多壁碳纳米管的表面修饰及其生物分布研究

论文摘要

碳纳米管独特的结构决定了其特殊的性质和用途。由于具有优良的力学、电学、光学、热学等性能,碳纳米管已成为当今最受关注的纳米材料之一,在电子器件、复合材料、化学和生物传感器等方面显示出良好的应用前景。但由于碳纳米管在有机溶剂和水溶液中难以分散,对其化学性质的研究难以深入进行,因此国内外科学家对碳纳米管的可溶性问题进行了大量的探索。作为一种新型的纳米材料,碳纳米管在生物应用方面表现出了良好的潜能,在药物、基因、蛋白载体方面已经获得广泛的研究。由于碳纳米管能够携带药物分子进入细胞,甚至进入深层组织,因此有可能成为抗肿瘤药物的理想载体,并通过靶向分子的引导而降低常规的毒副作用。同时,碳纳米管难以被肿瘤细胞大量地排出,从而降低了其肿瘤细胞的抗药性,有可能成为一种新型的肿瘤治疗剂型。但是,在碳纳米管应用于临床之前,我们必须研究清楚它在体内的生物分布、药代动力学、毒副作用以及如何安全有效的使用等问题。关于碳纳米管的体内代谢问题,已有研究提出,可以使用放射素标记的方法来达到碳纳米管体内示踪的目的。但是放射素会对机体造成不可避免的损伤,同时也难以进行体内、外的可视示踪。因而有必要寻找一种更为安全有效的方式来对碳纳米管进行标记,最好达到体内、外都可以准确观察的效果。荧光分子标记方法是可选择的方案之一。目前大量研究和使用的量子点具有很好的荧光特性,但由于其主要化学成分具有细胞毒性,其体内安全性问题引起担忧,此外其自身的尺寸是纳米级别,有可能影响碳纳米管的固有特性。另外一类荧光分子是化学荧光团,碳纳米管独特的共轭电子体系使其容易和化学荧光团发生电子转移而产生荧光猝灭作用。研究发现通过聚乙二醇长链作为桥梁来隔断碳纳米管和生物分子的直接连接可以改善这种荧光猝灭作用,显著增强连接后的荧光强度,但是中间的聚乙二醇长链也可能改变碳纳米管自身的重要生物学特性,例如使碳纳米管不易被巨噬细胞吞噬。因此,构建既能够保持荧光分子的特性,同时无需桥接基团连接的荧光标记碳纳米管是十分必要的。本研究在两个方面对碳纳米管生物学应用进行了探索,包括：（1）在实验室以往建立的碳纳米管表面处理技术的基础上,进一步完善和优化处理条件,得到表面羧基含量更高的碳纳米管。以此为平台,对碳纳米管做进步的功能修饰,得到了表面氨基化、荧光标记、以及偶联蛋白的碳纳米管。利用扫描电镜（SEM）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶红外光谱（FT-IR）等方法对修饰后的碳纳米管进行了理化性质的分析和表征,从不同方面来证明目标修饰物的形成。（2）通过共价连接的方式将单氨基卟啉连接到碳纳米管表面,保持了其荧光特性,实现了在体外和体内器官组织匀浆的荧光示踪用。在健康小鼠模型上对卟啉修饰的碳纳米管经皮下注射后在体内代谢情况进行了研究。研究结果表明:（1）碳纳米管表面羧基含量随着氧化处理强度的增加而增加,其在水中的分散性和稳定性得到了很大改善。在1540 g离心力的作用下只有少量碳纳米管沉降下来,上清液放置一周后仍然保持稳定。（2）碳纳米管对FITC的荧光有强猝灭作用,直接连接到碳纳米管表面的FITC的绿色荧光几乎全部猝灭。单氨基卟啉被连接到碳纳米管表面之后,其荧光特性得到保持,荧光强度能达到检测的要求,表明单氨基卟啉可以作为碳纳米管的示踪剂。（3）小鼠皮下注射碳纳米管-卟啉复合物之后,可以利用活体成像系统进行皮下无创示踪,这对以后开发皮下诊断试剂有可能会有启示作用。（4）皮下注射的碳纳米管主要存留于注射部位,部分可进入肝、脾、肺等内脏器官。早期有少量可见于肾脏,随着时间延长在肝脏有蓄积现象,存在于局部的碳纳米管-单氨基卟啉复合物的荧光在130天不减弱且有增强,这使对肿瘤治疗效应进行实时检测成为可能。

论文目录

• 英文缩略词
• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章:绪论
• 1.1. 碳纳米管的简介
• 1.2. 碳纳米管的化学修饰
• 1.3. 碳纳米管的体内外示踪和荧光标记
• 第二章:碳纳米管的表面修饰及表征
• 2.1. 材料和试剂
• 2.2. 主要仪器
• 2.3. 碳纳米管表面修饰反应
• 2.4. 碳纳米管及其衍生物的物理化学表征
• 2.5. 结果与讨论
• 第三章:水可分散性碳纳米管在小鼠体内及细胞内的分布
• 3.1. 材料和试剂
• 3.2. 主要仪器
• 3.3. 实验方法和技术路线
• 3.4. 结果与讨论
• 第四章:结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录