摘要
水凝胶有着悠久的历史和广泛的应用，水凝胶的研究是材料科学研究的前沿与热点，尤其是在生物材料研究方面。从广义上来讲，生物体本身就是一块具备复杂功能的水凝胶。因此，我们可以向自然界学习，将天然的生物分子引入凝胶体系，或是利用自然界中的物理/化学相互作用来构建凝胶网络，从而赋予复合水凝胶生物相容性、生物降解性、生物响应性以及诸多其他特性。 为了将天然的蛋白质分子引入凝胶网络，可以对蛋白质分子进行化学改性，并作为凝胶的生物交联剂。二硫键对于维持蛋白质的分子结构起着重要作用，由于其在氧化/还原条件下可以可逆地生成/断裂，因此又被称为动态化学键。利用巯基和二硫吡啶的交换反应，可以高效地生成二硫键交联的凝胶网络。分子识别作用是主体-客体分子之间的特异性物理结合作用，其中β环糊精与金刚烷之间识别作用的结合常数和效率很高，且由于β环糊精水溶性的特点，非常适合作为水相中的交联反应。 在本文中，我们通过将蛋白质交联点、二硫键以及分子识别作用引入水凝胶网络，进行了以下三个子课题的研究: 1.利用还原剂触发的自凝胶过程制备二硫键交联的水凝胶: 我们通过丙烯酰胺与功能性单体的自由基共聚反应，制备了侧链含有部分二硫吡啶基团的共聚物。在此共聚物的水溶液中加入微量还原剂DTT，可以将一部分二硫吡啶基团转化为巯基，而生成的巯基又可以和剩余的二硫吡啶基团迅速发生交换反应，构成二硫键连接的交联点并导致水溶液的凝胶化转变。通过控制还原剂的加入量，可以使生成的凝胶中残余一定数量的二硫吡啶基团，为随后结合带有巯基的生物分子提供平台。利用这一方法，我们成功地将谷胱甘肽与牛血清白蛋白固定到了凝胶网络中，并测定了它们的生物活性。由于该凝胶是二硫键交联形成，所以在生理环境下可以发生可逆断裂解体，在生物医药领域拥有潜在的应用价值。本方法具有体系简单干净、反应高效迅速、交联度调控简便和易于功能化改性等优点。 2.蛋白质交联的自修复水凝胶及其载药释放性能: 我们将蛋白质组分与二硫键的动态交联反应相结合，首次合成了蛋白质作为交联点的自修复水凝胶。使用还原剂处理牛血清白蛋白(BSA)，将一部分蛋白质分子内的二硫键还原为自由巯基，得到了表面含有多个巯基的还原型BSA。本研究中还原型BSA作为凝胶的交联剂。同时通过自由基共聚合制备了侧链含有二硫吡啶基团的聚丙烯酰胺。此共聚物作为凝胶网络的骨架。还原型BSA表面的巯基可以与共聚物中的二硫吡啶基团发生交换反应，形成二硫键交联的水凝胶。我们使用流变仪考察了蛋白质交联剂的浓度与其表面的巯基含量对水凝胶性质的影响。由于二硫键的动态可逆特性，该水凝胶可以在损伤后自我愈合。此外，利用BSA与水杨酸之间的亲和作用，BSA交联的水凝胶还能够负载水杨酸，实现对水杨酸的可控释放。 3.利用分子识别作用构建蛋白质作为交联点的三重响应性聚合物网络: 我们将天然生物组分与自然界中的物理/化学相互作用结合起来，设计并制备了一种蛋白质作为交联点的合成聚合物网络，网络的交联利用了金刚烷和β环糊精之间的分子识别作用。首先用还原剂将BSA中一部分二硫键还原为巯基，再与二硫吡啶活化的β环糊精反应，便制得了表面接有多个环糊精基团的BSA交联剂。网络的骨架则由丙烯酰胺与侧链带有金刚烷分子的单体共聚制得。精确设计的网络组成和交联方式为这个聚合物网络带来了三重响应性——氧化还原响应性、分子识别响应性和酶响应性。该网络可以在外加谷胱甘肽、游离β环糊精或是胰蛋白酶的条件下降解。
NETL