智能化磁性纳米药物载体系统的构建与生物学评价

发布时间：2019-04-25 23:08

【摘要】：纳米技术的工程化应用可追溯到二十世纪五十年代，在过去几十年间得到了极大的发展。基于纳米技术衍生的纳米材料是一类非常规材料，具有全新的物理化学性能，相对于宏观材料，纳米材料以其特有的量子效应、纳米尺度效应使它们在科学研究和工程技术应用中占有独特的地位，获得科学家们的青睐。经过多年的发展，纳米科学研究已经在材料选取、多维纳米尺度构建、功能化和智能化应用方面得到了长足有效的发展，获得众多临床化应用成果，取得了一系列新突破和新发现，使纳米技术在工业、农业、医药、环保、军工和能源等多个领域都能一展所长。磁性纳米材料是众多工程纳米材料中的佼佼者，磁性材料本身具备其他非磁材料都不具备的独特优良特性，即磁学性能。该性能使其能够对外加磁信号或外部磁场做出迅速磁响应，使得磁性材料能够高效地运用于磁性分离纯化、手性物质筛选、细胞/细菌分离、固定化酶、药物靶向递送、刺激-响应性控制释放以及高频交变磁场产热治疗肿瘤等等方面。然而，纳米材料尤其是无机金属材料通常具有一些潜在问题：一方面是如何构建特异性表面改性材料，使其能够智能化和特异性地实现目标功能；另一方面就显得更为重要和迫切：当纳米材料应用到体内环境中时，，必须考察材料是否具备良好的血液、组织和生物相容性，能否不产生或少产生排异反应，炎症反应的引发以及程度轻重，如何评价纳米颗粒在细胞、组织和器官中的运输途径和作用机理，以及纳米材料是否能够通过代谢作用从体内排出从而减小材料对机体正常功能的影响等等。这些都是阻碍纳米材料在生物医学领域进一步运用发展所面临迫在眉睫的问题。基于以上背景，本论文的研究主要集中于功能化和智能化磁性药物载体的制备、应用及生物学评价等方面。将所制备的磁性纳米材料应用于以下两个用途：一、血液中有害成分的磁性分离；二、药物递送和肿瘤热疗。首先通过水热法制备磁性纳米颗粒，并对其进行相应目标功能化表面改性，构建出核壳型药物载体用于血液中毒性物质分离；另一方面，利用聚苯乙烯高分子纳米微球作为模板，在其外层包覆磁性外壳，再利用煅烧或有机溶剂去除聚苯乙烯模板，得到中空磁性微球用于抗癌药物的靶向递送、控制释放和定点热疗。最后对材料的血液相容性、生物相容性、颗粒在细胞和组织中的分布及其转运代谢途径，以及对癌症（肝癌肿瘤模型）的疗效等方面进行相关研究，探索所涉及的主要内容及相关结论如下： 1.不同粒径/结构磁性纳米颗粒的制备和表征利用水热法、共沉淀法、氧化还原法和模板法制备出不同尺度和不同形貌的磁性纳米颗粒，并通过表面修饰改性得到不同功能化磁珠以用于特定目的生物学应用。并利用多种检测手段深入研究了颗粒的理化性质：利用场发射扫描电镜和透射电镜对磁性颗粒进行形貌表征、利用X射线衍射仪研究颗粒的晶体类型、采用振动样品磁强计研究其磁学性能等。结果显示：所制备的磁性纳米颗粒分散良好、粒径均一、形态规则、具有良好的磁学性能，能够对外加磁场快速响应。磁性颗粒晶体类型经XRD检测证实：颗粒呈高结晶度化，晶型符合典型尖晶石型晶体结构。 2. β-环糊精表面功能化磁性纳米颗粒对血液中安眠药的吸附净化安眠药（地西泮）是一种常用的镇定类抗焦虑小分子疏水性药物，具有镇定、止痛和帮助睡眠等功用，误服或服用过量安眠药会产生严重的副作用，处理不及时或治疗不当会导致死亡。临床对该类病例的治疗通常采用血液灌流，即采用活性炭柱（炭肾）物理吸附这些疏水小分子毒物来达到治疗目的。但通常来说，炭肾制备成本较高，制备过程复杂且不能重复利用。本文利用β-环糊精这一具有独特立体结构的化合物，即内腔疏水外侧亲水的杯状结构的物质，通过咪唑化接枝至氨基化硅烷偶联剂修饰的磁性纳米颗粒基体上，构建了一种可以高效吸附血液中疏水性小分子有毒成分的磁性药物载体。该载体可有效地将安眠药吸附在环糊精的疏水空腔内，在吸附完成后，利用外加磁铁对附着安眠药的磁性载体进行吸附移除，使血液得到净化。扫描电镜及透射电镜结果表明β-环糊精修饰磁性复合颗粒呈规则球状，磁性性能检测证明颗粒具有良好的超顺磁性，继而通过晶体类型分析，红外特征光谱检测、Zeta电位测定、元素/热重分析证实β-环糊精磁性纳米药物载体的成功制备。在静态吸附实验中，对不同吸附参数进行分析发现：该磁性药物载体在正常机体温度和血液pH下，能够实现对有毒药物安眠药实现高效快速分离，其分离效率与现今临床使用的活性炭不相上下，在对材料的血液相容性研究中，发现颗粒具有良好的抗凝血性能，材料的溶血率指标符合国际临床应用标准，且不会引起明显的血小板激活。该磁性载体的制备成本低廉并能实现大规模制备，具有一定的实际临床应用价值。同时，该体系同样也适用于各种疏水性小分子药物的吸附净化和分离。 3.肝素-壳聚糖复合磁性纳米颗粒在低密度脂蛋白吸附中的应用针对低密度脂蛋白这一动脉硬化的重要诱发因子，利用壳聚糖这一具有良好吸附特性的化学物质对磁性纳米颗粒进行表面改性，得到壳聚糖表面交联的磁性纳米颗粒，并通过接枝肝素来提高磁性载体的血液相容性，得到了肝素-壳聚糖-磁性纳米颗粒的复合体系。通过扫描电镜、透射电镜、磁滞回线、热重分析、元素分析等手段对该药物载体进行表征以证明体系的成功制备。在对高脂血进行静态吸附研究发现：肝素/壳聚糖修饰的磁性载体能够选择性吸附血液中的低密度脂蛋白（“坏”胆固醇），而对“好”的胆固醇（高密度脂蛋白）吸附量则相对较小，体现出选择性吸附特性。在吸附完成后，用磁铁回收颗粒并用高浓度氯化钠溶液对颗粒进行洗涤，可洗脱磁性颗粒表面吸附的低密度脂蛋白，而使磁性吸附剂得以重生并进行再循环使用，有效降低了成本。实验证明：经过八个循环重新使用，肝素/壳聚糖表面功能化磁性纳米载体仍然体现出对低密度脂蛋白良好的选择性吸附特性。 4.温度响应性药物控释系统在热-化学联合疗法在肝癌治疗中的应用利用模板法制备磁性中空纳米颗粒，并对中空纳米颗粒的形貌、晶体类型、磁学性能、产热能力进行了相关理化性质表征。通过向颗粒空腔中加载温敏相变材料，通过将药物共混在双亲性相变材料十四烷醇中，中空药物载体可同时实现对亲水和疏水药物的储存和递送能力；同时由于磁性壳层的存在，我们可利用磁性颗粒的磁性特性，在外加磁场的作用下将磁性药物载体靶向输送并固定至瘤区，并在高频交变磁场的作用下，触发该磁性药物载体产热，当温度达到和超过温敏材料的相变温度时，十四烷醇液化，所共混的抗癌药物会随之释放。在此过程中，可以通过控制交变磁场的开关来实现“开关式”控制释放，实现热-化学联合治疗的效果。经透射电镜观察吞噬了磁性颗粒的细胞切片，发现磁性纳米药物载体在可被细胞大量吞噬，颗粒以胞吞作用的方式进入细胞胞质，但不能进入细胞核。我们进一步通过激光共聚焦显微镜、DNAladder、CCK8检测细胞在接载颗粒后的形态和活性变化，考察联合治疗疗法相对于单纯热疗和单纯化疗疗法的疗效。所得结果证明联合治疗能更有效和完全地杀死癌细胞，这一点在动物实验中也得到了相应证实：相对于对照组和单一手段治疗组，联合治疗组中裸鼠肿瘤体积得到了有效控制，裸鼠的成活率也得到了明显提高。
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【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.08

【共引文献】