納米材料親疏水性的實(shí)驗(yàn)測定與計算預(yù)測.pdf

1、納米材料是區(qū)別于本體材料的一種新型材料，許多物質(zhì)當(dāng)尺寸達(dá)到納米級別的時候，就會產(chǎn)生獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，這使得納米材料具備了一些常規(guī)材料所沒有的特殊用途，納米材料被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的新型材料。
　　納米科技的發(fā)展使納米材料被廣泛的應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，尤其是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米材料更是發(fā)揮著不可替代的作用。由于納米材料的小尺寸效應(yīng)，它具有很好的細(xì)胞通透性。對納米材料進(jìn)行特定的表面修飾和藥物的包裹，不僅可以延長藥物在體內(nèi)的循環(huán)時間，還可

2、以被細(xì)胞表面的受體所識別，從而實(shí)現(xiàn)藥物的靶向運(yùn)輸和在細(xì)胞內(nèi)的有效釋放，達(dá)到較好的治療效果。另外，由于納米材料具有較大的比表面積，可以吸附較多的分子，所以功能化的納米材料在與某些病變特異的生物分子發(fā)生相互作用時，可以使得反應(yīng)過程中的信號被放大，提高靈敏度，通過體外儀器的檢測實(shí)現(xiàn)某些疾病的早期診斷，預(yù)防和治療。然而，諸多因素會影響納米材料的應(yīng)用。納米材料進(jìn)入生物體后，其活性不僅會受到所處生物環(huán)境的影響（酸度、離子強(qiáng)度等），還會受到存在于血液

3、循環(huán)系統(tǒng)中的生物分子的干擾（由于靜電，疏水作用的存在，它們可能會吸附在納米材料的表面）和納米材料性質(zhì)的影響。由于生物體所處的生物環(huán)境和血液循環(huán)系統(tǒng)中的生物分子很難被人為的改變和控制，所以，研究并調(diào)控既具有生物兼容性又具有特定生物活性的納米材料是促進(jìn)其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。
　　研究已經(jīng)證實(shí)，納米材料的大小，形狀和表面粗糙度，都會影響納米材料與生物分子之間的相互作用。除此以外，納米材料的表面電荷、表面親疏水性、π鍵、氫鍵給體與受

4、體和空間結(jié)構(gòu)，也是非常重要的影響因素。其中，納米材料的親疏水性是影響納米材料與生物系統(tǒng)相互作用的重要因素之一，了解影響納米材料親疏水性的因素，揭示它們之間的關(guān)系，對納米材料的親疏水性進(jìn)行調(diào)控，能夠有效干預(yù)納米材料與生物系統(tǒng)的相互作用。
　　納米材料的表面配體是影響納米材料親疏水性的一個重要因素。為了研究納米材料的親疏水性與其表面配體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，本研究選取了低毒性、生物兼容較好、易于進(jìn)行表面修飾的金納米顆粒做為研究模型，合成了42個

5、不同結(jié)構(gòu)的小分子配體，對金納米進(jìn)行表面修飾，得到了包含42個不同表面功能化修飾的金納米陣列1(GNP1-42)。通過搖瓶法對這些納米材料的親疏水性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定來研究納米材料親疏水性與表面配體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，并結(jié)合傳統(tǒng)的理論計算方法-基團(tuán)貢獻(xiàn)法(Traditonat GCA)對表面配體的LogP進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果顯示，理論計算得到的表面配體的LogP(KLogP1)和實(shí)驗(yàn)測定的納米材料的LogP(ELogP)存在明顯的差距。這可能是因?yàn)樵趯?shí)際

6、溶液中，金納米顆粒表面的配體都被束縛在金核的周圍，并不能像游離的小分子一樣可以自由運(yùn)動，并且配體中離核較近的原子或基團(tuán)會受到外端原子或者基團(tuán)的影響，不能與溶劑分子有效的接觸，因而在理論計算中用整個分子進(jìn)行計算是不合理的。為了驗(yàn)證這一推測，我們又用納米材料表面配體的最外端和次外端進(jìn)行了計算，結(jié)果顯示，根據(jù)配體最外端所得到的計算結(jié)果(KLogP3)與配體次外端(KlogP2)和整個配體分子的計算結(jié)果(KlogP1)相比，更加接近納米材料實(shí)際

7、測定的LogP(ELogP)，這說明納米材料的ELogP主要受其表面配體外端結(jié)構(gòu)的影響。由于在Traditonal GCA模型中，每個原子或者基團(tuán)都被同等對待，并沒有考慮到位阻效應(yīng)，用于預(yù)測表面修飾納米材料的親疏水性具有一定的局限性。為了充分考慮到納米材料表面配體外端結(jié)構(gòu)可能對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位阻效應(yīng)和實(shí)驗(yàn)中所用的溶劑水分子的大小，我們建立了一種新的計算方法，Nano-GCA(nano-group contribution approach)

8、，該方法揭示了離金核越近的原子或基團(tuán)，對LogP的貢獻(xiàn)就越小。根據(jù)這種方法，計算得到的LogP(KLogP byNano-GCA)與KLogP3相比，得到了進(jìn)一步的改善。
　　雖然用Nano-GCA對金納米陣列1的LogP的預(yù)測比Traditional GCA的KLogP3(R2=0.32)有了明顯改善，但是預(yù)測效果(R2=0.51)依然不理想，這可能是因?yàn)樵陬A(yù)測的過程中，沒有充分考慮到金納米顆粒表面配體密度對LogP的影響，因?yàn)?/p>

9、表面配體密度也會影響配體分子中原子或基團(tuán)與溶劑分子的有效接觸。為了進(jìn)一步了解納米材料表面配體密度對LogP的影響，并對以上Nano-GCA模型進(jìn)行驗(yàn)證，我們設(shè)計并合成了一個新的金納米陣列2(GNP43-49)，與單配體修飾的金納米陣列1相比，金納米陣列2選擇了相對比較復(fù)雜的雙配體修飾，親水性配體A(LogP=0.84)和疏水性配體B(LogP=5.83)。合成中通過調(diào)節(jié)兩種配體的相對比例，采用硼氫化鈉還原法，得到了金納米陣列2。通過碘切

10、法和HPLC/UV/MS對金納米陣列2的表面配體進(jìn)行定量分析，證實(shí)得到了一個表面親疏水性配體數(shù)目連續(xù)變化的陣列，并采用搖瓶法實(shí)驗(yàn)測定了GNP43-49的LogP。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從GNP43到GNP49，隨著納米材料表面親水性配體A數(shù)目的逐漸減少和疏水性配體B數(shù)目的逐漸增多，納米材料的LogP也呈現(xiàn)遞增的趨勢。因此，通過調(diào)節(jié)納米材料表面配體的相對比例，可以控制納米材料的LogP的變化。為了進(jìn)一步研究納米材料LogP與其表面配體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，

11、我們分別采用了Traditonal-GCA和Nano-GCA兩種計算方法，結(jié)果顯示，Traditonal-GCA計算方法與實(shí)驗(yàn)測定值有著明顯的差距，不能用來合理地預(yù)測納米材料的LogP。在Nano-GCA計算方法模型中，由于考慮到納米材料表面配體密度(Dj)可能對LogP產(chǎn)生的影響，因此將Dj引入計算模型，成功地預(yù)測了納米材料的LogP(R2=0.96)。所以，在用Nano-GCA對納米材料的LogP進(jìn)行預(yù)測時，Dj是一個不可忽略的重要

12、因素。
　　準(zhǔn)確預(yù)測納米材料的LogP對其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用具有著重要的指導(dǎo)意義。為了證明納米材料的LogP對其生物效應(yīng)的影響，我們利用LogP連續(xù)變化的金納米陣列2(GNP43-49)，研究了LogP對細(xì)胞毒性的影響。我們選擇了PMA刺激的人單核細(xì)胞，THP-1細(xì)胞為細(xì)胞模型，研究了細(xì)胞對GNP43-49的攝入及納米材料的細(xì)胞毒性。結(jié)果顯示，疏水性強(qiáng)的金納米材料更傾向于被巨噬細(xì)胞所吞噬并引起更強(qiáng)的生物毒性。這可能是因?yàn)榧?xì)胞膜中

13、磷脂雙分子層的存在，使得疏水性強(qiáng)的納米材料更容易透過細(xì)胞膜。
　　綜上所述，我們發(fā)現(xiàn)，金納米材料的LogP主要由其表面配體的外端結(jié)構(gòu)決定，在此基礎(chǔ)上建立的Nano-GCA預(yù)測方法，可以對納米材料的LogP進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。在該計算過程中，納米材料的Dj是一個不容忽視的影響因素。在巨噬細(xì)胞中，不同LogP的納米材料會引起不同的細(xì)胞攝入和毒性，疏水性強(qiáng)的更容易被巨噬細(xì)胞所攝入和引起更大的細(xì)胞毒性。本課題的研究結(jié)果將有助于對新型納米材料L