氨硼烷/中空介孔聚多巴胺/聚乙二醇纳米复合粒子及其制备与应用

本发明属于抗癌药物载体技术领域，涉及一种氨硼烷/中空介孔聚多巴胺/聚乙二醇纳米复合粒子及其制备与应用。

背景技术：

近年来，随着人们生活水平的提高和环境污染的加剧等方面的影响，癌症病例以惊人的速度正在快速增长，日益威胁着人类的健康。化疗作为临床治疗癌症的第一线治疗手段，在过去10年里的临床普及度增长了约70％，广泛用于癌症的治疗。但是，常规化疗在全身使用抗肿瘤药物之后，不仅会杀死快速生长的癌细胞，还会损害正常健康细胞，导致严重的不良反应，包括恶心、疲劳、脱发、腹泻、心脏毒性、生育问题等等。另一方面，大多数患者在进行反复化疗后会出现多药耐药(multidrugresistance,mdr)，导致肿瘤化疗失败，这是面对癌症进行化疗的一大瓶颈。于此同时，与高细胞毒性化学治疗剂相比气态分子由于其绿色特征(包括高选择性和低全身毒性)引起广泛关注。一氧化氮(no)，一氧化碳(co)，硫化氢(h2s)，和氢气(h2)被认为是浓度较高的气态信号分子，可以诱导癌细胞死亡。此外，这些治疗分子作为重要的生理信使，可以维持人类生理功能的稳态。气体治疗因其绿色的治疗方式和可忽略的副作用而成为当前一种很有前途的癌症治疗方式。各种治疗性气体分子信使已被应用于气体治疗，其中氢气(h2)在各种细胞生命活动中表现出显著的生理和病理作用，并且气体可以进行超声成像造影。h2可以穿透细菌生物膜，很容易扩散到细胞核和线粒体中，甚至穿透血脑屏障。高浓度的氢气可以通过阻断线粒体电子传递链中的复合物iv来抑制线粒体呼吸。氢气已被广泛证明具有抗炎和抗癌作用，对体内稳态调节具有重要的生理功能，包括对患病细胞的选择性治疗和对正常细胞的保护。因此，通过合理的气体载体的设计和气体的靶向富集和释放控制，进一步探索气体治疗在纳米生物医学中的应用是近年来研究的热点。特别地，为了实现气态分子在肿瘤组织中的靶向积累和有效控释，如何构建整合了气态分子的纳米颗粒是急需解决的。

申请号为cn201810204475.0的中国发明专利公开了一种介孔聚多巴胺负载羰基锰的多功能纳米诊疗剂及其制备方法与应用，介孔聚多巴胺负载羰基锰纳米粒子为mnco@mpda。制备方法是：将疏水性的mnco和现有技术制备得到的介孔聚多巴胺(mpda)一起溶于甲醇中混合均匀，静止于真空干燥箱中，至溶剂体积挥发到一定量之后离心得产品置于水中即得mnco@mpda纳米复合物。然而，此专利的技术方案存在如下技术问题：1、mnco@mpda纳米复合物的粒径是210nm,这个尺寸进入体内后不能使实体瘤的高通透性和滞留效应(epr效应)得到高效的发挥；2、对于疏水性的mnco，介孔结构的聚多巴胺负载能力有限，这将直接影响癌症治疗的效果；3、此专利是利用肿瘤内源性刺激发生芬顿反应产生co进而杀死癌细胞，其中气体的控释作为气体治疗的关键问题，进行气体释放的体外检测是非常有必要的，但是此专利中没有进行气体释放的体外检测，无法确认其实际治疗效果；4、肿瘤转移作为目前临床上癌症治疗的首要威胁，此专利缺乏抑制肿瘤转移的考虑；5、此专利中用到的过渡金属mn在体内的毒性不容小觑，应该进一步跟踪体内的长期毒性和短期毒性问题。

综上，目前急需一种能够进行集临床成像诊断、靶向运输、气体治疗、药物负载于一体，实现低毒高效联合治疗的抗癌药物载体。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种合成条件温和，步骤简单，尺寸孔径可调节，酸响应效应优异，生物相容性好，稳定性好的氨硼烷/中空介孔聚多巴胺/聚乙二醇纳米复合粒子。

本发明的另一个目的就是提供所述的氨硼烷/中空介孔聚多巴胺/聚乙二醇纳米复合粒子的制备方法。

本发明的再一个目的就是提供所述的氨硼烷/中空介孔聚多巴胺/聚乙二醇纳米复合粒子的应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的氨硼烷/中空介孔聚多巴胺/聚乙二醇纳米复合粒子，该纳米复合粒子的化学式为ab@hmpda-peg，是以实心二氧化硅为核，介孔聚多巴胺为外壳，用氢氟酸进行刻蚀得到中空介孔聚多巴胺hmpda，在外壳表面进行peg改性，然后通过氢键作用力包载氨硼烷ab小分子前药。

所述的纳米复合粒子的直径为110-135nm。优选直径为132nm。

本发明的氨硼烷/中空介孔聚多巴胺/聚乙二醇纳米复合粒子的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤(1)：以正硅酸四乙酯为原料，在碱性环境中通过水解反应制备单分散的致密的实心二氧化硅(dsio2)纳米颗粒；

步骤(2)：弱碱环境下，在步骤(1)制得的dsio2纳米颗粒表面通过氧化自聚反应包裹一层厚厚的聚多巴胺制得dsio2@pda纳米粒子；

步骤(3)：将步骤(2)制得的dsio2@pda纳米粒子通过氢氟酸进行刻蚀构造具有中空介孔结构的聚多巴胺(hmpda)纳米颗粒；

步骤(4)：将步骤(3)制得的hmpda纳米颗粒的表面进行peg修饰，制得hmpda-peg复合纳米粒子；

步骤(5)：步骤(4)制得的hmpda-peg复合纳米粒子包载气体前药氨硼烷(ab)搅拌、离心洗涤，然后分散于去离子水中，即制得ab@hmpda-peg复合纳米粒子。

优选地，

所述步骤(1)的水解反应的工艺步骤为：氨水作为催化剂，乙醇作溶剂，水作为介质混合，在25-35℃下搅拌10-20min，再滴入一定量的正硅酸四乙酯进行水解聚合反应，25-35℃水浴搅拌1-2h，后经离心醇洗和水洗，将最终产物分散在水中，然后真空干燥箱进行干燥得到实心的单分散dsio2颗粒；

所述的氨水、乙醇、水与正硅酸四乙酯的体积比为1.05：25：5：1-1.33。优选体积比为1.05：25：5：1。

所述步骤(2)的氧化自聚反应的工艺步骤为：配置ph＝8.5的三(羟甲基)氨基甲烷的缓冲液trisbuffer，取trisbuffer，在弱碱环境下加入上述的分散在去离子水中的dsio2纳米颗粒置于反应容器中，再将多巴胺da溶于水，并迅速加入上述混合液中，在室温下搅拌8-16h即可包裹上一层厚厚的聚多巴胺，后经水洗、离心和静置，即制得dsio2@pda纳米粒子；

所述的trisbuffer的体积、分散在去离子水中的dsio2纳米颗粒的体积与多巴胺的重量比为30ml:5-7ml:140-200mg。优选体积重量比为30ml:5ml:200mg。

所述步骤(3)的氢氟酸蚀刻构造具有中空结构的工艺步骤为：取上述的分散在去离子水中的单分散的dsio2@pda纳米粒子，里面加入水和乙醇中，置于超声中进行搅拌，再加入30％氢氟酸，放置12-16h，离心水洗三次，分散在水中，即制得中空结构的hmpda复合纳米粒子；

所述的分散在去离子水中的单分散的dsio2@pda纳米粒子、水、乙醇与30％氢氟酸的体积比为：5-7：18-20：18-20：2-5。优选体积比为：5：18：18：3。

步骤(4)中peg化修饰的工艺步骤为：将上述得到的hmpda复合纳米粒子分散在去离子水中，用稀的氢氧化钠溶液调节ph至10，加入nh2-mpeg，室温搅拌24-36h，离心水洗，分散在水中，即制得hmpda-peg复合纳米粒子；

所述的nh2-mpeg在去离子水中的质量浓度为5-20mg/ml。优选质量浓度为10mg/ml。

步骤(5)所述的的工艺步骤为：称取氨硼烷溶解在hmpda-peg复合纳米粒子缓冲液中，在室温下搅拌24h，后经离心水洗，即制得ab@hmpda-peg复合纳米粒子；

所述的氨硼烷与hmpda-peg复合纳米粒子的质量比为170-225:30。优选质量比为170:30。

本发明还提供了氨硼烷/中空介孔聚多巴胺/聚乙二醇纳米复合粒子作为气体治疗剂或药物载体的应用，用于对抗癌药物进行负载和促进释放，进行ph敏感释放或超声波可控释放。

以阿霉素为例，用ab@hmpda-peg复合纳米粒子制备负载阿霉素的纳米复合药物的步骤如下：将本发明的ab@hmpda-peg复合纳米粒子分散在阿霉素的水溶液中，于室温下避光搅拌，后经离心分离，保留固体部分，经洗涤，分散于去离子水中，即制得ab/dox@hmpda-peg纳米复合药物。

所述的阿霉素的负载过程具体为：将阿霉素溶于去离子水中，加入ab@hmpda-peg复合纳米粒子，室温搅拌20-48h，离心分离，保留下层固体，离心洗涤数次，直至上清液变成无色，并将下层固体分散在去离子水中，即制得ab/dox@hmpda-peg纳米复合药物，备用。所述的阿霉素与ab@hmpda-peg复合纳米粒子的质量比为5-15:85-100。

在众多的纳米载体中，本发明的ab@hmpda-peg纳米复合粒子研究较为前沿，因为它的合成基于聚多巴胺(pda)，pda作为一种黑色素类似物，具有孔径大小合适、易于表面接枝改性、无毒无害、生物相容性好等优点，为聚合物材料在医药纳米尺度的设计上提供了全新的思想与理念，同时，在聚多巴胺表面进行改性，包载具有特定功能的气体前药，再负载抗癌药物，即可高效地进行临床成像诊断进而实现对癌细胞的联合治疗。

本发明与专利cn201810204475.0的不同之处在于：(1)同为聚多巴胺，但有所不同。本发明是以二氧化硅纳米颗粒为基体，在外面以氧化自聚反应生成聚多巴胺形成核壳纳米粒子，再通过氢氟酸刻蚀二氧化硅核形成聚多巴胺的中空介孔结构。(2)聚多巴胺的应用不同。本发明使用中空介孔的聚多巴胺一方面是利用聚多巴胺良好的生物相容性作优良的药物递送系统；另一方面是利用中空介孔结构进行很好的气体前药和化疗药物的负载。(3)气体前药不同。本发明使用氨硼烷作为气体前药，在酸性环境可以释放氢气。

本发明ab/dox@hmpda-peg纳米复合药物作为药物载体，可同时高效地包载气体前药和化疗药物，具有很强的酸响应性，用于对抗癌药物进行负载和促进释放，在靶向运输、气体治疗和药物负载方面具有广大的应用前景。同时用超声成像作为临床诊断，进行ph敏感释放或超声波可控释放下的有效准确的进行癌症高效治疗，在减小对正常组织和正常细胞毒副作用的同时，进一步高效的杀死癌细胞。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明制备得到的ab@hmpda-peg纳米复合粒子所需原材料来源广泛且成本低，反应条件温和，合成工艺简单且结构巧妙，大大缩短了纳米载体的制备周期。制备得到的ab@hmpda-peg纳米复合粒子的粒径是110-135nm，可以在体内更好的实现高渗透常滞留效应增加靶向性，降低清除率，提高治疗效果。相比现有技术达到了更好的效果，并且这些优良的效果均被实施例1所证实；

(2)本发明制备得到的ab@hmpda-peg纳米复合粒子是中空结构，纳米粒子稳定性好、储存方便，可以达到更高的药物负载效率。相比现有技术都达到了更好的效果，并且这些优良的效果均被实施例1所证实；

(3)本发明制备得到的ab@hmpda-peg纳米复合粒子能够以酸敏感的方式分解为h2气体进行气体治疗，h2的控制释放过程在体外也得到了检测，在肿瘤环境可以得到持续的有效控释。相比现有技术达到了更好的效果，并且这些优良的效果均被实施例1所证实；

(4)本发明制备得到的ab@hmpda-peg纳米复合粒子孔径分布可调且有助于实现高渗透常滞留效应，能够很好的负载气体前药氨硼烷(ab)和抗癌药物阿霉素(dox)，并且载药率高达25.2％(wt)，同时具有ph响应释放和超声可控的药物释放性能。特别地，通过气体治疗在抗癌药物外排过程中，抑制细胞呼吸以阻断转运蛋白所需的能量供应，因此可以绕过外排介导的mdr效应并增强癌症治疗效果，进一步实现了化疗和气体治疗联合协同治疗同时克服了化疗药的多药耐药。这一效果在该治疗中被首次发现，且被实施例1所证实；

(5)本发明制备得到的ab@hmpda-peg纳米复合粒子所用的原材料生物相容性良好，特别是被用作生产h2的前药氨硼烷，无毒无害且在大气条件下存在稳定。ab@hmpda-peg纳米复合粒子在体内没有明显的短期毒性和长期毒性，更有利于临床转化。相比现有技术达到了更好的效果，并且这些优良的效果均被实施例1所证实。

附图说明

图1为本发明实施例1中dsio2、dsio2@pda、hmpda纳米粒子的tem图谱，其中，a、b分别为dsio2纳米粒子的低倍tem图谱和高倍tem图谱，c、d分别为dsio2@pda纳米粒子的低倍tem图谱和高倍tem图谱，e、f分别为hmpda纳米粒子的低倍tem图谱和高倍tem图谱。

图2为本发明实施例1中的ab@hmpda-peg复合纳米粒子的紫外吸收曲线以及负载抗癌药物dox之后的紫外吸收。

图3为本发明实施例1中的ab@hmpda-peg复合纳米粒子和游离dox在不同质量比下的uv-vis-nir吸收光谱。

图4为本发明实例1中的ab@hmpda-peg复合纳米粒子的ph响应的h2释放。

图5为本发明实例1中对癌细胞内转运蛋白westernblot分析。其中，1代表hmpda-peg，2代表ab，3代表ab@hmpda-peg，4代表ab/dox@hmpda-peg。

图6为本发明实例1中的ab@hmpda-peg复合纳米粒子在体内未经处理、注射后3天和注射后30天的血液血清生化参数指标和血液学指标评估。

图7为本发明实例1中的ab@hmpda-peg复合纳米粒子在体内未经处理、注射后3天和注射后30天采集的主要器官(包括心脏，肝，脾，肺和肾脏)的病理h&e染色图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明的氨硼烷/中空介孔聚多巴胺/聚乙二醇纳米复合粒子(ab@hmpda-peg)，该复合结构纳米粒子是以实心二氧化硅为核，介孔聚多巴胺为外壳，用氢氟酸进行刻蚀得到中空的介孔聚多巴胺，在外壳表面进行peg改性，然后通过氢键作用力包载氨硼烷小分子前药。

(1)该氨硼烷/中空介孔聚多巴胺/聚乙二醇纳米复合粒子的制备方法包括以下步骤：

(1-1)实心二氧化硅dsio2纳米粒的制备：取一个单口瓶，按正硅酸四乙酯和水的反应过程的计量，加入3.15ml氨水，75ml乙醇和15ml水混合，在35℃下搅拌15min，再滴入3ml正硅酸四乙酯进行水解聚合反应，35℃水浴再搅拌1.5h，后经离心醇洗2次，水洗1次，将最终产物分散在水中，然后真空干燥箱进行干燥得到实心的单分散dsio2颗粒；

(1-2)纳米颗粒dsio2@pda的制备：配置ph＝8.5的三(羟甲基)氨基甲烷的缓冲液(trisbuffer)，取trisbuffer30ml，在弱碱环境下加入上述的5ml分散在去离子水中的dsio2纳米颗粒置于反应容器中，再将200mg多巴胺(da)溶于3ml的水，并迅速加入上述混合液中，在室温下搅拌12h即可包裹上一层厚厚的聚多巴胺，后经去离子水洗3次，离心、静置，即制得dsio2@pda纳米粒子；

(1-3)纳米颗粒hmpda的制备：取上述的分散在去离子水中5ml的单分散的dsio2@pda纳米粒子，里面加入18ml水和18ml乙醇中，置于超声中进行搅拌，再加入3ml30％的氢氟酸，放置过夜，然后离心水洗三次，分散在水中，即制得中空结构的hmpda复合纳米粒子；

(1-4)hmpda-peg复合结构纳米颗粒的制备：将上述得到的hmpda复合纳米粒子分散在去离子水中，用稀的氢氧化钠溶液调节ph至10，加入200μl的nh2-mpeg(10mg/ml)，室温搅拌36h，离心水洗三次，再分散在水中，即制得hmpda-peg复合纳米粒子；

(1-5)纳米复合粒子ab@hmpda-peg的制备：称取170mg氨硼烷溶解在1.5ml(20mg/ml)hmpda-peg复合纳米粒子缓冲液中，在室温下搅拌24h，后经离心水洗重复多次，即制得ab@hmpda-peg复合纳米粒子，保存于4℃下备用。

(2)复合纳米材料粒径大小：其低倍和高倍tem分别见图1，可以看出hmpda复合纳米粒子粒径约为132nm，这种粒径尺寸有利于epr效应靶向肿瘤，对于细胞实验和体内治疗肿瘤均是非常合适的。

(3)ab@hmpda-peg复合纳米颗粒的药物负载：取2.5mgab@hmpda-peg纳米复合粒子分散在不同质量dox的去离子水溶液中，避光搅拌48h，离心，用去离子水洗涤3次，除去没有吸附的游离dox，分散于去离子水中，形成ab/dox@hmpda-peg纳米复合粒子，图2和图3为负载下的紫外吸收曲线。

dox的包封率和负载率的计算公式如下：

从图2和图3可以看出，hmpda-peg纳米粒和ab@hmpda-peg纳米粒的水溶液在紫外分光光度计中没有明显的吸收峰。而ab/dox@hmpda-peg光谱中在488nm处出现了明显的dox的特征吸收峰，这表明dox已成功载入到ab@hmpda-peg纳米复合载体中。此外，使用cary5000紫外可见分光光度计计算出ab@hmpda-peg纳米复合载体对dox的负载效率可以达到25.2％。证明ab@hmpda-peg纳米复合颗粒的中空结构产生理想的药物负载率。

(4)ab@hmpda-peg复合纳米颗粒的药物释放：分别取3份ab@hmpda-peg纳米复合粒子，分别分散于5mlph＝7.4(正常组织环境)、ph＝6.5(肿瘤细胞环境)、ph＝5.0(溶酶体环境)的缓冲液中，搅拌，每隔一定的时间通过气相色谱检测产生的h2的量(结果见图4)。

从图4可以看出,将ab@hmpda-peg纳米复合颗粒分别放置在ph＝7.4、ph＝6.5、ph＝5.0的缓冲液中下研究了ab@hmpda-peg释放h2的情况。在ph＝7.4中，基本没有明显的h2释放。显然，在酸性环境下h2的释放速度更快。当ph＝5.0时，ab@hmpda-peg的h2释放量在1小时内累积3.2818ml，说明在生理条件下，ab@hmpda-peg纳米复合材料不能分解为h2，而酸性条件可以显着促进dox释放。

(5)分别用等效ab浓度的hmpda-peg、ab、ab@hmpda-peg和ab/dox@hmpda-peg孵育4t1-adr细胞24小时，然后与100μl提取ph＝8.0的包含250mmnacl、50mmnah2po4、100mmtris-hcl、1mg/l抑肽酶和100mg/lpmsf的缓冲液一起在冰上裂解30分钟。以gapdh为看家基因检测蛋白p-糖蛋白(p-gp)含量(结果见图5)。

从图5可以看出，在耐dox的4t1-adr细胞中，用ab/dox@hmpda-peg进行刺激时，细胞内转运蛋白的含量明显低于其他组，因此ab/dox@hmpda-peg可以绕过外排介导的mdr效应来增强癌症治疗效果。这就表明ab/dox@hmpda-peg纳米颗粒可以克服肿瘤细胞产生的耐药作用。

(6)体内毒性测试：从中国科学院上海实验动物中心得到饲养了7周的雌性昆明小鼠。通过尾静脉注射40毫克/公斤剂量的ab/dox@hmpda-peg(分散于100μl生理盐水中)，同时注射同样体积的生理盐水作为对照组。分别于静脉注射后3天和30天处死小鼠，对血液血清生化参数指标和血液学指标进行评估(结果见图6)。同时，收集其主要内脏器官(心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏)，将其保存在10％福尔马林溶液中，采用典型的苏木精和伊红染色法进行组织病理学分析。在光学显微镜下观察h&e染色组织切片，包括心脏、肝脏、脾脏、肺和肾(结果见图7)。

从图6和图7可以看出，不论是空白组还是实验组，血清生物化学和血液学的后果显示没有明显变化。h&e染色的器官组织切片在实验组和对照组之间也没有发现明显的器官损伤或炎症性病变，这进一步表明了ab/dox@hmpda-peg纳米药具有良好的生物相容性，没有明显的副作用，用于抗肿瘤剂是非常有前景的。

实施例2

本实施例的氨硼烷/中空介孔聚多巴胺/聚乙二醇纳米复合粒子制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：

步骤(1-1)中，正硅酸四乙酯teos加入量为4ml。

步骤(1-2)中，分散在去离子水中的dsio2纳米颗粒的加入量为6ml；多巴胺da的加入量为140mg。

步骤(1-3)中，分散在去离子水中的单分散的dsio2@pda纳米粒子的加入量为6ml、水的加入量为20ml，乙醇的加入量为20ml，30％氢氟酸的加入量为2ml。

步骤(1-4)中，nh2-mpeg在去离子水中的质量浓度为20mg/ml，nh2-mpeg加入量为100μl。

步骤(1-5)中，氨硼烷的加入量为200mg，hmpda-peg复合纳米粒子为1.5ml。

本实施例2所得氨硼烷/中空介孔聚多巴胺/聚乙二醇纳米复合粒子的检测结果和性能与实施例1基本相同。

实施例3

本实施例的氨硼烷/中空介孔聚多巴胺/聚乙二醇纳米复合粒子制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：

步骤(1-1)中，正硅酸四乙酯teos加入量为4ml。

步骤(1-2)中，分散在去离子水中的dsio2纳米颗粒的加入量为7ml；多巴胺da的加入量为170mg。

步骤(1-3)中，分散在去离子水中的单分散的dsio2@pda纳米粒子的加入量为7ml、水的加入量为20ml，乙醇的加入量为20ml，30％氢氟酸的加入量为5ml。

步骤(1-4)中，nh2-mpeg在去离子水中的质量浓度为5mg/ml，nh2-mpeg加入量为150μl。

步骤(1-5)中，氨硼烷的加入量为150mg，hmpda-peg复合纳米粒子为1ml。

本实施例3所得氨硼烷/中空介孔聚多巴胺/聚乙二醇纳米复合粒子的检测结果和性能与实施例1基本相同。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。