两亲性超支化多臂共聚物与DNA的缀合及共组装研究

摘要

随着DNA纳米技术的不断发展，DNA在纳米自组装和杂化材料领域的研究及应用越来越受到人们的关注。DNA不仅是遗传信息的载体，而且具有高度可预见性和程序化能力，能够作为自组装模块参与构建具有特定纳米结构和功能的纳米器件。同时，超分子化学作为一门高度交叉的新兴学科，逐渐在材料科学、纳米科学、信息科学以及生命科学等众多学科中展现出极其重要的理论意义和广阔的应用前景。将DNA的高度识别能力与超分子化学的结构和功能多样性相结合，即超分子DNA自组装（Supramolecular DNA assembly）是目前的研究热点。作为构建单元的DNA与各种有机无机材料杂化的超分子DNA自组装，不仅丰富了DNA纳米技术的结构和功能性，也为超分子化学实现程序化自组装提供了可能。因此，如何综合利用DNA的生物学特性和可编程能力，构建结构和功能可控的超分子体系，是当前超分子DNA自组装领域的研究热点。本论文利用不同的合成组装策略，制备了一系列包含DNA且具有不同结构和功能的超分子体系，并进一步研究了他们在肿瘤成像、药物输送以及基因转染等领域中的应用。本论文共分四部分，具体研究内容和结论概括如下：
　　1.核酸适配体修饰超支化多臂共聚物的靶向癌细胞成像
　　采用阳离子开环和氧阴离子开环的聚合方法，制备了两亲性超支化多臂共聚物（HBPO-star-PEO），通过末端修饰进一步合成分别具有核酸适配体靶向功能的HBPO-star-PEO-ssDNA和荧光功能的HBPO-star-PEO-FAM。并通过两者的共组装制备了同时具有靶向和荧光功能的双功能组装体。通过DLS和TEM等表征手段表明，这种双功能化的组装体具有规整的纳米级核壳胶束结构，并利用紫外-可见光谱和荧光光谱对组装体进行光谱分析。在体外细胞实验中，分别采用MTT比色法、流式细胞仪和共聚焦显微镜研究了胶束的细胞毒性和内摄行为。结果表明，这种双功能化的胶束具有体外靶向能力、较低的细胞毒性和良好的荧光性能等，能够作为载体应用于生物成像和肿瘤治疗等领域。
　　2.基于DNA识别的哑铃型超分子聚合物的构筑、自组装及pH响应性药物输送研究
　　采用阳离子开环聚合和氧阴离子开环聚合分别成功合成了两种具有pH响应性的DNA-超支化嵌段共聚物HBPO-b-ssDNA和HPG-b-ssDNA，利用共溶剂组装和DNA互补配对原则制备了哑铃型超分子超支化嵌段共聚物HBPO-dsDNA-HPG。DLS、TEM和荧光光谱的实验结果表明，这种超分子聚合物能够自组装形成纳米级囊泡，并且在弱酸性条件下可以发生解组装行为。体外药物释放实验的结果显示，弱酸性条件下囊泡具有良好的药物控制释放的能力。在体外细胞实验中，分别采用MTT比色法、流式细胞仪和共聚焦显微镜研究了囊泡的细胞毒性、抗肿瘤细胞增殖行为以及对肿瘤细胞的内摄行为等，结果显示这种超分子嵌段共聚物是一种具有潜在应用价值的药物输送载体。
　　3.基于PDMAEMA的两亲性多臂共聚物基因载体的构建
　　采用ATRP聚合方法制备了一系列具有不同拓扑结构的两亲性多臂共聚物（PEHO-g-PDMAEMAs），并将这种多臂共聚物应用于体外基因转染的研究。通过对聚合物的质子缓冲能力、对质粒DNA压缩能力和自组装行为、细胞毒性以及基因转染效率等方面的评价，系统分析了支化结构和PDMAEMA的聚合度对细胞毒性和体外基因转染效率的影响。结果表明，疏水性基团的引入有利于降低PDMAEMA的毒性，而支化度增加，对增加体外基因转染效率具有促进作用。进一步拓宽了PDMAEMA作为非病毒基因载体在基因转染等领域的应用。
　　4. DNA诱导超支化聚合物的自组装
　　采用端基修饰的合成方法制备了DNA功能化的两亲性超支化多臂共聚物，通过NMR、UV-Vis光谱和GPC等对这种共聚物进行了结构表征。TEM和AFM的结果显示，这种两亲性多臂共聚物能够在水中直接自组装形成纳米级囊泡。同时，利用DNA的碱基配对原则研究了配对DNA单链对诱导组装体形貌转变的能力。TEM和AFM等测试结果表明，这种纳米级囊泡在配对DNA单链的诱导下，实现囊泡聚集和融合等过程，最终形成纳米级螺旋状纤维。

目录

封面

声明

答辩决议书

中文摘要

英文摘要

符号说明

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 DNA纳米技术及DNA-嵌段共聚物缀合物的自组装

1.3 超支化聚合物的自组装

1.4 本论文的研究内容和意义

第二章 核酸适配体修饰超支化多臂共聚物的靶向癌细胞成像

2.1 引言

2.2 实验

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 基于DNA识别的哑铃型超分子聚合物的构筑、自组装及pH响应性药物输送研究

3.1 引言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 基于PDMAEMA的两亲性多臂共聚物基因载体的构建

4.1 引言

4.2 实验

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 DNA诱导的超支化聚合物自组装行为研究

5.1 引言

5.2 实验

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 论文的主要内容和结论

6.2 工作展望

参考文献

攻读学位期间发表或投寄的学术论文

致谢