（高分子化学与物理专业论文）与壳聚糖相关的自组装纳米粒子的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 具有许多新性能的核壳型高分子纳米粒子，有着良好的应用前景。因而， 国内外许多课题组一直致力于追求一种能够低环境负荷、低能耗、低成本地制造 高度功能化纳米粒子的方法。自组装法能够很好地满足这些需求。通过自组装原 理所获得的新型功能性纳米材料，在高技术领域的应用已经凸现出光明的前景。 传统的自组装方法是利用两亲性嵌段聚合物或接枝聚合物基于亲水一疏水 平衡自组装，但两亲性嵌段聚合物或接枝聚合物的制备难度较大，很难推广应用。 如果在两种不同的分子链中分别引入具有特殊相互作用的基团，就可以使本不相 容的高分子共混体系实现相容。 本论文正是基于这些新趋势对实验工作进行设计。利用特殊相互作用氢 键作用和静电作用，进一步研究分子间的自组装行为。本论文的创新之处在于， 选择具有生物相容性且来源广泛的天然多糖高分子壳聚糖的衍生物、壳寡糖和小 分子或其他聚合物进行自组装，得到以其中一种物质为壳、另一种物质为核的自 组装纳米粒子或亚微米粒子。根据所选物质的特点，通过改变p h 、物质品种等 条件，制备一系列具有环境响应特性的纳米粒子。 本文的研究内容主要包括以下几方面： 1 合成苯甲酰化壳聚糖d b c 和邻苯二甲酰化壳聚糖p h c s ，合成一代树状 分子3 ，4 ，5 三 3 一( 甲氧基) - 4 - ( 十二烷氧基) 苄氧基) 苯甲酸d o v o b ，并用 红外光谱、核磁共振对产物进行表征。 2 研究苯甲酰化壳聚糖和天然分子氨基酸在选择性溶剂中基于大分子问氢 键相互作用自组装形成粒子的行为。 3 研究邻苯二甲酰化壳聚糖和树状分子酸在选择性溶剂中基于氢键的相互 作用自组装形成纳米粒子的行为。 4 研究壳寡糖和聚丙烯酸p a a 在共溶剂中的基于静电力作用的自组装行 为。 5 以维生素c 作为模型药物，以维生素b 1 2 作为实践药物，初步研究壳寡糖 和聚丙烯酸体系对药物的吸附和缓释，测试制各的自组装粒子对药物的吸附以及 体外释放行为。 中文摘要 关键词：纳米粒子；自组装；壳聚糖 a b s t r a c t a b s t r a c t c o r e s h e l lp o l y m e r i cn a n o p a r t i c l e sw h i c hh a v em a n ya d v a n t a g e sm a yl e a dt oa w i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e ，s c i e n t i s t sa 1 1a r o u n dt h ew o r l da r ep u r s u i t i n ga m e t h o d ，b yw h i c hh i g m yf u n c t i o n a l i z e dn a n o p a r t i c l e sc o u l db ed e v e l o p e dw i t hl o w e n v i r o n m e n t a ll o a d ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o wc o s t t h ea p p r o a c ho f s e l f - a s s e m b l yc a nw e l lf u l l f i la l lo ft h e s er e q u i r e m e n t s n o v e lf u n c t i o n a ln a n o s c a l e m a t e r i a l st h r o u g hs e l f - a s s e m b l yh a v eb r i g h t e n e dt h ep r o s p e c ti nh i g h t e c ha r e a s s e l f - a s s e m b l yo fa m p h i p h i l i cb l o c kc o p o l y m e r so rg r a f t e dp o l y m e r sh a sb e e n w i d e l yu s e dt op r e p a r et h en a n o s i z e dp a r t i c l e sw h e r et h eh y d r o p h o b i cb l o c k sf o r m t h ec o r ea n dt h eh y d r o p h i l i eo n e sf o r mt h es h e l l h o w e v e r , t h ep r e p a r a t i o no f a m p h i p h i l i cb l o c kc o p o l y m e r so rg r a f t e dp o l y m e r si sd i f f i c u l t ，f u r t h e r m o r ei t i sn o t a l w a y sp o s s i b l eo rp r a c t i c a lo ft h o s ep o l y m e r s i n t r o d u c i n gs p e c i f i cf u n c t i o n a lg r o u p s i n t od i f f e r e n tc h a i n s ，i m m i s c i b l eb l e n d sc a nb et u r n e di n t om i s c i b l eo n e s i nt h i st h e s i s ，w ed e s i g n e do u rw o r ko ns e l f - a s s e m b l yo fp o l y m e r sb yt a k i n g t h e s en e wt r e n d sa c c o u n ta sm u c ha sp o s s i b l e w ed e v o t e dt oo b t a i n i n gr e g u l a r a s s e m b l i e sd u et ot h ei n t e r - p o l y m e rc o m p l e x a t i o nb yh y d r o g e n - b o n do re l e c t r o s t a t i c a n dt h i st h e s i sf u r t h e rd e v e l o p e da n dd e e p e n e dt h es t u d i e so ni n t e r r n o l e c u l a rr e g u l a r a s s e m b l y t h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri s a sf o l l o w ：c h i t o s a n sd e r i v a t i v e sa n d c h i t o o l i g o s a c c h a r i d ew h i c ha r en a t u r a lb i o p o l y m e r sw i t hr i c hr e s o u r c e ，l o wc o s ta n d b i o c o m p a t i b i l i t ya r es e l e c t e dt os e l f - a s s e m b l ew i t hs m a l lm o l e c u l es u b s t a n c e so ro t h e r m a c r o m o l e c u l e s n a n o p a r t i c l e so rs u b m i c r o n p a r t i c l e sw h i c hi s c o r e - s h e l ls t r u c t u r e c a nb eo b t a i n e d t i l i si so n eo ft h ei n n o v a t i o n so ft h i sw o r k b a s e do nt h es e l e c t e d s u b s t a n c e s c h a r a c t e r i s t i c s ，w i t hc h a n g i n gt h ep ho fm e d i u mo rt h ek i n do fs u b s t a n c e s ， as e r i e so fn a n o p a r t i c l e sw h i c hh a v ee n v i r o n m e n t a lr e s p o n s ef a c t o r sc a nb eo b t a i n e d t h ef o l l o w sa r et h em a i ns t u d yc o n t e n t s 1 s y n t h e s i so fb e n z o y lc h i t o s a n ( d b c ) ，p h t h a l o y lc h i t o s a n ( p h c s ) a n d ( 3 , 4 ，5 _ 1 m s p - ( n d o d e c y l o x y ) m - m e t h o x y b e n z y l 】b e n z o i ca c i d ) d o v o b ，a n dt h e c h a r a c t e r i z a t i o no fp r o d u c t sb yu s i n gf t i r 1 h - n m r a b s t r a c t 2 s t u d i e so nt h e s e l f - a s s e m b l yo f b e n z o y lc h i t o s a na n da m i n oa c i d si nt h e i r s e l e c t i v es o l v e n t s t h es e l f - a s s e m b l eb e h a v i o ri si n d u c e db yh y d r o g e nb o n d i n g 3 s t u d i e so nt h es e l f - a s s e m b l yo f p h t h a l o y lc h i t o s a na n dd o v o bi nt h e i r s e l e c t i v es o l v e n t s ，w h i c hi si n d u c e db yh y d r o g e nb o n d i n g 4 s t u d i e so nt h es e l f - a s s e m b l yb e h a v i o ro fc h i t o o l i g o s a c c h a r i d ea n d p o l y a c r y l a t ew h i c hi sd r i v e nb ye l e c t r o s t a t i c 5 v i t a m i n eca sm o d e ld r u ga n dv i t a m i n eb 12a sa p p l i c a b l ed r u gw e r eu s e dt o s t u d yt h ed r u g - l o a d e dc o n t e n ta n dd r u gr e l e a s eb e h a v i o ro ft h es y s t e mo f c h i t o o l i g o s a c c h a r i d ea n dp o l y a c r y l a t e a n dt e s tt h es o r p t i o nr a t ea n dr e l e a s eb e h a v i o ri n v i t r oo fs e l f - a s s e m b l yn a n o p a r t i c l e s k e y w o r d ：n a n o p a r t i c l e s ；s e l f - a s s e m b l y ； c h i t o s a n 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为( 圭砭吗 ) 课题( 组) 的研究成果，获得(剿) 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在( 毒炎臼日 ) 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：杨电意 洳年p 月6 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：节昏嵩 劫国年l 月6 日 第一章绪论 第一章绪论 1 9 7 4 年，东京大学的n o r i o t a n i g u e h i 首次提出了沿用至今的纳米科技 ( n a n o t e c h n o l o g y ) 的概念：“n a n o - - t e c h n o l o g y m a i n l yc o n s i s t so ft h e p r o c e s s i n go fs e p a r a t i o n ，c o n s o l i d a t i o n ，a n dd e f o r m a t i o no fm a t e r i a l sb y o n ea t o mo ro n em o l e c u l e s 【l 】。近年来，纳米科技研究的主要内容是纳米粒子、 纳米结构、纳米材料和纳米器件等。广义上而言，微观结构上只要有一维方向上 属于纳米尺度( o 1 一1 0 0 0 n m ) 的材料都可以称为纳米材料。纳米材料因为小尺 寸的特点，具有传统材料所不具有的物理和化学特性。 在众多纳米材料中，三维方向上均是纳米尺度的纳米粒子，具有临界胶束化 浓度低、稳定性好等特点，成为当前的研究热点之一。因而，国内外许多课题组 一直致力于追求一种能够低环境负荷、低能耗、低成本地制造高度功能化纳米粒 子的方法。自组装法正好能够很好地满足这些需求。通过自组装原理所获得的新 型功能性纳米材料，在高技术领域的应用已经凸现出光明的前景。 1 1 自组装体系的研究 1 1 1 自组装的基本概念 自组装是一个用来描述自组织现象的术语，指的是构成体系的基本单元自发 组织成一定的图形或结构的过程【2 1 。自组装现象在自然界中非常普遍，小至晶 体的形成，大至天体系统的形成均会涉及不同种类的自组装作用。 同时，自组装更是与生命本身有着密不可分的关系。甚至可以说，没有自组 装就没有生命的存在，也没有我们这个五彩缤纷的世界。从自然界的形成说起， 我们都了解这样一个过程：氨基酸多肽蛋白质细胞( 低级生命出现) 组织器官有生命的个体( 高级生命出现) 。也就是，氨基酸在酶的 催化下，变成多肽，进一步形成蛋白质，由蛋白质组成功能细胞，并继而形成形 形色色的生物界。在这个漫长的过程中，蛋白质的折叠和聚集、核酸的配对、生 物膜的形成等等，乃至完整且复杂的生物有机体的形成都是自组装的杰作。 设计人工自组装体系的最初动机就是希望能模仿生物体系的这种自发过程， 来形成完整稳定的自组装结构，使其具有特定的相态，具有特定的功能。由不同 的构筑单元通过不同的自组装方式可以组装得到不同系列的具有各种结构和功 第一章绪论 能的组装体，这些组装体在制造业、纳米科技、微电子、网络系统等各个领域都 有着十分广阔的应用前景 3 , 4 1 。分子自组装就是在这样的一个研究背景下发展起 来的。 分子自组装【5 】指的是在一定条件下，分子间通过非化学键的相互作用自发组 合形成一类结构明确、稳定、具有某种特定性能的分子聚集体或超分子结构。 分子发生自组装过程需要两个条件 6 1 ：自组装的动力以及导向作用。自组装 的动力指分子间的弱相互作用力的协同作用，它为分子自组装提供能量。自组装 的导向作用指的是分子在空间的互补性，也就是说要使分子自组装发生就必须在 空间的尺寸和方向上达到分子重排要求。 分子自组装体系和其它化学体系一样，也可以从热力学自由能的降低( a g 0 ) 来理解 7 1 ：a g = a h - t a s ( 式中h 是焓变，表示降低体系的能量因素；s 是体系熵变，表示体系的有序性的因素。) 当a g uiomol9叱 第五章药物吸附和释放的初步探索 7 a n t o n i e t t im ，f o 璐t e rs ，h a r t m a n nj ，c ta 1 m a c r o m o l e c u l e s ，19 9 6 ，2 9 ：3 8 0 0 - - 3 8 0 7 8 m o f f i t tm ，e i s e n b e r ga m a c r o m o l c c u l e s ，19 9 7 ，3 0 ：4 3 6 3 - - 4 3 6 5 9 h e n s e l w o o df ，w a n ggc ，l i ugj ja p p l i c a t i o no fp o l y m e rs o c i e t y , 1 9 9 8 ，7 0 ：3 9 7 3 9 9 10 h a r a d aa ，k a t a o k ai cm a c r o m o l e c u l e s ，19 9 5 ，2 8 ：5 2 9 4 - - 5 2 9 9 11 j o n e smc ，l e r o u xjc e u rjp h a n nb i o p h a r m ，1 9 9 9 ，4 8 ：1 0 1 1 0 4 1 2 a l i e nc ，m a y s i n g e rd ，e i s e n b e r ga c o l l o i d sa n ds u r f a c e sb ，1 9 9 9 ，16 ：3 - 7 13 c h a c o n m ，b e r g e sl ，m o l p e c e r e sj ，e ta 1 o p t i m i z e dp r e p a r a t i o no fp o l y ( d l - l a c t i d e - g l y e o l i d e ) m i c r o s p h e r e sa n dn a n o p a r t i c l e sf o ro r a la d m i n i s t r a t i o n 【j 】i n tjp h a r m ，1 9 9 6 ，1 4 1 ( 1 ) ： 8 1 9 1 1 4 b a r i c h e l l oj ，m o r i s h i t am ，t a k a y a m ak e ta 1 e n c a p s u l a t i o no f h y d r o p h i l i ca n dl i p o p h i l i c d r u g si np l g an a n o c a p s u l e sb yt h en a n o p r e c i p i t a t i o nm e t h o d f 1 d r u gd e v l n dp h a r m1 9 9 9 ，2 5 ( 4 ) ：4 7 1 - 4 7 6 15 t o b i om ，g r e fks a n c h e za ，e ta 1 s t e a l t hp l a - p e gn a n o p a r t i c l e sa sp r o t e i nc a r r i e r sf o r n a s a la d m i n s t r a t i o n j p h a r mr e s ，1 9 9 8 ，1 5 ( 2 ) ：2 7 0 - 2 7 5 16 vr a n c k xh ，d e m o u s t i e rm ，d e l e e r sm an e wn a n o c a p s u l ef o r m u l a t i o nw i t hh y d r o p h i l i c c o r e ：a p p l i c a t i o nt ot h eo r a la d m i n i s 扛a t i o no f s a l m o nc a l c i t o n i ni nr a t s j e u rjp h a r m b i o h a r m ， 1 9 9 6 ，4 2 ( 5 ) ：3 4 5 3 4 7 17 c a l o n g ep ，s a c h e za ，m a r t i n e zj ，e ta 1 p o l y e s t e rn a n o c a p s u l e sa sn e wt o p i c a lo c u l a rd e l i v e r y s y s t e m sf o rc y c l o s p o f i na j 】p h a r mr e s ，1 9 9 6 ，1 3 ( 2 ) ：3 11 - 3 1 5 1 8 d o g a nm ，a l k a nm a d s o r p t i o n k i n e t i c so f m e t h y lv i o l e to n t op e r l i t e 【j 】c h e m o s p h e r e ，2 0 0 3 ， 5 0 ：51 7 5 2 8 19 m c k a ygh oys t h es o r p t i o no fl e a d ( i di o n so np e a t j 】w a t e rr e s e a r c h ，19 9 9 ，3 3 ： 5 7 8 5 8 4 结论 结论 1 以壳聚糖为原料，合成苯甲酰化壳聚糖( d b c ) 和邻苯二甲酰化壳聚糖 ( p h c s ) ，并采用红外光谱和核磁共振对两种产物进行表征，计算得到苯甲酰化 壳聚糖的取代度为1 5 l ，邻苯二甲酰化壳聚糖的取代度为0 9 4 。以香兰素为原 料，合成3 ，4 ，5 一三 3 一( 甲氧基) - 4 - ( 十二烷氧基) 苄氧基 苯甲酸( d o v o b ) ， 并采用红外光谱和核磁共振表征其结构。 2 研究了苯甲酰化壳聚糖和天然生物分子氨基酸在选择性溶剂d m f 和水 中的自组装行为。在超声波作用下，透明的混合溶液出现蓝白色乳光，紫外一可 见光谱呈现透光率的突变，并采用红外光谱证实两组分之间通过氢键作用完成了 自组装。用动态光散射( d l s ) 和透射电镜( t e m ) 分别研究了自组装粒子的尺 寸和形态。实验结果表明，苯甲酰化壳聚糖和氨基酸可以形成纳米尺寸或亚微米 尺寸的自组装微粒，形成的微粒为球形或椭球形，微粒的尺寸为6 0 - - 一7 2 0n l l l 。 粒子的尺寸显著受p h 值和氨基酸的种类的影响，因而可以利用p h 值和氨基酸 的种类控制自组装粒子的尺寸。 3 研究了邻苯二甲酰化壳聚糖和d o v o b 在选择性溶剂d m f 和氯仿中的 自组装行为。在超声波作用下，将d o v o b c h c l 。逐渐加入p h c s d m f 溶液中， 透明的混合溶液逐渐出现蓝白色乳光，并可长时间稳定存在。采用紫外一可见分 光光谱测试体系的透光率变化，体系由透明向不透明转变的过程中出现了突变， 证实了两者之间自组装形成了纳米粒子。用d l s 测试组装粒子的粒径尺寸，t e m 观察组装粒子的形貌。根据结果推断，d o v o b 末端的羧基通过氢键作用和p h c s 上未酰化的氨基、酰胺基相连接，形成类似于“接枝聚合物”，并进而聚集在一 起形成核一壳结构。浓度为0 5m g m l 时，形成的组装粒子粒径为7 0n m 左右， 但形状不太规则。浓度为1m g m l 时，形成2 0 0n m 左右的球形微粒，且球形规 则。因此，通过两种物质相对比例的调节，可以制备尺寸可控的自组装粒子。 4 研究壳寡糖和聚丙烯酸在共同溶剂水中通过静电力发生的自组装行为， 并且通过浊度法、动态光散射和透射电镜研究了这种自组装行为，结果证实，两 者形成2 1 6a m 左右的大小比较均一的微球。采用z e t a 电位研究正、反体系纳米 粒子的结构，得出滴加顺序不同会形成不同结构组装粒子的结论。同时，可以通 结论 过两者相对浓度比例的调节控制组装粒子的粒径大小。 5 以维生素c 作为模型药物，维生素b 1 2 作为实践药物，初步研究壳寡糖 和聚丙烯酸体系对药物的吸附和体外释放行为。结果表明，9 0m i n 左右纳米粒 子对维生素c 的吸附达到平衡，平衡吸附率为5 0 ，负载维生素c 的组装粒子 在8h r 达到体外释放平衡。1 0 0m i n 左右纳米粒子对维生素b 1 2 达到吸附平衡， 平衡吸附率为3 7 ；用一级吸附动力学模型对不同温度下纳米粒子对维生素b 1 2 的吸附过程进行拟合，计算求得纳米粒子吸附维生素b 1 2 的表观活化能为1 1 5 0 4k j t o o l ，表明温度对吸附的影响不大，正常温度下就可以进行对药物的吸 附；另外，研究了释放介质p h 和离子强度对药物释放行为的影响，适当升高释 放介质的p h 值或者适当增加外界盐离子的浓度，纳米粒子的释药速率均会加快。 本论文的创新之处，在于采用具有生物相容性且来源广泛的多糖天然分子壳 聚糖和壳寡糖作为原料进行自组装研究。在共混物的选择性溶剂中，不溶组分会 发生聚集，但籍助于与可溶组分间