几种基于共价有机聚合物或配位聚合物的复合体系用于分析检测与药物控释

发布时间：2020-04-10 01:05

【摘要】：环境和食品安全与疾病治疗作为关乎人类健康生存的两大热门研究内容引起了科研人员的高度关注。随着材料科学的快速发展,有机多孔和有机-无机复合多孔材料在生物医药、传感检测和吸附分离等研究领域发挥着越来越重要的作用。其中,共价有机聚合物(Covalent Organic Polymers,COPs)和配位聚合物(Coordination Polymers,又称为金属有机骨架,即Metal-Organic Frameworks,MOFs)作为两大类炙手可热的多孔材料,既有组分可调、功能可控、设计合成多样性、易于修饰和可裁剪等一系列的共同性质,又各自具备结构和性质上的特性,使其在分析检测和生物医药等不同的应用领域发挥着重要的作用。因此,本学位论文致力于开发基于MOFs和COPs的复合材料在设计合成和应用方面的潜力,为解决环境和食品安全及靶向药物递送等与人类健康息息相关的科学问题贡献微薄之力。首先,我们设计合成了高稳定性、大比表面积和多孔的COPs材料并结合固相微萃取技术,为食品中有机农药的高效分离与分析检测提供了新的有机功能材料和检测方式,为维护食品安全开拓了新的研究方向。其次,我们在光学检测材料的设计合成方面进行了研究,选取易于功能化的新一代超分子大环化合物柱芳烃为构筑单体制备了新型荧光配位聚合物,并系统研究了其在传感检测领域的应用,丰富了现有的光学检测材料,为解决环境安全问题提供了新的策略。最后,我们利用具有生物相容性、易于功能化和具有良好载药能力的MOFs材料结合具有独特主客体性质的柱芳烃制备多功能复合材料,为实现高效率的抗癌药物靶向可控输送提供新的研究思路。本论文主要总结为以下四部分:第一部分,在这部分工作中,我们合成了三种新型COPs有机材料(酰腙COPs材料、交联COPs材料和多孔芳香骨架材料-离子液体复合材料PAF/IL)并将其制备成纤维装置,利用固相微萃取技术结合气相色谱分析手段详细研究了它们对蔬菜、水果和饮品等食品中有机农药的吸附分离和检测效果,达到了对复杂食品样品中有机农药的分离检测效果。相比于商业化的吸附材料,本工作中制备的COPs样品前处理材料对有机农药具有明显的吸附优势和富集能力,大大提高了检测效果和检测性能。第二部分,我们以双羧基功能化的柱[5]芳烃(CP5)作为有机配体,九水合硝酸铬提供中心配位金属,利用简单的水热合成方法制备了首例具有荧光性的柱[5]芳烃配位聚合物(CP5-PCP)并对其发光机理和发光性质进行了研究。不仅如此,得到的荧光CP5-PCP配位聚合物可以检测Fe~(3+)、丙酮、硝基苯酚类有机污染物。值得一提的是,柱芳烃配位聚合物的应用并不局限于以上的研究,由于柱芳烃和配位聚合物特有的性质,基于柱芳烃的配位聚合物在传感检测、吸附分离和药物递送等方面均有很大的发展空间。第三部分,柱芳烃在超分子领域发挥着重要作用,将柱芳烃和MOFs有机结合有望构建出具有独特优势的多功能医用材料。在本工作中,我们首次构筑了以磁性Fe_3O_4作核,UiO-66 MOF作壳,抗癌药物5-氟尿嘧啶(5-Fu)为“货物”,水溶性羧基柱[6]芳烃钠盐(WP6)为纳米阀门的诊疗复合材料(Fe_3O_4@UiO-66@WP6)。本工作中详细研究了柱芳烃作为纳米阀门的药物控释行为,同时我们设计了水溶性羧基柱[5]芳烃钠盐(WP5)的超分子纳米阀门作为对照组。这两种具有不同“松紧程度”的纳米阀门均表现出理想的pH、Ca~(2+)、Zn~(2+)、温度等多刺激响应的释放行为。但是,研究表明WP6与“连接轴”单元之间具有更强的主客体作用力,在相同的外界刺激条件下WP6阀门打开的更缓慢,不仅可以实现在病变部位的定点释药,而且可以发挥缓释作用。经过研究Fe_3O_4@UiO-66@WP6载药材料在细胞水平上的诊疗表现,进一步证明该载药体系具有理想的磁共振成像能力和杀死癌细胞的能力。本工作实现了磁分离、磁共振成像、多刺激响应药物释放和化疗一体化,有利于实现定时、定点、定位的抗癌药物递送,提高治疗效率。第四部分,我们以生物相容性良好且具有光热效应的聚吡咯(PPy)为生长基质包覆上UiO-66 MOF,实现了化疗和光热治疗一体化,利用材料的易修饰性“安装”上WP6超分子纳米阀门,赋予体系pH、温度双响应释药的被动靶向性,另外,通过静电作用将聚乙烯亚胺-叶酸聚合物(PEI-Fa)修饰在复合材料的最外层,最终得到了多模式抗癌材料(PPy@UiO-66@WP6@PEI-Fa,即PUWPFa),其中超分子阀门赋予体系被动靶向性、外层叶酸赋予体系主动靶向性、内核PPy具有光热治疗效果、外壳MOF实现化疗。PUWPFa体系的光热转换效率为38.69%,柱芳烃门控的安装确保体系在温度和微酸刺激下的可控释药,各功能组分之间相互促进。体内和体外测试结果表明PUWPFa体系抑制肿瘤的表现明显高于单一的热疗或者化疗的医疗效果,重要的是,使用本章中设计的靶向药物递送与治疗材料后对于小鼠的其他健康器官如心、脾、肝、肾和肺无明显的杀伤性。
【图文】：

图1.1层层交联的SNW-1SPME纤维涂层的制备及其应用于多环芳烃和挥发性[81]

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图 1.2 荧光 MOFs 的荧光发射可能性及其检测领域示意图[74]了对有毒重金属离子的检测外，荧光 MOFs 多孔材料在检测有机备受关注。卜显和老师课题组在 2016 年制备了一种水稳定的具 MOF [Cd2(tib)2(bda)2]·(solvent)n（tib = 1,3,5-三（1-咪唑基）苯；苯二羧酸），该 MOF 材料不仅耐有机溶剂和 pH 而且可以实现酮猝灭检测[99]。近期，刘伟生老师等人合作制备了 5 种镧系 MOu-MOF、Gd-MOF、Dy-MOF 和 Er-MOF），实验结果表明其中 Tb4)(μ3-OH)3(μ3-O)(DMF)2(H2O)4]n（H3L=2-（6-羧基吡啶）对苯二甲F 对 Fe3+、Ce3+和丙酮有良好的检测能力（图 1.3）。另外，，该荧光后易回收，在常见溶剂、金属离子水溶液和 pH4 11 的溶液中具，有望作为一种多刺激响应的荧光猝灭型探针，在环境检测领域。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O641.4;O657.3;TQ460.1

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