聚丙烯酸納米水凝膠原位包覆超順磁性四氧化三鐵納米粒子的制備與研究.pdf

1、本課題關(guān)于聚丙烯酸（PAA）納米水凝膠原位包覆超順磁性四氧化三鐵(Fe3O4)納米粒子的研究為用于磁共振成像、癌癥靶向、藥物釋放等前沿領(lǐng)域的生醫(yī)材料提供了一個(gè)高度集成的納米平臺，即一種包含PAA納米水凝膠外層及超順磁性Fe3O4納米粒子內(nèi)層的新型復(fù)合納米粒子(PAA-Fe3O4)及其制備方法。
　　 一方面，作為包覆層的PAA納米水凝膠具有外界環(huán)境誘導(dǎo)的膨脹和收縮，同時(shí)，因?yàn)槠渚哂猩锵嗳菪砸约坝欣诙鄡r(jià)生物耦合(conjuga

2、tion)，因而，廣泛應(yīng)用于各大重要的醫(yī)學(xué)生物領(lǐng)域，如藥物輸送，非手術(shù)可注射的人體組織工程的基體及納米生物傳感器等。另一方面，作為內(nèi)層的超順磁性Fe3O4納米粒子由于具有磁響應(yīng)性以及生物降解性而在磁流體、蛋白質(zhì)分離和藥物釋放方面發(fā)揮著重要的作用。近年來，由于其可作為造影劑用于磁共振成像、作為熱療介質(zhì)用于癌癥熱療而引起研究者們的廣泛關(guān)注。因而，創(chuàng)新性地提出將兩者巧妙結(jié)合在一起，既利用了PAA納米水凝膠的親水性和生物相容性又利用了超順磁性F

3、e3O4納米粒子的超順磁性和生物降解性，制備聚丙烯酸納米水凝膠包覆的超順磁性四氧化三鐵納米粒子，有望開發(fā)成為如新一代磁共振成像造影劑、靶向藥物載體等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域重要材料。本課題采用無皂化乳液聚合制備PAA納米水凝膠的新方法，以羥丙基纖維素(HPC)作為模版并借助HPC的相轉(zhuǎn)變特性制備PAA納米水凝膠;原創(chuàng)性提出以PAA納米水凝膠作為反應(yīng)器，原位誘導(dǎo)合成超順磁性Fe3O4納米粒子，為納米診斷和納米智能藥物的研究開發(fā)提供一種新型材料和合

4、成方法，具有潛在的重要應(yīng)用。最后，采用重氮卡賓化學(xué)改性法對已制備的Fe3O4納米粒子進(jìn)行表面改性，通過引入高反應(yīng)活性的含氮官能團(tuán)提高Fe3O4納米粒子的超順磁性，為將來耦合具有細(xì)胞組織特異靶向性的生物配體(ligands)奠定了基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容和結(jié)論概括如下:
　　 1.弱酸單體誘導(dǎo)熱敏性高分子相轉(zhuǎn)變行為的研究
　　 系統(tǒng)研究了弱酸性單體丙烯酸（AA）和甲基丙烯酸(MAA)對熱敏性高分子HPC及聚(N-異丙基丙烯酰胺)

5、(PNIPAM)納米凝膠相轉(zhuǎn)變行為的影響。經(jīng)發(fā)現(xiàn)，AA和MAA能和HPC形成強(qiáng)烈的氫鍵，削弱了HPC與水分子的氫鍵作用，HPC變得疏水從而發(fā)生相轉(zhuǎn)變。利用這一特點(diǎn)，在不加表面活性劑的水相環(huán)境中，初步合成了PAA和PMAA納米水凝膠。此外，還得到不同濃度AA和MAA對PNIPAM納米凝膠尺寸及分布的影響。
　　 2.以羥丙基纖維素為模板無皂化乳液聚合制備聚丙烯酸納米水凝膠
　　 利用AA能改變HPC相轉(zhuǎn)變行為的特點(diǎn)，以HP

6、C為模板，無皂化乳液聚合制備了PAA納米水凝膠。利用動(dòng)態(tài)光散射(DLS)、傅里葉紅外(FTIR)、透射電鏡(TEM)、原子力顯微鏡(AFM)等方法進(jìn)行了表征和分析。結(jié)果表明，所制備的聚丙烯酸水凝膠呈納米尺寸的窄分散，具有良好的分散性并且很少團(tuán)聚。此外，系統(tǒng)研究了不同單體AA濃度、HPC濃度、不同交聯(lián)劑及聚合時(shí)間等因素對聚丙烯酸納米水凝膠尺寸及分布的影響，通過改變外界條件可以實(shí)現(xiàn)對聚丙烯酸納米水凝膠的尺寸及分布可控。所制備的聚丙烯酸納米水

7、凝膠含有大量反應(yīng)活性的羧酸離子(-COO-)，為進(jìn)一步采用原位誘導(dǎo)方法在聚丙烯酸納米水凝膠內(nèi)部合成四氧化三鐵納米粒子打下基礎(chǔ)。
　　 3.超順磁性四氧化三鐵納米粒子的原位誘導(dǎo)包覆及性能評估
　　 以PAA納米水凝膠為納米反應(yīng)器，利用-COO和亞鐵離子(Fe2+)之間的靜電作用，吸引Fe2+進(jìn)入納米水凝膠的內(nèi)部，經(jīng)氧化還原反應(yīng)合成Fe3O4納米粒子，實(shí)現(xiàn)了PAA納米水凝膠原位包覆Fe3O4形成PAA-Fe3O4納米粒子的新

8、方法。X射線衍射(XRD)、FTIR及電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)表明利用PAA納米水凝膠誘導(dǎo)原位合成了較高鐵包覆量的Fe3O4納米粒子，并且Fe3O4具有典型立方相晶體結(jié)構(gòu)。由DLS得到不同粒子尺寸及分布的PAA-Fe3O4納米粒子，并表征了儲存6個(gè)月后納米粒子樣品的穩(wěn)定性。由TEM觀察到Fe3O4納米粒子包覆于PAA納米水凝膠內(nèi)部;振動(dòng)樣品磁力儀(VSM)驗(yàn)證了PAA-Fe3O4納米粒子具有超順磁性，并測得飽和磁化強(qiáng)度

9、高達(dá)39.521emug-1。采用阿爾瑪藍(lán)法(AlarmaBlueAssay)及死/活細(xì)胞熒光染色法（Dead/Livefluorescentstaining）評估了PAA-Fe3O4納米粒子的體外細(xì)胞毒性，結(jié)果表明PAA-Fe3O4納米粒子對細(xì)胞的毒性很小，可忽略不計(jì)。最后，利用核磁共振(NMR)得到了樣品濃度與松弛速率(1/T2)的線性關(guān)系，結(jié)果表明PAA-Fe3O4納米粒子的加入能縮短弛豫時(shí)間T2。根據(jù)超順磁性四氧化三鐵磁共振成像

10、造影劑的工作原理，PAA-Fe3O4納米粒子可以發(fā)展成為新一代超順磁性磁共振成像造影劑。
　　 4.重氮卡賓改性超順磁性聚丙烯酸包覆四氧化三鐵納米粒子的初步研究
　　 采用重氮卡賓法(Diazocarbene)對PAA納米水凝膠進(jìn)行了化學(xué)表面改性，制備含有高反應(yīng)活性含氮官能團(tuán)(N-donor)的PAA納米水凝膠(PAA-Diazo)，并以PAA-Diazo納米水凝膠誘導(dǎo)原位合成了超順磁性四氧化三鐵納米粒子(PAA-Dia

11、zo-Fe3O4)。首先利用NMR、FTIR表征重氮卡賓前體的合成;再采用DLS、FTIR、ICP-AES、X射線光電子能譜(xPS)、VSM等手段對改性后的納米粒子相關(guān)性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，制備的PAA-Diazo-Fe3O4納米粒子具有良好的分散性，較高的鐵包覆量以及具有超順磁性。N-donor的引入一方面能和-COO共同吸引Fe2+進(jìn)入凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部合成Fe3O4納米粒子，另一方面，對今后研究進(jìn)一步靶向配體的生物耦合起到良好的促