水溶性納米Fe3O4-阿魏酸抗凝血材料的合成及性能

高琦寬 王喜存 宋玉民＊,

(1甘肅衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院，蘭州 730000)

(2西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，蘭州 730070)

近年來，血栓栓塞類疾病越來越受到人們的關(guān)注，它是一類嚴(yán)重危害人類健康和生命的疾病，可發(fā)生于全身各處血管中，從而表現(xiàn)出各種癥狀，是中風(fēng)、心梗塞、腦梗塞的直接原因之一[1-3]。華法靈鈉、肝素、枸櫞酸鈉是目前通用的抗凝血藥物，但經(jīng)常使用或大量使用非常容易引起自發(fā)性出血，所以研究和開發(fā)更好的抗凝血藥物，成為藥學(xué)專家和生物化學(xué)家的一個(gè)目標(biāo)，如焦天權(quán)，朱元成等曾研究過稀土元素配合物的抗凝血性質(zhì)[4-5]。從當(dāng)歸、川穹、阿魏、升麻中提取的阿魏酸(Ferulic acid，化學(xué)名稱為4-羥基-3-甲氧基肉桂酸，Scheme 1)，具有抗氧化、抗動(dòng)脈粥樣硬化、抗炎、抗凝血等多種藥理學(xué)作用，因此廣泛應(yīng)用于藥物、食品、保健等領(lǐng)域，臨床上可用于心臟病、腦血管病、某些血液病等疾病的治療[6-8]。但是阿魏酸(FA)分子中含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，屬于憎水基團(tuán)，很難溶于水和透過生物膜雙分子層，所以對(duì)阿魏酸分子進(jìn)行改性以得到阿魏酸衍生物或制備水溶性阿魏酸金屬配合物成為研究的熱點(diǎn)之一[9]。本課題組曾研究過過渡金屬與阿魏酸二元配合物、稀土元素與阿魏酸二元配合物的抗凝血作用[10-11]，結(jié)果表明這些二元配合物的抗凝血時(shí)間比阿魏酸的抗凝血時(shí)間要長，但二元配合物的水溶性仍然較差。由于阿魏酸及其衍生物的水溶性差，直接影響到其藥用效果，如何提高其藥物的利用效率和靶向給藥性，一直是藥物學(xué)家和化學(xué)家關(guān)注的課題。Wang等通過化學(xué)修飾的方法將DBI-PEG水溶性長鏈分子接枝到Fe3O4磁性納米粒子的表面[12]，在水溶性長鏈的末端通過席夫堿(-C=N-)把抗癌藥物色酮甲醛接枝到Fe3O4磁性納米粒子上，藥物的水溶性大大提高，而且由于Fe3O4磁性納米粒子的定向作用，藥物達(dá)到了更好的治療效果。針對(duì)阿魏酸水溶性差的特性，作者參考Wang等的方法，先在DBI-PEG水溶性長鏈分子末端通過化學(xué)反應(yīng)將阿魏酸分子接枝上去，后將已接枝阿魏酸分子的DBI-PEG水溶性長鏈分子接枝 到Fe3O4磁性納米粒子的表面，得到了水溶性較好的Fe3O4-DBI-PEG-阿魏酸長鏈分子 (溶解度＞10 mg·mL-1，而阿魏酸溶解度＜1 mg·mL-1)?？鼓獙?shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)e3O4-DBI-PEG-阿魏酸長鏈分子，比阿魏酸分子的抗凝血時(shí)間、復(fù)鈣時(shí)間要長。說明Fe3O4-DBI-PEG-阿魏酸比阿魏酸分子具有更好的抗凝血性質(zhì)。本文報(bào)道了Fe3O4-DBI-PEG-阿魏酸磁性納米粒子雜化材料的合成、表征及體外抗凝血性質(zhì)研究結(jié)果。在外磁場(chǎng)存在下的該雜化材料在動(dòng)物體內(nèi)的靶向給藥性研究正在進(jìn)行中。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1． 1 儀器和試劑

FTS-3000型紅外光譜儀 (美國PE公司，KBr壓片， 攝譜范圍 4 000～400 cm-1)；Mercury plus 400 超導(dǎo)核磁儀(美國Varian公司)，TG/DTA-6300熱重-差熱分析儀(美國PE公司)；數(shù)顯智能控溫磁力攪拌器(鞏義市英峪予華儀器廠)；恒溫水浴鍋(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)；KQ-100M超聲波清洗器 (東莞市科橋超聲波設(shè)備有限公司)。產(chǎn)品的表面形貌的表征采用的儀器是掃描電子顯微鏡(XL-20,飛利浦公司，荷蘭)，操作電壓為25 kV；透射電鏡 (Philips EM420 120 kV)；振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(美國 Lake shore 7404)；激光粒度儀 (Zetasizer Nano-Zs laser particle size instrument,Malvern,UK)。 聚乙二醇 4000，CH2Cl2，三乙胺，CH2SO2Cl，3,4-二羥基苯甲醛均為分析純。Fe3O4納米粒子 (20 nm)購自Aladdin Chemistry Co．Ltd，阿魏酸(上海中秦化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 雜化材料的合成

1．2．1 合成 H2N-PEG-NH2

在250 mL燒瓶中加入5 mmol聚乙二醇4000和150 mL干燥后的CH2Cl2,再加入15 mL三乙胺，混合冰浴下逐滴加入7 mL CH3SO2Cl。加完后移去冰浴，室溫下反應(yīng) 24 h，用 150 mL 50 mmol·L-1的NaHCO3溶液洗滌后用CH2Cl2萃取過濾。

Scheme 1 Molecular structure of ferulic acid

1．2．2 合成 DBI-PEG-NH2

稱取 0．2 mmol H2N-PEG-NH2，加 25 mL 乙醇和25 mL CH2Cl2于圓底燒瓶中， 稱取0．2 mmol 3,4-二羥基苯甲醛，用50 mL乙醇溶解后置于恒壓漏斗中，緩慢滴加進(jìn)入圓底燒瓶(12 h)，同時(shí)冰浴(反應(yīng)過程如(1)式)。 再加入 0．2 mmol NaBH4攪拌 4 h。 常壓過濾，蒸干后加乙醚抽濾，得到產(chǎn)物，產(chǎn)率40%[13]。

1．2．3 合成阿魏酸雜化材料

分別稱取 0．25 mmol阿魏酸，0．03 mmol DCC(N,N′-二環(huán)己基碳二亞胺，脫水縮合劑)和0．05 mmol NHS(N-羥基丁二酰亞胺，酰胺化試劑)于圓底燒瓶中，用15 mL DMF進(jìn)行溶解，在常溫下攪拌 24 h后再加入 DBI-PEG-NH20．25 mmol，氯仿 3 mL，完全溶解后攪拌12 h(反應(yīng)過程如(2)、(3式))，后加入氯仿分散的Fe3O4，無沉淀生成(反應(yīng)過程如(4)式)。繼續(xù)攪拌12 h后將溶液轉(zhuǎn)移到離心管內(nèi)加石油醚高速離心，分離離心管上層清液。將油狀沉淀用二氯甲烷和石油醚處理成固體沉淀后再離心，去掉離心管上層清液。用乙醇清洗沉淀表面，晾干，得到粉末狀產(chǎn)物，標(biāo)記為Fe3O4-DBI-PEG-FA。

1．2．4 雜化材料溶液的配制

雜化材料用二次蒸餾水溶解，并超聲10 min，配制成 2．0，0．20，0．020 mmol·L-1的溶液。

1.3 凝血實(shí)驗(yàn)

1．3．1 全血凝血實(shí)驗(yàn)(CT)

取3組干凈的試管，每組3支。第1組為空白組，第2、3組分別為阿魏酸(FA)、阿魏酸雜化材料(加 入 溶 液 的 濃 度 均 為 2．0 mmol·L-1， 體 積 為0．25 mL)。

將空白組試管和加好樣品的2組試管放入 37℃水浴中進(jìn)行恒溫，之后沿各試管壁加入1 mL人血，繼續(xù)在水浴中恒溫2 min，同時(shí)開啟秒表，每隔30 s以30°輕輕傾斜試管并觀察，直至血液不再流動(dòng)為止，記錄該時(shí)間為全血凝血時(shí)間。

運(yùn) 用 上 述 實(shí) 驗(yàn) 方 法 測(cè) 定 0．20 mmol·L-1和0．020 mmol·L-1溶液的凝血時(shí)間。

1．3．2 復(fù)鈣實(shí)驗(yàn)(RT)

將阿魏酸及Fe3O4-DBI-PEG-FA固體放入0．154 mol·L-1的生理鹽水中浸泡 24 h，烘干。取 3 組潔凈的試管，每組3支。第1組為空白組，第2、3組分別加入0．1 g的FA，F(xiàn)A雜化材料，37℃水浴恒溫2 min。 向 3組 試管 中分 別加入 人 血 0．3 mL，0．025 mol·L-1的 CaCl2溶液 0．3 mL，置于 37 ℃水浴中恒溫，同時(shí)開啟秒表，將一根不銹鋼小鉤伸入溶液中均勻緩慢地?cái)噭?dòng)，并檢查是否有纖維蛋白的形成。當(dāng)小鉤上剛出現(xiàn)絲狀物時(shí)，記錄時(shí)間，此時(shí)間即為復(fù)鈣時(shí)間。

1．3．3 抗凝血活性實(shí)驗(yàn)

采用活化部分凝血活酶時(shí)間(APTT)和凝血酶原時(shí)間 (PT)2個(gè)指標(biāo)來考查雜化材料對(duì)凝血系統(tǒng)的影響[13]。

取5組潔凈的試管，每組3支，第1組為空白樣， 第 2～5 組分別加入濃度為 0．20 mmol·L-1和0．20 mmol·L-1的阿魏酸及阿魏酸雜化材料溶液0．25 mL。 向 15支試管中分別加入 0．5 mL血漿，0．025 mol·L-1的 CaCl2溶液 0．3 mL，37 ℃水浴恒溫后，記錄出現(xiàn)纖維蛋白絲的時(shí)刻，該時(shí)間為APTT。凝血酶原時(shí)間實(shí)驗(yàn)中，快速加入PT試劑，記錄凝固時(shí)間，該時(shí)間為PT。

2 結(jié)果與討論

2.1 雜化材料表征

2．1．1 紅外光譜

在H2N-PEG-NH2紅外光譜圖中，出現(xiàn)很強(qiáng)的-C-H 伸縮振動(dòng)吸收峰(2 887 cm-1，)，很強(qiáng)的 νa(-C-OC)振動(dòng)吸收出現(xiàn)在1 111 cm-1，中等強(qiáng)度的(CH2)吸收出現(xiàn)在1 467 cm-1；在DBI-PEG-NH2的紅外譜中，不僅出現(xiàn)有H2N-PEG-NH2的基團(tuán)特征吸收峰(2 887、1 112 cm-1)， 還 出 現(xiàn) ν(-OH)的 吸 收 峰(3 445 cm-1)，說明3,4-二羥基苯甲醛與H2N-PEGNH2反應(yīng)，生成DBI-PEG。在Fe3O4-DBI-PEG紅外光譜圖中，不僅有DBI-PEG-NH2分子基團(tuán)的特征吸收峰(3 445、2 887、1 112 cm-1)，還出現(xiàn)很強(qiáng)的金屬 Fe-O吸收峰(616 cm-1)。

在阿魏酸、Fe3O4-DBI-PEG-阿魏酸雜化材料的紅外圖譜中可以看出阿魏酸與雜化材料相比某些特征吸收峰發(fā)生了明顯的位移，強(qiáng)度也有著相應(yīng)的變化，說明阿魏酸接枝到納米氧化物表面。阿魏酸分子羧酸中O-H的面外變形振動(dòng)吸收峰出現(xiàn)在950～900 cm-1[14]，羧羰基振動(dòng)峰出現(xiàn)在1 686 cm-1，在3 425 cm-1處的酚羥基伸縮振動(dòng)吸收峰，形成雜化材料后變成了一個(gè)平滑的寬峰 (3 300～3 600 cm-1)，是阿魏酸雜化材料中O=C-N基團(tuán)中的胺基 (3 300～3 500 cm-1)振動(dòng)吸收峰與阿魏酸酚羥基的伸縮振動(dòng)吸收峰的疊加結(jié)果。阿魏酸在1 686 cm-1處的羰基振動(dòng)峰在雜化材料的紅外譜圖出現(xiàn)在1 635 cm-1處，向低波數(shù)移動(dòng)，說明阿魏酸的羧羥基與PEG的NH2發(fā)生作用，生成了酰胺基團(tuán)。由此可見阿魏酸雜化材料被成功合成。

2．1．2 雜化材料的1H NMR分析

阿魏酸在 CDCl3中1H NMR 為：δ=3．83(-OCH3),6．37(-CH=C-benzene),7．54 (-benzene-CH=C),9．57(-OH),12．16(-COOH)。H2N-PEG-NH2在 CDCl3中1H NMR 為：δ=2．49 (-NH2),3．33 (N-CH2),3．49(-CH2)。DBI-PEG-NH2在 CDCl3中1H NMR 為 ： δ=2．97(t,2H,NH2CH2),3．63(brs,ca．373H,PEG 4000),3．68(t,2H,NH2CH2CH2),6．45(d,1H,Ph),6．44(d,1H,Ph),6．36 (s,1H,Ph)。 DBI-PEG-FA 在 CDCl3中1H NMR 為：δ=2．32(-NH),6．45(-CH=C-benzene),7．56(-benzene-CH=C),3．79(-OCH3),10．51(-OH)。

顯然形成雜化材料以后，-NH中的1H NMR由最初的 2．49 位移至 2．32，-CH=C-benzene 由 6．37 位移 到 6．45，-benzene-CH=C 由 7．54 位 移 到 7．56，-OCH3由 3．83 位 移 到 3．79，-OH 由 9．57 位 移 到10．51，而-COOH的1H NMR消失，說明阿魏酸已接枝到H2N-PEG-NH2的一端，與DBI和Fe3O4共同形成了雜化材料。

2．1．3 雜化材料的熱分析

以α-Al2O3為參比，以10℃·min-1為升溫速率，在N2保護(hù)下從室溫升至800℃，得阿魏酸和雜化材料的熱重(TG-DTA)曲線。圖1為阿魏酸(a)和阿魏酸雜化材料(b)的TG曲線圖。

從圖1中可以看出，對(duì)于Fe3O4-DBI-PEG-NH2的熱重曲線(a)，在25～220℃溫度范圍內(nèi)失重5%左右，是該物質(zhì)失去的自然吸附水造成的。第二階段在230～450℃溫度范圍內(nèi)，失重 26．0%，這是失去的嫁接在納米四氧化三鐵表面的DBI-PEG-NH2所致。然而對(duì)于Fe3O4-DBI-PEG-FA的熱重曲線(b)，在第一階段25～250℃失重2．0%的自然吸附水，而在250～650℃急劇失重約58．0%，這部分是因?yàn)槭チ思藿釉贔e3O4納米粒子表面的DBI-PEG-FA，最終產(chǎn)物為Fe3O4。接枝的阿魏酸大約占3．0%，所有這些信息說明Fe3O4-DBI-PEG-阿魏酸分子被合成了。

與文獻(xiàn)報(bào)道的阿魏酸分解溫度190℃相比[15]，雜化材料的分解溫度在250℃以上，表明雜化材料的穩(wěn)定性大于阿魏酸。

圖1 (a)Fe3O4-DBI-PEG-NH2和(b)Fe3O4-DBI-PEGFA熱重圖Fig．1 TG of Fe3O4-DBI-PEG-NH2(a)and Fe3O4-DBIPEG-FA(b)

2．1．4 合成材料的電鏡圖分析

圖2 Fe3O4和Fe3O4-DBI-PEG-FA的電鏡圖Fig.2 SEM images of Fe3O4 nanoparticles(a)and Fe3O4-DBI-PEG-FA(b);TEM images of Fe3O4 nanoparticles(c)and Fe3O4-DBI-PEG-FA(d)

圖2 為Fe3O4和Fe3O4-DBI-PEG-FA的電鏡圖。從電鏡圖可以看出有一定團(tuán)聚現(xiàn)象的球形納米Fe3O4粒子，如圖2a。當(dāng)納米Fe3O4粒子通過DBIPEG-NH2嫁接到阿魏酸上后，由于分子體積變大導(dǎo)致粒徑增大，粒子更加分散，長度在40～100 nm不等，雜化材料分別為層狀和納米纖維狀結(jié)構(gòu)的固體，進(jìn)一步說明納米氧化物被DBI-PEG-NH2改性，并和阿魏酸反應(yīng)接枝，在掃描電鏡中基本看不到納米氧化物粒子，這表明在納米氧化物表面成功的發(fā)生了接枝反應(yīng)，阿魏酸已將氧化物粒子完全包覆，如圖2b。但在透射電鏡圖中(圖2c)，可以明顯看出球形聚集的納米Fe3O4粒子，還可以看出單獨(dú)的納米Fe3O4粒子和在阿魏酸雜化材料(圖2d)中的納米粒子非常相似，由于透射電鏡無法反映有機(jī)基團(tuán)，只能看到納米粒子周圍存在有白色物質(zhì),說明Fe3O4粒子被有機(jī)物DBI-PEG-FA包裹。

2.1.5 合成材料的磁性能分析

由圖3可以看到在相同強(qiáng)度磁化場(chǎng)內(nèi)，F(xiàn)e3O4納米粒子單位質(zhì)量的磁感強(qiáng)度較大而Fe3O4-DBI-PEGFA粒子單位質(zhì)量的磁感強(qiáng)度較小。這說明兩種物質(zhì)都含有Fe3O4磁性粒子。Fe3O4納米粒子磁感強(qiáng)度較大是因?yàn)闃悠啡渴荈e3O4粒子，而Fe3O4-DBI-PEGFA粒子的磁感強(qiáng)度較小是因?yàn)闃悠泛胁糠諪e3O4粒子部分有機(jī)基團(tuán)，導(dǎo)致磁性的Fe3O4粒子的含量降低。由此可說明有機(jī)基團(tuán)的引入導(dǎo)致Fe3O4-DBIPEG-FA單位質(zhì)量的磁感強(qiáng)度降低。

由于引入Fe3O4納米粒子，雜化材料表現(xiàn)出順磁性。合成的雜化材料的水溶液在沒有外磁場(chǎng)的情況下能夠穩(wěn)定存在(圖4a)。當(dāng)有外磁場(chǎng)存在時(shí)，該溶液中的雜化材料分子就會(huì)向磁場(chǎng)方向移動(dòng)，聚集到一起，如圖4b所示。雜化材料的這種順磁性是該材料在動(dòng)物體內(nèi)可以具有靶向給藥性的依據(jù)。

圖3 納米Fe3O4和Fe3O4-DBI-PEG-FA的振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)圖Fig.3 VSM images of Fe3O4 NPs and Fe3O4-DBI-PEGFA NPs

2.1.6 合成材料的粒徑測(cè)試

圖5是DBI-PEG和雜化材料Fe3O4-DBI-PEGFA的粒徑分布強(qiáng)度，可以看出DBI-PEG的粒徑大小約為為114 nm，而當(dāng)其與阿魏酸接枝形成Fe3O4-DBI-PEG-FA后其粒徑增大，為176 nm，說明阿魏酸已經(jīng)接枝到了DBI-PEG上，形成了雜化材料。且其分布峰變寬，所形成的雜化材料表現(xiàn)出一定的團(tuán)聚性。

圖4 雜化材料的磁性Fig.4 Hybrid materials solution without magnet(a)and with magnet(b)

圖5 粒徑分布圖Fig.5 Particle size distribution

2.2 抗凝血試驗(yàn)

2.2.1 全血凝血實(shí)驗(yàn)(CT)

表1為不同濃度的阿魏酸及雜化材料的凝血時(shí)間。從表中可以看出，空白樣的凝血時(shí)間最短，其次是阿魏酸，相同濃度雜化材料的凝血時(shí)間均大于阿魏酸。從表中還可以看出，隨著濃度的增加，阿魏酸和雜化材料的凝血時(shí)間均有延長。但是如果濃度過大，分子會(huì)在人體內(nèi)大量累積，不利于新陳代謝，甚至?xí)：】?。在同一濃度時(shí)，與阿魏酸相比，雜化材料的凝血時(shí)間幾乎是阿魏酸的2倍，這說明阿魏酸雜化材料具有較好的抗凝血性質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)合成的阿魏酸雜化材料加入血液后，影響凝血過程中凝血因子的激活及凝血復(fù)合物的形成[16]，阻止了凝血酶原轉(zhuǎn)化為凝血酶，因此，雜化材料的有效抗凝血時(shí)間得以延長。

2.2.2 復(fù)鈣實(shí)驗(yàn)(RT)

表1 不同濃度的Fe3O4-DBI-PEG-FA的凝血時(shí)間Table 1 Coagulation time of different concentrations compound

表2為阿魏酸雜化材料的復(fù)鈣時(shí)間(RT)。從表中數(shù)據(jù)可知，不加任何物質(zhì)的空白樣的復(fù)鈣時(shí)間最短，其次是阿魏酸，雜化材料復(fù)鈣時(shí)間最長。因此，雜化材料的抗凝血性優(yōu)于阿魏酸。與前面所做的凝血時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

2．2．3 凝血活性綜合實(shí)驗(yàn)

活化部分凝血活酶時(shí)間(APTT)和凝血酶原時(shí)間(PT)是內(nèi)源性凝血活性和外源性凝血活性的綜合性指標(biāo)。二者的延長表明存在先天性凝血因子異?；蚨喾N凝血因子的缺乏及循環(huán)抗凝血素的增加的可能性[13]。從表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：(1)與空白組相比，阿魏酸和雜化材料的APTT、PT時(shí)間均有所延長，且APTT時(shí)間延長較多,這是由于在測(cè)試組的血液樣品中加入了阿魏酸和雜化材料，說明不僅阿魏酸具有抗凝血作用,合成的雜化材料也具有抗凝血作用。(2)同等實(shí)驗(yàn)條件下，濃度較大的阿魏酸和雜化材料的溶液比濃度較小的阿魏酸和雜化材料溶液的APTT、PT時(shí)間稍有延長，這表明抗凝作用與測(cè)試樣品的濃度有關(guān)，樣品濃度越大，抗凝血時(shí)間越長。(3)在表中所列的實(shí)驗(yàn)條件下，阿魏酸和雜化材料的APTT、PT測(cè)試時(shí)間結(jié)果均在正常值的范圍內(nèi)，因此可以看出，當(dāng)在體外血液中加入少量雜化材料時(shí),沒有引起血液性質(zhì)的較大變化，此種雜化材料有望進(jìn)入臨床抗凝血藥物的篩選范圍。

表2 Fe3O4-DBI-PEG-FA的復(fù)鈣時(shí)間Table 2 Recalcification time of Compound

表3 Fe3O4-DBI-PEG-FA凝血活性實(shí)驗(yàn)Table 3 Coagulant activity of Compound

3 結(jié) 論

利用DBI-PEG4000活化納米Fe3O4和接枝的方法制備了一類納米氧化物阿魏酸雜化抗凝血材料，通過紅外光譜、熱重-差熱分析和掃描電鏡、透射電鏡、磁強(qiáng)計(jì)表征產(chǎn)物，結(jié)果表明阿魏酸接枝在了經(jīng)過DBI-PEG-NH2活化后的納米Fe3O4氧化物表面?？鼓獙?shí)驗(yàn)說明雜化材料具有良好的水溶性和抗凝血性能。克服了阿魏酸水溶性差的缺點(diǎn)，相同條件下抗凝血時(shí)間和復(fù)鈣時(shí)間比阿魏酸要長。雜化材料的抗凝血時(shí)間長短與材料的溶液濃度有直接的聯(lián)系，濃度越大，抗凝時(shí)間越長。少量雜化材料在體外血液中的加入并沒有引起血液性質(zhì)的較大變化，此種雜化材料的抗凝血性能可為臨床抗凝血藥物的篩選提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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