[发明专利]一种凝胶因子及其制备方法以及使用该凝胶因子的超分子金属水凝胶及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于超分子自组装技术领域，尤其涉及一种凝胶因子及其制备方法以及使用该凝 胶因子的超分子金属水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

超分子凝胶指的是小分子之间通过非共价键作用自组装形成网络结构束缚住溶剂形成的 凝胶。它已发展成为一大类具有广阔应用前景的智能、功能性纳米材料。这些小分子被称为 凝胶因子，它们的合成和组装是近十几年研究的热点。通过对凝胶因子的设计，使其具备刺 激响应性，可使超分子凝胶能对温度、pH、离子强度等条件进行响应。通过向凝胶因子中引 入不同官能团，诸如光响应性基团等，可用于制备各种具有光电功能的材料；羧基、吡啶基 等官能团的引入，其凝胶性能可能被pH等条件控制；另外，还可以加入添加剂如离子、纳 米粒子等可改变凝胶相态及性能。

超分子水凝胶(Supramolecularhydrogels)即小分子水凝胶，是以水为分散介质的凝胶。 水凝胶具有良好的生物相容性与生物降解能力，经常用于组织工程的支架，生物材料，传感 器等。水凝胶因子自组装形成超分子凝胶也是各种非共价键共同作用的结果，氢键和π-π堆 积作用是形成超分子凝胶过程中利用最广泛的两种非共价键。

然而，由有机小分子作为配体和金属离子发生配位作用的一类非共价键，虽然属于超分 子化学的研究范畴，但是在超分子凝胶材料方面的应用研究却相对较少。实际上，金属离子 诱导有机小分子形成超分子金属凝胶的研究直到最近十几年才逐步得到科学家重视。由于在 超分子凝胶中引入了金属离子，使得超分子凝胶具备了各种新的特殊性质，比如磁响应性、 催化、传感、氧化还原、光电等，这极大地推动了科学家对超分子金属凝胶的研究兴趣，也 使得超分子金属凝胶的研究成为一个新的热点研究领域。

响应性超分子凝胶作为新的功能材料，在诸多领域具有广泛的应用前景。这些领域包括 生物、化学传感器，药物传递和缓释，形状记忆，组织工程，手性识别等等。目前，基于色 氨酸的氨基酸或短肽的水凝胶具备生物兼容性好、生物易降解、化学可修饰及廉价易制备等 诸多优良性质，已被广泛应用于组织工程、药物缓释、细胞培养等领域。色氨酸是天然氨基 酸中的一种，并且是唯一一种有吲哚基团的氨基酸，所以基于色氨酸的衍生物比其它氨基酸 类多了形成氢键的位点，更容易形成凝胶。但是，单独色氨酸类的氨基酸基本形成水凝胶， 不形成金属凝胶，一般只有热响应和pH响应，一般在其他方面(如磁响应、光响应)没有 刺激响应性。

基于吡啶类的超分子金属凝胶，由于在超分子凝胶中引入了金属离子，使得超分子凝胶 具备了各种新的特殊性质，比如磁响应性、催化、传感、氧化还原、光电等。但是，这类超 分子金属凝胶绝大部分是有机凝胶，很大程度上限制了其应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种可快 速地与Co²⁺自组装形成超分子金属水凝胶，并可对Co²⁺特异性识别的凝胶因子及其制备方法； 并且提供了一种使用该凝胶因子的具有多重刺激响应性和手性依靠成胶性的超分子金属水凝 胶及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种凝胶因子，其特征在于：结构式为

该凝胶因子中同时包含有色氨酸单元和吡啶环，色氨酸中的吲哚基和吡啶环均具有芳香 性，在自组装过程中可提供π-π堆积；配体中吡啶氮上的氢和亚胺键上的氢均可在自组装过 程中参与氢键的形成；吡啶氮原子和羧基可以作为金属离子的配位点。这样的凝胶因子结构 既具备形成超分子金属凝胶所必须的配位点，又具有小分子的灵巧性，同时还保持了色氨酸 的生物功能。该凝胶因子可对二价钴离子进行特异性识别，无需加热无需超声即可快速地形 成超分子金属水凝胶。

作为一个总的发明构思，本发明另一方面提供了一种制备凝胶因子的方法，包括以下步骤：将L-色氨酸或D-色氨酸在碱性条件下与4-吡啶甲醛反应生成中间产物X或中间产物Y，所述中间产物X的结构式为中间产物Y的结构式为然后将中间产物X或中间产物Y在冰浴下与硼氢化钠反应，再经酸化、提纯后即得所述凝胶因子。