合成聚多巴胺颗粒掺杂的多重响应性自愈合水凝胶的星型聚合物、自愈合水凝胶及制备方法

摘要

本发明属于智能仿生材料，高分子材料，生物医学工程领域，具体涉及一种合成聚多巴胺颗粒掺杂的多重响应性自愈合水凝胶的星型聚合物、自愈合水凝胶及制备方法。本发明中，先制备出聚多巴胺纳米颗粒和星型聚合物SPDMAEMA‑AA；再将聚多巴胺纳米颗粒、SPDMAEMA‑AA与支化聚乙烯亚胺按照比例混合后即可通过SPDMAEMA‑AA上的乙酰乙酸根与PEI分子中的氨基形成动态可逆烯胺键形成交联网络从而得到水凝胶。本发明制备的自愈合水凝胶材料具有良好的近红外响应性、生物相容性和较高的自愈合效率，在固态创可贴、药物缓释、细胞培养和双层驱动器等领域存在着潜在性应用。

说明书

技术领域

本发明属于智能仿生材料，高分子材料，生物医学工程领域，具体涉及一种用于合成聚多巴胺颗粒掺杂的多重响应性自愈合水凝胶的星型聚合物、自愈合水凝胶及制备方法。

技术背景

自愈合高分子水凝胶(self-healing polymer hydrogel)具有在材料内部和表面出现裂缝时自行恢复至初始强度和功能的能力，类似于生物组织中细胞的增殖与分化实现生物器官的自愈合修复，自愈合水凝胶通过可逆共价键与可逆非共价键的断裂与重连实现材料的自愈合。自愈合赋予了水凝胶多次“生命”，使其在生物传感器、伤口敷料、形状记忆材料与生物医用载体等应用领域大放异彩。(Nasim A.；Su R.S.et al.AdvancedMaterials,2016,28,40–49)

PDMAEMA是一种具有温度和pH敏感性的高分子。其分子结构单元中同时存在亲水性的叔胺基、羰基和疏水性的烷基基团,两类基团在空间结构上互相匹配。当体系温度改变时，可造成氢键的形成与破坏，使DMAEMA在水中的溶解性随温度的升高而降低。当温度超过某一临界点即低临界溶液温度(LCST)时，聚合物在水溶液中由相对舒展的无规线团状态转变为非水溶性颗粒,出现相分离，使溶液产生混浊现象。胺基在不同pH条件下质子化程度不同,导致PDMAEMA出现亲水 /亲油平衡及相转变温度随pH而改变。有研究表明含PDMAEMA的聚合物乳胶粒或水凝胶同样具有温度和pH敏感性，已在生物医学领域得到应用。(Wei W.；Li J.J. et al.Carbohydrate Polymers,2017,177,275-283.)

海洋贻贝通过分泌蛋白流体形成具有粘附在多重介质上的能力的丝足蛋白，通过仿生学的概念，将具有与海洋贻贝粘附蛋白——3,4-二羟基苯丙氨酸 (3,4-dihydroxyphenylalanine,DOPA)相似结构的聚多巴胺纳米颗粒(polydopaminenanoparticle,PDA-NPs)掺杂在水凝胶中同样具有赋予水凝胶强大的粘附力的能力。有研究表明，PDA-NPs涂层具有修饰材料表面的功能，能显著提高细胞的粘附性和增殖分化能力，并且具有作为光热制剂的潜能。将PDA-NPs掺入至水凝胶系统中可以赋予凝胶细胞粘附性和近红外(Near Infrared Ray,NIR)响应性。(Han L.； Zhang Y.N.et al.ACSAppl.Mater.Interfaces 2016,8,29088-29100.)

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于合成聚多巴胺颗粒掺杂的多重响应性自愈合水凝胶的星型聚合物、自愈合水凝胶及制备方法，所述聚多巴胺颗粒掺杂的多重响应性自愈合水凝胶具有温度响应性，pH响应性，近红外响应性。用于该凝胶的星型聚合物结构为本发明首次提出，并首次将聚多巴胺颗粒掺杂入水凝胶当中。

本发明提供的制备方法是首先将多巴胺盐酸盐粉末状固体(dopamine·HCl) 在空气中发生氧化反应实现自聚形成聚多巴胺纳米颗粒(PDA-NPs)；季戊四醇与 2-溴代异丁酰溴发生溴化反应生成季戊四溴。以季戊四溴为引发中心，引发温敏性、 pH响应性单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)和甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA) 通过原子转移自由基聚合反应制备星型聚合物SPDMAEMA-HEMA。再将 SPDMAEMA-HEMA通过取代反应功能化，与乙酰乙酸叔丁酯(t-butyl acetoacetate, t-BAA)生成SPDMAEMA-AA；将聚多巴胺纳米颗粒(PDA-NPs)、SPDMAEMA-AA 与支化聚乙烯亚胺(Polyethylenimine,PEI,branched)按照比例混合后即可通过 SPDMAEMA-AA上的乙酰乙酸根与PEI分子中的氨基形成动态可逆烯胺键形成交联网络从而得到水凝胶。聚多巴胺颗粒中的邻苯二酚/醌基团可以与亲核性氨基形成动态共价键希弗碱，增加了水凝胶基体的强度与粘附力，并且自聚颗粒带来了近红外响应性。本发明制备的自愈合水凝胶材料具有良好的生物相容性和较高的自愈合效率，在固态创可贴、药物缓释、细胞培养和双层驱动器等领域存在着潜在性应用。本发明所述合成方法简单易行，原料均可工业化生产，具有很好的推广应用价值。

具体的，本发明提供一种用于合成聚多巴胺颗粒掺杂的多重响应性自愈合水凝胶的星型聚合物，该星型聚合物的结构式如下所示：

本发明还提供一种由上述星型聚合物合成的聚多巴胺颗粒掺杂的多重响应性自愈合水凝胶。

本发明还提供一种聚多巴胺颗粒掺杂的多重响应性自愈合水凝胶的制备方法，具体步骤如下：

一、星型聚合物SPDMAEMA-AA的制备：

(1)将干燥的季戊四醇溶解在溶剂A中，并将三乙胺加入至干燥的单口烧瓶中，将2-溴异丁酰溴溶解于溶剂A中加入至恒压滴液漏斗中，逐滴滴入冰浴中的烧瓶内，滴加结束后撤掉冰浴装置，常温下剧烈搅拌反应24～48h。将反应产物与大量乙醚混合，用饱和碳酸氢钠溶液洗涤三次，得上层有机层，用无水硫酸镁干燥过夜除水。过滤得滤液并蒸干乙醚，将产物溶于适量石油醚中重结晶得到浅黄色固体，将产物S-Br置于真空干燥箱中50℃干燥12～36h。

(2)将(1)中所得产物、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、催化剂B以摩尔比为1：180～200:45～50:4～6溶于溶剂C中并加入至反应瓶中。体系冷冻-抽真空-充氩气-冷冻三个回合后，40～90℃磁力搅拌下反应3～7h。停止反应后透析2～5d并冷冻干燥至恒重，得到白色固体 SPDMAEMA-HEMA。

(3)将(2)中所得产物在氮气保护下溶于溶剂D并将反应体系温度升高至 110℃,乙酰乙酸叔丁酯(t-butyl acetoacetate,t-BAA)逐滴滴入反应瓶中冷凝回流 24～48h。停止反应后透析2～5d并冷冻干燥至恒重，得到黄色固体SPDMAEMA-AA。

二、聚多巴胺纳米颗粒的制备：

(4)聚多巴胺纳米颗粒(polydopamine nanoparticle,PDA-NPs)通过在空气中发生氧化反应实现自聚。

具体的，将氨水：乙醇：去离子水以1:40:90的比例加入至烧杯中，将多巴胺盐酸盐粉末状固体(dopamine·HCl)溶解至20.00mL去离子水中室温避光反应30 h。反应结束后将混合物离心(11000rad/min，10min)并用乙醇洗涤。将产物置于真空干燥箱中50℃干燥12～36h，得到黑色固体PDA-NPs。

三、聚多巴胺颗粒掺杂的多重响应性自愈合水凝胶的制备：

(5)将SPDMAEMA-AA配成0.10g/mL的水溶液，加入0.80wt％的PDA-NPs 超声分散均匀，向其中缓慢滴加0.50g/mL的PEI水溶液并剧烈搅拌，3min内实现溶胶至凝胶的转变。

本发明中，溶剂A是四氢呋喃、丙酮、二氯甲烷或三氯甲烷中的一种或几种。

本发明中，催化剂B是氯化亚铜/联吡啶、溴化亚铜/联吡啶、氯化亚铜/五甲基二乙烯三胺、溴化亚铜/五甲基二乙烯三胺、氯化亚铜/六甲基三亚乙基四胺或溴化亚铜/六甲基三亚乙基四胺中的一种或几种。

本发明中，溶剂C是四氢呋喃，甲苯，苯甲醚、N,N-二甲基甲酰胺、N,N- 二乙基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。。

本发明中，溶剂D是甲苯，苯甲醚、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。

本发明首先利用溴化反应和原子转移自由基聚合(ATRP)，制备了以季戊四醇为核、聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯与甲基丙烯酸羟乙酯为臂的四星形聚合物 (SPDMAEMA-HEMA)。再通过取代反应功能化，与乙酰乙酸叔丁酯(t-butyl acetoacetate,t-BAA)生成SPDMAEMA-AA；将聚多巴胺纳米颗粒(PDA-NPs)、 SPDMAEMA-AA与支化聚乙烯亚胺(Polyethylenimine,PEI,branched)按照比例混合后即可通过SPDMAEMA-AA上的乙酰乙酸根与PEI分子中的氨基形成动态可逆烯胺键形成交联网络从而得到水凝胶，PDA-NPs作为增强粒子提高了水凝胶的强度，增加了细胞在水凝胶基体中的粘附力。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的制备方法，所用原料来源广泛，所用的甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、溶剂、沉淀剂等均可工业化生产，合成方法简单易行。该方法制备的自愈合水凝胶具有温度响应性，pH响应性，近红外响应性，并且具有良好的生物粘附性和较为高效的愈合效率。该聚多巴胺颗粒掺杂的多重响应性自愈合水凝胶可以在破裂后实现自愈合，在固态创可贴、药物缓释和双层驱动器等领域存在着潜在性应用。该自愈合水凝胶通过SPDMAEMA-AA中的乙酰乙酸基团与PEI中的氨基形成动态可逆烯胺键，从而形成交联网络。当材料发生破坏时，无需任何外界刺激，破裂处；两端的乙酰乙酸基团与氨基可以再次形成烯胺键，赋予凝胶自愈合的性能。

附图说明

图1为合成路线与凝胶结构示意图。

图2为实施例1所得SPDMAEMA-AA在D₂O中的变温核磁共振氢谱图。

图3为实施例1所得SPDMAEMA-AA和SPDMAEMA-AA-PDA水凝胶冻干后扫描电镜图，其中a)为SPDMAEMA-AA，b)为SPDMAEMA-AA-PDA。

图4为实施例1所得SPDMAEMA-AA水溶液与PEI水溶液在不同温度条件下形成凝胶透过度的变化。

图5为实施例1所得水凝胶进行流变学测试表征自愈合性能。在0～120s间施加1％应力，在120～240s间施加150％应力致使凝胶破坏，连续施加4个循环。水凝胶在1％的应力下立即自愈合并且恢复了超过98％的强度。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

实施例1

将1.36g(0.01mol)干燥季戊四醇、50.00mL干燥四氢呋喃、8.22mL干燥三乙胺加入至干燥的反应瓶中，冰浴下将7.42mL(0.06mol)2-溴代异丁酰溴溶解在10.00mL四氢呋喃中缓慢滴加至烧瓶内；封口后避光、剧烈搅拌反应24h；将产物与大量乙醚混合，并用饱和碳酸氢钠溶液洗涤产物4次，静置；得到上层乙醚有机层后加入无水硫酸镁，过夜除水；抽滤，再将所得液体转移入烧瓶后用旋蒸仪旋干溶剂，用石油醚溶解上一步产物后将产物放入冰箱冷冻1h进行重结晶，趁冷过滤，然后用乙醇洗涤产物数次，将产物放入真空烘箱下干燥24h得到季戊四溴；

将1.00g(1.3mmol)季戊四溴、已除去阻聚剂的40.86g(260mmol)甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、8.46g(65mmol)甲基丙烯酸羟乙酯、1.29mL(6.24mmol) N,N,N',N,'N”-五甲基二亚乙基三胺和0.90g(6.24mmol)CuBr溶解在20.00mLN,N- 二甲基甲酰胺中转移至反应瓶中，然后在氮气气氛、60℃油浴、磁力搅拌条件下反应，反应4小时，反应完成后取出烧瓶向其中加入少量N,N-二甲基甲酰胺，放入冰箱中冷冻过夜，透析48h后冻干得到SPDMAEMA-HEMA(Mn＝38073.15 g/mol)。

将1.00g(26.27umol)SPDMAEMA-HEMA在氮气保护下溶于N,N-二甲基甲酰胺中并将反应体系温度升高至110℃,0.083g(0.5253mmol)乙酰乙酸叔丁酯逐滴滴入反应瓶中冷凝回流24～48h。停止反应后透析2～5d并冷冻干燥至恒重，得到黄色固体SPDMAEMA-AA(Mn＝41873.15g/mol)。

将氨水：乙醇：去离子水以1:40:90的比例加入至烧杯中，将1.50g多巴胺盐酸盐粉末状固体(dopamine·HCl)溶解至20.00mL去离子水中室温避光反应30h。反应结束后将混合物离心(11000rad/min，10min)并用乙醇洗涤。将产物置于真空干燥箱中50℃干燥12～36h，得到黑色固体PDA-NPs。

将SPDMAEMA-AA配成0.10g/mL的水溶液，加入0.80wt％的PDA-NPs超声分散均匀，向其中缓慢滴加0.50g/mL的PEI水溶液并剧烈搅拌，3min内实现溶胶至凝胶的转变。所得凝胶如图1所示。

实施例2

将1.36g(0.01mol)干燥季戊四醇、50.00mL干燥四氢呋喃、8.22mL干燥三乙胺加入至干燥的反应瓶中，冰浴下将7.42mL(0.06mol)2-溴代异丁酰溴溶解在10.00mL四氢呋喃中缓慢滴加至烧瓶内；封口后避光、剧烈搅拌反应24h；将产物与大量乙醚混合，并用饱和碳酸氢钠溶液洗涤产物4次，静置；得到上层乙醚有机层后加入无水硫酸镁，过夜除水；抽滤，再将所得液体转移入烧瓶后用旋蒸仪旋干溶剂，用石油醚溶解上一步产物后将产物放入冰箱冷冻1h进行重结晶，趁冷过滤，然后用乙醇洗涤产物数次，将产物放入真空烘箱下干燥24h得到季戊四溴；

将1.00g(1.3mmol)季戊四溴、已除去阻聚剂的40.86g(260mmol)甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、8.46g(65mmol)甲基丙烯酸羟乙酯、1.29mL(6.24mmol) N,N,N',N,'N”-五甲基二亚乙基三胺和0.90g(6.24mmol)CuBr溶解在20.00mL四氢呋喃中转移至反应瓶中，然后在氮气气氛、40℃油浴、磁力搅拌条件下反应，反应5小时，反应完成后取出烧瓶向其中加入少量N,N-二甲基甲酰胺，放入冰箱中冷冻过夜，透析48h后冻干得到SPDMAEMA-HEMA(Mn＝38073.15g/mol)。将1.00g(26.27umol)SPDMAEMA-HEMA在氮气保护下溶于N,N-二甲基甲酰胺中并将反应体系温度升高至110℃,0.083g(0.5253mmol)乙酰乙酸叔丁酯逐滴滴入反应瓶中冷凝回流24h。停止反应后透析3d并冷冻干燥至恒重，得到黄色固体 SPDMAEMA-AA(Mn＝41873.15g/mol)。

将氨水：乙醇：去离子水以1:40:90的比例加入至烧杯中，将1.50g多巴胺盐酸盐粉末状固体(dopamine·HCl)溶解至20.00mL去离子水中室温避光反应30h。反应结束后将混合物离心(11000rad/min，10min)并用乙醇洗涤。将产物置于真空干燥箱中50℃干燥24h，得到黑色固体PDA-NPs。

凝胶制备方法同实施例1。

实施例3

将1.36g(0.01mol)干燥季戊四醇、50.00mL干燥四氢呋喃、8.22mL干燥三乙胺加入至干燥的反应瓶中，冰浴下将7.42mL(0.06mol)2-溴代异丁酰溴溶解在10.00mL四氢呋喃中缓慢滴加至烧瓶内；封口后避光、剧烈搅拌反应24h；将产物与大量乙醚混合，并用饱和碳酸氢钠溶液洗涤产物4次，静置；得到上层乙醚有机层后加入无水硫酸镁，过夜除水；抽滤，再将所得液体转移入烧瓶后用旋蒸仪旋干溶剂，用石油醚溶解上一步产物后将产物放入冰箱冷冻1h进行重结晶，趁冷过滤，然后用乙醇洗涤产物数次，将产物放入真空烘箱下干燥24h得到季戊四溴；

将1.00g(1.3mmol)季戊四溴、已除去阻聚剂的40.86g(260mmol)甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、8.46g(65mmol)甲基丙烯酸羟乙酯、1.29mL(6.24mmol) N,N,N',N,'N”-五甲基二亚乙基三胺和0.90g(6.24mmol)CuBr溶解在20.00mL N,N- 二甲基甲酰胺中转移至反应瓶中，然后在氮气气氛、60℃油浴、磁力搅拌条件下反应，反应4小时，反应完成后取出烧瓶向其中加入少量N,N-二甲基甲酰胺，放入冰箱中冷冻过夜，透析48h后冻干得到SPDMAEMA-HEMA(Mn＝38073.15 g/mol)。

将1.00g(26.27umol)SPDMAEMA-HEMA在氮气保护下溶于N,N-二甲基甲酰胺中并将反应体系温度升高至110℃,0.083g(0.5253mmol)乙酰乙酸叔丁酯逐滴滴入反应瓶中冷凝回流48h。停止反应后透析3d并冷冻干燥至恒重，得到黄色固体SPDMAEMA-AA(Mn＝41873.15g/mol)。

将氨水：乙醇：去离子水以1:40:90的比例加入至烧杯中，将1.00g多巴胺盐酸盐粉末状固体(dopamine·HCl)溶解至15.00mL去离子水中室温避光反应30h。反应结束后将混合物离心(11000rad/min，10min)并用乙醇洗涤。将产物置于真空干燥箱中50℃干燥12h，得到黑色固体PDA-NPs。

凝胶制备方法同实施例1。

实施例4

将1.36g(0.01mol)干燥季戊四醇、50.00mL干燥二氯甲烷、8.22mL干燥三乙胺加入至干燥的反应瓶中，冰浴下将7.42mL(0.06mol)2-溴代异丁酰溴溶解在 10.00mL二氯甲烷中缓慢滴加至烧瓶内；封口后避光、剧烈搅拌反应24h；将产物与大量乙醚混合，并用饱和碳酸氢钠溶液洗涤产物4次，静置；得到上层乙醚有机层后加入无水硫酸镁，过夜除水；抽滤，再将所得液体转移入烧瓶后用旋蒸仪旋干溶剂，用石油醚溶解上一步产物后将产物放入冰箱冷冻1h进行重结晶，趁冷过滤，然后用乙醇洗涤产物数次，将产物放入真空烘箱下干燥48h得到季戊四溴；

将1.00g(1.3mmol)季戊四溴、已除去阻聚剂的40.86g(260mmol)甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、8.46g(65mmol)甲基丙烯酸羟乙酯、1.29mL(6.24mmol) N,N,N',N,'N”-五甲基二亚乙基三胺和0.90g(6.24mmol)CuBr溶解在20.00mL N,N- 二甲基甲酰胺中转移至反应瓶中，然后在氮气气氛、60℃油浴、磁力搅拌条件下反应，反应4小时，反应完成后取出烧瓶向其中加入少量N,N-二甲基甲酰胺，放入冰箱中冷冻过夜，透析48h后冻干得到SPDMAEMA-HEMA(Mn＝38073.15 g/mol)。

将1.00g(26.27umol)SPDMAEMA-HEMA在氮气保护下溶于N,N-二甲基甲酰胺中并将反应体系温度升高至110℃,0.083g(0.5253mmol)乙酰乙酸叔丁酯逐滴滴入反应瓶中冷凝回流48h。停止反应后透析3d并冷冻干燥至恒重，得到黄色固体SPDMAEMA-AA(Mn＝41873.15g/mol)。

将氨水：乙醇：去离子水以1:40:90的比例加入至烧杯中，将1.50g多巴胺盐酸盐粉末状固体(dopamine·HCl)溶解至20mL去离子水中室温避光反应30h。反应结束后将混合物离心(11000rad/min，10min)并用乙醇洗涤。将产物置于真空干燥箱中50℃干燥24h，得到黑色固体PDA-NPs。

凝胶制备方法同实施例1。

实施例5

将1.36g(0.01mol)干燥季戊四醇、50.00mL干燥二氯甲烷、8.22mL干燥三乙胺加入至干燥的反应瓶中，冰浴下将7.42mL(0.06mol)2-溴代异丁酰溴溶解在10.00mL二氯甲烷中缓慢滴加至烧瓶内；封口后避光、剧烈搅拌反应24h；将产物与大量乙醚混合，并用饱和碳酸氢钠溶液洗涤产物4次，静置；得到上层乙醚有机层后加入无水硫酸镁，过夜除水；抽滤，再将所得液体转移入烧瓶后用旋蒸仪旋干溶剂，用环己烷溶解上一步产物后将产物放入冰箱冷冻1h进行重结晶，趁冷过滤，然后用乙醇洗涤产物数次，将产物放入真空烘箱下干燥24h得到季戊四溴；

将1.00g(1.3mmol)季戊四溴、已除去阻聚剂的36.77g(234mmol)甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、7.61g(58.5mmol)甲基丙烯酸羟乙酯、1.29mL(6.24mmol) N,N,N',N,'N”-五甲基二亚乙基三胺和0.90g(6.24mmol)CuBr溶解在20.00mL N,N- 二甲基甲酰胺中转移至反应瓶中，然后在氮气气氛、60℃油浴、磁力搅拌条件下反应，反应4小时，反应完成后取出烧瓶向其中加入少量N,N-二甲基甲酰胺，放入冰箱中冷冻过夜，透析48h后冻干得到SPDMAEMA-HEMA(Mn＝34279.45g/mol)。

将1.00g(29.17umol)SPDMAEMA-HEMA在氮气保护下溶于N,N-二甲基甲酰胺中并将反应体系温度升高至110℃,0.092g(0.5834mmol)乙酰乙酸叔丁酯逐滴滴入反应瓶中冷凝回流24h。停止反应后透析3d并冷冻干燥至恒重，得到黄色固体SPDMAEMA-AA(Mn＝37474.15g/mol)。

将氨水：乙醇：去离子水以1:40:90的比例加入至烧杯中，将1.50g多巴胺盐酸盐粉末状固体(dopamine·HCl)溶解至20.00mL去离子水中室温避光反应30h。反应结束后将混合物离心(11000rad/min，10min)并用乙醇洗涤。将产物置于真空干燥箱中50℃干燥12h，得到黑色固体PDA-NPs。

凝胶制备方法同实施例1。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。