绿色合成磁性纳米Fe3O4及其复合材料在抗生素缓释中的应用

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环境中的抗生素污染日益加剧,对水生生态和土壤生态系统造成严重的环境风险,威胁着人类身体健康。抗生素的生物利用率低,不能精准到达并作用于病灶部位,且易对其他正常的组织和器官产生毒副作用。另外,大部分未被利用的抗生素会随目标生物体的排泄物进入环境中,造成环境污染。如何提高抗生素在人体内的药效,减少抗生素使用量和降低抗生素的环境排放量是当前亟待解决的问题。近年来,磁靶向药物缓释技术已成为一项极具前景的诊疗方案。该技术不仅可实现靶向给药,还可通过调节药物负载量和控制药物释放进而实现药物的高效利用以及减少药物的副作用。然而,开发具有超顺磁性、高稳定性、药物可控释放的载药材料却较为困难。纳米Fe3O4粒子因具有良好的磁性、比表面积大、尺寸小和易于回收等优点,在环境修复等领域受到广泛关注。前期研究结果表明,利用绿色合成的方法,选用植物提取物合成的Fe3O4具有良好的生物相容性和超磁性,因此具有作为药物传递载体的潜力。现今,绿色合成的Fe3O4在生物医疗领域应用鲜见报道。本文以最为常用的氟喹诺酮类抗生素和抗癌抗生素为模型药物,通过绿色合成法制备了磁性Fe3O4纳米粒子及其复合材料作为药物释放载体,研究其在药物负载和缓释阶段的行为,同时结合动力学研究和各种表征结果提出相应的反应机制。主要研究内容和结果如下:1、选用氧氟沙星和培氟沙星作为模型药物,利用绿色合成Fe3O4作为磁靶向药物缓释载体,进行药物的负载和缓释性能测试。SEM和TEM图像显示Fe3O4颗粒的尺寸在10-30 nm之间。磁性测试结果表明,Fe3O4具有超顺磁性,饱和磁化强度为58.7 emu g-1。Fe3O4的C 1s X射线光电子能谱中,288.5和286.5 e V的峰归因于O-C=O、C-O和C=O基团,证实Fe3O4表面存在大量有机封端剂和官能团,这有利于氟喹诺酮药物的负载。条件实验、表征结果和动力学、热力学分析结果表明氧氟沙星和培氟沙星在Fe3O4上的负载是通过以静电作用为主的化学吸附发生的。同时,p H为10.5时两种药物释放效率最高,其中氧氟沙星的累积释放效率高达99.6%,而培氟沙星为57.0%。不同p H条件的药物的缓释表明Fe3O4缓释氧氟沙星和培氟沙星具有p H响应性,是一种极具前景的靶向给药材料。2、以抗癌抗生素盐酸阿霉素(DOX)作为药物模型,利用绿色合成的Fe3O4作为磁性核,探究DOX在戊二酸酐功能化的磁性纳米粒子(Fe3O4@Si O2-Glu)上负载的最佳条件及其缓释行为。结果表明在浓度为20 mg L-1、10 mg Fe3O4@Si O2-Glu、溶液p H为7.4、温度为30℃条件下DOX的药物吸附效率可达92.2%。在p H=3.0时,DOX的吸附效率下降到18.7%,说明DOX的负载过程受p H控制。DOX的负载过程符合准二级动力学,吸附等温线符合Freundlich模型。而DOX的释放实验表明,DOX为p H触发释放,在酸性条件下(p H=3.5),72 h的累计释放效率为63.9%。对Fe3O4@Si O2-Glu的形貌表征结果显示该复合材料的粒径为30-50 nm,呈现多层结构。Zeta电位结果表明,Fe3O4@Si O2-Glu材料在p H=3.0-8.5时表面带有负电荷。氮气吸附/脱附结果显示,材料比表面积为79.9 m~2 g-1,而磁性表征结果表明磁靶向载药材料的磁化饱和度为25.9 emu g-1。FTIR和UV-Vis表征结果表明,DOX被负载和释放的主要原因是Fe3O4@Si O2-Glu表面的-COO-和DOX分子结构上的-NH3+之间的静电相互作用。该系统对于设计更有效和稳定的磁靶向和p H敏感控释结合的双靶向药物载体(Fe3O4@Si O2-Glu)具有重要意义。3、金属有机骨架(MOFs)具有多孔性,高比表面积和生物降解性等优点。另外,由于磁性纳米材料的特性,Fe3O4和MOFs复合材料在药物释放的设计和应用方面具有较大的潜力。本研究将诺氟沙星负载在磁性金属有机骨架(Fe3O4@ZIF-8)上,探究在不同的p H下药物的释放行为。结果表明,在37℃、p H为7.4时,诺氟沙星的累积释放效率于84 h后达到97.5%。药物释放模型计算表明,诺氟沙星在Fe3O4@ZIF-8上的释放过程符合Bhaskar模型。透射电镜图像发现Fe3O4@ZIF-8的尺寸在30-40 nm之间。通过批量实验、表征结果和模型分析得出Fe3O4@ZIF-8具有p H响应和磁靶向药物缓释的应用潜力。分别使用Fe3O4@ZIF-8和诺氟沙星负载的Fe3O4@ZIF-8对大肠杆菌的抗菌活性进行测试,结果表明Fe3O4@ZIF-8具有良好的生物相容性,而诺氟沙星负载的Fe3O4@ZIF-8具有抑制大肠杆菌生长的作用。
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