稠液，加入到树脂中，反应lh，做Kaiser检测，若树脂不变色则反应完全，抽滤，分别用DMF洗3次、20%wt哌啶的DMF溶液洗3次、DMF洗6次后抽滤；若树脂显示蓝色，继续反应2小时，Kaiser检测还是蓝色则抽去反应液，DMF洗漆5次,重新加入5mmol Fmoc-Phe-OH>5mmoIH0BT、5mmol TBTUUOmmol的DIEA反应液，直到Kaiser检测不变色；4.重复第3步，将Fmoc-Phe-OH接到树脂上，再次重复第3步，用5mmol Tet (I) -OH替换Fmoc-Phe-OH，将其接到树脂上；5.反应结束后，树脂经DMF、异丙醇、正己烷的洗涤，抽干后，浸没于三氟乙酸中静置3h，抽滤，CH2Cl2洗涤，减压除去滤液中的CH2Cl2和三氟乙酸，用乙醚分散得到黄色固体，用乙醚洗涤固体3次，得到的固体在真空干燥箱中干燥，称重，利用高压液相色谱对短肽进行提纯 得产物。
【文档编号】C08J3/28GK103936826SQ201410116554
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】张艳, 何明桃, 李金波, 陈淑美, 王入志 申请人:南京大学