本文關(guān)鍵詞：納米材料親疏水性的實(shí)驗(yàn)測定與計(jì)算預(yù)測，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：納米材料是區(qū)別于本體材料的一種新型材料,許多物質(zhì)當(dāng)尺寸達(dá)到納米級別的時候,就會產(chǎn)生獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),這使得納米材料具備了一些常規(guī)材料所沒有的特殊用途,納米材料被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的新型材料。納米科技的發(fā)展使納米材料被廣泛的應(yīng)用于諸多領(lǐng)域,尤其是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,納米材料更是發(fā)揮著不可替代的作用。由于納米材料的小尺寸效應(yīng),它具有很好的細(xì)胞通透性。對納米材料進(jìn)行特定的表面修飾和藥物的包裹,不僅可以延長藥物在體內(nèi)的循環(huán)時間,還可以被細(xì)胞表面的受體所識別,從而實(shí)現(xiàn)藥物的靶向運(yùn)輸和在細(xì)胞內(nèi)的有效釋放,達(dá)到較好的治療效果。另外,由于納米材料具有較大的比表面積,可以吸附較多的分子,所以功能化的納米材料在與某些病變特異的生物分子發(fā)生相互作用時,可以使得反應(yīng)過程中的信號被放大,提高靈敏度,通過體外儀器的檢測實(shí)現(xiàn)某些疾病的早期診斷,預(yù)防和治療。然而,諸多因素會影響納米材料的應(yīng)用。納米材料進(jìn)入生物體后,其活性不僅會受到所處生物環(huán)境的影響(酸度、離子強(qiáng)度等),還會受到存在于血液循環(huán)系統(tǒng)中的生物分子的干擾(由于靜電,疏水作用的存在,它們可能會吸附在納米材料的表面)和納米材料性質(zhì)的影響。由于生物體所處的生物環(huán)境和血液循環(huán)系統(tǒng)中的生物分子很難被人為的改變和控制,所以,研究并調(diào)控既具有生物兼容性又具有特定生物活性的納米材料是促進(jìn)其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。研究已經(jīng)證實(shí),納米材料的大小,形狀和表面粗糙度,都會影響納米材料與生物分子之間的相互作用。除此以外,納米材料的表面電荷、表面親疏水性、π鍵、氫鍵給體與受體和空間結(jié)構(gòu),也是非常重要的影響因素。其中,納米材料的親疏水性是影響納米材料與生物系統(tǒng)相互作用的重要因素之一,了解影響納米材料親疏水性的因素,揭示它們之間的關(guān)系,對納米材料的親疏水性進(jìn)行調(diào)控,能夠有效干預(yù)納米材料與生物系統(tǒng)的相互作用。納米材料的表面配體是影響納米材料親疏水性的一個重要因素。為了研究納米材料的親疏水性與其表面配體結(jié)構(gòu)的關(guān)系,本研究選取了低毒性、生物兼容較好、易于進(jìn)行表面修飾的金納米顆粒做為研究模型,合成了42個不同結(jié)構(gòu)的小分子配體,對金納米進(jìn)行表面修飾,得到了包含42個不同表面功能化修飾的金納米陣列1(GNP1-42)。通過搖瓶法對這些納米材料的親疏水性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定來研究納米材料親疏水性與表面配體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,并結(jié)合傳統(tǒng)的理論計(jì)算方法-基團(tuán)貢獻(xiàn)法(Traditonal GCA)對表面配體的LogP進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果顯示,理論計(jì)算得到的表面配體的LogP(KLogP1)和實(shí)驗(yàn)測定的納米材料的LogP (ELogP)存在明顯的差距。這可能是因?yàn)樵趯?shí)際溶液中,金納米顆粒表面的配體都被束縛在金核的周圍,并不能像游離的小分子一樣可以自由運(yùn)動,并且配體中離核較近的原子或基團(tuán)會受到外端原子或者基團(tuán)的影響,不能與溶劑分子有效的接觸,因而在理論計(jì)算中用整個分子進(jìn)行計(jì)算是不合理的。為了驗(yàn)證這一推測,我們又用納米材料表面配體的最外端和次外端進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果顯示,根據(jù)配體最外端所得到的計(jì)算結(jié)果(KLogP3)與配體次外端(KlogP2)和整個配體分子的計(jì)算結(jié)果(KlogPl)相比,更加接近納米材料實(shí)際測定的LogP(ELogP),這說明納米材料的ELogP主要受其表面配體外端結(jié)構(gòu)的影響。由于在Traditonal GCA模型中,每個原子或者基團(tuán)都被同等對待,并沒有考慮到位阻效應(yīng),用于預(yù)測表面修飾納米材料的親疏水性具有一定的局限性。為了充分考慮到納米材料表面配體外端結(jié)構(gòu)可能對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位阻效應(yīng)和實(shí)驗(yàn)中所用的溶劑水分子的大小,我們建立了一種新的計(jì)算方法,Nano-GCA (nano-group contribution approach),該方法揭示了離金核越近的原子或基團(tuán),對LogP的貢獻(xiàn)就越小。根據(jù)這種方法,計(jì)算得到的LogP (KLogP by Nano-GCA)與KLogP3相比,得到了進(jìn)一步的改善。雖然用Nano-GCA對金納米陣列1的LogP的預(yù)測比Traditional GCA的KLogP3 (R2=0.32)有了明顯改善,但是預(yù)測效果(R2=0.51)依然不理想,這可能是因?yàn)樵陬A(yù)測的過程中,沒有充分考慮到金納米顆粒表面配體密度對LogP的影響,因?yàn)楸砻媾潴w密度也會影響配體分子中原子或基團(tuán)與溶劑分子的有效接觸。為了進(jìn)一步了解納米材料表面配體密度對LogP的影響,并對以上Nano-GCA模型進(jìn)行驗(yàn)證,我們設(shè)計(jì)并合成了一個新的金納米陣列2(GNP43-49),與單配體修飾的金納米陣列1相比,金納米陣列2選擇了相對比較復(fù)雜的雙配體修飾,親水性配體A(LogP=0.84)和疏水性配體B(LogP=5.83)。合成中通過調(diào)節(jié)兩種配體的相對比例,采用硼氫化鈉還原法,得到了金納米陣列2。通過碘切法和HPLC/UV/MS對金納米陣列2的表面配體進(jìn)行定量分析,證實(shí)得到了一個表面親疏水性配體數(shù)目連續(xù)變化的陣列,并采用搖瓶法實(shí)驗(yàn)測定了GNP43-49的LogP。結(jié)果發(fā)現(xiàn),從GNP43到GNP49,隨著納米材料表面親水性配體A數(shù)目的逐漸減少和疏水性配體B數(shù)目的逐漸增多,納米材料的LogP也呈現(xiàn)遞增的趨勢。因此,通過調(diào)節(jié)納米材料表面配體的相對比例,可以控制納米材料的LogP的變化。為了進(jìn)一步研究納米材料LogP與其表面配體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,我們分別采用了Traditonal-GCA和Nano-GCA兩種計(jì)算方法,結(jié)果顯示,Traditonal-GCA計(jì)算方法與實(shí)驗(yàn)測定值有著明顯的差距,不能用來合理地預(yù)測納米材料的LogP。在Nano-GCA計(jì)算方法模型中,由于考慮到納米材料表面配體密度(Dj)可能對LogP產(chǎn)生的影響,因此將Dj引入計(jì)算模型,成功地預(yù)測了納米材料的LogP(R2=0.96)。所以,在用Nano-GCA對納米材料的LogP進(jìn)行預(yù)測時,Dj是一個不可忽略的重要因素。準(zhǔn)確預(yù)測納米材料的LogP對其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用具有著重要的指導(dǎo)意義。為了證明納米材料的LogP對其生物效應(yīng)的影響,我們利用LogP連續(xù)變化的金納米陣列2(GNP43-49),研究了LogP對細(xì)胞毒性的影響。我們選擇了PMA刺激的人單核細(xì)胞,THP-1細(xì)胞為細(xì)胞模型,研究了細(xì)胞對GNP43-49的攝入及納米材料的細(xì)胞毒性。結(jié)果顯示,疏水性強(qiáng)的金納米材料更傾向于被巨噬細(xì)胞所吞噬并引起更強(qiáng)的生物毒性。這可能是因?yàn)榧?xì)胞膜中磷脂雙分子層的存在,使得疏水性強(qiáng)的納米材料更容易透過細(xì)胞膜。綜上所述,我們發(fā)現(xiàn),金納米材料的LogP主要由其表面配體的外端結(jié)構(gòu)決定,在此基礎(chǔ)上建立的Nano-GCA預(yù)測方法,可以對納米材料的LogP進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。在該計(jì)算過程中,納米材料的Dj是一個不容忽視的影響因素。在巨噬細(xì)胞中,不同LogP的納米材料會引起不同的細(xì)胞攝入和毒性,疏水性強(qiáng)的更容易被巨噬細(xì)胞所攝入和引起更大的細(xì)胞毒性。本課題的研究結(jié)果將有助于對新型納米材料LogP的預(yù)測,更加有效地促進(jìn)具有特定生物活性納米材料的設(shè)計(jì)、合成和應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：金納米材料 表面配體 正辛醇/水分配系數(shù)(LogP) 經(jīng)典基團(tuán)貢獻(xiàn)法(Traditonal-GCA) 納米-基團(tuán)貢獻(xiàn)法(Nano-GCA)
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1
【目錄】：

• 摘要14-17
• Abstract17-21
• 符號說明21-23
• 第一章 緒論23-43
• 1.1 納米材料的定義和分類23-24
• 1.2 納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用24-27
• 1.2.1 納米材料在載藥和腫瘤治療方面的應(yīng)用24-25
• 1.2.1.1 納米材料作為小分子藥物載體24
• 1.2.1.2 納米材料作為雙原子治療藥物的載體24-25
• 1.2.1.3 納米材料作為核酸的載體25
• 1.2.1.4 納米材料作為多肽、蛋白質(zhì)的載體25
• 1.2.2 納米材料的生物傳感功能25-27
• 1.3 納米材料與生物體之間的相互作用及影響因素27-32
• 1.3.1 納米材料的粒徑和形狀對Nano-Bio相互作用的影響28-29
• 1.3.2 納米材料表面電荷對Nano-Bio相互作用的影響29
• 1.3.3 納米材料親疏水性對Nano-Bio相互作用的影響29-32
• 1.3.3.1 納米材料親疏水性對吸附蛋白的影響29-30
• 1.3.3.2 納米材料親疏水性對細(xì)胞毒性的影響30
• 1.3.3.3 納米材料親疏水性對其生物體內(nèi)分布及清除的影響30-31
• 1.3.3.4 納米材料親疏水性對免疫活性的影響31
• 1.3.3.5 納米材料親疏水性對載藥系統(tǒng)的影響31-32
• 1.3.4 納米材料其它表面性質(zhì)對Nano-Bio相互作用的影響32
• 1.4 影響納米材料親疏水性的因素32-34
• 1.4.1 納米材料的組成對其親疏水性的影響33
• 1.4.2 納米材料的表面化學(xué)性質(zhì)對其親疏水性的影響33-34
• 1.4.3 其它因素對納米材料親疏水性的影響34
• 1.5 化合物親疏水性的測定方法34-37
• 1.5.1 油水分配系數(shù)表征化合物的親疏水性34-36
• 1.5.2 疏水探針分子法測定化合物的親疏水性36-37
• 1.5.3 表面張力法測定化合物的親疏水性37
• 1.6 計(jì)算化學(xué)法估算化合物的正辛醇/水分配系數(shù)(LogP)37-39
• 1.7 金納米材料的合成及表面功能化修飾的研究進(jìn)展39-41
• 1.7.1 金納米材料的合成39-40
• 1.7.1.1 檸檬酸鈉還原法(Turkevich-Frens法)39
• 1.7.1.2 硼氫化鈉還原法(Brust-Schiffrin法)39-40
• 1.7.1.3 種子生長法40
• 1.7.2 金納米材料的表面功能化修飾40-41
• 1.7.2.1 檸檬酸鈉包被的金納米材料與硫醇置換法40
• 1.7.2.2 Brust-Schiffrin方法40
• 1.7.2.3 配體-配體取代反應(yīng)40-41
• 1.7.2.4 化學(xué)反應(yīng)或非共價(jià)結(jié)合法41
• 1.8 本研究工作的意義與前景41-43
• 第二章 金納米材料表面配體的外端結(jié)構(gòu)決定金納米材料的親疏水性43-61
• 2.1 引言43
• 2.2 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器43-44
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑44
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器44
• 2.3 配體小分子的設(shè)計(jì)、合成與表征44-45
• 2.4 配體小分子修飾的多樣性金納米材料的合成與表征45-47
• 2.4.1 配體小分子修飾的多樣性金納米材料的合成45-46
• 2.4.2 配體小分子修飾的多樣性金納米材料的表征46-47
• 2.4.2.1 金納米材料濃度的測定46
• 2.4.2.2 透射電子顯微鏡(TEM)觀察金納米材料的形貌46
• 2.4.2.3 動態(tài)光散射(DLS)測量金納米材料的水合粒徑46-47
• 2.4.2.4 金納米材料的Zeta電位測量47
• 2.4.2.5 碘切法與HPLC/UV/MS定量分析金納米材料表面配體的上載量47
• 2.5 金納米材料油水分配系數(shù)(LogP)的測定47-48
• 2.6 理論計(jì)算法預(yù)測金納米顆粒的LogP48-49
• 2.6.1 傳統(tǒng)計(jì)算方法對LogP的計(jì)算48-49
• 2.6.2 一種預(yù)測LogP的新方法Nano-group Contribution Approach(Nano-GCA)的建立49
• 2.7 結(jié)果與討論49-58
• 2.7.1 配體小分子的表征50
• 2.7.2 配體小分子修飾的多樣性金納米材料的表征50-54
• 2.7.2.1 透射電子顯微鏡(TEM)結(jié)果分析50
• 2.7.2.2 動態(tài)光散射(DLS)結(jié)果分析50-52
• 2.7.2.3 Zeta電位結(jié)果分析52-53
• 2.7.2.4 金納米材料表面配體小分子上載量的定量分析53-54
• 2.7.3 金納米材料油水分配系數(shù)(正辛醇/水)的測定54-55
• 2.7.4 金納米材料的LogP計(jì)算結(jié)果分析55-58
• 2.7.4.1 傳統(tǒng)計(jì)算方法對金納米材料的LogP預(yù)測結(jié)果分析55-56
• 2.7.4.2 新建Nano-GCA方法對金納米材料的LogP預(yù)測結(jié)果分析56-58
• 2.8 結(jié)論58-61
• 第三章 金納米材料表面配體密度對其親疏水性的影響61-81
• 3.1 引言61
• 3.2 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器61-63
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑62-63
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器63
• 3.3 親水性配體(Ligand A)和疏水性配體(Ligand B)小分子的合成與表征63-65
• 3.3.1 親水配體ligand A的合成步驟64-65
• 3.3.2 疏水配體ligand B的合成步驟65
• 3.4 金納米材料的合成與表征65-68
• 3.4.1 金納米材料的合成66
• 3.4.2 金納米材料的表征66-68
• 3.4.2.1 金納米材料濃度的測定67
• 3.4.2.2 透射電子顯微鏡(TEM)觀察金納米材料的形貌67
• 3.4.2.3 動態(tài)光散射(DLS)測量金納米材料的水合粒徑67
• 3.4.2.4 金納米材料的Zeta電位測量67
• 3.4.2.5 碘切法與HPLC/UV/MS定量金納米材料表面親疏水性配體A,B的上載量67-68
• 3.4.2.6 元素分析法驗(yàn)證碘切的徹底性和核磁法驗(yàn)證碘切后配體A,B的完整性68
• 3.5 金納米材料油水分配系數(shù)(LogP)的測定68
• 3.6 理論計(jì)算法預(yù)測金納米材料的LogP68-69
• 3.7 結(jié)果與討論69-80
• 3.7.1 親水性配體A和疏水性配體B的表征69
• 3.7.2 金納米材料的表征69-76
• 3.7.2.1 透射電子顯微鏡(TEM)結(jié)果分析69
• 3.7.2.2 動態(tài)光散射(DLS)結(jié)果分析69
• 3.7.2.3 Zeta電位結(jié)果分析69-71
• 3.7.2.4 親水性配體A和疏水性配體B上載量的定量分析71-74
• 3.7.2.5 碘切的徹底性和配體的完整性分析74-76
• 3.7.3 金納米材料油水分配系數(shù)(正辛醇/水)的測定76
• 3.7.4 金納米材料的LogP計(jì)算結(jié)果分析76-80
• 3.7.4.1 傳統(tǒng)計(jì)算方法對金納米材料的LogP預(yù)測結(jié)果分析76-77
• 3.7.4.2 Nano-GCA方法對金納米材料的LogP預(yù)測結(jié)果分析77-80
• 3.8 結(jié)論80-81
• 第四章 金納米材料的親疏水性對細(xì)胞攝入和細(xì)胞毒性的影響81-84
• 4.1 引言81
• 4.2 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器81-82
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑81-82
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器82
• 4.3 實(shí)驗(yàn)方法82-83
• 4.3.1 細(xì)胞培養(yǎng)(THP-1細(xì)胞)82
• 4.3.2 親疏水性金納米材料的細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)82-83
• 4.3.3 親疏水性金納米材料的細(xì)胞攝入實(shí)驗(yàn)83
• 4.4 THP-1類巨噬細(xì)胞對親疏水性金納米材料的細(xì)胞攝入與細(xì)胞毒性結(jié)果分析83-84
• 總結(jié)84-86
• 參考文獻(xiàn)86-100
• 附錄100-108
• 致謝108-109
• 攻讀博士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文109-110
• 附件110-116
• 學(xué)位論文評閱及答辯情況表116

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 何藝兵,趙元慧,王連生,安鳳春,莫漢宏,楊克武,劉曄,余剛,徐曉白;有機(jī)化合物正辛醇/水分配系數(shù)的測定[J];環(huán)境化學(xué);1994年03期

  本文關(guān)鍵詞：納米材料親疏水性的實(shí)驗(yàn)測定與計(jì)算預(yù)測，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：309684