壳聚糖水凝胶诱导合成纳米Fe_3O_4及同心层状磁性水凝胶构建

【摘要】：Fe_3O_4纳米颗粒(Magnetite nanoparticles, MNP)作为纳米材料领域的重要成员,具有其它纳米颗粒所不具备的独特性能,如超顺磁性、磁场响应性、磁致生热效应和易通过人体内部生理屏障等。MNP的独特性能使其在靶向药物控制释放、癌症过热治疗、磁共振成像及生物活性物质的检测和分离等生物医学领域得到了广泛的应用。但目前MNP合成,尤其是多功能化(良好水溶性、生物相容性、荧光化和靶向特性等)MNP的合成仍然存在工艺繁琐,条件苛刻(较高温度和压力、需保护气氛、有机溶剂和有机表面活性剂等)的问题。水凝胶诱导无机合成为MNP的制备提供了新途径,而且水凝胶中反应扩散过程为构建有序结构的有机-无机纳米复合材料提供了便利条件。因此,系统研究壳聚糖水凝胶诱导合成MNP的规律及机制,提出壳聚糖水凝胶诱导合成MNP的新方法,丰富水凝胶诱导无机合成理论,并研究壳聚糖水凝胶中反应扩散过程,构建结构有序磁性壳聚糖水凝胶,具有重要的学术价值和实际应用。 基于以上研究背景,本文提出以壳聚糖-铁离子螯合物(CS-Fe(II,III))为前驱体,壳聚糖水凝胶诱导合成MNP的新方法;利用壳聚糖水凝胶中反应扩散过程构建同心层状磁性壳聚糖水凝胶(Concentric layered magnetic chitosan hydrogel, CL-MCS)。采用XRD、SEM、ESEM、TEM、Raman光谱、XPS和ICP等手段研究MNP和CL-MCS的微观组织结构与构建机理。探讨MNP标记MG-63细胞的可行性,以及CL-MCS的药物负载和磁场控制释放特性。 研究发现,离子组装法和原位杂化法均可在温和条件下(常温、常压、无保护气氛、非有机溶剂和非有机表面活性剂)实现壳聚糖水凝胶诱导合成MNP,且MNP表面原位包覆壳聚糖层。该壳聚糖原位包覆的MNP(CS-MNP)粒径约为10~30nm,具有超顺磁性,表面壳聚糖含量约30wt.%。pH值对合成CS-MNP的结晶度、形貌和饱和磁化强度起决定性作用。低pH值有利于获得高结晶度和高饱和磁化强度(Saturated Magnetization, Ms)的CS-MNP,pH=1.0时离子组装法和原位杂化法合成CS-MNP的Ms分别为51.6emu/g和55.5emu/g,达到块体Fe_3O_4的56%和60%。此外,通过调控pH值可实现球形、方形和菱形CS-MNP的合成。 通过CS-Fe(II,III)的形成与演化研究,阐述了壳聚糖水凝胶诱导合成CS-MNP的机理,丰富了水凝胶诱导无机合成理论。壳聚糖水凝胶吸附Fe(III)、Fe(II)形成CS-Fe(II,III)。吸附等温线研究表明,壳聚糖水凝胶对Fe(III)、Fe(II)的吸附均符合Langmuir理论,饱和吸附量C e分别为68.6mg/g和58.3mg/g,且吸附动力学研究表明该吸附过程皆为粒子内扩散控制,相同浓度下Fe(III)、Fe(II)的有效扩散系数接近。XRD、FTIR和XPS结果表明,CS-Fe(II,III)演化为CS-MNP的过程中,壳聚糖除提供反应介质外,被壳聚糖氨基和羟基螯合的铁离子为MNP提供形核位点,且氨基和羟基原位修饰MNP晶核并影响MNP的生长过程,实现了不同形貌CS-MNP的合成。 基于壳聚糖水凝胶中的反应扩散过程,采用间断碱处理方式,通过调控间断时间T实现了不同层数同心层状壳聚糖水凝胶(Concentric layered chitosan hydrogel, CL-CS)和同心层状磁性壳聚糖水凝胶(Concentric layered magnetic chitosan hydrogel, CL-MCS)的可控构建。CL-CS和CL-MCS的层数N与间断时间T具有如下关系: N = 76. 8T0.71和N = 79. 7T0.73。同心层状水凝胶中层位置Xn与反应时间平方根t 1/2具有线性关系,相邻层位置比为常数,与Liesegang ring现象的时间定律和空间定律一致。但是,同心层状结构构建机理有别于Liesegang ring现象。外电解质OH-与内电解质CS-NH3+反应并生成CS-NH2,CS-NH2并未立即形成层状壳聚糖沉淀而是以中间态的形式存在;间断碱处理方式引起壳聚糖水凝胶中COH-周期性分布,为层状壳聚糖沉淀的形成提供了可控的COH-变化,实现了CL-CS和CL-MCS的可控构建。 本文CS-MNP,以及基于CS-MNP合成的荧光化CS-MNP(FITC-CS-MNP)和聚丙烯酸-壳聚糖-四氧化三铁(AA-CS-MNP)纳米微球,在0~200mg/L剂量范围内对MG-63细胞不具有显著毒副作用,48h培养后细胞存活率均在80%以上。MG-63细胞通过巨胞饮(Macropinocytosis)机制实现CS-MNP和FITC-CS-MNP内吞,且细胞液、溶酶体、液泡和内质网均发现纳米颗粒的团聚体,巨胞饮内吞机制降低了纳米颗粒进入溶酶体并降解排出的可能性。采用盐酸多柔比星(Adriamycin,ADM)和利福平(Rafampicin,RFP)为模型药物,成功负载于MCS和CL-MCS,研究了MCS和CL-MCS的磁场控制药物释放特性,揭示了磁场和层状结构对药物释放的影响。MCS对水溶性药物ADM和脂溶性药物RFP均具有一定的缓释效果,且释放过程符合扩散-溶蚀模型。磁场可显著提高MCS中药物的释放速度,ADM和RFP的阶段释放量分别提高了31.9%和39.3%。CL-MCS层状结构增加了释放介质与CL-MCS的接触面积,促进药物的释放。