基于RAFT聚合制备超支化聚合物及其生物应用

摘要

超支化聚合物是一类准球状结构的高度支化大分子，具有较大的内部空穴和很多末端官能团。超支化聚合物由于其独特的结构和性能特点，已成为高分子科学、材料科学、纳米技术及生物医学领域的重要研究热点。然而，对超支化聚合物的结构进行设计和调控，进一步构筑功能化的超支化聚合物，使其应用在不同的生物医药领域，依然面临巨大挑战。本论文中，我们将可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合引入到超支化聚合物的合成之中，并结合 RAFT聚合物的结构性能优势，对超支化聚合物的结构进行设计，合成了一系列结构新颖、细胞毒性较低的功能化超支化聚合物，研究了它们在抗蛋白非特异性吸附、药物输送、药物示踪等方面的应用。本论文共分为六个章节，具体研究内容和主要结论概括如下：
　　1．基于RAFT聚合制备超支化聚合物及其抗蛋白非特异性吸附性能研究
　　蛋白与材料表面的相互作用是生物材料研究中的重要科学问题。本章提出了一种通过调控超支化聚合物支化拓扑结构来优化抗蛋白吸附性能的新方法。我们设计并合成了多功能 RAFT聚合的链转移剂 S-对乙烯基苯基 S’-丙基三硫代碳酸酯（VBPT），通过VBPT与甲基丙烯酸聚乙二醇酯（PEGMA）的自缩合型RAFT共聚合反应，制备了一系列具有不同支化拓扑结构的超支化聚（S-对乙烯基苯基 S’-丙基三硫代碳酸酯-聚乙二醇）共聚物（HPVBEGs），并借助二维核磁技术（2D-NMR）对超支化聚合物中存在的不同结构单元（末端、线型以及支化单元）进行了详细的归属，利用定量碳谱计算得到超支化聚合物的支化度。通过氨解反应，将超支化聚合物三硫代碳酸酯末端基团转化成巯基，从而与金形成Au-S键，将超支化聚合物接枝到金表面。通过原子力显微镜（AFM）及表面静态接触角（CA）测试，研究了超支化聚合物修饰后金表面的表观形貌及亲水性。最后，通过荧光显微镜（FIM）和石英晶体微天平（QCM-D）对超支化聚合物修饰后金表面的抗蛋白吸附性能进行了研究。结果表明，经过超支化聚合物修饰后，金表面的蛋白吸附量明显降低，并可通过控制超支化聚合物的支化结构，对蛋白吸附性能进行优化，得到抗蛋白非特异性吸附性能优异的材料表面。
　　2．超支化聚合物-金纳米粒子杂化体的构建及其在药物示踪中的应用
　　聚合物药物输送体系能够减少药物输送过程中的副作用，是药物输送的有效手段。为了更好地了解药物输送过程，需要对药物分子的输送及释放过程进行实时追踪。本章设计并制备了一种超支化聚合物-金纳米粒子杂化体并应用于抗肿瘤治疗及在抗肿瘤治疗过程中的药物示踪。利用RAFT聚合合成了超支化共聚物HPVBEG，然后通过 pH响应性的希夫碱键将抗肿瘤药物阿霉素（DOX）缀合到超支化共聚物HPVBEG上，得到pH响应性的超支化聚合物-药物缀合物（HPVBEG-g-DOX）。通过氨解反应将该缀合物与金纳米粒子复合，得到超支化聚合物-金纳米粒子杂化体（HPVBEG-g-DOX-GNP）。在中性条件下，超支化聚合物-金纳米粒子杂化体是稳定的，DOX连接在金纳米粒子的表面上，可以检测到DOX的表面增强拉曼峰，而DOX的红色荧光信号会被金纳米粒子所淬灭。在肿瘤内部弱酸性条件下，希夫碱键断裂，DOX逐渐地从超支化聚合物上解离出来，脱离了金纳米粒子表面，DOX的表面增强拉曼信号峰逐渐减弱直至消失。相应地，DOX的红色荧光会逐渐显现并增强。我们通过表面增强拉曼光谱（SERS）和荧光成像的方法检测了细胞内DOX的释放过程，并研究了超支化聚合物-金纳米粒子杂化体抗肿瘤治疗的效果。
　　3．多巯基超支化聚合物的合成及还原响应性前药构建
　　与小分子药物及其他的载药体系相比，基于高分子设计刺激响应性的“高分子前药”体系具有较多优势。本章设计并合成了多巯基末端的超支化聚合物，通过双硫键与巯基药物6-巯基嘌呤（MP）缀合，构建了一种新型的还原响应性超支化聚合物-药物缀合物（HPVBEG-S-S-MP）。由于形成的超支化聚合物-药物缀合物的结构具有两亲性，在水相溶液中能够自组装形成纳米胶束，有利于疏水性药物增溶，同时提高了药物输送体系的稳定性。利用动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）对超支化聚合物-药物缀合物形成的纳米胶束的尺寸分布及形貌进行了表征，并研究了在还原环境下胶束尺寸的变化。流式细胞仪及激光共聚焦显微镜的测试结果表明，超支化聚合物-药物缀合物形成的纳米胶束能够有效地被肿瘤细胞内摄，用CCK-8法评估了超支化聚合物-药物缀合物对肿瘤细胞的增殖抑制能力，结果表明超支化聚合物-药物缀合物在还原环境下能够实现药物缓释，具有良好的体外抗肿瘤效果。
　　4．骨架还原响应性超支化聚合物的合成及靶向性药物载体的构建
　　主动靶向药物输送体系能够将药物分子高效地定向输送到肿瘤细胞，因而具有更好的抗肿瘤治疗效果。本章设计并合成了多功能RAFT聚合的链转移剂4-氰基-4-（丙基硫硫代碳酰）硫戊酸丙烯酰二硫酯（ACPP），通过 ACPP与甲基丙烯酸聚乙二醇酯（PEGMA）的自缩合型RAFT共聚合反应，合成了一系列骨架还原响应性的超支化聚（4-氰基-4-（丙基硫硫代碳酰）硫戊酸丙烯酰二硫酯-聚乙二醇）共聚物（HPAEGs），并通过“迈克尔”加成反应的方法，将肿瘤靶向性分子-核酸适配体（AS1411）修饰到超支化聚合物上，构建了靶向性还原响应性药物载体HPAEG-AS1411。由于超支化聚合物骨架中含有疏水性的双硫键结构单元和亲水性的聚乙二醇链段，因此在水溶液中能够自组装形成核/壳结构的纳米胶束，且胶束尺寸分布均一。选择疏水性抗肿瘤药物DOX作为模型药物，该胶束能够负载疏水性药物DOX，并将其靶向性地输送到肿瘤细胞内部。在肿瘤细胞内高浓度的谷胱甘肽还原作用下，双硫键发生断裂，纳米胶束发生解组装，DOX被快速地释放出来，达到杀死肿瘤细胞的目的，抗肿瘤治疗效果优于无靶向分子的药物输送体系。

目录

声明

中英文缩写说明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 超支化聚合物

1.3 可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）

1.4 本论文的研究目的、主要内容和意义

第二章 基于RAFT聚合制备超支化聚合物及其抗蛋白非特异性吸附性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 超支化聚合物-金纳米粒子杂化体的构建及其在药物示踪中的应用

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 多巯基超支化聚合物的合成及还原响应性前药构建

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 骨架还原响应性超支化聚合物的合成及靶向性药物载体的构建

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 全文总结及展望

6.1 全文的主要内容和结论

6.2 工作展望

参考文献

致谢

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