聚酰胺-胺修飾磁性氧化鐵納米粒子合成工藝研究進展

董翩翩，顏國強，宋銘山，李淑香，王彩霞，董平軒,2，付春華,2

（1.德州學院醫(yī)藥與護理學院，山東德州253023；2.山東省新型藥 用輔料及緩控釋制劑工程實驗室，山東德州253023）

四氧化三鐵磁性材料（IONP）當其尺度達到納米級（尤其是當尺寸＜30nm）時具有超順磁性、低生物毒性、良好的導電和導熱性能。這些特點使IONP在藥物磁靶向傳輸和釋放、核磁共振成像、腫瘤熱療、生物傳感器與生物探針、酶工程載體等生物醫(yī)學領域有廣闊的應用前景[1-5]。

但是，通過物理、化學方法獲得的IONP在應用時存在以下不足：首先，裸磁粒在水中分散性較差，容易聚集沉降，因此需要表面修飾以提高其穩(wěn)定性；其次，IONP表面缺乏可利用的活性基團[6-8]，不易在其表面引入生物活性分子。利用聚合物對IONP進行包覆是解決上述問題最有效的途徑之一，高分子本身的特性可賦予IONP良好的生物相容性、分散性及特殊應用目的。材料學工作者在高分子修飾IONP方面進行了大量研究，如臺灣長庚大學莊俊煌等人[9-12]用殼聚糖修飾IONP并對其核磁成像性能進行了系統(tǒng)的研究。其它如PEG及嵌段共聚物、淀粉、葡聚糖等親水性高分子修飾IONP用作藥物控釋載體等醫(yī)藥領域的研究也有大量文獻報道[13-17]。

在高分子修飾IONP的研究中，樹枝狀高分子（dendrimer）因其結構特殊性，引起了諸多領域學者的關注。用樹枝狀高分子包覆裸Fe3O4納米粒子從而提高其生物相容性是一種最為有效的 修飾手段。本文針對目前研究最多的樹枝狀高分子PAMAM修飾IONP粒子的合成工藝及應用進行歸納和總結。

1 氧化鐵納米粒子的分類和特點

氧化鐵從分子結構上分為Fe3O4和Fe2O3兩大類，其中Fe2O3包括α、β、γ、ε四種晶體構型。β、γ、ε-Fe2O3納米粒子具有順磁性但晶體穩(wěn)定性差，在一定條件下發(fā)生相變轉化為結構最穩(wěn)定的α-Fe2O3

[18-19]， 而α-Fe2O3的弱磁性限制了其在生物醫(yī)學領域的應用。因此，目前對IONP修飾用于生命科學領域，研究較多的是超順磁性Fe3O4、γ-Fe2O3及與其它氧化物形成的復合氧化物，如MFe2O4或MOFe2O3(這里 M=Co, Li, Ni or Mn)。

2 樹枝狀高分子的特點

1985年 Tomalia等人[20]以乙二胺（en）和丙烯酸甲酯（MA）為單體合成第一個樹枝狀高分子PAMA M，開辟了超支化多功能高分子的研究熱潮。這類分子的應用潛力立刻吸引多個領域學者的關注，樹枝狀高分子與普通聚合物分子相比，其優(yōu)勢表現(xiàn)為：1）分子量大小可根據反應代數(shù)精確控制（圖1），豐富的末端基團容易偶聯(lián)生物活性分子，可作為基因或靶向分子載體；2）這類分子具有強的穿透細胞膜能力且能在細胞內長時間停留，可作為轉基因載體；3）分子內部大的空腔可用作藥物控釋載體[21]。

圖1 樹枝狀高分子的結構Fig 1 The structure of dendrimer

當前，新型和功能化的樹枝狀高分子不斷增加，如四川大學顧忠偉等人[22]以賴氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）、谷氨酸等為重復單元，設計合成多系列的不同代數(shù)的單分散性肽類樹枝狀聚合物。上海交通大學董常明課題組[23]合成了扇形樹枝狀高分子用作藥物控釋載體。而PAMAM因單體便宜易得、合成條件溫和、合成效率高，在修飾IONP方面具有明顯優(yōu)勢。

3 PAMAM修飾IONP的方法

如上所述，用PAMAM接枝IONP制備“核-殼”結構的復合粒子，充分利用樹枝狀高分子和磁性氧化鐵的磁響應性，可使其在生物醫(yī)學領域得到更好的應用。

圖2 PAMAM修飾IONP工藝過程Fig 2 The Processes of functional IONP with PAMAM

目前制備PAMAM-IONP的方法按照圖2所示工藝進行。該工藝包括3個步驟：1） IONP的氨基化。3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-Aminopropyltriethoxysilan, APTS）與磁性納米粒子表面羥基發(fā)生取代反應，獲得表面具有氨基的復合粒子G0。2）邁克爾加成反應。磁性粒子表面的氨基與丙烯酸甲酯中的烯烴基在甲醇溶液中發(fā)生邁克爾加成反應，分子結構開始枝化，獲得酯鍵末端的G0.5代復合粒子。3）氨基化反應。用二元胺單體分子在甲醇中胺解G0.5粒子的酯鍵，獲得氨基封端的G1.0代復合粒子，完成第一代枝化反應。重復邁克爾加成反應和胺解反應n次，獲得n代PAMAM修飾的復合 粒子。由 于IONP具有磁響應性，PAMAM制備過程中，產物容易與未反應單體分離，使得產物純化過程得以簡化。

3.1 IONP表面氨基化研究進展

根據IONP氨基化原理，APTS只有與表面帶有-OH的納米粒子才能進行氨基化反應，當粒子表面無-OH可利用時，可先用SiO2包覆，借助形成的-Si-O-H與APTS進行反應[24-26]。APTS修飾IONP的反應需在有機溶劑中進行，分為疏水有機溶劑和親水性有機溶劑兩種類型。

3.1.1 疏水溶劑中氨基化反應

疏水溶劑是指采用甲苯或二甲苯等作為氨基化反應溶劑，如蘭州大學趙光輝課題組[27-29]分別采用甲苯和二甲苯為溶劑，機械攪拌條件下120℃回流反應12h，獲得氨基化修飾的IONP-NH2。使用疏水溶劑的優(yōu)點是APTS分子中的硅烷基團與IONP粒子表面-OH發(fā)生圖2所示的反應，在IONP表面形成單分子層。雖然后續(xù)對該方法不斷調整操作條件 以提高反應效率，但是該方法仍有自身不足：氨基化的前體的IONP因表面帶有-OH，在甲苯中分散性差，在反應過程中粒子容易團聚，造成IONP表面-NH2不均，從而影響后續(xù)反應效果。

3.1.2 親水溶劑中氨基化反應

若采用乙醇、甲醇等親水溶劑作為反應溶劑，當溶劑中含有少量水分子時，ATPS會首先與水反應，3個乙氧基分別被水取代[30-31]形成水解產物，水解產物容易聚合形成聚合物（4），聚合物產物再與IONP表面-OH反應在粒子表面形成多分子層的APTS聚合物。因此采用此類溶劑時，應嚴格控制溶劑中的水含量，上海交通大學高峰等人[32-35]以無水乙醇為溶劑，70℃回流反應5h成功獲得單分子層ATPS修飾IONP粒子。

3.2 邁克爾加成反應研究進展

反應溫度、時間和單體比例是保證氨基與烯烴鍵發(fā)生邁克爾加成反應的必要條件，也是控制反應效率和速率的主要因素，為保證氨基充分支化需要加入過量丙烯酸甲酯，因此對該過程的研究主要集中在反應溫度和時間的控制上。Tomalia等人的研究結果表明，當溫度＞25℃，氨基會將丙烯酸甲酯水解形成羧基，從而使分支無法繼續(xù)發(fā)散；且溫度＞50℃時，會發(fā)生復雜副反應不能有效支化，因此邁克爾加成反應一般控制在≤25℃條件下進行。早期合成反應普遍采用低溫反應，即0~10℃、24~48h獲得G0.5復合粒子[36-37]。但是反應溫度過低使得反應速率下降，粒子制備過程耗時長，合成5代PAMAM需要3~4周時間。高峰等人將反應溫度提高到25℃，反應時間縮短到5h，從而提高了邁克爾加成反應效率，目前該合成方案被普遍采用。在該溫度下，反應時間過長同樣容易發(fā)生氨基將丙烯酸甲酯水解的結果。

3.3 氨解反應研究進展

使用二元胺將丙烯酸甲酯酯鍵氨解，從而獲得G1.0代PAMAM與IONP復合粒子。為確保酯鍵充分被酰胺化形成氨基末端，需要加入過量二元胺單體，氨解溫度一般控制在25~50℃，氨解時間為7~24h，獲得氨基封端的復合粒子。重復邁克爾加成反應和氨解反應，可獲得不同代數(shù)的PAMAM-IONP復合粒子。

4 PAMAM-IONP復合粒子在生物醫(yī)學領域的應用

PAMAM-IONP復合粒子在藥物控釋、核磁成像、轉基因載體等領域均具有潛在的應用價值。Wiener 等人[38]將PAMAM嵌段聚合物修飾的IONP用作腫瘤組織核磁造影劑研究，與裸IONP相比效果明顯改善。Liu等人[39]將合成復合粒子加載抗癌藥物，借助核磁成像技術研究藥物在不同組織、不同時間的釋藥情況，結果表明PAMAM修飾后的IONP在核磁成像、藥物控釋效果方面均優(yōu)于線性高分子修飾磁性粒子。

5 結論及展望

樹枝狀高分子無疑已成為當前學術界的一大研究熱點，PAMAM是樹枝狀高分子化學中研究較為成熟的一類, 以其合成簡單、質量穩(wěn)定、結構獨特等優(yōu)勢已在多個領域顯示出廣闊的應用前景。雖然樹枝狀大分子具有廣泛的應用價值, 但是它的合成過程繁瑣，成本較高，因而限制了其在工程領域的應用。隨著電解化學合成反應的發(fā)展， 各種新型樹枝狀高分子不斷涌現(xiàn)，樹枝狀高分子合成的理論研究不斷深化，都將為這類高分子在醫(yī)藥領域提供更好的應用前景。

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