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基于介孔二氧化硅的功能纳米复合材料的合成及其性能研究

杨舜  
【摘要】:介孔二氧化硅纳米材料(Mesoporous Silica,MSNs)因其独特的孔道结构、较大的比表面积和较好的生物相容性等优点,在吸附和医药载体方面有着广泛的应用。但是,单纯的二氧化硅材料功能比较单一,不能很好地满足其应用领域内特定的需求,如:药物释放的可控性、细胞造影功能及吸附选择性等,严重地限制了二氧化硅在实际生产、生活中的应用。因此,根据应用需求设计合成含功能基团的“智能型”聚合物,并与中空介孔二氧化硅复合,制备基于介孔二氧化硅材料的多功能纳米复合材料,成为了生物和环境等领域研究的热点和焦点。本论文以介孔二氧化硅为基底材料,采用较为简单易行的方法与功能性无机纳米粒子、有机小分子和功能性聚合物等复合,制备了一系列基于二氧化硅的“智能型”多功能纳米复合物,分别用于抗肿瘤药物的定向输送及控制释放,以及水体中有机污染物的去除。这类纳米复合物不仅可以用于药物的控制释放,有效提高药物利用效率,而且具备了荧光、磁性等特性,可以用于肿瘤的诊断及药物载体的示踪。另外,此类复合物还可以用于从水体中选择性地吸附-解吸附有机物小分子,在环境修复领域也有很好的应用前景。(1)通过自组装的方法将含叶酸靶向基团的pH-敏感两亲性聚合物(HAMAFA-b-DBAM)包裹在疏水性烷基链(C18)修饰的中空介孔二氧化硅纳米颗粒(HMS)表面。在自组装过程中加入疏水的超顺磁性四氧化三铁纳米粒子(SPIONPs),SPIONPs就会被固定在聚合物的疏水段与HMS之间。由于两亲性聚合物上接枝了叶酸(FA)基团,纳米复合物(HAMAFA-b-DBAM-coated DOX@HMS@C18@SPIONPs)可以靶向富集到叶酸受体高表达的肿瘤细胞内部。然后肿瘤细胞内部的弱酸性环境会刺激聚合物发生断裂,从而释放出负载在HMS内部的药物。由于纳米复合物内部包裹了SPIONPs,因此可以用磁共振造影来诊断肿瘤病灶部位以及药物的输送和释放情况。将二氧化硅与无机纳米粒子和聚合物进行复合,克服了纳米粒子的功能性比较单一的缺陷,为制备基于介孔二氧化硅的多功能纳米复合物材料作了良好的铺垫。(2)为了更好地实现药物的控制释放,我们进一步设计了比ph-敏感聚合物更可控的可见光敏感聚合物(hfmp)用以包裹介孔二氧化硅纳米粒子。同时,在自组装的过程中将荧光基团ritc引入复合体系中。纳米复合物(crhms@hfmp)在靶向进入叶酸受体高表达的肿瘤细胞内部后,经外界可见光照射,包裹在纳米粒子表面的聚合物发生降解,从而将负载在内核及介孔孔道中的药物释放出来。由于ritc荧光基团的存在,该纳米复合物还可以用于细胞内荧光造影。(3)在聚合物包裹中空介孔二氧化硅体系的基础上进一步引入上转换纳米粒子和光敏剂,设计合成了同时具备抗肿瘤药物的近红外光控释放、药物治疗及光动力学疗法等双重治疗效果的高效型纳米药物载体。首先合成了mn2+掺杂的上转换纳米粒子(ucnps),然后包裹一层介孔二氧化硅,并在表面修饰长烷基链c18和光敏剂二氢卟吩e6(ce-6),最后通过自组装方法将单线态氧(1o2)敏感的两亲性聚合物包裹在纳米粒子表面。在近红外光照射下,ucnps吸收(980nm)红外光并转化为红光(660nm),进一步激发ce-6产生1o2,刺激聚合物发生降解,释放负载在二氧化硅介孔孔道中的药物。多余的1o2也被释放出来,杀死周围的肿瘤细胞。本体系在近红外光控制药物释放的基础上引入了光动力学疗法,可以对癌症起到更好的治疗效果。基于介孔二氧化硅的纳米复合物不仅在医药载体领域有很好的应用,极大的比表面积和孔道容积也使此类材料在环境吸附等方面有很好的应用前景。(4)通过‘shipinabottle’的方法将疏水性的分子印迹聚合物(mip)引入到中空介孔二氧化硅纳米粒子的中空内核处。由于二氧化硅表面的硅羟基表现出的亲水性,纳米复合物可以很好地分散于水相中。另外,包裹在内部的mip可以通过hms的介孔孔道很好地识别并吸附水溶液中的模板有机小分子。合成的纳米复合物在环境、食品等领域都有着潜在的应用价值。(5)为了解决纳米复合物的循环使用以及有机小分子的原位降解问题,我们将温敏性功能聚合物引入到hms内核处,并将纳米复合物修饰到本身对有机小分子具有降解性的细菌表面。利用温敏性聚合物在温度改变下实现的吸附-解吸附性能和hms的介孔孔道,可以对水溶液中的有机小分子进行富集,从而提高了有机小分子在细菌周围的相对浓度,进而提高细菌生物降解有机物的效率。此种纳米复合物表现出较好的重复使用性,在处理水溶有机小分子污染废水方面有较好的应用前景。将介孔二氧化硅材料与功能性无机纳米粒子、有机小分子和聚合物复合制备智能型的纳米复合物,不仅可以用于靶向性的药物输送和控制释放,还可以用作造影剂诊断癌症以及示踪药物载体。另外纳米复合物还可以用于选择性的吸附富集水中的污染物,应用于环境修复领域。


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