一种纳米材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及生物医用材料领域，具体涉及一种纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

1988年Kim和Wenster首次提出超支化聚合物的概念并制备出可溶的超支化聚苯，此后，由于超支化聚合物的独特性质以及优于树形聚合物的实用性，得到人们的广泛关注。由于具有高度支化的结构，超支化聚合物难以结晶，也无链缠结，因而溶解性能大大提高，大量的末端基团可以通过化学改性赋予超支化聚合物新的物理化学性能。

近年来超支化聚合物在生物医用材料领域的应用越来越广泛，基于超支化聚合物的药物载体的构建尤其受到关注。根据载药方式的不同，可以细分为五种类型：聚合物-药物复合物、单分子胶束、多分子胶束、环境响应性胶束、聚合物-药物缀合物。然而现有技术中提供的超支化聚合物作为药物载体仍存在局限性。例如中国专利文献CN103169977A公开了一种超支化聚合物纳米药物载体，包括多个纳米胶束，每个纳米胶束包括由改性的端羟基超支化聚酯形成的内核和连接于内核表面的由聚乙二醇单甲醚形成的多个支臂，改性的端羟基超支化聚酯为马来酸酐开环与端羟基超支化聚酯连接形成的多羧基超支化聚酯。又如中国专利文献CN101474411A公开了一种新型两亲性超支化聚酯为载体的抗肿瘤前药，两亲性超支化聚酯的亲水段为聚乙二醇或聚乙二醇单甲醚，亲油段为一种基于二羟甲基丙酸及羟基乙酸、乳酸的齐聚物或者他们的交替齐聚物而构筑的新型可生物降解超支化聚酯单元，抗肿瘤药物分子与两亲性超支化聚酯的亲油段以酯键或酰胺键连接。前述载体虽然具有良好的载药功能，但是不能连接其他功能性物质，无法实现载体功能的进一步提升。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中超支化聚合物不能连接其他功能性物质，无法实现载体功能进一步提升的缺陷，从而提供一种纳米材料及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种纳米材料，包括一端是氨基、另一端是羟基的化合物，所述化合物的羟基端连接有超支化聚合物。

进一步地，所述化合物的氨基端连接有功能性物质，所述功能性物质包括小分子有机化合物、高分子化合物、纳米颗粒、生物大分子中的至少一种，所述化合物的氨基端通过所述功能性物质含有的羧基、环氧基、磺酸基、卤代烃基、醛基、羟基、酰氯基、酸酐中的至少一种与之连接，优选的，所述功能性物质包括不饱和脂肪酸、羟基表面修饰纳米金颗粒、多肽、氨基酸、环氧烷烃中的至少一种。

进一步地，所述化合物为一端是氨基、另一端是羟基的小分子化合物或高分子化合物；

所述小分子化合物包括6-氨基-1-己醇、6-氨基-2-羟基甲基-n-1-己醇、5-氨基-1-戊醇、5-氨基-2,2-二甲基戊醇中的至少一种；

所述高分子化合物的高分子链为均聚物、随机共聚物或者嵌段共聚物，所述均聚物为聚乙烯、聚苯乙烯、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙酸内酯、聚乳酸、聚乙二醇单甲醚中的任意一种，所述随机共聚物是至少两种形成所述均聚物的小分子单体随机聚合而成的，所述嵌段共聚物是至少两种所述均聚物的嵌段连接而成的，所述高分子化合物的数均分子量为100～3000000，优选为500～50000。

进一步地，所述超支化聚合物是由小分子单体在所述化合物的羟基端聚合而成的均聚物、随机共聚物或嵌段共聚物，所述小分子单体包括环氧丙醇、甲基环氧丙醇、α-羟基-ε己内酯、3-乙基-3-羟甲基-环氧丁烷、3-甲基-3-羟甲基-环氧丁烷中的至少一种，所述超支化聚合物的数均分子量为100～3000000，优选为500～50000。

第二方面，本发明提供所述的纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)以一端是氨基、另一端是羟基的化合物为原料，使用保护基团保护所述化合物一端的氨基；

(2)通过小分子单体发生开环超支化聚合反应，在所述化合物的羟基端连接超支化聚合物；

(3)脱除所述保护基团，得到一端是氨基，另一端连接超支化聚合物的纳米材料。

进一步地，所述制备方法还包括：在步骤(3)所得纳米材料的氨基端连接功能性物质。

进一步地，步骤(1)中，所述保护基团包括苄氧羰基、叔丁氧羰基、烯丙氧羰基、甲氧羰基、乙氧羰基、三甲基硅乙氧羰基、邻苯二甲酰基、对甲苯磺酰基、三氟乙酰基、邻硝基苯磺酰基、对硝基苯磺酰基、三苯甲基、2,4-二甲氧基苄基、对甲氧基苄基、苄基中的至少一种；

步骤(3)中，脱除所述保护基团的方法包括催化氢解、酸解裂解、皂化、高温脱除、强碱脱除中的至少一种；脱除所述保护基团的试剂包括乙酸、盐酸、溴化氢、氢氧化钾、硼氢化钠、三氟乙酸、三氟化硼二乙醚中的至少一种。

进一步地，步骤(2)中，所述开环超支化聚合反应是在强碱、溶剂、加热条件下发生的阴离子聚合反应，其中，所述强碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铷、氢氧化锂、氢氧化铯、氢氧化钙、氢氧化锶中的至少一种；所述溶剂包括甲苯、苯甲醚、苯、乙苯、二甲苯中的至少一种；加热温度为20～300℃，优选为90℃。

第三方面，本发明提供所述的纳米材料或者所述的制备方法得到的纳米材料在制备药物载体中的应用。

第四方面，本发明提供一种前体药物，包括所述的纳米材料或者所述的制备方法得到的纳米材料，以及负载在所述纳米材料上的药物。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的纳米材料，包括一端是氨基、另一端是羟基的化合物，该化合物的羟基端连接有超支化聚合物。在该化合物的氨基端可以用来连接功能性物质，如小分子有机化合物、高分子化合物、纳米颗粒、生物大分子等，克服了现有技术中超支化聚合物不能连接其他功能性物质，无法实现载体功能进一步提升的缺陷。氨基端可以连接的功能性物质有多种，例如多肽，可以降低其免疫原性，增强水溶性，显著延长其在生物体内的半衰期等；又如纳米金颗粒，增强其在体内的颗粒分散性和生物相容性，改善其在体内的稳定性。此外还有很多能在氨基端连接的化合物或材料，凡是能够与化合物的氨基反应从而与之相连的功能性物质均可，在不改变其原有的生物学活性功能的情况下，改善其它特性使之对人体有益。本发明提供的纳米材料为纳米级别，尺寸小，能够较好地穿过人体的生理屏障，对人体安全性高。此外，本发明提供的纳米材料作为载药材料在治疗肿瘤和其它疾病上都存在广阔的应用前景，例如通过与超支化聚合物的枝状结构连接来载药。

2.本发明提供的纳米材料中超支化聚合物是由小分子单体在化合物的羟基端聚合而成的均聚物、随机共聚物或嵌段共聚物，其中，小分子单体包括环氧丙醇、甲基环氧丙醇、α-羟基-ε己内酯、3-乙基-3-羟甲基-环氧丁烷、3-甲基-3-羟甲基-环氧丁烷中的至少一种。由于该超支化聚合物引入大量羟基，使得本发明提供的纳米材料是多羟基结构，当纳米材料进入生物环境中，由于其大的比表面积和高的吸附活性，表面会吸附大量蛋白，形成蛋白冠，这层蛋白冠不仅会影响蛋白质本身的结构和生物功能，同时也会改变纳米材料的生物学行为。研究表明纳米材料亲水性增加可以导致一些蛋白质的吸附面积降低，蛋白冠缩小，多羟基的结构亲水性能优异，这有助于阻止蛋白冠的产生，减少其对纳米材料的生物学行为的影响。同时该纳米材料由于其超支化结构与多羟基末端官能团，具有良好的柔性和生物相容性，无毒副作用，能够提供良好的体内游动性能和分布性能。

3.本发明提供的纳米材料的制备方法，以一端是氨基、另一端是羟基的化合物为原料，使用保护基团保护化合物一端的氨基；通过小分子单体发生开环超支化聚合反应在化合物的羟基端连接超支化聚合物；脱除保护基团，得到一端是氨基，另一端连接超支化聚合物的纳米材料。

本发明制备纳米材料的原料化合物端基分别为氨基和羟基，两端基均可以引发单体开环缩聚形成超支化聚合物，聚合反应后氨基无法保留，无法进一步加以利用。大部分氨基保护基团在室温条件下，中性、弱酸及弱碱的溶液中是稳定的，然而超支化聚合反应需要应用强碱使羟基呈现去质子化状态，且聚合反应过程需要持续高温，强碱和高温这样的反应环境对氨基保护基团的保护机制具有很大的挑战性。

本发明使用苄氧羰基(Cbz)、叔丁氧羰基(Boc)、烯丙氧羰基(Alloc)、甲氧羰基、乙氧羰基、三甲基硅乙氧羰基(Teoc)、邻苯二甲酰基(Pht)、对甲苯磺酰基(Tos)、三氟乙酰基(Tfa)、邻(对)硝基苯磺酰基(Ns)、三苯甲基(Trt)、2,4-二甲氧基苄基(DMB)、对甲氧基苄基(PMB)、苄基(Bn)等氨基保护基团，在聚合反应过程中稳定保护氨基，克服了反应过程中氨基保护基团在强碱高温条件下失活的障碍，使化合物的氨基端在聚合反应过程中保持其生物特性，不会引发聚合，反应后脱除保护基团，得到了一端是氨基、另一端是超支化聚合物结构的纳米材料。该化合物的氨基端能连接含有其他官能基团的化合物或材料，通过这种方式合成了一种新结构、新特性的纳米材料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1提供的纳米材料的化学结构式；

图2是本发明实施例1提供的纳米材料的合成路线图。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

本发明实施例中使用的原料来源如表1所示，仪器来源如表2所示。

表1原料来源

表2仪器来源

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用原料或仪器，均为可以通过市购获得的常规产品，包括但不限于本申请实施例中采用的原料或仪器。

实施例1

本实施例提供一种纳米材料，其结构式如式(I)所示：

其中，n＝22，环氧丙醇数量约为30(结构式中环氧丙醇形成的超支化结构未完全示出)。

上述纳米材料的合成路线如下：

步骤(a)：使用保护基团R保护氨基聚乙二醇羟基的端氨基；

步骤(b)：端氨基被保护基团R保护的聚乙二醇的端羟基与环氧丙醇发生超支化聚合反应，得到一端氨基被保护基团R保护，另一端羟基连接超支化聚合物的聚乙二醇；

步骤(c)：一端氨基被保护基团R保护，另一端羟基连接超支化聚合物的聚乙二醇脱除保护基团R，得到一端是氨基，另一端羟基连接超支化聚合物的聚乙二醇；

步骤(d)：基团X与一端是氨基，另一端羟基连接超支化聚合物的聚乙二醇的端氨基反应，得到一端连接功能基团X，另一端羟基连接超支化聚合物的聚乙二醇。

如式(I)所示纳米材料的制备方法如下：

第一步：将1000分子量的氨基聚乙二醇羟基(NH

第二步：将第一步得到的油状液体(200mg，0.16mmol)溶解在装有苯(超干，2mL)的真空反应管中，加入氢氧化铯一水合物(27mg，0.16mmol)，在90℃油浴下搅拌3h，转速700r/min。连接冷阱，使用真空泵抽除苯，后关闭真空泵，保持反应管内真空环境。将除水后的环氧丙醇(0.52ml，0.45mmol)用针筒转移至反应管中，在90℃油浴下反应搅拌24h，转速700r/min。反应结束后，加入过量甲醇和酸性氧化铝，震荡摇晃几下，过滤除掉酸性氧化铝，旋蒸除掉甲醇，得到油状液体。干法上样过凝胶层析柱，先用洗脱剂甲醇：二氯甲烷＝1：7(v/v)洗脱掉极性相对较小的杂质，再用洗脱剂甲醇：二氯甲烷＝1：2(v/v)洗脱反应后应得到的产物，旋蒸得到油状液体330mg，分子量为3256，洗脱剂全部为甲醇时洗脱掉的是极性强的杂质。

第三步：将第二步得到的油状液体(330mg)用乙酸(2mL)溶解在真空反应管中，再滴加50μL的水，在氮气状态下油浴60℃加热搅拌2h，转速600r/min，反应结束后大量甲醇稀释，旋蒸除去甲醇和乙酸，将旋蒸后的液体滴入冷的乙醚(40mL)中，冷冻离心得到沉淀，在真空烘干箱中室温烘24h，得到油状液体294mg，产物分子量为3013，储存备用。

第四步：将5-降冰片烯-exo-2,3-二羧酸酐(10g，60.9mmol)和γ-氨基丁酸(6.595g，63.97mmol)加入甲苯(200mL)中，在140℃油浴下分水蒸馏，磁力搅拌转速700r/min，反应24h。反应结束后拆卸反应装置，旋蒸除去甲苯，得到粉末状固体。干法上样，使用正己烷：乙酸乙酯＝1：1(v/v)的洗脱剂过凝胶层析柱，旋蒸除去洗脱剂后得到12.48g的粉末状固体。

第五步：将第四步得到的粉末状固体(3g，12mmol)加入到二氯甲烷(300mL)中，再陆续加入1-乙基-碳酰二亚胺盐酸盐(EDC，3.461g，18mmol)、4-二甲氨基吡啶(DMAP，0.147g，1.2mmol)，先搅拌10min，转速600r/min，再加入N-羟基琥珀酰亚胺(NHS，2.072g，18mmol)，在室温条件下搅拌20h，转速600r/min。反应结束后，旋蒸除去二氯甲烷，得到粉末状固体。干法上样，使用正己烷：乙酸乙酯＝1：1(v/v)的洗脱剂过凝胶层析柱，旋蒸除去洗脱剂得到2.05g的粉末状固体，充氮气低温储存。

第六步：将第三步得到的油状液体(75mg)用二氧六环(超干，1mL)溶解加入真空反应管中，冻干除水，保持真空状态。用N,N-二甲基甲酰胺(超干，1mL)溶解第五步得到的粉末状固体(15mg)，在溶液里加入三乙胺(10μL)，微量4-二甲氨基吡啶，通过针筒转移进真空反应管中，室温条件下搅拌5h，转速650r/min。反应结束后，连接冷阱，使用真空泵抽除N,N-二甲基甲酰胺，后关闭真空泵。干法上样，用甲醇：二氯甲烷＝1：1(v/v)的洗脱剂过凝胶层析柱，旋蒸后用0.5mL的甲醇溶解滴入冷的乙醚(20mL)中，冷冻离心得到沉淀，在真空烘干箱中室温烘24h，得到油状液体40mg，产物的分子量为3264。

实施例2

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于将实施例1中第三步的三苯基氯甲烷替换为4-甲氧基三苯甲基氯。

实施例3

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于将实施例1中第三步的三苯基氯甲烷替换为9-溴-9-苯基芴。

实施例4

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于将实施例1中第三步的三苯基氯甲烷替换为溴三苯基甲烷。

实施例5

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于将实施例1中第二步的环氧丙醇替换为甲基环氧丙醇，制得产物的数均分子量为3895，结构式如式(II)所示：

其中，n＝22，甲基环氧丙醇数量约为35(结构式中甲基环氧丙醇形成的超支化结构未完全示出)。

实施例6

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于将实施例1中第二步的环氧丙醇替换为3-甲基-3-羟甲基-环氧丁烷，制得产物的数均分子量为4350，结构式如式(III)所示：

其中，n＝22，3-甲基-3-羟甲基-环氧丁烷数量约为35(结构式中3-甲基-3-羟甲基-环氧丁烷形成的超支化结构未完全示出)。

实施例7

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于将实施例1中第一步的氨基聚乙二醇羟基替换为氨基聚苯乙烯羟基，制得产物的数均分子量为3680，结构式如式(IV)所示：

其中，n＝20，环氧丙醇数量约为35(结构式中环氧丙醇形成的超支化结构未完全示出)。

实施例8

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于将实施例1中第一步的氨基聚乙二醇羟基替换为6-氨基-2-羟基甲基-n-1-己醇，制得产物的数均分子量为3089，结构式如式(V)所示：

其中，环氧丙醇数量约为50(结构式中环氧丙醇形成的超支化结构未完全示出)。

实施例9

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于省去第四步和第五步，并将实施例1第六步中加入的第五步得到的粉末状固体替换为亚麻酸，制得产物的数均分子量为2450，结构式如式(VI)所示：

其中，n＝22，环氧丙醇数量约为20(结构式中环氧丙醇形成的超支化结构未完全示出)。

实施例10

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于省去第四步和第五步，并将实施例1第六步中加入的第五步得到的粉末状固体替换为油酸，制得产物的数均分子量为2780，结构式如式(VII)所示：

实施例11

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于省去第四步和第五步，并将实施例1第六步中加入的第五步得到的粉末状固体替换为花生四烯酸，制得产物的数均分子量为3045，结构式如式(VIII)所示：

实施例9中的亚麻酸、实施例10中的油酸和本实施例中的花生四烯酸皆为不饱和脂肪酸。不饱和脂肪酸是人体不可缺少的，末端羧基与连接超支化聚合物的聚乙二醇的端氨基反应，增强其亲水性与在体内分布性能。

实施例12

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于省去第四步和第五步，并将实施例1第六步中加入的第五步得到的粉末状固体替换为羧基修饰的纳米金粒子溶液，纳米金粒子表面的羧基与连接超支化聚合物的聚乙二醇的端氨基反应，得到表面被超支化聚合物修饰的纳米金粒子。修饰纳米金颗粒，增强其在体内的颗粒分散性和生物相容性，改善其在体内的稳定性。

实施例13

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于省去第四步和第五步，并将实施例1第六步中加入的第五步得到的粉末状固体替换为谷氨酸，制得产物的结构式如式(IX)所示：

谷氨酸两端的羧基分别与连接超支化聚合物的聚乙二醇的端氨基反应，也可以使用保护基团保护特定位置的羧基，修饰氨基酸。

实施例14

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于省去第四步和第五步，并将实施例1第六步中加入的第五步得到的粉末状固体替换为天冬氨酸组装好的肽链(先用烯丙基保护特定位置的天冬氨酸侧链羧基，肽链组装好后再脱除烯丙基)，肽链上的羧基与连接超支化聚合物的聚乙二醇的端氨基反应，制得产物的结构式如式(X)所示：

修饰多肽，改善其生物特性，可以降低其免疫原性，增强水溶性，显著延长其在生物体内的半衰期等。

实施例15

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于省去第四步和第五步，并将实施例1第六步中加入的第五步得到的粉末状固体替换为环氧丁烯，制得产物的结构式如式(XI)所示：

环氧基与连接超支化聚合物的聚乙二醇的端氨基反应，使端基由原来的氨基变为双键，改变端基官能团，使其能对其他功能性材料进行修饰。

实施例16

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于省去第四步和第五步，并将实施例1第六步中加入的第五步得到的粉末状固体替换为环氧十二烷，制得产物的结构式如式(XII)所示：

环氧基与连接超支化聚合物的聚乙二醇的端氨基反应，使聚乙二醇主链延长十二个碳原子。端氨基连接此类环氧烷烃，能改变其空间位阻。

实施例17

本实施例提供一种纳米材料，其制备方法参照实施例1，不同之处仅在于省去第四步和第五步，并将实施例1第六步中加入的第五步得到的粉末状固体替换为1,2,7,8-二环氧辛烷，制得产物的结构式如式(XIII)所示：

双环氧基分别与连接超支化聚合物的聚乙二醇的端氨基反应，得到具有对称结构的超支化聚合物，增强其生物相容性与亲水性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。