一种DNA碱基对交联的超分子水凝胶的制备方法

摘要

本发明的一种DNA碱基对交联的超分子水凝胶的制备方法，分别对腺嘌呤和胸腺嘧啶改性，获得接有双键的碱基单体，以水为溶剂，与亲水性单体丙烯酰胺经引发剂过硫酸钾热引发，由自由基共聚形成三维网状结构的高分子聚合物，聚合物依靠DNA碱基对的互补配对的氢键作用，获得DNA碱基对交联的超分子水凝胶。本发明是将生物体内含有的碱基对引入到聚丙烯酰胺水凝胶中，不只是末端接入，而是将碱基对镶嵌到高分子链段内，使链与链间存在大量的碱基对氢键作用，影响力学性能并对盐和pH有更强和更灵敏的响应。并排除了有机溶剂影响，具有良好的生物相容性、粘性、pH和盐响应性，可用于基因传递、基因治疗、药物可控释放及组织工程等领域。

说明书

技术领域

本发明属于高分子水凝胶技术领域，涉及一种DNA碱基对交联的超分子水凝胶制备方法。

背景技术

随着超分子科学的建立，超分子水凝胶也开始被大家广泛关注，与传统的化学交联水凝胶相比，超分子水凝胶的三维网络结构是由弱相互作用诱导形成，由于弱相互作用对外界刺激响应灵敏且常常具有一定的可逆性，因此，超分子水凝胶不仅保持了传统水凝胶高水含量、生物相容性、环境友好等性质，而且常兼具应激响应、自愈合等优异性质。目前，超分子水凝胶中的氢键作用大多是非生物体内的分子间的氢键作用，而对生物体内含有的DNA碱基对的氢键作用的引用却很少见。DNA是自然界长期进化所选择的基因载体，而碱基对恰是DNA储存和表达遗传信息的基因密码，并且碱基对具有的独特性质是其他任何分子都无法替代的。

现在，文献中有关碱基对水凝胶的报道都是将碱基对引入到水凝胶体系中大分子链段的一端或两端来形成链段间的氢键作用，但这类水凝胶的主要交联作用为链段间的定向排列堆积作用，具有结构不稳定的缺点。并且此类水凝胶大多在有机溶剂中成胶后用去离子水移除有机溶剂，但无论如何洗涤都会存在溶剂残留，而有机溶剂对人体具有一定的刺激性和毒性并会产生不良反应，这就使此类水凝胶在生物应用上受到了限制。

聚丙烯酰胺水凝胶具有一定的生物相容性,可应用于人体软组织填充材料，已被批准用于注射隆胸隆臀等美容手术，但其结构不稳定，长时间吸水溶胀后无法保持其原来形状，成为溶胶状态，这就在很大程度上限制了其应用范围。

中国专利（CN103694426A）描述了一种通过对碱基对修饰后引入到聚合物的末端，通过两个碱基之间形成互补的碱基对，碱基对之间形成的氢键具有盐和pH响应性，虽然，该聚合物可在海水淡化和个人保健等方面有应用，但该发明具有结构不稳定和因碱基含量少对盐和pH响应缓慢的缺点。

发明内容

为了解决已有技术的问题，本发明目的是将生物体内含有的碱基对引入到聚丙烯酰胺水凝胶聚合物体系中，不只是末端接入，而是将碱基对镶嵌到高分子链段内，使链与链间存在大量的碱基对氢键作用，影响其力学性能并使其具有了对盐和pH更强和更灵敏的响应性。且本发明在水中得到水凝胶，这就排除了有机溶剂的影响。因此，具有更高的生物相容性和生物适应性。

本发明通过自由基聚合的方法制备一种DNA碱基对交联的超分子水凝胶，该方法包括：腺嘌呤和胸腺嘧啶先经过丙烯酰氯改性，然后用极性溶剂进行沉淀析出改性腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体并干燥，然后将已改性的腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体与亲水性单体丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾先后加入去离子水中，搅拌至完全溶解，然后将配制好的溶液直接置于反应容器中，最后将反应容器放在烘箱中进行加热反应，使合成的腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体与亲水性单体进行自由基共聚形成高分子聚合物，聚合物依靠DNA碱基对的氢键作用形成三维网状结构，获得DNA碱基对交联的超分子水凝胶。

本发明所述的一种DNA碱基对交联的超分子水凝胶的制备方法，其步骤和条件如下：

（1）碱基的改性

a.将腺嘌呤、胸腺嘧啶分别溶于二甲基甲酰胺（DMF）中，分别配制成摩尔浓度为0.15～0.30mol/L的腺嘌呤溶液和胸腺嘧啶溶液；再向上述的各溶液中分别加入三乙胺，放在冰浴中搅拌20～30min后，加入丙烯酰氯，将体系抽成真空，室温下搅拌反应6～8h，分别得到改性的腺嘌呤碱基单体溶液和胸腺嘧啶碱基单体溶液；所用的腺嘌呤和胸腺嘧啶与丙烯酰氯和三乙胺间的摩尔比均为1:1.1～1.3:1.4～1.6；

b.将步骤a得到的溶液中改性的腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体分别用极性溶剂沉降析出，极性溶剂的体积量与被沉降溶液体积的比为7～10：1，然后用布氏漏斗进行抽滤，分别得到接有双键的腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体，将过滤产物置于干燥器里干燥；所用的极性溶剂为乙醚。

（2）水凝胶的制备

将接有双键的腺嘌呤碱基单体、接有双键的胸腺嘧啶碱基单体、亲水性单体丙烯酰胺（AM）和引发剂过硫酸钾（KPS）加入到去离子水中，并搅拌至完全溶，溶液中上述各物质的质量浓度分别为10g/L～30g/L、10g/L～30g/L、200g/L、2g/L，将配置好的溶液直接置于反应器中，然后将反应器置于65^oC～75^oC的烘箱中反应4～8小时，反应后冷却到室温，最终制得DNA碱基对交联的超分子水凝胶；所述的DNA碱基对为腺嘌呤和胸腺嘧啶碱基对。腺嘌呤碱基单体：胸腺嘧啶碱基单体：亲水性单体丙烯酰胺：引发剂过硫酸钾质量比为5～15:5～15:100:1。

本发明的反应机理如下所示：

有益效果：本发明通过自由基聚合的方法制备一种DNA碱基对交联的超分子水凝胶，该方法包括：碱基对先经过丙烯酰氯改性，然后用极性溶剂进行沉淀析出改性碱基单体并干燥，然后将已改性的碱基单体与亲水性单体和引发剂先后加入去离子水中，搅拌至完全溶解，然后将配制好的溶液直接置于反应容器中，最后将反应容器放在烘箱中进行加热反应，使改性的碱基单体与亲水性单体进行自由基共聚形成高分子聚合物，聚合物依靠DNA碱基对的氢键作用形成三维网状结构，获得DNA碱基对交联的超分子水凝胶。

本发明是将生物体内含有的碱基对引入到聚丙烯酰胺水凝胶聚合物体系中，不只是末端接入，而是将碱基镶嵌到高分子链段内，使链与链间存在大量的碱基对氢键作用，影响其力学性能并使其具有了对盐和pH更强和更灵敏的响应性。且本发明以水为溶剂，这就排除了有机溶剂的影响，因此，具有良好的生物相容性、粘性、pH和盐响应性等性质，解决了纯丙烯酰胺结构不稳定的问题，可应用于基因传递、基因治疗、药物可控释放及组织工程等领域。本发明的制备方法简单，原料易得，成本较低。

附图说明

图1是实施例1DNA碱基对交联的超分子水凝胶样品的压缩应力应变曲线图。

图2是实施例2DNA碱基对交联的超分子水凝胶样品的压缩应力应变曲线图。

图3是实施例3DNA碱基对交联的超分子水凝胶样品的压缩应力应变曲线图。

图4是实施例4DNA碱基对交联的超分子水凝胶样品的压缩应力应变曲线图。

图5是实施例4DNA碱基对交联的超分子水凝胶样品的初始外观形状图。

图6是对比例1未改性碱基对/聚丙烯酰胺水凝胶样品的初始外观形状图。

图7是对比例2聚丙烯酰胺水凝胶样品的初始外观形状图。

图8是图5所示的DNA碱基对交联的超分子水凝胶溶胀72h后的对应外观形状图。

图9是图6所示的未改性碱基对/聚丙烯酰胺水凝胶溶胀72h后的对应外观形状图。

图10是图7所示的2聚丙烯酰胺水凝胶溶胀72h后的对应外观形状图。

具体实施方式

实施例1

（1）碱基的改性

a.将0.0031mol（0.6g）腺嘌呤溶于20mL二甲基甲酰胺（DMF）中，配制成摩尔浓度为0.15mol/L的腺嘌呤溶液；将0.0031mol（0.56g）胸腺嘧啶溶于20mLDMF中，配制成摩尔浓度为0.15mol/L的胸腺嘧啶溶液；再向上述的各溶液中分别加入0.0043mol三乙胺，放在冰浴中搅拌20min后，加入0.0034mol丙烯酰氯，将体系抽成真空，室温下搅拌反应6h，分别得到改性腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体的溶液；所用的腺嘌呤和胸腺嘧啶与丙烯酰氯和三乙胺间的摩尔比均为1:1.1:1.4；

b.将步骤a得到的溶液中改性的腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体分别用140mL乙醚溶剂沉降析出，乙醚溶剂与被沉降溶液体积的比为7：1，然后用布氏漏斗进行抽滤，分别得到接有双键的腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体，将过滤产物置于干燥器里干燥；

（2）水凝胶的制备

将0.15g接有双键的腺嘌呤碱基单体、0.15g接有双键的胸腺嘧啶碱基单体、1g丙烯酰胺和0.01g过硫酸钾加入到5mL去离子水中，并搅拌至完全溶解，溶液中上述各物质的质量浓度分别为30g/L、30g/L、200g/L、2g/L，将配置好的溶液直接置于反应器中，然后将反应器置于65^oC的烘箱中反应8h，反应后冷却到室温，最终制得DNA碱基对交联的超分子水凝胶；所述的DNA碱基对为腺嘌呤和胸腺嘧啶碱基对。腺嘌呤碱基单体：胸腺嘧啶碱基单体：亲水性单体丙烯酰胺：引发剂过硫酸钾质量比为15:15:100:1。

实施例2

（1）碱基的改性

a.将0.0040mol（0.75mL）腺嘌呤溶于20mL二甲基甲酰胺（DMF）中，配制成摩尔浓度为0.20mol/L的腺嘌呤溶液；将0.0040mol（0.72g）胸腺嘧啶溶于20mLDMF中，配制成摩尔浓度为0.20mol/L的胸腺嘧啶溶液；再向上述的各溶液中分别加入0.0056mol三乙胺，放在冰浴中搅拌25min后，加入0.0044mol丙烯酰氯，将体系抽成真空，室温下搅拌反应7h，分别得到改性腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体的溶液；所用的腺嘌呤和胸腺嘧啶与丙烯酰氯和三乙胺间的摩尔比均为1:1.1:1.4；

b.将步骤a得到的溶液中改性的腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体分别用160mL乙醚溶剂沉降析出，乙醚溶剂与被沉降溶液体积的比为8：1，然后用布氏漏斗进行抽滤，分别得到接有双键的腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体，将过滤产物置于干燥器里干燥；

（2）水凝胶的制备

将0.15g接有双键的腺嘌呤碱基单体、0.15g接有双键的胸腺嘧啶碱基单体、1g丙烯酰胺和0.01g过硫酸钾分别加入到5mL去离子水中，并搅拌至完全溶解，溶液中上述各物质的质量浓度分别为30g/L、30g/L、200g/L、2g/L，将配置好的溶液直接置于反应器中，然后将反应器置于70^oC的烘箱中反应5h，反应后冷却到室温，最终制得DNA碱基对交联的超分子水凝胶；所述的DNA碱基对为腺嘌呤和胸腺嘧啶碱基对。腺嘌呤碱基单体：胸腺嘧啶碱基单体：亲水性单体丙烯酰胺：引发剂过硫酸钾质量比为15:15:100:1。

实施例3

（1）碱基的改性

a.将0.0050mol（0.94g）腺嘌呤溶于20mL二甲基甲酰胺（DMF）中，配制成摩尔浓度为0.25mol/L的腺嘌呤溶液；将0.0050mol（0.90g）胸腺嘧啶溶于20mLDMF中，配制成摩尔浓度为0.25mol/L的胸腺嘧啶溶液；再向上述的各溶液中分别加入0.0075mol三乙胺，放在冰浴中搅拌30min后，加入0.0060mol丙烯酰氯，将体系抽成真空，室温下搅拌反应8h，分别得到改性腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体的溶液；所用的腺嘌呤和胸腺嘧啶与丙烯酰氯和三乙胺间的摩尔比均为1:1.2:1.5；

b.将步骤a得到的溶液中改性的腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体分别用180mL乙醚溶剂沉降析出，乙醚溶剂与被沉降溶液体积的比为9：1，然后用布氏漏斗进行抽滤，分别得到接有双键的腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体，将过滤产物置于干燥器里干燥；

（2）水凝胶的制备

将0.10g接有双键的腺嘌呤碱基单体、0.10g接有双键的胸腺嘧啶碱基单体、1g丙烯酰胺和0.01g过硫酸钾分别加入到5mL去离子水中，并搅拌至完全溶解，溶液中上述各物质的质量浓度分别为20g/L、20g/L、200g/L、2g/L，将配置好的溶液直接置于反应器中，然后将反应器置于75^oC的烘箱中反应4h，反应后冷却到室温，最终制得DNA碱基对交联的超分子水凝胶；所述的DNA碱基对为腺嘌呤和胸腺嘧啶碱基对。腺嘌呤碱基单体：胸腺嘧啶碱基单体：亲水性单体丙烯酰胺：引发剂过硫酸钾质量比为10:10:100:1。

实施例4

（1）碱基的改性

a.将0.0062mol（1.2g）腺嘌呤溶于20mL二甲基甲酰胺（DMF）中，配制成摩尔浓度为0.30mol/L的腺嘌呤溶液；将0.0062mol（1.12g）胸腺嘧啶溶于20mLDMF中，配制成摩尔浓度为0.30mol/L的胸腺嘧啶溶液；再向上述的各溶液中分别加入0.0099mol三乙胺，放在冰浴中搅拌30min后，加入0.0080mol丙烯酰氯，将体系抽成真空，室温下搅拌反应8h，分别得到改性腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体的溶液；所用的腺嘌呤和胸腺嘧啶与丙烯酰氯和三乙胺间的摩尔比均为1:1.3:1.6；

b.将步骤a得到的溶液中改性的腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体分别用200mL乙醚溶剂沉降析出，乙醚溶剂与被沉降溶液体积的比为10：1，然后用布氏漏斗进行抽滤，分别得到接有双键的腺嘌呤碱基单体和胸腺嘧啶碱基单体，将过滤产物置于干燥器里干燥；

（2）水凝胶的制备

将0.05g接有双键的腺嘌呤碱基单体、0.05g接有双键的胸腺嘧啶碱基单体、1g丙烯酰胺和0.01g过硫酸钾分别加入到5mL去离子水中，并搅拌至完全溶解，溶液中上述各物质的质量浓度分别为10g/L、10g/L、200g/L、2g/L，将配置好的溶液直接置于反应器中，然后将反应器置于65^oC的烘箱中反应6h，反应后冷却到室温，最终制得DNA碱基对交联的超分子水凝胶；所述的DNA碱基对为腺嘌呤和胸腺嘧啶碱基对。腺嘌呤碱基单体：胸腺嘧啶碱基单体：亲水性单体丙烯酰胺：引发剂过硫酸钾质量比为5:5:100:1。

附：对比例1

1．未改性碱基对/聚丙烯酰胺水凝胶制备

将0.05g未改性的腺嘌呤、0.05g未改性的胸腺嘧啶、1g丙烯酰胺和0.01g过硫酸钾分别加入到5mL去离子水中，并搅拌至完全溶解，溶液中上述各物质的质量浓度分别为10g/L、10g/L、200g/L、2g/L，将配置好的溶液直接置于反应器中，然后将反应器置于65^oC的烘箱中反应6h，反应后冷却到室温，最终制得水凝胶；腺嘌呤：胸腺嘧啶：亲水性单体丙烯酰胺：引发剂过硫酸钾质量比为5:5:100:1。

对比例2

2．丙烯酰胺水凝胶的制备

将1g丙烯酰胺和0.01g过硫酸钾分别加入到5mL去离子水中，并搅拌至完全溶解，溶液中上述各物质的质量浓度分别为200g/L、2g/L，将配置好的溶液直接置于反应器中，然后将反应器置于65^oC的烘箱中反应6h，反应后冷却到室温，最终制得水凝胶；亲水性单体丙烯酰胺：引发剂过硫酸钾质量比为100:1。

有关的水凝胶的相关的图，见图1～图10。

纯的聚丙烯酰胺水凝胶（图7所示）和添加未改性的腺嘌呤和胸腺嘧啶的未改性碱基对/聚丙烯酰胺水凝胶(图6所示），在水中溶胀72h后外观形状分别如图10和图9所示，其结构塌陷，无法保持其原有形状成为溶胶状。而只有在丙烯酰胺水凝胶体系中添加改性后接有双键的腺嘌呤和胸腺嘧啶的DNA碱基对交联的超分子水凝胶（图所示），在水中溶胀72h后外观形状如图8所示，仍然保持着其水凝胶形状，这恰恰证明了腺嘌呤和胸腺嘧啶的成功改性，且改性后接有双键的腺嘌呤和胸腺嘧啶单体已经接入到聚合物网络中，并产生氢键作用，使其一直保持原有形状而不被水溶解。