本發(fā)明屬于超分子材料，具體涉及到一種光致異構(gòu)手性水凝膠材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、水凝膠是一種被水充分稀釋的交聯(lián)體系，具有三維網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)的高分子結(jié)構(gòu)，其含有大量的親水基團(tuán)，可將水填充在其內(nèi)，使得水凝膠整體力學(xué)性能與軟組織相似。從而使得水凝膠兼具固體和液體兩方面的性質(zhì)，具有應(yīng)答外部環(huán)境而改變自身形狀的特性。水凝膠在作為組織工程材料時(shí)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)水凝膠內(nèi)部含有大量的水，有效維持組織微環(huán)境平衡；(2)生物相容性良好，組織刺激性較低；(3)可原位凝膠化或通過注射填充任意形狀的空腔。以上特點(diǎn)使水凝膠在生物醫(yī)學(xué)，如生物支架、細(xì)胞培養(yǎng)、藥物控釋、生物傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2、手性是自然界最重要的化學(xué)信號(hào)之一，不僅在遺傳信息的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的形成和蛋白質(zhì)功能化等方面有著重要影響，細(xì)胞外基質(zhì)(ecm)手性在維持細(xì)胞黏附、生長(zhǎng)、增殖和正常功能方面起到了決定作用。螺旋手性是生命體中重要的手性表現(xiàn)形式，在生物體內(nèi)參與了許多重要的生理過程，并且對(duì)手性分子的生物學(xué)效應(yīng)具有重要影響。螺旋手性結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)、多糖、核酸等生物大分子通過π-π堆積作用、氫鍵、靜電相互作用和范德華力等非共價(jià)鍵作用形成的，這些非共價(jià)鍵作用是構(gòu)筑超分子結(jié)構(gòu)的主要作用力，是自然體系將生物體的基本單元的分子手性轉(zhuǎn)移和放大為超分子手性結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。具有螺旋手性的超分子手性水凝膠材料，由于其具有獨(dú)特的手性螺旋結(jié)構(gòu)、良好的生物相容性、化學(xué)成分可控、易于功能化和動(dòng)態(tài)可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，在細(xì)胞三維培養(yǎng)中能夠提供類似于ecm的三維(3d)微環(huán)境，使得細(xì)胞能夠在更接近體內(nèi)自然狀態(tài)下生長(zhǎng)和分化。因此構(gòu)筑新的超分子手性水凝膠材料是目前仿生材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

3、專利cn?114106305a公開了手性均一且可控的超分子水凝膠因子的制備方法，包括如下步驟：s1、將對(duì)苯基酰氯或異氰酸酯與苯丙氨酸甲酯鹽酸鹽溶于有機(jī)溶劑，堿性環(huán)境下生成二酯中間產(chǎn)物；s2、將中間產(chǎn)物脫甲酯后鹽酸調(diào)ph值，產(chǎn)生白色沉淀，過濾、沖洗、真空干燥得二酸中間產(chǎn)物；s3、將中間產(chǎn)物與二甘醇胺或3-氨基-1,2-丙二醇在活化劑和酰胺縮合劑作用下進(jìn)行縮合，經(jīng)分離純化后即得超分子水凝膠因子。適用于商業(yè)化細(xì)胞三維培養(yǎng)支架材料等。在該方法s2步驟用強(qiáng)堿脫甲酯，強(qiáng)堿用量和反應(yīng)時(shí)間控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物消旋。另外，s3步驟的后續(xù)處理是除去溶劑，直接加水形成水凝膠、抽濾、水洗，在水凝膠形成過程中易裹挾活化劑，且水洗不容易除去，增加提純難度。

4、此外光致異構(gòu)是一種在光照條件下，分子發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致其宏觀性能出現(xiàn)不同變化的現(xiàn)象。光致異構(gòu)在光驅(qū)動(dòng)分子馬達(dá)、光致變色探針、光信息存儲(chǔ)、光開關(guān)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種光響應(yīng)性的二苯乙烯基凝膠材料，提供一種光致異構(gòu)手性水凝膠材料及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明利用超分子自組裝把苯丙氨酸的手性分子放大傳遞到超分子結(jié)構(gòu)中，利用二苯乙烯的光致異構(gòu)改變超分子結(jié)構(gòu)的分子構(gòu)象和超分子水凝膠的形貌，實(shí)現(xiàn)水凝膠材料對(duì)細(xì)胞的三維黏附和釋放。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種光致異構(gòu)手性水凝膠材料，所述光致異構(gòu)手性水凝膠材料結(jié)構(gòu)式分別如式(ⅰ)或式(ⅱ)所示：

4、

5、所述光致異構(gòu)手性水凝膠材料的制備方法，包括如下步驟：

6、(1)將boc-l-苯丙氨酸或boc-d-苯丙氨酸、二甘醇胺和n,n-二異丙基乙胺(dipea)，1-羥基苯并三唑(hobt)溶解在二氯甲烷(有機(jī)溶劑i)中，先冰浴反應(yīng)，然后加入和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽(edci)繼續(xù)反應(yīng)，經(jīng)除雜后處理得到酰胺縮合產(chǎn)物，其中n,n-二異丙基乙胺(dipea)提供堿性環(huán)境，1-羥基苯并三唑(hobt)為活化劑，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽(edci)為縮合劑，酰胺縮合產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式分別如式(iii)boc-l-f或式(iv)boc-d-f所示：

7、

8、反應(yīng)方程式為：

9、

10、(2)步驟(1)所得酰胺縮合產(chǎn)物加入到二氯甲烷(有機(jī)溶劑i)與三氟乙酸的混合溶液中，室溫反應(yīng)3h后，反應(yīng)脫去保護(hù)基(boc-)，然后旋蒸除去溶液和剩余三氟乙酸，得到三氟乙酸鹽，結(jié)構(gòu)式如式(v)l-f-三氟乙酸鹽或式(vi)d-f-三氟乙酸鹽所示：

11、

12、(3)在惰性氣體保護(hù)下，將4,4′-二苯乙烯二羧酸和二氯亞砜進(jìn)行酰氯化反應(yīng)，后處理除雜后，得到4,4'-二苯乙烯二酰氯，結(jié)構(gòu)如式(vii)所示：

13、

14、(4)將所述三氟乙酸鹽、4,4'-二苯乙烯二酰氯溶解在二氯甲烷中，冰浴條件反應(yīng)，然后加入有機(jī)堿三乙胺避光反應(yīng)，然后過濾洗滌干燥得到光致異構(gòu)手性水凝膠材料。

15、所述步驟(1)中boc-l-苯丙氨酸或boc-d-苯丙氨酸、二甘醇胺、dipea、hobt、edci的摩爾比為1:(1-3):(1-4):(1-3):(1-4)。

16、所述步驟(1)中冰浴反應(yīng)的時(shí)間為20-50min，繼續(xù)反應(yīng)的條件為冰浴中反應(yīng)20-50min，然后升溫至20-40℃反應(yīng)12-24h；所述步驟(1)、(2)和(4)中的二氯甲烷溶劑(有機(jī)溶劑i)還可以替換為n-甲基甲酰胺或四氫呋喃。

17、所述步驟(1)中所述除雜后處理包括，依次用飽和氯化銨溶液、飽和碳酸氫鈉溶液、飽和氯化鈉溶液洗滌；采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥；采用乙酸乙酯和石油醚重結(jié)晶，然后油泵抽干。

18、所述步驟(2)中酰胺縮合產(chǎn)物與三氟乙酸的摩爾比為1:(1-3)；三氟乙酸與有機(jī)溶劑i的體積比為1:(1-5)；反應(yīng)條件為室溫反應(yīng)30min-4h。

19、所述步驟(3)酰氯化反應(yīng)中加有催化劑，所述催化劑為二甲基甲酰胺(dmf)，酰氯化反應(yīng)的條件為60-100℃回流3-10h；優(yōu)選為75-85℃反應(yīng)3-10h；亞硫酰氯相對(duì)于4,4′-二苯乙烯二羧酸過量，4,4′-二苯乙烯二羧酸、二氯亞砜和催化劑dmf的摩爾比為1：(3-7)：(0.3-0.6)，后處理除雜工藝為通過減壓蒸發(fā)除去亞硫酰氯(二氯亞砜)。

20、所述步驟(4)中4,4'-二苯乙烯二酰氯：三氟乙酸鹽：三乙胺的物質(zhì)的量的比為1:(2.0-2.5):(10-15)。

21、所述步驟(4)中三氟乙酸鹽中間產(chǎn)物的濃度為0.02～0.3mmol/ml；避光反應(yīng)的時(shí)間為16-24h；洗滌方法包括，采用去離子水和稀鹽酸(0.1-1mol/l)依次洗滌。

22、所述光致異構(gòu)手性水凝膠材料在細(xì)胞三維培養(yǎng)和釋放方面或在藥物控制釋放載體中的應(yīng)用。

23、本發(fā)明具有以下有益效果：

24、(1)本發(fā)明利用二乙烯基-苯丙氨酸衍生物在反式構(gòu)象下自組裝形成光響應(yīng)的水凝膠體系，芳香基團(tuán)更大，有更強(qiáng)的芳香堆積作用，得到的水凝膠更穩(wěn)定。

25、(2)本發(fā)明中二苯乙烯的加入使水凝膠具有光響應(yīng)性。制備的水凝膠可用于3d細(xì)胞封裝，在光照(λ＝365nm)下二苯乙烯從反式構(gòu)象異構(gòu)化為順式構(gòu)象，使水凝膠坍塌，觸發(fā)細(xì)胞釋放。這項(xiàng)工作允許光對(duì)材料特性或化學(xué)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，材料具有良好生物相容性、可降解、智能型。光誘導(dǎo)凝膠結(jié)構(gòu)或凝膠幾何的變化影響其凝膠特性，通過精確控制的“開-關(guān)”，在空間和時(shí)間上控制被封裝細(xì)胞的微環(huán)境。

26、(3)本發(fā)明細(xì)胞三維培養(yǎng)和釋放的光致異構(gòu)手性水凝膠材料是由單一對(duì)映體構(gòu)建的手性納米纖維，手性易于調(diào)控，具有合成簡(jiǎn)單、生物相容性良好、可降解的優(yōu)點(diǎn)，可望在細(xì)胞組織培養(yǎng)和其他醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有獨(dú)特的應(yīng)用。

27、(4)本發(fā)明中細(xì)胞三維培養(yǎng)和釋放的光致異構(gòu)手性水凝膠材料能夠在生理?xiàng)l件下實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的黏附和釋放，操作方便，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

28、(5)本發(fā)明涉及的光致異構(gòu)手性水凝膠材料，在制備過程中避免了長(zhǎng)時(shí)和強(qiáng)堿環(huán)境的反應(yīng)條件，降低了手性消旋的可能性；實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)步驟優(yōu)化，在后處理過程中避開了不容易除去的活化劑等雜質(zhì)，提純相對(duì)容易。