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  • ISSN 1008-9357
  • CN 31-1633/O6

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pH-磁双响应Janus笼

纪旭阳 张杨 梁福鑫

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pH-磁双响应Janus笼

    作者简介: 纪旭阳(1985—),男,博士,主要研究方向为高分子复合材料。E-mail:jixuyang@iccas.ac.cn.
    通讯作者: 梁福鑫, liangfuxin@tsinghua.edu.cn
  • 中图分类号: O63

pH and Magnetic Responsive Janus Cage

    Corresponding author: LIANG Fuxin, liangfuxin@tsinghua.edu.cn
  • CLC number: O63

  • 摘要: 通过对介孔二氧化硅壳层的外侧和内侧选择性接枝亲水聚合物聚乙二醇-叶酸(PEG-FA)和pH响应性聚合物聚甲基丙烯酸二乙氨基酯(PDEAEMA),制备了pH响应性Janus笼。研究了Janus笼的化学组成及微观结构。结果显示:Janus笼具有明确的化学分区,且内核具有顺磁性,可在磁场作用下对其进行操控;当pH>7.2时,Janus笼内部亲油,可实现对油溶性物质的选择性装载;当pH<7.2时,Janus笼内部亲油可实现油溶性物质释放。以盐酸阿霉素为模型,考察了其作为pH响应性药物载体对油溶性药物的装载及可控释放,载药后的Janus笼在模拟肿瘤pH环境下,可实现响应性的药物释放。
  • 图 1  pH-磁双响应Janus笼的合成:(a)外侧修饰羧基的Fe3O4@mSiO2颗粒;(b)外侧由PEG-FA基团修饰的“蛋黄-蛋壳”结构磁性Janus笼;(c)pH-磁双响应Janus笼

    Figure 1.  Preparation of pH and magnetic responsive Janus cages: (a)Fe3O4@mSiO2 particles with carboxyl modified on external surface; (b)Magnetic “yolk-shell” Janus cages with PEG-FA groups modified on external surface; (c)pH and magnetic responsive Janus cages

    图 2  Fe3O4纳米颗粒的(a)SEM和(b)TEM照片;Fe3O4@mSiO2颗粒的(c)SEM和(d)TEM照片

    Figure 2.  (a)SEM and (b) TEM images of Fe3O4 NPs; (c)SEM and (d)TEM images of Fe3O4@mSiO2 particles

    图 3  样品的XRD光谱

    Figure 3.  XRD patterns of samples

    图 4  样品的FT-IR谱图

    Figure 4.  FT-IR spectra of samples

    图 5  样品的UV-Vis曲线

    Figure 5.  UV-Vis curves of samples

    图 6  样品的TGA曲线

    Figure 6.  TGA curves of samples

    图 7  Janus笼的 (a)SEM和 (b, c)TEM照片

    Figure 7.  (a) SEM and (b, c)TEM images of the Janus cages

    图 8  接枝PDEAEMA(a)前(b)后的Janus 笼的TEM照片

    Figure 8.  TEM images of Janus cages (a)before and (b) after grafting the PDEAEMA

    图 9  Janus笼的pH响应性:(a1)正己烷(上层)-水(下层)两相体系的正己烷中加入显色剂dil-C18,(a2)在pH=8条件下加入20 mg Janus笼,(a3)正己烷因被Janus笼富集而从水相中分离,(a4)在pH=5条件下,Janus笼将正己烷释放,(b)在pH=8条件下,装载了正己烷的Janus笼和(c)在pH=5条件下,Janus笼将正己烷释放后的激光共聚焦显微镜照片

    Figure 9.  pH responsive of the Janus cage:(a1)Immiscible mixture of hexane (top) and water(bottom), dil-C18 was added in hexane as the chromogenic agent, (a2)after adding the Janus cage in the mixture under stirring at pH 8; (a3)magnetic collection of the Janus cage at pH 8; (a4)triggered release of hexane from the Janus cage at pH 5; fluorescence microscopy images of (b) the Janus cage filled with hexane at pH 8 and (c) after release of oil at pH 5

    图 10  装载DOX的Janus笼的药物释放曲线

    Figure 10.  Drug release profiles of DOX-loaded Janus cages

    表 1  不同DOX含量下Janus笼的载药率

    Table 1.  Drug loading capacity of Janus cages at different content of DOX

    mDOX /mCagesE/%
    0.23.2
    0.48.2
    0.616.1
    1.025.7
    10.026.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-31
  • 网络出版日期:  2020-12-31

pH-磁双响应Janus笼

    通讯作者: 梁福鑫, liangfuxin@tsinghua.edu.cn
    作者简介: 纪旭阳(1985—),男,博士,主要研究方向为高分子复合材料。E-mail:jixuyang@iccas.ac.cn
  • 1. 航天特种材料及工艺技术研究所,北京 100074
  • 2. 清华大学化学工程系,高分子研究所,北京 100084

摘要: 通过对介孔二氧化硅壳层的外侧和内侧选择性接枝亲水聚合物聚乙二醇-叶酸(PEG-FA)和pH响应性聚合物聚甲基丙烯酸二乙氨基酯(PDEAEMA),制备了pH响应性Janus笼。研究了Janus笼的化学组成及微观结构。结果显示:Janus笼具有明确的化学分区,且内核具有顺磁性,可在磁场作用下对其进行操控;当pH>7.2时,Janus笼内部亲油,可实现对油溶性物质的选择性装载;当pH<7.2时,Janus笼内部亲油可实现油溶性物质释放。以盐酸阿霉素为模型,考察了其作为pH响应性药物载体对油溶性药物的装载及可控释放,载药后的Janus笼在模拟肿瘤pH环境下,可实现响应性的药物释放。

English Abstract

  • Janus材料的不对称结构和化学组成使其呈现出独特性能[1-5]。具有中心对称结构的Janus笼,其内外表面化学组分有着严格的分区,因此可以利用表面浸润性差异对目标物质进行选择性富集[6]。Chen等[7]将具有温度响应性的聚合物接枝于Janus笼内部,通过调节环境温度,实现了对油溶性物质的富集以及可控释放。Zhao等[8]以pH响应性聚合物Janus笼作为药物载体,在不同的pH条件下,实现了油溶性药物阿霉素(DOX)的可控装载及释放。

    相较于有机聚合物,无机物壳层的Janus笼的结构稳定性及生物惰性更好。本文对磁性颗粒内外表面进行了改性,分别将具有良好靶向性的叶酸基团[9, 10]和具有pH响应性的聚合物[11, 12]接枝于介孔壳层的内外表面,通过调节环境的pH实现对油溶性物质的选择性富集和释放。根据前期工作[13],我们制备了磁性介孔二氧化硅(Fe3O4@mSiO2)颗粒,进一步通过溶胶-凝胶反应在表面接枝羧基基团,再通过羧基与氨基的缩合反应将具有良好靶向性的叶酸(FA)修饰的聚乙二醇(PEG-FA)接枝于Fe3O4@mSiO2外侧,得到了Fe3O4@mSiO2@PEG-FA颗粒。抽提除去制孔模板十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)后,利用稀盐酸对Fe3O4内核进行部分刻蚀,得到Yolk-Shell结构的磁性Janus笼。通过带双键的硅烷偶联剂对介孔二氧化硅壳层内侧进行改性后,利用自由基聚合在二氧化硅壳层内侧接枝聚甲基丙烯酸二乙氨基酯(PDEAEMA),得到外侧是PEG-FA修饰、内侧是PDEAEMA修饰的pH-磁双响应Janus笼。

    • 三氯化铁(FeCl3·6H2O)、乙二醇、正硅酸乙酯(TEOS)、聚乙二醇(PEG)、乙酸钠(CH3COONa)、CTAB、盐酸阿霉素(DOX·HCl):分析纯,国药试剂公司;甲基丙烯酸二乙氨基酯(DEAEMA)、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS):化学纯,TCI公司;偶氮二异丁腈(AIBN):化学纯,百灵威公司;氨基聚乙二醇叶酸(NH2-PEG-FA):分析纯,Mn, PEG=5.0×103,西安凯新生物科技有限公司;三乙氧基硅基丙基马来酸:w=95%,Sigma-Aldrich公司;3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS):w=95%,Alfa Aesar试剂公司。

    • 扫描电镜(SEM):样品经冷冻干燥后真空镀铂,通过Hitachi S-4800型场发射扫描电镜观察微观形貌,加速电压15 kV;透射电镜(TEM):样品经乙醇分散后滴于超薄碳膜,干燥后通过JEOL-JEM-100 CX 型透射电镜对其结构进行观察,加速电压100 kV;傅里叶红外光谱(FT-IR):Bruker Equinox 55 FT-IR型红外光谱仪;热失重分析(TGA):PerkinElmer Pyris 1型TGA仪,空气气氛,升温速率为10 ℃/min;激光共聚焦显微镜(CLSM):激光共聚焦显微镜(Leica TCS-sp 2);紫外-可见光谱(UV-Vis):普析通用TU 1901型。

    • 将2.36 g FeCl3·6H2O,1.75 g PEG(Mw=2.0 × 104),3.14 g CH3COONa加入到70 mL乙二醇中,在水热釜中200 ℃下反应8 h后洗涤3次,得到黑色Fe3O4纳米颗粒(Fe3O4 NPs)。取0.3 g Fe3O4 NPs,0.45 g CTAB加入到525 mL去离子水中并使其完全分散。随后依次加入25 mL乙酸乙酯和15 mL氨水(w=30%),超声2 h后加入0.525 g TEOS,室温下反应8 h后,在磁场下将产物分离,洗涤3次后真空干燥,得到黑色Fe3O4@mSiO2颗粒。

    • 取100 mg Fe3O4@mSiO2颗粒分散于50 mL乙醇中,随后向其中加入50 mg三乙氧基硅基丙基马来酸,70 ℃下反应12 h后,磁场下使产物分离,用乙醇洗3次后真空干燥,得到羧基修饰的磁性介孔二氧化硅(Fe3O4@mSiO2@-COOH)颗粒。取100 mg Fe3O4@mSiO2@-COOH颗粒分散于50 mL DMSO中,加入20 mg EDC和20 mg NHS,室温搅拌24 h。随后加入20 mg NH2-PEG-FA,室温搅拌24 h,得到Fe3O4@mSiO2@PEG-FA颗粒。

    • 取100 mg Fe3O4@mSiO2@PEG-FA颗粒分散于20 mL无水乙醇中,加入1 mL 2 mol/L盐酸后在70 ℃下反应2 h,对Fe3O4内核进行部分刻蚀,得到蛋黄-蛋壳结构Janus笼。随后将Janus笼分散于乙醇中,向其中加入一定量的MPS,70 ℃下反应12 h后在磁场下使产物分离,洗涤3次后真空干燥,得到外侧是PEG-FA修饰,内侧是双键修饰的Janus笼。取上述Janus笼20 mg分散于10 mL甲苯中,再加入5 mg AIBN和20 mg DEAEMA,氮气气氛70 ℃下反应8 h,得到外侧是PEG-FA,内侧是PDEAEMA修饰的pH-磁双响应Janus笼(图(1))。

      图  1  pH-磁双响应Janus笼的合成:(a)外侧修饰羧基的Fe3O4@mSiO2颗粒;(b)外侧由PEG-FA基团修饰的“蛋黄-蛋壳”结构磁性Janus笼;(c)pH-磁双响应Janus笼

      Figure 1.  Preparation of pH and magnetic responsive Janus cages: (a)Fe3O4@mSiO2 particles with carboxyl modified on external surface; (b)Magnetic “yolk-shell” Janus cages with PEG-FA groups modified on external surface; (c)pH and magnetic responsive Janus cages

    • 在20 mL一定浓度DOX·HCl的DMF溶液中加入0.05 g三乙胺,室温下搅拌12 h。将20 mg pH-磁响应Janus笼加入到20 mL DMF中,分散后在前述DOX溶液中搅拌12 h。分离后加入pH为7.4的PBS缓冲溶液重新分散。测定其在480 nm处的荧光强度,进一步利用DOX的释放标准曲线计算得到DOX的浓度,载药率(E)公式为:

      $E = \frac{{{m_{\rm D{\rm{urg}}}}}}{{{m_{\rm C{\rm{ages}}}}}}$

      其中:mDrug为DOX的装载质量;mCages为Janus笼的质量。

    • 将装载了DOX的Janus笼分别分散于pH为7.4和6.5 的PBS,以及pH为5.5的醋酸缓冲溶液中。Janus笼的质量浓度为1 mg/mL,放入15 mL PBS或醋酸缓冲溶液中,37 ℃下匀速搅拌。每隔一段时间,取样5 mL进行荧光强度检测,同时补充5 mL相应溶液,以保持液体总量不变。释放量(Er)公式为:

      $ {E_{\rm{r}}} = \frac{{{V_{\rm e}}\sum\nolimits_1^{n - 1} {{c_i} + {V_0}{c_n}} }}{{{m_{\rm DOX}}}} \times 100 \text{%} $

      其中:mDOX为Janus笼中DOX的质量;cn为第n个样品的DOX浓度;样品溶液的原始体积V0为20 mL;Ve为每次取样溶液的体积,Ve=5 mL。

    • 图2为Fe3O4纳米颗粒的SEM及TEM照片。结果显示:所制备颗粒尺寸较为均一,约为200 nm(图2(a, b))。以CTAB为制孔模板,在Fe3O4纳米颗粒表面覆盖一层介孔二氧化硅,得到的Fe3O4@mSiO2颗粒介孔层厚度约为20 nm(图2(c, d))。Fe3O4纳米颗粒以及Fe3O4@mSiO2颗粒的XRD表征结果见图3,两种样品颗粒晶型均与PDF-2标准卡片89-0691一致。

      图  2  Fe3O4纳米颗粒的(a)SEM和(b)TEM照片;Fe3O4@mSiO2颗粒的(c)SEM和(d)TEM照片

      Figure 2.  (a)SEM and (b) TEM images of Fe3O4 NPs; (c)SEM and (d)TEM images of Fe3O4@mSiO2 particles

      图  3  样品的XRD光谱

      Figure 3.  XRD patterns of samples

    • 图4中改性前的Fe3O4@mSiO2颗粒,与改性后的Fe3O4@mSiO2@-COOH颗粒的FT-IR谱图可见,改性后,1700 cm−1处出现了―COOH的红外特征峰。Fe3O4@mSiO2@PEG-FA的FT-IR图中,1700 cm−1处的羧基特征峰显著增强。同时,UV-Vis光谱对FA的接枝表征结果显示(图5),Fe3O4@mSiO2@PEG-FA颗粒在277 nm处出现了FA的紫外特征吸收峰。TGA的结果显示(图6),PEG-FA的接枝量为2.5%。

      图  4  样品的FT-IR谱图

      Figure 4.  FT-IR spectra of samples

      图  5  样品的UV-Vis曲线

      Figure 5.  UV-Vis curves of samples

      图  6  样品的TGA曲线

      Figure 6.  TGA curves of samples

    • 图7为Janus笼的SEM和TEM照片。盐酸乙醇溶液刻蚀之后,磁性介孔二氧化硅颗粒的外部形貌(图7(a))得以保持,而内部(图7(b, c))因部分Fe3O4内核被刻蚀出现空腔,且保持了原有的磁性。

      图  7  Janus笼的 (a)SEM和 (b, c)TEM照片

      Figure 7.  (a) SEM and (b, c)TEM images of the Janus cages

      FT-IR数据证明Janus笼在1550 cm−1处出现了PDEADMA的特征峰(图4)。图6中的TGA结果显示,PDEADMA的接枝量为39.2%。利用PMMA对Janus笼进行包埋,在室温下对样品进行超薄切片,其切片样品的TEM表征结果见图8。结果显示,PDEAEMA完全接枝于Janus笼内侧。

      图  8  接枝PDEAEMA(a)前(b)后的Janus 笼的TEM照片

      Figure 8.  TEM images of Janus cages (a)before and (b) after grafting the PDEAEMA

    • Janus笼具有pH响应性。在水中加入一定量的正己烷,其中加入少量油溶性染料Dil-C18,以便区分油水两相(图9(a1))。然后,向该两相体系中加入一定量Janus笼,通过加入少量的NaOH溶液调节体系pH至8(图9(a2))。在此条件下,Janus笼内侧的PDEAEMA由于去质子化而表现疏水状态,从而可实现Janus笼对正己烷的选择性富集(图9(a3))。通过加入少量的盐酸,调节体系的pH至5,由于Janus笼内侧的PDEAEMA在该条件下表现出亲水性,被富集装载在空腔内的正己烷则被释放(图9(a4))。

      图  9  Janus笼的pH响应性:(a1)正己烷(上层)-水(下层)两相体系的正己烷中加入显色剂dil-C18,(a2)在pH=8条件下加入20 mg Janus笼,(a3)正己烷因被Janus笼富集而从水相中分离,(a4)在pH=5条件下,Janus笼将正己烷释放,(b)在pH=8条件下,装载了正己烷的Janus笼和(c)在pH=5条件下,Janus笼将正己烷释放后的激光共聚焦显微镜照片

      Figure 9.  pH responsive of the Janus cage:(a1)Immiscible mixture of hexane (top) and water(bottom), dil-C18 was added in hexane as the chromogenic agent, (a2)after adding the Janus cage in the mixture under stirring at pH 8; (a3)magnetic collection of the Janus cage at pH 8; (a4)triggered release of hexane from the Janus cage at pH 5; fluorescence microscopy images of (b) the Janus cage filled with hexane at pH 8 and (c) after release of oil at pH 5

      Janus笼在pH=8时从水中选择性富集正己烷,在激光共聚焦显微镜下,装载了正己烷的Janus笼呈绿色(图9(b)),而当pH=5时,Janus笼的荧光消失(图9(c)),说明正己烷被释放出Janus笼。

    • 不同DOX浓度下Janus 笼的载药率见表1。在一定范围内,Janus 笼中空球载药率随着DOX含量的增加而升高,而当DOX含量增加到一定程度后,载药率趋于稳定。

      mDOX /mCagesE/%
      0.23.2
      0.48.2
      0.616.1
      1.025.7
      10.026.5

      表 1  不同DOX含量下Janus笼的载药率

      Table 1.  Drug loading capacity of Janus cages at different content of DOX

      Janus笼分别在pH=5.5,6.5,7.4的环境下对DOX的释放曲线见图10。当pH=5.5时,DOX释放量可占到载药量的75%;当pH=6.5时,DOX释放量下降,约为58%;而当pH=7.4时,DOX释放量最少,约为35%。相较于正常生理体系的中性环境,处于癌症病变的生理体系呈弱酸性,由此证明,所制备pH-磁响应性Janus笼在正常生理环境下药物释放较少,而在癌症病变的弱酸性环境下,可实现响应性药物释放。

      图  10  装载DOX的Janus笼的药物释放曲线

      Figure 10.  Drug release profiles of DOX-loaded Janus cages

    • (1)亲水基团PEG-FA和响应性的聚合物PDEAEMA分别修饰于Fe3O4@mSiO2颗粒介孔内外表面,得到了Janus笼。

      (2)Janus笼可实现对油溶性物质的选择性富集及可控释放。

      (3)在弱碱性条件下实现了Janus笼对油溶性药物DOX的装载。

      (4)初步验证了Janus笼在靶向药物输送及肿瘤区域可控释药领域应用的可行性。

参考文献 (13)

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