CN108084451A - 水溶性富勒烯纳米材料及其制备方法与应用 - Google Patents

水溶性富勒烯纳米材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水溶性富勒烯纳米材料。该水溶性富勒烯材料是富勒烯C60‑聚多巴胺‑聚乙烯亚胺的复合物，它是富勒烯直接和多巴胺碱性水溶液混合反应后得到表面附着聚多巴胺交联复合层的富勒烯改性材料，与带有氨基的水溶性高分子聚乙烯亚胺发生迈克尔加成，得到的水溶性产物。本发明还公开了上述水溶性富勒烯纳米材料的制备方法及应用。本发明的水溶性富勒烯纳米材料具有良好的生物相容性，物理和化学稳定性好，制备条件温和可控，在可见光照射下就可对DNA的有效剪切，利用这种光敏效应还可以在生物医学领域发挥更多的应用价值。

Description

水溶性富勒烯纳米材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于生物医学技术领域，具体涉及一种水溶性富勒烯纳米材料及其制备方法与应用。
背景技术
富勒烯是一种新型富碳纳米材料，它是由不同数目的碳原子组成的具有封闭结构的原子团簇，由于其独特的结构和物理化学性质，在生物医学领域有非常广阔的应用前景。具有Ih对称性的C60分子是富勒烯家族的突出代表，它由12个五元环和20个六元环组成的三十二面体结构，有30个共轭双键，提供了制备不同化学或生物化合物的机会，被誉为药物设计中的“化学针插”(Chemical pin cushion)。由于富勒烯为非极性分子，而生物体系的生命活动几乎都处于水环境中，因此制备水溶性的富勒烯衍生物材料才能实现其生物医学的应用。目前较多的解决方案是通过化学反应在富勒烯碳笼上修饰多个强极性基团如-OH、-COOH和-NH2等来增强其亲水性，但化学合成过程复杂，易引入有机试剂，且化学修饰会破坏富勒烯碳笼的π-π共轭体系，降低其生物活性。因此，探索简单绿色并尽可能保持碳笼结构完整性的水溶化合成方法是改造功能富勒烯纳米材料的重要步骤。
富勒烯碳笼的大π共轭结构，光诱导下它可以高效地产生单线态氧，量子产率可以达到95％，被誉为“单线态氧的发生器”，是一种优良的光敏剂。在光催化条件下，C60会通过能级跃迁和系统间的串越，将孤对电子传递给氧气，最终在水溶液中形成超氧阴离子，实现对DNA的剪切。水溶性富勒烯衍生物具有抗菌、抗肿瘤、光诱导DNA裂解、抗细胞氧化、保护神经、药物或基因载体、免疫调节等作用。
多巴胺(DA)是一种生物神经递质，在碱性条件下，它能在溶解氧的作用下发生氧化-交联反应，在各种固体材料表面形成具有类似于贻贝黏附蛋白的结构和超强黏附性能的聚多巴胺(PDA)薄层，该方法对材料的本体性能无影响，对材料的尺寸和和外形均无限制，使用范围极广。此外，多巴胺的聚合物PDA有良好的生物相容性，含有丰富的邻苯二酚基团，碱性环境下，这些基团很容易被氧化成醌式结构，从而与含有巯基(-SH)、氨基(-NH2)的亲水或疏水有机分子发生迈克尔加成和席夫碱反应，可以进一步引入功能分子，为材料表面的二次修饰和功能化提供了理想的平台。整个改性过程在水溶液中完成，反应条件温和，避免了使用有机溶剂对环境造成的污染，且对材料表面的改性一步到位，操作步骤简单，反应条件与改性过程易于控制。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种水溶性好，具有良好的生物相容性的水溶性富勒烯纳米材料。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种反应条件绿色温和，简单可控的水溶性富勒烯纳米材料的制备方法。
本发明所要解决的第三个技术问题是提供上述水溶性富勒烯纳米材料的应用，以在光诱导下实现对DNA的有效剪切。
为解决上述第一个技术问题，本发明提供的水溶性富勒烯纳米材料是一种富勒烯-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物，它是由原始富勒烯直接和多巴胺碱性水溶液混合反应，得到表面附着聚多巴胺交联复合层的富勒烯改性材料，然后再和带有氨基的水溶性高分子聚乙烯亚胺发生迈克尔加成，最终得到的水溶性产物。
所述富勒烯为通式是C2m的由碳原子组成的笼状结构的富勒烯，其中30≤m≤60，可选的，包括富勒烯C60、富勒烯C70、富勒烯C76、富勒烯C78、富勒烯C82、富勒烯C84中的任意一种。
为解决上述第二个技术问题，本发明所设计的水溶性富勒烯纳米材料的制备方法包括以下步骤：
1)将富勒烯加入到浓度为10～50mmol/L的Tris-HCl缓冲溶液中(pH＝8.5)，超声10～30分钟使其均匀分散。然后在上述体系中加入多巴胺盐酸盐，10～30℃避光搅拌反应8～24h，转速为500～1000r/min。
2)将上述产物离心处理，用溶剂洗涤直至上层离心液透明，弃溶液，将下层沉淀放入真空干燥箱，干燥后即得富勒烯-聚多巴胺产物。
3)将上述干燥后的富勒烯-聚多巴胺产物和聚乙烯亚胺加入到浓度为0.01～0.1mol/L的氢氧化钠溶液中，10～30℃搅拌反应8～24h，转速为500～1000r/min。
4)离心处理，弃沉淀，取上层离心液，用孔径0.22～0.45μm滤膜过滤，滤液用截留分子量为3000的透析袋透析至电导率小于0.8μS/cm。透析后所得溶液冷冻干燥得到水溶性富勒烯纳米材料富勒烯-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物。
优选地，所述步骤1|)中，按重量比，富勒烯和多巴胺盐酸盐为1：(1～4)。更优选地，按重量比，富勒烯和多巴胺盐酸盐为1：(1～2)。
优选地，所述步骤2)和步骤3)中，反应温度为20～25℃，反应时间为10～15h，搅拌转速为750～850r/min。
优选地，所述步骤3)中，按重量比，富勒烯-聚多巴胺产物和聚乙烯亚胺为1：(1～4)。更优选地，按重量比，富勒烯-聚多巴胺产物和聚乙烯亚胺为1：(1～2)。
优选地，所述步骤4)中，所述滤膜的孔径为0.22～0.30μm。
为解决上述第三个技术问题，本发明还提供了上述水溶性富勒烯纳米材料富勒烯-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物在光诱导的作用下实现对DNA的有效剪切。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明提供的富勒烯-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物，由于聚多巴胺含有邻苯二酚和氨基官能团，这种结构不仅可以和富勒烯表面建立共价和非共价(氢键、范德华力或堆积作用力)相互作用，而且为改性后的表面提供二次反应(与水溶性高分子聚乙烯亚胺发生迈克尔加成)所需的活性基团，最终在保持了富勒烯碳笼分子本身的稳定性和物理化学性质的基础上，改善了富勒烯在水中的溶解性。
2)本发明水溶性富勒烯纳米材料水分散性好，物理和化学稳定性好，制备方法温和可控，且整个过程中没有使用任何有机试剂，可确保其在生物应用领域的安全性，同时也省去了后续去除残留有机溶剂所需要的复杂过程。
3)本发明水溶性富勒烯纳米材料有着较强的水溶性，生物相容性好，比表面积大，化学惰性高，在可见光照射下就可实现对DNA的有效剪切，是一种良好的DNA剪切剂，利用这种光敏效应还可以在生物医学领域发挥更多的应用价值。
附图说明
图1是富勒烯C60-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物的扫描电子显微镜图片。
图2富勒烯C60-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物在纯水中的水合粒径曲线。
图3是富勒烯C60，富勒烯C60-聚多巴胺和富勒烯C60-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物的红外谱图。
图4是不同浓度的富勒烯C60-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物对DNA的光诱导剪切效应。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1富勒烯C60-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物的制备
1)取100mgC60加入到30mL浓度为10mmol/L的Tris-HCl缓冲溶液中(pH＝8.5)，超声20分钟使其均匀分散。然后在上述体系中加入200mg多巴胺盐酸盐，25℃避光搅拌反应10h，转速为1000r/min.
2)将上述产物于8000r/min条件下离心5分钟，分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤，直至上层离心液透明，将下层沉淀放入真空干燥箱24h，温度条件设定为40℃。
3)取上述干燥后的富勒烯C60-聚多巴胺产物100mg和200mg聚乙烯亚胺(分子量600)加入到20mL浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液，25℃搅拌反应10h，转速为1000r/min。
4)将步骤3)产物中加入15mL蒸馏水后进行离心处理，弃沉淀，取上层离心液，用0.22μm滤膜过滤，滤液用截留分子量为3000的透析袋透析至电导率小于0.8μS/cm。透析后所得溶液冷冻干燥得到富勒烯C60-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物。
图1是富勒烯C60-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物的扫描电子显微镜图片。从图1中可以看出，纳米颗粒在水中团聚的尺寸约为180nm。
由图2可知，采用动态光散射(DLS,Zetasizer Nano ZSP)测定了在pH＝7.0的纯水中纳米颗粒的水合粒径，富勒烯C60-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物的平均粒径为160nm。上述两种独立方法得到颗粒尺寸的差异主要是由于测定的原理及意义不同，DLS得到的粒径受纳米颗粒周围溶剂分子影响较为显著。
由图3可知，本体C60的红外特征振动吸收位于527，576，1187和1430cm-1，当C60表面包覆上聚多巴胺后，出现了1530cm-1的特征苯环骨架振动峰，而最终产物富勒烯C60-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物则出现了1362cm-1的C-N伸缩振动和2935、2832cm-1的CH2伸缩振动峰。
实施例2富勒烯C60-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物的光诱导DNA的剪切效应测试。
1)取2.5μL 50ng/μL的pSP72质粒DNA，分别与等体积的不同浓度的富勒烯C60-聚多巴胺-聚乙烯亚胺水溶液(125，62.5，31.25，15.625，7.8125和3.91μg/ml)混合均匀。
2)在可见光照射条件下，于室温下共同孵育2h。
3)将上述样品2)分别加入1uL的6X上样缓冲液(40％(w/v)蔗糖，0.25％溴酚兰和0.25％二甲苯氰)并混合均匀。
4)将上述样品分别3)加入到1％(w/v)琼脂糖凝胶的上样孔中，并在1X TAE电泳缓冲液(40mmol/L Tris，20mmol/L乙酸，1mmol/L EDTA，pH 8.0)中，在100V电压下进行电泳30min。
5)电泳结束后，取出凝胶，并置于10mg/mL的溴化乙锭溶液中染色5min，置于凝胶成像系统中进行观察。
结果如图4所示：水溶性富勒烯纳米材料光催化反应条件下可以显著降解DNA，随着孵育体系中富勒烯浓度的提高，超螺旋DNA逐渐被剪切为缺口DNA(II)和线型DNA(I)，其中1-6分别代表浓度为125，62.5，31.25，15.625，7.8125和3.91μg/ml的富勒烯C60-聚多巴胺-聚乙烯亚胺水溶液，7是对照组。在高浓度下，质粒DNA几乎完全被降解为弥散的DNA碎片。

Claims (10)

1.一种水溶性富勒烯纳米材料，其特征在于：所述水溶性富勒烯纳米材料为富勒烯-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物，所述富勒烯-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物是由富勒烯直接和多巴胺碱性水溶液混合反应后生成表面包覆有聚多巴胺交联复合层的富勒烯改性材料，再通过迈克尔加成反应键合上聚乙烯亚胺而得到的复合物。
2.根据权利要求1所述的水溶性富勒烯纳米材料，其特征在于：所述富勒烯为通式是C2m的由碳原子组成的笼状结构的富勒烯，其中30≤m≤60。
3.根据权利要求2所述的水溶性富勒烯纳米材料，其特征在于：所述富勒烯为富勒烯C60、富勒烯C70、富勒烯C76、富勒烯C78、富勒烯C82、富勒烯C84中的任意一种。
4.权利要求1至3任一项所述的水溶性富勒烯纳米材料的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
1)将富勒烯加入到浓度为10～50mmol/L的pH＝8.5的Tris-HCl缓冲溶液中，超声10～30分钟使其均匀分散；然后在上述体系中加入多巴胺盐酸盐，10～30℃避光搅拌反应8～24h，转速为500～1000r/min；
2)将上述产物离心处理，用溶剂洗涤至上层离心液透明，将下层沉淀放入真空干燥箱，干燥后即得富勒烯-聚多巴胺产物；
3)将上述富勒烯-聚多巴胺产物和聚乙烯亚胺加入到浓度为0.01～0.1mol/L的氢氧化钠溶液中，10～30℃搅拌反应8～24h，转速为500～1000r/min；
4)离心处理，弃沉淀，取上层离心液，用孔径0.22～0.45μm滤膜过滤，滤液用截留分子量为3000的透析袋透析至电导率小于0.8μS/cm；透析后所得溶液冷冻干燥即得到水溶性富勒烯纳米材料富勒烯-聚多巴胺-聚乙烯亚胺复合物。
5.根据权利要求4所述的水溶性富勒烯纳米材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1|)中，按重量比，富勒烯和多巴胺盐酸盐为1：(1～4)。
6.根据权利要求5所述的水溶性富勒烯纳米材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1|)中，按重量比，富勒烯和多巴胺盐酸盐为1：(1～2)。
7.根据权利要求5或6所述的水溶性富勒烯纳米材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)和步骤3)中，反应温度为20～25℃，反应时间为10～15h，搅拌转速为750～850r/min。
8.根据权利要求5或6所述的水溶性富勒烯纳米材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，按重量比，富勒烯-聚多巴胺产物和聚乙烯亚胺为1：(1～4)。
9.根据权利要求8所述的水溶性富勒烯纳米材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，按重量比，富勒烯-聚多巴胺产物和聚乙烯亚胺为1：(1～2)。
10.权利要求1至3任一项所述的水溶性富勒烯纳米材料在光诱导DNA剪切中的应用。
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