CN107982542A - 一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法 - Google Patents

一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，属于生物技术与医药领域。步骤如下：首先，在碳二亚胺盐酸盐和N‑羟基琥珀酰亚胺的催化作用下，将甲氧基聚乙二醇羧基的羧基与阿霉素的氨基进行接枝，得到接枝产物聚乙二醇‑酰胺‑阿霉素PEG‑ami‑DOX。然后，利用阿霉素与纳米氧化石墨烯的π‑π共轭作用，将PEG‑ami‑DOX通过非共价键结合到纳米氧化石墨烯的表面上，将PEG间接的锚定在NGO上，得到新型复合药物PEG‑ami‑DOX/NGO。本发明的反应条件温和，步骤简单，不需要对NGO进行化学修饰，仅需要简单的物理修饰，药物载体的载药量大于100％，具有良好的应用前景。

Description

一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备 方法
技术领域
本发明涉及一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，属于生物技术与医药领域。
背景技术
癌症是严重影响居民健康的危险因素之一，近十年来全球范围内癌症呈持续增长态势，位居死亡第一位。癌症不仅给患者家庭和社会带来沉重负担，也对公共安全和社会稳定造成影响。我国癌症发病近十年来呈上升态势，每年增加约4％，调整年龄因素之后，每年增长约2％。目前我国癌症高发的主要因素是人口老龄化，其他致癌因素中也包括空气环境污染、饮食不健康、身体缺乏锻炼、肥胖、吸烟等。随着我国人口老龄化趋势加剧、以及不良生活方式广泛存在，我国癌症发病和死亡率还将不断上升，因此防治任务异常艰巨。
化学治疗是目前临床治疗肿瘤的主要手段之一。阿霉素(Doxorubicin，DOX)是一种广谱非周期特异性抗肿瘤药物，对各种生长周期的肿瘤细胞都有杀灭作用，大量临床研究证明，其对乳腺癌、白血病、多发性骨髓瘤、睾丸癌、恶性淋巴瘤、肝癌、甲状腺癌等多种肿瘤都具有很好的疗效，对胃肠癌、食道癌、软组织肉瘤、颈部肿瘤、支气管肺癌亦有一定疗效。自上市以来，阿霉素已经与其它药物联合应用形成了多种肿瘤的标准治疗方法。但其毒副作用突出，主要表现为：抑制骨髓增殖，导致蓄积性心脏毒性，甚至造成心力衰竭。因此，如何提高阿霉素体内分布的特异性，增强其化疗疗效，同时尽量减少其毒副作用便成为亟待解决的问题。
石墨烯是一种新型的具有单原子层厚度的二维结构碳纳米材料，它是世界上已知的最薄的纳米材料。原始石墨烯片层是疏水的，经过氧化以后得到氧化石墨烯(Graphenneoxide，GO)，GO表面会形成大量的含氧基团如羧基、羟基、环氧基等，从而使氧化石墨烯具有了一定的水溶性。研究表明，GO能够通过π-π共轭、疏水作用高效负载小分子药物，对某些大分子药物，如DNA、RNA、蛋白质也有负载作用，并且由于GO的超高比表面，其载药量远远高于其他药物载体。氧化石墨烯作为一种新型的纳米药物载体，具有以下优点：①价格低廉；②比表面积大；③亲水性好；④低毒或无毒；⑤可增强药物靶向性。因此，GO具有发展成为优良的生物医用材料的潜力。但是GO的生物相容性和生理稳定性较差，无法直接作为药物载体。目前，常用聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG)对GO进行化学修饰，但是其过程繁琐，需要进行化学反应，并且效果也不尽如人意。
本发明将甲氧基聚乙二醇羧基((CH3O-(CH2CH2O)n-COOH，PEG-COOH)的羧基和阿霉素(DOX)的氨基进行接枝，得到接枝产物：聚乙二醇-酰胺-阿霉素(PEG-ami-DOX)，同时利用阿霉素与氧化石墨烯的π-π共轭将PEG-ami-DOX以非共价键结合在纳米氧化石墨烯(Nano-oxidized graphene，NGO)上，得到新型复合药物PEG-ami-DOX/NGO。该复合药物增加NGO的亲水性与生物相容性，NGO具有很高的阿霉素载药量，从而大大提高药物的传递效率。当该纳米给药系统进入细胞后，在溶酶体的酸性条件下，DOX发生质子化，水溶性增加，促使DOX从NGO快速的释放，迅速发挥药效。
发明内容
为了解决现有技术中纳米氧化石墨烯给药系统的生物相容性差与亲水性差的问题，本发明提供了一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案：
一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，该给药系统的构建如下：首先，在碳二亚胺盐酸盐(EDCI)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)的催化作用下，将甲氧基聚乙二醇羧基(CH3O-(CH2CH2O)n-COOH，PEG-COOH)的羧基与阿霉素DOX的氨基进行接枝，得到接枝产物聚乙二醇-酰胺-阿霉素PEG-ami-DOX。然后，利用阿霉素与纳米氧化石墨烯NGO的π-π共轭作用，将PEG-ami-DOX通过非共价键结合到纳米氧化石墨烯的表面上，得到新型复合药物PEG-ami-DOX/NGO。
上述纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，包括以下步骤：
(1)聚乙二醇接枝阿霉素制备聚乙二醇-酰胺-阿霉素PEG-ami-DOX
室温下将不同分子量的反应物甲氧基聚乙二醇羧基(PEG-COOH)与EDCI、NHS溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超声使其完全溶解后，在磁力搅拌器下反应0.5～1.5h得到反应液；将DOX加入到DMF溶液中，并且缓慢加入三乙胺TEA；将该溶液加入到上述得到反应液中，并于室温避光搅拌反应24h。反应完成后，将反应液装在透析袋中，并在蒸馏水中进行透析，将透析液取出冷冻干燥，即可得到目标产物PEG-ami-DOX。目标化合物为红色粉末状，根据核磁共振氢谱计算相应的接枝率。目标产物的验证由核磁共振氢谱(1H-NMR)和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)进行表征。
所述的PEG-COOH与EDCI物质的量比分别为1：1.5～2.5；所述的PEG-COOH与NHS的物质的量比1：2.5～3.5；所述的PEG-COOH与DOX的物质的量之比为1：1～2；所述的TEA与DOX的物质的量之比为1:0.5～2；所述的PEG-COOH在DMF溶液中的浓度范围为10～20mg/mL；所述的DOX在DMF溶液中的浓度范围为0.5～3mol/L。所述的PEG-COOH包括分子量为2000的PEG2K-COOH、分子量为5000的PEG5K-COOH或分子量为20000的PEG20K-COOH。
(2)通过改进的Hummer’s方法制备纳米氧化石墨烯NGO
室温下，将多层氧化石墨烯加入反应容器中，再向其中加入质量百分数为95％～98％的浓H2SO4，每10mL浓硫酸中加入0.4～0.5g的多层氧化石墨烯，磁力搅拌使二者充分混合；将反应容器置于冰水浴中继续搅拌，待反应容器中的混合液温度降到10℃以下后，采用少量多次的办法开始缓慢的向体系中加入高锰酸钾固体，高锰酸钾固体添加过程中控制反应体系的温度为0～20℃，加入完毕后，继续在冰水浴中搅拌05～1.0h；将反应体系升温至32～38℃再反应1.5～2.5h；第一次加入去离子水后，将反应体系移入温度为90～105℃的油浴中，反应1～2h；第二次加入去离子水，待温度恒定后，超声1h；加入一定质量分数为30％的过氧化氢溶液，充分搅拌，反应液变为亮黄色，继续反应20～40min；加入浓度为8～12.5mol/L的NaOH溶液调节反应体系的pH至6.5～7；最后采用在纯水中透析纯化样品，每天换水3～5次。经冷冻干燥得到粉末状的纳米氧化石墨烯，将其放在4℃冰箱保存备用。
所述的多层氧化石墨烯与高锰酸钾的质量比为1:2.5～3.5。所述的第一次和第二次加入的去离子水与浓硫酸的体积关系为：每10mL浓硫酸对应的第一次加入的去离子水为20～25mL，第二次加入的去离子水为65～75mL。所述的过氧化氢溶液与高锰酸钾固体粉末的比例关系为：每1g高锰酸钾对应加入0.8～0.85mL质量分数为30％的过氧化氢溶液。
(3)制备负载阿霉素DOX的纳米氧化石墨烯DOX/NGO
室温下，将DOX水溶液与NGO水溶液按3：1的质量比混合后，超声处理0.5～1h后，避光搅拌12～16h。混合液于8000～13000r/min下高速离心5～15min，反复进行离心水洗，除去游离的盐酸阿霉素，并将下层沉淀重新溶于水中，即得到负载阿霉素的纳米氧化石墨烯DOX/NGO。所述的DOX水溶液的质量浓度范围为1～5mg/mL。所述的NGO水溶液的质量浓度范围为0.5～1mg/mL。
取反复离心水洗的上清液，通过紫外－可见分光光度计在483nm处测量其吸光度，并结合事先绘制好的阿霉素的标准曲线，确定上清液的浓度，计算出DOX在NGO上的单位负载量。单位负载量计算可依据下式：
载药量(mg/mg)＝(DOX总质量－DOX未被负载质量)*100％/NGO质量
(4)以纳米氧化石墨烯为载体，负载接枝阿霉素的聚乙二醇制备得到新型复合药物PEG-ami-DOX/NGO
将PEG-ami-DOX溶液与NGO水溶液混合，并避光搅拌24～48h后，8000～13000r/min下高速离心5～15min，反复进行离心水洗，除去未被负载的PEG-ami-DOX，并将下层沉淀重新溶于水中，制备得到PEG-ami-DOX/NGO。PEG-ami-DOX溶液与NGO水溶液混合按照DOX的当量质量与NGO的一定质量浓度进行配比。所述的PEG-ami-DOX溶液中DOX的当量质量浓度范围为1～5mg/mL，所述的NGO水溶液中的NGO质量浓度范围为0.5～1mg/mL。所述的PEG-ami-DOX溶液中的溶剂为DMF或水。
通过紫外－可见分光光度计在505nm处测量其吸光度，并结合事先绘制好的PEG-ami-DOX的标准曲线，确定上清液中PEG-ami-DOX的浓度与DOX的当量浓度，计算出DOX在NGO上的单位负载量。单位负载量计算可依据下式：
载药量(mg/mg)＝(DOX当量质量－DOX当量未被负载质量)*100％/NGO质量
本发明的有益效果为：PEG-ami-DOX/NGO的载药量高于100wt％，远远高于其他传统药物载体；在聚乙二醇的修饰下，PEG-ami-DOX/NGO的生理稳定性和亲水性均得以改善，药物传递效率大大提高。新型复合药物具有pH敏感性，在肿瘤组织、溶酶体中，能够快速释药，发挥药效。此外载体还具有近红外(Near Infrared Ray，NIR)敏感性，在NIR照射下，载体能够更有效的杀死细胞，并且对正常组织几乎无伤害。本发明的反应条件温和，步骤简单，不需要对NGO进行化学修饰，仅需要简单的物理修饰，药物载体的载药量大于100％，具有良好的应用前景。
附图说明
图1(a)为PEG2k-ami-DOX的红外光谱图；图1(b)为PEG5k-ami-DOX的红外光谱图；图1(c)为PEG20k-ami-DOX的红外光谱图；
图2(a)为PEG2k-ami-DOX的核磁共振氢谱图；图2(b)为PEG5k-ami-DOX的核磁共振氢谱图；图2(c)为PEG20k-ami-DOX的核磁共振氢谱图；
图3(a)为PEG2k-COOH的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱图；图3(b)为PEG2k-ami-DOX的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱图；图3(c)为PEG5K-COOH的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱图；图3(d)为PEG5k-ami-DOX的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱图；图3(e)为PEG20K-COOH的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱图；图3(f)为PEG20k-ami-DOX的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱图；
图4(a)为NGO的红外光谱图；图4(b)为DOX的红外光谱图；图4(c)为DOX/NGO的红外光谱图；图4(d)为PEG2k-ami-DOX/NGO的红外光谱图；图4(e)为PEG5k-ami-DOX/NGO的红外光谱图；图4(f)为PEG20k-ami-DOX/NGO的红外光谱图；
图5为NGO的透射电镜图；
图6为PEG2k-ami-DOX/NGO的透射电镜图；
图7为PEG5k-ami-DOX/NGO的透射电镜图；
图8为PEG20k-ami-DOX/NGO的透射电镜图；
图9(a)为DOX/NGO的体外药物释放图；图9(b)为PEG2k-ami-DOX/NGO的体外药物释放图；图9(c)为PEG5k-ami-DOX/NGO的体外药物释放图；图9(d)为PEG20k-ami-DOX/NGO的体外药物释放图；
图10(a)为NIR照射后，DOX/NGO的体外药物释放图；图10(b)为NIR照射后，PEG2k-ami-DOX/NGO的体外药物释放图；图10(c)为NIR照射后，PEG5k-ami-DOX/NGO的体外药物释放图；图10(d)为NIR照射后，PEG20k-ami-DOX/NGO的体外药物释放图；
图11(a)为NGO对Hela细胞毒性图；图11(b)为DOX、DOX/NGO和PEG-ami-DOX/NGO对Hela细胞毒性图；
图12(a)为NIR照射后，NGO对HeLa细胞毒性图；图12(b)为NIR照射后，DOX、DOX/NGO和PEG-ami-DOX/NGO对HeLa细胞毒性图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例，进一步说明本发明的具体实施方案。
除非另外说明，本文中的术语“纳米氧化石墨烯”指的是由Hummer’s法制备所得，在附图中以缩写“NGO”表示。除非另外说明，本文中的术语“阿霉素”指的是盐酸阿霉素，为蒽环类广谱抗生素阿霉素(doxorubicin)的盐酸盐，在附图中以缩写“DOX”表示。除非另外说明，本文中的术语“DOX/NGO”指的是使用上述纳米氧化石墨烯为载体，负载阿霉素所形成的复合药物，在附图中以缩写“DOX/NGO”表示。除非另外说明，本文中的术语“PEG-ami-DOX/NGO”指的是PEC-COOH成功接枝DOX，并以纳米氧化石墨烯为载体，得到的新型复合药物，在附图中以“PEG-ami-DOX/NGO”(即PEG2K-ami-DOX/NGO、PEG5K-ami-DOX/NGO或者PEG20K-ami-DOX/NGO)表示。
实施例1
一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，包括以下步骤：
第一步，聚乙二醇接枝阿霉素制备PEG-ami-DOX
室温下将100mg PEG-COOH与EDCI(PEG-COOH：EDCI＝1：1.5，molar ratio)，NHS(PEG-COOH：NHS＝1：2.5，molar ratio)溶于5mL DMF并超声至其全溶，在磁力搅拌器下反应0.5h；在DOX(PEG-COOH：DOX＝1：1，molar ratio)的10mL DMF溶液中，缓慢加TEA，并将该混合液加入到上述反应液中，于室温避光搅拌反应24h。反应完成后，用透析袋在蒸馏水中进行透析，将透析液取出冷冻干燥，即可得到目标产物：PEG-ami-DOX。目标化合物为红色粉末状，并根据核磁共振氢谱计算相应的接枝率。目标产物的验证由核磁共振氢谱(1H-NMR)和MALDI-TOF-MS进行表征。
PEG-ami-DOX的表征如下：
本发明采用傅里叶变换红外光谱(Fourier transformed infrared ray,FTIR,IRTracer-100，日本)对PEG-ami-DOX的官能团进行测定。将测试样品在60℃下充分干燥12h，采用KBr 压片法，取2mg待测样品与200mg KBr在红外灯照射下研细混匀，置于模具中在4×108Pa压力下抽真空压成薄片，其分辨率为4cm-1，扫描次数为45次，扫描范围为4000～400cm-1。以下所有红外光谱图的实验步骤均与与该实施例同。
本发明取5mg PEG-ami-DOX样品置于5mm核磁管中，加入0.5mL氘代二甲基亚砜(CD3SOCD3)为溶剂，用核磁共振仪(AVANCE-3 500MHz，瑞士)测定其1H-NMR。
本发明取3mg样品用MALDI-TOF-MS(MALDI micro MX，美国)对PEG-COOH及其接枝产物PEG-ami-DOX的分子量大小进行测定。
由该实施例所得的PEG2k-ami-DOX、PEG5k-ami-DOX、PEG20k-ami-DOX的FTIR、1H-NMR和MALDI-TOF-MS分别对应于图1(a)、1(b)、1(c)，图2(a)、2(b)、2(c)，和图3(a)、3(b)、3(c)所示。
PEG-ami-DOX的红外光谱显示酰胺键的特征峰位置为1654cm-1左右，以上三种不同分子量(分别对应于图中的1(a)PEG2K-ami-DOX、1(b)PEG5K-ami-DOX与1(c)PEG20K-ami-DOX)的PEG-ami-DOX均有体现，即验证了PEG-COOH成功接枝DOX。
对于三种不同分子量(分别对应于图中的2(a)PEG2K-ami-DOX、2(b)PEG5K-ami-DOX与2(c)PEG20K-ami-DOX)的PEG-ami-DOX的核磁共振氢谱，阿霉素的特征峰对于图中的d，e，f和a，PEG骨架对应图中的c，亦验证了PEG-COOH成功接枝DOX。
对于三种不同分子量(分别对应于图中的3(a)PEG2K-ami-DOX、3(b)PEG5K-ami-DOX与3(c)PEG20K-ami-DOX)的PEG-ami-DOX的MALDI-TOF-MS可得对PEG-COOH与PEG-ami-DOX，其分子量差544。恰好是DOX的分子量的大小，验证了PEG-COOH成功接枝DOX。
第二步，制备PEG-ami-DOX/NGO
1)NGO的制备与表征
改进的Hummer’s方法制备纳米氧化石墨烯(NGO)
首先称取0.5g多层氧化石墨烯加入250mL三颈圆底烧瓶中，再向其中加入11.5mL的浓H2SO4(质量分数为98％)，以磁搅拌使二者充分混合；将此三颈圆底烧瓶移入冰水浴中继续搅拌，待混合液温度降到10℃以下后，采用少量多次的办法开始缓慢的向体系中加入固体高锰酸钾1.5g，通过控制加入速度使混合液的温度始终保持在20℃以下，加入完毕后，继续于冰水浴中搅拌30min；将反应体系升温到35℃再反应2h；向圆底烧瓶中加入23mL蒸馏水后反应体系温度迅速升高，将反应体系移入95℃油浴中；再向体系中倾入35mL蒸馏水，并超声1h。向反应体系加入1.25mL的质量分数为30％过氧化氢溶液，反应液变为亮黄色，继续反应30min；向反应液中加入浓度为8mol/L的NaOH，调节pH值至6.5～7，如果反应液出现混浊，加入5％HCl使溶液澄清，然后在纯水中透析，每天换水3次，至反应液呈近中性。冷冻干燥法得到NGO固体粉末。
NGO的表征如下：
本发明采用傅里叶红外变换光谱(IRTracer-100，日本)对NGO的官能团进行测定。测试结果如图4(a)所示。
本发明采用透射电镜(JEOL 1010，日本)测试NGO的粒径。将制备的0.05mg/mL的NGO分散液采用2％的磷钨酸进行负染，滴一滴在铜网上，待其晾干后进行测试。测试结果如图5(a)所示。以下所有透射电镜的实验步骤均与该实施例同。
2)NGO/DOX的制备与表征
室温下，将DOX与NGO以一定质量比混合，即4mg DOX溶于2mL去离子水中，2mgNGO溶于2mL去离子水中，将二者的水溶液混合并超声1h。室温避光搅拌12h后，反应液在8000r/min下高速离心10min，取上清液，反复离心水洗，直至上清液无色，通过紫外－可见分光光度计在483nm处测量其吸光度，并利用事先绘制好的DOX的标准曲线，确定上清液的浓度，并将离心后的的下层沉淀重新分散在去离子水中。根据上清液的浓度与载药量的计算公式求出DOX在NGO上的单位负载量。
DOX/NGO的表征如下：
由该实施例所得的DOX/NGO的红外光谱图如图4(c)所示。
第三步，PEG-ami-DOX/NGO的制备与表征
将PEG-ami-DOX按照DOX的当量质量与NGO的质量浓度比为2：1进行反应，并室温避光搅拌24h。反应液于8000r/min下高速离心10min，取上清液，通过紫外－可见分光光度计在505nm处测量其吸光度，并结合事先绘制好的PEG-ami-DOX/NGO的标准曲线，确定上清液的浓度及对应阿霉素的当量浓度，计算出DOX在NGO上的单位负载量。复合物能够更有效的将DOX传递至细胞中，提高药物的细胞毒性。此外，NGO具有近红外线响应性，用NIR照射后，PEG-ami-DOX/NGO能够更有效的杀死肿瘤细胞。同时，新型复合药物还具有pH响应性，在低pH环境中，如肿瘤组织、溶酶体中，DOX发生质子化，水溶性增加，DOX从NGO快速释放，发挥药效。
PEG-ami-DOX/NGO的表征如下：由该实施例所得的PEG2k-ami-DOX/NGO、PEG5k-ami-DOX/NGO、PEG20k-ami-DOX/NGO红外光谱图如4(d)，4(e)，4(f)所示。PEG2k-ami-DOX/NGO、PEG5k-ami-DOX/NGO、PEG20k-ami-DOX/NGO的透射电镜图如图6，图7，图8所示。由红外光谱图4(a)可观察到，3423cm-1处为O-H的伸缩振动峰，2854cm-1处为C-H的伸缩振动峰，1721cm-1处为-COOH中C＝O的伸缩振动峰，与NGO的特征吸收峰吻合。图4(b)为DOX的红外光谱图，显示3331cm-1处为O-H的伸缩振动峰，2978、2933和2846cm-1处均为DOX的C-H伸缩振动峰，1728cm-1处为C＝O的伸缩振动峰，而1616-991cm-1处的峰为不同醌基和酮基基团的吸收峰。图4(c)为复合药物DOX/GO的红外光谱图，1633-991cm-1处的峰为DOX的吸收峰，由此可确定复合药物中存在DOX。同时O-H峰和C＝O峰发生偏移，验证O-H峰和C＝O峰进行了结合，表明NGO和DOX之间依靠分子间氢键作用而结合。红外光谱图4(d)、4(e)与4(f)显示：PEG2k-ami-DOX/NGO、PEG5k-ami-DOX/NGO、PEG20k-ami-DOX/NGO分别对应3313cm-1，3475cm-1，3514cm-1的位置，为O-H的伸缩吸收峰，与NGO的O-H相比发生了明显的偏移。同时在1579cm-1，1647cm-1，1651cm-1对应酰胺键-NH-C＝O的特征吸收峰，与PEG-ami-DOX的酰胺键特征吸收峰相比也发生了偏移。该图表明本发明的新型复合药物的成功制备。
从透射电镜图5中可看出，透射电镜图观察到NGO为薄片，且横向尺寸为40nm左右。由透射电镜图6，图7，图8可得PEG2k-ami-DOX/NGO、PEG5k-ami-DOX/NGO、PEG20k-ami-DOX/NGO的平均粒径约50nm左右。
对比例1
(1)聚乙二醇接枝阿霉素制备PEG-ami-DOX，具体步骤与实施例1相同。
(2)通过改进的Hummer’s方法制备纳米氧化石墨烯(NGO)，具体步骤与实施例1相同。
(3)负载阿霉素的纳米氧化石墨烯复合物(DOX/NGO)，具体步骤与实施例1相同。
(4)PEG-ami-DOX/NGO的制备，具体步骤与实施例1相同。
实施例1制备得到的产品的性能测试
1)DOX/NGO与PEG-ami-DOX/NGO的体外药物释放实验
DOX能否在合适条件下从DOX/NGO与PEG-ami-DOX/NGO中有效释放，是其能否具有良好抗肿瘤作用的关键。将1mL，50ug/mL(DOX的当量浓度)的DOX/NGO或者PEG-ami-DOX/NGO样品分别装入透析袋中，然后分别放入pH为5.3，7.4的100mL PBS缓冲液的烧杯中。将烧杯置于摇床中，维持转速为100rpm，在温度为37℃的条件下进行药物释放试验。定时量取2mL烧杯中的溶液测量药物的累积释放量，为保证总体积不变，每次再相应地补加2mL PBS缓存液，待释药一段时间后，样品经荧光酶标仪检测(λex＝480nm，λem＝587nm)后，根据事先绘制好的DOX的荧光标准曲线计算出DOX的释药量。以时间为横坐标，以DOX的累积释放量为纵坐标，绘制DOX/NGO与PEG-ami-DOX/NGO在不同pH磷酸盐缓冲溶液中的释药曲线。具体释药情况如图9(a)DOX/NGO；9(b)PEG2k-ami-DOX/NGO；9(c)PEG5k-ami-DOX/NGO；9(d)PEG20k-ami-DOX/NGO。
2)NIR照射下的药物释放
此外，在1)的基础上，本发明在0、1、2、3、4、6、8、12、24、36h这几个时间点使用808nm近红外激光0.8w/cm2的功率照射分散液10min，然后检测在DOX从DOX/NGO或者PEG-ami-DOX/NGO上的释放情况并绘制释药曲线。具体释药情况如图10(a)、图10(b)、图10(c)、图10(d)。
图9表明阿霉素前药PEG-ami-DOX/NGO，DOX/NGO的释放性能均具有良好的pH依赖性的药物释放能力。从图中可以清晰地看出在pH为5.3时,阿霉素前药PEG-ami-DOX/NGO，DOX/NGO释放的阿霉素逐渐增多,释放速率也明显加快。而在pH为7.4时,前药PEG-ami-DOX/NGO，DOX/NGOX缓慢的释放DOX,这些释放特性符合我们的设计与预期：在正常生理条件下具有缓释效果，即相对比较稳定，在弱酸性环境下释放速度加快，有利于抗肿瘤治疗。且可观察到经过聚乙二醇修饰的新型复合药物无论在生理条件下还是弱酸条件下，其累积释放率均高于未进行修饰的复合药物DOX/NGO。
图10表明在近红外激光的照射下，48h后的复合药物的累积释放率要高于未进行照射的累积释放率，说明本发明制备的新型复合药物具有一定的光热治疗效果。这主要是由于NGO在808nm近红外光照射下具有高效的光热转换能力,能够在较短的时间内到达局部高温,削弱了DOX与NGO之间的非共价键结合力，使得DOX从其两种前药中释放更多。
因为DOX在低pH值下具有亲水性增加，并且DOX含有NH2基，所以DOX在酸性条件下与水的结合能力大于中性条件下。故在pH值为5.3的条件下释放量较大，较为容易，从而可以达到药物治疗肿瘤的效果。
3)前体药物体外细胞毒性评价
将待测的各种药物按设定浓度溶于蒸馏水中，将宫颈癌细胞HeLa接种于96孔板中，密度为5×103个细胞/孔，培养24h后分别加入0.01，0.1，0.5，1，5，10，30，50ug/mL(均为阿霉素的当量浓度)的DOX、DOX/NGO、PEG-ami-DOX/NGO(其中不含血清的培养液为空白对照)；孵育48h后加入20uL MTT继续孵育4h，弃去培养液，用100uL DMSO重新溶解紫色结晶，用酶标仪于492nm下读取OD值，并绘制细胞存活率曲线图，按公式计算细胞生长抑制率。细胞生长抑制率的计算课依据下式：
细胞生长抑制率(％)＝[1－(试验组OD值/空白对照组OD值)]×100％
为评价载体的生物相容性，进行了NGO对HeLa细胞的毒性实验。其中，NGO的浓度为0.1，1，5，10，50，100，300，500ug/mL，其余步骤同上。
该实施例对应的结果为图11。具体为11(a)NGO；11(b)DOX、DOX/NGO和PEG-ami-DOX/NGO。
4)NIR照射下前体药物体外细胞毒性评价
此外，本发明还评价了近红外激光照射下(808nm，能量密度为0.8w/cm2，照射时长为3min，照射距离为2mm)载体或复合药物的细胞毒性。结果如图12所示。具体为12(a)NGO；12(b)DOX、DOX/NGO和PEG-ami-DOX/NGO。
由图11(a)可得载体NGO在0.1～300ug/mL均是无毒的，因其细胞活性都是大于80％的。当NGO的浓度达到500ug/mL时，其细胞活性才比较低。即本发明的载体在使用范围内基本无毒。图11(b)表明DOX、DOX/NGO和PEG-ami-DOX/NGO对HeLa细胞的细胞毒性具有一定剂量依赖性，细胞毒性与DOX、DOX/NGO和PEG-ami-DOX/NGO浓度呈正相关关系。表明经过聚乙二醇修饰后的所形成的新型复合药物PEG-ami-DOX/NGO的亲水性增加，能将更多的DOX传递至细胞中，其细胞毒性相对于与DOX/NGO来说更加明显，符合本发明的预期效果。
图12(a)表明近红外照射下，NGO对HeLa细胞具有一定的毒性。图12(b)表明近红外照射下，PEG-ami-DOX/NGO对HeLa细胞的毒性作用相对于无近红外照射下进一步加强。这是由于NGO在808nm有很长的吸收峰，具有高效光热转换的能力，在0.8w/cm2的近红外激光照射下，随着照射时间的增长，阿霉素前药DOX/NGO、PEG-ami-DOX/NGO的温度不断升高，局部产生过高热。细胞在热疗后，细胞环境pH值快速降低，癌细胞耐热能力下降。酸性环境激活溶酶体，破坏细胞膜，抑制细胞内的合成功能，使得肿瘤细胞功能受损，促进细胞死亡。
实施例2
第一步，聚乙二醇接枝阿霉素制备PEG-ami-DOX
室温下将100mg PEG-COOH与EDCI(PEG-COOH：EDCI＝1：2.5，molar ratio)，NHS(PEG-COOH：NHS＝1：3.5，molar ratio)溶于5mL DMF并超声至其全溶，在磁力搅拌器下反应1h；在DOX(PEG-COOH：DOX＝1：1，molar ratio)的DMF溶液10mL中，缓慢加TEA，并将该混合液加入到上述反应液中，于室温避光搅拌反应48h。反应完成后，用透析袋在蒸馏水中进行透析，将透析液取出冷冻干燥，即可得到目标产物：PEG-ami-DOX。目标化合物为红色粉末状，并根据核磁共振氢谱计算相应的接枝率。目标产物的验证由核磁共振氢谱(1H-NMR)和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)进行表征。
第二步，制备PEG-ami-DOX/NGO
1)NGO的制备
改进的Hummer’s方法制备纳米氧化石墨烯(NGO)
首先称取0.5g多层氧化石墨烯加入250mL三颈圆底烧瓶中，再向其中加入11.9mL的浓H2SO4(质量分数为95％)，以磁搅拌使二者充分混合；将此三颈圆底烧瓶移入冰水浴中继续搅拌，待混合液温度降到10℃以下后，采用少量多次的办法开始缓慢的向体系中加入固体高锰酸钾1.7g，通过控制加入速度使混合液的温度始终保持在20℃以下，加入完毕后，继续于冰水浴中搅拌40min；将反应体系升温到35℃再反应2h；向圆底烧瓶中加入25mL蒸馏水后反应体系温度迅速升高，将反应体系移入95℃油浴中；再向体系中倾入40mL蒸馏水，并超声1h。向反应体系加入1.25mL的质量分数为30％过氧化氢溶液，反应液变为亮黄色，继续反应30min；向反应液中加入浓度为12.5mol/L的NaOH，调节pH值至6.5～7，如果反应液出现混浊，加入5％HCl使溶液澄清，然后在纯水中透析，每天换水3次，至反应液呈近中性。冷冻干燥法得到纳米氧化石墨烯固体粉末。
2)NGO/DOX的制备
室温下，将DOX与NGO以一定质量比混合，即10mgDOX溶于3mL去离子水中，6mgNGO溶于2mL去离子水中，将二者的水溶液混合并超声1h。室温避光搅拌16h后，反应液在13000r/min下高速离心5min，取上清液，反复离心水洗，直至上清液无色，通过紫外－可见分光光度计在483nm处测量其吸光度，并利用事先绘制好的DOX的标准曲线，确定上清液的浓度，并将离心后的的下层沉淀重新分散在去离子水中。根据上清液的浓度与载药量的计算公式求出DOX在NGO上的单位负载量。
第三步，PEG-ami-DOX/NGO的制备
将PEG-ami-DOX按照DOX的当量质量与NGO的质量浓度比为3：1进行反应，并室温避光搅拌24h。反应液于8000r/min下高速离心10min，取上清液，通过紫外－可见分光光度计在505nm处测量其吸光度，并结合事先绘制好的PEG-ami-DOX的标准曲线，确定上清液的浓度及对应DOX的当量浓度，计算出DOX在NGO上的单位负载量。
实施例3
第一步，聚乙二醇接枝阿霉素的制备PEG-ami-DOX
室温下将100mg PEG-COOH与EDCI(PEG-COOH：EDCI＝1：2.5，molar ratio)，NHS(PEG-COOH：NHS＝1：3.5，molar ratio)溶于8mL DMF并超声至其全溶，在磁力搅拌器下反应1h；在DOX(PEG-COOH：DOX＝1：1，molar ratio)的15mL DMF溶液中，缓慢加TEA，并将该混合液加入到上述反应液中，于室温避光搅拌反应24h。反应完成后，用透析袋在蒸馏水中进行透析，将透析液取出冷冻干燥，即可得到目标产物：PEG-ami-DOX。目标化合物为红色粉末状，并根据核磁共振氢谱计算相应的接枝率。目标产物的验证由核磁共振氢谱(1H-NMR)和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)进行表征。
第二步，制备PEG-ami-DOX/NGO
1)NGO的制备
改进的Hummer’s方法制备纳米氧化石墨烯(NGO)
首先称取1g多层氧化石墨烯加入500mL三颈圆底烧瓶中，再向其中加入24mL的浓H2SO4(质量分数为95％)，以磁搅拌使二者充分混合；将此三颈圆底烧瓶移入冰水浴中继续搅拌，待混合液温度降到10℃以下后，采用少量多次的办法开始缓慢的向体系中加入固体高锰酸钾3.3g，通过控制加入速度使混合液的温度始终保持在20℃以下，加入完毕后，继续于冰水浴中搅拌30min；将反应体系升温到38℃再反应2h；向圆底烧瓶中加入50mL蒸馏水后反应体系温度迅速升高，将反应体系移入105℃油浴中；再向体系中倾入140mL蒸馏水，并超声1h。向反应体系加入2.5mL的质量分数为30％过氧化氢溶液，反应液变为亮黄色，继续反应30min；向反应液中加入浓度为12.5mol/L的NaOH，调节pH值至6.5-7，如果反应液出现混浊，加入5％HCl使溶液澄清，然后在纯水中透析，每天换水3次，至反应液呈近中性。冷冻干燥法得到纳米氧化石墨烯固体粉末。
2)NGO/DOX的制备
室温下，将阿霉素与纳米氧化石墨烯以一定质量比混合，即10mg阿霉素溶于5mL去离子水中，6mg纳米氧化石墨烯溶于1mL去离子水中，将二者的水溶液混合并超声1h。室温避光搅拌12h后，反应液在10000r/min下高速离心8min，取上清液，反复离心水洗，直至上清液无色，通过紫外－可见分光光度计在483nm处测量其吸光度，并利用事先绘制好的阿霉素的标准曲线，确定上清液的浓度，并将离心后的的下层沉淀重新分散在去离子水中。根据上清液的浓度与载药量的计算公式求出DOX在NGO上的单位负载量。
第三步，PEG-ami-DOX/NGO的制备
将PEG-ami-DOX按照DOX的当量质量与NGO的质量浓度比为5：1进行反应，并室温避光搅拌48h。反应液于10000r/min下高速离心8min，取上清液，通过紫外－可见分光光度计在505nm处测量其吸光度，并结合事先绘制好的聚乙二醇-酰胺-阿霉素的标准曲线，确定上清液的浓度及对应阿霉素的当量浓度，计算出DOX在NGO上的单位负载量。
必需注意的是：本实施例虽以宫颈癌细胞HeLa为例，但本发明不以此为限，本发明的所属技术领域的技术人员均能理解，本发明的DOX/NGO或者PEG-ami-DOX/NGO还可抑制其他种类的恶性肿瘤细胞。此外，DOX还可以修饰其他生物相容性的载体材料，同样可以达到抑制细胞增殖的效果。此外，本实施例的PEG-COOH为包括但不限于PEG2K-COOH、PEG5K-COOH、PEG20K-COOH，本发明的所属技术领域的技术人员均能理解。

Claims (10)

1.一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，其特征在于以下步骤：
(1)聚乙二醇接枝阿霉素制备聚乙二醇-酰胺-阿霉素PEG-ami-DOX
室温下将不同分子量的反应物甲氧基聚乙二醇羧基PEG-COOH与碳二亚胺盐酸盐EDCI、N-羟基琥珀酰亚胺NHS溶于N,N-二甲基甲酰胺DMF中，超声使其完全溶解，搅拌反应0.5～1.5h得到反应液；将DOX加入DMF溶液中，并且缓慢加入三乙胺TEA；将该溶液加入上述反应液中，室温避光搅拌反应后，将反应液装在透析袋中，并在蒸馏水中进行透析，将透析液取出冷冻干燥，即可得到目标产物PEG-ami-DOX；
所述的PEG-COOH与EDCI物质的量比分别为1：1.5～2.5；所述的PEG-COOH与NHS的物质的量比1：2.5～3.5；所述的PEG-COOH与DOX的物质的量之比为1：1～2；所述的TEA与DOX的物质的量之比为1:0.5～2；所述的PEG-COOH在DMF溶液中的浓度范围为10～20mg/mL；所述的DOX在DMF溶液中的浓度范围为0.5～3mol/L；
(2)通过改进的Hummer’s方法制备纳米氧化石墨烯NGO
室温下，将多层氧化石墨烯加入反应容器中，再向其中加入浓H2SO4，每10mL浓H2SO4中加入0.4～0.5g的多层氧化石墨烯，搅拌使二者充分混合；将反应容器置于冰水浴中继续搅拌，待反应容器中的混合液温度降到10℃以下后，缓慢向体系中加入高锰酸钾固体，高锰酸钾固体添加过程中控制反应体系的温度为0～20℃，加入完毕后，继续在冰水浴中搅拌05～1.0h；将反应体系升温至32～38℃再反应1.5～2.5h；第一次加入去离子水后，将反应体系移入温度为90～105℃的油浴中，反应1～2h；第二次加入去离子水，待温度恒定后，超声1h，加入过氧化氢溶液，充分搅拌，反应液变为亮黄色后，继续反应20～40min；加入NaOH溶液调节反应体系的pH至6.5～7；最后在纯水中透析纯化样品，冷冻干燥后得到粉末状的纳米氧化石墨烯；所述的多层氧化石墨烯与高锰酸钾的质量比为1:2.5～3.5；
(3)制备负载阿霉素DOX的纳米氧化石墨烯DOX/NGO
室温下，将DOX水溶液与NGO水溶液按3：1的质量比混合后，超声处理后，避光搅拌12～16h；混合液于8000～13000r/min下高速离心5～15min，反复进行离心水洗，除去游离的盐酸阿霉素，并将下层沉淀重新溶于水中，即得到负载阿霉素的纳米氧化石墨烯DOX/NGO；
(4)以纳米氧化石墨烯为载体，负载接枝阿霉素的聚乙二醇制备得到新型复合药物PEG-ami-DOX/NGO
将PEG-ami-DOX溶液与NGO水溶液混合，并避光搅拌24～48h后，8000～13000r/min下高速离心5～15min，反复进行离心水洗，除去未被负载的PEG-ami-DOX，并将下层沉淀重新溶于水中，制备得到PEG-ami-DOX/NGO。
2.根据权利要求1所述的一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的甲氧基聚乙二醇羧基PEG-COOH包括分子量为2000的PEG2K-COOH、分子量为5000的PEG5K-COOH或分子量为20000的PEG20K-COOH。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的加入去离子水与浓硫酸的体积关系为：每10mL浓硫酸对应的第一次加入的去离子水为20～25mL，第二次加入的去离子水为65～75mL。
4.根据权利要求1或2所述的一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的DOX水溶液的质量浓度范围为1～5mg/mL；所述的NGO水溶液的质量浓度范围为0.5～1mg/mL。
5.根据权利要求3所述的一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的DOX水溶液的质量浓度范围为1～5mg/mL；所述的NGO水溶液的质量浓度范围为0.5～1mg/mL。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的PEG-ami-DOX溶液中DOX的当量质量浓度范围为1～5mg/mL，所述的NGO水溶液中的NGO质量浓度范围为0.5～1mg/mL；所述的PEG-ami-DOX溶液中的溶剂为DMF或水。
7.根据权利要求1或2或5所述的一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的过氧化氢溶液的质量分数为30％，每1g高锰酸钾对应加入0.8～0.85mL过氧化氢溶液。
8.根据权利要求3所述的一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的过氧化氢溶液的质量分数为30％，每1g高锰酸钾对应加入0.8～0.85mL过氧化氢溶液。
9.根据权利要求1或2或5或8所述的一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的浓H2SO4的质量百分数为95％～98％；步骤(2)中所述的NaOH的浓度为8～12.5mol/L。
10.根据权利要求6所述的一种新型聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯给药系统的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的浓H2SO4的质量百分数为95％～98％；步骤(2)中所述的NaOH的浓度为8～12.5mol/L。
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