含双亲基团的大分子材料、其制备方法及其应用

1.本发明涉及一类具有手性特征的克酮酸类近红外染料的设计与合成，并以此类分子为原料构建具有近红外光响应的光热纳米材料。


背景技术：

2.近年来在新型的癌症治疗技术中，光热治疗作为一种非侵入性治疗方法，由于其微创、毒性低、响应性好，逐渐成为癌症治疗的研究热点。光热治疗是光热试剂在近红外光源辐射下，材料将光能转化为热能，由于近红外光穿透性强，对正常细胞的影响较小，肿瘤微环境温度升高最终导致肿瘤细胞损伤。迄今为止，使用较为广泛的光热试剂主要分为无机光热材料和有机光热材料。无机光热材料包括碳基纳米材料(石墨烯、碳纳米管)，贵金属材料、过渡金属硫属化物以及其他二维材料(黑磷、氮化硼、氮化石墨烯)等。无机光热材料具有可调节、易修饰的优点，但是存在长期毒性和代谢能力差的问题。有机光热材料包括共轭聚合物类材料和大分子光热材料，其中共轭聚合物(聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等)具有较好的光稳定性，易修饰，生物相容性好的优势，但其化学合成往往较为复杂。相比之下大分子光热材料(菁、卟啉、肽菁等)由于其低毒性，易代谢、光学可调性强、制备简单、成本低等优点而受到越来越多研究者的青睐。
3.克酮酸类(cr)染料作为一种光热试剂表现出窄而强的吸收及高摩尔消光系数(～105m-1
cm-1
)。cr染料是供体-受体-供体(d-a-d)型两性离子化合物，具有可扩展的π共轭结构，通过改变供体部分以及在给定的供体部分上引入取代基，便于调节克酮酸染料分子结构。一般来说，cr染料主要分为对称结构(d1-a-d1型)和不对称结构(d1-a-d2型)两大类。因此，cr染料可以具有多种结构类型，赋予其可调的光物理性质。cr染料可以通过π-π堆积或直接与有机/无机纳米材料复合自组装成纳米级颗粒，具有出色的热稳定性、抗光漂白性和溶致变色性及光谱可调性，使其广泛用于光致动器、光存储设备、生物医学传感和光热治疗等。
4.手性的研究一直受到科学家的极大关注，制备具有手性特征的近红外材料将进一步扩展交叉领域的应用范围和应用价值。通过超分子自组装的方法，利用非共价相互作用可构筑不同功能的手性体系。一般情况下超分子组装体的手性不是由单一驱动力构筑的，而是由多种非共价相互作用力协同作用得到的，为组装体结构的调节控制提供可能，也赋予了组装体丰富多样的形貌和功能。手性的诱导、转移和放大机制的研究在自然界的进化、生命的起源和功能材料的发展中发挥着重要作用，例如手性识别、手性传感器、手性光开关和不对称催化等。特别是，通过构筑单元的手性自组装成人工纳米结构的手性放大在材料科学和光电子学中显示出巨大的潜力。所以，开发一种新型的具有手性性质的光热纳米材料有望拓展cr染料在生物成像和治疗诊断中的应用。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种
含双亲基团的大分子材料、其制备方法及其应用，利用胆固醇为疏水基元和聚乙二醇为亲水基元，哌啶-噻吩-克酮酸-噻吩-哌啶共轭基元为主干部分设计合成了一类具有生物相容性及光热性质的新型功能化双亲大分子。其中，胆固醇是细胞膜的重要组成部分，在膜运输、分选过程和细胞信号传导过程中发挥重要作用。且胆固醇含有刚性平面甾体环结构与高度灵活的支链烃尾，这种刚柔并济的结构赋予胆固醇液晶特性。当液晶分子有序排列成螺旋(扭曲)的超分子结构，可显示出独特的光学特性，例如光的选择性反射和透射、热致变色和圆二色性。同时聚乙二醇(peg)作为一类商业化的分子，其分子量易于调节，且具有良好的生物相容性。由小分子染料形成的超分子组装体，可作为一种通过组装条件进行结构调控的智能纳米材料应用于光热治疗等领域。
6.为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种含双亲基团的大分子材料，其分子结构为：以哌啶-噻吩-克酮酸-噻吩-哌啶共轭基元为主干，以胆固醇、聚乙二醇单甲醚为端基，形成克酮酸为主干的大共轭结构，两侧分别修饰为疏水基元胆固醇、亲水基元聚乙二醇单甲醚的不对称结构；其分子结构式为：
8.其中，n＝10～45。
9.优选地，本发明所述的含双亲基团的大分子材料的大分子具有内外部结构，大分子内部的疏水结构为克酮酸与胆固醇基元构成，大分子外层部分为亲水性的聚乙二醇单甲醚构成；通过调节亲水链分子量或改变组装温度，使纳米材料的形貌尺寸发生相应变化。
10.优选地，本发明所述的含双亲基团的大分子材料具有纤维状、管状、球状中的至少一种形状。
11.一种本发明所述的含双亲基团的大分子材料的制备方法，通过1-噻吩-4-哌啶甲酸分别与聚乙二醇单甲醚、胆固醇进行酯化反应，然后再与克酮酸通过亲核取代反应得到目标分子，包括如下步骤：
12.(1)制备1-噻吩-4-哌啶甲酸：
13.按1:1.5的摩尔比将2-噻吩硫醇和4-哌啶甲酸甲酯溶于无水甲苯中，在惰性气体保护下避光加热，进行第一次回流至少4h；在反应结束后，旋蒸除去溶剂，柱层析纯化得到1-噻吩-4-哌啶甲酸甲酯；然后将1-噻吩-4-哌啶甲酸甲酯溶于naoh溶液，继续避光加热，进行第二次回流搅拌反应至少4h；在冰浴条件下，向反应瓶内逐滴滴加至少25ml的质量百分比不低于10％的醋酸溶液进行酸化，静置一段时间直至出现白色沉淀物，用二氯甲烷萃取产物溶液，收集有机相，旋蒸除去溶剂，得到目标分子1-噻吩-4-哌啶甲酸，其化学结构式为：
14.(2)制备1-噻吩-4-哌啶胆固醇：
15.按1:1.3的摩尔比将1-噻吩-4-哌啶甲酸、胆固醇溶于无水二氯甲烷，加入催化剂
dmap，反应至少半小时后，在冰浴条件下加入edc，加入完毕后撤去冰浴，在惰性气体保护下并在室温下反应至少8h；在反应结束后，旋蒸除去多余溶剂，柱层析纯化，得到目标分子1-噻吩-4-哌啶胆固醇sp-coochol，其化学结构式为：
[0016][0017]
(3)制备1-噻吩-4-哌啶聚乙二醇：
[0018]
按1:1.3的摩尔比将1-噻吩-4-哌啶甲酸、pegn溶于无水二氯甲烷，其中n＝10～45，加入催化剂dmap，在惰性气体保护下反应半小时后，冰浴条件下加入edc，加入完毕后撤去冰浴，室温下反应至少8h；在反应结束后，旋蒸除去多余溶剂，柱层析纯化，得到目标分子1-噻吩-4-哌啶聚乙二醇sp-coopegn，其化学结构式为：
[0019][0020]
(4)制备聚乙二醇-克酮酸-胆固醇：
[0021]
按1:1:1的摩尔比将克酮酸、sp-coochol、sp-coopegn加入甲苯和正丁醇的混合溶液，在惰性气体保护下，加热回流搅拌反应至少2h；在反应结束后，旋蒸除去多余溶剂，柱层析纯化，得到目标分子聚乙二醇-克酮酸-胆固醇peg
n-cr-chol，其化学结构式为：
[0022]
其中，n＝10～45。
[0023]
优选地，在所述步骤(1)中，第一次回流反应的的温度不低于120℃，第二次回流反应的的温度不低于105℃。
[0024]
优选地，在所述步骤(2)中，在室温下进行反应。
[0025]
优选地，在所述步骤(3)中，在室温下进行反应。
[0026]
优选地，在所述步骤(4)中，反应的的温度不低于120℃。
[0027]
优选地，本发明方法的各步骤反应体系均在除水除氧条件下进行。
[0028]
优选地，本发明所述的含双亲基团的大分子材料的制备方法，通过改变亲水链分子量或者其他修饰基团，得到不同的不对称官能团修饰的功能化大分子。
[0029]
一种智能光热纳米材料，采用本发明所述的含双亲基团的大分子材料，通过溶剂置换自组装的方法，制备得到智能光热纳米材料。
[0030]
优选地，采用初始溶剂，将本发明所述的含双亲基团的大分子材料溶于初始溶剂，配制成质量百分比浓度为0.5～5wt％的溶液；在10-50℃的较低温度范围内，向溶液中缓慢加入选择性溶剂去离子水，并轻轻震荡，使去离子水与初始溶剂的体积比为1.1:1，在去离子水中透析去除有机溶剂，从而得到所述的具有特定纳米结构的有机光热材料。
[0031]
优选地，本发明所述初始溶剂采用四氢呋喃、1,4-二氧六环、丙酮、dmf、dmso中任意一种或多种组分的混合溶剂。
[0032]
优选地，本发明不同形貌尺寸的智能光热纳米材料可通过调节亲水链分子量或控制组装温度得到；智能光热纳米材料经分子间有序堆砌，传递胆固醇手性，并实现超大光学不对称性结构。
[0033]
一种本发明所述的智能光热纳米材料的应用，所述智能光热纳米材料作为光热治疗试剂，在波长为808nm的近红外光照射下，含有智能光热纳米材料的光热治疗试剂释放热量，实现光热升温。
[0034]
本发明原理：
[0035]
本发明提供一类具有近红外光吸收的光热双亲大分子，采用具有近红外光吸收的光热双亲大分子的制备方法，通过调节组装条件改变纳米材料形貌，制备具有手性特征的纳米材料，具有优异生物相容性和近红外光刺激响应性。本发明的光热双亲大分子以哌啶-噻吩-克酮酸-噻吩-哌啶共轭基元为主干，以胆固醇、聚乙二醇单甲醚为端基，分别通过化学反应以共价键链接得到具有不同亲水链长的目标分子pegn-cr-chol，n＝10～45。在此基础上，通过溶剂置换法制备具有不同形貌结构(纤维状、管状、球状)的智能纳米材料。根据上述反应机理本发明采用如下技术方案：通过1-噻吩-4-哌啶甲酸分别与聚乙二醇单甲醚、胆固醇进行酯化反应，然后再与克酮酸通过亲核取代反应得到目标分子，该反应收率高，可修饰性强，适用性广。
[0036]
具有球状、管状或纤维结构的纳米材料，采用上述分子得到，由该类纳米材料的内部疏水结构为克酮酸与胆固醇基元构成，外层部分为亲水性的聚乙二醇单甲醚构成。通过调节亲水链分子量或改变组装温度纳米材料的形貌尺寸会发生相应变化。
[0037]
光热治疗试剂在一定波长的光源辐射下，材料将光能转化为热能，由于近红外光穿透性强，肿瘤微环境温度升高最终导致肿瘤细胞损伤。以有机小分子为基础的光热剂，在开发具有潜在临床应用价值的新型癌症治疗中受到越来越多的关注。本发明所涉及的光热纳米材料具有快速的近红外光刺激响应特性，经胆固醇和peg修饰后的双亲大分子可在不同的组装条件下形成不同形貌的纳米材料，并具有良好的生物相容性。更重要的是，此类纳米材料可有效传递胆固醇手性并实现超大光学不对称性。这类近红外光刺激响应性功能纳米材料在光热治疗、生物医药等方面具有潜在的应用价值。
[0038]
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
[0039]
1.本发明通过共价键将克酮酸、胆固醇和peg基元进行链接得到一类光热功能化双亲大分子；并通过改变分子的修饰基元得到具有不同亲疏水性的双亲分子，调节亲水链peg的分子量来精准调控分子整体的亲疏水性质；
[0040]
2.本发明光热双亲大分子的组装体可用于光热治疗探究，表现出敏锐的刺激响应性行为，在近红外光照射下短时间可释放大量的热；
[0041]
3.本发明经胆固醇有序排列的光热双亲大分子组装体有效实现手性传递为及手性放大性质；光热双亲大分子凭借π-π堆积、胆固醇基元间的范德华力两种驱动力形成稳定且微观结构可控的纳米级材料，具有纤维、管状或球状结构；
[0042]
4.本发明智能纳米材料的制备方法简单易行，物理化学性能均一，刺激响应速度快。
附图说明
[0043]
图1为本发明实施例一的1-噻吩-4-哌啶甲酸的1hnmr谱图。
[0044]
图2为本发明实施例一的1-噻吩-4-哌啶胆固醇(sp-coochol)的1h nmr谱图。
[0045]
图3为本发明实施例一的1-噻吩-4-哌啶聚乙二醇[sp-coopegn]的1h nmr谱图。
[0046]
图4为本发明实施例一的peg
n-cr-chol(n＝10～45)的1h nmr谱图。
[0047]
图5为本发明实施例一的光热双亲大分子在溶解状态下的紫外吸收光谱图。
[0048]
图6为本发明实施例一的光热双亲大分子在水中组装体溶液的紫外吸收光谱图。
[0049]
图7为本发明实施例一的光热双亲大分子在水中组装体溶液的圆二色谱图。
[0050]
图8为本发明实施例一的光热双亲大分子形成纳米材料的透射电子显微镜(tem)照片。
[0051]
图9为本发明实施例二的光热双亲大分子的光热升温效果曲线图。
[0052]
图10为本发明实施例二的光热双亲大分子的细胞毒性测试图。
具体实施方式
[0053]
以下实施例一种含双亲基团的大分子材料，其分子结构为：以哌啶-噻吩-克酮酸-噻吩-哌啶共轭基元为主干，以胆固醇、聚乙二醇单甲醚为端基，形成克酮酸为主干的大共轭结构，两侧分别修饰为疏水基元胆固醇、亲水基元聚乙二醇单甲醚的不对称结构；其分子结构式为：
[0054]
其中，n＝10～45。
[0055]
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
[0056]
实施例一
[0057]
在本实施例中，一种本发明所述的含双亲基团的大分子材料的制备方法，通过1-噻吩-4-哌啶甲酸分别与聚乙二醇单甲醚、胆固醇进行酯化反应，然后再与克酮酸通过亲核取代反应得到目标分子，包括如下步骤：
[0058]
(1)制备1-噻吩-4-哌啶甲酸：
[0059]
反应体系除水除氧，在氮气氛围保护下，在250ml反应瓶中，按1:1.5的摩尔比将2-噻吩硫醇和4-哌啶甲酸甲酯溶于无水甲苯中，在避光条件下，加热120℃，进行第一次回流4h；在反应结束后，恢复到室温，旋蒸除去多余溶剂，柱层析分离纯化，得到1-噻吩-4-哌啶甲酸甲酯；然后将1-噻吩-4-哌啶甲酸甲酯溶于25ml浓度为20mg/ml的naoh溶液，均匀搅拌至完全溶解，避光加热待105℃，进行第二次回流反应4h；待反应冷却到室温之后，在冰浴条件下，向反应瓶内逐滴滴加25ml的质量百分比为10％的醋酸溶液进行酸化，静置一段时间直至出现白色沉淀物，用二氯甲烷萃取产物溶液，收集有机相，旋蒸除去溶剂，得到目标分
子1-噻吩-4-哌啶甲酸，其化学结构式为：其核磁氢谱图参见图1；
[0060]
(2)制备1-噻吩-4-哌啶胆固醇：
[0061]
反应体系除水除氧，在氮气氛围保护下，在100ml反应瓶中，按1:1.3的摩尔比将1-噻吩-4-哌啶甲酸、胆固醇溶于无水二氯甲烷，加入催化剂dmap，搅拌，在常温下进行反应0.5h后，在冰浴条件下加入edc，加入完毕后撤去冰浴，并在室温下继续反应至少8h；在反应结束后，旋蒸除去多余溶剂，柱层析纯化，得到目标分子1-噻吩-4-哌啶胆固醇sp-coochol，其化学结构式为：
[0062]
其核磁氢谱图参见图2；
[0063]
(3)制备1-噻吩-4-哌啶聚乙二醇：
[0064]
反应体系除水除氧，在氮气氛围保护下，在100ml反应瓶中，按1:1.3的摩尔比将1-噻吩-4-哌啶甲酸、pegn溶于无水二氯甲烷，其中n＝10～45，加入催化剂dmap，室温下反应0.5h后，冰浴条件下加入edc，加入完毕后撤去冰浴，室温下反应8h；在反应结束后，旋蒸除去多余溶剂，柱层析纯化，得到目标分子1-噻吩-4-哌啶聚乙二醇sp-coopegn，其化学结构式为：
[0065]
其核磁氢谱图参见图3；
[0066]
(4)制备聚乙二醇-克酮酸-胆固醇：
[0067]
反应体系除水除氧，在氮气氛围保护下，在100ml反应瓶中，按1:1:1的摩尔比将克酮酸、sp-coochol、sp-coopegn加入体积比为1:1的甲苯和正丁醇的混合溶液，常温搅拌至反应物完全溶解并混合均匀，加热120℃，回流搅拌反应2h；在反应结束后，旋蒸除去多余溶剂，柱层析纯化，得到目标分子聚乙二醇-克酮酸-胆固醇peg
n-cr-chol，其化学结构式为：
[0068]
其中，n＝10～45。其核磁氢谱图参见图4。
[0069]
实验测试分析：
[0070]
本实施例利用溶剂置换自组装的方法制备球状、管状及纤维状纳米材料，具体实施过程如下：将上述光热双亲大分子peg
n-cr-chol(n＝10～45)分别溶解在四氢呋喃、1,4-二氧六环、丙酮、dmf、dmso或两种组分混合溶液或特定比例混合溶液，配制成质量百分比浓度为0.5～5wt％的溶液；在10-50℃的特定组装温度下，按照10μl/min的速度缓慢滴加去离子水并轻微震荡，滴加完后将混合溶液用截留分子量为3500da的透析袋透析，最后得到球
状、管状及纤维状纳米材料的水溶液。
[0071]
在本实施例中，通过紫外光谱(uv/vis)来测试所制备光热双亲大分子及纳米组装体的光谱吸收。具体实施过程为：将上述光热双亲大分子溶解在二甲亚砜中，配成浓度为0.005wt％溶液进行测试，纳米组装体溶液稀释后进行测试。发现溶解的大分子在800nm处具有强烈的紫外吸收，结果参见图5。而此类光热双亲大分子的组装体的在波长为700nm左右出现了新的吸收峰，并且对于peg
n-cr-chol(n＝10～45)分子的不同形貌组装体的紫外吸收出现了蓝移现象。结果参见图6。
[0072]
在本实施例中，通过圆二色谱(cd)来测试在实施例一中所制备光热大分子及纳米组装体的cd信号。具体实施过程为：将上述光热双亲大分子溶解在四氢呋喃中，配成浓度为0.005wt％溶液进行测试，纳米组装体溶液稀释后进行测试。发现在溶解状态下，此类双亲大分子并未显示cd信号。而peg
n-cr-chol(n＝10～45)分子的组装体显示出了超强手性信号，说明在自组装过程中，分子相连的胆固醇基团在空间中变得紧密，经历直接的、贯穿空间的相互作用，从而产生激子耦合，呈现出符号相反的谱带，胆固醇的手性得以有效传递及放大，结果参见图7。
[0073]
利用扫描电子显微镜观察分子peg
n-cr-chol(n＝10～45)在形成的纳米材料结构。peg
n-cr-chol(n《15)分子可制备出形成尺寸均一的纤维组装体，直径为12nm，在较高温度组装条件下形成的空心管状纳米材料，直径为15nm。而peg
n-cr-chol(n》20)在较高温度可制备出均匀球状纳米材料。结果参见图8。
[0074]
本实施例以克酮酸为主干的大共轭结构，两侧分别修饰为疏水基元胆固醇、亲水基元聚乙二醇单甲醚的不对称结构。还能通过改变亲水链分子量或者其他修饰基团得到不对称官能团修饰的功能化大分子，产率较高，易于纯化。多种不同形貌的智能纳米材料，采用光热功能化大分子通过溶剂置换自组装的方法制备得到。
[0075]
实施例二
[0076]
在本实施例中，通过近红外光激光器、高精度测温仪测试不同形貌实施例一制备的纳米材料的光热性能。具体实施过程为：将不同形貌的组装体溶液统一配置成浓度为0.5mg/ml，发现这类纳米材料均显示出优异的光热升温效果，其中，纤维形貌的升温效果最好，在功率密度为1.5w/cm2时，10min内升高46℃，参见图9。
[0077]
通过cck-8法光热大分子水溶液进行体外细胞毒性的测试。分别选取宫颈癌细胞hela细胞系和肝癌细胞hepg2细胞系，以6*103cell/孔的密度分别将两种细胞种植于96孔板上。在10％pbs，37℃，5％co2条件下培养24小时后弃去培养基，加入含有待测样品的fbs溶液，培养48小时，弃除培养基，向孔中加入20μl/孔的cck-8工作液(5.0mg/ml)，在37℃孵育1小时。用酶标仪(biotek，elx800)分别以490/630nm处作为实验/参比波长，测其吸收值，并以5个复孔的平均值作为最终结果，细胞存活率经计算后结果参见图10。
[0078]
上述实施例利用分子的π-π堆积、胆固醇基元间的范德华力两种相互作用力作为纳米材料自发形成的驱动力。不同形貌尺寸的纳米材料可通过调节亲水链分子量或控制组装温度得到，具有敏锐的刺激响应性质及良好的生物相容性。纳米材料经分子间有序堆砌可有效传递胆固醇手性并实现超大光学不对称性。智能纳米材料在波长为808nm的近红外光照射下组装体溶液会释放大量的热，具有良好的光热升温效果。上述实施例新型的功能化双亲大分子的合成方法及以其为原料的近红外光响应型纳米材料。以克酮酸为主干的大
共轭结构，两侧修饰分别为疏水基元胆固醇、亲水基元聚乙二醇单甲醚的不对称结构，得到一类新型的光热功能化双亲大分子。通过调节链接的聚乙二醇单甲醚的分子量可以得到具有不同亲疏水性质的分子，从而在分子结构方面调节组装体形貌。通过溶剂置换的方法构筑了具有纳米尺度、均匀分散的新型光热纳米材料，其球状、管状、纤维状纳米结构可通过组装温度的改变来实现有效调控。此类纳米材料具有优异的光热升温效果及生物相容性，并具有超大光学不对称性。在光声成像、光热治疗、光动力治疗等生物医药领域具有潜在的应用前景。
[0079]
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。