CN109476991A - 碳化多胺粒子及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于纳米粒子工程领域,更具体地说,本发明是关于一种带正电荷的纳米粒子,其具有多胺涂覆于碳量子点上,及其用于抗微生物的应用。本发明还涉及制备带正电荷的纳米粒子的方法,以及一种组合物包含具有多胺涂覆的碳量子点。
Description
【技术领域】
本发明是关于纳米工程领域,更具体地说,本发明是关于一种带正电的纳米粒子(positively-charged nanoparticle),其具有多胺涂覆于碳量子点上(polyamine coatedon a carbon quantum dot),及其用于抗微生物的应用。本发明还涉及制备带正电荷的纳米粒子的方法,所述纳米粒子是具有多胺涂覆的碳量子点。
【背景技术】
纳米材料的表面积大,能够通过多价正电荷的相互作用与细菌接触,导致细菌细胞膜的渗透性和呼吸功能的破坏。此外,由于它们与蛋白质、DNA、RNA和其他重要分子的交互作用,内吞纳米粒子(endocytosed nanoparticles)可以抑制细胞功能。
具有抗微生物特性的纳米材料可以通过比传统抗生素药物更复杂的机制抑制微生物生长并破坏微生物。据报导,吸附在细菌上的氧化锌纳米粒子可以通过与细菌细胞膜上的脂质和蛋白质相互作用来破坏其功能。又,基于贵金属(例如银纳米粒子)的抗微生物剂通过银离子(Ag+)的释放、细胞膜的破坏、对电子传递链的干扰以及通过引起DNA损伤而表现出抗菌性质。铜纳米粒子导致蛋白质失活,从铜纳米粒子释放的游离铜离子(Cu2+)产生活性氧(ROS),可破坏细胞中的氨基酸和DNA合成。二氧化钛纳米粒子也可以产生ROS,并且还会对细胞膜和细胞壁造成损害。大多数抗菌金属和金属氧化物纳米粒子会对广谱的微生物(broad-spectrum of microbes)起作用,并且由于它们抗微生物的机制复杂又多样化,细菌对它们产生抗药性的可能性大大降低。然而,许多抗菌金属和金属氧化物纳米粒子对大多数人体细胞都是具有高毒性的,因此限制了它们的用途。
多胺是普遍存在的具有两个或更多个一级胺基团的小分子。多胺,如丁二胺(putrescine),尸胺(cadaverine),亚精胺(spermidine)和精胺(spermine)是在活细胞中产生,对于许多细胞功能具有必需性,包括DNA稳定化(DNA stabilization)、离子信道功能(functioning of ion channels)和受体─配位子交互作用(receptor-ligandinteractions)、基因转录和基因转译(gene transcription and translation),以及细胞生长和细胞增生(cell growth and proliferation)。当多胺在细胞中存在较高的毫摩尔浓度范围时,其为多价阳离子、高度带电且具有良好的生物兼容性,可应用于纳米粒子的表面修饰。因此,在将多胺锚定于其表面上之后,修饰后的纳米粒子将是高度带电的并且具有高度生物兼容性。多胺修饰后的纳米粒子因为具有广泛与细胞大分子的交互作用的性质,将可做为生物医学应用的候选者。
碳量子点(Carbon quantum dots)是一类新型荧光纳米材料(fluorescentnanomaterials),由于其具高量子产率(quantum yield,QY)、光稳定性(photostability)、可调激发性与放射性(tunable excitation and emission)、低细胞毒性(lowcytotoxicity)和高生物兼容性(high biocompatibility)等特点,引起了人们越来越多的关注。这些特征使得功能性碳量子点尤其可用作良性无毒纳米探针(benign nontoxicnanoprobes),用于荧光生物成像(fluorescent bioimaging)和广泛的细菌与动物细胞追踪(cellular tracing)。例如,经由甘露糖修饰(mannose-modified)后的碳量子点标记大肠杆菌细胞用于荧光成像。藉4,7,10-trioxa-1,13-tridecanediamine作表面钝化的碳量子点被报导用于非洲绿猴肾纤维细胞株(african green monkey kidney fibroblast-like cell line,COS-7)细胞的荧光检测。然而,碳量子点很少被用作抗微生物剂。
由于对大多数人体细胞的毒性,抗菌金属和金属氧化物纳米粒子的使用受到限制。因此,需要更有效和安全,可用于治疗感染的新型抗微生物剂。
【发明内容】
本文所述的纳米粒子,其根据多胺与碳量子点共轭的量,可具有不同的表面正电荷。
本发明提供一种制备带正电荷的纳米粒子的方法,该方法具有热解柠檬酸铵(ammonium citrate)以合成碳量子点的步骤;将碳量子点与多胺在溶液中混合;在140至300℃的温度范围内加热溶液。
根据以上所述,热解柠檬酸铵以合成碳量子点的步骤在干热空气中进行。
根据以上所述,多胺选自丁二胺、精胺或亚精胺。
根据以上所述,温度范围为180至260℃。
在一方面,本发明提供了一种通过以下步骤制备工程化纳米粒子(engineerednanoparticle)的方法:热解柠檬酸铵以形成碳量子点;将碳量子点与多胺在溶液中混合;在140至300℃的温度范围内加热溶液。工程化纳米粒子包括碳量子点和至少一个与碳量子点共轭的多胺。
根据以上所述,热解柠檬酸铵以形成碳量子点的步骤在干热空气中进行。
根据以上所述,多胺选自丁二胺,精胺或亚精胺。
根据以上所述,温度范围为180至260℃。
根据以上所述,多胺涂覆在碳量子点的表面上。
根据以上所述,纳米粒子具有正表面电荷,其ζ电位为10至65mV。
根据以上所述,纳米粒子的直径为2至7nm。
在一方面,本发明提供了一种工程化的带正电的纳米粒子,包括碳量子点;和至少一种与碳量子点共轭的多胺。
根据以上所述,多胺涂覆在碳量子点的表面上。
根据以上所述,多胺选自丁二胺,精胺或亚精胺。
根据以上所述,纳米粒子具有正表面电荷,其ζ电位为10至65mV。
根据以上所述,纳米粒子的直径为2至7nm。
在一方面,本发明提供了一种工程化纳米例子结构,其具有碳量子点层;和多胺层覆盖于碳量子点的表面。
根据以上所述,多胺层具有正表面电荷。
根据以上所述,多胺层由丁二胺,精胺或亚精胺组成。
在一方面,本发明提供了具有抗微生物活性的组合物。该组合物具有有效量的带正电纳米粒子,该纳米粒子具有涂覆在碳量子点上的多胺。
根据以上所述,多胺选自丁二胺,精胺或亚精胺。
在一方面,本发明提供了制备抗微生物组合物的方法。该方法包括热解柠檬酸铵以形成碳量子点的步骤;将碳量子点与多胺在溶液中混合;在140至300℃的温度范围内加热溶液以形成带正电的纳米粒子;将带正电的纳米粒子加入到包含至少一种药学上可接受的载体的组合物中。
根据以上所述,多胺选自丁二胺,精胺或亚精胺。
根据以上所述,温度范围为180至260℃。
在一方面,本发明提供了治疗由微生物引起的感染、症状或疾病的方法。该方法步骤包括给予治疗有效量的带正电纳米粒子组合物,其具有涂覆多胺的碳量子点。微生物选自包含非多重抗药性细菌(non-multidrug resistant bacteria)及多重抗药性细菌(multidrug-resistant bacteria)的群组。
根据以上所述,多胺选自丁二胺,精胺或亚精胺。
根据以上所述,非多重抗药性细菌选自大肠杆菌(E.coli),金黄色葡萄球菌(S.aureus),枯草芽孢杆菌(B.subtilis)或绿脓杆菌(P.aeruginosa)。
根据以上所述,多重耐药性细菌选自抗药性金黄色葡萄球菌(Methicillin-resistant Staphylococcus aureus,MRSA)。
在一方面,本发明提供了用于促进DNA转染到目标细胞中的组合物。该组合物具有有效量的带正电纳米粒子,该纳米粒子具有涂覆在碳量子点上的多胺。
根据以上所述,目标细胞是哺乳动物细胞或人类细胞。
根据以上所述,多胺选自丁二胺,精胺或亚精胺。
在一方面,本发明提供了制备有效DNA转染组合物的方法。该方法包括以下步骤:热解柠檬酸铵以形成碳量子点;将碳量子点与多胺在溶液中混合;在140至300℃的温度范围内加热溶液以形成带正电的纳米粒子;并且将带正电的纳米粒子添加到具有有效可接受的载体的组合物中。
根据以上所述,多胺选自丁二胺,精胺或亚精胺。
根据以上所述,温度范围为180至260℃。
在一方面,本发明提供了促进DNA转染到目标细胞中的方法,该方法包含将有效量的带正电纳米粒子组合物与目标细胞混合并培养,其带正电的纳米粒子组合物具有涂覆在碳量子点上的多胺。
根据以上所述,目标细胞是哺乳动物细胞或人类细胞。
根据以上所述,多胺选自丁二胺,精胺或亚精胺。
本领域普通技术人员从以下图式,实施例和描述中将更容易理解本发明所公开的前述内容、其他特性和优点。
【图式简单说明】
图1是一实施例的多胺纳米粒子示意图。
图2A、图2B分别显示(a)碳量子点和(b)亚精胺覆盖碳量子点(spermidine-cappedcarbon quantum dots)的穿透式电子显微镜(TEM)影像和动态光散射粒径分析仪(DLS)光谱。
图3显示在多种温度下合成的(a)碳量子点和(b-f)亚精胺覆盖碳量子点的zeta电位。
图4A、图4B分别显示(a)碳量子点和(b)亚精胺覆盖碳量子点的UV-Vis吸收光谱和荧光光谱。
图5A、图5B分别显示所制备的碳量子点和亚精胺覆盖碳量子点的C1S XPS光谱。
图6A、图6B分别显示多胺纳米粒子对五种细菌(大肠杆菌、绿脓杆菌、抗药性金黄色葡萄球菌(Methicillin-resistant Staphylococcus aureus,MRSA)、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌(B.subtilis)的抗菌性能。
图7A、图7B分别显示(a)处理前和经(b)亚精胺、(c)碳量子点、(d)亚精胺覆盖碳量子点处理后的大肠杆菌细胞和MRSA细胞的SEM影像。
图8A、图8B分别显示胶体电泳的结果,证明多胺纳米粒子、质体DNA以及六种不同质量比之小干扰核甘核酸(siRNA)的结合力
图9A~图9F显示在不同温度下合成的亚精胺覆盖碳量子点存在或不存在下,LB培养基上的MRSA代表性菌落生成评估。
图10显示MRSA感染伤口未经处理和经Ag NPs、3M绷带或亚精胺覆盖碳量子点处理的代表性照片。
【发明详述】
本案公开了关于一种带正电荷多胺纳米粒子及其用途的方法、结构以及组合物。本领域普通技术人员将能够参考下述实施例与描述以实践本案。
根据与碳量子点共轭的多胺的量,本文所述的多胺纳米粒子可具有不同的表面正电荷。如图1所示的示意图,是本发明中亚精胺覆盖碳量子点结构的实施例,为多胺纳米粒子之一。通过直接热解固态柠檬酸铵制备碳量子点。将研磨制得的碳量子点与多胺混合后,进一步加热。多胺分子通过亚精胺的胺基与碳量子点上的羧基和/或羟基间的酰胺键,锚定在碳量子点表面。
多胺纳米粒子的合成
于180℃下直接裂解2g的固态柠檬酸铵2小时以合成碳量子点。所述合成方法详细描述于Dong,et al.2012(Carbon 12,4738-4743),并入本文以作为参考。部分实施例中,研磨制得碳量子点,接着将碳量子点0.025g与多胺溶液0.1M(亚精胺三氢氯化物(spermidinetrihydrochloride)、精胺四氢氯化物(spermine tetrahydrochloride)或丁二胺二氢氯化物(putrescine dihydrochloride):1.0mL;多胺与碳量子点的质量比~1.02)混合,在温度范围140℃至300℃进一步加热2小时。然后,将本发明合成的黑褐色多胺纳米粒子分散在去离子水(5mL)中。渗析纯化多胺纳米粒子后,测定多胺纳米粒子的尺寸和zeta电位示性。
多胺纳米粒子的定性
I.尺寸和zeta电位
通过使用Tecnai 20G2S-Twin透射电子显微镜(Philips/FEI,Hillsboro,OR,USA)获得多胺纳米粒子的透射电子显微镜(TEM)图像。通过使用Zetasizer(Nano ZS,MalvernInstruments,Worcestershire,UK)评估多胺纳米粒子的zeta电位(ζ)。
表1.试样的尺寸与zeta电位
在部分实施例中,(a)碳量子点和(b)亚精胺覆盖碳量子点的TEM影像(图2A)和动态光散射(DLS)光谱(图2B)显示了多胺纳米粒子的狭窄粒径分布(4.6±0.8nm)。
在部分实施例中,亚精胺覆盖碳量子点显示了高表面正电荷(zeta电位=60.6±3.1mV)。
在部分实施例中,如图3所示,在(b)140℃、(c)180℃、(d)220℃、(e)260℃和(f)300℃合成的亚精胺覆盖碳量子点之多胺纳米粒子包括不同的zeta电位。
II.荧光和UV-Vis吸收光谱
使用单色微量盘分光亮度计(Synergy 4Multi-Mode;Biotek Instruments,Winooski,VT,USA)记录所制备的多胺纳米粒子的荧光和UV-Vis吸收光谱。在365nm的激发波长下,测量所制备的碳量子点和亚精胺覆盖多胺纳米粒子在5mM磷酸钠缓冲液(pH 7.4)中的荧光光谱。
在部分实施例中,碳量子点在440nm的肩峰(shoulder band)显示在340nm的光吸收带(曲线,图4A(a)),分别归因于π→π*跃迁(C=C键)和n→π*转换(C=O和/或C=N键)。亚精胺覆盖碳量子点在接近紫外光区域中表现出宽的吸收带(图4A(b)),可能是由于碳量子点表面上裂解亚精胺跃迁的强n→π*转变与共轭π→π*转变。
在部分实施例中,亚精胺和/或其裂解产物在碳量子点上共轭,导致亚精胺覆盖碳量子点(2.8%,FIG.4B(b))的量子产率(QY),与奎宁(QY 53%in 0.1M H2SO4)的碳量子点(18.1%,FIG.4B(a))相较之下较低。
III.X光光电子能谱
使用ES-CALAB 250光谱仪(VG Scientific,East Grinstead,UK)的Al KαX射线辐射作为激发用的X射线源以测定XPS光谱。以284.6eV的C 1s峰值为标准来校正结合能。
在部分实施例中,碳量子点(图5A(a))和亚精胺覆盖碳量子点(图5A(b))的C1sXPS光谱显示六种碳键类型的存在。亚精胺覆盖碳量子点的C-N(39.6%)和C=N(3.1%)成分的量大幅增加。亚精胺和/或其裂解分子在碳量子点上的缩合反应导致了富含氮和带正电荷多胺纳米粒子。
多胺纳米粒子的抗菌性能
多胺纳米粒子的最小抑菌浓度(MIC)值,是以标准稀释法在多种测试细菌菌株中测定,其中包括两种非多重抗药性(non-MDR)革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌)、两种non-MDR革兰氏阴性菌(大肠杆菌和绿脓杆菌)和一种多重抗药性(MDR)革兰氏阳性菌(MRSA)。
在部分实施例中,多胺纳米粒子的MIC值(图6A),包括丁二胺覆盖和精胺覆盖碳量子点的MIC值,远低于丁二胺或亚精胺的MIC值,表明多胺纳米粒子确实具有抗菌的特性。在部分实施例中,研究了抗菌活性的机制,结果表明亚精胺覆盖碳量子点对细菌细胞膜造成了显著损害。
在部分实施例中,亚精胺覆盖碳量子点的抑制活性不仅对四种non-MDR细菌菌株有效,对MDR细菌菌株也有效果(图6B)。MDR菌株(MRSA)的亚精胺覆盖碳量子点(~0.9μgmL-1)的MIC值,比亚精胺(~26mg mL-1)的MIC值低25,000倍以上。于实验组中,亚精胺覆盖碳量子点的MIC值,比Ag NPs的MIC值(~12μg mL-1)低10倍以上。碳量子点上亚精胺带高密度阳离子的特性,有助于亚精胺覆盖碳量子点与细菌细胞膜的强力交互作用,从而导致其分裂。
在部分实施例中,大肠杆菌细胞和MRSA细胞在(a)处理前,和(b-d)分别经(b)亚精胺、(c)碳量子点、和(d)亚精胺覆盖碳量子点处理后的SEM影像(图7A和图7B)表明,被亚精胺覆盖碳量子点处理过的细菌细胞膜变得凌乱且许多细胞成分散落出来(图7A(d)、图7B(d))。
多胺纳米粒子与DNA的交互作用
在部分实施例中,使用凝胶电泳法来评估多胺纳米粒子与质体DNA(图8A)和小干扰RNA(siRNA)(图8B)的结合能力。质体DNA(200ng)和siRNA(1.5μg),在(a)1:0、(b)1:0.25、(c)1:0.5、(d)1:1、(e)1:3和(f)1:6的六种不同质量比下与亚精胺覆盖碳量子点结合,并且在2%琼脂凝胶上以20V cm-1电场执行1小时又10分钟。其结果表明亚精胺覆盖碳量子点与质体DNA和siRNA具有很强的交互作用。
多胺纳米粒子的合成温度对抑制活性的影响
细菌的生长和测定:金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、MRSA、大肠杆菌和绿脓杆菌分别在LB液体培养基(Luria Broth,LB)中培养。将各菌株自其LB平板培养基取出单一菌落,并接种在LB培养基(10mL)中。细菌培养在37℃下振荡生长(200rpm),直到600nm吸光值(OD600)达1.0(光程长度:1.0cm)。将各个细菌培养液的一部分(1.0mL)离心(RCF 3,000g、10min、25℃),以5mM磷酸钠缓冲液(pH 7.4)洗涤两次后待后续使用。
在部分实施例中,将LB平板培养基上的MRSA以无亚精胺覆盖碳量子点处理(图9A),及以于140℃、180℃、220℃、260℃和300℃合成的亚精胺覆盖碳量子点处理(图9B至图9F)。亚精胺覆盖碳量子点的抑制活性随着合成温度从140℃到260℃而升高,然后在高于260℃的温度下降低。
多胺纳米粒子组合物的抗菌性能
多胺纳米粒子的伤口愈合功效是通过SD(Sprague Dawley)雄性大鼠(5~6周、体重150~175g、每组3只)的体内实验来评估。用含有1×108CFU的MRSA悬浮液的无菌生理食盐水100μL来感染伤口(直径1cm)。使用经抗菌剂(50μg mL-1多胺纳米粒子0.2mL、Ag NPs(直径~12nm))处理过的纱布(1.0cm×1.0cm)或3M舒适绷含药型(含抗菌剂、羟基氯苯胺),在手术后两天覆盖于受感染的伤口。
在部分实施例中,大鼠的MRSA感染伤口愈合研究结果显示,当亚精胺覆盖碳量子点被用作敷料材料时,有较快的愈合速度和较佳的上皮形成和胶原蛋白纤维形成(图10)。
本案所述的实施例,其系包含该组其中之一的成员表现于、用于或与其相关的所述产品或过程。本发明所包含的多个实施例,其系包含多于一个或所有组员表现于、用于或与其相关的所述产品或过程。
所述技术领域具有通常知识者将藉由不超过常规的实验,以识别或查明本发明所述的特定实施例之许多同等设备。本案的范围并不限于所公开的特定实施例,而是包括落入所附申请专利范围内的所有实施例。此外,在不脱离本发明的实质范围的情况下,可以理解为适于本案的教导而将仪器、情况或材料进行改良。
Claims (34)
1.一种制备一带正电荷多胺纳米粒子的方法,包含以下步骤:
(a)热裂解柠檬酸胺制备一碳量子点;
(b)将所述碳量子点与一多胺溶液混合;以及
(c)于140至300℃的一温度范围下加热所述碳量子点。
2.如权利要求1所述的方法,所述步骤(a)为在干热空气中实施。
3.如权利要求1所述的方法,其中所述多胺选自丁二胺、精胺或亚精胺。
4.如权利要求3所述的方法,其中所述温度范围为180至260℃。
5.一种如权利要求1至4任一项所述的方法制备的一工程化纳米粒子包含:
(a)一碳量子点;以及
(b)至少一个与所述碳量子点共轭的多胺。
6.如权利要求5所述的工程化纳米粒子,其中所述多胺涂覆在碳量子点的表面上。
7.如权利要求6所述的工程化纳米粒子,其中所述纳米粒子具有正表面电荷界面电位为10至65毫伏特。
8.如权利要求6所述的工程化纳米粒子,其中所述纳米粒子的直径为2至7nm。
9.一种工程化正电荷纳米粒子,其包含:
(a)一碳量子点;以及
(b)至少一与所述碳量子点共轭的多胺。
10.如权利要求9所述的工程化正电荷纳米粒子,其中所述多胺涂覆在所述碳量子点的表面上。
11.如权利要求10所述的工程化正电荷纳米粒子,其中所述多胺选自丁二胺、精胺或亚精胺。
12.如权利要求11所述的工程化正电荷纳米粒子,其中所述纳米粒子具有正表面电荷界面电位为10至65毫伏特。
13.如权利要求11所述的工程化正电荷纳米粒子,其中所述纳米粒子的直径为2至7nm。
14.一种工程化纳米粒子结构,包含:
(a)一碳量子点层;以及
(b)一多胺层覆盖于所述碳量子点层的表面。
15.如权利要求14所述的工程化纳米粒子结构,其中所述多胺层具有正表面电荷。
16.如权利要求14所述的工程化纳米粒子结构,其中所述多胺层由丁二胺,精胺或亚精胺组成。
17.一种抗菌组合物,包括一有效量的带正电纳米粒子,所述纳米粒子具有涂覆在碳量子点上的一多胺。
18.如权利要求17所述的组合物,其中所述多胺选自丁二胺,
精胺或亚精胺。
19.一种制备一抗菌组合物的方法,其步骤包括:
(a)热解柠檬酸铵以形成碳量子点;
(b)将碳量子点与多胺在溶液中混合;
(c)在140至300℃的温度范围内加热溶液以形成带正电荷的纳米粒子;以及
(d)将带正电的纳米粒子加入到包含至少一种药学上可接受的载体的组合物中。
20.如权利要求19所述的方法,其中所述多胺选自一包含丁二胺、精胺或亚精胺的群组。
21.如权利要求19所述的方法,其中所述温度介于180~260℃之中。
22.一种用于治疗由一微生物引起的感染、症状或疾病的方法,包括给予治疗有效量的具有涂覆多胺的碳量子点的带正电荷纳米粒子组合物,其中所述微生物选自包含一非多重抗药性细菌及一多重抗药性细菌的群组。
23.如权利要求22所述的方法,其中所述多胺选自一包含丁二胺、精胺或亚精胺的群组。
24.如权利要求22所述的方法,其中所述非多重抗药性细菌选自大肠杆菌,金黄色葡萄球菌,枯草芽孢杆菌或绿脓杆菌。
25.如权利要求22所述的方法,其中所述多重耐药性细菌选自抗药性金黄色葡萄球菌。
26.一种用于促进DNA转染到目标细胞中的组合物,包含一具有有效量的一带正电荷纳米粒子,所述纳米粒子具有一涂覆在碳量子点上的多胺。
27.如权利要求26所述的组合物,其中所述目标细胞是哺乳动物细胞或人类细胞。
28.如权利要求26所述的组合物,其中所述多胺选自丁二胺,精胺或亚精胺。
29.一种制备有效DNA转染组合物的方法,包含以下步骤:
(a)热解一柠檬酸铵以形成一碳量子点;
(b)将所述碳量子点与一多胺在溶液中混合;
(c)在140至300℃的一温度范围内加热溶液以形成一带正电荷的纳米粒子;以及
(d)将带正电荷的纳米粒子添加到具有一有效可接受的载体的组合物中。
30.如权利要求29所述的方法,其中所述多胺选自丁二胺,精胺或亚精胺。
31.如权利要求29所述的方法,其中所述温度范围为180至260℃。
32.一种促进DNA转染到一目标细胞中的方法,包含将有效量的一带正电荷纳米粒子组合物与目标细胞混合并培养,其中所述带正电荷的纳米粒子组合物具有涂覆在一碳量子点上的一多胺。
33.如权利要求32所述的方法,其中所述目标细胞是哺乳动物细胞或人类细胞。
34.如权利要求32所述的方法,其中所述多胺选自丁二胺,精胺或亚精胺。
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