基于聚氨基酸和生物大分子超分子水凝胶的制备与性能调控

The supramolecular polymeric hydrogels crosslinking of polymer chains in water by dynamic non-covalent interactions exhibit attractive properties such as stimuli-responsiveness and self-healing and that have a wide variety of emerging applications. Here, the block copolymers ‘polyethylene glycol-b-polypeptides’ and natural biomacromolecules will be used in this project to construct a new type of hydrogel with good biocompatible and biodegradable. Firstly, the charged polypeptide block combined with polyelectrolyte biomacromolecules can form the core of star-like micellar complexes via electrostatic interaction in aqueous solution. And then the crosslinked hydrogels will be prepared based on host-guest recognition between the PEG segment and α-CD functioned polymers. Therefore, many kinds of natural biomaromolecules can be highly loaded into hydrogels without any chemical modification. The hydrogels formed by non-covalent bond will be further studied by changing various parameters related to the self-assembly, such as the chain length of the block copolymers, the components ratios, as well as the environmental factors such as salt concentration, pH, temperature and the competition effect of guest molecules. With these, we aimed to build a new type of hybrid, dynamic and environmental responsive hydrogel, which could be constructed in a reliable, simple and convenient way but with efficient target drug load and great potential applications in the biomedical materials.

超分子聚合物水凝胶是由高分子链在水溶液中通过非共价作用交联形成的网络结构，由于其良好的刺激响应性和自愈性等特点，具有非常广泛的应用前景。本项目充分利用“聚乙二醇-b-聚氨基酸”两嵌段共聚物中每个嵌段的特性，将其中带有电荷的聚氨基酸嵌段通过静电作用，与带相反电荷的各种聚电解质生物大分子，在水溶液中自组装形成胶束复合物，同时复合物外围非离子链段-PEG，又能与聚多肽或聚多糖侧基上的α-环糊精通过特异性的主-客体识别，实现对胶束复合物的进一步交联，最终构建负载有生物大分子的超分子水凝胶材料。从而在不对天然生物大分子进行任何化学修饰的前提下，利用水凝胶对其进行高效负载。重点研究两嵌段共聚物各嵌段的链长，各组分的混合比例，环境的盐浓度、pH、温度，以及竞争性客体分子等因素，对这种由非共价作用构筑的动态超分子水凝胶性能的影响，以期获得具有构建方法简单、负载能力高效和刺激响应多样等特点的杂化水凝胶材料。

本项目围绕聚氨基酸和生物大分子DNA及其杂化功能材料进行研究，通过简单高效的方法，制备了一系列结构可控、性能稳定、生物相容并可降解的高分子功能材料，进一步研究了它们的结构特征与自组装性质之间的关系，这些基于多重非共价作用力构建的超分子自组装结构，对于探索新型杂化共聚肽的合成与修饰、纳米材料的可控组装、性能可调控的水凝胶材料的构建等方面具有重要的意义。主要包括以下内容：. 1）通过巯-炔加成的方法对聚乙二醇-b-聚氨基酸两嵌段共聚物中聚氨基酸嵌段分别修饰了普通疏水性的饱和烷烃和具有双疏性质的氟代烷烃，并研究了修饰后的嵌段共聚物在水溶液及有机溶剂中的自组装性质。这些实验结果与合成方法对研究聚合物链的修饰及溶液组装性质有一定的借鉴意义。. 2）通过逐步加入Y形DNA单体的树状分子“发散法”的合成策略，自组装形成了不同代数的、表面具有离散DNA“粘性末端”的DNA树状分子，进一步利用其作为骨架材料实现了对金纳米颗粒的可控组装。主要是通过将负载有一条互补DNA单链的金纳米颗粒与这些不同代数DNA树状分子进行杂交，从而合成了数目可控的离散金纳米颗粒聚集结构。这种偶联策略，对于功能化纳米颗粒的空间定位与精确构建多价纳米材料方面，提供了一种原创性的模型。. 3）基于DNA自组装的策略，构建了一种聚氨基酸-DNA杂化水凝胶，获得了一系列具有固定交联位点密度但不同流变学性质的水凝胶材料。主要通过对侧链DNA序列的系统设计，调控交联位点中双链DNA的稳定性，从而能够在保持交联位点密度不变的条件下，改变该类水凝胶材料的流变学性质。进一步利用调节DNA偶联位点的序列长度或引入错配位点，调控水凝胶的机械强度。同时，也可以通过改变环境的pH来控制聚氨基酸骨架构象变化的方法，实现对凝胶力学性能的调控。