功能化纳米纤维素的设计、构建及其在药物缓控释中的应用研究

纳米纤维素（Cellulose nanocrystals, CNCs）具有生物活性、生物相容性、生物可降解性和低毒性等优异性能，是一种理想的新型药物载体。针对目前纳米纤维素制备条件繁杂、环境不友好、结晶度低，及其功能化修饰步骤多和收率低等问题，本论文对功能化纳米纤维素的设计、构建及其在药物缓控释中的应用进行了研究。采用绿色环保的离子交换树脂催化水解法制备了纳米纤维素；研究利用机械力化学作用的机械力、热力和化学力的协同效应作用下，一方面，基于“一锅法反应”原理，在无有机溶剂条件下，不经中间体的分离，开发定向合成马来酸酐酯化纳米纤维素（MA-CNCs）的新路线，为高效、绿色功能化修饰纳米纤维素提供了新思路；另一方面基于Fischer酯化反应原理，控制价键形成的化学选择性，使纤维素降解与酯化反应同步进行，为研制纤维素功能材料提供了科学基础。在此基础上，进一步设计研发了基于功能化纳米纤维素的药物载体，分析了其作为结肠靶向给药和口腔黏附缓释膜类药物载体的可行性。论文具体开展的主要结论及创新点如下： 1．采用离子交换树脂催化水解法制得尺寸较均一的棒状纳米纤维素，这种方法操作方便、过程绿色低碳环保，且CNCs结晶度高（84.26%）。在超声波辅助作用下，基于Fischer酯化反应原理，使纤维素水解与酯化反应同步进行，制得乙酸酯化纳米纤维素（Esterified cellulose nanocrystals, E-CNCs）。研究发现超声波处理对纤维素的降解和酯化反应起着重要作用，XRD和NMR结果表明在实验条件下，酯化反应主要发生于无定形区，而对纤维素晶区结构破坏较小，E-CNCs取代度为0.47时，结晶度仍能达到80.16%。 2．基于“一锅法”（one-pot）反应机理，在无有机溶剂下，使纤维素在机械力、热力与化学力的协同作用下，不经中间体的分离，直接获得马来酸酐酯化修饰纳米纤维素（Maleic anhydride functionalized cellulose nanocrystals, MA-CNCs）。通过改变球磨时间、超声波温度和超声时间研究了反应体系中球磨和超声处理所引起的机械力化学效应对产物得率和取代度的影响，阐明了其中的内在机理。反应过程中无有机溶剂使用、反应条件温和、MA-CNCs得率高和结晶度高等结果表明，将这两种机械力化学技术联合使用，可以高效、绿色地实现纤维素的纳米化与功能化修饰。通过对CNCs、E-CNCs和MA-CNCs的流变行为进行研究，发现这三者均为假塑性流体，并且在较高浓度、温度，以及强酸、强碱条件下分散系黏度较大。 3．为了将纳米纤维素用于靶向药物载体，且具有荧光探测性，论文设计与研发了L-亮氨酸修饰接枝纳米纤维素（A-CNCs）的方法，通过将其与荧光素通过共价结合研制了荧光标记物（F-A-CNCs），研究了荧光素修饰接枝纳米纤维素的方法。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振波谱仪（NMR）、X射线光电子能谱仪（XPS）、荧光分光光度计和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）等表征技术验证了氨基酸和荧光素在CNCs表面的成功修饰接枝，且具有较好的光响应特性，同时研究探讨了氨基酸和荧光素在CNCs表面修饰接枝的机理。 4．基于纳米纤维素优异的生物理化特性，以MA-CNCs为载体，通过酯化反应引入氨基酸间隔臂，再与妥舒沙星（TFLX）偶联得到TFLX-A-MA-CNCs药物轭合物。为判断药物轭合物的成功构建以及观察靶向释药过程，进一步设计合成了具有荧光性的F-TFLX-A-MA-CNCs前药。对TFLX-A-MA-CNCs药物轭合物在模拟胃液、小肠液和结肠液中的释药行为，以及荧光标记前药在这三种介质中的荧光变化机制进行分析与研究。研究表明MA-CNCs载体对药物具有良好的包载性，且可实现结肠靶向释药。 5．采用天然树脂紫胶作为背衬层，以不同配比的E-CNCs、紫胶和PEG复合膜作为药物载体，研制备了基于E-CNCs载体的口腔黏附缓释膜。研发了纳米纤维素与天然树脂复合的方法。研究结果表明E-CNCs作为口腔黏附膜载体，可以较好地包覆药物，同时在口腔粘膜中具有良好的黏附性，缓释效果明显，作为缓释药物载体材料时具有明显的优势。