CN106890335A - 一种基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器，通过给体与受体的作用，主体大环分子环糊精与客体分子形成了新型自包结络合物，利用咪唑基团的pH调控可以实现主体对客体的包结与释放，从而促使纳米容器吸附-释放分子。本发明智能纳米容器对pH响应灵敏度高，操作简便；通过阀门可逆性开关，实现阶段性可控释放，具有良好的应用前景。

Description

一种基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器
技术领域
本发明属于材料科学技术领域，特别是一种基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器。
背景技术
纳米容器是指具有纳米尺度的能储存-释放所需物质的材料。介孔二氧化硅微球具有包裹量大、表面易修饰及生物相容性好等优点，已作为理想的纳米容器应用于生物化学研究。随着超分子化学的深入研究，轮烷或准轮烷分子的修饰实现了介孔微球对分子的装载与释放。
在大多数研究体系中，受到外界刺激如pH、温度、氧化还原、酶和光照等，大环分子抛离，分子释放。但是这种体系不具备可逆性，只“开”不“关”，即大环抛离，不能再回到原来的位置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可重复利用的基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器，其结构如下：
其中，A表示纳米容器介孔二氧化硅纳米微球，B表示吸附分子对香豆酸或吉西他滨。
一种基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，制备介孔二氧化硅微球；
步骤2，将介孔二氧化硅微球与硅烷偶联剂于无水甲苯中进行无水无氧缩醇反应；
步骤3，将2-O-单炔丙基-β-环糊精和1H-咪唑-1-磺酰叠氮溶于无水N,N-二甲基甲酰胺进行点击反应得到2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-β-环糊精；
步骤4，在三苯基膦的催化下，步骤3获得的产物与碘于无水N,N-二甲基甲酰胺中反应得到2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-碘-6-脱氧-β-环糊精；
步骤5，步骤4获得的产物与叠氮化钠溶于无水N,N-二甲基甲酰胺中，反应得到2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-叠氮-6-脱氧-β-环糊精；
步骤6，步骤5获得的产物与三苯基膦溶于无水N,N-二甲基甲酰胺中，反应得到2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-氨基-6-脱氧-β-环糊精；
步骤7，步骤2与步骤6获得的产物于无水N,N-二甲基甲酰胺中进行反应；
步骤8，步骤7获得的产物经真空干燥后分散在含有吸附分子pH＝1±0.1的溶液中，吸附结束后将pH调至中性，得到所述的智能纳米容器。
优选地，步骤1中，所述的介孔二氧化硅微球为MCM-41。
优选地，步骤2中，所述的硅烷偶联剂为氯甲基三乙氧基硅烷，介孔二氧化硅微球与硅烷偶联剂的物质的量比为1:1～1.2:1。
优选地，步骤3中，所述点击反应采用的催化剂为亚磷酸三乙酯碘化亚铜，反应在氮气保护下进行，2-O-单炔丙基-β-环糊精和1H-咪唑-1-磺酰叠氮的物质的量比为1:1～1:1.2，点击反应温度为100～120℃，点击反应时间为3～5小时。
优选地，步骤4中，所述的三苯基膦、2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-β-环糊精与碘的物质的量比为20:1:20～20:2:20，反应温度为70～90℃，反应时间为18～20小时。
优选地，步骤5中，所述的2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-碘-6-脱氧-β-环糊精与叠氮化钠的物质的量比为1:10～1:20，反应温度为70～90℃，反应时间为18～20小时。
优选地，步骤6中，所述的2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-叠氮-6-脱氧-β-环糊精与三苯基膦的物质的量比为1:15～1:16，反应时间为18～20小时。
优选地，步骤7中，所述的反应温度为90～120℃，反应时间为12～24小时。
优选地，步骤8中，所述吸附分子为对香豆酸或吉西他滨，吸附分子在溶液中的浓度为饱和浓度，吸附时间为48小时。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)具有高度可控性，可根据所需释放量即时刺激响应；(2)具有操作简单方便，快速响应的优点；(3)应用范围广，可用于药物释放、金属缓蚀等领域。
附图说明
图1为本发明所述基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器的装配图。
图2为本发明所述基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器对香豆酸释放图。
图3为本发明所述基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器吉西他滨释放图。
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，本发明基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器，具有以下结构：
其中，A表示纳米容器，即为介孔二氧化硅纳米微球，B表示吸附分子，即为对香豆酸或吉西他滨。
本发明的原理是：如图1所示组装结构，在中性环境中，咪唑基团包结在环糊精疏水空腔中，与其形成自包结结构，纳米阀门关闭，吸附在介孔二氧化硅微球中的分子出入通道被堵塞；在酸性环境中，咪唑基团质子化，与环糊精结合力大大减弱，从而脱开环糊精空腔，此时纳米阀门打开，介孔二氧化硅微球中吸附的分子得到释放。
本发明一种基于环糊精的pH-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；所述的介孔二氧化硅微球为MCM-41。
步骤2，将介孔二氧化硅微球与硅烷偶联剂于无水甲苯中进行无水无氧缩醇反应；所述的硅烷偶联剂为氯甲基三乙氧基硅烷，介孔二氧化硅微球与硅烷偶联剂的物质的量比为1:1～1.2:1。
步骤3，将2-O-单炔丙基-β-环糊精和1H-咪唑-1-磺酰叠氮溶于无水N,N-二甲基甲酰胺进行点击反应得到2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-β-环糊精；所述点击反应采用的催化剂为亚磷酸三乙酯碘化亚铜，反应在氮气保护下进行，2-O-单炔丙基-β-环糊精和1H-咪唑-1-磺酰叠氮的物质的量比为1:1～1:1.2，点击反应温度为100～120℃，点击反应时间为3～5小时。
步骤4，在三苯基膦的催化下，步骤3获得的产物与碘于无水N,N-二甲基甲酰胺中反应得到2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-碘-6-脱氧-β-环糊精；所述的三苯基膦、2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-β-环糊精与碘的物质的量比为20:1:20～20:2:20，反应温度为70～90℃，反应时间为18～20小时。。
步骤5，步骤4获得的产物与叠氮化钠溶于无水N,N-二甲基甲酰胺中，反应得到2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-叠氮-6-脱氧-β-环糊精；所述的2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-碘-6-脱氧-β-环糊精与叠氮化钠的物质的量比为1:10～1:20，反应温度为70～90℃，反应时间为18～20小时。
步骤6，步骤5获得的产物与三苯基膦溶于无水N,N-二甲基甲酰胺中，反应得到2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-氨基-6-脱氧-β-环糊精；所述的2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-叠氮-6-脱氧-β-环糊精与三苯基膦的物质的量比为1:15～1:16，反应时间为18～20小时。
步骤7，步骤2与步骤6获得的产物于无水N,N-二甲基甲酰胺中进行反应；所述的反应温度为90～120℃，反应时间为12～24小时。
步骤8，步骤7获得的产物经真空干燥后分散在含有吸附分子对香豆酸或吉西他滨的饱和溶液中(采用盐酸调节溶液的pH＝1)，吸附48小时后将pH调至中性，得到上述一种基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器。
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
本发明一种基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器的制备方法，步骤如下：
1.制备介孔二氧化硅微球MCM-41
将十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，0.5g)，NaOH溶液(2mol/L，1.75mL)与H2O(240mL)混合，80℃下搅拌30min。逐滴加入正硅酸乙酯(TEOS，2.5mL)，充分搅拌10min后形成白色沉淀。80℃下搅拌2h，趁热过滤，用水和甲醇充分清洗产物，90℃下真空干燥。
称取0.3g干燥固体，超声分散于异丙醇(60mL)和浓盐酸(3mL)的混合溶液，加热回流6h，离心分离，用水和甲醇充分清洗，90℃下真空干燥得到介孔二氧化硅微球(MCM-41)。
2.介孔二氧化硅的表面修饰
将干燥后的MCM-41(200mg)超声分散在无水甲苯(10mL)中，逐滴加入氯甲基三乙氧基硅烷(200uL)，加热回流，搅拌反应24h，反应结束后固体粉末通过离心收集并用无水甲苯和甲醇清洗若干遍。60℃真空干燥过夜得白色粉末MSNs-Cl。
3.制备基于环糊精的纳米阀门
制备2-(O-炔丙基)-β-环糊精：将β-环糊精(0.881mmol)和氢化锂(1.322mmol)溶于无水二甲基亚砜中，在室温下氮气保护并搅拌反应12～24小时，然后加入炔丙基溴(0.881mmol)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(300mL)中，减压抽滤得到粗产物，以乙腈-水-氨水为流动相对粗产物进行柱层析分离得到产物。
制备2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-β-环糊精：将2-(O-炔丙基)-β-环糊精(300mg)和1H-咪唑-1-磺酰叠氮(100mg)溶于无水N,N-二甲基甲酰胺(10mL)中，加入少量催化剂亚磷酸三乙酯碘化亚铜，反应温度90～120℃，反应时间为3-5小时。
制备2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-碘-6-脱氧-β-环糊精：在三苯基膦(8.8mmol)的催化下，2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-β-环糊精(0.44mmol)与碘(8.8mmol)于无水N,N-二甲基甲酰胺(9mL)中70～90℃反应18～20小时得到产物。
制备2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-叠氮-6-脱氧-β-环糊精：2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-碘-6-脱氧-β-环糊精(0.157mmol)与叠氮化钠(1.538mmol)溶于无水N,N-二甲基甲酰胺(5mL)中，氮气保护下70～90℃搅拌反应18～20小时得到。
制备2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-氨基-6-脱氧-β-环糊精：2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-叠氮-6-脱氧-β-环糊精(0.153mmol)与三苯基膦(2.42mmol)溶于无水N,N-二甲基甲酰胺(4mL)中，氮气保护下搅拌1h，逐滴加入氨水(28％，2.25mL)，室温下搅拌18～20小时得到产物。
4.组装智能纳米容器
MSNs-Cl(200mg)与2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-氨基-6-脱氧-β-环糊精(0.05mol)溶于无水N,N-二甲基甲酰胺(10mL)中，100～110℃，搅拌反应12h，离心收集得到产物MSNs-CD。
将MSNs-CD(50mg)分散在饱和对香豆酸的盐酸溶液(pH＝1)中，室温下吸附搅拌48h，吸附结束后加入氢氧化钠溶液将pH调至中性，得到上述一种基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器MSNPs 1。
4.智能纳米容器的可控性释放
在石英比色皿中加入pH＝3.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液3.8mL，称取2.0mgMSNPs 1置于折成锥形的已活化的半透膜中，将半透膜尖端朝下放入比色皿中，确保所有MSNPs 1都浸于缓冲溶液液面以下，利用荧光分光光度计测其动力学变化(EX＝351nm，EM＝439nm)，如附图2所示，pH＝7时，基本达到“零释放”；pH＝3时，释放量达到68.42％。
实施例2
本发明一种基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器的制备方法，步骤如下：
1.制备介孔二氧化硅微球MCM-41
将十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，0.5g)，NaOH溶液(2mol/L，1.75mL)与H2O(240mL)混合，80℃下搅拌30min。逐滴加入正硅酸乙酯(TEOS，2.5mL)，充分搅拌10min后形成白色沉淀。80℃下搅拌2h，趁热过滤，用水和甲醇充分清洗产物，90℃下真空干燥。
称取0.3g干燥固体，超声分散于异丙醇(60mL)和浓盐酸(3mL)的混合溶液，加热回流6h，离心分离，用水和甲醇充分清洗，90℃下真空干燥得到介孔二氧化硅微球(MCM-41)。
2.介孔二氧化硅的表面修饰
将干燥后的MCM-41(200mg)超声分散在无水甲苯(10mL)中，逐滴加入氯甲基三乙氧基硅烷(200uL)，加热回流，搅拌反应24h，反应结束后固体粉末通过离心收集并用无水甲苯和甲醇清洗若干遍。60℃真空干燥过夜得白色粉末MSNs-Cl。
3.制备基于环糊精的纳米阀门
制备2-(O-炔丙基)-β-环糊精：将β-环糊精(0.881mmol)和氢化锂(1.322mmol)溶于无水二甲基亚砜中，在室温下氮气保护并搅拌反应12～24小时，然后加入炔丙基溴(0.881mmol)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(300mL)中，减压抽滤得到粗产物，以乙腈-水-氨水为流动相对粗产物进行柱层析分离得到产物。
制备2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-β-环糊精：将2-(O-炔丙基)-β-环糊精(300mg)和1H-咪唑-1-磺酰叠氮(100mg)溶于无水N,N-二甲基甲酰胺(10mL)中，加入少量催化剂亚磷酸三乙酯碘化亚铜，反应温度90～120℃，反应时间为3-5小时。
制备2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-碘-6-脱氧-β-环糊精：在三苯基膦(8.8mmol)的催化下，2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-β-环糊精(0.44mmol)与碘(8.8mmol)于无水N,N-二甲基甲酰胺(9mL)中70～90℃反应18～20小时得到产物。
制备2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-叠氮-6-脱氧-β-环糊精：2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-碘-6-脱氧-β-环糊精(0.157mmol)与叠氮化钠(1.538mmol)溶于无水N,N-二甲基甲酰胺(5mL)中，氮气保护下70～90℃搅拌反应18～20小时得到。
制备2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-氨基-6-脱氧-β-环糊精：2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-叠氮-6-脱氧-β-环糊精(0.153mmol)与三苯基膦(2.42mmol)溶于无水N,N-二甲基甲酰胺(4mL)中，氮气保护下搅拌1h，逐滴加入氨水(28％，2.25mL)，室温下搅拌18～20小时得到产物。
4.组装智能纳米容器
MSNs-Cl(200mg)与2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-氨基-6-脱氧-β-环糊精(0.05mol)溶于无水N,N-二甲基甲酰胺(10mL)中，100～110℃，搅拌反应12h，离心收集得到产物MSNs-CD。
将MSNs-CD(50mg)分散在饱和吉西他滨的盐酸溶液(pH＝1)中，室温下吸附搅拌48h，吸附结束后加入氢氧化钠溶液将pH调至中性，得到上述一种基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器MSNPs 2。
4.智能纳米容器的可控性释放
在石英比色皿中加入pH＝3.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液3.8mL，称取2.0mgMSNPs 2置于折成锥形的已活化的半透膜中，将半透膜尖端朝下放入比色皿中，确保所有MSNPs 2都浸于缓冲溶液液面以下，利用紫外分光光度计测其动力学变化(λmax＝267nm)，如附图3所示，pH＝7时，基本达到“零释放”；pH＝3时，释放量达到69.26％。

Claims (10)

1.一种基于环糊精的pH-刺激响应型智能纳米容器，其特征在于，结构如下：
其中，A表示纳米容器介孔二氧化硅纳米微球，B表示吸附分子对香豆酸或吉西他滨。
2.一种基于环糊精的pH-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，制备介孔二氧化硅微球；
步骤2，将介孔二氧化硅微球与硅烷偶联剂于无水甲苯中进行无水无氧缩醇反应；
步骤3，将2-O-单炔丙基-β-环糊精和1H-咪唑-1-磺酰叠氮溶于无水N,N-二甲基甲酰胺进行点击反应得到2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-β-环糊精；
步骤4，在三苯基膦的催化下，步骤3获得的产物与碘于无水N,N-二甲基甲酰胺中反应得到2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-碘-6-脱氧-β-环糊精；
步骤5，步骤4获得的产物与叠氮化钠溶于无水N,N-二甲基甲酰胺中，反应得到2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-叠氮-6-脱氧-β-环糊精；
步骤6，步骤5获得的产物与三苯基膦溶于无水N,N-二甲基甲酰胺中，反应得到2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-氨基-6-脱氧-β-环糊精；
步骤7，步骤2与步骤6获得的产物于无水N,N-二甲基甲酰胺中进行反应；
步骤8，步骤7获得的产物经真空干燥后分散在含有吸附分子pH＝1±0.1的溶液中，吸附结束后将pH调至中性，得到所述的智能纳米容器。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的介孔二氧化硅微球为MCM-41。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的硅烷偶联剂为氯甲基三乙氧基硅烷，介孔二氧化硅微球与硅烷偶联剂的物质的量比为1:1～1.2:1。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述点击反应采用的催化剂为亚磷酸三乙酯碘化亚铜，反应在氮气保护下进行，2-O-单炔丙基-β-环糊精和1H-咪唑-1-磺酰叠氮的物质的量比为1:1～1:1.2，点击反应温度为100～120℃，点击反应时间为3～5小时。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述的三苯基膦、2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-β-环糊精与碘的物质的量比为20:1:20～20:2:20，反应温度为70～90℃，反应时间为18～20小时。
7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤5中，所述的2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-碘-6-脱氧-β-环糊精与叠氮化钠的物质的量比为1:10～1:20，反应温度为70～90℃，反应时间为18～20小时。
8.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤6中，所述的2-O-单{1-(1H-咪唑-1-磺酰)-1H-[1,2,3]三唑-4-亚甲基}-七-6-叠氮-6-脱氧-β-环糊精与三苯基膦的物质的量比为1:15～1:16，反应时间为18～20小时。
9.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤7中，所述的反应温度为90～120℃，反应时间为12～24小时。
10.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤8中，所述吸附分子为对香豆酸或吉西他滨，吸附分子在溶液中的浓度为饱和浓度，吸附时间为48小时。
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