功能性杂化纳米凝胶的设计及其肿瘤磁共振诊断

发布时间：2020-10-14 02:46

　　 磁共振(MR)成像是常用的分子影像学诊断技术之一,具有非侵入性,对人体无害,无电离辐射,较高的分辨率及空间断层成像能力。临床常用的MR成像造影剂多为小分子造影剂,具有较短的血液循环时间,会很快被机体代谢清除,且对肾功能不全者有明显的肾脏毒性。近年来,随着纳米技术的发展,科研工作者将造影元素与不同的纳米载体平台相结合,构建了多种纳米成像造影剂,以改善临床造影剂的性能。然而目前广泛发展的纳米成像造影剂仍然存在着一些问题和挑战,比如较低的弛豫率,在肿瘤部位的富集量较低。依然需要寻求一种更为安全高效的纳米载体,以解决以上问题。在诸多纳米载体中,纳米凝胶(NGs)具有良好的稳定性、高负载能力、生物相容性、尺寸可控及易于被肿瘤细胞吞噬等优点,已广泛应用于药物输送和组织工程等领域。利用NGs的高负载能力及易于被肿瘤细胞吞噬的特性,以其作为MR成像造影剂的载体,构建新型的纳米成像造影剂,有望提高弛豫性能并增强肿瘤细胞的吞噬量,达到更好的造影效果。本论文选择生物相容性良好的海藻酸钠纳米凝胶(AG NGs)和聚N-乙烯基己内酰胺纳米凝胶(PVCL NGs)作为载体平台结合不同的MR成像造影元素,制备一系列功能性杂化NGs,研究其肿瘤MR成像诊断性能。本论文的主要内容如下:(1)氧化铁杂化海藻酸钠纳米凝胶的合成及其MR成像性能研究。首先通过水热法合成聚乙烯亚胺稳定的四氧化三铁纳米颗粒(PEI-Fe_3O_4 NPs),之后以海藻酸钠为主体材料、PEI-Fe_3O_4 NPs为交联剂,采用乳化交联法合成得到氧化铁杂化海藻酸钠纳米凝胶(AG/PEI-Fe_3O_4 NGs)。通过一系列测试技术对其理化性质进行表征。AG/PEI-Fe_3O_4 NGs粒径分布均匀,具有良好的胶体稳定性、细胞相容性及血液相容性。T_2弛豫性能测试结果显示AG/PEI-Fe_3O_4 NGs的T_2弛豫率(r_2)为170.87 mM~(-1)s~(-1),高于交联前PEI-Fe_3O_4 NPs的r_2值(137.1 mM~(-1)s~(-1))。普鲁士蓝染色及电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)定量分析结果表明,相较于对照材料羧基化后Fe_3O_4-PEI.SAH NPs,AG/PEI-Fe_3O_4 NGs更易被肿瘤细胞吞噬,从而可以提高其在肿瘤部位的富集量。体内试验表明AG/PEI-Fe_3O_4 NGs在裸鼠肝脏及肿瘤部位具有良好的T_2 MR成像效果,且能从裸鼠体内正常的代谢清除。(2)氧化锰杂化海藻酸钠纳米凝胶的合成及其MR成像性能研究。将海藻酸钠的表面羧酸基进行活化,之后以聚乙烯亚胺稳定的四氧化三锰纳米颗粒(PEI-Mn_3O_4 NPs)作为交联剂,通过乳化交联的方式合成得到氧化锰杂化海藻酸钠纳米凝胶(AG/PEI-Mn_3O_4 NGs)。通过不同的测试手段,对其形貌、尺寸、组成、结构、胶体稳定性及细胞相容性进行了表征与评价。AG/PEI-Mn_3O_4 NGs形貌为球形或类球形,尺寸分布均匀,平均尺寸大小约为141.6 nm,具有良好的胶体稳定性及细胞相容性。T_1弛豫性能研究表明,AG/PEI-Mn_3O_4 NGs具有较高的T_1弛豫率(r_1)(26.12 mM~(-1)s~(-1)),约是PEI-Mn_3O_4 NPs的19.5倍。在体外肿瘤细胞及裸鼠肿瘤模型中均呈现出增强的MR成像性能。药代动力学、体内组织分布及伊红苏木精(HE)染色研究表明,AG/PEI-Mn_3O_4 NGs具有较长的血液循环时间,能够从动物体内正常代谢清除,同时对动物机体无明显生物毒性。(3)负载金钆双造影元素的杂化海藻酸钠纳米凝胶的合成及其MR/CT(计算机断层扫描)双模态成像性能研究。由于单一的成像模式很难获得完整准确的诊断信息,在前两章工作的基础上,我们采用乳化交联法,以AG为基体材料,金钆复合纳米颗粒(PEI-Au-Gd NPs)为交联剂,得到杂化AG/PEI-Au-Gd NGs,用于MR/CT双模态成像研究。制备的AG/PEI-Au-Gd NGs平均尺寸约为83.3 nm,具有良好的胶体稳定性,易于被肿瘤细胞吞噬,同时具有良好的生物安全性。T_1 MR弛豫性能和X射线衰减分析结果表明,AG/PEI-Au-Gd NGs具有较高的r_1值及良好的X射线衰减性能。体内肿瘤成像试验表明,与PEI.Ac-Au-Gd NPs和临床用造影剂(Magnevist○R或Omnipaque)相比,AG/PEI-Au-Gd NGs具有更好的肿瘤MR/CT双模态成像效果。体内组织分布及器官相容性研究表明,AG/PEI-Au-Gd NGs可以从小鼠体内代谢清除,对小鼠的主要器官无明显损伤,具有良好的生物安全性,有望成为一种良好的MR/CT双模态成像造影剂。(4)表面螯合钆离子的杂化聚N-乙烯基己内酰胺纳米凝胶的合成及其MR成像性能研究。在上述研究工作中,均采用乳化交联的方法合成NGs,在合成过程中使用了有机溶剂,且操作方法不够简洁。第五章以生物相容性良好的聚N-乙烯基己内酰胺(PVCL)为基体材料在水溶液中通过沉淀聚合法合成PVCL NGs,之后在其表面偶联Gd螯合物,通过调控PVCL NGs与Gd螯合物的比例,得到一系列不同Gd含量的杂化PVCL-Gd NGs,用于肿瘤模型的T_1 MR成像性能研究。PVCL-Gd NGs的尺寸分布均匀,平均尺寸约为180 nm,均具有良好的分散性和稳定性。T_1 MR弛豫性能研究表明,PVCL-Gd NGs的r_1值在6.38-7.10 mM~(-1)s~(-1)之间,均高于同样测量条件下的临床用Mag-nevist○R。结合细胞相容性及T_1弛豫性能结果,我们选定较低Gd百分比的PVCL-Gd NGs-0.1%用于肿瘤MR成像性能研究。体内裸鼠肿瘤模型MR成像研究结果表明,与Magnevist○R相比,PVCL-Gd NGs-0.1%可以明显增强肿瘤组织的MR成像信号。体内组织分布及HE染色研究表明,PVCL-Gd NGs-0.1%能够从动物体内正常的代谢清除,同时对动物机体无明显生物毒性,具有良好的生物安全性。总之,本论文利用NGs的高负载能力及易于被肿瘤细胞吞噬等特性,以AG NGs和PVCL NGs作为载体平台,结合不同的MR成像造影元素,制备一系列功能性杂化NGs,研究其肿瘤MR成像诊断性能,为开发新型的MR成像造影剂提供新的思路和方向。
【学位单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O648.17;R445.2
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 磁共振成像技术
        1.2.1 磁共振成像的原理
        1.2.2 磁共振成像造影剂
1阳性造影剂'>            1.2.2.1 T₁阳性造影剂
2阴性造影剂'>            1.2.2.2 T₂阴性造影剂
    1.3 纳米凝胶
        1.3.1 纳米凝胶的合成方法
            1.3.1.1 物理交联型纳米凝胶
            1.3.1.2 化学交联型纳米凝胶
        1.3.2 纳米凝胶在生物医学领域的应用
            1.3.2.1 纳米凝胶在药物输送领域的应用
            1.3.2.2 纳米凝胶在基因传递领域的应用
            1.3.2.3 纳米凝胶在组织工程领域的应用
            1.3.2.4 纳米凝胶在分子影像学领域的应用
        1.3.3 合成纳米凝胶的常用聚合物
            1.3.3.1 海藻酸钠
            1.3.3.2 聚N-乙烯基己内酰胺
    1.4 本论文的研究内容及创新点
        1.4.1 本论文的研究内容
        1.4.2 本论文的创新点
    参考文献
第2章 氧化铁杂化海藻酸钠纳米凝胶的制备及其MR成像性能研究
    2.1 引言
    2.2 实验部分
        2.2.1 实验试剂、材料与仪器
        2.2.2 材料的合成
3O₄NPs的制备'>            2.2.2.1 PEI-Fe₃O₄NPs的制备
3O₄NGs的制备'>            2.2.2.2 AG/PEI-Fe₃O₄NGs的制备
3O₄-PEI.SAHNPs的制备'>            2.2.2.3 Fe₃O₄-PEI.SAHNPs的制备
        2.2.3 材料的表征
            2.2.3.1 材料表面电势与水动力学直径测试
            2.2.3.2 材料形貌学表征
            2.2.3.3 热重分析测试
            2.2.3.4 傅里叶变换红外光谱测试
2弛豫性能表征'>            2.2.3.5 T₂弛豫性能表征
            2.2.3.6 材料的细胞相容性评价
            2.2.3.7 材料的血液相容性评价
            2.2.3.8 材料的细胞吞噬性能表征
            2.2.3.9 材料的细胞MR成像性能表征
            2.2.3.10 材料的肝脏MR成像性能表征
            2.2.3.11 材料的裸鼠肿瘤MR成像性能表征
            2.2.3.12 材料的体内组织分布研究
            2.2.3.13 统计学分析
    2.3 结果与讨论
3O₄NGs的合成与表征'>        2.3.1 AG/PEI-Fe₃O₄NGs的合成与表征
2弛豫性能'>        2.3.2 T₂弛豫性能
        2.3.3 细胞相容性及血液相容性评价
        2.3.4 细胞吞噬性能评价
        2.3.5 体外细胞MR成像性能研究
        2.3.6 体内肝脏MR成像性能研究
        2.3.7 体内肿瘤MR成像性能研究
        2.3.8 体内组织分布评估
    2.4 本章小结
    参考文献
第3章 氧化锰杂化海藻酸钠纳米凝胶的制备及其MR成像性能研究
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 实验试剂、材料与仪器
        3.2.2 材料的合成
3O₄NPs的制备'>            3.2.2.1 PEI-Mn₃O₄NPs的制备
3O₄NGs的制备'>            3.2.2.2 AG/PEI-Mn₃O₄NGs的制备
3O₄NPs的制备'>            3.2.2.3 PEI.Ac-Mn₃O₄NPs的制备
        3.2.3 材料表征
            3.2.3.1 材料表面电势与水动力学直径测试
            3.2.3.2 材料形貌学及组成成分表征
            3.2.3.3 热重分析测试
            3.2.3.4 傅里叶变换红外光谱测试
1弛豫性能表征'>            3.2.3.5 T₁弛豫性能表征
        3.2.4 材料的细胞相容性评价
        3.2.5 细胞MR成像性能表征
        3.2.6 肿瘤鼠MR成像性能表征
        3.2.7 药代动力学分析
        3.2.8 体内组织分布及生物安全性研究
        3.2.9 统计学分析
    3.3 结果与讨论
3O₄NGs的合成与表征'>        3.3.1 AG/PEI-Mn₃O₄NGs的合成与表征
1弛豫性能'>        3.3.2 T₁弛豫性能
        3.3.3 细胞相容性评价
        3.3.4 体外细胞MR成像性能研究
        3.3.5 体内肿瘤MR成像性能研究
        3.3.6 药代动力学研究
        3.3.7 体内组织分布及生物安全性评价
    3.4 本章小结
    参考文献
第4章 负载双造影元素的杂化海藻酸钠纳米凝胶的制备及其MR/CT双模态成像性能研究
    4.1 引言
    4.2 实验部分
        4.2.1 实验试剂、材料与仪器
        4.2.2 材料的合成
            4.2.2.1 PEI-Au-GdNPs的制备
            4.2.2.2 AG/PEI-Au-GdNGs的制备
        4.2.3 材料的表征
            4.2.3.1 紫外可见（UV-Vis）吸收光谱测试
            4.2.3.2 材料表面电势与水动力学直径测试
            4.2.3.3 材料形貌学及X射线能谱表征
            4.2.3.4 热重分析测试
            4.2.3.5 傅里叶变换红外光谱测试
            4.2.3.6 X射线衍射测试
            4.2.3.7 Gd稳定性测试
1弛豫性能表征'>        4.2.4 T₁弛豫性能表征
        4.2.5 X射线衰减系数分析
        4.2.6 材料的细胞相容性评价
        4.2.7 材料的细胞吞噬性能表征
        4.2.8 材料的细胞MR/CT成像性能表征
        4.2.9 材料的裸鼠肿瘤MR/CT双模态成像性能表征
        4.2.10 材料的体内组织分布和器官相容性研究
        4.2.11 统计学分析
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 AG/PEI-Au-GdNGs的合成与表征
1弛豫性能测试'>        4.3.2 T₁弛豫性能测试
        4.3.3 X射线衰减系数分析
        4.3.4 细胞相容性评价
        4.3.5 AG/PEI-Au-GdNGs的细胞吞噬性能评价
        4.3.6 体外细胞MR/CT双模态成像性能研究
        4.3.7 体内肿瘤MR/CT双模态成像性能研究
            4.3.7.1 体内肿瘤MR成像性能研究
            4.3.7.2 体内肿瘤CT成像性能研究
        4.3.8 体内组织分布及器官相容性评估
    4.4 本章小结
    参考文献
第5章 表面螯合钆离子的杂化聚N-乙烯基己内酰胺纳米凝胶的制备及其MR成像性能研究
    5.1 引言
    5.2 实验部分
        5.2.1 实验试剂、材料与仪器
        5.2.2 材料的合成
            5.2.2.1 PVCLNGs的制备
            5.2.2.2 PVCL-GdNGsNGs的制备
        5.2.3 材料表征
            5.2.3.1 不同PVCL-GdNGs中Gd元素含量测定
            5.2.3.2 材料表面电势与水动力学直径测试
            5.2.3.3 材料稳定性测试
            5.2.3.4 材料形貌学及组成成分表征
            5.2.3.5 Gd稳定性测试
1弛豫性能表征'>        5.2.4 T₁弛豫性能表征
        5.2.5 材料的细胞相容性评价
        5.2.6 细胞MR成像性能表征
        5.2.7 肿瘤鼠MR成像性能表征
        5.2.8 体内组织分布及生物安全性研究
        5.2.9 统计学分析
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 PVCL-GdNGs的合成与表征
1弛豫性能'>        5.3.2 T₁弛豫性能
        5.3.3 细胞相容性评价
        5.3.4 体外细胞MR成像性能研究
        5.3.5 体内肿瘤MR成像性能研究
        5.3.6 体内组织分布及生物安全性评价
    5.4 本章小结
    参考文献
第6章 结论与展望
    6.1 本论文的主要结论
    6.2 展望
攻读学位期间的研究成果与获奖情况
致谢

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本文编号：2840066