氧化石墨烯復(fù)合納米材料的制備及其在藥物遞送和生物成像上的應(yīng)用.pdf

1、石墨烯(graphene)納米材料是一種單原子層厚，sp2雜化的新型碳納米材料。由于其獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)近年來(lái)吸引了全世界各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛關(guān)注。在生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，石墨烯的衍生物氧化石墨烯(graphene oxide，GO)由于生物相容性好、比表面積大、表面易修飾等特點(diǎn)，在藥物遞送、生物成像、生物傳感器、抗菌材料、癌癥的診斷與治療等方面都取得了較大的應(yīng)用。
　　本論文圍繞氧化石墨烯納米材料的生物應(yīng)用為核心，致力設(shè)計(jì)和構(gòu)建基于

2、氧化石墨烯復(fù)合材料的納米載體，高效地將藥物、DNA分子或造影劑負(fù)載，并成功遞送到了特定部位，同時(shí)利用納米載體本身的光、熱、磁特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)腫瘤的成像與治療。主要內(nèi)容如下:
　　(1)結(jié)合并改良文獻(xiàn)報(bào)道的方法，采用一種較為便捷、高效的方法，以天然石墨為原材料，合成了一種適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的納米級(jí)氧化石墨烯材料，其納米片的平均直徑在100-200 nm。同時(shí)生物相容性好、細(xì)胞毒性小、氧化程度高，表面經(jīng)過(guò)羧基(-COOH)化處理，利于進(jìn)

3、一步功能化修飾連接其他生物分子。這種納米級(jí)氧化石墨烯的制備，為后續(xù)基于氧化石墨烯的復(fù)合材料的構(gòu)建及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
　　(2)采用一種快速、簡(jiǎn)便、廉價(jià)的方法，將氧化石墨烯納米片高效地包裹在金納米顆粒和金納米棒材料的表面上。包裹后，一方面增加了金納米材料的親水性與表面可利用的官能團(tuán)，為進(jìn)一步功能化修飾提供了位點(diǎn);另一方面，減小了金納米材料由于表面活性劑CTAB（十六烷基三甲基溴化銨）帶來(lái)的細(xì)胞毒性。接著在氧化石墨烯/金納米

4、材料的表面通過(guò)共價(jià)鍵連接有機(jī)高分子PEI（聚乙烯亞胺），將其構(gòu)建為一種陽(yáng)離子基因載體。遞送含GFP（綠色熒光蛋白）的外源質(zhì)粒DNA進(jìn)入Hela細(xì)胞，取得了高效（＞65％轉(zhuǎn)染率）、低毒（＞90％細(xì)胞存活率）的轉(zhuǎn)染結(jié)果。并且此載體構(gòu)建的方法具有通用性，可拓展應(yīng)用到其他一些無(wú)機(jī)納米顆粒的表面修飾和藥物\基因載體的構(gòu)建。
　　(3)構(gòu)建了表面共價(jià)連接透明質(zhì)酸(hyaluronic acid，HA)分子的氧化石墨烯/金納米棒核殼結(jié)構(gòu)納米材料

5、。透明質(zhì)酸分子的修飾既提高了金納米棒的親水性、生物相容性，又給予了復(fù)合材料靶向表達(dá)受體CD44腫瘤細(xì)胞的能力。同時(shí)此載體還可以通過(guò)π-π堆積作用負(fù)載抗癌藥物阿霉素(Doxorubicin，DOX)。并且利用金納米棒材料本身的光熱效應(yīng)，本章將氧化石墨烯-透明質(zhì)酸/金納米棒復(fù)合材料構(gòu)建為一種結(jié)合化學(xué)治療和光熱治療的多功能腫瘤治療載體。化療-光熱治療(chemophotothermal therapy)相結(jié)合的協(xié)同治療方法，比之只采用化療或者

6、只采用光熱治療分別提升了1.5倍和4倍的療效。同時(shí)該載體對(duì)表達(dá)CD44受體的腫瘤細(xì)胞具有靶向性，對(duì)其他非靶向細(xì)胞有低的毒性與副作用。
　　(4)采用一步溶劑熱法合成了還原型氧化石墨烯/四氧化三鐵納米顆粒復(fù)合材料(reduced graphene oxide(RGO)/Fe3O4)，并創(chuàng)新性地先后使用了兩種不同類(lèi)型的聚乙二醇(PEG)分子進(jìn)行表面修飾。第一段聚乙二醇分子(C18PMH-PEG5000-NH2)通過(guò)疏水作用與還原型氧化

7、石墨烯相連接;第二段聚乙二醇(MAL-PEG5000-S CM)分子共價(jià)連接在第一段PEG末端的氨基上。兩段PEG分子的修飾能極大的增加RGO/Fe3O4納米材料的水溶性和生物相容性，使其在體內(nèi)的血液循環(huán)時(shí)間大大增加。標(biāo)記同位素64Cu后將RGO/Fe3O4納米材料通過(guò)尾靜脈注射入老鼠體內(nèi)，進(jìn)行活體正電子發(fā)射掃描成像(positron emissiontomography，PET)。由于其超長(zhǎng)的血液循環(huán)時(shí)間和增強(qiáng)的腫瘤通透性與滯留性效應(yīng)

8、(enhanced permeability and retention，EPR effect)。在腫瘤部位取得了非常高的信號(hào)富集量(15.5％ID/g)。其被動(dòng)腫瘤靶向效果幾乎等同于或超過(guò)現(xiàn)行的一些被美國(guó)FDA批準(zhǔn)的納米抗腫瘤藥物（如Doxil）。并且利用此載體本身的磁性和光學(xué)特性，同時(shí)進(jìn)行了腫瘤的磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)與光聲成像(photoacoustic imaging)，成功驗(yàn)

9、證了PET中結(jié)果的準(zhǔn)確性。多種模態(tài)的生物成像方法提供了更多維度和更詳細(xì)的腫瘤信息。
　　(5)使用表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)和油酸合成了產(chǎn)率極高的金納米棒材料。利用合成后表面殘存的CTAC分子，直接在其表面生長(zhǎng)一層孔徑較大的（5-10nm）介孔二氧化硅層。接著通過(guò)介孔二氧化硅層表面及孔內(nèi)的硅氧鍵，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)需螯合劑的情況下，高效地(＞95％)地共價(jià)連接同位素89Zr。在表面修飾上聚乙二醇后，本工作成功地將介孔二氧化