fe3o4sio2嵌段聚合物复合粒子的制备及药物控制释放行为

FE3O4SIO2嵌段聚合物复合粒子的制备及药物控制释放行为摘要本文通过多步反应制备了一种新型的、多层结构的、多功能的磁性纳米复合粒子,FE3O4SIO2POLYMER纳米复合粒子内核是磁性FE3O4纳米粒子,SIO2包裹在FE3O4上能够使其稳定分散和保护其不被腐蚀氧化中间层是生物相容的聚天冬氨酸PASP载药层最外层是亲水的聚乙二醇PEG稳定层磁性纳米复合粒子各层都是生物相容的,利用静电作用将抗癌药物阿霉素DOX负载在磁性纳米复合粒子中,通过PASP的PH响应调节了DOX的释放速率关键词磁性纳米复合粒子FE3O4SIO2多层结构药物释放1引言近年来,磁性纳米材料由于其独特的物理性质在催化剂、磁共振成像、药物控制释放等方面的应用而受到人们的普遍关注14该材料主要是以铁氧化物为主,包括有FE3O4、钴铁氧体和钴铁合金等,磁性纳米粒子容易团聚和腐蚀氧化5,从而影响了其应用许多人利用表面活性剂或者嵌段聚合物对FE3O4纳米粒子包裹来增加FE3O4的分散性和稳定性610一般情况下,表面活性剂和嵌段聚合物可以通过化学或者物理吸附作用形成单层或者多层结构来稳定和保护磁性纳米粒子聚合物上一般需要带有可以发生作用的官能团,例如羧酸根,磷酸根,硫酸根等可以链接FE3O4纳米粒子上一些表面修饰的FE3O4的纳米粒子可以与生物相容的聚合物相互作用形成纳米复合粒子,应用于药物控制释放和造影剂中11,12,但是聚合物一般不能保护易于反应腐蚀的磁性纳米粒子,这种方法得到的复合结构往往不稳定,在血液循环中很容易解离分散,这就需要更有效的方法来稳定和保护磁性纳米粒子硅是一种生物相容性好的材料,可以直接包裹磁性FE3O4纳米粒子,形成稳定的核壳结构13,14这种核壳结构有很多优点,例如硅球表面有易于反应的官能团,粒径容易控制等,但是硅球易于团聚,并且单独FE3O4SIO2纳米粒子很难负载药物,这就需要设计复杂体系来满足药物的靶向控制释放的要求本文用硅材料通过STBER方法和溶胶凝胶过程对纳米粒子FE3O4包覆,形成核壳结构FE3O4SIO2,在硅球上链接生物相容的聚乙二醇B聚天冬氨酸PEGBPASP嵌段聚合物,制备了新型的、多层结构的、多功能的磁性纳米复合粒子图1在该种多层结构中,外层亲水性的PEG在增加纳米粒子稳定性的同时还可以增加粒子在血液中的循环时间PASP可以通过静电作用有效地实现抗癌药物阿霉素DOX的负载,内层的SIO2能够稳定在血液循环过程中的纳米粒子结构,增加FE3O4的稳定分散及保护其不被腐蚀氧化,这种多层结构的磁性纳米复合粒图1磁性纳米复合粒子的制备及载药过程示意图子将来有可能应用于药物靶向控制释放中2实验部分21试剂与仪器单羟基聚乙二醇PEG114OH,MW5000DA,PDI105,ACROSS,PEG114NH2根据文献合成15,16,四乙基硅氧烷TEOS,天冬氨酸ASP,3丙基氨基三乙基硅氧烷APS和1乙基3二甲基氨基丙基碳二亚胺盐酸盐EDCHCLAR,ALFA,DOX浙江海正药业股份有限公司,N羟基琥珀酰亚胺NHS国药集团化学试剂有限公司,其他试剂均为分析纯,使用前未经过纯化处理嵌段聚合物PEGBPASP的数均分子量通过核磁共振1HNMR进行测定,1HNMR采用VARIANUNITYPLUS400核磁共振波谱仪采用光散射仪LS测定磁性纳米粒子的粒径,LS采用美国BROOKHAVEN公司BI9000AT相关器,美国COHERENT公司BI200SM光度计,激光波长636NMTEM表征采用EM400ST,加速电压为200KV负载抗癌药物DOX磁性纳米复合粒子的DOX体外释放行为通过紫外分光光度计岛津公司UVVIS2550进行测量纳米粒子的磁性强弱通过振动样品磁强计LDJ9600VSM进行测量22嵌段聚合物PEGBPASP的合成嵌段共聚物PEGBPASP是根据文献合成的15,16,将PEG114NH212G,024MMOL溶解于CH2CL2100ML,加入天冬氨酸苄酯环内酸酐BLANCA60G,241MMOL,在N2保护下30OC反应72H,最后用无水乙醚沉淀,真空干燥得到淡黄色固体聚乙二醇B聚天冬氨酸苄酯PEGBPBLA58G,产率806将PEGBPBLA58G溶解于THF100ML,加入NAOH溶液150ML,10MOL/L,25OC反应10H,透析、冷冻干燥得到嵌段聚合物PEGBPASP246G反应过程如图2所示23磁性FE3O4纳米粒子的制备FE3O4纳米粒子是以FE/FE2/1的比例通过共沉淀法制备13,将FECL36H2O081G,30MMOL、FECL24H2O030G,15MMOL溶解于蒸馏水150ML,通N2排除O230MIN后,加热溶液至80OC,加入氨水7ML,2528反应6H,高强磁铁吸附,分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤3次为得到分散性好的FE3O4纳米粒子,将02MOL/L柠檬酸钠加入到FE3O4纳米粒子中,超声分散均匀,离心乙醇洗涤3次,真空干燥,得黑色FE3O4纳米粒子307MG,产率882H3COCH2CH2OCH2CH2NH2ONHOOCH2COCH2PHCH2CL2H3COCH2CH2OCH2CH2NHOCH2COCH2PHHNH1MNAOHTHFH3COCH2CH2OCH2CH2NHOCH2COHHNH1330OC,72H13N13NPEG14NH2BLANCAPEGBPBLAPEGBPASP图2嵌段聚合物PEGBPASP合成示意图24磁性纳米粒子FE3O4SIO2的制备FE3O4SIO2利用STBER方法和溶胶凝胶过程制备17,取FE3O430MG溶于水30ML和乙醇150ML混合溶剂中,加入氨水35ML,2528,搅拌300R/S30MIN,加入TEOS500L,460MG,反应5H后加入APS250L,235MG,高强磁铁收集,和乙醇洗涤离心3次,真空干燥,得到FE3O4SIO2NH2粉末25磁性纳米粒子FE3O4SIO2POLYMER制备与载药取FE3O4SIO2NH250MG溶解于高纯水10ML,超声分散均匀,加入聚合物PEGBPASP10ML,500G/L溶液,搅拌300R/S10MIN,加入EDCHCL423MG和NHS79MG混合溶液10ML,低温反应4H后加入DOXHCL325MG,搅拌过夜,透析,去除未负载的药物DOX,得到负载DOX的FE3O4SIO2POLYMER纳米粒子26磁性纳米粒子的药物控制释放将负载DOX的FE3O4SIO2POLYMER溶解于蒸馏水中,配制成10G/L溶液,分别取4ML于透析袋中置入盛有16ML不同PH值PH49,PH58,PH74缓冲溶液中,每隔一定时间取4ML溶液,然后加入4ML相应缓冲溶液,保证透析袋外溶液体积恒定利用UVVIS测定溶液在波长485NM处的吸光度,通过DOX的标准曲线计算出累积药物释放量3结果与讨论31嵌段聚合物PEGBPASP的合成嵌段聚合物PEGBPASP是通过PEGNH2引发BLANCA开环聚合ROP,碱性条件下水解去除苄醇而得到的图3为PEGBPBLA和PEGBPASP的1HNMR谱图如图3所示A为聚乙二醇主链亚甲基吸收峰,B为PBLA主链上次甲基吸收峰429PPM,C为PBLA侧链上亚甲基吸收峰266314PPM,D和E分别为侧链保护基亚甲基502516PPM和苯环吸收峰727PPM,根据A和D核磁吸收峰的积分比可以得出产物为BLA的重复单元数为90由PEGBPASP和PEGBPBLA的1HNMR谱图对比,可以看出侧链保护基团的吸收峰完全消失,说明聚合物已经完全水解,产物为PEG114BPASP90,下标表示嵌段聚合物的重复单元数32磁性纳米粒子的制备FE3O4纳米粒子通过FE2和FE3作用共沉淀法制图3嵌段聚合物PEG114BPBLA90和PEG114BPASP90的1HNMR谱图备,共沉淀法是一种反应条件温和、易于控制的方法,FE3O4纳米粒子的大小、形态和组成可以通过加入盐多少、FE2/FE3比例,反应温度等来控制5长链表面活性剂例如柠檬酸,月桂酸等可以促进纳米粒子在有机相中的分散18图4A是经过柠檬酸修饰的FE3O4纳米粒子的TEM图,FE3O4纳米粒子的粒径约为68NM,分散比较均匀FE3O4SIO2通过STBER方法和溶胶凝胶过程制备,SIO2层的厚度可以通过改变氨水的浓度、TEOS和水的比例调节,硅球表面亲水的羟基可以容易的被其他官能团修饰图4B是表面氨基化的FE3O4SIO2的TEM图,每个SIO2球里面都含有FE3O4纳米粒子,FE3O4SIO2纳米粒子的粒径为60NM左右,分散比较均匀33磁性纳米粒子的粒径分析磁性纳米粒子是以FE3O4为内核,SIO2为包裹层,外层是PEGBPASP的复合结构抗癌药物DOX可以通过PASP中的COOH可以与DOX中的NH2发生静电作用,而负载在的纳米复合粒子图5为载药纳米复图4磁性纳米粒子FE3O4A和FE3O4SIO2B的TEM图图5负载DOX的FE3O4SIO2POLYMER的平均流体力学直径分布图FDH合粒子平均流体力学直径DH分布图,负载DOX的FE3O4SIO2POLYMER的DH呈单峰分布,DH为128NM图6为负载DOX的纳米复合粒子的表观扩散系数DT与散射矢量的平方Q2Q4NSIN/2/0,为散射角依赖关系图以表观扩散系数DT对散射因子Q2作图,线性拟合后得到一条直线,Y轴上的截距即为外推到零时的扩散系数DT0值由STOKESEINSTEIN方程DHKBT/3DT,其中KB为波尔兹曼常数T是绝对温度为溶剂的黏度可求得流体力学直径DH01726NM表1是通过光散射测定的磁性纳米粒子的均方根旋转半径RG,平均流体力学半径RH0及RG/RH0的值RG/RH0能够反映出散射粒子的构象,当散射粒子是密度均匀非渗逾NONDRAINING的球体时,RG/RH00775当散射粒子是松散连接的高度支化的链或缔合物时,RG/RH01当散射粒子是线性的柔性随机GAUSS线团时,RG/RH015而对于扩张的刚性链,RG图6磁性纳米粒子表观扩散系数DT与散射矢量的平方Q2依赖关系图表1负载DOX的FE3O4SIO2POLYMER的RG,RH0以及RG/RH0样品RGNMRH0NMRG/RH0FE3O4SIO2POLYMER6288630727/RH02019粒子的RG/RH00727,小于密度均匀的球体,推测出纳米复合粒子是内核相对比较致密,而外层是相对松散的球体结构34磁性纳米粒子药物的控制释放DOX是一种应用广泛的抗癌药物,对白血病及各种实体肿瘤如乳腺癌,肺癌等都具有很好的疗效,由于在体内的半衰期比较短,静脉注射后在血液里面能够迅速消失,对正常细胞有很大的伤害,限制其临床的应用,因此研究DOX的靶向和缓释载体具有重要意义磁性纳米复合粒子的载药量为40图7是利用UVVIS在485NM处测定的DOX在不同的PH值PH49、PH58、PH74累积释放百分率随时间变化曲线,对比三条曲线可以看出,随着PH升高,DOX释放速率变慢DOX上氨基的PKA为8220,在中性或者碱性条件下能够PASP与DOX发生静电作用,而酸性条件下静电作用消失肿瘤部位PH值呈现出弱酸性PH5060,略低于正常部位PH值PH74,因此DOX在肿瘤部位容易释放,所以能够实现DOX的靶向控制释放图7磁性纳米粒子不同PH值PH49,PH58,PH74时的DOX体外释放曲线35磁性纳米粒子的磁性表征超顺磁性和高磁饱和强度是衡量磁性纳米粒子在药物靶向控制释放中的两个重要参数具有超顺磁性的纳米粒子磁性在外加磁场消失的同时也消失,这样就可以避免出现毛细管堵塞现象21图8是分别是FE3O4,FE3O4SIO2和负载DOX的FE3O4SIO2POLYMER纳米粒子的室温磁滞回线图从图8AC三条磁滞回线可以看出,磁性纳米粒子随着FE3O4在其中的相对含量减小,磁饱和强度也减小,磁饱和强度MS依次为351EMU/GA,749EMU/GB,235EMU/GC磁性纳米粒子的矫顽力HC都小于20OE,可见随着FE3O4的表面被包覆,磁性纳米粒子还仍然呈现超顺磁性4结论利用共沉淀法制备了分散均匀的磁性纳米粒子FE3O468NM生物相容的硅材料通过STBER法和溶胶凝胶过程对FE3O4进行包覆,得到FE3O4分散性良好、核壳结构的FE3O4SIO2通过酰胺化反应将生物相容的嵌段聚合物PEGBPASP链接在硅球上,得到了具有多层结构的、多功能的磁性纳米复合粒子利用静电作用将抗癌药物DOX负载在磁性纳米复合粒子上,在酸性条件下DOX的释放速率明显加快,这样纳米复合粒子不仅能够通过磁性作用实现药物的靶向控制释放,还能够通过PH调节药物的释放速率图8FE3O4A、FE3O4SIO2B、FE3O4SIO2POLYMERC的室温磁滞曲线图致谢本工作得到国家自然科学基金批准号20774051,50625310,50830103和四川大学高分子材料工程重点实验室开放基金资助,特此一并致谢参考文献1PEREZJM,OLOUGHINT,SIMEONEFJ,WEISSLEDERR,JOSEPHSONLDNABASEDMAGNETICNANOPARTICLEASSEMBLYACTSASAMAGNETICRELAXATIONNANOSWITCHALLOWINGSCREENINGOFDNACLEAVINGAGENTSJAMCHEMSOC,2002,124285628572KINSELLAJM,IVANISEVICAENZYMATICCLIPPINGOFDNAWIRESCOATEDWITHMAGNETICNANOPARTICLESJAMCHEMSOC,2005,127327632773XUCJ,XUKM,GUHW,ZHENGRK,LIUH,ZHANGXX,GUOZH,XUBDOPAMINEASAROBUSTANCHORTOIMMOBILIZEFUNCTIONALMOLECULESONTHEIRONOXIDESHELLOFMAGNETICNANOPARTICLESJAMCHEMSOC,2004,126993899394KIMJ,LEEJE,LEEJ,YUJH,KIMBC,ANK,HWANGY,SHINC,PARKJ,KIMJ,HYEONTMAGNETICFLUORESCENTDELIVERYVEHICLEUSINGUNIFORMMESOPOROUSSILICASPHERESEMBEDDEDWITHMONODISPERSEMAGNETICANDSEMICONDUCTORNANOCRYSTALSJAMCHEMSOC,2006,1286886895LUAH,SALABASEL,SCHTHFMAGNETICNANOPARTICLESSYNTHESIS,PROTECTION,FUNCTIONALIZATION,ANDAPPLICATIONANGEWCHEMINTED,2007,46122212446YANGXQ,CHENYH,YUANRX,CHENGH,BLANCOE,GAOJM,SHUAIXTFOLATEENCODEDANDFE3O4LOADEDPOLYMERICMICELLESFORDUALTARGETINGOFCANCERCELLSPOLYMER,2008,48347734857CHANGY,BAIYP,TENGB,LIZLANEWDRUGCARRIERMAGNETITENANOPARTICLESCOATEDWITHAMPHIPHILICBLOCKCOPOLYMERCHINSCIBULL,2009,54119011968HUFX,NEOHKG,KANGETSYNTHESISOFFOLICACIDFUNCTIONALIZEDPLLABPPEGMANANOPARTICLESFORCANCERCELLTARGETINGMACROMOLRAPIDCOMMUN,2009,306096149RENJ,JIAMH,RENTB,YUANWZ,TANQGPREPARATIONANDCHARACTERIZATIONOFPNIPAAMBPLA/FE3O4THERMORESPONSIVEANDMAGNETICCOMPOSITEMICELLESMATERLETT,2008,624425442710GUOM,YANY,ZHANGHK,YANHS,CAOYJ,LIUKL,WANSR,HUANGJS,YUEWMAGNETICANDPHRESPONSIVENANOCARRIERSWITHMULTILAYERCORESHELLARCHITECTUREFORANTICANCERDRUGDELIVERYJMATERCHEM,2008,185104511211LUJ,MAS,SUNJY,XIACC,LIUC,WANGZY,ZHAOX,GAOFB,GONGQY,SONGB,SHUAIXT,AIH,GUZWMANGANESEFERRITENANOPARTICLEMICELLARNANOCOMPOSITESASMRICONTRASTAGENTFORLIVERIMAGINGBIOMATERIALS,2009,302919292812THNEMANNAF,SCHTTD,KAUFNERL,PISONU,MHWALDHMAGHEMITENANOPARTICLESPROTECTIVELYCOATEDWITHPOLYETHYLENEIMINEANDPOLYETHYLENEOXIDEBLOCKPOLYGLUTAMICACIDLANGMUIR,2006,222351235713CHENFH,GAOQ,NIJZTHEGRAFTINGANDRELEASEBEHAVIOROFDOXORUBINCINFROMFE3O4SIO2CORESHELLSTRUCTURENANOPARTICLESVIAANACIDCLEAVINGAMIDEBONDTHEPOTENTIALFORMAGNETICTARGETINGDRUGDELIVERYNANOTECHNOLOGY,2008,1916510314SANTRAS,TAPECR,THEODOROPOULOUN,DOBSONJ,HEBARDA,TANWHSYNTHESISANDCHARACTERIZATIONOFSILICACOATEDIRONOXIDENANOPARTICLESINMICROEMULSIONTHEEFFECTOFNONIONICSURFACTANTSLANGMUIR,2001,172900290615王孝杰,孙建平,李效东氨基化单甲氧基聚乙二醇的合成研究精细化工中间体,2006,36404216马建标,张国林,吴秋华AB型两亲聚L谷氨酸苄酯聚乙二醇嵌段共聚物的合成与表征高分子学报,2004,222322717LUY,YINYD,MAYERSBT,XIAYNMODIFYINGTHESURFACEPROPERTIESOFSUPERPARAMAGNETICIRONOXIDENANOPARTICLESTHROUGHASOLGELAPPROACHNANOLETT,2002,218318618WORMUTHKSUPERPARAMAGNETICLATEXVIAINVERSEEMULSIONPOLYMERIZATIONJCOLLOIDINTERFSCI,2001,24136637719TUYF,WANGXH,ZHANGD,ZHOUQF,WUCSELFASSEMBLEDNANOSTRUCTUREOFANOVELCOILRODDIBLOCKCOPOLYMERINDILUTESOLUTIONJAMCHEMSOC,2000,122102011020520STURGEONRJ,SCHULMANSGELECTRONICABSORPTIONSPECTRAANDPROTOLYTICEQUILIBRIAOFDOXORUBICINDIRECTSPECTROPHOTOMETRICDETERMINATIONOFMICROCONSTANTSJPHARMSCI,1977,6695896121FUFX,NEOHKG,KANGETSYNTHESISAND