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《山东大学》 2015年
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纳米材料亲疏水性的实验测定与计算预测

李淑焕  
【摘要】:纳米材料是区别于本体材料的一种新型材料,许多物质当尺寸达到纳米级别的时候,就会产生独特的物理化学性质,这使得纳米材料具备了一些常规材料所没有的特殊用途,纳米材料被誉为21世纪最有前途的新型材料。纳米科技的发展使纳米材料被广泛的应用于诸多领域,尤其是在生物医学领域,纳米材料更是发挥着不可替代的作用。由于纳米材料的小尺寸效应,它具有很好的细胞通透性。对纳米材料进行特定的表面修饰和药物的包裹,不仅可以延长药物在体内的循环时间,还可以被细胞表面的受体所识别,从而实现药物的靶向运输和在细胞内的有效释放,达到较好的治疗效果。另外,由于纳米材料具有较大的比表面积,可以吸附较多的分子,所以功能化的纳米材料在与某些病变特异的生物分子发生相互作用时,可以使得反应过程中的信号被放大,提高灵敏度,通过体外仪器的检测实现某些疾病的早期诊断,预防和治疗。然而,诸多因素会影响纳米材料的应用。纳米材料进入生物体后,其活性不仅会受到所处生物环境的影响(酸度、离子强度等),还会受到存在于血液循环系统中的生物分子的干扰(由于静电,疏水作用的存在,它们可能会吸附在纳米材料的表面)和纳米材料性质的影响。由于生物体所处的生物环境和血液循环系统中的生物分子很难被人为的改变和控制,所以,研究并调控既具有生物兼容性又具有特定生物活性的纳米材料是促进其在生物医药领域应用的关键。研究已经证实,纳米材料的大小,形状和表面粗糙度,都会影响纳米材料与生物分子之间的相互作用。除此以外,纳米材料的表面电荷、表面亲疏水性、π键、氢键给体与受体和空间结构,也是非常重要的影响因素。其中,纳米材料的亲疏水性是影响纳米材料与生物系统相互作用的重要因素之一,了解影响纳米材料亲疏水性的因素,揭示它们之间的关系,对纳米材料的亲疏水性进行调控,能够有效干预纳米材料与生物系统的相互作用。纳米材料的表面配体是影响纳米材料亲疏水性的一个重要因素。为了研究纳米材料的亲疏水性与其表面配体结构的关系,本研究选取了低毒性、生物兼容较好、易于进行表面修饰的金纳米颗粒做为研究模型,合成了42个不同结构的小分子配体,对金纳米进行表面修饰,得到了包含42个不同表面功能化修饰的金纳米阵列1(GNP1-42)。通过摇瓶法对这些纳米材料的亲疏水性进行实验测定来研究纳米材料亲疏水性与表面配体结构之间的关系,并结合传统的理论计算方法-基团贡献法(Traditonal GCA)对表面配体的LogP进行预测。结果显示,理论计算得到的表面配体的LogP(KLogP1)和实验测定的纳米材料的LogP (ELogP)存在明显的差距。这可能是因为在实际溶液中,金纳米颗粒表面的配体都被束缚在金核的周围,并不能像游离的小分子一样可以自由运动,并且配体中离核较近的原子或基团会受到外端原子或者基团的影响,不能与溶剂分子有效的接触,因而在理论计算中用整个分子进行计算是不合理的。为了验证这一推测,我们又用纳米材料表面配体的最外端和次外端进行了计算,结果显示,根据配体最外端所得到的计算结果(KLogP3)与配体次外端(KlogP2)和整个配体分子的计算结果(KlogPl)相比,更加接近纳米材料实际测定的LogP(ELogP),这说明纳米材料的ELogP主要受其表面配体外端结构的影响。由于在Traditonal GCA模型中,每个原子或者基团都被同等对待,并没有考虑到位阻效应,用于预测表面修饰纳米材料的亲疏水性具有一定的局限性。为了充分考虑到纳米材料表面配体外端结构可能对内部结构的位阻效应和实验中所用的溶剂水分子的大小,我们建立了一种新的计算方法,Nano-GCA (nano-group contribution approach),该方法揭示了离金核越近的原子或基团,对LogP的贡献就越小。根据这种方法,计算得到的LogP (KLogP by Nano-GCA)与KLogP3相比,得到了进一步的改善。虽然用Nano-GCA对金纳米阵列1的LogP的预测比Traditional GCA的KLogP3 (R2=0.32)有了明显改善,但是预测效果(R2=0.51)依然不理想,这可能是因为在预测的过程中,没有充分考虑到金纳米颗粒表面配体密度对LogP的影响,因为表面配体密度也会影响配体分子中原子或基团与溶剂分子的有效接触。为了进一步了解纳米材料表面配体密度对LogP的影响,并对以上Nano-GCA模型进行验证,我们设计并合成了一个新的金纳米阵列2(GNP43-49),与单配体修饰的金纳米阵列1相比,金纳米阵列2选择了相对比较复杂的双配体修饰,亲水性配体A(LogP=0.84)和疏水性配体B(LogP=5.83)。合成中通过调节两种配体的相对比例,采用硼氢化钠还原法,得到了金纳米阵列2。通过碘切法和HPLC/UV/MS对金纳米阵列2的表面配体进行定量分析,证实得到了一个表面亲疏水性配体数目连续变化的阵列,并采用摇瓶法实验测定了GNP43-49的LogP。结果发现,从GNP43到GNP49,随着纳米材料表面亲水性配体A数目的逐渐减少和疏水性配体B数目的逐渐增多,纳米材料的LogP也呈现递增的趋势。因此,通过调节纳米材料表面配体的相对比例,可以控制纳米材料的LogP的变化。为了进一步研究纳米材料LogP与其表面配体结构之间的关系,我们分别采用了Traditonal-GCA和Nano-GCA两种计算方法,结果显示,Traditonal-GCA计算方法与实验测定值有着明显的差距,不能用来合理地预测纳米材料的LogP。在Nano-GCA计算方法模型中,由于考虑到纳米材料表面配体密度(Dj)可能对LogP产生的影响,因此将Dj引入计算模型,成功地预测了纳米材料的LogP(R2=0.96)。所以,在用Nano-GCA对纳米材料的LogP进行预测时,Dj是一个不可忽略的重要因素。准确预测纳米材料的LogP对其在生物医药领域的应用具有着重要的指导意义。为了证明纳米材料的LogP对其生物效应的影响,我们利用LogP连续变化的金纳米阵列2(GNP43-49),研究了LogP对细胞毒性的影响。我们选择了PMA刺激的人单核细胞,THP-1细胞为细胞模型,研究了细胞对GNP43-49的摄入及纳米材料的细胞毒性。结果显示,疏水性强的金纳米材料更倾向于被巨噬细胞所吞噬并引起更强的生物毒性。这可能是因为细胞膜中磷脂双分子层的存在,使得疏水性强的纳米材料更容易透过细胞膜。综上所述,我们发现,金纳米材料的LogP主要由其表面配体的外端结构决定,在此基础上建立的Nano-GCA预测方法,可以对纳米材料的LogP进行准确的预测。在该计算过程中,纳米材料的Dj是一个不容忽视的影响因素。在巨噬细胞中,不同LogP的纳米材料会引起不同的细胞摄入和毒性,疏水性强的更容易被巨噬细胞所摄入和引起更大的细胞毒性。本课题的研究结果将有助于对新型纳米材料LogP的预测,更加有效地促进具有特定生物活性纳米材料的设计、合成和应用。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TB383.1

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