基于超分子相互作用的水凝胶其凝胶机理为可逆物理相互作用驱动分子链交联,因其在受到外界刺激损伤后力学性能可逆恢复至初始值,而被广泛用于制备可注射水凝胶,并作为医疗试剂的最佳载体之一,应用于微创手术中。本工作的主要目的是利用基于酰脲基嘧啶酮(UPy)四重氢键的超分子自组装,通过简单可行的方法来制备一系列不同聚合物主链的多功能可注射、自愈合水凝胶,并通过简单的体外药物缓释实验来验证其作为医疗试剂载体在生物医学方面的应用。本工作同时研究了基于UPy的四重氢键与其他非共价键相互作用协同驱动水溶性超分子聚合物形成凝胶的过程,对基于氢键与其他非共价键协同交联,共同开发新型多功能水凝胶具有借鉴意义。主要内容如下:1、首先用羟甲基丙烯酰胺与酰脲基嘧啶酮六亚甲基单异氰酸酯(UPy-NCO)合成了兼具酰脲基嘧啶酮四重紧密氢键和酰胺简单氢键的功能性单体。然后利用该功能性单体与丙烯酰胺在二甲基亚砜溶液中通过自由基共聚合得到聚(丙烯酰胺-脲基嘧啶酮)的超分子聚合物凝胶因子。随后,将该聚合物在升温条件下溶于水中,降温使其四重氢键和简单氢键通过超分子自组装形成基于聚丙烯酰胺/UPy超分子水凝胶。流变学表征以及宏观凝胶的破损修复实验表明,得到的水凝胶在室温下具有良好的自愈合性能、剪切变稀性能以及优异的可注射性能,在作为活性物质载体用于微创手术领域有良好的应用前景。2、利用基于UPy四重氢键相互作用的超分子自组装与其他非共价键物理相互作用相互协同共同驱动水溶性聚合物交联是超分子水凝胶研究的热点。我们利用丙烯酸羟乙酯和UPy-NCO合成了溶解性更好的UPy功能性单体,然后利用该单体与丙烯酸叔丁酯在二氧六环溶剂里进行自由基聚合,得到聚(丙烯酸叔丁酯-脲基嘧啶酮)。随后用三氟乙酸将该聚合物中的叔丁酯水解得到聚(丙烯酸-脲基嘧啶酮)水溶性超分子聚合物,将该聚合物凝胶因子溶在水溶液中通过超分子自组装得到聚合物水凝胶。流变学测试以及宏观凝胶的破损修复实验表明该水凝胶具有良好的自愈合性能,优异的粘附性能以及可注射性能。此外,我们还充分利用超分子聚合物侧链的羧基与碳酸钙粒子相互作用,通过原位生物矿化得到了UPy四重氢键/钙离子与羧酸根离子鳌合的单网络双交联超分子杂化水凝胶。矿化后的超分子水凝胶不仅保持了原有的自修复性能,同时还具有更好的力学性能。我们还以该水凝胶作为载体进行了体外药物负载与释放实验,结果表明该水凝胶具有良好的药物缓释性能,在组织修复领域将会有良好的应用前景。3、具备生物可降解性的功能性可注射水凝胶在对损伤组织进行修复后能够降解为无毒无害的生物小分子,较少了对生物体组织的二次伤害,因而成为人们关注的热点。我们以可生物降解的水溶性天然高分子-明胶作为聚合物主链,利用明胶分子侧链丰富的氨基与UPy-NCO反应,得到了侧链修饰有UPy单元的明胶-UPy超分子聚合物。同时,我们充分利用明胶侧链的羧酸基团与三价铁离子的鳌合相互作用,制备了单网络双物理交联的超分子水凝胶。该水凝胶可以通过分别装有明胶-UPy聚合物水溶液及三价铁离子水溶液的双筒注射器注射混合得到,体现出独特的原位凝胶能力。同时,所制备超分子水凝胶还表现出优异的自修复性能,良好的药物缓释性能。此外,主链使用的可生物降解的明胶使得该水凝胶在完成药物缓释使命后能够自行降解,减少对生物体内造成二次伤害,展现出在药物缓释等生物医学领域良好的应用前景。4、由于水分子本身具有氢键供体和受体,可同UPy基团中供体/受体竞争形成氢键,因而基于UPy的四重氢键在水环境中进行识别、自组装形成二聚体时会受到水分子的影响,主要表现为UPy-UPy二聚体的氢键强度被削弱。此外,UPy基团的疏水性质使得其在水溶性聚合物主链中不能过多引入,否则会导致聚合物疏水,从而难以成胶。为此我们设计了一种局部疏水微环境保护UPy四重氢键相互作用的超分子水凝胶,以增强UPy四重氢键的相互作用。我们首先在分子量20000的聚乙二醇(PEG)两端引入了链转移剂十二烷基三硫代碳酸酯,合成了基于PEG的大分子链转移剂,然后通过可逆断裂加成链转移反应(RAFT)将甲基丙烯酸甲酯、带甲基丙烯酸酯类UPy功能性单体共聚合得到中间为亲水性PEG两端为聚甲基丙烯酸甲酯和UPy单体无规共聚的三嵌段超分子聚合物凝胶因子。将该凝胶因子溶于去离子水中制备通过超分子自组装制备了水凝胶。结果表明,局部疏水微环境(聚甲基丙烯酸甲酯部分)的引入能够极大提高UPy四重氢键的强度,使得凝胶得以形成;同时只引入疏水微环境而不引入UPy基团的对比聚合物溶液未能在同样条件下凝胶也表明了UPy四重氢键为超分子聚合物水溶液凝胶的主要物理交联点。此外,性能测试表明得到的超分子水凝胶具有良好的自愈合性能、可注射性能、药物缓释性能,在药物载体方面有较好的应用前景。5、利用局部疏水微环境对UPy四重氢键予以保护,以增强UPy四重氢键的强度是设计基于疏水相互作用/多重氢键协同效应超分子水凝胶的重要策略。我们在前一个工作的基础上,将简单的疏水段聚甲基丙烯酸甲酯替换成亲疏水性可以通过温度可逆调节的聚(N-异丙基丙烯酰胺)链段。聚(N-异丙基丙烯酰胺)链段在低温下表现为亲水性,可溶于水中,在高温下转变为疏水特性,从水中分相,因而在高温时能够为UPy四重氢键提供疏水微环境,提高四重氢键作用强度,形成稳定水凝胶。具体设计如下:我们以两端修饰有三硫代碳酸酯的PEG为大分子链转移剂,通过带丙烯酸酯类的UPy单体与N-异丙基丙烯酰胺通过RAFT无规共聚,得到聚(N-异丙基丙烯酰胺/UPy)-PEG的三嵌段超分子聚合物凝胶因子。将该聚合物凝胶因子一定条件下溶于水中通过自组装得到超分子水凝胶。结果表明,聚N-异丙基丙烯酰胺链段能够为UPy四重氢键提供可逆的疏水微环境保护,UPy四重氢键交联强度也因此而得到灵活调节。这种响应性疏水微环境与多重氢键的协同作用使得制备的水凝胶表现出独特的低温溶胶、高温凝胶性能,大大方便了可注射过程的实施。此外,流变学及动态光散射表明,该超分子水凝胶的溶胶凝胶转变温度在22℃,且具有多次可逆的高低温凝胶溶胶转变性能。此外,得到的水凝胶具有优异的自修复性能、低温可塑性能、潜在可3D打印性能以及药物缓释性能。我们利用水凝胶作为载体进行了三维细胞培训杨实验以及细胞毒性测试,结果表明细胞在水凝胶载体上生长良好,分裂正常,基本没有死亡,体现了该水凝胶良好的生物相容性,因而在药物缓释、组织修复等生物医学领域方面有良好的应用前景。