多糖纳米/微米管的形成及其生物医学应用研究

Nanotubes/microtubes has attracted more and more attention in the field of multifunctional composite material due to their unique tubular structure. Polysaccharides have polyhydroxy and the carbon ring of the sugar, endowing with amphiphilicity, which have biodegradability and biocompatibility. Based on the amphiphilic structural characteristic, this project will focus on controlling the intra- and intermolecular interaction of polysaccharides for driving molecular chains to orderly arrange into nanotubes/microtubes through regulating molecular weight, concentration, solvent composition, pH, and temperature. The molecular weight, size, and chain conformation of polysaccharides will be determined by light scattering. The morphology, size and size distribution of polysaccharide nanotubes/microtubes will be investigated by AFM, TEM, and SEM. The molecular chain interaction, crystallinity orientation degree, and molecular chain arrangement of polysaccharides will be studied by NMR, XRD, DSC, molecular dynamics simulation, etc. Based all these data, the formation process and mechanism of polysaccharide nanotubes/microtubes will be clarified, and the scientific laws demonstrating the correlation of polysaccharide nanotubes/microtubes formation to molecular weight, chain conformation, temperature etc. will be revealed. Additionally, polysaccharide nanotubes/microtubes carrying anticancer drugs and bioimaging molecular probes will be studied in vitro and in vivo for exploring their biomedical functions of drug delivery and bioimaging, etc. This project provides a new strategy and scientific basis for expanding the application of polysaccharide macromolecules, having important academic value and application prospect.

纳米/微米管由于其独特的管腔结构，在多功能复合材料领域日益引人关注。多糖的多羟基和多元碳环赋予其两亲性，具有天然的生物可降解性和生物相容性。本项目拟利用多糖的两亲性结构特点，通过调节分子量、浓度、溶剂组成、pH、温度等调控多糖分子内、分子间的相互作用，诱导分子链有序聚集形成纳米/微米管；用光散射研究多糖的分子量、尺寸、链构象，用AFM、TEM、SEM观测多糖纳米/微米管的形态、尺寸及分布；用NMR、CD、XRD、DSC、分子动力学模拟等研究多糖分子链间相互作用、结晶/取向度、分子链排列等；由此阐释多糖纳米/微米管的形成过程及机制，揭示分子量、链构象、温度等影响多糖纳米/微米管形成的科学规律；同时将抗肿瘤药物、生物成像分子探针等装载于多糖纳米/微米管，通过细胞和动物试验探索其传递药物和生物成像等生物医学功能。本项目为拓展多糖大分子的应用提供了新的策略和科学依据，具有重要学术价值和应用前景。

多糖结构复杂，分子内和分子间存在多重相互作用，常常聚集形成无规聚集体，其是否可发生自组装形成微纳米管等有序结构尚不得而知。本项目以刚性的三螺旋β-葡聚糖(香菇多糖、黑木耳多糖和酵母多糖)为研究对象，探讨了多糖分子量、浓度、温度、溶剂组成等对其自组装形成微纳米纤维管或囊泡及其尺寸和形貌的影响，研究了这些多糖微纳米管或囊泡与疏水药物分子/粒子的相互作用，构建了多糖纤维管或囊泡微纳米复合物用于递送药物和分散纳米粒子，并探究了它们在临床疾病治疗及绿色催化领域的应用。取得的重要成果如下：构建了制备多糖微纳米管的三种方法，包括浓度诱导法(溶剂挥发、冷冻干燥和加热干燥三种方式)、退火处理和透析法。研究了多糖分子量、浓度、溶剂组成、退火时间等对多糖微纳米管尺寸和形貌的调控，并得出如下科学规律：多糖分子量越高、浓度越大，多糖自组装形成微纳米管的能力越强，管腔内径(纳米级)越大，纳米管越长(甚至到微米级)；而且，分子量越大，越易形成树状纤维管，分支越多，而分子量较低的多糖则形成线型纳米管；改变溶剂组成，比如透析法，透析后的多糖易形成树状微纳米管；退火时间越长有利于多糖形成微纳米管。阐明β-葡聚糖微纳米管的形成机制为：以β-(1,3)-D-葡聚糖为主链的多糖在水溶液中以螺旋链刚性结构存在，由于多羟基的亲水性和糖环碳的疏水性导致刚性分子链在平面内沿横向(肩并肩)和纵向(头碰头)两个方向平行交错排列形成带状薄片(分子量较高的多糖形成分叉薄片，分子量较低的多糖形成无分叉薄片)，然后基于最小表面能原理通过亲疏水作用协同诱导薄片卷曲形成微纳米管结构。同时，以酵母多糖为例构建了制备水不溶性微米囊泡和水溶性纳米囊泡的简单方法。基于β-葡聚糖的微纳米管或囊泡结构自组装行为，构建了疏水分子或粒子(阿霉素、顺铂前药Pt(IV)、甲氨蝶呤、仿生纳米酶、碳纳米管、硒纳米粒子、超细银纳米粒子)/多糖纤维管或囊泡微纳米复合物，并用于乳腺癌、宫颈癌、肝癌、血液肿瘤、结肠炎、类风湿性关节炎、牙周炎等疾病治疗和绿色催化反应，显著提高了客体分子/粒子的生物利用度和催化效率，降低了药物的毒副作用，为临床靶向治疗和环保型均相高效催化剂设计提供了新策略，拓展了多糖基生物大分子材料的应用。