功能荧光星形聚合物的合成及生物应用

发布时间：2017-09-16 13:16

  本文关键词：功能荧光星形聚合物的合成及生物应用

  更多相关文章： 星形聚合物 傒酰亚胺 可控/活性聚合 pH探针 基因载体 生物成像

【摘要】：傒酰亚胺作为一种光热性质优良的荧光发色团,拥有特殊的紫外吸收和接近近红外光区(650-900 nm)的荧光发射波段(600-630m)。以傒酰亚胺为核的荧光星形聚合物继承了它的荧光性能,同时又解决了傒酰亚胺溶解性能差的缺点。星形聚合物是树枝状聚合物家族中的一员,与线性聚合物相比,星形聚合物具有特殊的拓扑结构优势,其内部的空腔结构及裸露于外部更多的功能基团,使得它在药物载体等生物医学领域拥有广泛的应用前景；与合成过程繁琐的树枝状大分子相比,星形聚合物简单易得,有望实现大量生产,并降低成本。这些优势使得星形聚合物非常适用于合成功能型聚合物。刺激响应型聚合物是功能型聚合物中的一种,该类聚合物在受到外界环境刺激,如pH、温度、光、电解质分子、电压等的条件下,会发生一系列特异性的响应变化。离子型聚合物属于刺激响应型聚合物,它们对电解质或pH值具有响应性,其中的阳离子型聚合物还常被用做基因载体方向的研究。本论文的研究对象是以傒酰亚胺为核的多种荧光星形聚合物中的离子型聚合物,它们的制备方法涉及原子转移自由基聚合(ATRP)和聚合物改性；在合成聚合物之前,我们首先合成了两种以傒酰亚胺为核的引发剂,其中涉及了羟基的保护以及酯化反应。本论文的主要内容是研究这些荧光星形聚合物在pH探针和基因载体方面的应用。本论文的研究成果主要分如下几个方面：1、对傒酰亚胺衍生物的“海岛”位进行修饰,合成了两种花酰亚胺衍生物ATRP引发剂。原料为实验室已合成的一种氯化花酰亚胺化合物(4C1-PDI),通过取代反应得到羟基化的四羟基花酰亚胺(4OH-PDI)。随后以40H-PDI作为原料与2-溴异丁酰溴发生酯化反应制备了末端是溴原子的四溴傒酰亚胺(4Br-PDI),即四臂引发剂;同样以4OH-PDI作为原料,运用了树枝状大分子的合成思路,首先制备了带有更多羟基的八羟基傒酰亚胺(8OH-PDI),再与2-溴异丁酰溴发生酯化反应,最终得到八溴花酰亚胺(8Br-PDI),即八臂引发剂。2、用上述两种引发剂和本实验室已经合成的另一种八臂引发剂(引发剂1)引发ATRP聚合,得到了多种荧光星形聚合物,经过聚合物的改性,最终获得了荧光星形聚电解质,包括两种阴离子型聚合物和六种阳离子型聚合物。我们对得到的聚合物分别作了核磁谱图和凝胶渗透色谱的表征。3、首次以荧光星形聚合物傒酰亚胺-聚丙烯酸(PDI-PAA)和傒酰亚胺-聚甲基丙烯酸胺乙基酯(PDI-PAEMA)为材料制备了pH荧光探针,其中PDI-PAA和PDI-PAEMA分别是荧光星形阴离子型和阳离子型聚合物的代表。研究表明,两种聚合物均以单分子胶束状态存在于溶液中,而且pH的调节可以引起胶束尺寸的变化,这些结论建立在小角X光散射(SAXS)和动态光散射(DLS)的表征数据基础上。随后的光学性质的研究表明,胶束尺寸的变化会导致溶液荧光的相应变化,pH值变化能够引起聚合物溶液可回复性的荧光强度变化。研究表明这种荧光变化的内因是水分子对荧光基团的淬灭作用,单分子胶束的体积相转变改变了荧光基团所处环境。这一原理同样适用于其他种类的星形聚合物。4、对两种荧光四臂星形阳离子型聚合物PDI-PAEMA和傒酰亚胺-聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PDI-PDMAEMA)作了基因载体和细胞成像方向的研究,并比较了它们的基因转染效率。这两种聚合物均以花酰亚胺为核,它们的侧基分别含有伯胺或叔胺基团,并且具有相同的重复单元数,光学性质相似。琼脂糖电泳实验表明,在较低的氮磷比条件下(N/P8：1),它们可以和带有负电的DNA形成稳定的复合物。进一步的细胞实验证明,这种复合物可以成功进入细胞,并表现出良好的荧光成像效果。与聚乙烯亚胺(PEI)相比,两种聚合物在毒性和转染效率方面具有明显的优势。在这两者中,侧基为叔胺的聚合物PDI-PDMAEMA具有较高的基因转染效率。5、为了寻找更好的制备高转染效率基因载体的方法,我们首先合成了四臂或八臂荧光星形聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PDI-PGMA),之后在温和条件下分别与乙二胺(EDA)和N’-(3-氨丙基)-N,N-二甲基-1,3-丙二胺(DMDPA)进行开环反应,制备了阳离子化的聚甲基丙烯酸甘油酯(PGOHMA):SP1, SP2和SP3。它们的水溶液保持了良好的荧光性能,拥有大于0.1的荧光量子产率((?)f)。在琼脂糖电泳实验中,当氮磷比大于2：1时SP2就可以与DNA形成稳定的复合物。细胞水平的毒性实验表明这几种PGOHMAs均具有良好的生物相容性。在这三种聚合物中,SP2因为基因转染效率最高,是理想的荧光聚合物基因载体。
【关键词】：星形聚合物 傒酰亚胺 可控/活性聚合 pH探针 基因载体 生物成像
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O631
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-21
• 第一章 绪论21-55
• 1.1 星形聚合物的简单介绍21
• 1.2 活性自由基聚合简介21-27
• 1.2.1 氮氧稳定自由基聚合(NMP)22-23
• 1.2.2 可逆加成-断裂链转移自由基聚合(RAFT)23-24
• 1.2.3 原子转移自由基聚合(ATRP)24-27
• 1.3 刺激响应型聚合物的综述和展望27-44
• 1.3.1 pH响应型聚合物27-30
• 1.3.2 温度响应型聚合物30-34
• 1.3.3 光敏型聚合物34-36
• 1.3.4 分子响应型聚合物36-41
• 1.3.5 其他刺激响应型聚合物41-44
• 1.4 水溶性花酰亚胺类衍生物及其应用44-52
• 1.4.1 水溶性傒酰亚胺类衍生物做基因载体45-50
• 1.4.2 水溶性傒酰亚胺类衍生物用做离子光学传感器50-51
• 1.4.3 水溶性傒酰亚胺类衍生物用做细胞标记物51-52
• 1.5 本论文的主体思想与内容介绍52-55
• 第二章 荧光星形聚合物的合成55-91
• 2.1 引论55-57
• 2.2 实验部分57-88
• 2.2.1 实验材料和仪器57-60
• 2.2.2 四臂引发剂4Br-PDI的合成和表征60-65
• 2.2.2.1 四羟基花系化合物4OH-PDI的合成60-62
• 2.2.2.2 四臂引发剂(4Br-PDI)的合成62-65
• 2.2.3 八臂引发剂8Br-PDI的合成和表征65-72
• 2.2.3.1 2,2,5-三甲基-1,3-二恶烷-5-甲酸酐(TDCA)的制备65-66
• 2.2.3.2 八羟基傒系化合物8OH-PDI的制备66-69
• 2.2.3.3 八臂引发剂8Br-PDI的制备69-72
• 2.2.4 阴离子型星形聚合物的合成72-76
• 2.2.4.1 四臂聚合物PDI-P(tBA)_4的合成72-73
• 2.2.4.2 四臂聚合物PDI-P(AA)_4的合成73-74
• 2.2.4.3 八臂聚合物PDI-P(tBA)-8的合成74-75
• 2.2.4.4 八臂聚合物PDI-P(AA)_8的合成75-76
• 2.2.5 阳离子型聚合物的合成76-88
• 2.2.5.1 四臂星形聚合物PDI-P(Boc-AEMA)_4的合成76-77
• 2.2.5.2 四臂星形聚合物PDI-P(AEMA)_4的合成77-78
• 2.2.5.3 八臂星形聚合物PDI-P(Boc-AEMA)_8的合成78-80
• 2.2.5.4 八臂星形聚合物PDI-P(AEMA)_8的合成80-81
• 2.2.5.5 四臂星形聚合物PDI-P(DMAEMA)_4的合成81-82
• 2.2.5.6 四臂星形聚合物PDI-P(GMA)_4的合成82-83
• 2.2.5.7 八臂星形聚合物PDI-P(GMA)_8的合成83-85
• 2.2.5.8 四臂星形聚合物PDI-P(GOHMA)_4的合成85-86
• 2.2.5.9 八臂星形聚合物PDI-P(GOHMA)_8的合成86-88
• 2.3 本章小结88-91
• 第三章 荧光星形聚合物pH探针91-107
• 3.1 引论91-92
• 3.2 实验部分92-95
• 3.2.1 实验材料和仪器92-93
• 3.2.2 阴阳离子型聚合物的合成93
• 3.2.3 凝胶渗透色谱仪(GPC)表征93-94
• 3.2.4 紫外吸收光谱和荧光发射光谱表征94
• 3.2.5 小角X光散射(SAXS)表征94
• 3.2.6 动态光散射(DLS)表征94
• 3.2.7 滴定法测pKa值94-95
• 3.2.8 水对荧光基团的淬灭实验95
• 3.3 结果与讨论95-104
• 3.3.1 聚合物分子量及分子量分布95-96
• 3.3.2 紫外吸收及荧光发射光谱表征96-97
• 3.3.3 小角X光散射(SAXS)表征97-98
• 3.3.4 动态光散射(DLS)表征98-99
• 3.3.5 滴定法测pKa值99-100
• 3.3.6 水对荧光基团的淬灭实验100-102
• 3.3.7 pH值变化对聚合物光学谱图的影响102-103
• 3.3.8 pH往复性实验103
• 3.3.9 聚合物范围拓展实验103-104
• 3.4 本章小结104-107
• 第四章 多氨基荧光星形聚合物基因载体107-125
• 4.1 引论107-108
• 4.2 实验部分108-113
• 4.2.1 实验材料和仪器108-109
• 4.2.2 阳离子型聚合物的合成109-110
• 4.2.3 凝胶渗透色谱仪(GPC)表征110
• 4.2.4 紫外吸收光谱和荧光发射光谱表征110-111
• 4.2.5 聚合物和DNA复合物的制备111
• 4.2.6 酸碱滴定比较缓冲能力111
• 4.2.7 Zeta电势和粒径表征111
• 4.2.8 琼脂糖凝胶电泳实验111-112
• 4.2.9 果蝇S2细胞的培养112
• 4.2.10 细胞毒性实验112
• 4.2.11 细胞摄取实验112
• 4.2.12 基因转染实验112-113
• 4.3 结果与讨论113-123
• 4.3.1 P1和P2的聚合数据113-114
• 4.3.2 P1和P2在水中的光学性能表征114-116
• 4.3.3 酸碱滴定比较聚合物缓冲能力116
• 4.3.4 Zeta电势和粒径表征116-117
• 4.3.5 琼脂糖凝胶电泳实验117-118
• 4.3.6 细胞毒性和细胞摄取实验118-120
• 4.3.7 体外细胞基因转染实验120-123
• 4.4 本章小结123-125
• 第五章 PGOHMA荧光星形聚合物基因载体125-143
• 5.1 引论125-126
• 5.2 实验部分126-130
• 5.2.1 实验材料和仪器126-127
• 5.2.2 PGOHMAs的合成127-128
• 5.2.3 凝胶渗透色谱仪(GPC)表征128
• 5.2.4 红外光谱学(FTIR)表征128
• 5.2.5 紫外吸收光谱和荧光发射光谱表征128
• 5.2.6 聚合物和DNA复合物的制备128-129
• 5.2.7 Zeta电势和粒径表征129
• 5.2.8 琼脂糖凝胶电泳实验129
• 5.2.9 果蝇S2细胞和Hela的培养129
• 5.2.10 细胞毒性实验129-130
• 5.2.11 细胞摄取实验130
• 5.2.12 基因转染实验130
• 5.3 结果与讨论130-141
• 5.3.1 PGOHMA的聚合数据130-132
• 5.3.2 红外吸收谱图132-133
• 5.3.3 PGOHMA在水中的光学性能表征133-134
• 5.3.4 Zeta电势和粒径表征134-135
• 5.3.5 琼脂糖凝胶电泳实验135-136
• 5.3.6 细胞毒性和细胞摄取实验136-138
• 5.3.7 体外细胞基因转染实验138-141
• 5.4 本章小结141-143
• 第六章 结论143-145
• 参考文献145-159
• 致谢159-161
• 研究成果及发表的学术论文161-163
• 作者简介163-164
• 导师简介164-165
• 附件165-166

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本文编号：863262