CN106474485B - 一种电压-刺激响应型智能纳米容器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压‑刺激响应型智能纳米容器及其制备方法，将介孔二氧化硅微球与含炔基的硅烷偶联剂在干燥过的甲苯中进行脱醇反应；制备2‑O‑单{1‑(二茂铁甲基)‑1H‑[1,2,3]三唑‑4‑甲基}‑七‑6‑叠氮‑6‑脱氧‑β‑环糊精；脱醇反应获得的产物经真空干燥后与2‑O‑单{1‑(二茂铁甲基)‑1H‑[1,2,3]三唑‑4‑甲基}‑七‑6‑叠氮‑6‑脱氧‑β‑环糊精在干燥后的N,N‑二甲基甲酰胺中进行点击化学反应生成五元环；获得的产物经真空干燥后分散在含有吸附分子的NaH₂PO₄/Na₂HPO₄的缓冲溶液中，进行取代反应得到所述的电压‑刺激响应型智能纳米容器。本发明智能纳米容器对电压灵敏度高，响应操作简便，能够实现阀门的自动开关，促使纳米容器内部吸附的分子释放，具有良好的应用前景。

Description

一种电压-刺激响应型智能纳米容器及其制备方法

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，特别是一种电压-刺激响应型智能纳米容器及其制备方法。

背景技术

近年来，刺激响应型智能纳米容器在控制药物运输和基因传递等领域受到了广泛的关注。作为一个智能纳米容器具有能在外界的某种刺激信号下做出反馈调节的能力，并且可以根据刺激信号的性质和强弱调整药物释放的时间、空间和剂量。智能给药系统能实现对药物的有效控制主要是由于载体中的分子组件在外界条件刺激下发生了水解、质子化、构象、亲水性和溶解度等性质变化。针对智能药物载体的刺激信号主要包括内源性刺激(pH值、氧化还原物质和酶浓度等)和外源性刺激(温度、光、磁场、超声和电压等)。具有缓释、控释和靶向释放功能的药物传递系统可以提高药物生物利用度并降低其毒副作用，然而这些功能往往需要借助智能载体才能实现。具有自组装能力的超分子实体是构筑具有特殊性能的智能药物载体的理想砌块。

在刺激响应方面，由于人类机体是一个十分复杂的体系，各个器官和组织会相互影响，内源性响应系统较难得到有效控制，而相对来说外源性响应系统更具有发展潜力。后者由于可操控性更强，通过外加刺激信号的“开-关”可以更有效的控制药物释放的时间、空间和剂量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种响应过程快、灵敏度高、操作性好的电压-刺激响应型智能纳米容器及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电压-刺激响应型智能纳米容器，其结构如下：

一种电压-刺激响应型智能纳米容器的制备方法，步骤如下：

步骤1，将介孔二氧化硅微球与含炔基的硅烷偶联剂在干燥过的甲苯中进行脱醇反应；

步骤2，将2-(O-炔丙基)-β-环糊精和叠氮甲基二茂铁溶于无水N,N-二甲基甲酰胺中进行点击化学反应生成五元环；

步骤3，将三苯基膦和碘溶于干燥后的N,N-二甲基甲酰胺中，缓慢加热到30～80℃时将步骤2获得的产物加入到溶液中并氮气保护，升温到30～80℃搅拌反应12～20小时，反应结束后，旋转蒸发除去N,N-二甲基甲酰胺，再在冰浴中加入甲醇钠的甲醇溶液，然后倒入甲醇中得沉淀，真空干燥得产物；

步骤4，步骤3获得的产物与叠氮化钠溶在N,N-二甲基甲酰胺中，升温到50～80℃搅拌反应12～20小时并氮气保护，反应结束后，旋转蒸发除去N,N-二甲基甲酰胺，加入水得到沉淀，离心洗涤得到产物；

步骤5，将步骤4获得的产物与步骤1获得的产物在干燥后的N,N-二甲基甲酰胺中进行点击化学反应生成五元环；

步骤6，步骤5获得的产物经真空干燥后分散在含有吸附分子的NaH₂PO₄/Na₂HPO₄的缓冲溶液中，得到所述的电压-刺激响应智能纳米容器。

优选地，步骤1中，所述的介孔二氧化硅微球为MCM-41；所述的含炔基的硅烷偶联剂为丙-2-炔-1-基(3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基)氨基甲酸叔丁酯。

优选地，步骤1中，所述的脱醇反应在氮气保护下进行，其中介孔二氧化硅微球与含炔基的硅烷偶联剂的质量比为(1～2):1，含炔基的硅烷偶联剂在甲苯中的浓度为6～20μg/mL。

优选地，步骤2中，所述的点击化反应所用的催化剂为三乙氧基膦碘化亚铜，反应温度为90～120℃，反应时间为3-5小时。

优选地，步骤5中，所述的点击化反应所用的催化剂为三乙氧基膦碘化亚铜，反应温度为90～120℃，反应时间为12-24小时。

优选地，步骤6中，所述的吸附分子为吉西他滨，NaH₂PO₄/Na₂HPO₄缓冲溶液中的pH＝7.4。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)具有操作简单方便，快速响应的优点；(2)具有响应过程简单、灵敏度高、应用范围广泛的优点；(3)超分子阀门具有生物相溶性，无毒，降解，无酸性分解物产生的优点；(4)可用于药物释放领域。

附图说明

图1为本发明所述电压-刺激响应智能纳米容器的释放效果原理图。

图2为本发明所述电压-刺激响应智能纳米容器在紫外光谱仪下测试的释放曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本发明做进一步详细说明。

结合图1，本发明电压-刺激响应型智能纳米容器，具有以下结构：

其中，A表示中空球体，即为介孔二氧化硅纳米微球，B表示吸附分子，即为药物分子吉西他滨。

本发明的原理是：β-环糊精是一类典型的超分子主体单元，它可以和二茂铁或其衍生物发生自发的主-客体嵌套作用，形成1∶1的包合物，这种包络作用可以通过电压的方式解除。即通入正电压时，二茂铁分子被氧化后产生一个单位的正电荷，从环糊精空腔中解离出来；而当施加负电压时，二茂铁分子又会被还原，再次进入环糊精的空腔中。

本发明电压-刺激响应型智能纳米容器，采用下述方法制备所得，步骤如下：

步骤1，制备介孔二氧化硅微球；所述介孔二氧化硅微球为MCM-41。

步骤2，将干燥后介孔二氧化硅微球与含炔基的硅烷偶联剂在干燥过的甲苯中进行脱醇反应；所述含炔基的硅烷偶联剂为丙-2-炔-1-基(3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基)氨基甲酸叔丁酯。所述脱醇反应在氮气保护下进行，其中介孔二氧化硅纳米颗粒与含炔基的硅烷偶联剂的质量比为(1～2):1，含炔基的硅烷偶联剂在甲苯中的浓度为6～20μg/mL。

步骤3，制备2-(O-炔丙基)-β-环糊精：将β-环糊精和氢化锂溶于二甲亚砜中，在常温下氮气保护并搅拌反应24小时，然后加入炔丙基溴化镁和碘化锂，避光反应5小时，反应结束后将反应液倒入丙酮溶液中，减压抽滤得到粗产物，用乙腈、水、氨水对粗产物进行柱层析分离得到产物；所述β-环糊精与炔丙基溴化镁的摩尔比为1:1。

步骤4，制备叠氮甲基二茂铁：将二茂铁甲醇与叠氮钠溶于冰醋酸溶液中进行反应，反应结束后将反应液倒入二氯甲烷，先后用饱和碳酸氢钠和水洗涤，最后用无水硫酸钠干燥，过滤掉无水硫酸钠进行真空干燥得到叠氮甲基二茂铁；所述反应在氮气保护下进行，反应温度为50～70℃，反应时间为3～5小时。

步骤5，2-(O-炔丙基)-β-环糊精和叠氮甲基二茂铁溶于无水N,N-二甲基甲酰胺中进行点击化学反应生成五元环；所述点击化反应所用的催化剂为三乙氧基膦碘化亚铜，反应温度为90～120℃，反应时间为3-5小时。

步骤6，将三苯基膦和碘溶于干燥后的N,N-二甲基甲酰胺中，缓慢加热到50～100℃时将步骤5获得的产物加入到溶液中并氮气保护，升温到50～120℃搅拌反应10～24小时，反应结束后，将N,N-二甲基甲酰胺旋转蒸发出去，再在冰浴中加入甲醇钠的甲醇溶液，然后倒入甲醇中得沉淀，真空干燥得产物。

步骤7，步骤6获得的产物与叠氮化钠溶在N,N-二甲基甲酰胺中，升温到50～120℃搅拌反应10～24小时并氮气保护，反应结束后，将N,N-二甲基甲酰胺旋转蒸发出去，再加入一定量的水得到沉淀，离心洗涤得到产物。

步骤8，将步骤7获得的产物与步骤2获得的产物在干燥后的N,N-二甲基甲酰胺中进行点击化学反应生成五元环；所述点击化反应所用的催化剂为三乙氧基膦碘化亚铜，反应温度为90～120℃，反应时间为12-24小时。

步骤9，步骤8获得的产物经真空干燥后分散在含有吸附分子的NaH₂PO₄/Na₂HPO₄的缓冲溶液中，得到最终产品电压-刺激响应智能纳米容器；所述吸附分子为吉西他滨，且NaH₂PO₄/Na₂HPO₄缓冲溶液的pH＝7.4，浓度为5～10mg/ml。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本发明电压-刺激响应型智能纳米容器的制备方法，步骤如下：

步骤1，制备介孔二氧化硅微球MCM-41，并将所得的介孔二氧化硅微球真空干燥；介孔二氧化硅微球MCM-41的制备过程如下：

将1.0g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(AETAC)溶解于390ml的去离子水中，加入40g苯乙烯，室温下机械搅拌30min,随后将温度升至90℃，N₂脱气30min后，加入2,2’-偶氮二异丁基脒二盐酸盐(V-50，10wt％,10ml)，在N₂保护，90℃反应24h,得到PS球。

将0.8g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，29g H₂O，12g乙醇，1ml氨水混合成均相溶液，室温剧烈搅拌下，逐滴加入10gPS(～9％)。滴加完毕后，超声振荡15min，随后，用注射泵向混合液中滴加入4.0g原硅酸四乙酯(TEOS)，滴加完后，在室温下反应48h。反应结束后，离心分离，收集固体，乙醇清洗三次，固体真空干燥。然后，将得到的固体以3℃/min的升温速率在550℃下煅烧8h以去除介孔剂CTAB。将得到的0.5g固体样品分散在含有4g HCl的无水乙醇中，50℃下反应5h，反应后离心分离，固体分散在50ml的四氢呋喃(THF)中反应过夜，最后离心分离得到固体，用甲醇清洗数次，50℃真空干燥得到介孔二氧化硅微球(MSNs)。

步骤2，将200mg干燥后介孔二氧化硅微球与100ul含炔基的硅烷偶联剂APTS在15ml干燥过的甲苯中进行脱醇反应；所述含炔基的硅烷偶联剂为丙-2-炔-1-基(3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基)氨基甲酸叔丁酯。所述脱醇反应在氮气保护下进行，其中介孔二氧化硅纳米颗粒与含炔基的硅烷偶联剂的质量比为2:1，含炔基的硅烷偶联剂在甲苯中的浓度为6.67μg/mL。

步骤3，制备2-(O-炔丙基)-β-环糊精：将0.881mmolβ-环糊精和1.322mmol氢化锂溶于二甲亚砜中，在常温下氮气保护并搅拌反应12～24小时，然后加入0.881mmol炔丙基溴和少量碘化锂，避光反应5～12小时，反应结束后将反应液倒入丙酮溶液中，减压抽滤得到粗产物，用乙腈、水、氨水对粗产物进行柱层析分离得到产物；所述β-环糊精与炔丙基溴化镁的摩尔比为1:1。

步骤4，制备叠氮甲基二茂铁：将0.231mmol二茂铁甲醇与1.39mmol叠氮钠溶于3ml冰醋酸溶液中进行反应，反应结束后将反应液倒入二氯甲烷溶液中，先后用饱和碳酸氢钠和水洗涤，最后用无水硫酸钠干燥，过滤掉无水硫酸钠进行真空干燥得到叠氮甲基二茂铁；所述反应在氮气保护下进行，反应温度为50～70℃，反应时间为3～5小时。

步骤5，将300mg 2-(O-炔丙基)-β-环糊精和68mg叠氮甲基二茂铁溶于10ml无水N,N-二甲基甲酰胺中进行点击化学反应生成五元环；所述点击化反应所用的催化剂为三乙氧基膦碘化亚铜，反应温度为90～120℃，反应时间为3-5小时。

步骤6，将2.308g三苯基膦和2.234g碘溶于9ml干燥后的N,N-二甲基甲酰胺中，缓慢加热到50℃时将0.622g步骤5获得的产物加入到溶液中并氮气保护，升温到70℃搅拌反应18小时，反应结束后，将N,N-二甲基甲酰胺旋转蒸发出去，再在冰浴中加入甲醇钠的甲醇溶液，然后倒入甲醇中得沉淀，真空干燥得产物。

步骤7，将0.334g步骤6获得的产物与0.2g叠氮化钠溶在5mlN,N-二甲基甲酰胺中，升温到60℃搅拌反应20小时并氮气保护，反应结束后，将N,N-二甲基甲酰胺旋转蒸发出去，再加入50ml水得到沉淀，离心洗涤得到产物。

步骤8，将步骤7获得的产物与步骤2获得的产物在干燥后的N,N-二甲基甲酰胺中进行点击化学反应生成五元环；所述点击化反应所用的催化剂为三乙氧基膦碘化亚铜，反应温度为90～120℃，反应时间为24小时。

步骤9，步骤8获得的产物经真空干燥后分散在含有吸附分子的NaH₂PO₄/Na₂HPO₄的缓冲溶液中，得到所述的电压-刺激响应智能纳米容器；所述吸附分子为吉西他滨，且NaH₂PO₄/Na₂HPO₄缓冲溶液的pH＝7.4，浓度为5mg/ml。

吉西他滨的可控性释放

为了研究在中性下中空介孔二氧化硅纳米容器的释放效果，本专利进行了如下实验：通过紫外光谱在267nm处检测纳米容器的释放曲线：准确称取5mg的吉西他滨负载，将步骤9所得的固体置于透析膜中，再将带有产物的透析膜放在顶部密封的比色皿中，这样可阻止固体分散在溶液中。准确量取4ml PBS＝7的缓冲溶液加入上述比色皿中，保证透析膜中的固体能够被溶液完全浸湿。通过接入正电压，来实现纳米容器中吉西他滨分子的释放，最后得到吉西他滨浓度与时间的关系曲线图2。

实施例2

本发明电压-刺激响应型智能纳米容器的制备方法，步骤如下：

步骤1，制备介孔二氧化硅微球MCM-41，并将所得的介孔二氧化硅微球真空干燥；介孔二氧化硅微球MCM-41的制备过程如实施例1的步骤1。

步骤2，将200mg干燥后介孔二氧化硅微球与80ul含炔基的硅烷偶联剂APTS在10ml干燥过的甲苯中进行脱醇反应；所述含炔基的硅烷偶联剂为丙-2-炔-1-基(3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基)氨基甲酸叔丁酯。所述脱醇反应在氮气保护下进行，其中介孔二氧化硅纳米颗粒与含炔基的硅烷偶联剂的质量比为2.5:1，含炔基的硅烷偶联剂在甲苯中的浓度为8μg/mL。

步骤3，将300mg 2-(O-炔丙基)-β-环糊精和68mg叠氮甲基二茂铁溶于10ml无水N,N-二甲基甲酰胺中进行点击化学反应生成五元环；所述点击化反应所用的催化剂为三乙氧基膦碘化亚铜，反应温度为90～120℃，反应时间为3-5小时。

步骤4，将2.308g三苯基膦和2.234g碘溶于9ml干燥后的N,N-二甲基甲酰胺中，缓慢加热到50℃时将0.622g步骤5获得的产物加入到溶液中并氮气保护，升温到50～120℃搅拌反应12～24小时，反应结束后，将N,N-二甲基甲酰胺旋转蒸发出去，再在冰浴中加入甲醇钠的甲醇溶液，然后倒入甲醇中得沉淀，真空干燥得产物。

步骤5，将0.334g步骤6获得的产物与0.2g叠氮化钠溶在5mlN,N-二甲基甲酰胺中，升温到60～120℃搅拌反应12～24小时并氮气保护，反应结束后，将N,N-二甲基甲酰胺旋转蒸发出,，再加入50ml水得到沉淀，离心洗涤得到产物。

步骤6，将步骤7获得的产物与步骤2获得的产物在干燥后的N,N-二甲基甲酰胺中进行点击化学反应生成五元环；所述点击化反应所用的催化剂为三乙氧基膦碘化亚铜，反应温度为80～120℃，反应时间为10～24小时。

步骤7，步骤8获得的产物经真空干燥后分散在含有吸附分子的NaH₂PO₄/Na₂HPO₄的缓冲溶液中，得到所述的电压-刺激响应智能纳米容器；所述吸附分子为吉西他滨，且NaH₂PO₄/Na₂HPO₄缓冲溶液的pH＝7.4，浓度为10mg/ml。

如图2，表示组装后的智能纳米容器在不同情况下的释放效果，a表示未加正电压情况下的释放情况，b表示智能纳米容器施加正电压后的释放效果。

在未施加正电压情况下，二茂铁属于被环糊精包结的状态，这样小分子就无法从里面跑出来；当施加正电压后，由于二茂铁被氧化，导致分子间作用力改变，最后使得二茂铁被打开，离开环糊精，从而小分子可以通过环糊精通道释放出去，达到控制开关的作用。

Claims (8)

1.一种电压-刺激响应型智能纳米容器，其特征在于，其结构如下：

由如下步骤制备：

步骤1，将介孔二氧化硅微球与含炔基的硅烷偶联剂在干燥过的甲苯中进行脱醇反应；

步骤2，将2-(O-炔丙基)-β-环糊精和叠氮甲基二茂铁溶于无水N,N-二甲基甲酰胺中进行点击化学反应生成五元环；

步骤3，将三苯基膦和碘溶于干燥后的N,N-二甲基甲酰胺中，缓慢加热到30～80℃时将步骤2获得的产物加入到溶液中并氮气保护，升温到30～80℃搅拌反应12～20小时，反应结束后，旋转蒸发除去N,N-二甲基甲酰胺，再在冰浴中加入甲醇钠的甲醇溶液，然后倒入甲醇中得沉淀，真空干燥得产物；

步骤4，步骤3获得的产物与叠氮化钠溶在N,N-二甲基甲酰胺中，升温到50～80℃搅拌反应12～20小时并氮气保护，反应结束后，旋转蒸发除去N,N-二甲基甲酰胺，加入水得到沉淀，离心洗涤得到产物；

步骤5，将步骤4获得的产物与步骤1获得的产物在干燥后的N,N-二甲基甲酰胺中进行点击化学反应生成五元环；

步骤6，步骤5获得的产物经真空干燥后分散在含有吸附分子的NaH₂PO₄/Na₂HPO₄的缓冲溶液中，得到所述的电压-刺激响应智能纳米容器。

2.一种如权利要求1所述的电压-刺激响应型智能纳米容器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将介孔二氧化硅微球与含炔基的硅烷偶联剂在干燥过的甲苯中进行脱醇反应；

步骤2，将2-(O-炔丙基)-β-环糊精和叠氮甲基二茂铁溶于无水N,N-二甲基甲酰胺中进行点击化学反应生成五元环；

步骤3，将三苯基膦和碘溶于干燥后的N,N-二甲基甲酰胺中，缓慢加热到30～80℃时将步骤2获得的产物加入到溶液中并氮气保护，升温到30～80℃搅拌反应12～20小时，反应结束后，旋转蒸发除去N,N-二甲基甲酰胺，再在冰浴中加入甲醇钠的甲醇溶液，然后倒入甲醇中得沉淀，真空干燥得产物；

步骤4，步骤3获得的产物与叠氮化钠溶在N,N-二甲基甲酰胺中，升温到50～80℃搅拌反应12～20小时并氮气保护，反应结束后，旋转蒸发除去N,N-二甲基甲酰胺，加入水得到沉淀，离心洗涤得到产物；

步骤5，将步骤4获得的产物与步骤1获得的产物在干燥后的N,N-二甲基甲酰胺中进行点击化学反应生成五元环；

步骤6，步骤5获得的产物经真空干燥后分散在含有吸附分子的NaH₂PO₄/Na₂HPO₄的缓冲溶液中，得到所述的电压-刺激响应智能纳米容器。

3.如权利要求2所述的电压-刺激响应型智能纳米容器的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的介孔二氧化硅微球为MCM-41；所述的含炔基的硅烷偶联剂为丙-2-炔-1-基(3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基)氨基甲酸叔丁酯。

4.如权利要求2所述的电压-刺激响应型智能纳米容器的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的脱醇反应在氮气保护下进行，其中介孔二氧化硅微球与含炔基的硅烷偶联剂的质量比为(1～2):1，含炔基的硅烷偶联剂在甲苯中的浓度为6～20μg/mL。

5.如权利要求2所述的电压-刺激响应型智能纳米容器的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的点击化学反应所用的催化剂为三乙氧基膦碘化亚铜，反应温度为90～120℃，反应时间为3-5小时。

6.如权利要求2所述的电压-刺激响应型智能纳米容器的制备方法，其特征在于，步骤5中，所述的点击化学反应所用的催化剂为三乙氧基膦碘化亚铜，反应温度为90～120℃，反应时间为12-24小时。

7.如权利要求2所述的电压-刺激响应型智能纳米容器的制备方法，其特征在于，步骤6中，所述的吸附分子为吉西他滨。

8.如权利要求2所述的电压-刺激响应型智能纳米容器的制备方法，其特征在于，步骤6中，NaH₂PO₄/Na₂HPO₄缓冲溶液中的pH＝7.4。