一种基于胞嘧啶核苷的超分子水凝胶及其制备方法和应用与流程

本发明属于生物医学和药学领域，涉及一种超分子水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

水凝胶是将水溶性化合物通过化学键、物理交缠等方式交联在一起并以水为分散介质形成的三维网络。由于其既具有很高的水分含量，又具有多孔的三维结构，能够维持一定的形态不溶胀不缩塌，水凝胶不仅广泛应用于食品和日用化学品领域，而且作为生物材料已经逐步应用于生物分析检测、药物控释系统、癌症治疗、组织工程等生物医学和药学领域。

超分子化学是关于分子间作用力和分子组装体的化学，这个概念首先由J.M.Lehn于20世纪70年代提出，超分子化学发展到今天，已经成为一门与生物、物理、材料等学科相互交叉的前沿学科。自组装是指包括有机、无机、生物大分子、粒子、离子等在内的基本单元在一定条件下自发地形成有序结构的过程。超分子自组装体通过分级生长形成多级结构是自然界中普遍存在的现象，比如DNA分子的双螺旋结构等。

近年来，依靠结构单元间高度取向的非共价作用力形成超分子聚合物得到广泛关注。在溶液中，单体单元之间通过非共价键相互作用，形成三维网络结构并将水包裹形成超分子水凝胶。相对于普通凝胶，超分子凝胶具有以下优势。(1)生物相容性好；(2)相较于通过共价键交联的水凝胶，超分子水凝胶更容易降解；(3)由于它的多孔结构，可将功能分子直接包埋其中，故超分子水凝胶在药物缓释、组织工程、催化剂等领域具有很高的应用价值。

文献中报道的超分子水凝胶的单体多为具有复杂结构的氨基酸、糖类等的衍生物，且合成方法繁琐、复杂。另外，核苷在某些金属离子存在的情况下会发生错配，例如G-K⁺-G、C-Ag⁺-C、T-Hg²⁺-T等。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于胞嘧啶核苷的超分子水凝胶及其制备方法，所述方法简单、高效，价格低廉，制备的超分子水凝胶水分含量高。

本发明以胞嘧啶核苷、硼酸和硝酸银为原料、通过硼酸二酯键和银离子与核苷碱基之间的金属配位键共同交联，获得无色、高透光性的水凝胶，其具有触变性，同时兼具良好的抗菌性能和促进创伤愈合的能力。

本发明提出的超分子水凝胶，通过银离子与胞嘧啶核苷碱基之间形成的配位键，以及硼酸与胞嘧啶核苷五碳糖上的羟基形成的硼酸二酯键共同交联而成，包括以下组分：

胞嘧啶核苷为10-100mM；硼酸为5-50mM；硝酸银为5-50mM。

为了使水凝胶清澈透明，硝酸银的摩尔浓度优选为10mM。

本发明中，所述超分子水凝胶水分含量可达98.3％，长时间维持一定的形态不溶胀、不缩塌，并且，所述超分子水凝胶具有极好的杀菌效果和生物相容性。

该超分子水凝胶通过胞苷与银离子之间的配位键以及硼酸与胞苷之间的硼酸二酯键的共同作用下形成。由于胞苷与银离子之间的配位键的作用力相对于化学键较弱，因此凝胶相较于普通的高分子凝胶在宏观上具有触变——即当给予该水凝胶一定的压力时，该凝胶会由凝胶态转变为溶液态，当压力消失后，该凝胶又由溶液态回到初始的凝胶态。由于这种触变性，该凝胶可以通过针筒等注射出来，从而用作3D打印的“墨水”，这是普通的高分子凝胶所不具备的。

本发明还提出了一种超分子水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

a)称取一定量的胞嘧啶核苷，加入一定量的超纯水，超声处理使固体完全溶解，得到0.5mol/L的胞嘧啶核苷水溶液；

其中，所述一定量的胞嘧啶核苷是指1.2161g

其中，所述一定量的超纯水是指10ml

其中，所述超声处理的条件1分钟。

b)称取一定量的硼酸，用超纯水溶解，得到0.5mol/L硼酸溶液；

其中，所述一定量的硼酸是指15.4572g。

其中，所述超纯水的用量为500ml。

c)称取一定量的硝酸银，配制0.5mol/L硝酸银溶液；

其中，所述一定量的硝酸银是指0.8491g

d)按照上述水凝胶的组分将步骤a)b)c)所得溶液各取80微升、40微升、40微升混合，加入840微升超纯水定容，立即振荡使之混合均匀，静置3-5秒，得到所述超分子水凝胶。

本发明中，胞嘧啶核苷为10-100mM；硼酸为5-50mM；硝酸银为5-50mM。

本发明中，所述步骤a)～d)在温度为25摄氏度的条件下进行。

本发明的反应机理为：以胞嘧啶核苷、硼酸和硝酸银为原料、通过硼酸二酯键和银离子与核苷碱基之间的金属配位键共同交联，获得无色、高透光性的水凝胶。

本发明的超分子水凝胶是目前首次利用银离子与胞苷之间的配位作用合成的水凝胶。与普通高分子凝胶不同的是，由于该凝胶是利用配位键交联的水凝胶，其中的配位作用是可逆的，因此该凝胶具有触变性。

本发明还提出了将所述超分子水凝胶用于药物缓释中的应用。

本发明还提出了将所述超分子水凝胶用于组织工程中的应用。

本发明还提出了将所述超分子水凝胶用于3D打印领域中的应用。

将该水凝胶转移到注射器中，由于该凝胶具有良好的触变性，可以推动注射器将凝胶注射在玻璃片上，打印出想要的水凝胶图案，效果见图4。

本发明的有益效果包括：

(a)本发明的超分子水凝胶制备方法简单，操作性强，且制备的超分子水凝胶性能稳定，生物相容性好。

(b)本发明的超分子水凝胶具有高效快速、高水分含量、高透明度的特点。

(c)本发明的超分子水凝胶具有触变性，在3D打印领域具有潜在的应用价值。

(d)本发明的超分子水凝胶有极好的抗菌效果，并且能促进创伤愈合；如用于小鼠创伤愈合。

附图说明

图1：图1a实施例1制备的超分子水凝胶流变学频率扫描图，其中，超分子水凝胶中胞嘧啶核苷、硼酸与硝酸银的摩尔浓度分别为50mM、25mM、50mM；图1b为实施例2制备的超分子水凝胶流变学频率扫描图，其中，超分子水凝胶中胞嘧啶核苷、硼酸与硝酸银的摩尔浓度分别为50mM、25mM、25mM；图1c为实施例3制备的超分子水凝胶流变学频率扫描图，其中，超分子水凝胶中胞嘧啶核苷、硼酸与硝酸银的摩尔浓度分别为50mM、25mM、5mM。

图2为实施例4～6制备的超分子水凝胶流变学频率扫描图，实施例4中超分子水凝胶中胞嘧啶核苷、硼酸与硝酸银的摩尔浓度分别为100mM、100mM、50mM，实施例5中超分子水凝胶中胞嘧啶核苷、硼酸与硝酸银的摩尔浓度分别为100mM、50mM、50Mm；实施例6中超分子水凝胶中胞嘧啶核苷、硼酸与硝酸银的摩尔浓度分别为100mM、25mM、50mM。

图3为本发明实施例2制备的超分子水凝胶具有高的透明度。

图4为本发明实施例2制备的超分子水凝胶触变性。

图5为本发明实施例2制备的超分子水凝胶用于3D打印的应用。

图6为本发明实施例7制备的超分子水凝胶的抗菌效果。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

实施例1

a)胞嘧啶核苷储备液的配制

准确称取1.22g胞嘧啶核苷，转移至小试剂瓶中，常温下用移液器加入10ml超纯水，超声震荡使其完全溶解，即得到10ml0.5mol/L胞嘧啶核苷溶液。

b)硼酸储备液的配制

准确称取15.46g硼酸固体于烧杯中，加入超纯水并用玻璃棒搅拌，使其部分溶解，将浑浊液转移至500ml容量瓶中，用水冲洗玻璃棒及烧杯内壁2-3次，并将洗液也全部转移至容量瓶。加水至刻度线下，超声处理直至硼酸完全溶解，加水至刻度线，摇匀，即得到500ml0.5mol/L硼酸储备液。

c)硝酸银溶液的配制

准确称取0.85g硝酸银固体于棕色小试剂瓶内，用移液器加入10ml水，摇匀，直至硝酸银完全溶解，得到10ml 0.5mol/L硝酸银溶液。

d)超分子水凝胶的制备

在5ml样品瓶中加入1.50ml水，用移液器加入200μL步骤a)中的胞嘧啶核苷储备液，摇匀；进一步，用移液器加入100μL步骤b)中的硼酸溶液，振荡以混合均匀；进一步，加入200μL硝酸银溶液，迅速摇匀，室温下静置数秒，得到目标物超分子水凝胶。

所述步骤d)中胞嘧啶核苷、硼酸、硝酸银的摩尔浓度分别为50mM、25mM、50mM。图1a)为所述步骤d)中超分子水凝胶的外观图及剪切频率扫描测试图。

图1a中，在应力恒定的频率扫描测试中，所属步骤d)中得到的水凝胶储能模量G’(80-98Pa)大于损耗模量G”(15-30Pa)，这说明步骤d)中所得产物为水凝胶，并且具有一定的强度。

实施例2

a)胞嘧啶核苷储备液的配制

同实施例1

b)硼酸储备液的配制

同实施例1

c)硝酸银溶液的配制

同实施例1

d)超分子水凝胶的制备

在5ml样品瓶中加入1.60ml水，用移液器加入200μL步骤a)中的胞嘧啶核苷溶液，摇匀；进一步，用移液器加入100μL步骤b)中的硼酸溶液，振荡以混合均匀；进一步，加入100μL步骤c)中的硝酸银溶液，迅速摇匀，室温下静置数秒，得到目标物超分子水凝胶。

所述步骤d)中胞嘧啶核苷、硼酸、硝酸银的摩尔浓度分别为50mM、25mM、25mM。图1b)为所述步骤d)中超分子水凝胶的外观图及剪切频率扫描测试图。

图1b中，在应力恒定的频率扫描测试中，所属步骤d)中得到的水凝胶储能模量G’(230-300Pa)大于损耗模量G”(5-30Pa)，这说明步骤d)中所得产物为水凝胶，并且相较于实例1中所得水凝胶具有较强的强度。

实施例3

a)胞嘧啶核苷储备液的配制

同实施例1

b)硼酸储备液的配制

同实施例1

c)硝酸银溶液的配制

同实施例1

d)超分子水凝胶的制备

在5ml样品瓶中加入1.68ml水，用移液器加入200μL步骤a)中的胞嘧啶核苷溶液，摇匀；进一步，用移液器加入100μL步骤b)中的硼酸溶液，振荡以混合均匀；进一步，加入20μL步骤c)中的硝酸银溶液，迅速摇匀，室温下静置数秒，得到目标物。

所述步骤d)中胞嘧啶核苷、硼酸、硝酸银的摩尔浓度分别为50mM、25mM、5mM。图1c)为所述步骤d)中超分子水凝胶的外观图及剪切频率扫描测试图，图1c中，在应力恒定的频率扫描测试中，所属步骤d)中得到的水凝胶储能模量G’(0.1-3Pa)略大于G”(0.15-3Pa)，这说明步骤d)中所得产物为强度极弱的水凝胶。

从图1abc中可以看出，在胞苷和硼酸的浓度不变的情况下，水凝胶的强度与硝酸银的浓度并非线性关系，而是当硝酸银的浓度是胞苷浓度二分之一的时候得到强度最大的水凝胶。

实施例4

a)胞嘧啶核苷储备液的配制

同实施例1

b)硼酸储备液的配制

同实施例1

c)硝酸银溶液的配制

同实施例1

d)超分子水凝胶的制备

在5ml样品瓶中加入1.00ml水，用移液器加入400μL步骤a)中的胞嘧啶核苷溶液，摇匀；进一步，用移液器加入400μL步骤b)中的硼酸溶液，振荡以混合均匀；进一步，加入200μL步骤c)中的硝酸银溶液，迅速摇匀，室温下静置数秒，得到目标物超分子水凝胶。

所述步骤d)中胞嘧啶核苷、硼酸、硝酸银的摩尔浓度分别为100mM、100mM、50mM。

实施例5

a)胞嘧啶核苷储备液的配制

同实施例1

b)硼酸储备液的配制

同实施例1

c)硝酸银溶液的配制

同实施例1

d)超分子水凝胶的制备

在5ml样品瓶中加入1.20ml水，用移液器加入400μL步骤a)中的胞嘧啶核苷溶液，摇匀；进一步，用移液器加入200μL步骤b)中的硼酸溶液，振荡以混合均匀；进一步，加入200μL步骤c)中的硝酸银溶液，迅速摇匀，室温下静置数秒，得到目标物超分子水凝胶。

所述步骤d)中胞嘧啶核苷、硼酸、硝酸银的摩尔浓度分别为100mM、50mM、50mM。

实施例6

a)胞嘧啶核苷储备液的配制

同实施例1

b)硼酸储备液的配制

同实施例1

c)硝酸银溶液的配制

同实施例1

d)超分子水凝胶的制备

在5ml样品瓶中加入1.30ml水，用移液器加入400μL步骤a)中的胞嘧啶核苷溶液，摇匀；进一步，用移液器加入100μL步骤b)中的硼酸溶液，振荡以混合均匀；进一步，加入200μL步骤c)中的硝酸银溶液，迅速摇匀，室温下静置数秒，得到目标物超分子水凝胶。

所述步骤d)中胞嘧啶核苷、硼酸、硝酸银的摩尔浓度分别为100mM、25mM、50mM。

图2为实施例4、5、6所述水凝胶产物的流变学应力扫描图，储能模量G’越大，凝胶的强度也就越大。从图2中可以看出，在胞苷和硝酸银的浓度不变的情况下，G’与硼酸的浓度并非线性关系，而是当硼酸的浓度是胞苷浓度二分之一的时候得到最大的G’，即此时凝胶的强度最大。

实施例7

a)胞嘧啶核苷储备液的配制

同实施例1

b)硼酸储备液的配制

同实施例1

c)硝酸银溶液的配制

同实施例1

d)超分子水凝胶的制备

在5ml样品瓶中加入1.68ml水，用移液器加入160μL步骤a)中的胞嘧啶核苷溶液，摇匀；进一步，用移液器加入80μL步骤b)中的硼酸溶液，振荡以混合均匀；进一步，加入80μL步骤c)中的硝酸银溶液，迅速摇匀，室温下静置数秒，得到目标物超分子水凝胶。

所述步骤d)中胞嘧啶核苷、硼酸、硝酸银的摩尔浓度分别为40mM、20mM、20mM。

从上述实施例的结果可看出，本发明制备所述超分子水凝胶所用的胞嘧啶核苷、硼酸与硝酸银的摩尔浓度最优选比例为2：1：1。

本发明实施例2制备的超分子水凝胶的水分含量为94.4％-99.2％。

本发明实施例2制备的超分子水凝胶具有高透明度，如图3所示。

本发明实施例2制备的超分子水凝胶“触变性”，如图4所示，当给凝胶施加1Pa的应力时，可以看到此时G’(>10³)远大于G”(<10²)，此时为凝胶态；当应力增大到60Pa时，G’(1)迅速减小至G”(10^-2)以下，凝胶态变为溶液态；而应力再次恢复到1Pa，G’、G”均回到初始值，这说明这种凝胶-溶液的转变是可逆的。

本发明实施例2制备的超分子水凝胶用于3D打印的应用如图5所示。

本发明实施例7制备的超分子水凝胶抗菌效果如图6所示，该水凝胶对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌都有较好的抗菌效果，并且该水凝胶的抗菌效果随着加入凝胶的体积增大而增强。该水凝胶抗金黄色葡萄球菌的效果尤其明显，当加入体积为20微升/毫升时，超过99.999％的金黄色葡萄球菌被杀灭。当加入体积为50微升/毫升时，对三种病原菌的杀灭率都超过99.99％。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。