聚苯硼酸微凝胶的合成及其糖敏性研究

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目前响应性材料的发展在生物、医药和催化剂等领域受到广泛的关注。生物响应性材料是一类与天然的生物反馈调控机制相似,在得到外界环境的变化刺激后可改变自身结构或功能的材料。其中,葡萄糖响应性微凝胶在不同葡萄糖浓度时可发生体积相转变,开拓了其在糖尿病领域的应用,比如作为葡萄糖检测和胰岛素自我调节释放等。此外,人们逐渐开始将凝胶尺寸缩小至微米级别,使葡萄糖响应性微凝胶有合适的尺寸和更快的响应速度。  许多天然或合成的可与葡萄糖作用的物质已被用来合成高分子微凝胶中。早期,葡萄糖氧化酶被用于构建生物传感检测葡萄糖得到了广泛关注和应用,但由于它在使用或者保存过程中的不稳定性,使其在应用上受到了限制。苯硼酸类化合物是一类在水溶液中能可逆结合葡萄糖的化合物,由于其可控的结构和高的稳定性等特征可替代微凝胶中的葡萄糖氧化酶用于葡萄糖检测。然而,苯硼酸(PBA)不仅可以和葡萄糖共价结合,也可以和其他糖类物质(果糖、半乳糖等)络合,并且与果糖的亲和力要大于葡萄糖。因而选择性差是聚苯硼酸微凝胶的主要问题。  另外一方面,大多数聚苯硼酸(pPBA)微凝胶是由于和葡萄糖结合生成带电的葡萄糖-硼酸络合物,唐南电势增加,而发生溶胀行为;或者利用葡萄糖和苯硼酸可以1∶2结合,相当于增加了微凝胶的额外交联点而发生收缩行为。因此,聚苯硼酸微凝胶的葡萄糖响应体积相转变的可控性也是一项挑战。  针对以上问题,本论文以苯硼酸为葡萄糖识别单体,通过合理设计高分子微凝胶的结构,发展了两类聚苯硼酸微凝胶用于葡萄糖检测,主要研究内容如下:  (1)通过将石墨烯(GS)共价接入到苯硼酸高分子微凝胶中,再在微凝胶外层包裹上一层聚(N-异丙基丙烯酰胺)(poly(NIPAM))凝胶层,形成了核壳式构型的GS@pPBAs微凝胶。我们利用石墨烯来降低苯硼酸的pKa,使微凝胶在生理pH7.4的条件下苯硼酸完全电离,微凝胶带负电荷。通过对其进行表征发现,微凝胶在葡萄糖存在时,发生收缩;其他糖类存在时,微凝胶体积几乎没有变化。实现了微凝胶能选择性地对葡萄糖识别并产生特有的体积相变。  (2)我们将3-氨基苯硼酸(3-APBA)与非线性的聚乙二醇聚合,再在外层包裹上一层聚(丙烯酰胺)(poly(AAm))凝胶层形成核壳式pPBA杂化凝胶,该微凝胶高分子中含有短的低聚乙二醇侧链。我们利用聚乙二醇(PEG)固定葡萄糖-硼酸复合物附近的阳离子(主要是缓冲液中的钾离子),建立离子对来构建静电平衡,减小两个硼酸阴离子之间的静电斥力,从而稳定葡萄糖-二硼酸二价阴离子络合物。通过对其进行温度和葡萄糖响应性行为的测试,发现pPBA微凝胶在低温时加入葡萄糖会发生收缩行为;同时,随着高温微凝胶在加入葡萄糖后变得无响应或溶胀。
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