树状大分子辅助的金属纳米颗粒的合成、功能化及其生物医学应用

【摘要】：随着纳米技术的发展,越来越多的纳米颗粒显现潜在的生物医学应用前景。良好的稳定性和生物相容性是纳米颗粒是否可用于生物医学领域的重要指标。本课题旨在开发性能良好的纳米颗粒作为CT(computed tomography,计算机断层扫描)造影剂,探索其在癌症检测中的应用。以聚酰胺-胺树状大分子为载体,本文构建了多种树状大分子/金、银及其合金的有机/无机杂化纳米颗粒。利用树状大分子独特的三维结构和其表面的易修饰性,可以制备多功能化的纳米颗粒,以满足特定的应用需求。 在前期树状大分子/金、银纳米颗粒工作的基础上,本文探索了树状大分子/金-银合金纳米颗粒性质的可控性及其作为CT造影剂的可行性。在发现特定金/银摩尔比下可以得到纳米线结构后,本文进一步优化了纳米线的制备参数,并尝试制备功能化的纳米线结构。鉴于金纳米颗粒的优势,本文制备了多功能化的树状大分子/金纳米颗粒,用于体外和体内癌细胞靶向CT造影。为了降低造价,本文后期偏向于开发基于低代数树状大分子/金纳米颗粒的CT造影剂。本文的方法与结论如下所述： 1)以氨基末端第五代聚酰胺-胺树状大分子(G5.NH2)为模板或稳定剂,以硼氢化钠为还原剂,制备不同树状大分子/金/银摩尔比的金-银合金纳米颗粒。随后,对金-银合金纳米颗粒进行乙酰化处理,中和其表面电荷。产物合金纳米颗粒呈球形,具有可控的光学性质和尺寸。在恒定树状大分子/金属摩尔配比条件下,合金纳米颗粒的尺寸随着金含量的提高而降低。在同样金属组分条件下,乙酰化后合金纳米颗粒的尺寸略有增大。所得合金纳米颗粒显示良好的稳定性,并在乙酰化后表现出良好的细胞相容性。合金纳米颗粒的X-射线衰减系数依赖于其金属组分和表面修饰。随着组分中金含量的提高或是乙酰化的进行,合金纳米颗粒的X-射线衰减系数呈升高趋势。 2)以G5.NH2为稳定剂和还原剂,制备不同树状大分子/金/银摩尔比的金-银合金纳米颗粒。随着调控金/银投料比,纳米颗粒的形貌从球形进化为不规则多面体,进而为卷曲的线状。合金纳米颗粒的X-射线衰减系数依赖于其金属组分和表面修饰。随着组分中金含量的提高或是乙酰化的进行,其相应的X-射线衰减系数呈升高趋势。随后,系统研究各个实验参数,最终探索出制备形貌均一金纳米线(平均直径1.3nm,长度达微米级)的最优路线为：以第五代聚酰胺-胺树状大分子为稳定剂、树状大分子/金/银摩尔投料比1/15/5、反应温度40℃、反应时间48小时、反应体系为水相。这些参数会影响纳米线的横向生长和Ag+的还原速度。通过密度泛函理论计算和进一步的实验数据,本章提出了金纳米线的生长机理：Ag+的协同选择性吸附、还原和Au0的定向迁移。本章发展的制备方法对在水相中制备其它纳米线提供了一定的借鉴意义,并为功能化纳米线的制备奠定了坚实基础。 3)基于前一章的工作,本章期望制备具有靶向功能的纳米线结构。以G5.NH2为稳定剂,首先修饰靶向配体叶酸(folic acid,FA)或异硫氰酸酯荧光素(fluorescein isothiocyanate,FI),然后加入金盐、银盐,于恒温水浴中进行反应,最后进行乙酰化处理。令人惊奇的是,TEM结果显示制备得到的产物呈球形。所得合金纳米颗粒显示良好的稳定性,并在乙酰化后表现出良好的细胞相容性。研究发现,树状大分子的表面修饰会影响其在水相中的团聚状态,进而对合金纳米颗粒的形貌产生重要的影响。所得合金纳米颗粒表现出良好的体外癌细胞靶向吞噬能力和X-射线衰减性能,并且可作为探针,用于癌细胞的靶向CT造影。 4)为了制备具有肿瘤靶向CT造影功能的纳米探针,以G5.NH2为模板,通过表面修饰FI和乳糖酸(lactobionic acid,LA)-聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG),然后包裹金纳米颗粒,最后乙酰化制备得到多功能化的靶向CT造影剂(LA-Au DENPs)。制备得到的LA-Au DENPs具有优良的稳定性、细胞相容性、体外肝癌细胞靶向性能。X-射线衰减测试表明,LA-Au DENPs具有明显高于临床用CT造影剂碘海醇的CT值。更为重要的是,LA-Au DENPs做为探针,可以有效地在体外和体内对肝癌细胞进行靶向CT造影。 5)鉴于高代数树状大分子造价较高,开发基于低代数树状大分子的CT造影剂具有更好的应用前景。以氨基末端第二代聚酰胺-胺树状大分子(G2.NH2)为稳定剂,通过水热法制备金纳米颗粒,随后可通过FA和乙酰化对纳米颗粒表面进行功能化。通过优化树状大分子／金的摩尔投料比、反应时间及温度、修饰方法等实验参数,可制备得到具有良好稳定性和细胞相容性的金纳米颗粒。未FA修饰的纳米颗粒表现出与临床用CT造影剂碘海醇相近的体外X-射线衰减系数。FA修饰后,其表现出优于碘海醇的X-射线衰减系数。体内实验表明,所得金纳米颗粒具有良好的器官造影性能,远优于碘海醇。更重要的是,所得叶酸修饰的纳米颗粒表现出良好的体外和体内癌细胞靶向CT造影性能。 6)最后,以G2.NH2为载体,表面进行PEG化,然后通过硼氢化钠还原法制备金纳米颗粒。通过实验手段优化树状大分子／金摩尔比和反应时间等制备参数。制备得到的聚乙二醇化金纳米颗粒在表现出良好的稳定性。由于PEG的修饰,产物金纳米颗粒不需要进行乙酰化处理便可表现出良好的细胞相容性,在浓度3000nM的范围内不表现出明显的细胞毒性。聚乙二醇化金纳米颗粒具有明显高于临床用CT造影剂碘海醇的X-射线衰减系数。重要的是,所得产物纳米颗粒可对小鼠心脏、膀胱和肿瘤模型进行CT造影。