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聚丙烯酸纳米水凝胶原位包覆超顺磁性四氧化三铁纳米粒子的制备与研究认领

作者：

廖谦

学位授予单位：

东华大学

摘要：

本课题关于聚丙烯酸（PAA）纳米水凝胶原位包覆超顺磁性四氧化三铁(Fe3O4)纳米粒子的研究为用于磁共振成像、癌症靶向、药物释放等前沿领域的生医材料提供了一个高度集成的纳米平台，即一种包含PAA纳米水凝胶外层及超顺磁性Fe3O4纳米粒子内层的新型复合纳米粒子(PAA-Fe3O4)及其制备方法。　　一方面，作为包覆层的PAA纳米水凝胶具有外界环境诱导的膨胀和收缩，同时，因为其具有生物相容性以及有利于多价生物耦合(conjugation)，因而，广泛应用于各大重要的医学生物领域，如药物输送，非手术可注射的人体组织工程的基体及纳米生物传感器等。另一方面，作为内层的超顺磁性Fe3O4纳米粒子由于具有磁响应性以及生物降解性而在磁流体、蛋白质分离和药物释放方面发挥着重要的作用。近年来，由于其可作为造影剂用于磁共振成像、作为热疗介质用于癌症热疗而引起研究者们的广泛关注。因而，创新性地提出将两者巧妙结合在一起，既利用了PAA纳米水凝胶的亲水性和生物相容性又利用了超顺磁性Fe3O4纳米粒子的超顺磁性和生物降解性，制备聚丙烯酸纳米水凝胶包覆的超顺磁性四氧化三铁纳米粒子，有望开发成为如新一代磁共振成像造影剂、靶向药物载体等生物医学应用领域重要材料。本课题采用无皂化乳液聚合制备PAA纳米水凝胶的新方法，以羟丙基纤维素(HPC)作为模版并借助HPC的相转变特性制备PAA纳米水凝胶;原创性提出以PAA纳米水凝胶作为反应器，原位诱导合成超顺磁性Fe3O4纳米粒子，为纳米诊断和纳米智能药物的研究开发提供一种新型材料和合成方法，具有潜在的重要应用。最后，采用重氮卡宾化学改性法对已制备的Fe3O4纳米粒子进行表面改性，通过引入高反应活性的含氮官能团提高Fe3O4纳米粒子的超顺磁性，为将来耦合具有细胞组织特异靶向性的生物配体(ligands)奠定了基础。主要研究内容和结论概括如下:　　 1.弱酸单体诱导热敏性高分子相转变行为的研究　　系统研究了弱酸性单体丙烯酸（AA）和甲基丙烯酸(MAA)对热敏性高分子HPC及聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)纳米凝胶相转变行为的影响。经发现，AA和MAA能和HPC形成强烈的氢键，削弱了HPC与水分子的氢键作用，HPC变得疏水从而发生相转变。利用这一特点，在不加表面活性剂的水相环境中，初步合成了PAA和PMAA纳米水凝胶。此外，还得到不同浓度AA和MAA对PNIPAM纳米凝胶尺寸及分布的影响。　　 2.以羟丙基纤维素为模板无皂化乳液聚合制备聚丙烯酸纳米水凝胶　　利用AA能改变HPC相转变行为的特点，以HPC为模板，无皂化乳液聚合制备了PAA纳米水凝胶。利用动态光散射(DLS)、傅里叶红外(FTIR)、透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)等方法进行了表征和分析。结果表明，所制备的聚丙烯酸水凝胶呈纳米尺寸的窄分散，具有良好的分散性并且很少团聚。此外，系统研究了不同单体AA浓度、HPC浓度、不同交联剂及聚合时间等因素对聚丙烯酸纳米水凝胶尺寸及分布的影响，通过改变外界条件可以实现对聚丙烯酸纳米水凝胶的尺寸及分布可控。所制备的聚丙烯酸纳米水凝胶含有大量反应活性的羧酸离子(-COO-)，为进一步采用原位诱导方法在聚丙烯酸纳米水凝胶内部合成四氧化三铁纳米粒子打下基础。　　 3.超顺磁性四氧化三铁纳米粒子的原位诱导包覆及性能评估　　以PAA纳米水凝胶为纳米反应器，利用-COO和亚铁离子(Fe2+)之间的静电作用，吸引Fe2+进入纳米水凝胶的内部，经氧化还原反应合成Fe3O4纳米粒子，实现了PAA纳米水凝胶原位包覆Fe3O4形成PAA-Fe3O4纳米粒子的新方法。X射线衍射(XRD)、FTIR及电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)表明利用PAA纳米水凝胶诱导原位合成了较高铁包覆量的Fe3O4纳米粒子，并且Fe3O4具有典型立方相晶体结构。由DLS得到不同粒子尺寸及分布的PAA-Fe3O4纳米粒子，并表征了储存6个月后纳米粒子样品的稳定性。由TEM观察到Fe3O4纳米粒子包覆于PAA纳米水凝胶内部;振动样品磁力仪(VSM)验证了PAA-Fe3O4纳米粒子具有超顺磁性，并测得饱和磁化强度高达39.521emug-1。采用阿尔玛蓝法(AlarmaBlueAssay)及死/活细胞荧光染色法（Dead/Livefluorescentstaining）评估了PAA-Fe3O4纳米粒子的体外细胞毒性，结果表明PAA-Fe3O4纳米粒子对细胞的毒性很小，可忽略不计。最后，利用核磁共振(NMR)得到了样品浓度与松弛速率(1/T2)的线性关系，结果表明PAA-Fe3O4纳米粒子的加入能缩短弛豫时间T2。根据超顺磁性四氧化三铁磁共振成像造影剂的工作原理，PAA-Fe3O4纳米粒子可以发展成为新一代超顺磁性磁共振成像造影剂。　　 4.重氮卡宾改性超顺磁性聚丙烯酸包覆四氧化三铁纳米粒子的初步研究　　采用重氮卡宾法(Diazocarbene)对PAA纳米水凝胶进行了化学表面改性，制备含有高反应活性含氮官能团(N-donor)的PAA纳米水凝胶(PAA-Diazo)，并以PAA-Diazo纳米水凝胶诱导原位合成了超顺磁性四氧化三铁纳米粒子(PAA-Diazo-Fe3O4)。首先利用NMR、FTIR表征重氮卡宾前体的合成;再采用DLS、FTIR、ICP-AES、X射线光电子能谱(xPS)、VSM等手段对改性后的纳米粒子相关性能进行了分析，结果表明，制备的PAA-Diazo-Fe3O4纳米粒子具有良好的分散性，较高的铁包覆量以及具有超顺磁性。N-donor的引入一方面能和-COO共同吸引Fe2+进入凝胶网络内部合成Fe3O4纳米粒子，另一方面，对今后研究进一步靶向配体的生物耦合起到良好的促进作用。

摘要译文

关键词：

聚丙烯酸纳米水凝胶; 无皂化乳液聚合; 原位包覆; 四氧化三铁纳米粒子; 磁共振成像造影剂

学位年度：

2012

学位类型：

博士

学科专业：

材料科学与工程

导师：

王依民

中图分类号：

TQ433.436;TB383[特种结构材料⑨]

学科分类号：

080501[材料学];1406[纳米科学与工程]