本发明属于材料技术领域，具体涉及一种新型聚乙丙交酯-聚乙二醇类水凝胶及其制备方法。
背景技术
聚乙丙交酯是一种合成高分子，因其具有良好的生物相容性和降解性能，被用于医用领域。聚乙二醇可以与聚酯类高分子通过共聚的方式形成温度响应性共聚物[nature.,1997,388.60]，比如，聚乙丙交酯-聚乙二醇-聚乙丙交酯[chem.soc.rev.,2008,37]、聚乙二醇-聚己内酯嵌段共聚物[macromolecules.,2006,39,4873]、单甲醚聚乙二醇-聚己内酯嵌段共聚物[tissueeng.,2006,12,2863]等。华中科技大学索进平等合成了多臂聚乙丙交酯-单甲醚聚乙二醇嵌段共聚物，后配置成一定浓度的水溶液，通过共聚物的亲疏水作用使聚合物在水溶液中形成胶束，并对温度具有响应性，利用对温度的响应性得到水凝胶，具有可注射性能[cn102731981b；j.mater.chem.,2012,22,6316]。聚乙丙交酯-聚乙二醇嵌段共聚物可以通过亲水与疏水比例的调控形成温度响应性凝胶，并且可以在形成凝胶过程中装载药物，利用共聚物的降解性能及凝胶的物理特性控制药物的释放速率[biomaterials.,2014,35,8723]。此类嵌段共聚物具有用于细胞装载凝胶的潜力，但是报道很少，mulyasasmita等制备了八臂聚乙二醇-多肽共聚物凝胶，此凝胶用于细胞装载，但水凝胶的降解性能难以控制[j.control.release,2014,191,71]。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种新型聚乙丙交酯-聚乙二醇类水凝胶，同时提供其制备方法是本发明的又一发明目的。
基于上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种新型聚乙丙交酯-聚乙二醇类水凝胶，该水凝胶是由四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物和四臂炔基小分子通过叠氮-炔基之间的点击化学反应得到；
所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的结构式为：
其中x:y的比值为1～9，n:y的比值为1；所述四臂炔基小分子的结构式为：
所述的新型聚乙丙交酯-聚乙二醇类水凝胶的制备方法，由以下步骤制得：1)将四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物加水混合得四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物水溶液；将四臂炔基小分子加水混合得四臂炔基小分子水溶液；2)将四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物水溶液和四臂炔基小分子水溶液混合，加入催化剂继续混合，静置即得；步骤2)中，加入的催化剂为氯化亚铜，催化剂的加入量为混合液总量的0.05～1wt％。
所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物水溶液的质量浓度为15～40wt％、四臂炔基水溶液的质量浓度为10～40wt％，且四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物与四臂炔基小分子的摩尔用量比1：3～4：1。
所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的合成过程为：
ⅰ)线性聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的合成：在反应器中加入0.008mol单甲醚聚乙二醇，加热使之熔融后加入丙交酯和乙交酯，在干燥氮气的保护下加热使其完全熔融，加入0.01g辛酸亚锡，升温至140～160℃，反应6～10h后，加入二氯甲烷和冰乙醚提纯得到中间产物1；将得到的中间产物1溶于二氯甲烷，在氮气保护下搅拌，加入0.001mol三乙胺，排气后加入甲磺酰氯，反应24～36h后得到中间产物2，中间产物2溶于二甲基甲酰胺，并加入叠氮化钠，在80～90℃下反应24～48h，反应液冷至25～30℃，加入去离子水，40～70℃真空干燥即得；所述丙交酯、乙交酯、甲磺酰氯、叠氮化钠和单甲醚聚乙二醇的摩尔比为(1～9)：1：1：1：1；
ⅱ)四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的合成：
先将0.01mol丁二酸酐溶于300ml无水1,4-二氧六环中，加入0.01mol4-二甲氨基吡啶及0.01mol三乙胺在25～30℃下搅拌1h，再加入0.0025mol季戊四醇在25～30℃下反应48～72h；反应结束后加入步骤i)中所得线性聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物并通入氮气保护，分别加入0.005moln,n’-二环己基碳二亚胺与0.005mol4-二甲氨基吡啶，在25～30℃下继续反应24～36h，反应结束后，加入二氯甲烷溶解后，再加入二氯甲烷10倍体积量以上的冰乙醚沉淀得到四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物。
所述四臂炔基小分子的合成过程为：a)先将0.01mol三溴化磷溶于无水乙醚，并加入0.0025mol季戊四醇，在-5～0℃、氮气氛围下800rpm～1000rpm下搅拌15～30min；之后在25～30℃下反应3～5h，反应结束后体系降至-5～0℃，旋蒸出无水乙醚，加入5g碳酸氢钠和5g硫酸镁干燥，所得粗产物用丙酮重新结晶得到中间产物a；b)将0.01mol对羟基苯甲醛溶于250ml二甲基甲酰胺，将步骤a)中所得中间产物a溶入二甲基甲酰胺并加入0.01mol羟基苯甲醛二甲基甲酰胺搅拌，在100℃下反应72h～120h；然后将反应液降至室温，去除溶剂，加入冰水和二氯甲烷清洗得中间产物b；c)将中间产物b在45℃～55℃溶于二甲基甲酰胺，加入0.01mol炔丙胺和0.01mol氰基硼氢化钠并搅拌，在45℃～55℃反应72h～120h，溶剂旋蒸出并冷冻干燥即得四臂炔基小分子。
本发明中水凝胶的结构式为：
与传统类凝胶形成机理不同，本发明的新型聚乙丙交酯-聚乙二醇类水凝胶采用四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物和四臂炔基小分子通过电机化学反应而得，为一种新的水凝胶产品，且采用本发明制备水凝胶的形成时间具有可控性，获得的水凝胶具有良好的生物相容性，可用于药物释放、细胞装载以及生物三维打印技术。
与现有技术相比，本发明的技术优势具体在于：
(1)使用的四臂炔基小分子为实验室合成，一个分子上有四个炔基基团，极大提高了反应速率；
(2)采用的点击化学反应为生物正交性反应，反应选择性高，反应条件温和，制备的水凝胶具有良好的生物相容性；
(3)通过控制四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物水溶液和四臂炔基水溶液的浓度可控制合适的凝胶形成时间，这样可保证当水凝胶用于药物或者细胞时，可以在成胶前使药物或细胞分布均匀，并且易于操作，这是因为，形成凝胶时间过短时，细胞分散不均匀，当时间过长时，则会影响到细胞活性；
(4)本发明使用的四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物和四臂炔基小分子未见文献报道，水凝胶的制备过程步骤简单，可操作性强，有利于本发明在生物医用领域的推广。
附图说明
图1是中间产物1线性聚乙丙交酯-聚乙二醇(图中标号c)、四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物(图中标号a)、线性聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物(图中标号b)的核磁谱图；
图2是中间产物b在cdcl3中的核磁谱图；
图3是制备本发明凝胶的实物流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
一种新型聚乙丙交酯-聚乙二醇类水凝胶，所述水凝胶是由四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物和四臂炔基通过叠氮-炔基之间的点击化学反应得到。
所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的结构式为：
所述四臂炔基小分子的结构式为：
其具体反应式为：
所述新型聚乙丙交酯-聚乙二醇类水凝胶的制备方法，由以下步骤制得：1)将四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物加水混合得四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物水溶液；将四臂炔基加水混合得四臂炔基水溶液；所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物水溶液的浓度为40wt％；所述四臂炔基水溶液的浓度为40wt％；2)取2ml四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物水溶液和1ml四臂炔基水溶液混合，且四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物与四臂炔基小分子的摩尔用量比1：1，并加入催化剂混合，静置15s即得；所述催化剂为氯化亚铜，氯化亚铜的加入量为混合液总量的0.05wt％。制备本发明凝胶的实物流程图见图3所示。图3中a图是静置10s后的拍照图片，体系呈溶液状，b图是静置15s后拍照图片，体系粘度增大，流动性降低，c图是静置30s后拍照图片，体系形成凝胶状，倒置后亦不落下。
所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的合成过程为：
ⅰ)线性聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的合成：在反应器中加入0.008mol单甲醚聚乙二醇(mw＝500～1200)，油浴加热至120℃，熔融后加入丙交酯和乙交酯，在干燥氮气的保护下加热使其完全熔融，加入辛酸亚锡，升温至140℃，反应6h后，使用二氯甲烷和冰乙醚提纯得到中间产物1，具体操作是：先用二氯甲烷对产物进行溶解，后加入冰乙醚，冰乙醚加入量为二氯甲烷的10倍体积以上，取沉淀物，在45℃条件下真空干燥，为中间产物1；将得到中间产物1溶于二氯甲烷，二氯甲烷加入量保证中间产物1溶解即可，在氮气保护下搅拌，加入0.001三乙胺，排气后加入甲磺酰氯，反应24h后得到中间产物2，中间产物2溶于二甲基甲酰胺(完全溶解即可)，并加入叠氮化钠，在80℃下反应24h，反应液冷至25℃，加入反应液体积三倍以上的去离子水，60℃真空干燥过夜即得；所述丙交酯、乙交酯、甲磺酰氯、叠氮化钠和单甲醚聚乙二醇的摩尔比为1：1：1：1：1；
其具体合成反应式为：
ⅱ)四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的合成：
先将0.01mol丁二酸酐溶于300ml无水1,4-二氧六环中，加入0.01mol4-二甲氨基吡啶及0.01mol三乙胺在25℃下搅拌1h，其中4-二甲氨基吡啶与丁二酸酐摩尔比为1:1，再加入0.0025mol季戊四醇于在25℃下反应48h；反应结束后加入步骤i)中所得线性聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物并通入氮气保护，分别加入0.005moln,n’-二环己基碳二亚胺与0.005mol4-二甲氨基吡啶，在25℃下继续反应24h，反应结束后，将产物溶于二氯甲烷(溶解产物即可)，再加入二氯甲烷10倍体积以上的冰乙醚沉淀得到四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物。
其反应式为：
先是羧基化季戊四醇：
再是四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的合成：
所述四臂炔基小分子的合成过程为：
a)先将0.01mol三溴化磷溶于无水乙醚，并加入0.0025mol季戊四醇，在0℃、氮气氛围下800rmp下搅拌15min；之后在25℃下反应3h，反应结束后体系降至0℃，旋蒸出无水乙醚，有机相加入5g碳酸氢钠和5g硫酸镁干燥，所得粗产物用丙酮重新结晶得到中间产物a；
b)将0.01mol对羟基苯甲醛溶于250ml二甲基甲酰胺，将步骤a)中所得中间产物a溶入二甲基甲酰胺(达到溶解即可)并加入0.01mol羟基苯甲醛二甲基甲酰胺搅拌，在100℃下反应72h；然后将反应液降至室温，去除溶剂，并使用冰水和二氯甲烷(冰水和二氯甲烷体积比1：1)清洗得中间产物b；
c)将中间产物b在50℃溶于二甲基甲酰胺，加入0.01mol炔丙胺和0.01mol氰基硼氢化钠并搅拌，在50℃反应96h，溶剂旋蒸出并冷冻干燥即得四臂炔基小分子。
所述四臂炔基的合成反应式为：
实施例2
本实施例中，所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的合成过程为：
ⅰ)线性聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的合成：在反应器中加入0.008mol单甲醚聚乙二醇(mw＝500～1200)，加热使之熔融后加入丙交酯和乙交酯，在干燥氮气的保护下加热使其完全熔融，加入0.01g辛酸亚锡，升温至140℃，反应10h后，加入二氯甲烷和冰乙醚提纯得到中间产物1(先用二氯甲烷对产物进行溶解，后加入冰乙醚，冰乙醚加入量为二氯甲烷的10倍体积以上，取沉淀物，在20℃条件下真空干燥，为中间产物1)；将得到的中间产物1溶于二氯甲烷，完成溶解即可，在氮气保护下搅拌，加入0.001mol三乙胺，排气后加入甲磺酰氯，反应24h后得到中间产物2，中间产物2溶于二甲基甲酰胺，完全溶解即可，并加入叠氮化钠，在80℃下反应48h，反应液冷至25℃，加入去离子水，40℃真空干燥即得；所述丙交酯、乙交酯、甲磺酰氯、叠氮化钠和单甲醚聚乙二醇的摩尔比为2：1：1：1：1；
ⅱ)四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的合成：
先将0.01mol丁二酸酐溶于300ml无水1,4-二氧六环中，加入0.01mol4-二甲氨基吡啶及0.01mol三乙胺在25℃下搅拌1h，其中，4-二甲氨基吡啶与丁二酸酐的摩尔比是1:1，再加入0.0025mol季戊四醇在25℃下反应72h；反应结束后加入步骤i)中所得线性聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物并通入氮气保护，分别加入0.005moln,n’-二环己基碳二亚胺与0.005mol4-二甲氨基吡啶，在25℃下继续反应24h，反应结束后，加入二氯甲烷溶解后，再加入二氯甲烷10倍体积量以上的冰乙醚沉淀得到四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物。
所述四臂炔基小分子的合成过程为：a)先将0.01mol三溴化磷溶于无水乙醚，并加入0.0025mol季戊四醇，在-5℃、氮气氛围下800rpmrpm下搅拌30min；之后在25℃下反应5h，反应结束后体系降至-5℃，旋蒸出无水乙醚，加入5g碳酸氢钠和5g硫酸镁干燥，所得粗产物用丙酮重新结晶得到中间产物a；b)将0.01mol对羟基苯甲醛溶于250ml二甲基甲酰胺，将步骤a)中所得中间产物a溶入二甲基甲酰胺(溶解即可)并加入0.01mol羟基苯甲醛二甲基甲酰胺溶液中并搅拌，在100℃下反应72h；然后将反应液降至室温，去除溶剂，加入冰水和二氯甲烷(冰水和二氯甲烷体积比1：1)清洗得中间产物b；c)将中间产物b在45℃～55℃溶于二甲基甲酰胺，加入0.01mol炔丙胺和0.01mol氰基硼氢化钠并搅拌，在45℃反应120h，溶剂旋蒸出并冷冻干燥即得四臂炔基小分子。
其余同实施例1。
实施例3
本实施例中，所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的合成过程为：
ⅰ)线性聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的合成：在反应器中加入0.008mol单甲醚聚乙二醇(mw＝500～1200)，加热使之熔融后加入丙交酯和乙交酯，在干燥氮气的保护下加热使其完全熔融，加入0.01g辛酸亚锡，升温至160℃，反应6h后，加入二氯甲烷和冰乙醚提纯得到中间产物1(先用二氯甲烷对产物进行溶解，后加入冰乙醚，冰乙醚加入量为二氯甲烷的10倍体积以上，取沉淀物，在60℃条件下真空干燥，为中间产物1)；将得到的中间产物1溶于二氯甲烷，完成溶解即可，在氮气保护下搅拌，加入0.001mol三乙胺，排气后加入甲磺酰氯，反应24～36h后得到中间产物2，中间产物2溶于二甲基甲酰胺，完全溶解即可，并加入叠氮化钠，在90℃下反应24h，反应液冷至30℃，加入去离子水，70℃真空干燥即得；所述丙交酯、乙交酯、甲磺酰氯、叠氮化钠和单甲醚聚乙二醇的摩尔比为9：1：1：1：1；
ⅱ)四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物的合成：
先将0.01mol丁二酸酐溶于300ml无水1,4-二氧六环中，加入0.01mol4-二甲氨基吡啶及0.01mol三乙胺在30℃下搅拌1h，其中，4-二甲氨基吡啶与丁二酸酐的摩尔比是1:1，再加入0.0025mol季戊四醇在30℃下反应48h；反应结束后加入步骤i)中所得线性聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物并通入氮气保护，分别加入0.005moln,n’-二环己基碳二亚胺与0.005mol4-二甲氨基吡啶，在30℃下继续反应24h，反应结束后，加入二氯甲烷溶解后，再加入二氯甲烷10倍体积量以上的冰乙醚沉淀得到四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物。
所述四臂炔基小分子的合成过程为：a)先将0.01mol三溴化磷溶于无水乙醚，并加入0.0025mol季戊四醇，在0℃、氮气氛围下1000rpm下搅拌30min；之后在30℃下反应3h，反应结束后体系降至0℃，旋蒸出无水乙醚，加入5g碳酸氢钠和5g硫酸镁干燥，所得粗产物用丙酮重新结晶得到中间产物a；b)将0.01mol对羟基苯甲醛溶于250ml二甲基甲酰胺，将步骤a)中所得中间产物a溶入二甲基甲酰胺(溶解即可)并加入0.01mol羟基苯甲醛二甲基甲酰胺溶液中并搅拌，在100℃下反应120h；然后将反应液降至室温，去除溶剂，加入冰水和二氯甲烷(冰水和二氯甲烷体积比1：1)清洗得中间产物b；c)将中间产物b在55℃溶于二甲基甲酰胺，加入0.01mol炔丙胺和0.01mol氰基硼氢化钠并搅拌，在45℃反应72h，溶剂旋蒸出并冷冻干燥即得四臂炔基小分子。
其余同实施例1。
实施例4
本实施例中，与实施例1不同之处在于，所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物水溶液的浓度为30wt％、四臂炔基水溶液的浓度为30wt％，且四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物与四臂炔基小分子的摩尔用量比1：2。静置时间为30s，氯化亚铜的加入量为混合液总量的1wt％。其余同实施例1。
实施例5
本实施例中，与实施例1不同之处在于，所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物水溶液的浓度为20wt％、四臂炔基水溶液的浓度为20wt％，且四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物与四臂炔基小分子的摩尔用量比1：3，静置时间为30s，氯化亚铜的加入量为混合液总量的0.08wt％。其余同实施例1。
实施例6
本实施例中，与实施例1不同之处在于，所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物水溶液的浓度为15wt％、四臂炔基水溶液的浓度为40wt％，且四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物与四臂炔基小分子的摩尔用量比4：1，二者的体积用量分别为3ml和1ml，静置时间为25s，其余同实施例1。
实施例7
本实施例中，与实施例1不同之处在于，所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物水溶液的浓度为15wt％、四臂炔基水溶液的浓度为30wt％，且四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物与四臂炔基小分子的摩尔用量比2：1，二者的体积用量分别为3ml和1.5ml，静置时间为30s，其余同实施例1。
实施例8
本实施例中，与实施例1不同之处在于，所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物水溶液的浓度为30wt％、四臂炔基水溶液的浓度为20wt％，且四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物与四臂炔基小分子的摩尔用量比3：1，二者的体积用量分别为2ml和1.5ml，静置时间为25s，其余同实施例1。
实施例9
本实施例中，与实施例1不同之处在于，所述四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物水溶液的浓度为30wt％、四臂炔基水溶液的浓度为10wt％，且四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物与四臂炔基小分子的摩尔用量比4：1，其余同实施例1。
结构表征：
为说明发明效果，对得到的中间产物1、四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物、线性聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物剂型核磁测试，结果见表图1所示。
图1的核磁谱图中，标号c为是中间产物1线性聚乙丙交酯-聚乙二醇、标号a为四臂聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物、标号b为线性聚乙丙交酯-聚乙二醇-叠氮共聚物；图2展示的是中间产物b在cdcl3中的核磁谱图；由图1和图2可知，所得产物即为所需目标产物。