刺激响应性纳米药物控释系统的制备及应用研究

摘要

癌症是当今医学界所面临的重大难题之一，化学疗法是癌症综合治疗中不可缺少的重要手段，而传统的化疗方法存在毒副作用大、药物生物利用率低、缺乏特异识别性等缺点，限制了其在癌症治疗中的应用与发展。纳米材料具有许多独特的化学和物理性质，在癌症治疗领域具有重大的应用价值。利用纳米材料作为抗癌药物的传输载体，构建环境响应性药物控释系统，可实现药物在肿瘤部位的靶向释放，有利于提高药效、降低药物的毒副作用。目前，关于纳米药物控释系统的研究已经取得了许多进展，开发出了许多具有刺激响应性的药物控释系统，如pH响应性、氧化还原响应性、温度响应性、光响应性以及多重响应性等。其中，pH响应性和氧化还原性药物控释系统由于可以利用人体内部的环境差异来控制药物释放，不需要外加辅助刺激条件，被认为是理想的药物控释系统。
　　介孔二氧化硅纳米粒子（mesoporous silica nanoparticles，简称MSNs）和嵌段聚合物作为典型的无机和有机药物载体，受到了研究人员的广泛关注。MSNs具有巨大的比表面积、可调节的介孔孔径、稳定的骨架结构、易于修饰的内外表面和良好的生物相容性等优点，在药物传输和控制释放领域具有广阔的应用前景。嵌段聚合物通过自组装形成的纳米组装体作为药物运输载体具有许多独特的优势，如良好的生物降解性和生物相容性、尺寸均匀且大小可控、能负载疏水性药物及表面容易进行PEG化修饰等。但是，大多数以MSNs和嵌段共聚物为载体的纳米药物传输系统都存在一个严重的问题，即无法实现药物分子在血液循环过程中“零释放”，控制其在病灶部位的靶向释放。在此研究背景下，本论文着重针对pH和氧化还原响应性的纳米药物传输系统进行研究，利用MSNs和嵌段共聚物作为药物传输载体，制备了四种新型的刺激响应性纳米药物控释系统，并研究了上述纳米药物控释系统对抗癌药物阿霉素和紫杉醇的控释行为。具体包括如下四部分内容:
　　(1)通过graft-onto方法将商品化聚丙烯酸线性聚合物共价接枝到MSNs表面，得到了有机-无机复合纳米粒子(MSN-PAA)。MSN-PAA具有规整的球形结构，粒径约为150 nm，在水中具有良好的分散性。此外，MSN-PAA在保留MSNs介孔性质的同时，能够利用PAA链段的pH响应性，对阿霉素(DOX)的释放行为进行有效地调控:释放介质的pH值越低，阿霉素的释放速度越快，释放量也越多。
　　(2)合成了一种结构新颖的含二硫键的紫杉醇前药，采用HPLC表征法对该前药化合物的药物释放机理进行了研究。通过共缩合法合成了带荧光的 MSNs（fluorescent mesoporous silica nanoparticles，简称FMSN）。通过共价键将紫杉醇前药接枝到FMSN表面，得到了载药纳米粒子FMSN-PTX，其中FMSN和PTX之间通过可断裂的二硫键linker连接。FMSN-PTX的药物释放行为受还原剂谷胱甘肽（glutathione，简称GSH）的影响。体外细胞实验发现，FMSN-PTX的细胞毒性随着细胞内GSH浓度的升高和培养时间的延长而增强，表明FMSN-PTX在细胞内能释放出PTX，并且释放行为具有GSH依赖性。
　　(3)以PEG作为大分子引发剂，通过连续原子转移自由基聚合(ATRP)方法合成了一系列结构规整的三嵌段共聚物PEG-b-PtBA-b-PHEMA，并制备了相应的聚合物胶束。通过GPC、NMR、DLS、TEM以及FLS等表征方法对聚合物和胶束进行了相关结构和形态的表征。然后以酸敏感性的顺式乌头酸酐作为连接桥梁，将DOX共价负载到三嵌段聚合物链段上，得到了具有pH响应性的聚合物载药系统，载药量高达38％。体外药物释放结果显示载药系统的药物释放行为具有明显的pH依赖性，在低pH释放介质中，药物的释放速度更快、释放量更大。
　　(4)通过ATRP方法制备了两嵌段共聚物PEG-b-PHEMA。然后，利用PHEMA的活泼羟基，将含二硫键的紫杉醇前药通过共价键接枝到聚合物链段上，得到了具有氧化还原响应性的聚合物-药物共轭物。这种共轭物在水中形成约200 nm的球形胶束。细胞实验表明共轭物的细胞毒性随着癌细胞内GSH浓度的增加而增加。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 药物控制释放系统概述

1．1．1 癌症与癌症化疗现状

1．1．2 药物控制释放系统

1．2 纳米材料在药物控制释放系统中的应用

1．2．1 纳米材料作为药物传输载体的优势

1．2．2 载体用纳米材料的种类

1．3 刺激响应性纳米药物控释系统

1．3．1 pH响应性纳米药物控释系统

1．3．2 氧化还原响应性药物控释系统

1．3．3 温度响应性药物控释系统

1．3．4 光响应性药物控释系统

1．3．5 酶响应性药物控释系统

1．3．6 多重响应性药物控释系统

1．4 本论文的选题意义和研究内容

参考文献

第二章 pH响应性MSN-PAA复合纳米粒子的制备及药物控释研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂和材料

2．2．2 溶胶凝胶法合成介孔二氧化硅纳米粒子(MSNs)

2．2．3 graft-onto法合成pH响应性介孔二氧化硅纳米粒子(MSN-PAA)

2．2．4 载药实验

2．2．5 体外释放实验

2．2．6 体外细胞实验

2．2．7 仪器与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 pH响应性介孔二氧化硅纳米粒子的制备

2．3．2 pH响应性介孔二氧化硅纳米粒子的性质

2．3．3 MSN-PAA药物的负载

2．3．4 DOX@MSN-PAA的药物控释结果

2．3．5 体外细胞毒性评价

2．4 小结

参考文献

第三章 Redox响应性FMSN-PTX载药纳米粒子的制备及药物控释研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂和材料

3．2．2 PTX-Linker-TIPS共轭物1的合成

3．2．3 PTX-Linker-COOH共轭物2的合成

3．2．4 PTX-Linker-OSu共轭物3的合成

3．2．5 荧光介孔二氧化硅纳米粒子(FMSN)的合成

3．2．6 FMSN的氨基官能化(FMSN-APS)

3．2．7 FMSN-PTX载药纳米粒子的制备

3．2．8 HPLC表征PTX-Linker-COOH共轭物的药物释放机理

3．2．9 体外细胞实验

3．2．10 细胞吞噬实验

3．2．11 仪器与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 PTX-Linker前药的制备与药物释放机理

3．3．2 FMSN-PTX载药纳米粒子的制备与表征

3．3．3 体外细胞毒性评价

3．4 小结

参考文献

第四章 PEG-b-PtBA-b-PHEMA三嵌段聚合物的合成、自组装及初步应用

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂和材料

4．2．2 大分子引发剂PEG-Br的制备

4．2．3 PEG-b-PtBA两嵌段聚合物的制备

4．2．4 PEG-b-PtBA-b-PHEMA三嵌段聚合物的制备

4．2．5 PEG-b-PtBA-b-P(HEMA-CAD)载药聚合物的制备

4．2．6 PEG-b-PtBA-b-PHEMA临界胶束浓度(CMC)的测定

4．2．7 PEG-b-PtBA-b-P(HEMA-CAD)载药量的测定

4．2．8 体外释放实验

4．2．9 体外细胞实验

4．2．10 细胞吞噬实验

4．2．11 聚合物胶束的制备与观察

4．2．12 仪器与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 PEG-b-PtBA两嵌段聚合物的合成与表征

4．3．2 PEG-b-PtBA-b-PHEMA三嵌段聚合物的合成与表征

4．3．3 PEG-b-PtBA-b-PHEMA三嵌段聚合物的自组装行为研究

4．3．4 PEG-b-PtBA-b-P(HEMA-CAD)载药聚合物的合成与表征

4．3．5 PEG-b-PtBA-b-P(HEMA-CAD)载药聚合物的体外释放

4．3．6 体外细胞毒性评价

4．3．7 细胞吞噬效果评价

4．4 小结

参考文献

第五章 Redox响应性PEG-b-P(HEMA-PTX)载药聚合物的制备及药物控释研究

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 试剂和材料

5．2．2 PEG-b-P(HEMA-TMS)的制备

5．2．3 PEG-b-PHEMA的制备

5．2．4 PEG-b-P(HEMA-PTX)载药聚合物的制备

5．2．5 PEG-b-P(HEMA-PTX)载药胶束的制备

5．2．6 体外细胞实验

5．2．7 仪器与表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 PEG-b-PHEMA的合成与表征

5．3．2 PEG-b-P(HEMA-PTX)载药聚合物的合成与表征

5．3．3 PEG-b-P(HEMA-PTX)载药胶束的制备与表征

5．3．4 体外细胞毒性评价

5．4 小结

参考文献

第六章 全文总结

附录

攻读博士学位期间发表论文

简历

致谢

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