一种制备聚乙二醇网络水凝胶的方法
【专利摘要】本发明公开了一种制备聚乙二醇网络水凝胶的方法，将含三个或三个以上的多端炔基的聚乙二醇衍生物与至少含有两个端叠氮基的聚乙二醇衍生物点击反应，生成聚乙二醇网络水凝胶。本发明方法通过利用胺基-环氧聚合反应控制聚合物链连接点的位置和数量，再利用点击化学反应得到需要的“设计性”聚合物网络结构。该发明方法操作简单，条件温和，反应迅速；用本发明方法制备的聚合物网络具有可降解、生物相容性好、结构规整、机械强度高等优点。
【专利说明】—种制备聚乙二醇网络水凝胶的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高分子合成方法领域，涉及一种利用点击化学与胺基-环氧聚合反应制备高强度聚合物网络的方法。
【背景技术】
[0002]聚合物凝胶网络结构，特别是水凝胶，有着与人体组织高度的相似性、生物相容性及对营养物和代谢物的高渗透性。近些年来它在药物控制释放、物质分离、组织工程支架、调光材料、以及医用移植器官等领域的研究已取得了极大的发展。水凝胶是由亲水性高分子相互交联而成，能快速汲取并保持大部分水份且不溶于水的聚合物三维网络结构。一些小分子物质能在聚合物三维网络间隙中移动，类似于生物体中的生物膜进行信息和物质的传递。因此具有类似生物组织膜功能的高强度、精确分子结构和功能的聚合物网络在生物医疗材料领域受到越来越多的关注，如仿生器官:人造血管、肾脏和皮肤等方面具有潜在的应用前景。然而聚合物水凝胶在仿生组织器件领域的应用也面临着诸如机械强度、生物相容性、响应性等方面的多重障碍。多数的生物组织，特别是具有膜功能的生物组织的负载都比较强，例如，血管组织允许其压缩应力高达36MPa，每天都要承载数十兆帕的载荷。传统水凝胶的断裂能约为K^-lOOJ/nT2，远远小于血管组织(102-103J/m_2)和橡胶(~103J/m_2)，由于无法承受如此大的挤压冲击，限制了水凝胶在仿生器官，特别是具有膜功能仿生器件方面的发展与应用。因此制备可用于仿生组织器件的水凝胶不仅要具有规整、可控的分子结构使其具有高的机械强度，而且水凝胶必须能够承受大的挤压冲击。使其在仿生器官，特别是具有膜功能仿生器件方面得以应用。因此，高强度和生物相容性的多功能聚合物凝胶网络在未来的生物医学领域将有举足轻重的作用。
[0003]“点击化学”(clickchemistry),特别是Cu (I)化合物催化末端带有叠氮/炔基团的环加成反应(CuAAC)是一种快速合成大量新型有机化合物的新方法，由诺贝尔化学奖获得者Sharpless于2001年首先提出的，具有反应条件温和、转化率高、成本低、高选择性、较好的官能基团容忍度和反应条件温`和等优点。胺基-环氧点击聚合反应是一种高效的、简单可靠的且具有选择性的化学反应，在温和的条件下快速合成各类规整长链的大分子聚合物，用这种方法合成的聚合物无需特殊复杂的提纯过程，操作简单等优点。近年来，胺基-环氧点击聚合反应为设计合成具有复杂结构和功能的高分子化合物提供了新的途径。
[0004]点击化学反应与胺基-环氧聚合方法的核心思想是采用一系列一种高效简单的合成大量大分子化合物的新方法。该方法可以应用于不同的合成领域，如，聚合物化学，材料化学和有机化学等等。使其在生命科学界、化学界、医药和材料学界的受到频频关注。点击化学反应与胺基-环氧聚合方法克服了传统方法制备凝胶网络的缺点，通过多交联点减少了凝胶网络里面出现的缺陷，从而提高了凝胶网络的机械强度。
【发明内容】
[0005]技术问题:本发明提供一种通过控制聚合物链连接点的位置，从而得到需要的“设计性”缺陷少且网络结构规整的制备聚乙二醇网络水凝胶的方法。
[0006]技术方案:本发明的制备聚乙二醇网络水凝胶的方法，包括以下步骤:
[0007]1)在反应器中加入以下反应物:含有三个或三个以上多端炔基的聚乙二醇衍生物PEG(CECH)5^至少含有两个端叠氮基的聚乙二醇衍生物PEG(N3)y,其中PEG为聚乙二醇链，X≥3，y≥2，在20~120°C的温度下，使加入的反应物溶解分散均匀后，加入催化剂和配体；
[0008]含有多端炔基的聚乙二醇衍生物Ri(GEffl)x、含有端叠氮基的聚乙二醇衍生物R2(N3)y、催化剂和配体的摩尔比为 100:50x/y:0.1:0.1 ~100:80x/y:1:10 ；
[0009]含有多端炔基的聚乙二醇衍生物PEG(CEGH)x是按照以下方法合成的:先将聚乙二醇和环氧氯丙烷反应生成二端环氧基聚乙二醇衍生物，然后将二端环氧基聚乙二醇衍生物与丙炔胺进行胺基-环氧聚合反应，生成多端炔基的聚乙二醇衍生物PEG(C=CH)x;
[0010]2)将步骤1)配制的溶液在氮气的保护下，在20~120°C下反应I分钟~5小时，得到聚合物网络；
[0011]3)将聚合物网络取出，放入乙二胺四乙酸二钠溶液中去除残留在聚合物网络中的催化剂，干燥后即得到规整的高强度聚乙二醇网络水凝胶。
[0012]本发明方法的优选方案中，步骤1)中的催化剂为铁系、铜系或铼系催化剂。
[0013]本发明方法的优选方案中，步骤1)中的配体为含氮的多齿配体。
[0014]本发明方法的优选方案中，步骤1)中合成含有多端炔基的聚乙二醇衍生物PEG(C=CH)x时米用的聚乙二醇分子量为200~20000。
[0015]本发明方法的优选方案中，步骤1)中合成含有多端炔基的聚乙二醇衍生物PEG(CECH)x时的胺基-环氧聚合反应中，二端环氧基聚乙二醇衍生物与丙炔胺的摩尔比为 1:1。
[0016]本发明方法是通过胺基-环氧聚合反应控制聚合物链连接点的数量与位置，在一定温度和催化剂作用下用点击化学(ClickChemistry)制备高强度规整聚乙二醇交联网络结构的方法，从而得到需要的“设计性”网络结构，克服了传统凝胶网络结构不规整，而出现的机械性能不高的缺点。
[0017]有益效果:本发明与现有技术相比，具有以下优点:
[0018]1.本发明为利用点击化学反应与胺基-环氧聚合反应制备具有高强度规整分子结构和功能性的聚乙二醇网络水凝胶提供了一种可行的方法；
[0019]2.本发明的方法利用胺基-环氧点击聚合反应能够在温和的条件下不需要催化剂快速合成各类规整长链的大分子聚合物，用这种方法合成的聚合物无需特殊复杂的提纯过程，操作简单。
[0020]3.本发明的方法利用胺基-环氧点击聚合反应可以通过合成过程中聚乙二醇链的“可调节性”，可以很容易实现交联点间聚合物链的长度均匀分布。
[0021]4.本发明的方法利用胺基-环氧点击聚合反应还可以通过控制交联点的数目和位置。在通过点击化学的方式使目标聚合物在预期的交联点位置上反应。这种方法可以通过控制聚合物链连接点的位置和网络体系的交联度，从而得到需要的“设计性”网络结构。[0022]5.本发明制备的高强度聚乙二醇凝胶网络，充分结合了击化学反应与胺基-环氧聚合反应的特点。这种方法制备的凝胶网络通过增加交联点大大减少了微观缺陷的生成、杜绝了宏观缺陷的生成，提高了聚合物凝胶网络的强度，这是现有的方法没有办法实现的。本发明提供的高强度聚乙二醇网络水凝胶网络的方法，为聚乙二醇网络水凝胶在人造器官领域的应用提供了可能。
【具体实施方式】
[0023]下面通过实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。
[0024]实施例1:
[0025]a)叠氮基化合物的合成:室温条件下精确称取IOg聚乙二醇(Mn=1000)溶于50ml无水二氯甲烷中，冰浴，将体系温度降到0°c。搅拌3小时，称取新蒸的二氯亚砜(2ml)溶于20ml无水二氯甲烷中。在(TC条件下利用恒压地液漏斗将氯化亚砜和二氯甲烷溶液缓慢滴加入聚乙二醇二氯甲烷溶液中约(20分钟)。在向体系中加入0.2ml新吡啶。缓慢升温至室温，磁力搅拌下反应24小时。反应完成后，过滤掉体系反应过程中生成的吡啶盐酸盐，减压蒸馏除去二氯甲烷和过量的二氯亚砜。将得到的产物在大量乙醚中沉淀，过滤得到两端基为氯的聚乙二醇(Mn=1000)白色固体粉末。
[0026]准确称取上述8.0g白色固体粉末与0.14g叠氮化钠，溶于30mlDMF中。50°C下磁力搅拌反应72小时。反应结束，用氧化铝柱子除掉未反应的叠氮化钠小分子和生成的副产物盐，然后减压蒸馏除掉DMF，在乙醚中沉淀，抽滤得到两端基为叠氮的聚乙二醇(Mn=1000)衍生物。
[0027]b)炔基化合物的合 成:精确称取IOg聚乙二醇(Mn=1000)加入干燥的250ml高真空瓶中，150ml干燥后无水的四氢呋喃加入瓶中，在40°C条件下将聚乙二醇溶解。待体系冷却至室温，加入0.88g氢化钠粉末，常温反应搅拌过夜。8ml环氧氯丙烷溶液次日加入反应体系中。反应24h后，反应体系中未反应的氢化钠和副产物盐过中性氧化铝柱子除去，得到的溶液旋转蒸发除去四氢呋喃，残留液多次沉淀在乙醚中，过滤真空干燥得两端基为环氧基的线形聚乙二醇(Mn=1000)衍生物。
[0028]准确称取上述制备的5g两端基为环氧基的线形聚乙二醇(Mn=1000)衍生物。和0.25g丙炔胺以1:2的摩尔比置于含IOmL甲醇的IOOmL圆底烧瓶中，然后在常温条件下机械搅拌反应4天。反应完成后将反应物置于透析袋中透析72小时，透析袋中的液体用二氯甲烷萃取3次(每次50mL)，旋转蒸发得到粘液，在大量的冷乙醚中沉淀，过滤干燥得到不同分子量的多炔基聚乙二醇衍生物。
[0029]下面为利用本体点击化学反应体系制备高强度功能性凝胶网络的流程:
[0030]I)精确称取 0.15g(0.15mmol)端叠氮基的聚乙二醇(Mn=1000)和 0.6g(0.03mmol)多炔基聚乙二醇衍生物(Mn=20000)在20°C下超声波振荡至完全溶解。
[0031]2)将反应器通氮气鼓泡10分钟后，迅速加入催化剂溴化亚铜(0.0216mg，0.00015mmol)超声使其均匀分散，继续通氮气鼓泡15分钟，然后将四甲基乙二胺(0.00015mmol)用微型注射器快速加入。反应温度为20°C，反应时间5h形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0032]3)将反应后的聚合物凝胶网络取出，放入乙二胺四乙酸二钠溶液将残留在聚合物凝胶网络中的铜离子除出，得到聚合物凝胶网络。
[0033]实施例2
[0034]基本流程同实施例1，不同之处在于:
[0035]步骤I)中，端叠氮基的聚乙二醇(Mn=1000)为 0.15g (0.15mmol),0.48g(0.024mmol)多炔基聚乙二醇衍生物(Mn=20000)，在50°C下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入催化剂级氯化亚铜(1.25mg, 0.125mmol),配体N, N, N，，N，，，N，，-五甲基二亚乙基三胺配体(1.25mmol )。
[0036]步骤2)中，反应温度为50°C，反应时间4h形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0037]其余与实施例1完全一致。
[0038]实施例3
[0039]基本流程同实施例1，不同之处在于:
[0040]步骤I)中，端叠氮基的聚乙二醇(Mn=1000)为 0.15g (0.15mmol),0.72g(0.036mmol)多炔基聚乙二醇衍生物(Mn=20000)，在50°C下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入催化剂级氯化亚铜(1.25mg, 0.125mmol),配体N, N, N，，N，，，N，，-五甲基二亚乙基三胺配体(1.25mmol )。
[0041]步骤2)中，反应温度为70°C，反应时间3h形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0042]其余与实施例1完全一致。
[0043]实施例4:`
[0044]基本流程同实施例1，不同之处在于:
[0045]步骤a)中，叠氮基化合物的合成:室温条件下精确称取IOg聚乙二醇(Mn=200)溶于50ml无水二氯甲烷中，冰浴，将体系温度降到0°C。搅拌3小时，称取新蒸的二氯亚砜(IOml)溶于20ml无水二氯甲烷中。在0°C条件下利用恒压地液漏斗将氯化亚砜和二氯甲烷溶液缓慢滴加入聚乙二醇二氯甲烷溶液中约(20分钟)。在向体系中加入0.2ml新吡啶。缓慢升温至室温，磁力搅拌下反应24小时。反应完成后，过滤掉体系反应过程中生成的吡啶盐酸盐，减压蒸馏除去二氯甲烷和过量的二氯亚砜。将得到的产物在大量乙醚中沉淀，过滤得到两端基为氯的聚乙二醇衍生物(Mn=200)。
[0046]准确称取上述8.(^聚乙二醇衍生物与0.078叠氮化钠，溶于30111101^中。50°C下磁力搅拌反应72小时。反应结束，用氧化铝柱子除掉未反应的叠氮化钠小分子和生成的副产物盐，然后减压蒸馏除掉DMF，在乙醚中沉淀，抽滤得到两端基为叠氮的聚乙二醇(Mn=200)衍生物。
[0047]步骤I)中，端叠氮基的线形聚乙二醇(Mn=200)为0.03g (0.15mmol),0.6g(0.03mmol)的多炔基聚乙二醇衍生物(Mn=20000)在60°C下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入催化剂碘化亚铜(0.402mg,0.002mmol)，配体四甲基乙二胺配体(0.025mmol)。
[0048]步骤2)中，反应温度为60°C，反应时间3h形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0049]其余与实施例1完全一致。
[0050]实施例5:
[0051]基本流程同实施例4，不同之处在于:
[0052]步骤I)中，端叠氮基的聚乙二醇(Mn=200)为 0.03g(0.15mmol),0.72g(0.036mmol)多炔基聚乙二醇衍生物(Mn=20000)，在70°C下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入催化剂溴化亚铜(0.28811^，0.002臟01)，配体1，1，4，7，10，10-六甲基三亚乙基四胺和三(N，N- 二甲基氨基乙基)胺(0.03mmol)。
[0053]步骤2 )中，反应温度为70 V，反应时间2h形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0054]其余与实施例4完全一致。
[0055]实施例6:
[0056]基本流程同实施例4，不同之处在于:
[0057]步骤I)中，端叠氮基的聚乙二醇(Mn=200)为 0.03g(0.15mmol),0.48g(0.024mmol)多炔基聚乙二醇衍生物(Mn=20000)，在70°C下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入催化剂溴化亚铜(0.28811^，0.002臟01)，配体1，1，4，7，10，10-六甲基三亚乙基四胺和三(N，N- 二甲基氨基乙基)胺(0.03mmol)。
[0058]步骤2)中，反应温度为90°C，反应时间3h形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0059]其余与实施例4完全一致。
[0060]实施例7:
[0061]基本流程同实施例1，不同之处在于:
[0062]步骤b)中，炔基化合物的合成:精确称取IOg聚乙二醇(Mn=200)加入干燥的250ml高真空瓶中，150ml干燥后无水的四氢呋喃加入瓶中，在40°C条件下将聚乙二醇溶解。待体系冷却至室温，加入4.4g氢化`钠粉末，常温反应搅拌过夜。4ml环氧氯丙烷溶液次日加入反应体系中。反应24h后，反应体系中未反应的氢化钠和副产物盐过中性氧化铝柱子除去，得到的溶液旋转蒸发除去四氢呋喃，残留液多次沉淀在乙醚中，过滤真空干燥得两端基为环氧基的聚乙二醇(Mn=200)衍生物。
[0063]准确称取上述制备的5g两端基为环氧基的聚乙二醇(Mn=200)衍生物。和1.25g丙炔胺以1:2的摩尔比置于含IOmL甲醇的IOOmL圆底烧瓶中，然后在常温条件下机械搅拌反应4天。反应完成后将反应物置于透析袋中透析72小时，透析袋中的液体用二氯甲烷萃取3次(每次50mL)，旋转蒸发得到粘液，在大量的冷乙醚中沉淀，过滤干燥得到不同分子量的多炔基聚乙二醇衍生物。
[0064]步骤I)中，端叠氮基的聚乙二醇(Mn=1000)为 0.15g(0.015mmol),0.3g(0.03mmol)多炔基聚乙二醇衍生物(Mn=10000)，在80°C下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入催化剂氯化亚铜(0.4mg, 0.004mmol),配体2, 2’ -联吡卩定(0.0125mmol )。
[0065]步骤2)中，反应温度为80°C，反应时间45min形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0066]其余与实施例1完全一致。
[0067]实施例8:
[0068]基本流程同实施例7，不同之处在于:
[0069]步骤I)中，端叠氮基的聚乙二醇(Mn=200)为 0.03g(0.15mmol),0.24g(0.024mmol)多炔基聚乙二醇衍生物(Mn=10000)，在90°C下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入催化剂氯化亚铁(0.254mg,0.002mmol)，配体N-正己基-2吡啶基甲酰胺(0.04mol)。
[0070]步骤2)中，反应温度为90°C，反应时间30min形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0071]其余与实施例7完全一致。
[0072]实施例9:
[0073]基本流程同实施例7，不同之处在于:[0074]步骤I)中，端叠氮基的聚乙二醇(Mn=200)为 0.03g(0.15mmol),0.36g(0.036mmol)多炔基聚乙二醇衍生物(Mn=10000)，在90°C下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入催化剂氯化亚铁(0.254mg,0.002mmol)，配体N-正己基-2吡啶基甲酰胺(0.04mol)。
[0075]步骤2)中，反应温度为120°C，反应时间IOmin形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0076]其余与实施例7完全一致。
[0077]实施例10:
[0078]基本流程同实施例1，不同之处在于:
[0079]步骤a)中，叠氮基化合物的合成:室温条件下精确称取IOg聚乙二醇(Mn=4000)溶于50ml无水二氯甲烷中，冰浴，将体系温度降到0°C。搅拌3小时，称取新蒸的二氯亚砜(0.5ml)溶于20ml无水二氯甲烷中。在0°C条件下利用恒压地液漏斗将氯化亚砜和二氯甲烷溶液缓慢滴加入聚乙二醇二氯甲烷溶液中约(20分钟)。在向体系中加入0.05ml新吡啶。缓慢升温至室温，磁力搅拌下反应24小时。反应完成后，过滤掉体系反应过程中生成的吡啶盐酸盐，减压蒸馏除去二氯甲烷和过量的二氯亚砜。将得到的产物在大量乙醚中沉淀，过滤得到两端基为氯的聚乙二醇(Mn=4000)白色固体粉末。
[0080]准确称取上述8.0g白色固体粉末与0.07g叠氮化钠，溶于30mlDMF中。50°C下磁力搅拌反应72小时。反应结束，用氧化铝柱子除掉未反应的叠氮化钠小分子和生成的副产物盐，然后减压蒸馏除掉DMF，在乙醚中沉淀，抽滤得到两端基为叠氮的聚乙二醇(Mn=1000)衍生物。
[0081]步骤b)中，炔基化合物的合成:精确称取IOg聚乙二醇(Mn=20000)加入干燥的250ml高真空瓶中，150ml干燥后无水的四氢呋喃加入瓶中，在40°C条件下将聚乙二醇溶解。待体系冷却至室温，加入0.136g氢化钠粉末，常温反应搅拌过夜。2ml环氧氯丙烷溶液次日加入反应体系中。反应24h后，反应`体系中未反应的氢化钠和副产物盐过中性氧化铝柱子除去，得到的溶液旋转蒸发除去四氢呋喃，残留液多次沉淀在乙醚中，过滤真空干燥得两端基为环氧基的线形聚乙二醇(Mn=20000)衍生物。
[0082]准确称取上述制备的5g两端基为环氧基的聚乙二醇(Mn=20000)衍生物。和
0.0125g丙炔胺以1:2的摩尔比置于含IOmL甲醇的IOOmL圆底烧瓶中，然后在常温条件下机械搅拌反应4天。反应完成后将反应物置于透析袋中透析72小时，透析袋中的液体用二氯甲烷萃取3次(每次50mL)，旋转蒸发得到粘液，在大量的冷乙醚中沉淀，过滤干燥得到不同分子量的多炔基聚乙二醇衍生物
[0083]步骤I)中，端叠氮基的聚乙二醇(Mn=20000)为 5g (0.15mmol), 1.2g (0.03mmol)多炔基聚乙二醇衍生物(Mn=400000)，在100°C下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入催化剂溴化亚铁(0.432mg，0.002mol)，配体1，1，4，7，10，10 -六甲基三亚乙基四胺和三(N，N-二甲基氨基乙基)胺(0.125mmol)。
[0084]步骤2)中，反应温度为100°C，反应时间20min形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0085]其余与实施例1完全一致。
[0086]实施例11:
[0087]基本流程同实施例7，不同之处在于:
[0088]步骤I)中，端叠氮基的聚乙二醇(Mn=20000)为 3g (0.15mmol),4.8g (0.012mmol)多炔基聚乙二醇衍生物(Mn=400000)，在110°C下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入催化剂碘化亚铜(1.005mg，0.005mmol)，配体1,1,4,7,10，10 -六甲基三亚乙基四胺和三(N，
N- 二甲基氨基乙基)胺(0.05mmol)。
[0089]步骤2)中，反应温度为110°C，反应时间IOmin形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0090]其余与实施例10完全一致。
[0091]实施例12:
[0092]基本流程同实施例7，不同之处在于:
[0093]步骤I)中，端叠氮基的聚乙二醇(Mn=20000)为 3g (0.15mmol),7.2g (0.018mmol)多炔基聚乙二醇衍生物(Mn=400000)，在120°C下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入催化剂氯化亚铜(1.25mg, 0.0125mmol),配体N-正己基_2吡唳基甲酰胺(0.06mmol)。
[0094]步骤2)中，反应温度为120°C，反应时间5min形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0095]其余与实施例10完全一致。
【权利要求】
1.一种制备聚乙二醇网络水凝胶的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 1)在反应器中加入以下反应物:含有三个或三个以上多端炔基的聚乙二醇衍生物
2.根据权利要求1所述的制备制备聚乙二醇网络水凝胶的方法，其特征在于，所述步骤1)中的催化剂为铁系、铜系或铼系催化剂。
3.根据权利要求1或2所述的制备制备聚乙二醇网络水凝胶的方法，其特征在于，所述步骤1)中的配体为含氮的多齿配体。
4.根据权利要求1或2所述的制备制备聚乙二醇网络水凝胶的方法，其特征在于，所述步骤1)中合成含有多端炔基的聚乙二醇衍生物
5.根据权利要求1或2所述的制备聚乙二醇网络水凝胶方法，其特征在于，所述步骤O中合成含有多端炔基的聚乙二醇衍生物
【文档编号】C08G65/00GK103865073SQ201410127126
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】付国东, 钱珊珊, 姚芳 申请人:东南大学