功能纳米材料的表面修饰及其在生物成像与药物运输中的应用

摘要

各种功能纳米材料在生物医药领域逐渐得到应用，这要求纳米材料水中稳定分散，尺寸合适，对生物无毒。但另一方面，为得到性能更强的无机纳米材料，无机纳米晶多在高沸点有机溶剂中合成，表面多为疏水配体。为使这些性能各异的纳米材料得以应用到生物成像和药物运输等生物医药领域，需要得到水溶性的纳米材料。本论文围绕水溶性纳米颗粒合成、疏水纳米材料的表面修饰及其在细胞成像、体内药物追踪和可控药物释放展开，取得以下主要进展:
　　1、为改善磁共振成像效果，我们发展了一种水热合成法制备Fe3O4磁共振成像对比剂。利用水作溶剂，一锅合成氧化葡聚糖包覆的亲水磁性纳米颗粒。所得磁流体水中分散性好，生物相容性优良，且由于其表面氧化葡聚糖丰富的羧基，可作进一步生物偶联用于靶向检测。这些纳米颗粒尺寸小于10 nm，饱和磁化率高，细胞毒性低，并具有极高的T2衡量的磁共振成像信号强度(r2=250.5mM-1 s-1，3.7倍于商品化产品SHU555C)。这些特性可应用于抗体磁分离和磁共振成像。
　　2、为使疏水功能纳米材料可应用到生物医药领域，我们发展了一种绿色、通用的纳米颗粒表面修饰方法。我们利用聚氨基酸对形貌、尺寸和组分各异的疏水纳米晶（包括Ag、Fe3O4、ZnS、LaF3、NaYF4等）进行修饰，通过调节pH值，能够可控制备单个颗粒和含有不同种类纳米晶的多功能纳米复合球，无聚集、无沉淀，方法简便、通用、廉价。得益于聚氨基酸的包覆，这些纳米晶水中稳定分散、生物相容性好、可与其它生物或化学组分偶联。同时，它们的形貌、尺寸、光学或磁学性质得以很好地保留，后续生物应用不受影响。这一方法简易、通用，为疏水纳米颗粒的表面修饰提供了一种新途径。细胞成像结果证明这些聚氨基酸包覆的纳米颗粒在生物医药领域有较大潜力。
　　3、为改善疏水抗癌药物的体内循环状况并使其靶向到达肿瘤，可控释放以提高疗效，我们发展了一种pH响应释放的抗癌药紫杉醇纳米胶囊的制备方法。我们对生物可降解的聚琥珀酰亚胺进行可控修饰得到双亲聚氨基酸，利用这一高分子设计纳米胶囊用于疏水抗癌药物的靶向运输及基于氢键的pH响应释放，在正常组织血管(pH7.4)中稳定，在靶向多肽RGD的引导下靶向进入癌细胞经溶酶体消化(pH5.0)后可持续释放。由于同时包覆Ag2S纳米颗粒，这一纳米胶囊可以体内循环过程中提供近红外二区荧光（1000-1400 nm，808 nm光激发）的药物实时追踪，为理解肿瘤对抗癌药的响应及活体监测肿瘤生长提供了重要工具。对带瘤小鼠的化疗结果表明这一纳米胶囊是一种安全有效的药物运输载体。这一通用的生物可降解药物胶囊制备方法简单、绿色、可重复、价廉、易于放大生产的特点将有望缩短其临床化的周期。
　　4、为克服体内局部温度控制的难题，进而使温敏药物运输体系可用于体内抗肿瘤治疗，我们发展了一种近红外光热控制药物释放的光热化疗联合疗法。我们在具有近红外光热效应Cu1.75S纳米颗粒表面通过原位聚合覆盖上一层对pH和温度敏感的高分子，然后负载上抗癌药阿霉素，药物负载率高达40％，在正常生理条件(pH7.4，37℃)不光照情况下极少泄漏。基于Cu1.75S纳米颗粒出色的光热转换效率，纳米胶囊中的阿霉素可通过808 nm近红外光激发而可控释放出来。体内体外的抗肿瘤治疗结果表明光热治疗与化学治疗具有协同效果，疗效更佳，可进一步满足临床上降低辐照功率及药物剂量的要求。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景与选题意义

1．2 医学成像治疗领域的无机纳米材料

1．3 纳米颗粒的表面修饰

1．3．1 表面硅包覆

1．3．2 高分子修饰

1．4 药物运输

1．5 可控药物释放

1．5．1 外界刺激响应的药物运输

1．5．2 体内刺激响应的药物运输

第二章 生物相容磁流体的绿色合成和磁共振成像应用

2．1 引言

2．2 实验路线设计

2．3 操作步骤

2．3．1 葡聚糖氧化

2．3．2 Fe3O4@O-Dextran纳米颗粒的可控合成

2．3．3 Fe3O4@O-Dextran与IgG-抗原(Ag)生物偶联

2．3．4 目标抗体的磁分离和荧光免疫分析

2．3．5 Fe3O4@O-Dextran中Fe含量分析

2．3．6 T2弛豫率测定

2．3．7 单克隆抗体偶联及细胞特异识别的MRI

2．4 实验结果与讨论

2．4．1 Fe3O4@O-Dextran的合成与表征

2．4．2 利用Fe3O4@O-dextran进行抗体分离和免疫分析

2．4．3 Fe3O4@O-dextran的细胞毒性

2．4．4 Fe3O4@O-dextran用于磁共振成像

2．5 本章小结

第三章 聚氨基酸对疏水纳米晶的表面修饰及细胞发光成像研究

3．1 引言

3．2 实验路线设计

3．3 操作步骤

3．3．1 油胺修饰的聚琥珀酰亚胺(PSIOAm)的合成

3．3．2 单个亲水纳米颗粒及多功能纳米复合球的制备

3．3．3 细胞毒性分析

3．3．4 叶酸生物偶联

3．3．5 细胞成像

3．4 实验结果与讨论

3．4．1 单个亲水纳米颗粒及多功能纳米复合球的表征

3．4．2 细胞毒性研究

3．4．3 细胞成像研究

3．5 本章小结

第四章 近红外Ⅱ区荧光示踪纳米药物胶囊的体内运输及pH响应释放

4．1 引言

4．2 实验路线设计

4．3 操作步骤

4．3．1 制备PSIOAm-40％

4．3．2 制备PTX／NPs@PSIOAm纳米胶囊

4．3．3 纳米药物胶囊的大规模生产

4．3．4 紫杉醇(PTX)药物释放

4．3．5 RGD多肽链生物偶联

4．3．6 体外抗癌活性

4．3．7 细胞成像

4．3．8 小鼠处理

4．3．9 活体抗癌活性研究

4．4 结果与讨论

4．4．1 纳米胶囊的pH响应原理：氢键

4．4．2 聚氨基酸纳米胶囊的制备和表征

4．4．3 体外pH响应的药物释放的毒性实验

4．4．4 纳米药物胶囊的体内生物分布及抗癌疗效

4．5 本章小结

第五章 Cu1．75S纳米温敏复合物用于近红外光热可控药物运输

5．1 引言

5．2 实验路线设计

5．3 操作步骤

5．3．1 Cu1．75S@Alm

5．3．2 Cu1．75S@p(NIPAM-MAA)纳米复合物合成

5．3．3 纳米复合物负载阿霉素

5．3．4 CU1．75S@p(NIPAM-MAA)@DOX(纳米复合物@DOX)中DOX的可控释放

5．3．5 纳米复合物和纳米复合物@DOX的细胞毒性

5．3．6 光热细胞毒性

5．3．7 纳米复合物@DOX在带瘤小鼠体内的疗效评估

5．4 结果与讨论

5．4．1 Cu1．75S@p(NIPAM-MAA)的合成与表征

5．4．2 Cu1．75S@p(NIPAM-MAA)的近红外光热转换性能

5．4．3 CU1．75S@p(NIPAM-MAA)@DOX的体外光热可控药物释放

5．4．4 体内近红外光热-化学药物协同治疗

5．5 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介