基于葫芦脲的水凝胶的制作方法

基于葫芦脲的水凝胶的制作方法
【专利摘要】本发明提供了水凝胶，其中所述水凝胶具有超分子交联网络，其可获得自或获自包含主体，如葫芦脲，和具有合适的客体官能团的一种或多种聚合物的含水组合物的络合作用。在含水组合物中的一种或多种聚合物可以具有50kDa或更大的分子量，如200kDa或更大。所述水凝胶可以保留成分，如治疗性化合物或生物分子。所述水凝胶适用于医学。
【专利说明】基于葫芦脲的水凝胶
[0001] 相关申请
[0002] 本案涉及并要求于2012年2月20日提交的GB 1202834. 6和于2013年1月30 日提交的GB 1301648. 0的优先权，两者的全部内容以引用方式结合于本文。

【技术领域】
[0003] 本发明涉及基于葫芦脲交联超分子网络的水凝胶，用于制备上述水凝胶的方法， 以及它们在递送保留在水凝胶内的成分的方法中的应用。

【背景技术】
[0004] 水凝胶是三维交联的聚合物网络，其截留和贮存大量的水。鉴于它们与软生物组 织的相似性和可变的机械性能，即，从软弱到硬韧，它们在各种生物医学和工业应用中越来 越重要。
[0005] 可以利用共价或非共价方式来制备水凝胶。大多数共价交联的聚合物水凝 胶是脆性的，具有较差的透明性，以及在网络破坏以后缺乏自修复的能力（Peppas et al. Annu. Rev. Biomed. Eng. 22000, 9-29)。已经解决这些缺点：通过采用动态的和可逆的 非共价相互作用作为在水凝胶中的结构交联（直接形成），或驱动纳米纤维形成，其缠 绕随后导致水凝胶形成（间接形成）（Estroff et al. Chem. Rev. 2004, 104, 1201-1217 ; Wojtecki et al. Nat. Mat. 2010,10,14-27)。存在无数的小分子，其自组装成长纤维，从 而导致水凝胶形成。其极好的例子是由Stupp和同事开发的两亲性肽系列（Hartgerink et al. Science 2001,294,1684-1688)。以这种方式，可以制备相对于水具有低材料负荷 (0· 5wt%肽+0· 5wt% CaCl2)的相对较强的水凝胶（G，= lkPa) (Greenfield et al· Langmuir 2010, 26, 3641-3647)。然而，存在少得多的直接水凝胶形成的例子，尤其是那些具有高含水 量（>97% )的水凝胶。
[0006] 依据超分子聚合物的较宽的优先级，很明显，仅存在极少的在水介质中起作用 的非共价系统（§;[此681]^6七31.3(^611。6 1997,278，1601-1604;6代6€6七31.〇16111· Rev. 2009, 109, 5687-5754)。这些包括环糊精和葫芦[η]脲的主体-客体相互作用、疏水 性、离子、和一些金属-配体相互作用。先前已经进行多次尝试以从环糊精来开发水凝 胶，然而，它们已内在受限于CD与它们的客体的低结合亲和力，其已导致较差的机械性能 (Kretschmann et al. Angew. Chem. Int. Edit. 2006, 45, 4361-4365 ；ffu et al. Langmuir 2008, 24, 10306-10312 ;Koopmans et al· Macromolecules 2008,41,7418-7422)。此外， 离子相互作用对于水介质的离子强度是极为敏感的并经常改变pH，同时在许多应用中必 须避免在金属 -配体对中使用过渡金属，这是由于对毒性和环境的关切（Van Tomme et al.Biomaterials 2005, 26, 2129-2135 ；Hunt, J. et al. Adv.Mater. 2011, 23, 2327-2331 ； Wang et al· Nature 2010,463,339-343)。已广泛研究了通过嵌段共聚物的疏水缔 合来形成热活化水凝胶，上述嵌段共聚物通常包含两个或两个以上的显示低临界溶 解温度（LCST)的嵌段，例如N-异丙基丙烯酰胺或Pluronics(Loh et al.Macromol. Symp. 2010, 296, 161-169 ;Loh et al. Biomacromolecules 2007, 8, 585-593)。虽然这些材 料已经表明用于生物医学应用如组织工程的潜力，其基于在生理温度下它们的自发形成和 生物相容性，但还没有证实它们在其它行业中的适用性。
[0007] 生物材料是设计材料的迅速发展的领域，其通常显示类似于生物物质的性能 或是生物相容的以及可用于重要的生物学应用如药物递送和组织工程。水凝胶是一种 类型的生物材料，鉴于它们与软生物组织的相似性和高度可变的机械性能，其已表明 它们本身是尤为重要的用于药物递送和组织工程应用的候选物（Lutolf et al.Nat. Mat. 2009, 8, 451-453 ；Staats et al. Nat. Mat. 2010, 9, 537-538 ；Nochi et al. Nat. Mat. 2010, 9, 572-578)。已深入研究了存在的许多系统的用于药物递送的持续的 药物释放、伤口覆盖和用于癌症治疗的化学敏化（Loh et al.J. Control. Release 2010, 143, 175-182 ；Loh et al. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 11822-11830 ；Loh et al .Biomaterials2008, 29, 2164-2172 ；Loh et al.Biomaterials 2008,29,3185-194 ； Loh et al. Biomaterials 2007,28, 4113-4123 ；Li et al.Biomacromolecules 2005, 6, 2740-2747)。
[0008] 在这些配方中经常需要聚合物组分的高浓度，有时需要大于15wt%，并且这样的 配方常常表现出较差的弹性和药物的强"突发"释放。这些缺点已使得上述系统不适用于 许多生物医学应用（Esposito et al.Int.J.Pharm. 1996, 142, 923 ;Katakam et al.Int. J. Pharm. 1997, 152, 53-58)。最近，已描述了，基于聚（PEG/PPG/PHB聚氨酯）的生物相容 的热胶凝聚合物需要相对较低的聚合物浓度（5wt%)以在加热以后由水溶液形成水凝胶 (Loh et al· Biomacromolecules 2007,8,585-593)。此外，这些三嵌段共聚物的水解降 解性允许它们的蛋白释放的进一步的可调性，其显示在体外延长最高达约75天（Loh et al· Biomaterials 2007, 28, 4113-4123)。
[0009] 一些本发明人已先前描述了基于通过CB[8]连接在一起的聚合物的网络的水凝 胶（Appel et al· J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14251-14260)。这样的水凝胶的目的是促进 智能的自修复材料、自组装水凝胶、和受控溶液粘度领域的进展。用于水凝胶的聚合物具 有10. 1至37. lkDa的分子量和1. 11至2. 42的多分散值。聚合物的至少一种具有10. 1至 21. 8kDa的分子量，以及聚合物的至少一种具有1. 53至2. 42的多分散值。聚合物的官能度 为4. 3至10. 1%。水凝胶是基于，借助于葫芦脲钳制（handcuff)，基于聚苯乙烯的聚合物 与基于聚丙烯酰胺的聚合物的非共价连接。
[0010] 虽然一些本发明人已将在以上工作中描述的网络称作水凝胶，但这是简单方便的 术语来指获得的材料。公认的是，上述材料可被称为粘弹性材料。这种材料的流变性能不 是理想的。例如，当在10%应变下通过动态振荡流变学来分析材料的流变性能时，观测到在 较高频率下相对于储存模量（G'），损耗模量（G"）占据主导地位。因此，在20rad/s或更高 的频率下，损耗模量是占优势的。在较低的频率下，储存模量是占优势的。因此G'和G"不 是线性的并且在振荡流变学中不是平行的。
[0011] 早期的工作还描述了材料相对于高剪切的牛顿特性（如在稳定剪切测量下测得 的）以及粘度的随后的灾难性损失。例如，在〇. 1至301/s的剪切速率下，上述材料具有8 至50Pa s的粘度。在剪切速率的此范围内，粘度基本上保持恒定。在高于301/s的剪切速 率下，粘度急剧下降。


【发明内容】

[0012] 本发明总体上提供了适用于保留可递送成分的水凝胶。本发明人已经发现，基于 葫芦脲络合物的网络的水凝胶适用于保留和递送成分。尤其是，本发明人已经发现，可获自 葫芦脲与用葫芦脲客体官能团适当官能化的高分子量聚合物的络合作用的水凝胶可以用 来保留和递送成分如蛋白质。有利地，可获自葫芦脲和聚合物成分的网络仅是总体水凝胶 的小重量百分比。因此，本发明的水凝胶具有非常高含水量。
[0013] 水凝胶的流变性能是有用的和所期望的。可以通过水凝胶成分和它们的比率的适 当变化来有利地调节这些性能。稳定的水凝胶可以制备自相对较少的材料。如在本文中所 描述的，对于在37°c下通过频率扫描测量所分析的水凝胶，对于在0. 1至100rad/s范围内 的任何频率值，水凝胶具有相对于损耗模量（G"）的占优势的储存模量（G'）。鉴于以下事 实：G'和G"基本上是线性的，振荡流变学是基本上平行的，其中G'始终占优势的，本发明 水凝胶可被视为真正的水凝胶。这不同于以前报道的材料，其中在整个振荡流变学中G'不 是占优势的。
[0014] 本发明的水凝胶的剪切特性是进一步的突出特点。当通过稳定剪切方法加以分析 时，本文描述的水凝胶呈现连续剪切稀化行为。在低剪切速率下，例如在0. 1至0. 31/s下， 本发明的水凝胶材料的粘度值可以是lOOPa s或更大，例如400Pa s或更大，例如700Pa s 或更大。相比之下，在相同的剪切速率下，现有技术的材料具有显著较低的粘度值（例如，8 至 50Pa s)。
[0015] 本发明人认为，较高分子量聚合物，如较高分子量亲水性聚合物，的使用会提供具 有这些有利的流变性能的水凝胶。本发明人还认识到，基于葫芦脲交联超分子网络的水凝 胶适用于保留和释放成分（必要时）。
[0016] 在本发明的一个方面，提供了保留成分的水凝胶，其中水凝胶具有超分子交联网 络，其可获得或获自含水组合物的络合作用（复合作用，complexation)，上述含水组合物 包含葫芦脲和具有合适的葫芦脲客体官能团（官能性、官能度，functionality)的一种或 多种聚合物。
[0017] 在一种实施方式中，含水组合物包含分子量为50kDa或更大的聚合物，例如 200kDa或更大的分子量。在一种实施方式中，上述成分具有200kDa或更大的分子量。
[0018] 在第二方面，本发明提供了水凝胶，其中水凝胶具有超分子交联网络，其可获得或 获自含水组合物的络合作用，上述含水组合物包含葫芦脲和具有合适的葫芦脲客体官能团 的一种或多种聚合物。在含水组合物中的一种或多种聚合物具有50kDa或更大的分子量。 在组合物中的聚合物可以是亲水性聚合物、
[0019] 在本发明的另一个方面，提供了用于制备保留成分的水凝胶的方法，按照（a)或 (b)的方法，其中
[0020] (a)该方法包括以下步骤：（i)取得或形成水凝胶，并（ii)将成分引入水凝胶，从 而形成保留成分的水凝胶，其中保留成分的水凝胶形成自在水溶液中使葫芦脲和具有合适 的葫芦脲客体官能团的一种或多种聚合物的混合物接触，从而形成超分子交联网络；以及
[0021] (b)该方法包括以下步骤：在水溶液中使葫芦脲、成分、和具有合适的葫芦脲客体 官能团的一种或多种聚合物的混合物接触，从而形成保留成分的水凝胶以及水凝胶是超分 子交联网络。
[0022] 在本发明的另一个方面，提供了用于制备水凝胶的方法，该方法包括以下步骤：在 水溶液中使葫芦脲和具有合适的葫芦脲客体官能团的一种或多种聚合物的混合物接触，从 而形成超分子交联网络，其中含水组合物包含分子量为50kDa或更大的聚合物。
[0023] 有利地，在使葫芦脲和具有合适的葫芦脲客体官能团的一种或多种聚合物，可选 地连同成分一起接触数秒以后获得本发明的水凝胶。可以在温和的和环境条件下实施本发 明的方法。
[0024] 在本发明的又一方面，提供了将成分递送到位置的方法，该方法包括以下步骤：
[0025] (i)提供按照本发明的第一方面的保留成分的水凝胶；
[0026] (ii)使得在目标位置处可获得水凝胶；
[0027] (iii)从水凝胶中释放成分。
[0028] 在本发明的另外方面，提供了第一或第二方面的水凝胶的应用，例如在医学中。
[0029] 在上述任何方面，可以用可替代的主体来代替葫芦脲，例如能够形成三元主 体-客体络合物的主体。
[0030] 在一种实施方式中，主体选自葫芦脲、环糊精、杯[η]芳烃、和冠醚化合物。
[0031] 在一种实施方式中，主体选自环糊精、杯[η]芳烃、和冠醚化合物。
[0032] 在一种实施方式中，主体能够形成三元主体-客体络合物。
[0033] 在本发明的又一方面，提供了水凝胶，其获得或可以获自本发明的第一方面的水 凝胶，其中通过在水凝胶中的聚合物之间形成共价连接或交联，例如在聚合物的客体分子 之间。
[0034] 在本发明的一种实施方式中，提供了如在本文中所描述的水凝胶，如本发明的第 一方面的水凝胶，其中经由络合物来非共价连接或交联以及另外共价连接或交联聚合物。
[0035] 在一个方面，提供了共价连接或交联聚合物的方法，该方法包括以下步骤：
[0036] (i)提供非共价连接的聚合物或多种聚合物，其中非共价连接形成自保留提供在 聚合物或多种聚合物上的第一和第二客体分子的主体的三元络合物；
[0037] (ii)允许聚合物或多种聚合物进行反应，从而形成连接聚合物或多种聚合物的共 价键。
[0038] 在另外的方面，提供了用于制备具有超分子交联网络的水凝胶的方法，其中水凝 胶形成自聚合物的共价交联和/或一种聚合物与另一种聚合物的共价连接，该方法包括以 下步骤：
[0039] (i)提供具有超分子交联网络的水凝胶，其可获自含水组合物的三元络合作用，其 中上述含水组合物包含主体，如葫芦脲，和具有合适的客体官能团如葫芦脲客体官能团的 一种或多种聚合物；
[0040] (ii)允许聚合物或多种聚合物进行反应，从而形成连接聚合物或多种聚合物的共 价键。

【专利附图】

【附图说明】
[0041] 图1是示意图，其示出通过在处于水中的多价的第一和第二客体功能性聚合物的 混合物中添加 CB[8]所制备的超分子水凝胶。
[0042] 图2示出记录数据，其涉及本发明的水凝胶的流变学分析。在顶行中的曲线图示 出HEC-Np负荷量以及HEC-Np和PVA-MV0CB [8]的相对负荷量（即，1:1的PVA-MV与CB [8] 的比率）对储存模量、损耗模量、复数粘度和tanS的影响；在底行中的曲线图示出通过 动态振荡温度扫描试验确定的水凝胶的热稳定性（左底部）；以及步速率时间扫描测量显 示在高幅度变形以后水凝胶结构的恢复（右底部）。符号表示如下 ：HEC-Np(1.5Wt% )/ PVA-MV (0. 3wt % ) ( ), HEC-Np (1. Owt % ) /PVA-MV (0. 2wt % ) ( · ), HEC-Np (0. 5wt % ) / PVA-MV (0. lwt % ) ( A ), HEC-Np (0. 5wt % ) /PVA-MV (0. 05wt %)(▼), HEC-Np (0. 25wt % ) / PVA-MV(0. 05wt% ) ( ?)。填充符号是指在左侧轴上的参数，而符号的未填充形式则是指在 右侧轴上的参数。
[0043] 图3 (a)和（b)是以下的低温干燥和冷冻干燥样品的扫描电子显微图像：（a)水凝 胶，其源自包含册〇邮(0.5被％)^^4-1^(0.1被％)/^8[8](1当量）的含水组合物，和〇3) 水凝胶，其源自包含册〇邮(0.5被％)^^4-1^(0.05被％)/^8[8](1当量）的含水组合物。 图3(c)示出处于％0中的相同两种水凝胶的小角度中子散射。
[0044] 图4是倒置小瓶试验的照片，其显示仅仅由PVA-MV(0. lwt% )、HEC-Np(0. 5wt% ) 和 CB [8] (0. lwt % )的含水混合物形成水凝胶。（a) HEC-Np ; (b) HEC-Np 和 PVA-MV ; (c) HEC-Np 和 PVA-MV 以及 CB [7];以及（d) HEC-Np、PVA-MV 和 CB [8]。
[0045] 图5示出以下的ITC数据：（a)在存在和不存在CB [8]下，HEC-Np与PVA-MV的结 合；(b)在存在和不存在CB [8]下，2-萘酚（ΝρΟΗ)与PVA-MV的结合；以及（c)在存在和不 存在CB [8]下，HEC-Np与M2V的结合。
[0046] 图6示出在制备的超分子水凝胶的剪切速率、粘度和应力之间的关系，其中 HEC-Np (1. 5wt % ) /PVA-MV (0. 3wt % ) ( ), HEC-Np (1. Owt % ) /PVA-MV (0. 2wt % ) ( ·), HEC-Np(0. 5wt% )/PVA-MV(0. lwt% ) ( ▲ )，HEC-Np(0. 5wt% )/PVA-MV(0. 05% ) ( ▼)，以 及 HEC-Np ((λ 25wt % ) /PVA-MV ((λ 05wt % ) ( ?)。在每种情况下，相对于 PVA-MV，CB [8]的 相对量是1当量。填充符号表示粘度值，而符号的未填充形式则表示应力值。
[0047] 图7是倒置小瓶试验的照片，其示出形成自HEC-NpO. 5% /PVA-MV0. 1 % /CB[8] 1 当量的水凝胶的刺激响应性。此水凝胶示于（a)以及在存在（b)己烷、（c)甲苯、（d)竞争 性第二客体2, 6-二羟基萘、和（e)连二亚硫酸钠还原剂下，该水凝胶对于扰动具有可变响 应性。在（c)的情况下，可以看到具有其原有的颜色的完整的水凝胶并由箭头指出，同时己 烷层已流动至小瓶的底部。
[0048] 图8是不意图，其不出在|旲型蛋白治疗剂存在下，由包含蔡基和MV的聚合物制备 本发明水凝胶的实施方式。
[0049] 图9是在本研究中使用的基于HEC的水凝胶在37°C下进行的动态振荡流变特 性，其中（a)是储存和损耗模量以及（b)是复数粘度和tanS，这些值获自应变幅度扫描 测量。另外，（c)是储存和损耗模量以及（d)是复数粘度和tan δ，这些值获自频率扫描测 量。黑色符号表示源自含水组合物的水凝胶，上述含水组合物包含HEC-Np 1. 5wt%、PVA-MV 0.3￥七％和08[8]1当量（黑色）；而蓝色符号则表示冊0邮0.5￥七％、？￥4-]\^0.1￥七％和 CB[8]1当量。正方形是指左轴以及三角形则是指右轴。
[0050] 图10是源自含水组合物的水凝胶的低温干燥和冷冻干燥样品的扫描电子显微术 图像，其中上述含水组合物包含HEC-Np 1. 5wt%、PVA-MV0. 3wt%和CB[8] 1当量。
[0051] 图11示出暴露于不同浓度的包含聚合物HEC-Np和PVA-MV的混合物的3TC细胞 群体的百分比存活率的曲线图。浓度给出为在含水混合物中聚合物的总wt%。
[0052] 图12示出随着时间的推移，由两种不同的水凝胶中累积释放BSA和溶菌酶。多肽 的存在量为水凝胶的〇. 5wt%，以及水凝胶的总聚合物含量是0. 5wt%或1. 5wt%。
[0053] 图13示出随着时间的推移，由水凝胶释放的BSA和溶菌酶的生物活性的变化。多 肽的存在量为水凝胶的〇. 5wt%，以及水凝胶的总聚合物含量是0. 5wt%或1. 5wt%。
[0054] 图14是在混合CB[8]和具有色氨酸或苯丙氨酸客体的聚合物以后水凝胶形成的 示意图。氨基酸（由阴影圆柱体表示）以2:1方式与主体CB[8]结合。通过非共价相互作 用，氨基酸的R基团被封装在疏水性腔内。进一步的相互作用发生在氨基酸单元的质子化 N端和CB [8]端部羰基之间。
[0055] 图15(a)和15(b)是曲线图，其示出具有不同当量的CB[8]的StPhe-StAm(图 15(a))和StTrp-StAm(图15(b))水凝胶的频率依赖性振荡流变学。空心符号是损耗模量， G"，以及实心符号是储存模量，G'。CB[8]的量从0· 00当量（底线）至0· 70当量（顶线） 变化。
[0056] 图16(a)和16(b)是曲线图，其示出水凝胶的稳定剪切流变测量，上述水凝胶形成 自 StPhe-StAnKlO% w/v)(图 16(a))和 StTrp-StAmQO1% w/v)(图 16(b))(在逐渐增加 CB[8]量的情况下）。CB[8]的量从0· 00当量（底线）至0· 70当量（顶线）变化。
[0057] 图17示出在增加的剪切速率下，CB[8]浓度对和StPhe-StAm以及StTrp-StAm形 成的水凝胶的零剪切粘度的影响的曲线图。对于〇. 35、0. 5和0. 7当量的CB[8]，StTrp-StAm 的三个数据点为约〇零剪切粘度。其余的六个数据点涉及StPhe-StAm的行为。
[0058] 图 18 (a)和 18 (b)是源自 StPhe-StAm (图 18 (a))和 StTrp-StAm (图 18 (b))的水 凝胶的应变依赖性振荡剪切测量的曲线图。G'、G"和cv的值从底部到顶部增加。
[0059] 图19示出（a)在二聚化研究中使用的化合物的化学结构：CB [8]、小分子阳离子型 蒽物质la和它的大分子类似物lb (端基官能化的聚乙二醇聚合物，PEG)以及lc (侧链官 能化羟乙基纤维素，HEC) ;(b)以面对面π-π-堆叠方式CB[8]将两个蒽部分"钳制"在一 起以形成在水中的1:2均三元络合物的反应示意图；以及（c)反应示意图：用350nm光源对 1:2三元络合物光辐照在数分钟内导致接近定量的[4+4]光二聚化。
[0060] 图20(a)是在存在处于H20中0. 5当量CB [8]的情况下，在用350nm光源的光辐照 以后，ladOyM)的UV/vis光谱，其中相隔15秒来获取光谱。插图显示与在不存在CB[8] 主体的情况下和在存在CB[7]的条件下对照实验相比较的动力学数据。实线示出动力学 数据的最好的单指数拟合。图20(b)是在光辐照15分钟以前（底部）和以后（顶部） CB[8] · la2 (在D20中500μΜ)的1H NMR谱。插图示出芳族峰区域。
[0061] 图21 (a)是处于Η20中的1. Owt%的lc的一系列的照片。从左至右：lc在光辐照 以前；在350nm下光辐照15分钟以后；lc在CB[8] (0. 5当量/蒽部分）存在的条件下；在 350nm下光辐照15分钟以后。图21(b)是非共价网络形成（凝胶化）的示意图：在将CB[8] 加入lc以后，接着通过蒽二聚化进行光交联。
[0062] 图22(a)和（b)示出在将CB[8]加入处于水中的lc的1. Owt%溶液以后形成的水 凝胶在20°C下的流变学分析。在UV光曝光（15分钟）以后的变化是由箭头指示。正方形 是指左轴以及圆形是指右轴。（a)储存和损耗模量，获自在5%应变下进行的频率扫描。（b) 稳定剪切流变测量。（C)和（d)lc的稀水溶液（eOyg/mL)的荧光光谱，（c):在添加 CB[8] 以后，以及（d):随后用350nm光源进行光辐照。
[0063] 图23是一系列的曲线图，其涉及处于水中的lc的流变性能。在UV光曝光（15分 钟）以后的变化由箭头指示。正方形是指左轴以及圆形是指右轴。（a)储存模量和复数粘 度，获自在l〇rad f下进行的应变幅度扫描；(b)储存和损耗模量，获自在5%应变下进行 的频率扫描；以及（c)稳定剪切流变测量。
[0064] 图24示出在将CB[8]加入处于水中lc的1. Owt%溶液以后形成的水凝胶在20°C 下的振荡流变学分析。储存模量和复数粘度获得自在l〇rad f下进行的应变幅度扫描。 在UV光曝光（15分钟）以后的变化由箭头指示。正方形是指左轴以及圆形是指右轴。
[0065] 图25示出在光辐照（350nm)以后lc (60 μ g/mL，在水中）的UV/vis光谱：（a)在 0. 5当量CB[8]存在的情况下，以及（b)在不存在CB[8]主体的情况下。右图示出在254nm 下的归一化吸光度，其作为照射时间的函数。红色实线示出动力学数据的最好的单指数拟 合。

【具体实施方式】
[0066] 本发明人已经确定了，结构上有用的水凝胶可以容易地制备自相对少量的葫芦脲 和用葫芦脲客体官能团适当官能化的一种或多种聚合物。因此，水凝胶可以具有非常高含 水量。本发明人还确定了，结构上有用的水凝胶可以容易地制备自葫芦脲和用葫芦脲客体 官能团适当官能化的一种或多种高分子量聚合物。
[0067] 这些水凝胶的超分子特性提供调节机械性能的范围以及水凝胶有用地响应各种 外部刺激，包括温度、电势和竞争客体。容易处理水凝胶以及它们的制备的简单性和它们的 性能的高可调性，对于许多重要的基于水的应用，是与众不同的。此外，在许多实施方式中， 水凝胶网络的成分（聚合物和葫芦脲）可获自便宜和可再生资源。
[0068] 本文描述的许多水凝胶具有极低的总聚合物浓度。水凝胶的高含水量使得它对于 生物医学应用极具吸引力，例如由于改善的生物相容性。本发明人已确定，用于水凝胶的某 些聚合物，这些聚合物是用葫芦脲客体官能团适当官能化的，具有低毒性，例如如相对于成 纤维细胞系所测得的。本发明人还已表明，在加热至75°C以后，并没有基本上改变水凝胶的 完整性。
[0069] 另外，当在CB[8]存在的条件下时，具有侧链苯丙氨酸或色氨酸氨基酸的刚性聚 合物链具有形成水凝胶的能力。已经确定，苯丙氨酸单元比它的色氨酸对应物提供强得多 的水凝胶材料。本文描述的工作表明用于改善用于药物递送的生物医学系统的潜力，因为 现在可以利用生物相关的，如生物相容的用于基于CB[8]的交联的客体部分来实现凝胶形 成。这可以绕过潜在毒性聚合物和客体代谢物的限制。在上述客体连接于生物相容的如天 然聚合物的情况下，很明显，上述系统可以适用于3D细胞培养、药物递送和再生医学。在这 些系统中，可以通过主体浓度（或当量）和/或侧接于聚合物的客体特性的适当变化来改 变水凝胶的材料性能。
[0070] -些本发明人已先前描述了水凝胶，其基于通过CB[8]连接在一起的聚合物网络 (参见 Appel et al. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14251-14260)。通常，本文描述的水凝胶是 基于具有低官能度、高分子量和低多分散值的聚合物。相比之下，在发明人的先前的工作中 描述的至少一种聚合物具有高官能度、低分子量和/或高多分散值。如在以上背景部分中 讨论的，在先前工作中描述的材料并不显示在整个振荡范围内占优势的G'值。另外，在低 剪切速率下，上述材料并不具有高粘度值。
[0071] 本文提供的比较实施例还表明，制备自低分子量（Mn=约10kDa)和高多分散性 (PDI约为2. 2)聚合物的水凝胶具有损耗模量（G")，在较高频率下，相对于储存模量（G'）， 其占据主导地位。
[0072] 水凝胶
[0073] 本发明的水凝胶是三维交联的聚合物网络，其保留水，可选地连同成分一起。在目 前的情况下，网络可获得或获自具有提供在一种或多种聚合物上的适宜的客体分子官能团 的葫芦脲主体的络合作用。因此，水凝胶包括这种网络并截留水。
[0074] 在本发明的一个方面，提供了具有超分子交联网络的水凝胶，其可获得或获自含 水组合物的络合作用，上述含水组合物包含葫芦脲和具有合适的葫芦脲客体官能团的一种 或多种聚合物。含水组合物包含分子量为50kDa或更大的聚合物。本发明的此方面的水凝 胶可用于本发明的第一方面，用于保留成分。
[0075] 在一种实施方式中，网络可获自以下的络合作用：(a)含水组合物，其包含葫芦脲 和⑴或（2);或（b)组合物，其包含多种共价连接的葫芦脲和（1)、⑵或（3)。
[0076] 在一种实施方式中，网络可获自以下的络合作用：(a)含水组合物，其包含葫芦脲 和⑴或（2);或（b)含水组合物，其包含多种共价连接的葫芦脲和（1)、⑵或（3)。
[0077] 在一种实施方式中，网络可获自含水组合物的络合作用，其中上述含水组合物包 含葫芦脲和（1)或（2)。
[0078] 在一种实施方式中，网络可获自含水组合物的络合作用，其中上述含水组合物包 含葫芦脲和（2)。
[0079] 在一种实施方式中，网络可获自含水组合物的络合作用，其中上述含水组合物包 含葫芦脲和（1)。
[0080] 在一种实施方式中，如上所述的组合物进一步包含成分，上述成分被保留在产生 的水凝胶中。
[0081] (1)包含第一聚合物，其共价连接于多种第一葫芦脲客体分子，和第二聚合物，其 共价连接于多种第二葫芦脲客体分子，其中第一客体分子和第二客体分子连同葫芦脲一起 适合于形成三元客体-主体络合物。第一和第二客体分子可以是相同或不同的。
[0082] (2)包含第一聚合物，其共价连接于多种第一葫芦脲客体分子和多种第二葫芦脲 客体分子，其中第一和第二客体分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物。 第一和第二客体分子可以是相同或不同的。可选地，组合物进一步包含第二聚合物，其共价 连接于一种或多种第三葫芦脲客体分子、一种或多种第四葫芦脲客体分子或两者，其中第 三和第四分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物，和/或第一和第四分子 连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物，和/或第二和第三分子连同葫芦脲一 起适合于形成三元客体-主体络合物。
[0083] (3)包含第一聚合物，其共价连接于多种第一葫芦脲客体分子，其中第一客体分子 连同葫芦脲一起适合于形成二元客体-主体络合物。可选地，组合物进一步包含第二聚合 物，其共价连接于一种或多种第二葫芦脲客体分子，其中第二客体分子连同葫芦脲一起适 合于形成二元客体-主体络合物。
[0084] 在一种实施方式中，水凝胶的含水量是至少90wt%，至少95wt%，至少97wt%，至 少98wt%，至少99wt%，至少99. 5wt%。在含水量具有上述量的情况下，本发明人已经发 现，水凝胶可以被稀释，例如用体积相当于水凝胶体积的水，其中机械性能仅略微降低。
[0085] 在一种实施方式中，在水凝胶中存在的聚合物的总量是至多20wt%，至多 10wt %,至多 7. Owt %,至多 5. Owt % ,至多 2. 5wt %,至多 2. Owt %,至多 1. 5wt %,至多 1. Owt %,至多 0· 5wt % 或至多 0· 4wt %。
[0086] 在一种实施方式中，在水凝胶中存在的聚合物的总量是至少0.05wt%，至少 0· lwt %，至少 0· 2wt %，至少 0· 3wt %。
[0087] 在一种实施方式中，在水凝胶中存在的聚合物的总量是在一定范围内，其中最小 和最大量选自上述的实施方式。例如，存在的聚合物的总量是〇. 3至2. Owt%。
[0088] 在一种替代实施方式中，在水凝胶中存在的聚合物以上文指出的量或范围存在。
[0089] 在水凝胶中仅存在一种聚合物的情况下，在水凝胶中存在的聚合物的总量是指上 述聚合物的量。在水凝胶中存在两种或更多种聚合物的情况下，总量是存在的两种以上聚 合物的每种的量的总和。
[0090] 在一些实施方式中，水凝胶包含第一聚合物和第二聚合物，如组合物，其包含葫芦 脲和（1)(如上文所讨论的）。
[0091] 两种聚合物系统提供相对容易地改变水凝胶结构的范围，其中通过改变聚合物与 另一种聚合物和/或与葫芦脲的比率。
[0092] 在一种实施方式中，在水凝胶中第一聚合物的重量（重量含量，weight amount) 基本上相同于在水凝胶中第二聚合物的重量。
[0093] 在一种实施方式中，在水凝胶中第二聚合物的重量是在水凝胶中第一聚合物的重 量的至少2倍，至少3倍，至少4倍，至少5倍，至少10倍或至少20倍。
[0094] 在一种实施方式中，在水凝胶中第二聚合物的摩尔量基本上相同于在水凝胶中第 一聚合物的摩尔量。
[0095] 在一种实施方式中，在水凝胶中第二聚合物的摩尔量是在水凝胶中第一聚合物的 摩尔量的至少2倍，至少3倍，至少4倍，至少5倍，至少10倍，至少20倍或至少25倍。
[0096] 在替代实施方式中，相对于第二聚合物，可以存在重量过量和/或摩尔过量的第 一聚合物（过量上文指定量）。
[0097] 在水凝胶的制备期间，可以选择在含水制备混合物中聚合物的浓度和体积，以在 水凝胶产物中提供所期望量的第一和第二聚合物。因此，上面提到的重量可以是指在从其 获得或可以获得网络的包含第一和第二聚合物的含水组合物中的重量。
[0098] 以上提及在水凝胶中存在的聚合物的量是指包括其客体官能团的聚合物的量。 [0099] 在一种实施方式中，在水凝胶中存在的葫芦脲的总量等于按重量计在水凝胶中存 在的聚合物的量。例如，在聚合物以〇. lwt%存在的情况下，葫芦脲也可以以0. lwt%存在。 为方便起见，这可称为1当量。
[0100] 在一种实施方式中，相对于在水凝胶中存在的聚合物，葫芦脲以至少0.9,至少 0. 8,至少0. 5,至少0. 2或至少0. 1当量存在。
[0101] 在一种实施方式中，相对于在水凝胶中存在的聚合物，葫芦脲以至多10,至多5， 至多4,至多3或至多2当量存在。
[0102] 在一种实施方式中，在水凝胶中葫芦脲的存在量是在一定范围内，其中最小和最 大量选自上述的实施方式。例如，葫芦脲的存在量为0.5至2当量，例如0.7至1.5当量。
[0103] 在一种实施方式中，葫芦脲的存在量为约1当量。
[0104] 在存在两种聚合物，例如第一和第二聚合物，的情况下，葫芦脲的量可以参照第一 或第二聚合物。
[0105] 在一种实施方式中，在水凝胶中的交联量是至多10%，至多8%或至多5%。
[0106] 在一种实施方式中，在水凝胶中的交联量是至少0. 1%，至少0. 5%，至少1%或至 少2%。
[0107] 在一种实施方式中，交联量是在一定范围内，其中最小和最大量选自上述的实施 方式。例如，交联量为1至8%。
[0108] 交联是指参与交联形成的单体单元的％并且是通过相对于聚合物的官能团葫芦 脲的摩尔当量添加所确定。因此，相对于存在10%官能度的聚合物，0. 5当量葫芦脲的添加 产生交联值为5%的网络。因此，在聚合物中所有可用的单体的5%参与交联。因此，交联 值假定，所有可用的聚合物客体参与与葫芦脲的络合物。
[0109] 在存在两种聚合物，例如第一和第二聚合物，的情况下，可以相对于第一或第二聚 合物来表不交联值。
[0110] 在一种实施方式中，在应变幅度扫描测量中，水凝胶具有至少5、至少7、或至少 10Pa s的复数粘度。
[0111] 在一种实施方式中，在应变幅度扫描测量中，水凝胶具有至多1，000、至多500、或 至多lOOPa s的复数粘度。
[0112] 在一种实施方式中，在9至90Pa s或9至500Pa s的应变下记录复数粘度值。
[0113] 复数粘度值可以是在37°C下记录的来自应变幅度扫描测量的值以及是在0. 1至 10 %的应变值下获得的值。
[0114] 在一种实施方式中，在应变幅度扫描测量中的复数粘度值，在0. 1至100%、0. 1至 10%或1至10%的整个应变范围内，是基本相同的。
[0115] 在一种实施方式中，在频率扫描测量中，水凝胶具有至少10、至少100、至少200或 至少300Pa S的复数粘度。
[0116] 复数粘度值可以是在37°C下记录的来自频率扫描测量的值以及是在0. 1至 10rad/s的频率值下获得的值，优选在0. lrad/s下记录的值。
[0117] 在一种实施方式中，在频率扫描测量中，水凝胶的复数粘度值基本上线性地随着 增加的频率而降低。
[0118] 在一种实施方式中，水凝胶具有至少60、至少70、至少80、至少90或至少lOOPa s 的粘度。
[0119] 在一种实施方式中，水凝胶具有至多2, 000、至多3, 000、或至多5, 000Pa s的粘 度。
[0120] 在一种实施方式中，水凝胶具有90至2, 000Pa s的粘度。
[0121] 粘度值可以是在低剪切速率下记录的值，例如在0. 1至0. 51/s的剪切速率下，例 如0. 1至0. 31/s。粘度值可以是在稳定剪切测量中在25°C下记录的值。
[0122] 在一种实施方式中，在0. 3至101/s或1至101/s的范围内，水凝胶表现出在剪切 稀化行为。因此，在剪切值的此范围内，水凝胶的粘度降低。相比之下，现有技术的水凝胶 并不表现出这样的行为。相反，现有技术的水凝胶的粘度基本上保持恒定在这些范围内，并 在较高的剪切速率下，表现出粘度的迅速崩溃，例如在超过301/s的剪切速率下。
[0123] 水凝胶的储存模量值（G'）可以是来自应变幅度扫描测量的在37°C下记录的值以 及是在0. 1至100%，例如0. 1至10%的应变值下获得的值。
[0124] 在一种实施方式中，水凝胶具有至少5Pa、至少10Pa、至少20Pa、至少50Pa、或至少 lOOPa的储存模量（来自应变幅度扫描测量）。
[0125] 在一种实施方式中，水凝胶具有至多2,000Pa、至多l，500Pa、或至多l，000Pa的储 存模量（来自应变幅度扫描测量）。
[0126] 在一种实施方式中，水凝胶具有一定范围的储存模量（来自应变幅度扫描测量）， 其中最小和最大量选自上述的实施方式。例如，储存模量为10至l，000Pa，例如50至 1，000Pa 〇
[0127] 可替换地，水凝胶的储存模量值可以是来自频率扫描测量的在37°C下记录的值以 及是在0. 1至l〇〇rad/s例如0. 1至10rad/s的频率值下获得的值。
[0128] 在一种实施方式中，水凝胶具有至少4Pa、至少9Pa、至少10Pa、或至少20Pa的储存 模量（来自频率扫描测量）。
[0129] 在一种实施方式中，水凝胶具有至多500、至多800Pa、或至多1，000Pa的储存模量 (来自频率扫描测量）。
[0130] 在一种实施方式中，水凝胶具有一定范围的储存模量（来自频率扫描测量），其中 最小和最大量选自上述的实施方式。例如，储存模量为4至1，000Pa，例如10至1，000Pa。
[0131] 水凝胶的损耗模量值（G"）可以是来自应变幅度扫描测量的在37°C下记录的值以 及是在0. 1至100%例如0. 1至10%的应变值下获得的值。
[0132] 在一种实施方式中，水凝胶具有至少5Pa、至少10Pa或至少20Pa的损耗模量（来 自应变幅度扫描测量）。
[0133] 在一种实施方式中，水凝胶具有至多200Pa、至多500Pa、或至多1，000Pa的损耗模 量（来自应变幅度扫描测量）。
[0134] 在一种实施方式中，水凝胶具有一定范围的损耗模量（来自应变幅度扫描测量）， 其中最小和最大量选自上述的实施方式。例如，损耗模量为10至l，000Pa，例如20至 1，000Pa 〇
[0135] 可替换地，水凝胶的损耗模量值可以是来自频率扫描测量的在37°C下记录的值以 及是在0. 1至l〇〇rad/s例如0. 1至10rad/s的频率值下获得的值。
[0136] 在一种实施方式中，水凝胶具有至少IPa、至少5Pa、至少10Pa、或至少20Pa的损耗 模量（来自频率扫描测量）。
[0137] 在一种实施方式中，水凝胶具有至多200Pa、至多500Pa、或至多1，000Pa的损耗模 量（来自频率扫描测量）。
[0138] 在一种实施方式中，水凝胶具有一定范围的损耗模量（来自频率扫描测量），其中 最小和最大量选自上述的实施方式。例如，损耗模量为1至1，000Pa，例如10至500Pa。
[0139] 在一种实施方式中，在0. 1至100%、0. 1至10%或1至10%的整个应变范围内， 储存模量和/或损耗模量值是基本相同的。
[0140] 本发明人已经发现，本发明的水凝胶具有极其广阔的线性粘弹区。仅在水凝胶中 的总聚合物含量较高的情况下（例如在1.5wt%或更大下）水凝胶才开始显示自线性粘弹 性的偏离，例如在10%或更大的应变值下。
[0141] 在一种实施方式中，在37°C下，对于在0. 1至100rad/s范围内的任何频率值，对于 通过频率扫描测量所分析的水凝胶，损耗模量不大于储存模量。因此，水凝胶的储存模量是 占优势的。
[0142] 在一种实施方式中，储存和损耗值随频率变化的变化（在频率扫描实验中）基本 上是相同的。因此，储存和损耗模量可以说是平行的。在频率扫描实验中，模量值的平行特 性是明显的，其中均基于对数尺度来表示应变（以％计）和模量（以Pa计）。这如本案例 的图2所示。
[0143] 在记录应变幅度扫描测量的情况下，频率可以被设置为10rad/s。
[0144] 在记录频率扫描测量的情况下，应变幅度可以被设置为5%应变。可替换地，应变 幅度可以被设置为10%应变。技术人员将选择适用于所研究材料的应变值。技术人员将理 解，选择应变值以致在材料的线性粘弹性区域中进行频率扫描。
[0145] 水凝胶的tan δ值是来自频率扫描测量在37°C下记录的以及是在1至100rad/s 的频率值下获得的值。
[0146] 在一种实施方式中，水凝胶具有至少0. 1、至少0. 2、或至少0. 3的tan δ值（来自 频率扫描测量）。
[0147] 在一种实施方式中，水凝胶具有至多0. 4、至多0. 5或至多1. 0的tan δ值（来自 频率扫描测量）。
[0148] 在一种实施方式中，水凝胶具有一定范围的tanS值（来自频率扫描测量），其中 最小和最大量选自上述的实施方式。例如，tan δ值为0.1至0.5,例如0.2至0.5。
[0149] 可替换地，tan δ值可以是来自应变幅度扫描测量的在37°C下记录的值以及是在 0. 1至10 %的应变值下获得的值。
[0150] 在一种实施方式中，水凝胶具有至少0. 1、至少0. 2或至少0. 4的tan δ值（来自 应变幅度扫描测量）。
[0151] 在一种实施方式中，水凝胶具有至多0.5、至多0. 1、或至多2.0的tan δ值（来自 应变幅度扫描测量）。
[0152] 在一种实施方式中，水凝胶具有一定范围的tan δ值（来自应变幅度扫描测量）， 其中最小和最大量选自上述的实施方式。例如，tan δ值为0.1至0.5,例如0.2至0.4。
[0153] 在一种实施方式中，在0. 1至100%、0. 1至10%或1至10%的整个应变范围内， tan δ值是基本相同的。
[0154] 本发明人已经发现，本发明的水凝胶是高弹性的并已记录大约0. 3的tan δ值，如 依据频率扫描测量所测得的。
[0155] 可以加热本发明的水凝胶，而没有显著损失机械完整性。
[0156] 在一种实施方式中，加热至30°〇、401：、501：、或601：的水凝胶具有1?38或更大 的复数粘度。
[0157] 在一种实施方式中，加热至30°〇、401：、501：、或601：的水凝胶具有2?38或更大 的复数粘度。
[0158] 在一种实施方式中，加热至30°C、40°C、50°C、或60°C的水凝胶具有0. 30或更小的 tan δ 值。
[0159] 在一种实施方式中，加热至30°C、40°C、50°C、或60°C的水凝胶具有0. 35或更小的 tan δ 值。
[0160] 在一种实施方式中，加热至30°C、40°C、50°C、或60°C的水凝胶具有0. 40或更小的 tan δ 值。
[0161] 在动态振荡温度扫描试验中可以记录上文设定的复数粘度和tan值。
[0162] 当水凝胶的温度增加时，本体材料性能通常降低，作为缔合络合物，例如对于基于 葫芦脲三元络合物的网络，缔合常数降低。
[0163] 当发生变形时，本发明的水凝胶具有极好的重整特性。暴露于高幅值剪切速率的 水凝胶，例如其中Y是δΟΟ?Γ 1的情况下，会快速并完全地重新组装。因此，在扰动之后水凝 胶的重新组装以后，可以重新获得原始水凝胶的原始粘度性能。
[0164] 在一种实施方式中，在至少一个周期的变形和重新组装如两个周期的变形和重新 组装以后，水凝胶的流变性能保持基本相同。流变性能可以是一种或多种性能，其选自由复 数粘度、储存模量、损耗模量、和tan δ组成的组。
[0165] 水凝胶对变形周期的反应表明基于葫芦脲的网络可逆地形成强水凝胶结构的强 度。
[0166] 水凝胶的物理性能，如上所述的，可以指并不保留成分的水凝胶。在其它实施方式 中，性能可以指保留成分的水凝胶，尽管这是次优选的。
[0167] 在一种实施方式中，水凝胶具有150至250 Α的相关长度，如170至230 Α，如 180至220 A。可以通过Debye-Bueche和Ornstein-Zerniche模型的组合来获得这些值 (如在本文中所描述的）。
[0168] 在一种实施方式中，冻结的（frozen-in)水凝胶结构的相关长度，Ξ，为500至 1000 A，如600至900 A。这些值可以获自SANS分析的结果，如下文描述的。
[0169] 相关长度值通常不同于在其它地方针对其它聚合物凝胶结构所报道的那些相关 长度值。然而，这种差异被认为是起因于通常在本发明的水凝胶中使用的异常低的总聚合 物量。相关长度值是与计算的网目尺寸一致，其是基于沿着聚合物在客体分子官能团之间 的距离。
[0170] 在一种实施方式中，水凝胶对于波长在可见区中的光是透明的，例如380至740nm 的波长。
[0171] 通常，并不特别限定水凝胶的形状、尺寸和体积。
[0172] 在一种实施方式中，水凝胶具有至多100cm、至多50cm、至多35cm、至多10cm的最 大横断面。
[0173] 在一种实施方式中，水凝胶具有至少100nm、至少1. 0 μ m、至少10 μ m、至少 100 μ m、至少1mm、或至少10mm的最小横断面。
[0174] 在一种实施方式中，水凝胶具有横断面，其中最小值和最大值选自上述的实施方 式。例如，水凝胶具有1mm至10cm的横断面。
[0175] 可以通过其中形成水凝胶的容器的尺寸来决定水凝胶的尺寸和形状。例如，最大 横断面为约lcm的水凝胶可获自保留在小瓶如15x 45mm小瓶中的可络合组合物。本文举 例说明在这样的小瓶中形成的水凝胶的实例。
[0176] 在一种实施方式中，通过如在本文中所描述的用于制备水凝胶的方法可以获得或 获得本发明的水凝胶。
[0177] 水凝胶不是超分子胶囊。这样的胶囊具有作为超分子交联网络的外壳。胶囊具有 无超分子交联网络的大量内腔。本发明的水凝胶并不采取胶囊的形式。本发明的水凝胶具 有相互连接和内部连接的聚合物的广泛网络。这种网络并不提供无超分子交联网络的大量 内腔。借助于它们的有利的流变性能，如以上描述的那些性能，本发明的水凝胶可以进一步 区别于超分子胶囊。
[0178] 络合物
[0179] 水凝胶是通过超分子钳制（supramolecular handcuff)而保留在一起的网络。形 成这种超分子钳制的络合物是基于葫芦脲，其保留一种客体（二元络合物）或两种客体 (三元络合物）。葫芦脲形成与每种客体的非共价键。本发明人已经确定了，葫芦脲的络合 物容易形成并提供在聚合物结构单元之间的强大的非共价键合。络合物的形成能容忍在聚 合物内的许多官能团。本发明人之一已证实，可以利用葫芦脲钳制来制备聚合物网络（包 括基本的水凝胶）。然而，到现在为止，还未描述具有有用的物理特性的基于葫芦脲的水凝 胶的形成。也没有清楚地描述能够在其中保留成分的基于葫芦脲的水凝胶的形成。
[0180] 如上所述，葫芦脲与一种或两种客体的络合物是非共价连接，其连接和/或互连 聚合物以形成材料的超分子网络。
[0181] 在一种实施方式中，水凝胶是具有多种络合物的网络，其中每种络合物包含葫芦 脲，其保留第一客体分子和第二客体分子。第一和第二客体分子共价连接于第一聚合物，或 连接于第一聚合物和第二聚合物。
[0182] 在络合物在葫芦脲腔内包含两种客体的情况下，络合物的缔合常数，Ka，是至少 10 3]Τ2、至少 104]\r2、至少 105]\r2、至少 106]Τ2、至少 107]\r2、至少 108]\r2、至少 109]\r2、至少 κΓμ' 至少10ηΜ_2、或至少1012Μ_2。
[0183] 在葫芦脲保留两种客体分子的情况下，客体分子可以是相同的或它们可以是不同 的。能够保留两种客体分子的葫芦脲还可以能够与单一客体形成稳定的二元络合物。三元 客体-主体络合物的形成被认为是经由中间二元络合物来进行。在本发明的水凝胶内，可 以存在在客体分子和葫芦脲之间形成的二元络合物。二元络合物可被视为部分形成的三元 络合物，其尚未形成与另一客体分子的非共价键。
[0184] 在一种实施方式中，水凝胶是具有多种络合物的网络，其中每种络合物包含葫芦 脲，其保留一种客体分子，以及每个葫芦脲共价连接于至少另一个葫芦脲。客体分子共价连 接于第一聚合物，或连接于第一聚合物和第二聚合物。
[0185] 在络合物在葫芦脲腔内包含一个客体的情况下，络合物的缔合常数，Ka，是至少 ιοΜ1、至少κΛ'至少?ο5]^1、至少ιο?1、至少10 7Μ'至少108Μ'至少lot1、至少κΓμ' 至少Κ^Μ- 1、或至少1012Μ'
[0186] 在一种实施方式中，客体是化合物，该化合物能够形成络合物，其具有104至KfiT 1 的缔合常数。
[0187] 在一种实施方式中，络合物的形成是可逆的。客体与葫芦脲主体的分离，借此切断 (severe)与聚合物的连接或交联，可被称为解络作用。
[0188] 响应于外部刺激，包括，例如，竞争客体化合物、光、氧化剂或还原剂、电化学势、和 温度变化等，可以发生用来分离客体或多个客体的络合物的解络作用。可以诱导这样的解 络作用以在水凝胶中提供另外的或较大的孔，通过其可以通过保留在水凝胶中的成分。解 络作用还可以用来破坏整个网络并导致水凝胶的分解。
[0189] 如在本文中所描述的，用于基于CB[8]的网络的解络作用的竞争性客体是2, 6-二 羟基萘或甲苯。相对于在网络的聚合物上存在的客体分子的量（摩尔量），可以过量使用竞 争客体。在一种实施方式中，竞争性客体具有比络合物的客体更高的缔合常数。
[0190] 在其它实施方式中，网络，因而水凝胶，的解络作用是通过在络合物中的客体的氧 化或还原来实现。可以利用化学氧化剂或还原剂，或施加电化学势，来实现客体的氧化态的 变化。如在本文中所描述的，通过用还原剂如连二亚硫酸盐加以处理，可以解络包含紫精如 甲基紫精的络合物。
[0191] 在一种实施方式中，解络反应是可逆的。因此，可以将水凝胶转化为低粘度、解络 形式，然后返回到高粘度、水凝胶形式（视情况而定），其可以是相同或不同于原始水凝胶。
[0192] 网络结构
[0193] 如上所述，本发明的水凝胶是基于网络，其形成自作为主体的葫芦脲与客体（二 元络合物）或两个客体（三元络合物）的络合作用。客体或多个客体共价连接于聚合物， 其提供总网络结构。网络的特性取决于所使用的络合物的形式（二元或三元），其进而是基 于所采用的葫芦脲和客体。聚合物的数目和特性也是相关的。
[0194] 提供了两种类型的网络。第一类型是基于多种三元络合物的形成，其中每种络合 物包含葫芦脲主体以及第一客体分子和第二客体分子。第二类型是基于多种二元络合物的 形成，其中每种络合物包含葫芦脲主体以及第一客体分子。在此第二类型中，每个葫芦脲共 价连接于至少一个其他葫芦脲。在本发明的水凝胶内，可以结合这些类型的网络。
[0195] 在聚合物提供有多种客体分子的情况下，所有的客体分子不必均参与与葫芦脲的 络合。在网络是基于在三元结构之间的连接的情况下，结构单元（聚合物）的客体分子可 以是在与葫芦脲的二元络合物中。二元络合物可被视为部分形成的三元络合物，其还没有 结合于另外的客体分子来产生三元形式。
[0196] 在整个描述中，提及聚合物、第一聚合物和第二聚合物。应当理解的是，上述提及 是指作为结构单元（聚合物）的单独的聚合物等的集合。在用来提及单独的聚合物分子的 情况下，术语单一用来指结构单元例如单一第一聚合物。
[0197] 以下描述的网络是基本网络，其可获自描述的组合物。应当理解的是，本发明延伸 到更多复杂的网络，其可获自包含另外聚合物的组合物。
[0198] 基于葫芦脲的三元络合物的网络
[0199] 上述网络可获自第一客体分子和第二客体分子以及葫芦脲主体的络合作用。客体 分子可以提供在一种或两种（或更多种）聚合物上（如以下描述的）。如在本文中所描述 的，可以仅使用一种聚合物来形成网络。上述聚合物可以具有客体分子，其是不同的（第一 和第二客体不是相同的）或相同的（第一和第二客体是相同的）。
[0200] 在一种实施方式中，网络可获得或获自组合物的络合作用，上述组合物包含葫芦 脲、共价连接于多种第一葫芦脲客体分子的第一聚合物和共价连接于多种第二葫芦脲客体 分子的第二聚合物，其中第一客体分子和第二客体分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客 体-主体络合物。
[0201] 三元络合物用来非共价连接第一和第二聚合物。单一第一聚合物可以形成与多种 第二聚合物的多种非共价连接。类似地，单一第二聚合物可以形成与多种第一聚合物的多 种非共价连接。以这种方式，建立材料的网络。
[0202] 应该注意的是，在一些实施方式中，第一和第二客体分子可以是相同的。因此，第 一和第二聚合物的组成可以是不同的。在一些实施方式中，第一和第二聚合物可以是相同 的。在这种情况下，第一和第二客体分子是不同的。
[0203] 以下示出的是在葫芦脲、单一第一聚合物和两个单一第二聚合物之间形成的基本 网络的示意性结构。在包括在文本中的示意图中，客体分子被描述为长方形，其共价连接 (垂直线）于结构单元（水平线）。垂直线可以描述与聚合物的直接共价键或接头。
[0204] 在以下的示意图中，第一聚合物的一些第一客体分子（无阴影长方形）络合于葫 芦脲主体（桶）和第二聚合物的第二客体分子（阴影长方形）。
[0205]

【权利要求】
1. 一种水凝胶，具有超分子交联网络，所述超分子交联网络可获自包含主体和具有合 适的客体官能团的一种或多种聚合物的含水组合物的络合作用，其中，一种或每种聚合物 具有50kDa或更大的分子量。
2. 根据权利要求1所述的水凝胶，其中，所述主体选自葫芦脲、环糊精、杯[η]芳烃、和 冠醚，以及所述一种或多种聚合物具有适合所述葫芦脲、环糊精、杯[η]芳烃、和冠醚主体 的客体官能团。
3. 根据权利要求2所述的水凝胶，其中，所述主体是葫芦脲，以及所述一种或多种聚合 物具有适合葫芦脲的客体官能团。
4. 根据权利要求3所述的水凝胶，其中，所述葫芦脲是CB[8]。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的水凝胶，其中，所述一种或每种聚合物具有 200kDa或更大的分子量。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的水凝胶，其中，所述水凝胶的含水量是至少 95wt%。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的水凝胶，其中，一种聚合物是亲水性聚合物。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的水凝胶，具有如在37°C下和在5或10%应变的应 变幅度下通过频率扫描测量测得的，在〇. 1至l〇〇rad/S的所有应变值下，相对于损耗模量 (G"）的占优势的储存模量（G'）。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的水凝胶，具有如通过在25°C下的稳定剪切测量 所测得的，在〇. 1至〇. 51/s的剪切速率下至少60Pa s的粘度。
10. 根据权利要求3至9中任一项所述的水凝胶，其中，所述网络可获自（a)包含葫芦 脲和（1)或（2)的含水组合物；或（b)包含多种共价连接的葫芦脲和（1)、（2)或（3)的组 合物的络合作用，以及 (1) 包括共价连接于多个第一葫芦脲客体分子的第一聚合物和共价连接于多个第二葫 芦脲客体分子的第二聚合物，其中第一客体分子和第二客体分子连同葫芦脲一起适合于形 成三元客体-主体络合物； (2) 包括第一聚合物，所述第一聚合物共价连接于多个第一葫芦脲客体分子和多个第 二葫芦脲客体分子，其中第一和第二客体分子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体 络合物，以及可选地所述组合物进一步包括第二聚合物，所述第二聚合物共价连接于一个 或多个第三葫芦脲客体分子、一个或多个第四葫芦脲客体分子或两者，其中第三和第四分 子连同葫芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物，和/或所述第一和第四分子连同葫 芦脲一起适合于形成三元客体-主体络合物，和/或所述第二和第三分子连同葫芦脲一起 适合于形成三元客体-主体络合物；以及 (3) 包括共价连接于多个第一葫芦脲客体分子的第一聚合物，其中所述第一客体分子 连同所述葫芦脲一起适合于形成二元客体-主体络合物，以及可选地所述组合物进一步包 括共价连接于一个或多个第二葫芦脲客体分子的第二聚合物，其中所述第二客体分子连同 所述葫芦脲一起适合于形成二元客体-主体络合物。
11. 根据权利要求10所述的水凝胶，其中，所述含水组合物包含葫芦脲和（2)。
12. 根据权利要求11所述的水凝胶，其中，所述第一聚合物的第一和第二客体分子是 相同的。
13. 根据权利要求12所述的水凝胶，其中，所述第一和第二客体分子是相同的，并且选 自苯丙氨酸和色氨酸。
14. 根据权利要求12所述的水凝胶，其中，所述第一和第二客体分子是苯丙氨酸。
15. 根据权利要求11至14中任一项所述的水凝胶，其中，所述第一聚合物是生物聚合 物。
16. 根据权利要求11至14中任一项所述的水凝胶，其中，所述第一聚合物具有羟基官 能团。
17. 根据权利要求11至15中任一项所述的水凝胶，其中，所述第一聚合物是或包含多 糖。
18. 根据权利要求17所述的水凝胶，其中，所述多糖是纤维素或其官能化衍生物。
19. 根据权利要求17所述的水凝胶，其中，所述多糖是羧甲基纤维素或透明质酸。
20. 根据权利要求10所述的水凝胶，其中，所述含水组合物包含葫芦脲和（1)。
21. 根据权利要求20所述的水凝胶，其中，所述第一聚合物和所述第二聚合物中的一 种或两种具有羟基官能团。
22. 根据权利要求21所述的水凝胶，其中，所述第一聚合物和所述第二聚合物均具有 羟基官能团。
23. 根据权利要求20至22中任一项所述的水凝胶，其中，所述第一聚合物是或包含聚 乙烯醇。
24. 根据权利要求20至22中任一项所述的水凝胶，其中，所述第二聚合物是或包含多 糖。
25. 根据权利要求24所述的水凝胶，其中，所述多糖是纤维素或其官能化衍生物。
26. 根据权利要求20至25中任一项所述的水凝胶，其中，所述第一聚合物的第一和第 二客体分子是相同的。
27. 根据权利要求26所述的水凝胶，其中，所述第一和第二客体分子是相同的，并且选 自苯丙氨酸和色氨酸。
28. 根据权利要求26所述的水凝胶，其中，所述第一和第二客体分子各自是苯丙氨酸。
29. 根据权利要求20至28中任一项所述的水凝胶，其中，在所述含水组合物中所述第 二聚合物的重量是所述第一聚合物的重量的至少5倍。
30. 根据权利要求10至29中任一项所述的水凝胶，其中，在所述含水组合物中所述葫 芦脲的重量相对于第一聚合物的量是〇. 2至2当量。
31. -种水凝胶，具有超分子交联网络，所述超分子交联网络可获自包含主体和具有 合适的客体官能团的一种或多种聚合物的含水组合物的络合作用，其中所述水凝胶保留成 分。
32. 根据权利要求31所述的水凝胶，其中，所述主体选自葫芦脲、环糊精、杯[η]芳烃、 和冠醚，以及所述一种或多种聚合物具有适合所述葫芦脲、环糊精、杯[η]芳烃、和冠醚主 体的客体官能团。
33. 根据权利要求32所述的水凝胶，其中，所述主体是葫芦脲，以及所述一种或多种聚 合物具有适合葫芦脲的客体官能团。
34. 根据权利要求33所述的水凝胶，其中，所述葫芦脲是CB [8]。
35. 根据权利要求31所述的水凝胶，其中，所述水凝胶是如在权利要求1至30中任一 项所定义的水凝胶。
36. -种用于制备水凝胶的方法，所述方法包括以下步骤：在水溶液中，使主体、和具 有合适的客体官能团的一种或多种聚合物的混合物接触，从而形成超分子交联网络，其中 一种或每种聚合物具有50kDa或更大的分子量。
37. 根据权利要求36所述的方法，其中，所述水凝胶是如在权利要求1至30中任一项 所定义的水凝胶。
38. -种用于制备保留成分的水凝胶的方法，其中，所述方法独立地选自方法A或B : (A) 所述方法包括以下步骤：在水溶液中使主体、成分、和具有合适的客体官能团的一 种或多种聚合物的混合物接触，从而产生保留成分的水凝胶；以及 (B) 所述方法包括以下步骤：提供根据权利要求1至30中任一项所述的水凝胶，然后 在成分存在下搅拌所述水凝胶，从而将所述成分结合入所述水凝胶。
39. 根据权利要求38所述的方法，其中，所述方法是A。
40. 根据权利要求38或39所述的方法，其中，保留成分的所述水凝胶是如在权利要求 31至35中任一项所定义的。
41. 一种将成分递送到位置的方法，所述方法包括以下步骤： (i) 提供根据权利要求31至35中任一项所述的保留成分的水凝胶； (ii) 使得在目标位置处可获得所述水凝胶； (iii) 从所述水凝胶中释放所述成分。
42. -种水凝胶，所述水凝胶是由权利要求1至35中任一项所述的水凝胶通过在所述 水凝胶中在一种或多种聚合物之间形成共价连接或交联获得或可获得的。
43. 根据权利要求42所述的水凝胶，其中，在三元络合物中的客体分子之间形成所述 共价连接或交联。
44. 一种用于制备具有超分子交联网络的水凝胶的方法，其中，所述水凝胶形成自聚合 物的共价交联和/或聚合物与另一种聚合物的共价连接，所述方法包括以下步骤： (i)提供具有超分子交联网络的水凝胶，所述超分子交联网络可获自包含主体、和具有 合适的客体官能团的一种或多种聚合物的含水组合物的三元络合作用； ii)允许所述一种或多种聚合物进行反应，从而形成连接所述一种或多种聚合物的共 价键。
45. 根据权利要求44所述的方法，其中，在步骤（ii)中，所述共价连接或交联形成在保 留在三元络合物中的聚合物客体分子之间。
46. 根据权利要求44或45所述的方法，其中，所述主体选自葫芦脲、环糊精、杯[η]芳 烃、和冠醚，以及所述一种或多种聚合物具有适合所述葫芦脲、环糊精、杯[η]芳烃、和冠醚 主体的客体官能团。
47. 根据权利要求46所述的方法，其中，所述主体是葫芦脲，以及所述一种或多种聚合 物具有适合葫芦脲的客体官能团。
48. 根据权利要求47所述的方法，其中，所述葫芦脲是CB [8]。
49. 根据权利要求45至48中任一项所述的方法，其中，保留在络合物中的所述客体分 子响应于光照射或加热进行反应，从而形成所述共价连接或交联。
50. 根据权利要求45至49中任一项所述的方法，其中，保留在络合物中的所述客体分 子在周环反应中进行反应，从而形成所述共价连接或交联。
51. -种共价连接或交联聚合物的方法，所述方法包括以下步骤： (i) 提供非共价连接的一种或多种聚合物，其中所述非共价连接形成自主体的三元络 合物，其中所述主体保留提供在所述一种或多种聚合物上的第一和第二客体分子； (ii) 允许所述一种或多种聚合物进行反应，从而形成连接所述一种或多种聚合物的共 价键。
52. 根据权利要求51所述的方法，其中，在步骤（ii)中，在保留在三元络合物中的聚合 物客体分子之间形成所述共价连接或交联。
53. 根据权利要求51或52所述的方法，其中，所述主体选自葫芦脲、环糊精、杯[η]芳 烃、和冠醚，以及所述一种或多种聚合物具有适合所述葫芦脲、环糊精、杯[η]芳烃、和冠醚 主体的客体官能团。
54. 根据权利要求53所述的方法，其中，所述主体是葫芦脲，以及所述一种或多种聚合 物具有适合葫芦脲的客体官能团。
55. 根据权利要求54所述的方法，其中，所述葫芦脲是CB [8]。
56. 根据权利要求52至55中任一项所述的方法，其中，所述保留在络合物中的客体分 子响应于光照射或加热进行反应，从而形成所述共价连接或交联。
57. 根据权利要求52至56中任一项所述的方法，其中，保留在络合物中的所述客体分 子在周环反应中进行反应，从而形成所述共价连接或交联。
【文档编号】C08G83/00GK104245801SQ201380020985
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年2月20日 优先权日:2012年2月20日
【发明者】奥伦·谢尔曼, 埃里克·阿佩尔, 罗贤俊, 弗兰克·比德尔曼, 马修·罗兰 申请人:剑桥实业有限公司