1.本发明属于高分子发光材料领域，具体涉及一种含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料及其制备方法。


背景技术：

2.在近十年来，超支化聚硅氧烷材料是最新发展起来的新型材料，由于其结构简单、易于修饰、生物相容性好等优点，在生物应用和医疗诊断领域显示出了巨大的潜力。与线性的聚硅氧烷相比，超支化的聚硅氧烷具有更加明确的三维结构和可以修饰的活性基团，在载药和生物应用领域更有优势。
3.将杂原子硫引入到聚合物中可以有效的提高其光学性能，yang等[die unterrichtspraxis/teaching german,2010,30(24):2096-2101.]通过迈克尔聚合加成反应成功合成了二硫键官能化的聚酰胺胺(hpamams)。新型的聚酰胺胺能够发射出明亮的荧光，并且发射带几乎覆盖了整个可见波长的范围，但是存在下述两个显著地问题限制了其应用：(1)双硫键的引入有效地提高了荧光强度，但是合成过程较为繁琐；(2)niu等[macromol.rapid communication,2016,37:136-142；polym.chem.2016,7:3747-3755]用不同的二元醇和三元醇和不同种类的硅烷偶联剂反应得到了不同系列的超支化聚硅氧烷，其合成方法简单，但是存在量子产率较低和刺激响应性单一的缺点。因此，现急需要开发一种多刺激响应、量子产率高、生物相容性好的含硫超支化聚硅氧烷。


技术实现要素：

[0004]
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的制备方法。该方法以含硫二元酸或含硫二元醇与硅烷单体作为原料，通过亲核取代缩聚反应在超支化聚硅氧烷中引入动态可逆的共价键二硫键，得到含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料，在增强其荧光强度的同时赋予多刺激响应特征，且该含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的生物相容性好，量子产率高，适用于细胞成像、离子检测和固体发光材料等多个领域。
[0005]
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的制备方法，其特征在于，该方法以含二硫键的二元酸或含二硫键的二元醇与硅烷单体作为原料，经亲核取代缩聚反应，制备得到含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料；所述含二硫键的二元酸或含二硫键的二元醇与硅烷单体的摩尔比为0.5～2。
[0006]
本发明基于目标产物的结构设计，以含二硫键的二元酸或含二硫键的二元醇与硅烷单体作为原料，通过亲核取代缩聚反应在超支化聚硅氧烷中引入动态可逆的共价键二硫键，合成一系列结构中含有大量羰基和二硫键的超支化聚硅氧烷，得到含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料，羰基和二硫键的存在结合超支化结构促使聚硅氧烷的聚集，从而发射明亮的荧光；由于二硫键是良好的氧化剂，在还原剂作用下极易裂解变成巯基，使得聚硅氧烷大分子被分解成小分子，聚集状态被破坏，荧光强度下降，从而赋予荧光材料氧化还原刺激
响应特性；由于荧光材料的聚合物链中包含对ph响应的羰基官能团，羰基通过与质子结合的方式破坏分子间的相互作用，从而改变聚集形式，进而改变荧光强度，赋予荧光材料ph刺激响应特性；同时，由于低极性溶剂不易产生质子，导致荧光材料与低极性溶剂之间的相互作用较弱，有利于聚硅氧烷大分子的聚集，从而荧光强度增强，即荧光材料的荧光强度随着溶剂极性的降低而增加，赋予荧光材料极性溶剂刺激响应特性；另外，本发明的荧光材料中通过引入电负性硫原子，丰富了空间电子交流，且二硫键的偶极矩大，限制了聚合物链端运动耗散能量，从而赋予荧光材料高量子产率。综上，本发明的制备方法在增强含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的荧光强度的同时赋予多刺激响应特征，且量子产率提高，并具有较好的生物相容性，适用于细胞成像、离子检测和固体发光材料等多个领域。
[0007]
上述的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0008]
步骤一、将含二硫键的二元酸或含二硫键的二元醇与硅烷单体按照0.5～2的摩尔比混合，得到混合体系；
[0009]
步骤二、在氮气保护下，将步骤一中得到的混合体系升温至85℃～110℃，当混合体系澄清透明后继续升温至130℃～150℃反应10min～60min，当有馏出物产生时继续反应至馏温降低至45℃以下，直至无馏出物产生时停止反应，然后降至室温，得到产物体系；
[0010]
步骤三、将步骤三中得到的产物体系进行抽真空，除去残留副产物，得到含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料。
[0011]
本发明采用“一锅法”进行亲核取代缩聚反应合成得到含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料，无需催化剂和溶剂，合成工艺简单，过程容易控制，副反应产物少，大大提高了含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的质量和制备效率。
[0012]
上述的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述含二硫键的二元酸或含二硫键的二元醇与硅烷单体的摩尔比大于1。本发明通过控制含硫二元酸或含硫二元醇与硅烷单体的配比即摩尔比大于1，得到羧基或羟基封端的含二硫键超支化聚硅氧烷，该结构的荧光材料易溶于水，量子产率高，末端易于修饰改性。
[0013]
上述的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述含二硫键的二元酸或含二硫键的二元醇与硅烷单体的摩尔比小于1。本发明通过控制含硫二元酸与硅烷单体的配比即摩尔比小于1，得到硅烷基封端的含二硫键超支化聚硅氧烷，该结构的荧光材料在制备过程中不易凝胶，量子产率高，且发光光谱稳定抗干扰性强。
[0014]
上述的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述含二硫键的二元酸为3,3
′‑
二硫代二丙酸、2,2
′‑
二硫代二丙酸或二硫代甘醇酸。上述优选的含二硫键的二元酸的熔点均低于150℃，只需要加热即可熔解参与反应，避免了加热温度过高破坏硅烷单体的稳定性，同时无需通过引入有机溶剂以溶解参与反应，防止了有机溶剂的毒性影响反应过程，且免除了去溶剂的繁琐步骤。
[0015]
上述的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述含二硫键的二元醇为2,2
′‑
二硫二乙醇。上述优选的含二硫键的二元醇只需即可熔解参与反应，避免了加热温度过高破坏硅烷单体的稳定性，且避免引入有机溶剂。
[0016]
上述的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述硅烷单体为乙烯基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧丙基三乙氧
基硅烷或3-环氧丙氧基丙基三乙氧基硅烷。上述优选的硅烷单体为三官能度单体，与二官能度的含二硫键的二元醇或含二硫键的二元酸反应得到超支化拓扑结构，且反应时粘度不会太大导致分子量未达到而凝胶，同时优选的硅烷单体的末端具有双键、氨基和环氧基等基团，这些基团上均具有孤对电子，有效改善了荧光材料的发光性能，且易于修饰改性。
[0017]
上述的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的分子量为3000～20000。该分子量范围符合典型的高分子材料的分子量分布范围。
[0018]
上述的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的量子产率为30％～48％。本发明制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的量子产率较高，有效改善了非共轭荧光聚合物发光强度低的问题，为其在生物成像领域的应用奠定了基础。
[0019]
另外，本发明还公开了一种如上述的方法制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料。
[0020]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0021]
1、本发明以含硫二元酸或含硫二元醇与硅烷单体作为原料，通过亲核取代缩聚反应在超支化聚硅氧烷中引入动态可逆的共价键二硫键，得到含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料，在增强其荧光强度的同时赋予多刺激响应特征，且该含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的生物相容性好，量子产率高，适用于细胞成像、离子检测和固体发光材料等多个领域。
[0022]
2、本发明基于目标产物的结构设计，通过调节含硫二元酸或含硫二元醇与硅烷单体的摩尔比，得到具有不同封端、不同性能的含二硫键超支化聚硅氧烷，以满足不同场合使用要求。
[0023]
3、本发明采用“一锅法”进行亲核取代缩聚反应，无需催化剂和溶剂，合成工艺简单，过程容易控制，副反应产物少，大大提高了含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的质量和制备效率。
[0024]
4、本发明制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料对于金属离子、ph、极性溶剂、还原剂的变化其荧光强度会发生变化，具备多刺激响应特性，大大增加了其应用途径。
[0025]
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
[0026]
图1为本发明实施例1制备含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的合成原理图。
[0027]
图2为本发明实施例1中制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的gpc曲线。
[0028]
图3为本发明实施例1中制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的绝对量子产率图。
[0029]
图4为本发明实施例1中制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的荧光光谱图。
[0030]
图5为本发明实施例1中制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的涂层与mc3t3-e1细胞共培养的sem形貌图。
[0031]
图6为本发明实施例1中制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的涂层与mc3t3-e1细胞共培养的细胞骨架染色图。
[0032]
图7为本发明实施例1中制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的涂层与mc3t3-e1细胞共培养的1、3、5天后的细胞增殖情况图。
具体实施方式
[0033]
实施例1
[0034]
本实施例包括以下步骤：
[0035]
步骤一、室温下，向装有温度计、磁子、n2管以及蒸馏装置的250ml四口烧瓶中加入74.1g的乙烯基三乙氧基硅烷与84.11g的3,3
′‑
二硫代二丙酸并混合，得到混合体系；
[0036]
步骤二、在氮气保护下，打开油浴锅的磁力搅拌，将步骤一中得到的混合体系升温至90℃使物料溶解，当混合体系澄清透明后继续升温至150℃反应20min，当有馏出物产生时继续反应至馏温降低至45℃以下，直至无馏出物产生时停止反应，然后降至室温，得到产物体系；
[0037]
步骤三、将步骤三中得到的产物体系进行抽真空30min，除去残留副产物，得到室温下为黄色粘稠状的聚合物即含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料，且分子量为20000，量子产率为48％。
[0038]
对本实施例制备含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的分子量进行检测，结果如下表1所示。
[0039]
表1
[0040][0041]
从表1可知，本实施例制备含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的分子量分散度接近1，说明该含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的分散相对均一
[0042]
图1为本实施例制备含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的合成原理图，从图1可以看出，乙烯基三乙氧基硅烷和3,3
′‑
二硫代二丙酸通过酯交换亲核取代缩聚反应脱除乙醇，聚合为超支化结构的聚硅氧烷。
[0043]
图2为本实施例中制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的gpc曲线，从图2可以看出，该含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的特征峰出现在滞留时间25.9min、27.1min和27.9min左右，说明该荧光材料的分子量分布宽。
[0044]
图3为本实施例中制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的量子产率图，从图3可以看出，该含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的量子产率为47.81％，接近48％。
[0045]
图4为本实施例中制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的荧光光谱图，从图4可以看出，随着荧光材料的浓度从1mg/ml增加至100mg/ml，荧光光谱的激发波长ex和发射波长em强度显著增加，没有荧光猝灭现象发生，且在ex光谱中仅有一个激发峰375nm，在em光谱中发射峰均主要集中在450nm处，且ex和em峰的位置没有因为浓度不同而变化，说明该荧光材料具有很强的抗干扰能力。
[0046]
含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的生物相容性检测
[0047]
首先选用小鼠成骨前体细胞系mc3t3-e1作为实验细胞，且所有操作均在无菌环境下进行；然后将打磨至2000目的10mm
×
10mm的钛片进行处理分为四组，即未有任何涂覆的钛片为空白对照组，分别涂覆1.0mg/ml、0.5mg/ml、0.05mg/ml实施例1中制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的钛片为样品组，将空白对照组和样品组风干后备用；种板前将空白对照组和样品组均进行正反面紫外灭菌各30min，然后将细胞密度达70％以上的实验细胞经胰酶消化后进行离心处理，对离心液加入培养基吹打重悬，并对离心液中的细胞继续计数并稀释，采用移液枪将稀释后的离心液分别加入到灭菌后的空白对照组和样品组表面样孔上(每孔约40000个细胞)，并进行共培养。
[0048]
图5为本发明实施例1中制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的涂层与mc3t3-e1细胞共培养的sem形貌图，图5中左侧的ti和各浓度代表空白对照组和各样品组，上侧的“1d”代表共培养的时间为1天，“3d”代表共培养的时间为3天，从图5可知，当共培养1天时，附着在空白对照组钛片以及各样品组中含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料表面上的大部分细胞已经开始扩散，处于粘附的初始阶段，整体呈梭形，应力纤维和伪足数量较少；当共培养3天时，细胞骨架网络在空白对照组钛片以及各样品组中含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的整个表面形成分布，说明本发明制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的涂层支持快速和紧密的细胞粘附和良好蔓延，即与细胞具有良好的相容性。
[0049]
图6为本发明实施例1中制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的涂层与mc3t3-e1细胞共培养的细胞骨架染色图，图6中左侧的ti和各浓度代表空白对照组和各样品组，上侧的“fitc”代表采用fitc异硫氰酸荧光素进行细胞染色，“dapi”代表采用dapi 4',6-二脒基-2-苯基吲哚进行细胞染色，“hbpsi”代表未经任何染色处理，除钛片以外的各样品组的表面仅涂覆有含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料且并未经任何染色处理，从图6可知，经fitc染色或dapi染色后，空白对照组和各样品组均产生荧光，且涂覆高浓度即1.0mg/ml含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的钛片样品组表面的细胞分布相对稀疏，涂覆低浓度即0.05mg/ml含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的钛片样品组表面的细胞分布与空白对照组相当；而未经任何染色处理的空白对照组和各样品组中，空白对照组黑暗无荧光，各样品组均产生荧光，即涂覆含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的钛片样品组在没有染色条件下成功点亮了细胞，且视野内观测到的细胞完好无损，发出蓝色的光，说明本发明制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料具有良好的荧光发射性能。
[0050]
图7为本发明实施例1中制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的涂层与mc3t3-e1细胞共培养的1、3、5天后的细胞增殖情况图，图7中的ti和各浓度代表空白对照组和各样品组，横坐标代表共培养天数，纵坐标代表共培养后的体系在450nm处的吸光度，表征细胞增殖率，从图7可知，当共培养1天时，各样品组的细胞增殖率均略低于空白对照组，当共培养3天时，0.05mg/ml含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的钛片样品组的细胞增殖率略高于空白对照组，且随着共培养天数从1天到3天、5天的增加，各样品组的细胞增殖率均保持稳定的增加，说明本发明制备的含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料具有良好的生物相容性，对细胞的生长影响较小。
[0051]
本实施例中的硅烷单体还可采用3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷或3-环氧丙氧基丙基三乙氧基硅烷；含二硫键的二元酸或二元醇还可采用2,2′‑
二硫代二丙酸、二硫代甘醇酸或2,2
′‑
二硫二乙醇。
[0052]
实施例2
[0053]
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤一中加入74.1g乙烯基三乙氧基硅烷，210.28g的3,3'-二硫代二丙酸；步骤二中将混合体系升温至85℃，使物料溶解，当混合体系澄清透明后继续升温至130℃反应10min；制备得到的聚合物即含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的分子量为3000，量子产率为30％。
[0054]
实施例3
[0055]
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤一中加入74.1g乙烯基三乙氧基硅烷，147.19g的3,3'-二硫代二丙酸；步骤二中将混合体系升温至95℃，使物料溶解，当混合体系澄清透明后继续升温至135℃反应30min；制备得到的聚合物即含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的分子量为5000，量子产率为35％。
[0056]
实施例4
[0057]
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤一中加入74.1g乙烯基三乙氧基硅烷，105.14g的3,3'-二硫代二丙酸；步骤二中将混合体系升温至100℃，使物料溶解，当混合体系澄清透明后继续升温至140℃反应40min；制备得到的聚合物即含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的分子量为10000，量子产率为38％。
[0058]
实施例5
[0059]
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤一中加入148.2g乙烯基三乙氧基硅烷，126.17g的3,3'-二硫代二丙酸；步骤二中将混合体系升温至105℃，使物料溶解，当混合体系澄清透明后继续升温至145℃反应50min；制备得到的聚合物即含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的分子量为15000，量子产率为40％。
[0060]
实施例6
[0061]
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤一中加入148.2g乙烯基三乙氧基硅烷，105.14g的3,3'-二硫代二丙酸；步骤二中将混合体系升温至110℃，使物料溶解，当混合体系澄清透明后继续升温至150℃反应60min；制备得到的聚合物即含二硫键超支化聚硅氧烷荧光材料的分子量为18000，量子产率为45％。
[0062]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。