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方法文章

RGD功能化水凝胶的合成及其在治疗应用中的工具作用

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DOI：

10.3791/54445

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2016年10月7日

 ,  , 
1Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering "Giulio Natta", Politecnico di Milano

本文内容

摘要

我们介绍一种用于细胞和药物递送装置的RGD功能化水凝胶的合成方案。该方法涉及炔基修饰的聚丙烯酸（PAA）与RGD-叠氮衍生物之间通过铜催化炔-叠氮环加成反应（CuAAC）进行反应。水凝胶通过微波辅助缩聚反应形成，并对其理化性质进行研究。

摘要

聚合物作为生物材料的使用在治疗应用中提供了显著优势。特别是，通过修饰和功能化聚合物链，引入能够改善生物相容性、机械性能或细胞活力的化合物，使得设计出应对生物医学领域新挑战的新型材料成为可能。在聚合物功能化策略中，点击化学是一种强大的工具，可提高聚合物器件的细胞相容性和药物递送性能。同样，生物医学领域对使用无菌工具的基本需求，以避免潜在的不良副作用（如毒性或生物环境的污染），促使人们对微波辅助策略的兴趣日益增加。

点击化学与微波辅助方法相结合，适用于制备具有理想功能性和更优性能的生物相容性水凝胶，可用于生物医学领域。本研究旨在合成RGD功能化的水凝胶。RGD（精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸）是一种三肽，可模拟细胞黏附蛋白并结合细胞表面受体，从而在水凝胶的三维聚合物网络内为细胞创造有利的微环境。RGD的功能化通过Huisgen 1,3-偶极环加成反应实现。部分聚丙烯酸（PAA）的羧基被修饰为炔基，而RGD肽序列的末端残基则被修饰为叠氮酸。最后，将上述两种产物用于铜催化的点击反应，使肽段永久连接至PAA。该改性聚合物与卡波姆、琼脂糖和聚乙二醇（PEG）共同用于合成水凝胶基质。三维结构的形成源于微波辅助聚缩合反应，其中PAA和卡波姆的羧基与琼脂糖和PEG的羟基之间发生酯化反应。该凝胶化机制的高效性确保了RGD的高程度功能化。此外，在此功能化网络中载入治疗性化合物或生物工具的操作过程极为简便且可重复。

引言

水凝胶是由亲水性交联聚合物形成的三维网络结构，这些聚合物可以是天然的或合成的，并具有独特的三维结构特征。这类材料在药物递送、组织工程、基因载体和智能传感器等生物医学领域中日益受到关注1,2。事实上，由于其高含水量以及流变学和机械性能，水凝胶能够模拟软组织的微环境，成为递送水溶性细胞因子或生长因子的有效工具。其中最具前景的应用之一是作为可注射的生物材料，用于携带细胞和生物活性化合物。水凝胶可通过稳定并精确递送干细胞调控信号，以生理相关的方式调控干细胞命运并提高细胞存活率，这一点已在体外（in vitro）和体内（in vivo）实验中得到证实3,4。其主要优势在于能够将注射的细胞保留在接种区域（原位，in situ），最大限度减少细胞从目标区域流失并进入血液循环系统，从而避免细胞在体内广泛迁移而失去治疗靶向性5。三维水凝胶网络的稳定性依赖于其交联位点，这些交联结构由聚合物链之间的共价键或内聚力形成6。

在此框架中，应用于聚合物链的正交选择性化学是一种多功能工具，能够提升水凝胶的性能7。事实上，通过引入合适的化学基团对聚合物进行修饰，可赋予其适当的化学、物理和力学性能，从而提高细胞存活率，并促进其在组织形成中的应用。同样，在将细胞或生长因子载入凝胶基质的技术中，使用RGD肽可显著改善细胞的黏附性与存活率。RGD是一种由精氨酸（arginine）、甘氨酸（glycine）和天冬氨酸（aspartic acid）组成的三肽，因其能够作用于多种细胞黏附受体，并对细胞锚定、行为及存活产生显著的生物学影响，已成为目前最有效且最常使用的三肽序列8,9。本研究旨在通过合成RGD功能化的水凝胶，构建具有足够生化特性的网络结构，以形成有利于细胞生存的微环境。

微波辐射在水凝胶合成中的应用提供了一种简便的方法，与传统的热处理工艺相比，可在更短时间内减少副反应，并获得更高的反应速率和产率。10该方法无需纯化步骤，由于聚合物之间的相互作用以及反应体系中不存在有机溶剂，可直接获得无菌水凝胶。11因此，由于参与凝胶形成的聚合物化学基团无需经过修饰，可确保RGD与聚合物网络的高比例连接。聚丙烯酸（PAA）和卡波姆中的羧基，以及聚乙二醇（PEG）和琼脂糖中的羟基，通过缩聚反应形成水凝胶的三维结构。上述聚合物被用于脊髓损伤修复治疗中水凝胶的合成。12. 这些设备，如先前研究报道所示13,14，表现出良好的生物相容性，其机械性能和理化特性与多种活体组织相似，并具有触变性。此外，它们可保持局部定位 原位在注射区域。

本研究中，PAA 的羧基被炔基官能团修饰（图 1），并通过三肽末端氨基 -NH2 与结构为 (CH2)n-N3 的预制含叠氮化合物反应，合成 RGD-叠氮化合物（图 2）。随后，修饰后的 PAA 与 RGD-叠氮衍生物通过 CuAAC 点击反应15-17 进行偶联（图 3）。使用一价铜催化剂可显著提高反应速率和区域选择性。CuAAC 反应在有机合成和高分子科学中被广泛应用，具有高效性、对多种官能团高度耐受，且不受有机溶剂影响。该反应具有高选择性、反应时间短、纯化步骤简单等优点，可用于制备星形聚合物、嵌段共聚物或接枝特定官能团的聚合物链18。这种点击策略可在聚合反应完成后对聚合物进行修饰，从而根据最终的生物化学应用需求定制其理化性质。CuAAC 反应条件易于重复（反应对水不敏感，仅可能发生轻微的铜氧化），且生成的三唑环结构可确保产物稳定性。尽管铜金属的使用可能因其对细胞及生物微环境的潜在毒性而被视为关键问题，但可通过透析纯化方法完全去除催化剂残留。最后，将修饰有 RGD 的 PAA 用于水凝胶的合成（图 4），并研究所得网络结构的理化性质，以评估这些体系作为细胞或药物载体的潜在功能。

聚合物修饰反应示意图；PAA 与丙炔胺反应生成 PAA-炔；采用 EDC、HOBt 方法。
图 1：PAA 修饰的炔烃合成。 PAA 与炔基官能团的反应示意图；“n”表示带有羧基的单体与丙炔胺发生反应。 请点击此处查看该图的放大版本。

化学合成反应，4-叠氮丁酰氯与RGD反应生成RGD-叠氮衍生物；反应式示意图。
图2： RGD-叠氮化合物的合成。 RGD-叠氮衍生物的合成过程。请点击此处查看该图的放大版本。

RGD 点击化学反应过程；RGD 叠氮化物，PAA-炔烃；示意图；铜催化叠氮-炔烃反应。
图3：点击反应。 RGD-叠氮衍生物与炔烃-PAA之间的点击反应示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。

使用卡波姆974P、PAA-RGD、PEG、PBS、琼脂糖及80°C加热过程的水凝胶制备示意图。
图4：水凝胶合成。 RGD功能化水凝胶的合成流程。请点击此处查看该图的放大版本。

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方案

注意：化学品直接使用，无需进一步处理。线性 RGD 可购买获得，也可通过标准的 Fmoc 固相肽合成法制备16,19。溶剂均为分析纯级别。透析过程需使用截留分子量（Mw）为 3,500 Da 的透析膜。所合成的化合物通过 400 MHz 核磁共振波谱仪测定 1H NMR 谱进行表征，溶剂为氯仿（CDCl3）或重水（D2O），化学位移以 δ 值表示，单位为百万分之一（ppm）。此外，水凝胶采用 KBr 压片法进行傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析；其物理表征包括在 37 °C 下通过倒置试管法评估凝胶化行为。

1. 4-叠氮丁酰氯 1 的合成

  1. 将500 mg的4-叠氮丁酸（3.90 mmol）溶于10 ml二氯甲烷和0.5 ml二甲基甲酰胺中。
  2. 使用冰浴将溶液冷却至0 °C。
  3. 将505 µl草酰氯（5.85 mmol）加入5 ml二氯甲烷中，然后在搅拌下缓慢滴加至反应体系中。
  4. 在冰浴条件下于0 °C反应1小时后，恢复至室温。
  5. 使用旋转蒸发仪在减压条件下除去溶剂。
  6. 通过1H-NMR波谱法对所得产物进行表征，将样品溶于CDCl316中。

2. RGD-叠氮衍生物2的合成

  1. 将50 mg RGD（0.145 mmol）溶于1 ml 1 M NaOH中。
  2. 将24 mg 1（0.16 mmol）溶于2 ml四氢呋喃中。
  3. 在冰浴条件下，将RGD溶液逐滴加入溶液1中，保持温度为0 °C。
  4. 恢复至室温并搅拌过夜。
  5. 加入1 ml 1 M HCl。
  6. 使用旋转蒸发仪在减压条件下除去溶剂。
  7. 通过1H-NMR波谱对所得产物进行表征，将样品溶于D2O16中。

3. PAA 炔基修饰 3

  1. 将200 mg的35% w/w PAA溶液（2.8 mmol）溶于15 ml蒸馏水中。
  2. 加入15.4 mg丙炔胺盐酸盐（0.20 mmol）。
  3. 将42.8 mg 1-羟基苯并三唑水合物（HOBt，0.28 mmol）溶于14 ml体积比为1:1的乙腈:蒸馏水溶液中，并加热至50 °C。
  4. 在室温下将全部HOBt溶液加入PAA溶液中。
  5. 向反应混合物中加入53.6 mg乙基二甲基氨基丙基碳二亚胺（EDC，0.28 mmol）。
  6. 使用1 M HCl将pH调节至5.5，并在室温下搅拌反应体系过夜。
  7. 对溶液进行透析。将11.2 g氯化钠溶于2 L蒸馏水中，然后加入0.2 ml 37% w/w HCl。使用截留分子量（Mw）为3.5 kDa的透析膜进行透析。
  8. 持续透析三天，每天更换透析液，使用含有0.2 ml 37% w/w HCl的2 L新鲜配制的蒸馏水。
  9. 将最终溶液储存于-80 °C。按照制造商的操作说明在冷冻干燥机中进行冻干。
  10. 通过1H-NMR波谱法对功能化聚合物进行表征，将样品溶于D2O16中。

4. PAA-RGD 聚合物 4 的合成

  1. 将78 mg的炔基修饰的PAA 3（1.083 mmol）溶于10 ml蒸馏水中。
  2. 将25 mg的RGD叠氮化物2衍生物（0.0722 mmol）溶于5 ml四氢呋喃中。
  3. 将全部RGD溶液加入聚合物溶液中。
  4. 加入2.2 mg碘化亚铜（0.0116 mmol）和2.2 mg抗坏血酸钠（0.0111 mmol）。
  5. 在60 °C下搅拌回流反应混合物过夜。
  6. 将混合物冷却至25 °C。
  7. 对溶液进行透析。将11.2 g氯化钠溶于2 L蒸馏水中，然后加入0.2 ml 37% w/w HCl。使用截留分子量（Mw）为3.5 kDa的透析膜进行透析。
  8. 持续透析三天，每天更换透析液，使用含有0.2 ml 37% w/w HCl的2 L新鲜配制的蒸馏水。
  9. 将最终溶液储存于-80 °C，然后按照制造商的操作规程在冷冻干燥机中进行冻干。
  10. 通过1H-NMR波谱法对所得产物进行表征，将样品溶于D2O16中。

5. RGD功能化水凝胶的合成

  1. 配制 PBS：将 645 mg PBS 盐溶解于 50 ml 蒸馏水中。
  2. 在室温下，将 40 mg 卡波姆和 10 mg 功能化 PAA 4 混合于 9 ml PBS（步骤 5.1）中，搅拌至完全溶解（约 30 分钟）。
  3. 向溶液中加入 400 mg 聚乙二醇（PEG），继续搅拌 45 分钟。
  4. 停止搅拌，静置体系 30 分钟，使其充分沉降。
  5. 使用 1 N NaOH 将 pH 调节至 7.4。
  6. 取 5 ml 上述混合液，加入 25 mg 琼脂糖粉末。
  7. 以 500 W 微波辐射加热至沸腾（通常持续 30 秒至 1 分钟），并电磁加热至 80 °C。
  8. 将混合物置于室温环境中冷却，待温度降至 50 °C 后，加入 5 ml PBS（步骤 5.1），使最终溶液达到 1:1 的体积比。
  9. 准备一个 12 孔板，每孔中放置直径为 1.1 cm 的钢制圆筒。
  10. 从上述溶液中取 500 µl 分装至每个钢制圆筒中。
  11. 静置 45 分钟，直至体系完全凝胶化。
  12. 使用不锈钢镊子移除钢制圆筒，获得水凝胶样品。

6. 治疗工具（药物或细胞）的装载

  1. 重复步骤 5.1–5.7。
  2. 当混合物（已处于溶胶状态）达到 37 °C 时，加入 5 ml 含有所需药物溶液或细胞培养物的溶液，以获得体积比为 1:1 的终体系。
  3. 重复步骤 5.9–5.12，以获得生物活性化合物物理包埋于凝胶内的聚合物网络。

7. 水凝胶表征

  1. 傅里叶变换红外光谱分析
    1. 凝胶形成后，将其中一个合成的水凝胶浸泡于2.5 ml蒸馏水中24小时。
    2. 移除水凝胶浸泡的水相介质，并用液氮冷冻干燥2.
    3. 采用KBr压片法对水凝胶样品进行压片处理。
      1. 将一药匙溴化钾（KBr）加入玛瑙研钵中。取少量水凝胶样品（约为KBr质量的0.1–2%，或仅需足以覆盖药匙尖端的量），与KBr粉末混合。
      2. 将混合物研磨至粉末细腻且均匀。
      3. 使用KBr压片试剂盒制备红外压片。采用手动实验室压片机压片：先在5吨压力下压3分钟，再在10吨压力下压3分钟。
      4. 释放压力，得到外观均匀且透明的最终样品小球。将样品小球装入红外样品槽中，测定光谱。16.
  2. 凝胶化研究
    1. 将2 ml微量离心管中加入900 µl PBS，并于37 °C预平衡。
    2. 加入100 µl制备好的聚合物溶液以形成水凝胶，并在37 °C下孵育。
    3. 将试管倒置，分别在1、2、5、10和20分钟时观察凝胶是否流动。记录凝胶不再流动的时间，作为凝胶化时间。

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结果

聚丙烯酸炔烃衍生物由聚丙烯酸与丙炔胺高效合成，如图1所示，其中n标记了其羧基与胺发生反应的单体。产物的结构通过1H-NMR波谱法确认。图5展示了带有三键修饰的PAA的1H-NMR谱图。

核磁共振谱图、化学结构、谱峰、质子分析、示意图、分子鉴定。
图 5： 1H-NMR 谱图：PAA 修饰的炔烃。 与炔基部分相关的信号已被标出。

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讨论

PAA 通过炔基进行聚合后修饰，并利用叠氮基团对 RGD 进行功能化，从而确保聚合物与多肽之间形成稳定的化学键。实际上，三唑环的1,4位连接碳原子，作为刚性连接单元存在于两者之间，且该结构无法通过水解或其他方式断裂。此外，与其他环状结构（如苯系物及相关芳香杂环）不同，三唑极难被氧化或还原24。因此，在水凝胶合成的实验条件下，PAA-RGD 产物的化学不稳定性几乎可以忽略。由于化学键的本质，该多肽被共价接枝至三维聚合物网络中，而非物理包埋（因此不会从体系中释放）。

在水溶液中，使用丙炔胺在EDC和HOBt存在下制备炔基化PAA，以获得胺衍生物。实验结果表明，三键与PAA连接的百分比与所用胺的量成正比。根据核磁共振（NMR）分析，当PAA与丙炔胺的摩尔比为1:1时，聚合物的功能化程度在90%至100%之间；当摩尔比为1:0.5时，功能化程度约为50%。由于凝胶网络的形成涉及酯化反应，因此有必要保留部分PAA羧基，使其能够与PEG和琼脂糖的羟基发生反应。将一半PAA羧基进行修饰即可满足此要求，但当聚合物功能化程度为10%（PAA与丙炔胺的分子比为1:0.1）时，可获...

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披露

作者声明不存在利益冲突，且在撰写本文过程中未获得任何报酬。

致谢

作者感谢 Maurizio Masi 教授的有益讨论，以及 Chiara Allegretti 女士的语言修改。本研究得到 2010 年青年研究人员资助计划（意大利卫生部 GR-2010-2312573）的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
聚丙烯酸溶液，平均 Mw ~100,000，H2O 中 35 wt%Sigma Aldrich523925CAS 9003-01-4
聚乙二醇 2,000Sigma Aldrich84797CAS 25322-68-3
卡波姆 974PFagron1387083
琼脂糖 Invitrogen Corp.16500-500UltraPure 琼脂糖
RGD 肽abcamab142698
4-叠氮丁酸Aurum PharmatechZ-2421 CAS 54447-68-6
草酰氯Sigma AldrichO8801CAS 79-37-8
丙炔胺盐酸盐，95%Sigma AldrichP50919CAS 15430-52-1
碘化亚铜Sigma Aldrich3140CAS 7681-65-4
抗坏血酸钠Sigma AldrichY0000039CAS 134-03-2
磷酸盐缓冲液Sigma AldrichP4417
透析膜Spectrum Laboratories, Inc.132725Spectra/Por 3 透析膜  标准再生纤维素管
截留分子量：3.5 kD

参考文献

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