一种水溶性硫醇封端的PEG官能化POSS交联剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及材料
技术领域：
，尤其涉及一种水溶性硫醇封端的peg官能化poss交联剂及其制备方法和应用。
背景技术：
：水凝胶是一类类似于天然细胞外基质(ecm)的柔性聚合物材料，由于其柔韧性和水合形式，广泛运用于组织工程支架及药物和基因递送基质。其中，聚(乙二醇)(peg)水凝胶是研究最广泛，应用最广泛的柔性水凝胶材料之一，具有良好的生物相容性，亲水性，生物降解性，非免疫原性和抗蛋白质吸附等关键性能；能够通过肾脏排出体外。然而，在特定条件下，水凝胶的“柔软性”已经成为一个缺点，特别是当水凝胶的机械强度远低于某些生物组织时。为了使水凝胶能够应用于高强度生物材料如软骨组织和骨组织，有必要制备具有高机械性能的水凝胶。近年来，一系列高强度水凝胶已经被广泛的报道，如双网络水凝胶、纳米复合水凝胶、拓扑水凝胶、大分子微球复合水凝胶和四臂peg水凝胶等。在这些水凝胶中，纳米复合水凝胶具有更多样化的制备方法和优异的适应性，是结合了无机和有机材料性质的新一代高性能材料。多面体低聚倍半硅氧烷(poss)具有立方笼形纳米结构，分子尺寸在1nm-3nm之间，由核心的si-o-si键组成的无机骨架和外部有机取代基组成的有机-无机杂化结构，具有良好的生物相容性，特殊的表面性能和高机械性能。具有单官能和多官能团的典型poss分子可用于制备poss-peg杂合水凝胶。但是，poss的疏水性是限制它们在生物材料中应用的主要障碍。亲水基团与poss的连接是获得水溶性物质的有效方法之一。聚乙二醇(peg)是水溶性聚合物，通常选择其用其亲水基团改性疏水聚合物。亲水性peg在疏水性poss上共聚合制备peg官能化poss大分子单体，可有效提高poss的水溶性，但是绝大部分制备的poss-peg水凝胶依旧需要在有机溶剂或混合溶剂中制备。水凝胶的制备可通过迈克尔型加成反应，自由基聚合反应和点击反应等制备。但是与自由基引发的聚合和点击反应相比，迈克尔型加成聚合避免了使用具有细胞毒性的自由基引发剂，紫外线和金属催化剂。技术实现要素：针对水凝胶存在的上述问题，现提供一种水溶性硫醇封端的peg官能化poss交联剂及其制备方法和应用，以将具有不同链长的亲水性peg接枝到疏水性八聚巯基多面体低聚倍半硅氧烷上，制备出不同分子量的poss-peg-sh交联剂。具体技术方案如下：本发明的第一个方面是提供一种水溶性硫醇封端的peg官能化poss交联剂，具有这样的特征，其结构如下式所示：其中，r为其中，n＝10-50。本发明的第二个方面是提供一种上述水溶性硫醇封端的peg官能化poss交联剂的制备方法，具有这样的特征，包括如下步骤：1)、在反应瓶中，将第二反应物、第一溶剂、光引发剂混合形成第一反应液，并将第一反应物溶于第一溶剂后滴入第一反应液中，滴加完毕后在紫外光照射下于20-30℃反应7-13h，水洗分液，水相萃取，合并有机相，水洗、干燥、过滤、浓缩后经沉淀、过滤得第一聚合物；其中，第一反应物的结构如下式所示：其中，其中，第二反应物的结构式如下式所示：其中，n＝10-50；2)、在反应瓶中加入羰基活化试剂、催化剂，再于惰性气体保护下加入第二溶剂、碱形成第二反应液，于0-5℃将巯基乙酸滴入第二反应液中，滴加完毕后于0-5℃酰化反应2-6h；将第一聚合物溶于第二溶剂中形成第三反应液，于0-5℃将第三反应液滴入酰化反应后的反应液中，滴加完毕后于0-5℃酯化反应2-10h，再升温至20-26℃反应60-80h，水洗分液，水相萃取，合并有机相，水洗、干燥、过滤、浓缩后经沉淀得水溶性硫醇封端的peg官能化poss交联剂。上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤1)、2)中第一溶剂和第二溶剂均选自二氯甲烷、甲苯、四氢呋喃、乙醇、甲醇、乙酸乙酯、丙酮、甲基叔丁基醚或乙醚中的一种。需要说明的是，本领域的技术人员在本发明的技术体系下应可适当选择、量取溶剂体积。上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤1)中光引发剂、第一反应物和第二反应物的摩尔比为(0.5-2):(1-4):1。上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤1)中光引发剂选自2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮。上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤2)中碱、羰基活化剂、催化剂、巯基乙酸和第一聚合物的摩尔比为(1.5-6):(1.2-5):(1.2-5):(1-4):1。上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤2)中碱选自三乙基胺、二乙胺、n,n-二异丙基乙基胺或苯胺中的一种。上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤2)中羰基活化剂选自1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(edci)。上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤2)中催化剂选自二甲氨基吡啶对甲苯磺酸盐(dpts)。本发明的第三个方面是提供一种上述水溶性硫醇封端的peg官能化poss交联剂在制备凝胶中的应用。本发明提供的水溶性硫醇封端的peg官能化poss交联剂中，将poss官能化链端与修饰后的peg衍生物通过化学键连接，显著改善poss溶解性。本发明提供的水溶性硫醇封端的peg官能化poss交联剂在生理ph条件下对马来酰亚胺基团具有高度特异性，因此通过将该交联剂与四臂聚乙二醇-马来酰亚胺(4-arm-peg-mal)发生迈克尔型加成反应，在低浓度三乙醇胺(tea)缓冲液(ph＝7.4)制成预成胶溶液，然后将预成胶溶液转移至模具中放入37℃生化培养箱中反应，制备出具有高强度的混合杂化水凝胶。本发明提供的水溶性硫醇封端的poss-peg-sh交联剂通过与四臂聚乙二醇-马来酰亚胺(4-arm-peg-mal)交联成胶，制备出了高强度的poss-peg杂化型水凝胶，其孔隙大小、机械强度、降解参数、溶胀性能均可通过改变交联剂的分子量来进行调控，该类杂化型水凝胶能够在3d细胞培养中快速成胶，使封装细胞分布均匀。该类杂化型水凝胶具有生物相容性较好有利于种子细胞的生长、黏附且可水解降解的特点，有成为组织工程支架材料的潜力。附图说明图1为本发明的实施例中提供的poss-peg-sh交联剂的红外光谱图；图2为本发明的实施例中提供的poss-peg-sh交联剂的溶解度测试图；图3为本发明的实施例中提供的poss-peg-sh交联剂的透射电镜测试图；图4为本发明的实施例中提供的水凝胶的胶红外光谱图；图5为本发明的实施例中提供的水凝胶的扫描电镜测试图；图6为本发明的实施例中提供的水凝胶的储能模量的振荡应力扫描图及动态频率扫描图谱；图7为本发明的实施例中提供的高强度poss-peg杂化水凝胶的溶胀性能图及降解性能图；图8a为本发明的实施例中提供的高强度poss-peg杂化水凝胶的体外3d细胞培养活死细胞染色图；图8b为本发明的实施例中提供的高强度poss-peg杂化水凝胶的cck-8细胞活力测定折线图及柱形图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。本发明提供一种水溶性硫醇封端的peg官能化poss交联剂，其制备方法包括如下步骤：1)、在反应瓶中，将第二反应物、第一溶剂、光引发剂混合形成第一反应液，并将第一反应物溶于第一溶剂后滴入第一反应液中，滴加完毕后在紫外光照射下于20-30℃反应7-13h，反应结束后用水(20ml)水洗分离有机相，水相用二氯甲烷(30ml×3)萃取，合并有机相，用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，过滤，滤液浓缩后用甲基叔丁基醚沉淀，过滤、烘干得第一聚合物；其中，第一反应物的结构如下式所示：其中，其中，第二反应物的结构式如下式所示：其中，n＝10-50；2)、在反应瓶中加入羰基活化试剂、催化剂，再于惰性气体保护下加入第二溶剂、碱形成第二反应液，于0-5℃将巯基乙酸滴入第二反应液中，滴加完毕后于0-5℃酰化反应2-6h；将第一聚合物溶于第二溶剂中形成第三反应液，于0-5℃将第三反应液滴入酰化后反应液中，滴加完毕后与0-5℃酯化反应2-10h，再升温至20-26℃反应60-80h，反应结束后用水(30ml)水洗分离有机相，水相用二氯甲烷(30ml×3)萃取，合并有机相，用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，过滤，滤液浓缩后用甲基叔丁基醚沉淀，过滤、烘干得水溶性硫醇封端的peg官能化poss交联剂poss-peg-sh；本实施例中，第一溶剂和第二溶剂均选自二氯甲烷；本实施例中，光引发剂、第一反应物和第二反应物的摩尔比为(0.5-2):(1-4):1，且光引发剂选自2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(dmpa)；本实施例中，碱选自三乙基胺，且碱、edci、dpts、巯基乙酸和第一聚合物的摩尔比为(1.5-6):(1.2-5):(1.2-5):(1-4):1。本发明的实施例1-4中相关物质用量如下表所示：实施例1实施例2实施例3实施例4n值10-1516-2021-2545-50第二反应物/g57.27.98.3dmpa/g0.1010.0990.0820.044第一反应物/g0.7840.7720.6430.344第一聚合物/g44.24.53.8dpts/g3.182.432.0540.93edci/g1.941.4831.2480.567三乙胺/ml1.8731.431.2040.547巯基乙酸/ml0.6810.5210.4380.199将本发明的实施例1-4中提供的水溶性硫醇封端的peg官能化poss交联剂与四臂聚乙二醇马来酰亚胺(4-arm-peg-mal)(mw＝10kda)溶解于ph＝7.4、浓度为4mm的三乙醇胺缓冲液中形成体积为300ul胶溶液，将其转至1ml模具中，于37℃生化培养箱中反应3h，使其充分反应，得水凝胶5-8，水凝胶5-8中相关物质用量如下表所示：实施例5实施例6实施例7实施例8n值10-1516-2021-2545-50poss-peg-sh/mg10.312.815.921.94-arm-peg-mal/mg34.732.229.123.1其中，4-arm-peg-mal的结构式如下式所示：如图1所示，本发明的实施例1提供的交联剂与第二反应物原料相比，1680cm-1处丙烯基的c＝c双键吸收峰消失，在1120cm-1附近出现了极强的c-o-c的不对称伸缩振动吸收峰以及si-o-si的不对称伸缩振动吸收峰；与第一聚合物对比，在2489cm-1处s-h键的伸缩振动吸收峰重新出现，这表明交联剂的成功制备；交联剂的核磁测试进一步证明了交联剂的成功制备：与第二聚合物相比，在5.8-6.4ppm处的c＝c双键消失，与第一聚合物相比，出现新的亚甲基质子峰，化学位移显示接近2.31和2.94ppm的三重峰。同时，在1.36ppm处重新出现巯基峰。如图2所示为交联剂poss-peg-sh在不同温度、不同溶解浓度的溶解度。从图中可清楚的看出，不同分子量的交联剂在不同温度、不同溶解浓度条件下，均有较好的水溶性。但是随着分子量的增加，溶液溶解度会降低会并且在不同温度、不同溶解浓度条件下，溶液会着色并出现混浊，这可能是由于peg的构象变化导致聚合物与水分子之间的亲和力降低。如图3所示为交联剂poss-peg-sh在水中的透射电镜图。从图中可看出，交联剂通过自组装形成聚集体，成为聚合物胶束或聚合物囊泡，这这可能与较长的亲水性peg臂使交联剂在水溶液中更稳定，从而具有较弱的聚集和自组装倾向有关。如图4所示为杂化水凝胶的胶红外光谱图，所有水凝胶的红外光谱图均一致，在3100cm-1处的马来酰亚胺基团的c＝c消失。在2489cm-1的巯基峰消失进一步证实交联剂poss-peg-sh和4-arm-peg-mal之间的反应。这些结果表明poss-peg杂化水凝胶是成功制备的。如图5所示，本发明实施例5-8中提供的杂化水凝胶通过扫描电镜显示，该类水凝胶网络孔隙结构规整，大小均一；随着分子量的增加，水凝胶的孔径逐渐增大。如图6所示，本发明的实施例提供的水凝胶以储能模量(g’)和损耗模量(g”)表征水凝胶的机械性能，结果表明，引入多官能团poss纳米粒子后水凝胶机械强度得到极大提高，具体的，最大可达到15000pa，但随着n值增加，力学性能会降低，这是因为随着水凝胶内部链长缠绕以及包裹导致，水凝胶力学性能虽会降低，但相较于传统peg水凝胶，其力学性能依然显著提升。如图7(a)所示，本发明制备的水凝胶在前10h已经达到较高的溶胀比，并在161h后达到溶胀平衡且溶胀比在800％至2856％之间，表明该类水凝胶仍具有良好的亲水性。图7(b)所示，本发明制备的水凝胶材料降解率在10％至52％之间，表明水凝胶材料具有水解降解性能，并且随着分子量的增加，poss-peg杂化水凝胶降解速率越高，降解速度越快。如图8a及8b所示，本发明中细胞均一封装入水凝胶结构内部，且细胞成活率较好，培养十天后均有较高的细胞活力，说明该水凝胶具有良好的生物相容性、无毒，有利于种子细胞在其内部进行生长、繁殖及粘附，这对于以后运用在组织工程支架材料上具有较为重要的意义。以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。当前第1页12