CN111793239B - 一种具有大孔结构的高强度dna水凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种具有大孔结构的高强度响应性DNA水凝胶的制备方法为在冷冻条件下聚合物单体和5’端有修饰基的DNA链被浓缩到冰晶周围的微液相中，在引发剂的作用下进行聚合，即通过DNA修饰基和聚合物单体之间的聚合反应，将DNA接枝到聚合物链上；由于DNA链之间具有相互作用，可以将两条或多条DNA链连接到一起，因此DNA充当交联单元的角色将聚合物链连接成为聚合物网络，从而形成DNA水凝胶；而冰晶则充当致孔剂的角色，反应完成后升高温度使冰晶融化留下相互连接的大孔结构；该过程将冷冻聚合的方法引入到DNA水凝胶制备当中，所得DNA水凝胶机械性能好，响应速度快，拓宽了DNA水凝胶的应用领域。

Description

一种具有大孔结构的高强度DNA水凝胶的制备方法
技术领域
本发明属于DNA水凝胶技术领域，尤其涉及一种具有大孔结构的高强度DNA水凝胶的制备方法。
背景技术
水凝胶是一类由具有三维交联网络结构的亲水性材料结合水分子后形成的固态材料，因其含水量高、生物相容性好、可作为多种物质载体等优点，因而被广泛应用于药物传递，组织工程，生物传感等领域。
其中以DNA作为交联单元可以制备具有三维网络结构的DNA水凝胶。由于DNA序列具有可编码性，设计DNA序列可使其对外界刺激，如离子强度、pH和温度等做出响应，从而改变DNA水凝胶的性质，使得水凝胶向“智能型”方向发展，使其在新型生物医药和生物材料等方面的应用受到更多关注。根据DNA水凝胶的组成不同，可将其分为两类：DNA-共聚物水凝胶和纯DNA水凝胶。1996年Nagahara和Matsuda首次报道制备了DNA-共聚物水凝胶。2006年，Luo Dan课题组首次利用DNA分子制备出纯DNA水凝胶。
目前，DNA水凝胶在生化传感、药物递送和组织工程等领域得到了一定的应用。然而，由于块体DNA水凝胶响应速度缓慢和DNA水凝胶天然的强度较差的缺点，使得其在生化传感，药物递送，组织工程等方面的应用中受到了极大的限制。因此提升DNA水凝胶的响应速度，提高DNA水凝胶的强度，是当前DNA水凝胶研究领域的重要科学问题。
为提高DNA水凝胶的响应速度，增强DNA水凝胶机械强度，通常采用以下几种方法：1.缩小DNA水凝胶的尺寸至微米甚至纳米级，制备DNA微凝胶以此来提升对外界刺激的响应速度；2.将黏土颗粒，二氧化钛，二氧化硅，碳纳米管，石墨烯等无机材料填充或键合到水凝胶网络中，以此来制备具有良好力学性能的DNA水凝胶；3.通过制备具有互穿型双网络结构的DNA水凝胶，以此来提高其机械强度。
以上这些方法虽然可以有效地提升DNA水凝胶的响应速度或机械性能，但是往往需要添加额外的添加剂，并且不能同时对响应速度和机械性能进行提升。
发明内容
本发明提供一种具有大孔结构的高强度DNA水凝胶的制备方法，该大孔DNA水凝胶相较于传统方法制备的DNA水凝胶具备更灵敏的响应性和更高的机械性能。
一种具有大孔结构的高强度DNA水凝胶的制备方法，至少包括如下步骤：
(1)在缓冲溶液中加入聚合物单体溶液和5’端有修饰基的DNA溶液，之后加入引发剂在冷冻条件下进行聚合反应，形成带有冰晶的聚合物网络；
(2)升高温度使冰晶融化，形成大孔径DNA水凝胶。
进一步，聚合物单体在缓冲溶液中的质量分数为0.5％-3％。
进一步，DNA在缓冲溶液中的浓度为0.5-2mM/L。
进一步，步骤(1)的冷冻温度为-10℃至-40℃。
进一步，步骤(2)的温度为4-25℃。
进一步，所述聚合物单体为丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺等含有乙烯基的烯类单体。
进一步，所用DNA序列为人工合成DNA，序列可按照使用目的进行编码，通过编码序列可使DNA水凝胶具有对温度、pH和离子强度等环境变化的响应功能，和对离子、小分子、核酸和酶等物质的识别和催化等功能。
进一步，所述引发剂为APS、TEMED中的一种或几种。
本发明的有益效果：
本发明的DNA水凝胶制备过程为，在冷冻条件下，溶液中的水形成冰晶，聚合物单体和5’端有修饰基的DNA链被浓缩到冰晶周围的微液相中，在引发剂的作用下进行聚合，即通过DNA修饰基和聚合物单体之间的聚合反应，将DNA接枝到聚合物链上；由于DNA链之间具有相互作用，可以将两条或多条DNA链连接到一起，因此DNA充当交联单元的角色将聚合物链连接成为聚合物网络，从而形成DNA水凝胶；而冰晶则充当致孔剂的角色，反应完成后升高温度使冰晶融化留下相互连接的大孔结构；该过程将冷冻聚合的方法引入到DNA水凝胶制备当中，所得DNA水凝胶具有相互连接的大孔结构，该DNA水凝胶机械性能好，对外界响应速度快，拓宽了DNA水凝胶的应用领域。
附图说明
图1为本发明制备的大孔DNA水凝胶的照片；
图2为本发明实施例1制备的大孔DNA水凝胶与实施例3中传统方法制备的DNA水凝胶的微观对比图；
图3为本发明实施例1制备的大孔DNA水凝胶与实施例3中传统方法制备的DNA水凝胶用GenGreen染料染色后的的共聚焦显微镜图片；
图4为本发明实施例1制备的大孔DNA水凝胶与实施例3中传统方法制备的DNA水凝胶的流变对比图；
图5为本发明实施例1、实施例2制备的大孔DNA水凝胶的流变对比图；
图6为本发明实施例1制备的大孔DNA水凝胶与实施例3中传统方法制备的DNA水凝胶的酶切动力学对比图；
图7为本发明实施例6制备的具有大孔结构的温敏性DNA水凝胶的温度响应循环图。
图8为本发明实施例6制备的具有大孔结构的温敏性DNA水凝胶和实施例7制备的传统温敏性DNA水凝胶的温度响应速度对比图，每个图片中的左侧为具有大孔结构的温敏性DNA水凝胶，右侧为传统温敏性DNA水凝胶。
图9为实施例4制备的大孔DNA水凝胶和实施例8制备的传统DNA水凝胶的流变学对比图。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下面结合实施例来详细说明本发明。
一、实验部分
实施例1
一种具有大孔结构DNA水凝胶的制备方法如下：
在pH为8.0的10mM/L Tris-HCl，50mM/L MgCl2的缓冲溶液中加入终浓度为2％的丙烯酰胺溶液，终浓度为1mM/L的DNA(1)溶液，将反应溶液用N2进行除氧5min，除氧完成后加入终浓度为0.4％的APS和终浓度为0.2％的TEMED，之后将装有反应溶液的PCR管快速置于-20℃的条件下，使聚合反应在低温下进行。聚合反应完成后，将冷冻凝胶置于4℃条件下解冻使得冰晶融解，得到具有大孔结构的DNA水凝胶，用缓冲溶液对得到的DNA水凝胶进行浸泡去除未反应单体和引发剂。
实施例2
一种具有大孔结构DNA水凝胶的制备方法如下：
在pH为8.0的10mM/L Tris-HCl，50mM/L MgCl2的缓冲溶液中加入终浓度为2％的丙烯酰胺溶液，终浓度为1mM/L的DNA(1)溶液，将反应溶液用N2进行除氧5min，除氧完成后加入终浓度为0.4％的APS和终浓度为0.2％的TEMED，之后将装有反应溶液的PCR管快速置于-40℃的条件下，使聚合反应在低温下进行。聚合反应完成后，将冷冻凝胶置于4℃条件下解冻使得冰晶融解，得到具有大孔结构的DNA水凝胶，用缓冲溶液对的得到的DNA水凝胶进行浸泡去除未反应单体和引发剂。
实施例3
传统DNA水凝胶的制备
在pH为8.0的10mM/L Tris-HCl，50mM/L MgCl2的缓冲溶液中加入终浓度为2％的丙烯酰胺溶液，终浓度为1mM/L的DNA(1)溶液，将反应溶液用N2进行除氧5min，除氧完成后加入终浓度为0.4％的APS和终浓度为0.2％的TEMED，再用N2进行除氧3min，之后将装有反应溶液的PCR管置于4℃的条件下，使聚合反应进行。聚合反应完成后，得到传统DNA水凝胶，用缓冲溶液对的得到的DNA水凝胶进行浸泡去除未反应单体和引发剂。
实施例1-3中所用DNA(1)溶液中的DNA序列为：5’/Acry/-AAACCTGAATTCAGG，该DNA链中包含回文序列，两条链之间会发生自互补，因此该DNA链可作为交联剂连接聚合物链形成聚合物网络，从而形成水凝胶。此外，此序列中包含EcoRⅠ酶切位点，GAATTC，故得到的水凝胶可以对EcoRⅠ酶做出响应，在酶的作用下逐渐解体，由凝胶态变为液态。
实施例4
一种具有大孔结构DNA水凝胶的制备方法如下：
在pH为8.0的10mM/L Tris-HCl，50mM/L MgCl2的缓冲溶液中加入终浓度为2％的丙烯酰胺溶液，终浓度为0.5mM/L的DNA(2)溶液，终浓度为0.5mM/L的DNA(3)溶液，将反应溶液用N2进行除氧5min，除氧完成后加入终浓度为0.4％的APS和终浓度为0.2％的TEMED，之后将装有反应溶液的PCR管快速置于-20℃的条件下，使聚合反应在低温下进行。聚合反应完成后，将冷冻凝胶置于4℃条件下解冻使得冰晶融解，得到具有大孔结构的DNA水凝胶，用缓冲溶液对的得到的DNA水凝胶进行浸泡去除未反应单体和引发剂。
实施例4中所用DNA(2)、DNA(3)溶液中的DNA序列分别为：5’/Acry/-GTGTGTGTGTTG和5’/Acry/-CAACACACACACCTCTCCTCC。这两条DNA链之间存在互补结构，可以进行碱基互补配对，因此DNA链可作为交联剂连接聚合物链形成聚合物网络，从而形成水凝胶。
实施例5
一种具有大孔结构DNA水凝胶的制备方法如下：
在pH为8.0的10mM/L Tris-HCl，50mM/L MgCl2，20mM/L KCl的缓冲溶液中加入终浓度为2％的丙烯酰胺溶液，终浓度为1mM/L的DNA(4)溶液，将反应溶液用N2进行除氧5min，除氧完成后加入终浓度为0.4％的APS和终浓度为0.2％的TEMED，之后将装有反应溶液的PCR管快速置于-20℃的条件下，使聚合反应在低温下进行。聚合反应完成后，将冷冻凝胶置于4℃条件下解冻使得冰晶融解，得到具有大孔结构的DNA水凝胶，用缓冲溶液对的得到的DNA水凝胶进行浸泡去除未反应单体和引发剂。
实施例5中所用DNA(4)溶液中的DNA序列为：5’/Acry/-AAGGGTTAGGG。在钾离子存在的条件下，两条DNA序列可以形成G-四链体。因此两条DNA链通过形成G-四链体可作为交联剂连接聚合物链，使其形成聚合物网络，从而形成水凝胶。
综合实施例1，实施例4和实施例5，发现用不同的DNA序列均可以成功地制备大孔DNA水凝胶。表明只要所用DNA序列之间存在相互作用，可以将聚合物链连接到一起形成聚合物网络，即可用该制备方法制备大孔DNA水凝胶。该方法对DNA序列具有普适性。
实施例6
一种具有大孔结构的温敏性DNA水凝胶的制备：
在pH为8.0的10mM/L Tris-HCl，50mM/L MgCl2的缓冲溶液中加入终浓度为3％的N-异丙基丙烯酰胺溶液，终浓度为1mM/L的DNA(1)溶液，将反应溶液用N2进行除氧5min，除氧完成后加入终浓度为0.4％的APS和终浓度为0.2％的TEMED，之后将装有反应溶液的PCR管快速置于-20℃的条件下，使聚合反应在低温下进行。聚合反应完成后，将冷冻凝胶置于4℃条件下解冻使得冰晶融解，得到具有大孔结构的DNA水凝胶，用缓冲溶液对的得到的DNA水凝胶进行浸泡去除未反应单体和引发剂。由于聚N-异丙基丙烯酰胺具有温敏性，所以由DNA交联该聚合物链而形成的DNA水凝胶也具有温敏性。
综合实施例1实施例6，发现用不同聚合物单体均可以成功地制备大孔DNA水凝胶。表明只要所用聚合物单体可以和DNA的修饰基发生聚合反应，将DNA接枝到聚合物链上，即可用该制备方法制备大孔DNA水凝胶。并且，使用不同的聚合物单体可以赋予该水凝胶更多不同的性质。该方法对所用聚合物单体具有普适性。
实施例7
传统温敏性DNA水凝胶的制备：
在pH为8.0的10mM/L Tris-HCl，50mM/L MgCl2的缓冲溶液中加入终浓度为3％的N-异丙基丙烯酰胺溶液，终浓度为1mM/L的DNA(1)溶液，将反应溶液用N2进行除氧5min，除氧完成后加入终浓度为0.4％的APS和终浓度为0.2％的TEMED，再用N2进行除氧3min，之后将装有反应溶液的PCR管置于4℃的条件下，使聚合反应进行。聚合反应完成后，得到具有温敏性的传统DNA水凝胶，用缓冲溶液对得到的温敏性DNA水凝胶进行浸泡去除未反应单体和引发剂。
实施例8
传统DNA水凝胶的制备方法如下：
在pH为8.0的10mM/L Tris-HCl，50mM/L MgCl2的缓冲溶液中加入终浓度为2％的丙烯酰胺溶液，终浓度为0.5mM/L的DNA(2)溶液，终浓度为0.5mM/L的DNA(3)溶液，将反应溶液用N2进行除氧5min，除氧完成后加入终浓度为0.4％的APS和终浓度为0.2％的TEMED，再用N2进行除氧3min，之后将装有反应溶液的PCR管置于4℃的条件下，使聚合反应进行。聚合反应完成后，得到传统DNA水凝胶，用缓冲溶液对得到的DNA水凝胶进行浸泡去除未反应单体和引发剂。
表1实施例1-8中所用的DNA溶液中的DNA序列表
Figure BDA0002592263470000081
二、测试部分
用实施例1得到的大孔DNA水凝胶做以下实验：
1.扫描电镜
将实施例1得到的大孔DNA水凝胶用液氮冷冻，使得样品中的水变成冰晶的形式。之后快速置于冻干机中抽气至真空状态，在真空状态下冰晶升华成水蒸气，水凝胶冻干完成。将冻干的水凝胶进行喷金处理后进行扫描电镜测试。
2.共聚焦测试
将实施例1得到的大孔DNA水凝胶用GenGreen染料浸泡染色，在共聚焦显微镜下观察。
3.流变学测试
用旋转流变仪在频率扫描的模式下对实施例1得到的大孔DNA水凝胶进行流变学测试。
4.酶降解测试
配置5U/μL的EcoRⅠ酶溶液，将10μL实施例1得到的大孔DNA水凝胶置于上述溶液中，进行酶响应测试，酶响应测试在37℃下进行。每隔一定时间取出上清液进行紫外测试。
用实施例2得到的大孔DNA水凝胶做以下实验：
1.流变学测试
用旋转流变仪在频率扫描的模式下对实施例2得到的大孔DNA水凝胶进行流变学测试。
用实施例3得到的传统DNA水凝胶做以下实验：
1.扫描电镜
将实施例3得到的传统DNA水凝胶用液氮冷冻，使得样品中的水变成冰晶的形式。之后快速置于冻干机中抽气至真空状态，在真空状态下冰晶升华成水蒸气，水凝胶冻干完成。将冻干的水凝胶进行喷金处理后进行扫描电镜测试。
2.共聚焦测试
将实施例3得到的传统DNA水凝胶用GenGreen染料浸泡染色，在共聚焦显微镜下观察。
3.流变学测试
用旋转流变仪在频率扫描的模式下对实施例3得到的传统DNA水凝胶进行流变学测试。
4.酶降解测试
配置5U/μL的EcoRⅠ酶溶液，将10μL实施例3得到的传统DNA水凝胶置于上述溶液中，进行酶响应测试，酶响应测试在37℃下进行。每隔一定时间取出上清液进行紫外测试。
用实施例6的得到的具有大孔结构的温敏性DNA水凝胶做以下实验：
1.温敏性测试
在室温条件下，用湿润的滤纸去除实施例6得到的大孔DNA水凝胶周围多余的水，进行称重得到原始质量。将温度上升到45℃，实施例6得到的DNA水凝胶开始脱水，脱水完全后用湿润滤纸去除多余水后快速进行称重。再将水凝胶放入缓冲液中，降至室温，水凝胶开始吸水，吸水完全后用湿润滤纸去除多余水分再进行称重，如此循环。
2.对温度响应速度的测试
将经TRITC-Dextran(70kDa)染色的实施例6得到的样品浸入装有水的离心管盖中，升温至45℃，使得样品呈脱水状的固态，然后将盖子转移至室温条件下，用相机记录其从脱水态恢复至凝胶态的过程。
用实施例7得到的样品进行以下测试：
1.对温度响应速度的测试
将经TRITC-Dextran(70kDa)染色的实施例7得到的样品浸入装有水的离心管盖中，升温至45℃，使得样品呈脱水状的固态，然后将盖子转移至室温条件下，用相机记录其从脱水态恢复至凝胶态的过程。
用实施例4得到的大孔DNA水凝胶进行以下测试：
1.流变学测试
用旋转流变仪在频率扫描的模式下对实施例4得到的大孔DNA水凝胶进行流变学测试。
用实施例8得到的传统DNA水凝胶进行以下测试：
1.流变学测试
用旋转流变仪在频率扫描的模式下对实施例8得到的传统DNA水凝胶进行流变学测试。
三、测试结果分析部分
从图2的扫描电镜和图3的共聚焦显微镜的照片对比结果可知，相对于传统DNA水凝胶而言，根据本发明方法所制备的DNA水凝胶具有相互连接的大孔结构。
通过图4的流变数据对比可得，相较于传统DNA水凝胶，本发明所制备的大孔DNA水凝胶具有更好的机械性能。
通过图5的流变数据可得，在一定范围内反应温度越低，得到的DNA水凝胶强度越大。
通过图6的酶切动力学对比可得，相较于传统DNA水凝胶，本发明所制备的大孔DNA水凝胶对外界刺激具有更快速的响应。
图7的温度循环证实了实施例6得到的大孔DNA水凝胶具备良好的温敏性，表明用不同的聚合物单体进行制备实验，可以赋予大孔DNA水凝胶不同的性质。
通过图8的温度响应速度的对比得到，实施例6得到的具有大孔结构的温敏性DNA水凝胶相较于实施例7得到的传统温敏性水凝胶具有更快速的温度响应性，这是由于其所含有的相互连接的大孔结构导致的。
通过图9的流变学测试可得，冷冻聚合所制备的DNA水凝胶具备较高的机械强度，这一性质与DNA的序列无关。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有大孔结构的高强度DNA水凝胶的制备方法，其特征在于，至少包括如下步骤：
（1）在缓冲溶液中加入聚合物单体溶液和5’端有修饰基的DNA溶液，之后加入引发剂在冷冻条件下进行聚合反应，形成带有冰晶的聚合物网络，所述引发剂为终浓度为0.4%的APS和终浓度为0.2%的TEMED；
（2）升高温度使冰晶融化，形成大孔径DNA水凝胶；
步骤（1）的冷冻温度为-10℃至-40℃，所述聚合物单体为带有乙烯基的烯类单体。
2.根据权利要求1所述的一种具有大孔结构的高强度DNA水凝胶的制备方法，其特征在于，聚合物单体在缓冲溶液中的质量分数为0.5%-3%。
3.根据权利要求1所述的一种具有大孔结构的高强度DNA水凝胶的制备方法，其特征在于，DNA在缓冲溶液中的浓度为0.5-2mM/L。
4.根据权利要求1所述的一种具有大孔结构的高强度DNA水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（2）的温度为4-25℃。
5.根据权利要求1所述的一种具有大孔结构的高强度DNA水凝胶的制备方法，其特征在于，所用DNA序列为人工合成DNA，序列可按照使用目的进行编码。
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