一种硼氧六环交联水凝胶及其制备方法

本发明属于高分子新材料，且特别涉及一种硼氧六环交联水凝胶及其制备方法。

背景技术：

1、水凝胶是一类含水的具有三维交联网络结构的材料。由于其含水量高，具有刺激响应性及易于调节的功能，水凝胶在组织工程、药物传递、生物传感、防污涂层、软体机器人、废水处理等领域发挥着重要作用。水凝胶的网络结构通过物理或化学交联的方式形成。在物理交联水凝胶中，聚合物链通过氢键、静电相互作用、疏水相互作用、主客体作用、结晶作用等分子间相互作用交联。物理交联水凝胶制备方法简单，具有动态可逆特性。然而，由于分子间相互作用力弱，物理交联水凝胶通常具有较低的机械强度和较差的稳定性。在化学交联水凝胶中，聚合物链通过共价键交联，因此化学交联水凝胶具有较高的机械强度和较好的稳定性。传统的化学交联水凝胶网络通过单体聚合反应制备，然而这种交联网络是不可逆的，一旦遭到破坏便不能修复，进而影响水凝胶的性能。动态共价键是一种在温和条件下，可以进行可逆断裂和形成的化学键。将动态共价键引入到水凝胶网络中作为交联键，可赋予水凝胶重构和自修复能力。近年来，基于动态共价键的凝胶材料引起了人们的广泛关注，在生物医学、材料科学和工程等领域展现出潜在的应用价值。常用于制备水凝胶的动态共价键包括b-o键、s-s键和c＝n键。其中，b-o键因动力学可控性和高热力学稳定性而备受关注。具有b-o动态共价键的结构有两种，即硼酸酯结构和硼氧六环结构。硼酸酯结构已广泛应用于水凝胶的制备中。目前的硼氧六环在水中易水解，不可用于水凝胶制备。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有的技术壁垒，提供一种在组织工程、药物传递、生物传感等领域具有重要潜在应用的硼氧六环交联水凝胶及其制备方法。

2、本发明的原理如下：我们发现，暴露于水后，2-羟基苯硼酸在室温下迅速转化为一种具有水稳定硼氧六环结构的新物质，即2-羟基苯硼酸三聚体。将2-羟基苯硼酸修饰到亲水性聚合物链上，通过硼氧六环结构，聚合物链在水中交联成网络结构，进而形成水凝胶。

3、所述的2-羟基苯硼酸(左)及具有水稳定硼氧六环结构的2-羟基苯硼酸三聚体(右)的结构式如下：

4、

5、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种硼氧六环交联水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

6、(1)甲基丙烯酸缩水甘油酯(i)、聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(ii)、自由基引发剂和raft试剂在n，n-二甲基甲酰胺中充分溶解，经冷冻-抽真空-融化循环后，发生反应生成i与ii的共聚物(iii)。

7、(2)共聚物(iii)和乙二胺(iv)在n，n-二甲基甲酰胺中充分溶解后，发生反应生成含氨基聚合物(v)。

8、(3)含氨基聚合物(v)和4-甲酰基-2-甲氧基苯硼酸(vi)在超干甲醇中充分溶解后，反应一段时间后，加入硼氢化钠，最终得到含2-甲氧基苯硼酸结构的聚合物(vii)。

9、(4)将含2-甲氧基苯硼酸结构的聚合物(vii)分散在超干二氯甲烷中，在三溴化硼(viii)作用下，2-甲氧基苯硼酸结构的聚合物(vii)转化为可制备硼氧六环交联水凝胶的聚合物(ix)。

10、

11、(5)将可制备硼氧六环交联水凝胶的聚合物(ix)与水混合，得到硼氧六环交联水凝胶。

12、上述步骤(1)中，所述冷冻-抽真空-融化循环次数为2-8次，优选为3-5次，冷冻温度为-100--190℃，优选为-120--160℃，融化的温度为5-25℃，优选为10-20℃；所述共聚物(ii)中p为5-100的整数，优选为5-20；所述共聚物(iii)中p为5-100的整数，优选为5-20，m为50-1000的整数，优选为50-300，n为10-300的整数，优选为10-100，数均分子量为5000-100000g/mol，优选为10000-50000g/mol，多分散指数为1-8，优选为1-4；所述甲基丙烯酸缩水甘油酯(i)和聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(ii)的摩尔比为0.5∶1至5∶1，优选为0.5∶1至2.5∶1。所述引发剂为过氧化环己酮、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁腈、过氧化(2-乙基己酸)叔丁酯、过氧化二异丙苯、过氧化二辛酰、n-乙酰氧基琥珀酰亚胺和过氧化二(2，4-二氯苯甲酰)中的一种或多种。所述聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(ii)与引发剂的摩尔比为100∶1至600∶1，优选为150∶1至400∶1。所述raft试剂为2-(十二烷基硫基硫代羰基硫基)-2-甲基丙酸、4-氰基-4-(苯基硫代甲酰硫基)戊酸、4-氰基-4-(十二烷基硫烷基硫代羰基)硫烷基戊酸、s-(硫代苯甲酰基)硫代乙酸和4-氰基-4-(苯基羰基硫)戊酸中的一种或多种。所述聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(ii)与raft试剂的摩尔比为10∶1至200∶1，优选为20∶1至60∶1。所述聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(ii)与有机溶剂n，n-二甲基甲酰胺的质量比为1∶2至1∶50，优选为1∶5至1∶20。反应需在惰性气体保护下进行，反应温度为40-100℃，优选的反应温度为55-70℃，反应时间为10-100h，优选的反应时间为24-72h。

13、上述步骤(2)中，所述共聚物(iii)和乙二胺(iv)的质量比为1∶1至1∶10，优选为1∶4至1∶7。所述乙二胺(iv)与有机溶剂n，n-二甲基甲酰胺的质量比为4∶1至0.5∶1，优选为2∶1至1∶1。反应温度为40-100℃，优选的反应温度为55-70℃，反应时间为1-20h，优选的反应时间为5-10h。

14、上述步骤(3)中，所述含氨基聚合物(v)和4-甲酰基-2-甲氧基苯硼酸(vi)的质量比为0.5∶1至10∶1，优选为1∶1至5∶1。所述4-甲酰基-2-甲氧基苯硼酸(vi)与有机溶剂甲醇的质量比为1∶10至1∶80，优选为1∶20至1∶50。加硼氢化钠前，反应温度为20-60℃，优选的反应温度为40-60℃，反应时间为10-40h，优选的反应时间为25-30h。加硼氢化钠后，反应温度为0-25℃，优选的反应温度为20-25℃，反应时间为5-30h，优选的反应时间为10-20h。

15、上述步骤(4)中，所述含2-甲氧基苯硼酸结构的聚合物(vii)和三溴化硼(viii)的质量比为1∶1至1∶10，优选为1∶2至1∶4。所述含2-甲氧基苯硼酸结构的聚合物(vii)与有机溶剂二氯甲烷的质量比为1∶40至1∶200，优选为1∶60至1∶140。反应温度为0-25℃，优选的反应温度为20-25℃，反应时间为1-10h，优选的反应时间为2-5h。

16、上述步骤(5)中，所述可制备硼氧六环交联水凝胶的聚合物(ix)和水的质量比为1∶10至1∶100，优选为1∶20至1∶50。

17、上述制备方法制备得到硼氧六环交联水凝胶。

18、本发明创造性地开发出水稳定的新型硼氧六环结构，并制备出第一个基于硼氧六环结构的水凝胶，突破了既有技术方案的壁垒；硼氧六环交联水凝胶在组织工程、药物传递、生物传感等领域具有潜在应用。

技术特征：

1.一种硼氧六环交联水凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的硼氧六环交联水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述冷冻-抽真空-融化循环次数为2-8次，冷冻温度为-100-190℃，融化温度为10-25℃；所述共聚物(ii)中p为5-100的整数；所述共聚物(iii)中p为5-1 00的整数，m为50-1 000的整数，n为1 0-300的整数，数均分子量为5000-1 00000g/mol，多分散指数为1-8；所述甲基丙烯酸缩水甘油酯(i)和聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(ii)的摩尔比为0.5∶1至5∶1；所述引发剂为过氧化环己酮、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁腈、过氧化(2-乙基己酸)叔丁酯、过氧化二异丙苯、过氧化二辛酰、n-乙酰氧基琥珀酰亚胺和过氧化二(2，4-二氯苯甲酰)中的一种或多种；所述聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(ii)与引发剂的摩尔比为100∶1至600∶1；所述raft试剂为2-(十二烷基硫基硫代羰基硫基)-2-甲基丙酸、4-氰基-4-(苯基硫代甲酰硫基)戊酸、4-氰基-4-(十二烷基硫烷基硫代羰基)硫烷基戊酸、s-(硫代苯甲酰基)硫代乙酸和4-氰基-4-(苯基羰基硫)戊酸中的一种或多种；所述聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(ii)与raft试剂的摩尔比为10∶1至200∶1；所述聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(ii)与有机溶剂n，n-二甲基甲酰胺的质量比为1∶2至1∶50；所述反应需在惰性气体保护下进行，反应温度为40-100℃，反应时间为10-100h。

3.根据权利要求1所述的硼氧六环交联水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述共聚物(iii)和乙二胺(iv)的质量比为1∶1至1∶10；所述乙二胺(iv)与有机溶剂n，n-二甲基甲酰胺的质量比为4∶1至0.5∶1；反应温度为40-100℃，反应时间为1-20h。

4.根据权利要求1所述的硼氧六环交联水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述含氨基聚合物(v)和4-甲酰基-2-甲氧基苯硼酸(vi)的质量比为0.5∶1至10∶1；所述4-甲酰基-2-甲氧基苯硼酸(vi)与有机溶剂甲醇的质量比为1∶10至1∶80；加硼氢化钠前，反应温度为20-60℃，反应时间为10-40h；加硼氢化钠后，反应温度为0-25℃，反应时间为5-30h。

5.根据权利要求1所述的硼氧六环交联水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述含2-甲氧基苯硼酸结构的聚合物(vii)和三溴化硼(viii)的质量比为1∶1至1∶10；所述含2-甲氧基苯硼酸结构的聚合物(vii)与有机溶剂二氯甲烷的质量比为1∶40至1∶200；反应温度为0-25℃，反应时间为1-10h。

6.根据权利要求1所述的硼氧六环交联水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述可制备硼氧六环交联水凝胶的聚合物(ix)和水的质量比为1∶10至1∶100。

7.权利要求1-6中任意一项所述的制备方法制备得到的硼氧六环交联水凝胶。

技术总结
本发明公开了一种硼氧六环交联水凝胶及其制备方法，属于高分子新材料技术领域。该水凝胶的制备方法包括以下步骤：首先合成甲基丙烯酸缩水甘油酯和聚乙二醇甲醚丙烯酸酯的聚合物，其次将2‑羟基苯硼酸结构修饰到聚合物上。暴露于水后，聚合物中的2‑羟基苯硼酸结构在室温下迅速转化为2‑羟基苯硼酸三聚体结构，其是一种具有水稳定硼氧六环的新结构。通过硼氧六环结构，聚合物链交联成网络结构，进而形成水凝胶。本发明提供的硼氧六环交联水凝胶是第一个基于硼氧六环结构的水凝胶，在组织工程、药物传递、生物传感等领域具有重要潜在应用。

技术研发人员：李晓佩,卿光焱,张勇杰
受保护的技术使用者：大连工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22