CN113082206A - 一种大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子、制备方法和应用 - Google Patents

一种大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子、制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子、制备方法和应用，将末端氨基改性的聚乙二醇‑聚硝酸酯环碳酸酯(PEG‑PNTC)聚合物与上转换纳米粒子(UCNPs)进行配体交换得到大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子(UNTPs)。本发明方法具有方便快捷、操作简单、反应条件温和、后处理方便的优点，同时能够实现远程光调控一氧化氮的释放，展现了其在抗肿瘤治疗、免疫以及心血管疾病等领域的应用前景。

Description

一种大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子、制备方法 和应用
技术领域
本发明属于高分子纳米材料技术领域，特别涉及一种大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子、制备方法和应用。
背景技术
上转换纳米粒子(UCNPs)是一种基于反斯托克斯过程的无机纳米粒子，能够将低能量的光转化为更高能量的光，它可被近红外光激发，这使其在应用时避免了生物系统中的光损伤及背景荧光，且对生物组织的穿透深度更高。上转换纳米粒子独特的光学物理特性为生物医学和诊断应用提供了许多优势，并在细胞成像、细胞靶向、定向药物输送和生物传感器等领域具有较大的潜在应用前景。近年来，许多研究也报道了上转换纳米粒子的一些成熟合成技术，如共沉淀法、热分解法和高温共沉淀法。但是，多数核壳型上转换纳米粒子在合成后都被疏水配体所覆盖，大大限制了其在生物医学方面的应用。因此，在上转换纳米粒子表面修饰功能性基团以便后续生物应用成为亟待解决的问题。
一氧化氮(Nitric oxide，NO)是一种重要的生物信号分子和效应分子，参与生物体内各种生理病理过程，如伤口愈合、免疫调控、肿瘤杀伤、神经传递等，具有广泛的生理功能。然而，仅凭体内产生的一氧化氮往往难以满足机体对病变的需求，因此外源性一氧化氮供体的设计与制备是一种有效策略。目前，NO供体类型主要有S-亚硝基硫醇、有机硝酸酯类、偶氮二醇烯和金属亚硝酰化合物等，这些NO供体可在内源性刺激如pH、GSH、H2O2或外源性刺激如光、X射线等下响应释放。因此，开发生物相容性高、稳定性好、可控释放的NO纳米载体材料或递送系统在生物医学领域，特别是抗肿瘤治疗领域将会具有巨大的应用潜力。其中，由于光的非侵入性、可控性和实用性，其作为一种NO供体的外源性刺激已经展现出极大的优势。但是，紫外光响应释放可能会对机体造成一定的光毒性，因此限制了其实际的应用。相对的，近红外光(NearInfrared Light，NIR)具有更大的组织穿深以及更低的光毒性，因此，开发近红外光响应的可控释放NO的纳米载体具有更广阔的应用前景。
发明内容
发明目的：本发明基于上转换纳米粒子表面配体与功能性分子基团交换原理，利用末端氨基改性的聚乙二醇-聚硝酸酯环碳酸酯聚合物与上转换纳米粒子进行配体交换，实现大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子的制备目的。
技术方案：本发明的大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子，通过末端氨基改性的聚乙二醇-聚硝酸酯环碳酸酯(PEG-PNTC)聚合物与上转换纳米粒子(UCNPs)进行配体交换得到大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子(UNTPs)。
进一步地，所述的大分子一氧化氮供体是末端氨基改性的聚合物分子。
进一步地，所述聚乙二醇与硝酸酯环碳酸酯的质量比为1∶1～1∶5。
进一步地，上转换纳米粒子表面带有易于进行配体交换的小分子基团。
进一步地，所述小分子基团包括油酸、柠檬酸或油胺等。
进一步地，所述的大分子一氧化氮供体与上转换纳米粒子的投料质量比为3∶1～30∶1。
进一步地，所述的大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子在600～980nm的近红外光照射下能够调控NO的释放。
所述的大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：利用聚乙二醇作为引发剂，与生物可降解的硝酸酯环碳酸酯单体(NTC)开环聚合，然后羟基活化后与二胺类分子反应得到大分子一氧化氮供体；
步骤二：将上转换纳米粒子(UCNPs)与大分子一氧化氮供体分别溶解在一定体积的溶剂中；
步骤三：将步骤二制得的两份溶液混合，在25～65℃与避光条件下机械搅拌5～15h，最终反应后的上转换纳米粒子转移到水相中得到大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子(UNTPs)。
进一步地，所述步骤一中二胺类分子包括乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、五乙烯六胺等；步骤二溶剂包括氯仿、四氢呋喃等。
所述大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子在制备抗肿瘤治疗、免疫以及心血管疾病药物中的应用。
有益效果：
1.本发明提供了一种简单便捷、分散性稳定、反应条件温和的大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子的制备方法；
2.本发明提供了一种末端氨基改性的聚乙二醇-聚硝酸酯环碳酸酯(PEG-PNTC)聚合物的合成方法；
3.本发明提供的方法在制备大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子的同时实现远程光调控一氧化氮的释放，扩展了其在药物运输、细胞靶向、癌症治疗和免疫等方面的应用。
附图说明
图1为实施例1中mPEG-PNTC的氢核磁图谱；
图2为实施例1中mPEG-PNTC-NPC的氢核磁图谱；
图3为实施例1中mPEG-PNTC-PEI的氢核磁图谱；
图4为实施例2中mPEG-PNTC-PEI、UCNPs和UNTPs的红外图谱；
图5为实施例2中UCNPs的粒径图与TEM图；
图6为实施例2中UNTPs的粒径图与TEM图；
图7为实施例2中UCNPs在808nm近红外光照射下的荧光发射图谱；
图8为实施例2中mPEG-PNTC-PEI和UNTPs的紫外吸收图谱；
图9为实施例3中mPEG-PNTC-PEI和UNTPs在808nm近红外光照射下的NO体外释放结果；
图10为实施例4中UNTPs在808nm近红外光照射下的细胞毒性实验结果。
具体实施方式
实施例1：大分子一氧化氮供体mPEG-PNTC-PEI的合成
(1)mPEG-PNTC的合成，合成路线及过程如下：
Figure BDA0003041269610000031
硝酸酯环碳酸酯单体(NTC)(300mg，1.57mmoL)与甲氧基聚乙二醇(300mg，0.06mmoL)共溶于一定体积的二氯甲烷中，滴加双(双三甲基硅基)胺锌催化剂，将反应器密封，25～45℃油浴中搅拌过夜，冰乙醚中沉淀，真空干燥后得到产物mPEG-PNTC。核磁表征见附图1，1H NMR(400MHz，CDCl3)：δ4.45(s，-CH2ONO2)，4.12(s，-CH2CCH2-)，3.65(s，-OCH2CH2O-)，3.38(s，CH3O-)，1.12(s，-CCH3)。
(2)mPEG-PNTC-NPC的合成，合成路线及过程如下：
Figure BDA0003041269610000032
mPEG-PNTC(300mg，0.038mmol)与对硝基苯基氯甲酸酯(NPC)(230mg，1.14mmol)共溶于一定体积的二氯甲烷中，然后加入吡啶，室温反应过夜，用冰乙醚沉淀，真空干燥得到产物mPEG-PNTC-NPC。核磁表征见附图2，1H NMR(400MHz，CDCl3)：δ8.89(s，-CHCNO2)，7.98(s，-OCCH-)，4.45(s，-CH2ONO2)，4.12(s，-CH2CCH2-)，3.64(s，-OCH2CH2O-)，1.12(s，-CCH3)。
(3)mPEG-PNTC-PEI的合成，合成路线及过程如下：
Figure BDA0003041269610000041
mPEG-PNTC-NPC(200mg，0.025mmol)与五乙烯六胺(178μL，0.75mmol)共溶于一定体积的二氯甲烷中，反应4～6h，用冰乙醚沉淀，真空干燥得到产物mPEG-PNTC-PEI。核磁表征见附图3，1H NMR(400MHz，CDCl3)：δ4.45(s，-CH2ONO2)，4.12(s，-CH2CCH2-)，3.64(s，-OCH2CH2O-)，2.82(s，-NHCH2CH2NH2)，1.12(s，-CCH3)。
实施例2：大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子(UNTPs)的制备与表征
(1)称取mPEG-PNTC-PEI(75mg，0.009mmol)溶于一定体积的氯仿中，取1mL上转换纳米粒子的环己烷溶液(5mg/mL)分散在一定体积的氯仿中，将两份溶液混合并进行避光处理，在45～55℃的油浴中剧烈搅拌14～15h，反应后的上转换纳米粒子转移到水相中得到大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子。
(2)分别取mPEG-PNTC-PEI、UCNPs和UNTPs，制备溴化钾压片，通过傅立叶变换红外(FTIR)光谱检测其红外图谱，红外图谱见附图4。
(3)将UCNPs与UNTPs分别配制成2mg/mL的溶液，利用粒径仪与透射电子显微镜(TEM)对其形貌和大小进行考察，粒径图与电镜图见附图5和6。
(4)为了使大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子成功释放一氧化氮，上转换纳米粒子的发射光与嵌段聚合物的吸收光需相互匹配，制备2mg/mL的UCNPs的溶液，以808nm的激光为激发光源，记录其荧光发射强度，荧光发射光谱见附图7。利用紫外可见分光光度计对2mg/mL的mPEG-PNTC-PEI及UNTPs进行检测，其紫外吸收光谱见附图8。结果表明，上转换纳米粒子的发射光与嵌段聚合物的吸收光能够相互匹配，有望实现近红外光刺激UNTPs成功释放NO。
实施例3：大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子(UNTPs)的体外一氧化氮释放
采用Griess试剂检测大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子(UNTPs)的体外一氧化氮释放量。在黑暗条件下用808nm的近红外光分别照射样品不同时间(0min、5min、10min、15min)，然后取每个样品于96孔板中，分别加入格里斯试剂I和II，在黑暗中震荡反应10min，在540nm下用酶标仪检测。如图9所示，在808nm近红外光的照射下，该大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子能够成功释放NO。
实施例4：大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子(UNTPs)的细胞毒性实验(MTT)
大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子(UNTPs)的细胞毒性实验采用MTT法。在37℃和5％的二氧化碳条件下，在96孔板中利用含有10％血清的DMEM培养基培养黑色素瘤细胞(B16F10)，细胞密度为10000个/孔。12小时后，加入样品UNTPs共孵育24小时，然后加入MTT溶液(5mg/mL)。继续培养4小时后，加入150μL的DMSO，在490nm下用酶标仪进行检测。如附图10，该大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子(UNTPs)在不同的近红外光照射时间下展现出了显著的细胞毒性，说明该大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子在抗肿瘤治疗方面具有巨大的应用潜力。

Claims (10)

1.一种大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子，其特征在于：末端氨基改性的聚乙二醇-聚硝酸酯环碳酸酯(PEG-PNTC)聚合物与上转换纳米粒子(UCNPs)进行配体交换得到大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子(UNTPs)。
2.如权利要求1所述的大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子，其特征在于：所述的大分子一氧化氮供体是末端氨基改性的聚合物分子。
3.如权利要求1所述的大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子，其特征在于：所述聚乙二醇与硝酸酯环碳酸酯的质量比为1∶1～1∶5。
4.如权利要求1所述的大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子，其特征在于：上转换纳米粒子表面带有易于进行配体交换的小分子基团。
5.如权利要求4所述的大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子，其特征在于：所述小分子基团包括油酸、柠檬酸或油胺等。
6.如权利要求1所述的大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子，其特征在于：所述的大分子一氧化氮供体与上转换纳米粒子的投料质量比为3∶1～30∶1。
7.如权利要求1所述的大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子，其特征在于：所述的大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子在600～980nm的近红外光照射下能够调控NO的释放。
8.权利要求1～7任一项所述的大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：利用聚乙二醇作为引发剂，与生物可降解的硝酸酯环碳酸酯单体(NTC)开环聚合，然后羟基活化后与二胺类分子反应得到大分子一氧化氮供体；
步骤二：将上转换纳米粒子(UCNPs)与大分子一氧化氮供体分别溶解在一定体积的溶剂中；
步骤三：将步骤二制得的两份溶液混合，在25～65℃与避光条件下机械搅拌5～15h，最终反应后的上转换纳米粒子转移到水相中得到大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子(UNTPs)。
9.根据权利要求8所述的大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子的制备方法，其特征在于：所述步骤一中二胺类分子包括乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、五乙烯六胺等；步骤二中溶剂包括氯仿、四氢呋喃等。
10.如权利要求1所述大分子一氧化氮供体修饰的上转换纳米粒子在制备抗肿瘤治疗、免疫以及心血管疾病药物中的应用。
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