多孔芳香骨架材料PAF修饰吸附活性位点对于药物缓释的影响.docx
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1、多孔芳香骨架材料 PAF-1 修饰吸附活性位点对于药物缓释的影响赵雪;马婷婷;田宇阳;朱广山【摘 要】近年来, 多孔芳香骨架材料由于其较高的比外表积、较大的孔容、良好的热和化学稳定性而在气体吸附与分别、光电和催化等方面有了极大的进展.同时, 芳香骨架的可修饰性使得在其孔道中修饰不同的官能团以进展不同的应用成为可能. 其中一个重要的应用就是利用多孔芳香骨架材料作为药物缓释应用的适宜候选材料. 本文通过镍 (0) 催化的 Yamamoto-type Ullmann 偶联反响合成多孔芳香骨架材料 PAF-1, 通过硝化复原反响引入具有吸附活性的氨基官能团, 并准确调控多孔材料的氨基含量, 争论吸附活
2、性位点对布洛芬药物分子的相互作用及影响 PAF-1- NH2 药物缓释效果的因素.结果觉察, PAF-1 中的氨基含量与载药率变化呈正相关, 而材料的比外表积与载药率呈现负相关关系.由此说明, PAF-1 孔道构造中修饰的活性位点的数目对载药率的影响是主要的.氨基含量最高的 PAF-1-NH2-48 h 具有1.203 gg-1 的载药量, 高于目前报道的其他有机多孔材料对布洛芬的载药率.药物缓释试验证明, 吸附活性位点数目的增多导致药物释放率渐渐增大, PAF-1-NH2- 48 h 的药物缓释效果最好, 10 h 后到达最大药物释放量 0.83 gg-1.%In recent years,
3、 porous aromatic frameworks (PAFs) have made great progress for gas adsorption and separation, sensing and catalysis applications, thanks to their high specific surface area, tailorable structures and good thermal and chemical stability. Moreover, the aromatic building units provide the possibility
4、of modifying the skeleton with diverse functional groups that possess various applications, such as using PAF as a candidate for drug loading and release. Herein, the porous aromatic framework PAF-1 wassynthesized by the Yamamoto type Ullmann coupling reaction catalyzedby nickel (0). The nitrificati
5、on degree was carefully controlled to give PAF- 1-NH2 with different amino content in the pore structure. The amino group was used as the active site, and ibuprofen was used as a targetting drug model. The interaction between the amino group of the active site and the ibuprofen molecule was studied,
6、 as well as the factors affecting the sustained release of PAF-1-NH2. It is found that when the amounts of modified amino groups in the pore structure of PAF-1 increases, the specific surface area of PAF-1-NH2 decreases gradually, with the increasing drug loading amounts. This indicates that the num
7、ber of modified active sites in the PAF-1 porous structure has the predominate effect on the drug loading rate. Among them, PAF-1-NH2-48 h with the highest amino content has a drug loading of 1.203 gg-1, which is the highest drug loading rate of ibuprofen by organic porous materials. The drug releas
8、e experiment proves that with the increase of the number of amino groups, the drug release rate gradually increases, and the drug release of PAF-1-NH2-48 h obtained after 48 hours of nitrification is as high as 0.83 gg-1.【期刊名称】黑龙江大学自然科学学报【年(卷),期】2023(036)002【总页数】10 页(P178-186,封 3)【关键词】多孔芳香骨架材料;合成后修饰
9、;药物缓释【作 者】赵雪;马婷婷;田宇阳;朱广山【作者单位】东北师范大学 化学学院 多酸科学教育部重点试验室,长春 130024;东北师范大学 化学学院 多酸科学教育部重点试验室,长春 130024;东北师范大学 化学学院 多酸科学教育部重点试验室,长春 130024;东北师范大学 化学学院 多酸科学教育部重点试验室,长春 130024【正文语种】中 文【中图分类】Q939.970 引言由于药物分子具有在水溶液中较差的稳定性和分散性、自身的生物毒性以及非特异性靶向性,并且无法准确掌握药物释放等问题,假设直接向患者体内投放某些抗癌药物可能会使患者受到这些药物分子的影响。通过将高生物相容性、高载药
10、量并且对人体无毒害作用的材料与药物分子结合,利用药物缓释技术靶向性地向患者体内投放药物,可以提高患者对药物分子的适应性,降低药物的副作用。因此,开发药物缓释材料具有重要的生物医疗应用价值。长期以来,具有较高的比外表积、高孔容和可调整孔径等优良性能的多孔材料被认为是药物缓释载体的适宜候选材料。其中以 MCM-41 为代表的无机介孔材料,在药物缓释应用方面获得了较多的争论成果和进展16。但是,无机材料在药物缓释方面存在肯定的缺点,由于药物分子多为有机小分子,与无机材料的亲和力较弱,载药力量受到相应的影响。金属有机骨架材料(MOFs)具有比介孔材料更高的比外表积,同时其开放的金属位点可以与药物分子产
11、生较强的相互作用,因而近年来得到广泛的关注7。但是 MOFs 材料中金属离子的毒害性和材料本身较差的水稳定性限制了他们在药物缓释方面的实际应用8。多孔芳香骨架材料(PAFs)是型的多孔材料9,完全由低密度的有机基块连接而成,因此其比外表积和骨架密度更低,且稳定性良好1013。同时,PAF 材料刚性的骨架构造可确保材料在后修饰时保持其骨架构造的完整性14,且纯有机骨架与药物分子有较强的相互作用,确保了 PAF 材料的载药力量和缓释效果。近年来将 PAFs 用于药物缓释领域的争论被广泛关注和报道15。布洛芬是被广泛应用的有机镇痛药物,其构造如图 1 所示,分子量为 206.28。布洛芬具有较小的分
12、子尺寸(1.0 nm0.5 nm),在药物缓释应用方面受到很多争论人员的关注16。因此,本文利用多孔芳香骨架材料(PAFs)优异的性能,选择具有高比外表积且稳定性良好的 PAF-1 为载体,后修饰功能基团氨基,通过其与布洛芬分子中羧基发生相互作用实现吸附,获得能准确掌握具有不同活性位点数量的PAF-1-NH2,并争论活性位点数目以及 PAF 材料的比外表积对 PAF-1-NH2 药物负载和缓释效果的影响。图 1 布洛芬分子构造图 Fig.1 Molecular structure of ibuprofen 1 试验局部1.1 试剂与仪器红外光谱图由 Nicolet Impact 410 傅里叶
13、红外光谱仪(美国 Nicolet 公司)测得;热重曲线(TGA)用热(瑞士 Mettler toledo 公司)在空气气氛中测得,升温速率为 10min1;SEM 照片由 HITACHI SU8010 场放射扫描电子显微镜(日本Hitachi 公司)拍得;氮气吸附曲线由 Quantachrome Autosorb-IQ-MP/XR 气体吸附(美国 Quantachrome 公司)测得;不同硝化时间得到的材料中碳元素与氮元素比由 EuroVector EA3000 全自动元素(意大利 Euro Vector 公司),承受 Single-reactor mode 测得。全部药品试剂和溶剂购自阿拉丁
14、试剂公司,未进展进一步纯化而直接使用;试验用水为二次蒸馏水。1.2 PAF-1-NH2 的合成多孔芳香骨架材料 PAF-1 的合成参考已经发表的文献17的方法,通过镍(0)催化的 Yamamoto-type Ullmann 偶联反响进展合成。PAF-1 的合成方法:在手套箱里取 200 mg 四溴四苯甲烷放入 100 mL 两口烧瓶 A 中。将 414 mg 四(三苯基膦)钯和 234 mg 2,2联吡啶放入另一个两口烧瓶 B 中,封好三通口,带出手套箱后,鼓两个氮气气球安到三通上。取 20 mL DMF 用针管参加 A 瓶中,超声分散使其溶解。取 10 mL DMF 用针管参加 B 瓶中,在
15、 80 油浴中活化催化剂 30 min 后,用针管抽取A 瓶中溶液参加 B 瓶中,反响 48 h。分别用浓盐酸、水、甲醇搅拌 2 h 后抽滤,所得白色粉末经 THF 索氏提取 48 h 后, 真空枯燥,得到 PAF-1。PAF-1-NO2 的合成方法:取 50 mg PAF-1 置于两口烧瓶中,参加 25 mL 乙酸酐, 将烧瓶置于冰水浴中,向其中缓慢滴加 1.5 g 浓硝酸,在室温下分别反响 0.5、1、12、24、36、48 h。过滤得到淡黄色粉末,用蒸馏水(100 mL)和无水乙醇(100mL)反复洗涤 5 次,100真空枯燥,得到含有不同硝基数目的 PAF-1-NO2。PAF-1-NH
16、2 的合成方法:取 50 mg 反响时间分别为 0.5、1、12、24、36、48 h的 PAF-1-NO2 和 1.63 g SnCl22H2O,在氮气保护下分散在 10 mL 乙醇溶液中, 反响体系升温至 70,反响 24 h。过滤后把得到的固体产物悬浮于 10 mL HCl中,然后用 100 mL 蒸馏水洗涤 5 次、100 mL 乙醇洗涤 3 次,枯燥后得到不同氨基含量的 PAF-1-NH2。1.3 药物的定量方法药物分子在溶液中的浓度通过液体紫外分光光度法测定1。在正己烷中将布洛芬溶解,配制布洛芬标准溶液(浓度 1050 gmL1)。以正己烷为空白比照,液体经紫外分光光度法测得 22
17、2 nm 处有最大吸取,计算得到标准曲线方程:A=0.037 9x+0.127,R2=0.995 8,浓度线性范围为 1050 gmL1。在模拟体液中(pH=7.4,PBS 缓冲溶液)进展药物释放争论,配制布洛芬标准溶液(浓度1050 gmL1),以模拟体液为空白比照,同样方法得到标准曲线方程:A=0.037 88x+0.044,R2=0.997 1,浓度线性范围为 1050 gmL1。1.4 药物的负载准确称取肯定质量(m)的硝化时间分别为 1、12、24、48 h 的 PAF-1-NH2 和PAF-1 参加到肯定体积(V0)的布洛芬正己烷溶液(0.10 molL1)中,磁力搅拌 12 h。
18、待布洛芬被 PAF 材料充分吸附后,静置。用带有滤头的注射器吸取少量上层清液,过滤并适当稀释后,用紫外分光光度法测定体系中残留的布洛芬药物的质量浓度(cm)。M 为布洛芬的分子量,通过下式计算药物的负载率:1.5 药物缓释准确称取固定质量 m 的不同硝化时间后得到的 PAF-1-NH2,在 37下分散于50 mL 模拟体液中。在 1、2、4、6、8、10、20、28、48、72 h 下分别吸取 15 mL 缓释溶液,离心后,吸取适量上层清液,用液体紫外分光光度法测定布洛芬分子的浓度 cm 以计算释放量。重取 15 mL 模拟体液参加离心后得到的固体,将它们参加到原体系连续测试。累计释放比率计算
19、公式为:式中:n 为第 n 次取样;Cn 为第 n 次取样时的浓度(mgmL1);Cn1 为第 n1 次取样时的浓度(mgmL1)。药物释放动力学曲线通过 Higuchi 模型描述。依据 Higuchi 模型,药物释放可用以下公式描述:Qt=K,其中 Qt 是 t 时刻下释放出的药物的量(gg1);K 是动力学常数(gg1s0.5);t 是时间(s)。由该公式可以看出,药物释放的量与药物释放时间的平方呈正比关系18。2 结果与争论2.1 材料表征2.1.1 红外光谱(IR)分析PAF-1-NH2 的成功合成可以通过红外光谱来进展确认。从图 2 的红外光谱图可知, PAF-1-NO2 在 1 5
20、28 cm1 和 1 344 cm1 处的吸取峰可归属为 N=O 键的伸缩振动,因此证明硝基成功地修饰到 PAF-1 材料上。而 PAF-1-NH2 红外光谱图中的硝基振动峰消逝,同时 3 3003 500 cm1 处归属为氨基中的 N-H 振动峰, 可以证明硝基被成功地复原为氨基1920。图 2 PAF-1-NH2(a)、PAF-1-NO2(b)及 PAF-1(c)的红外光谱 Fig.2 Infrared spectra of PAF-1-NH2(a),PAF-1-NO2(b)and PAF-1(c)2.1.2 形貌表征(SEM)为了比照修饰氨基后的 PAF-1-NH2 的形貌与未经修饰的
21、PAF-1 材料的区分,测试了 PAF-1-NH2 和 PAF-1 样品的扫描电镜图像,分别如图 3(a)和图 3(b)所示。比照两图可以清楚地看出,硝化复原 48 h 的 PAF-1-NH248 h 照旧保持着和PAF-1 相像的球状形貌,由此可知 PAF 材料具有良好的化学稳定性。图 3 PAF-1-NH248 h(a) 和 PAF-1(b)的 SEM 图 Fig.3 SEM images of PAF-1- NH248 h(a)and PAF-1(b)2.1.3 热稳定性分析图 4 为所合成 PAF-1-NH2 的热重分析(TGA)曲线。从图中可以看出,PAF-1-NH2 在加热到 35
22、0之前失重小于 10 wt%,温度超过 430后则消灭明显的失重现象,这是由于在 430时材料的芳香碳骨架开头分解,直至630完全分解, 证明 PAF-1-NH2 材料具有很好的热稳定性2122。图 4 PAF-1-NH2 的热重分析图 Fig.4 Thermogravimetric analysis of PAF-1- NH2图 5 PAF-1-NH2 的 N/C 比与硝化时间的关系图 Fig.5 Relationship betweenN/C ratio of PAF-1-NH2and nitrification time2.1.4 元素含量分析为了确定不同硝化时间对 PAF-1-NH2
23、中氮含量的影响,使用元素测试了材料中 C、H、N 三种元素的相对含量,以此确定材料中的 N 含量。为了便利进展比较,不同硝化时间下对应的 N/C 元素的比值列于图 5 中。可以看出,随着硝化时间的不断增加,N/C 比值逐步上升,证明氨基数目随硝化时间延长而增加,并在 48 h 时根本到达饱和。经过计算得出,当硝化时间依次从 0.5 h 增加到 48 h,PAF-1 中平均每个四溴四苯甲烷单体上负载的氨基数目依次为 0.67、1.00、1.30、1.47、1.51、1.61。2.1.5 比外表积(BET)及孔径分布(Pore size)在 77 K 下对不同含氮量的 PAF-1-NH2 材料进展
24、了 N2 吸附测试以确定其比外表积,并将不同硝化时间和相应 PAF-1-NH2 的比外表积的关系列于图 6 中。可以看出,PAF-1 的硝化复原会降低其比外表积。普遍报道的 PAF-1 材料具有超过 5 600 m2g1 的比外表积,经过硝化复原 0.5 h 后,得到的 PAF-1-NH2 的比外表积降低为约 2 800 m2g1,并且随硝化时间的延长,PAF-1-NH2 的比外表积进一步降低。经过 48 h 硝化复原,其比外表积稳定在约 1 600 m2g1。尽管与PAF-1 材料相比,氨基修饰的 PAF-1-NH2 材料的比外表积大幅度降低,但是仍在相对较高的比外表积范围内,为进一步进展药
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