壳聚糖水凝胶诱导合成纳米Fe3O4及同心层状磁性水凝胶构建

摘要

Fe3O4纳米颗粒(Magnetite nanoparticles, MNP)作为纳米材料领域的重要成员，具有其它纳米颗粒所不具备的独特性能，如超顺磁性、磁场响应性、磁致生热效应和易通过人体内部生理屏障等。MNP的独特性能使其在靶向药物控制释放、癌症过热治疗、磁共振成像及生物活性物质的检测和分离等生物医学领域得到了广泛的应用。但目前MNP合成，尤其是多功能化(良好水溶性、生物相容性、荧光化和靶向特性等)MNP的合成仍然存在工艺繁琐，条件苛刻(较高温度和压力、需保护气氛、有机溶剂和有机表面活性剂等)的问题。水凝胶诱导无机合成为MNP的制备提供了新途径，而且水凝胶中反应扩散过程为构建有序结构的有机-无机纳米复合材料提供了便利条件。因此，系统研究壳聚糖水凝胶诱导合成MNP的规律及机制，提出壳聚糖水凝胶诱导合成MNP的新方法，丰富水凝胶诱导无机合成理论，并研究壳聚糖水凝胶中反应扩散过程，构建结构有序磁性壳聚糖水凝胶，具有重要的学术价值和实际应用。
　　基于以上研究背景，本文提出以壳聚糖-铁离子螯合物(CS-Fe(Ⅱ,Ⅲ))为前驱体，壳聚糖水凝胶诱导合成MNP的新方法；利用壳聚糖水凝胶中反应扩散过程构建同心层状磁性壳聚糖水凝胶(Concentric layered magnetic chitosan hydrogel, CL-MCS)。采用XRD、SEM、ESEM、TEM、Raman光谱、XPS和ICP等手段研究 MNP和CL-MCS的微观组织结构与构建机理。探讨MNP标记MG-63细胞的可行性，以及CL-MCS的药物负载和磁场控制释放特性。
　　研究发现，离子组装法和原位杂化法均可在温和条件下(常温、常压、无保护气氛、非有机溶剂和非有机表面活性剂)实现壳聚糖水凝胶诱导合成 MNP，且MNP表面原位包覆壳聚糖层。该壳聚糖原位包覆的MNP(CS-MNP)粒径约为10-30nm，具有超顺磁性，表面壳聚糖含量约30wt.％。pH值对合成CS-MNP的结晶度、形貌和饱和磁化强度起决定性作用。低pH值有利于获得高结晶度和高饱和磁化强度(Saturated Magnetization, Ms)的CS-MNP，pH=1.0时离子组装法和原位杂化法合成CS-MNP的Ms分别为51.6emu/g和55.5emu/g，达到块体Fe3O4的56%和60%。此外，通过调控pH值可实现球形、方形和菱形CS-MNP的合成。
　　通过CS-Fe(II,III)的形成与演化研究，阐述了壳聚糖水凝胶诱导合成CS-MNP的机理，丰富了水凝胶诱导无机合成理论。壳聚糖水凝胶吸附Fe(Ⅲ)、Fe(Ⅱ)形成CS-Fe(II,III)。吸附等温线研究表明，壳聚糖水凝胶对Fe(Ⅲ)、Fe(Ⅱ)的吸附均符合Langmuir理论，饱和吸附量 eC分别为68.6mg/g和58.3mg/g，且吸附动力学研究表明该吸附过程皆为粒子内扩散控制，相同浓度下Fe(Ⅲ)、Fe(Ⅱ)的有效扩散系数接近。XRD、FTIR和XPS结果表明，CS-Fe(II,III)演化为CS-MNP的过程中，壳聚糖除提供反应介质外，被壳聚糖氨基和羟基螯合的铁离子为MNP提供形核位点，且氨基和羟基原位修饰 MNP晶核并影响MNP的生长过程，实现了不同形貌CS-MNP的合成。
　　基于壳聚糖水凝胶中的反应扩散过程，采用间断碱处理方式，通过调控间断时间T实现了不同层数同心层状壳聚糖水凝胶(Concentric layered chitosan hydrogel, CL-CS)和同心层状磁性壳聚糖水凝胶(Concentric layered magnetic chitosan hydrogel, CL-MCS)的可控构建。CL-CS和CL-MCS的层数N与间断时间T具有如下关系：N=76 T.80.71和N=79 T.70.73。同心层状水凝胶中层位置 nX与反应时间平方根t具有线性关系，相邻层位置比为常数，与Liesegang ring1/2现象的时间定律和空间定律一致。但是，同心层状结构构建机理有别于Liesegang ring现象。外电解质OH-与内电解质CS-NH3+反应并生成CS-NH2，CS-NH2并未立即形成层状壳聚糖沉淀而是以中间态的形式存在；间断碱处理方式引起壳聚糖水凝胶中COH-周期性分布，为层状壳聚糖沉淀的形成提供了可控的COH-变化，实现了CL-CS和CL-MCS的可控构建。
　　本文CS-MNP，以及基于CS-MNP合成的荧光化CS-MNP(FITC-CS-MNP)和聚丙烯酸-壳聚糖-四氧化三铁(AA-CS-MNP)纳米微球，在0-200mg/L剂量范围内对MG-63细胞不具有显著毒副作用，48h培养后细胞存活率均在80%以上。MG-63细胞通过巨胞饮(Macropinocytosis)机制实现CS-MNP和FITC-CS-MNP内吞，且细胞液、溶酶体、液泡和内质网均发现纳米颗粒的团聚体，巨胞饮内吞机制降低了纳米颗粒进入溶酶体并降解排出的可能性。采用盐酸多柔比星(Adriamycin，ADM)和利福平(Rafampicin，RFP)为模型药物，成功负载于MCS和CL-MCS，研究了MCS和CL-MCS的磁场控制药物释放特性，揭示了磁场和层状结构对药物释放的影响。MCS对水溶性药物 ADM和脂溶性药物RFP均具有一定的缓释效果，且释放过程符合扩散-溶蚀模型。磁场可显著提高MCS中药物的释放速度，ADM和RFP的阶段释放量分别提高了31.9%和39.3%。CL-MCS层状结构增加了释放介质与CL-MCS的接触面积，促进药物的释放。

目录

壳聚糖水凝胶诱导合成纳米Fe3O4 及同心层状磁性水凝胶构建

CHITOSAN HYDROGEL INDUCED SYNTHESIS OFNANOMAGNETITE AND FABRICATION OFCONCENTRIC LAYERED MAGNETIC HYDROGEL

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪 论

1.1 前言

1.2 MNP 的控制合成及应用研究现状

1.2.1 MNP 的合成

1.2.2 MNP 的应用

1.3 水凝胶诱导无机合成研究

1.3.1 有机分子调控晶体形核生长研究

1.3.2 有机-无机界面分子识别

1.3.3 水凝胶中的反应扩散过程

1.4 壳聚糖的性质及应用研究

1.4.1 壳聚糖的物理化学性质

1.4.2 壳聚糖的应用

1.5 本文的研究目的、意义和主要内容

第2 章 实验材料与分析方法

2.1 实验用原材料

2.2 材料的组成结构分析

2.2.1 X 射线衍射物相分析

2.2.2 热分析测试

2.2.3 电镜观察及成分分析

2.2.4 红外光谱分析

2.2.5 拉曼光谱分析

2.2.6 X 射线光电子能谱分析

2.2.7 磁性能分析

2.3 MG-63 细胞的培养与标记

2.3.1 MG-63 细胞的培养与标记

2.3.2 MTT 测试

2.3.3 标记后MG-63 细胞形貌

2.4 水凝胶质构性能及药物释放

2.4.1 水凝胶质构性能

2.4.2 水凝胶的药物负载及释放

第3 章 壳聚糖水凝胶诱导合成CS-MNP

3.1 离子组装法合成CS-MNP

3.1.1 CS-MNP 的物相、形貌及磁性

3.1.2 铁离子浓度和pH 值的影响

3.1.3 CS-MNP 在壳聚糖水凝胶中分布

3.2 原位杂化法合成CS-MNP

3.2.1 CS-MNP 的物相、形貌及表面状态

3.2.2 pH 值对原位杂化法合成CS-MNP 物相、形貌和磁性的影响

3.2.3 CS-MNP 在壳聚糖水凝胶中分布

3.3 本章小结

第4 章 壳聚糖水凝胶诱导合成CS-MNP 机理研究

4.1 壳聚糖水凝胶吸附铁离子机制

4.1.1 壳聚糖水凝胶对Fe(III)、Fe(II)的吸附等温线

4.1.2 壳聚糖水凝胶对Fe(III)、Fe(II)的吸附动力学

4.1.3 CS-Fe(II,III)的形成

4.2 CS-Fe(II,III)转化为CS-MNP 机制

4.2.1 物相转化

4.2.2 壳聚糖官能团状态转化

4.2.3 元素结合能状态转化

4.3 壳聚糖水凝胶诱导合成CS-MNP 机理

4.4 本章小结

第5 章 同心层状磁性壳聚糖水凝胶的构建工艺与机理

5.1 同心层状水凝胶的构建工艺

5.2 壳聚糖水凝胶中的反应扩散

5.3 同心层状水凝胶的构建及表征

5.3.1 CL-CS 的构建及表征

5.3.2 CL-MCS 的构建及表征

5.3.3 MNP 对同心层状水凝胶构建的影响

5.4 同心层状水凝胶的构建机理

5.5 本章小结

第6 章 CS-MNP 标记MG-63 细胞及CL-MCS 磁场控制药物释放特性

6.1 CS-MNP 标记MG-63 细胞

6.1.1 CS-MNP 的表征

6.1.2 CS-MNP 的细胞相容性

6.1.3 MG-63 细胞内CS-MNP 的分布及内吞机制

6.2 荧光化CS-MNP 的制备及性能

6.2.1 FITC-CS-MNP 的制备与表征

6.2.2 FITC-CS-MNP 的细胞相容性及其在细胞内的分布

6.3 AA-CS-MNP 微球的制备与表征

6.3.1 AA-CS-MNP 微球的制备

6.3.2 AA-CS-MNP 微球的性能表征

6.3.3 AA-CS-MNP 微球的细胞相容性

6.4 磁场控制下磁性水凝胶的药物释放

6.4.1 MCS 的药物负载与释放

6.4.2 磁场控制MCS 的药物释放

6.4.3 层状结构对药物释放影响

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历