一種凝膠因子及其制備方法以及使用該凝膠因子的超分子金屬水凝膠及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超分子自組裝技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種凝膠因子及其制備方法W及使 用該凝膠因子的超分子金屬水凝膠及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 超分子凝膠指的是小分子之間通過非共價鍵作用自組裝形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)束縛住溶 劑形成的凝膠。它已發(fā)展成為一大類具有廣闊應(yīng)用前景的智能、功能性納米材料。運些小分 子被稱為凝膠因子，它們的合成和組裝是近十幾年研究的熱點。通過對凝膠因子的設(shè)計，使 其具備刺激響應(yīng)性，可使超分子凝膠能對溫度、pH、離子強度等條件進行響應(yīng)。通過向凝膠 因子中引入不同官能團，諸如光響應(yīng)性基團等，可用于制備各種具有光電功能的材料;簇 基、化晚基等官能團的引入，其凝膠性能可能被抑等條件控制；另外，還可W加入添加劑如 離子、納米粒子等可改變凝膠相態(tài)及性能。
[0003] 超分子水凝膠(Supramole州Iar hy化Ogels)即小分子水凝膠，是W水為分散介質(zhì) 的凝膠。水凝膠具有良好的生物相容性與生物降解能力，經(jīng)常用于組織工程的支架，生物材 料，傳感器等。水凝膠因子自組裝形成超分子凝膠也是各種非共價鍵共同作用的結(jié)果，氨鍵 和n-n堆積作用是形成超分子凝膠過程中利用最廣泛的兩種非共價鍵。
[0004] 然而，由有機小分子作為配體和金屬離子發(fā)生配位作用的一類非共價鍵，雖然屬 于超分子化學(xué)的研究范疇，但是在超分子凝膠材料方面的應(yīng)用研究卻相對較少。實際上，金 屬離子誘導(dǎo)有機小分子形成超分子金屬凝膠的研究直到最近十幾年才逐步得到科學(xué)家重 視。由于在超分子凝膠中引入了金屬離子，使得超分子凝膠具備了各種新的特殊性質(zhì)，比如 磁響應(yīng)性、催化、傳感、氧化還原、光電等，運極大地推動了科學(xué)家對超分子金屬凝膠的研究 興趣，也使得超分子金屬凝膠的研究成為一個新的熱點研究領(lǐng)域。
[0005] 響應(yīng)性超分子凝膠作為新的功能材料，在諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。運些領(lǐng) 域包括生物、化學(xué)傳感器，藥物傳遞和緩釋，形狀記憶，組織工程，手性識別等等。目前，基于 色氨酸的氨基酸或短膚的水凝膠具備生物兼容性好、生物易降解、化學(xué)可修飾及廉價易制 備等諸多優(yōu)良性質(zhì)，已被廣泛應(yīng)用于組織工程、藥物緩釋、細(xì)胞培養(yǎng)等領(lǐng)域。色氨酸是天然 氨基酸中的一種，并且是唯一一種有嗎I噪基團的氨基酸，所W基于色氨酸的衍生物比其它 氨基酸類多了形成氨鍵的位點，更容易形成凝膠。但是，單獨色氨酸類的氨基酸基本形成水 凝膠，不形成金屬凝膠，一般只有熱響應(yīng)和pH響應(yīng)，一般在其他方面(如磁響應(yīng)、光響應(yīng))沒 有刺激響應(yīng)性。
[0006] 基于化晚類的超分子金屬凝膠，由于在超分子凝膠中引入了金屬離子，使得超分 子凝膠具備了各種新的特殊性質(zhì)，比如磁響應(yīng)性、催化、傳感、氧化還原、光電等。但是，運類 超分子金屬凝膠絕大部分是有機凝膠，很大程度上限制了其應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服W上【背景技術(shù)】中提到的不足和缺陷，提供一 種可快速地與Co2+自組裝形成超分子金屬水凝膠，并可對Co 2+特異性識別的凝膠因子及其 制備方法;并且提供了一種使用該凝膠因子的具有多重刺激響應(yīng)性和手性依靠成膠性的超 分子金屬水凝膠及其制備方法和應(yīng)用。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：
[0009] -種凝膠因子，其特征在于:結(jié)構(gòu)式為
[0010]
[0011] 該凝膠因子中同時包含有色氨酸單元和化晚環(huán)，色氨酸中的嗎I噪基和化晚環(huán)均具 有芳香性，在自組裝過程中可提供31-31堆積;配體中化晚氮上的氨和亞胺鍵上的氨均可在自 組裝過程中參與氨鍵的形成；化晚氮原子和簇基可W作為金屬離子的配位點。運樣的凝膠 因子結(jié)構(gòu)既具備形成超分子金屬凝膠所必須的配位點，又具有小分子的靈巧性，同時還保 持了色氨酸的生物功能。該凝膠因子可對二價鉆離子進行特異性識別，無需加熱無需超聲 即可快速地形成超分子金屬水凝膠。
[0012] 作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明另一方面提供了一種制備凝膠因子的方法，包括 W下步驟:將心色氨酸或D-色氨酸在堿性簽化下占4_化N左巧腿反應(yīng)生成中間產(chǎn)物X或中間 產(chǎn)物Y，所述中間產(chǎn)物X的結(jié)構(gòu)式為 中間產(chǎn)物Y的結(jié)構(gòu)式為
然后將中間產(chǎn)物X或中間產(chǎn)物Y在冰浴下與棚氨化鋼反應(yīng)，再經(jīng)酸化、 提純后即得所述凝膠因子。
[0013] 作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明另一方面提供了一種超分子金屬水凝膠，為=維 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由上述的凝膠因子的水溶液和Co2+的水溶液經(jīng)自組裝而形成。與化晚類金屬有機 凝膠相比，本發(fā)明的金屬水凝膠生物相容性和生物降解能力更好，應(yīng)用范圍更廣;與單一的 氨基酸類水凝膠相比，本發(fā)明的金屬水凝膠具有多重刺激響應(yīng)性(如熱可逆性、動力學(xué)可逆 性、化學(xué)可逆性)和手性依靠成膠性，在藥物緩釋、手性識別等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
[0014] 作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明另一方面提供了一種制備上述超分子金屬水凝膠 的方法，包括W下步驟：
[0015] (1)凝膠因子的合成
[0016]常溫下向溶有心色氨酸或D-色氨酸的氨氧化鐘水溶液中緩慢加入4-化晚甲醒的 甲醇溶液，攬拌反應(yīng)1~3小時;反應(yīng)完后將反應(yīng)體系置于冰浴下冷卻;然后向反應(yīng)體系中加 入棚氨化鋼，攬拌反應(yīng)2~4小時；調(diào)節(jié)體系抑至酸性，繼續(xù)反應(yīng)1~3小時，得凝膠因子粗產(chǎn) 品；將所得凝膠因子粗產(chǎn)品過濾、洗涂、重結(jié)晶后得純品k凝膠因子或D-凝膠因子；
[0017] (2)金屬水凝膠的制備
[0018] 配制凝膠因子水溶液和Co2+水溶液，將所述凝膠因子水溶液和Co2+水溶液進行混 合，調(diào)節(jié)抑至中性或弱堿性，震搖，即得超分子金屬水凝膠。
[0019] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(1)中調(diào)節(jié)體系抑至酸性具體是指向體系中加 入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 %的乙酸將反應(yīng)體系FiH調(diào)節(jié)至4~5。
[0020] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中調(diào)節(jié)抑至中性或弱堿性具體為調(diào)節(jié)抑為 7~8。
[0021] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中凝膠因子水溶液和Co2+水溶液的濃度均 為0.05~O.lmol/L。
[0022] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中將凝膠因子水溶液和Co2+水溶液進行混 合具體是指按凝膠因子與Co 2+摩爾比1~4:1將凝膠因子水溶液和Co2+水溶液混合。
[0023] 作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明另一方面提供了一種上述超分子金屬水凝膠在藥 物緩釋載體和手性識別領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:凝膠因子中同時包含有色氨酸單元和化晚 環(huán)，化晚環(huán)上的氮原子和色氨酸中的簇基可為該凝膠因子與Co 2+進行配位提供配位點；化晚 環(huán)和色氨酸中的嗎I噪基均具有芳香性，可在自組裝過程中提供K-JT堆積;亞氨基上的氨和色 氨酸中嗎I噪氮上的氨均可在自組裝過程中參與氨鍵的形成。該凝膠因子可與Co 2+無需加熱 無需超聲即可快速地自組裝形成超分子金屬水凝膠，且不與其他的金屬離子(如化h、Mg2\ 化 2\〇12+、化2+、5112+、(：〇2\]\111 2+古63+、？護、〔64+、〔63+)形成凝膠，可對(：〇 2+進行特異性識別。該 凝膠因子與Co2+所形成的超分子金屬水凝膠具有多重刺激響應(yīng)性和手性依靠成膠性等優(yōu) 點，在藥物緩釋、手性識別等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0025] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明 的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可W根據(jù) 運些附圖獲得其他的附圖。
[0026] 圖1為本發(fā)明的超分子金屬水凝膠成膠過程的示意圖。
[0027] 圖 2 為本發(fā)明的凝膠因子分別與 Ca2+、Mg2+、Ni2\Cu2+Je 2+、Sn2+、Co2+、Mn2+Je3+、Pb2 +、Ce 4+、Ce3+混合后的對比照片。
[0028] 圖3為本發(fā)明實施例1所得凝膠因子的掃描電鏡(SEM)圖。
[0029] 圖4為本發(fā)明實施例1所得凝膠因子的透射電鏡(TEM)圖。
[0030] 圖5為本發(fā)明實施例1所得超分子金屬水凝膠凍干后的掃描電鏡圖。
[0031 ]圖6為本發(fā)明實施例1所得超分子金屬水凝膠凍干后的透射電鏡圖。
[0032] 圖7為本發(fā)明實施例1中凝膠因子及超分子金屬水凝膠的巧光圖譜。
[0033] 圖8為本發(fā)明實施例1中凝膠因子及超分子金屬水凝膠的紅外圖譜。
[0034] 圖9為本發(fā)明實施例1中超分子金屬水凝膠的X射線衍射(XRD)圖。
[0035] 圖10為本發(fā)明的超分子金屬水凝膠在不同條件下的相轉(zhuǎn)變照片。
[0036] 圖11為本發(fā)明中不同濃度凝膠因子所得超分子金屬水凝膠的動力學(xué)頻率掃描 郵S)圖。
[0037] 圖12為本發(fā)明實施例1所得超分子金屬水凝膠的動力學(xué)時間分步掃描(DTS)圖。
[0038] 圖13為本發(fā)明的超分子金屬水凝膠中加入鹽酸后的形態(tài)轉(zhuǎn)變掃描電鏡圖，其中， (A)為剛加入鹽酸，凝膠跨塌的掃描電鏡圖；（B)為加入鹽酸后凝膠樣品變成澄清溶液，再將 樣品溶液迅速冷凍干燥后的掃描電鏡圖；（C)為加入鹽酸后凝膠樣品變成澄清溶液，再將樣 品溶液自然風(fēng)干后的掃描電鏡圖；（D)為圖（C)的局部放大圖。
[0039] 圖14為本發(fā)明的超分子金屬水凝膠對甲基藍緩釋百分比隨時間的變化圖。
[0040] 圖15為本發(fā)明實施例4中超分子金屬水凝膠成膠能力的手性依靠對比照片。
[0041] 圖16為本發(fā)明實施例4中超分子金屬水凝膠成膠能力的手性依靠圓二色譜圖。
【具體實施方式】
[0042] 為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合說明書附圖和較佳的實施例對本發(fā)明作更全 面、細(xì)致地描述，但本發(fā)明的保護范圍并不限于W下具體的實施例。
[0043] 除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術(shù)語與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的含義 相同。本文中所使用的專業(yè)術(shù)語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明 的保護范圍。
[0044] 除非另有特別說明，本發(fā)明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設(shè)備等均可通過市 場購買得到或者可通過現(xiàn)有方法制備得到。
[0045] 實施例1:金屬水凝膠的制備及Co2+特異性識別實驗
[0046] (1)凝膠因子(PT)的合成
[0047] 室溫下向15血溶有Ig色氨酸化-色氨酸或D-色氨酸)和0.28g氨氧化鐘的水溶液中 緩慢