基于新型纳米复合材料的神经性毒剂洗消剂合成及效能评价研究

发布时间：2020-09-10 17:21

　　研究目的:神经性毒剂所具有的高致死性、速杀性等特点,要求其理想洗消剂应满足低刺激性、高洗消率和高洗消速率等三个关键性能指标。如何设计并合成出一种高效、高速和低毒的全能洗消剂,一直是该领域尚未有效解决的技术难题。因此,本论文目的是探讨如何在一个纳米单元内,通过结构和材料的筛选与集成,实现三个关键性能的整合;并在此基础上,初步明确结构、材料和洗消效能的规律性关系,为新型纳米复合洗消材料合成提供理论和技术支撑。研究方法:1.纳米复合洗消材料的制备。以4种不同温和型材料(BSA、DFPase、ZnO和SiO_2)为内核,外层修饰高分子构筑纳米复合洗消材料。(1)BSA-DMAEMA和BSA-F127的制备(其中DMAEMA为甲基丙烯酸-2(N,N-二甲基)乙酯;F127为聚(丙二醇)-聚(乙二醇)的三嵌段聚合物)。BSA分别与DMAEMA和F127聚合,通过多步反应得到BSA-DMAEMA和BSA-F127两种纳米复合洗消材料。(2)DFPase-DMAEMA和DFPase-F127的制备。经提取、分离和纯化,从猪肝获取DFPase,而后分别与DMAEMA和F127多步反应得到其纳米复合洗消材料DFPase-DMAEMA和DFPase-F127。(3)ZnO NP-DMAEMA的制备。合成ZnO NP,而后用4-戊烯酸进行表面活化后,与DMAEMA通过多步反应,得到ZnO NP-DMAEMA纳米复合洗消材料。(4)360nm SiO_2 NP-DMAEMA和100nm SiO_2NP-DMAEMA的制备。首先将不同尺寸的SiO_2 NP与硅烷偶联剂反应,在表面反应引入活性基团后和DMAEMA进行多步反应得到其纳米复合洗消材料。2.纳米复合洗消材料的物理学表征。采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)及粒径分布仪对这些材料的内部结构、形貌、粒径及zeta电位等进行观察测定,采用红外光谱(IR)分析纳米复合洗消材料的化学键结构,采用X射线衍射(XRD)分析其衍射图谱。3.纳米复合洗消材料洗消性能评价。通过梭曼的联苯胺显色反应测定梭曼与洗消材料接触后的残余量,测定这些洗消材料对梭曼的洗消能力。通过大鼠皮肤梭曼染毒,而后用BSA-DMAEMA进行洗消,测定洗消材料对皮肤沾染梭曼后的洗消能力;将洗消材料涂抹于大鼠皮肤,而后取表皮进行病理检测。研究结果:1.纳米复合洗消材料的设计与合成。采用内核材料的表面引入丙烯酰基,随后自由基聚合反应的方法合成了BSA-DMAEMA、DFPase-DMAEMA、ZnO NP-DMAEMA、SiO_2 NP-DMAEMA纳米复合洗消材料;采用高分子材料端基琥珀酸基团活化后连接内核的方法合成了BSA-F127、DFPase-F127纳米复合洗消材料。2.纳米复合洗消材料的物理学表征。通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM),动态光散射(DLS)可以观察到这些纳米复合洗消材料均处于纳米尺寸内,BSA、DFPase、ZnO NP和SiO_2 NP等核心外层均被DMAEMA或F127高分子包裹;经红外光谱(IR)分析,内核在完成合成后均出现了高分子结构的化学键;采用X射线衍射(XRD)分析其衍射图谱,相比原高分子和内核材料,纳米复合洗消材料均有新的晶面出现。3.纳米复合洗消材料洗消性能评价。(1)选用最为难防难治的神经性毒剂梭曼作为待洗消毒剂,采用联苯胺显色反应法测定洗消材料与毒剂接触后残余毒剂量。经测试,BSA-DMAEMA、BSA-F127,以及DFPase-DMAEMA和DFPase-F127等纳米复合洗消材料均具明显洗消效果,而单独的内核(BSA、DFPase)和高分子单体(DMAEMA、F127)无洗消效果;(2)洗消速率结果显示,纳米复合洗消材料均在投入洗消剂瞬间(2秒内)即达到最高洗消率,而作为对照的常见洗消剂(NaOH、NaHCO_3、活性炭、H_2O_2)洗消速率则耗时较长,除NaOH最终达到与纳米复合洗消材料接近的洗消率外,其余材料洗消率均明显低于纳米复合洗消材料。(3)以金属氧化物纳米颗粒为内核的复合洗消材料中,ZnO NP-DMAEMA组无论洗消效率和洗消速率均明显优于ZnO NP组;而360nm和100nm SiO_2 NP-DMAEMA洗消结果显示,100nm SiO_2NP-DMAEMA组洗消效率始终优于360nm SiO_2 NP-DMAEMA组。BSA-DMAEMA对大鼠皮肤染毒后洗消有效(n=8,p0.05),且优于同浓度的NaHCO_3(n=8,p0.05);病理结果初步证实其对皮肤无明显刺激性。结论:1.本研究成功合成了以BSA、DFPase、ZnO NP及SiO_2 NP为内核,以DMAEMA和F127为外层修饰层的纳米复合洗消材料,能在极速(2s)时间内完成对毒剂分子的彻底洗消,其洗消能力明显优于目前应用的同类型洗消材料,且可用于动物皮肤洗消。2.单独的单体或单体以简单的物理混匀的方式均难以起效,必须以稳定的核壳结构的纳米结构,才能实现高效极速毒剂洗消。3.以蛋白BSA和DFPase为内核的纳米洗消材料洗消速率相同,均优于ZnO NP及SiO_2 NP纳米颗粒为内核的纳米复合洗消剂;根据不同尺寸纳米硅球为内核的纳米洗消剂以及与蛋白类洗消剂对比可发现,内核尺寸越大,洗消效率越低;外层高分子厚度越大,洗消效率越高。总体而言,纳米材料的结构决定了洗消效率的高低。
【学位单位】：军事科学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：

神经性毒剂,毒剂

神经性毒剂（nerve agent），是经典化学战剂（chemical warfareagents）中毒最强的致死性、速杀性毒剂，其毒理作用主要是抑制体内乙酰胆碱酯酶cetylcholinesterase，AChE）活性，使乙酰胆碱（acetylcholine，ACh）大量蓄积，胆碱能神经过度兴奋，产生以毒蕈碱受体及烟碱受体过度兴奋为代表的一系枢及外周中毒症状、体征，高剂量中毒条件下，可在极短时间致人死亡或出重损伤[1，2]（图 1）。由于神经性毒剂分子结构中均含有磷，因此又称其为有胆碱酯酶抑制剂或有机磷毒剂。神经性毒剂主要分为两类：一是 G 类毒剂[3]，主要有沙林（GB）、塔崩（GA）、（GD）；二是 V 类毒剂[4]，主要有维埃克斯（VX）（图 2）。自问世以来，性毒剂先后在两伊战争、伊政府军镇压库尔德人、叙利亚战争中被大量使用，了大量的人员伤亡[5]。1995 年东京地铁沙林事件造成和平时期大量平民的中标志着化学武器的使用已从国家之间的大规模战争发展到了一个集团、一个就能进行的针对平民的恐怖主义袭击，因此针对神经性毒剂中毒救治的研究容缓[6]。

神经性毒剂,洗消,恐怖袭击,呼吸道

图 2 几种常见的神经性毒剂或恐怖袭击条件下，神经性毒剂可经呼吸道、皮肤等多种途径及时处置，可在极短时间引发严重中毒效应。针对神经性毒剂特效解毒药物外。如何快速高效去除皮肤、伤口及环境中沾染是神经性毒剂中毒处置的关键环节之一[7]。尤其对挥发度相对较 G 类毒剂梭曼，以及 V 类毒剂 VX[8]，快速洗消更是决定救治成性毒剂的现有洗消方式述，对神经性毒剂沾染最快速有效的处理方式就是迅速清除沾。现有洗消的方法主要有：天然洗消、物理洗消、化学洗消和洗消自然条件如通风、日晒、雨水冲刷等，使染毒物体上的神经性。其优点是不需要人力物力的投入即可完成洗消，但其缺点是

沙林,催化分解,氧化锌,机制

图 3 氧化锌催化分解沙林的机制[14]洗消过生物洗消酶的催化水解神经性毒剂。因其具高效、环境友好等突出优势，被称为“最理想的洗消剂”。1992 年生物化学和分委员会统一将这类酶归为磷酸三酯水解酶 PTH（Phosphoric[15]，包括以有机磷水解酶 OPH（Organ ophosphorus hydrolase）解酶（Methyl parathion hydrolase）、有机磷水解酶 C2（OPHC

【参考文献】