聚焦超声响应性动态聚合物/介孔二氧化硅复合粒子

Targeting therapy and controlled release of drug remain big challenges for the researcher in the field of chemistry, biomaterials and pharmaceutical science. One important aim is to realize the controlled release at the disease site, on time and at a required amount and to enhance the long term effect of the drug. This project is to design and synthesize the novel ultrasound responsive dynamic polymer by introducing mechanophore group into the molecular chain, and to characterize the polymer structure. Furthermore, the dynamic polymer was encapsulated or grafted onto the surface of the mesoporous silica to obtain the hybrids of mesoporous silica and dynamic polymer.The effect of high intensity focused ultrasound (HIFU) parameters on the structure of dynamic polymer will be examined and the behavior and mechanism of HIFU-induced site specific degradation of polymer will be examined. The decomposition and recombination of dynamic chemical bond under the ultrasound field will be investigated, the reaction kinetics model will be established.In addition, the drug or fluorescent chemicals will be introduced to the hybrids of mesoporous silica and dynamic polymer. The kinetics and mechanism of drug release from the composite particlers under the stimuli of HIFU will be studied. Eventually,the remote HIFU controlled on-off drug release will be realized. Also, the safety and efficacy of HIFU-controlled drug release from dynamic copolymer-mesoporous silica will be evaluated through the in-vitro cell cytotoxicity experiments.

靶向治疗和药物可控释放是化学科学、生物材料、药物科学领域研究工作者共同面临的难题。一个重要的目标即是实现药物定时、定量、定位的控制释放，提高药物的长期使用效率即长效性。本项目拟设计大分子链中含超声波力化学响应基团的系列新型动态聚合物，表征产物结构。在载药无机纳米介孔二氧化硅存在下，实现动态聚合物与无机纳米粒子的接枝或包覆，制备稳定的无机纳米介孔二氧化硅-动态聚合物复合体系。考察聚焦超声参数对介孔二氧化硅表面动态聚合物分子链结构的影响，研究聚焦超声定位降解的空化机制以及定位降解特征。研究超声场对动态化学键分解和形成平衡过程影响，建立反应动力学模型。研究复合粒子装载药物或荧光分子的超声释放动力学。实现聚焦超声波远程控制载药无机纳米介孔二氧化硅-动态聚合物复合粒子的药物释放，建立超声波调控的药物释放物理和化学分子机制。评价聚焦超声控制药物释放的生物安全性和药效.

高频聚焦超声(HIFU)是通过特殊换能器将超声波聚焦于特定位置的高频声波，能够形成焦点处声强较高而其他区域强度很低的超声焦域。聚焦超声具有良好的穿透性、定位性和能量沉积性，已经在临床上被用于肿瘤治疗。同时，超声这种刺激手段由于其局部较强的热作用，在形状记忆自修复聚合物，诱导聚合反应等领域也具有独特的优势和良好的应用前景。.随着纳米技术的发展，智能有机无机复合纳米粒子受到了人们广泛的关注。其中介孔二氧化硅纳米粒子（MSN）具有生物相容性好、比表面积和孔容大以及表面易于改性等优点，非常适合用作药物分子的运输载体。在这种研究背景下，我们以MSN粒子为基本出发点，对其进行药物负载，再利用具有生物环境刺激响应（pH）或超声刺激响应的聚合物壳层作为“开关”，制备了聚多巴胺包覆MSN的核壳结构粒子，实现超声和pH的双重响应性药物释放。在最近的研究中，我们也制备了具有可逆超声动态响应的介孔二氧化硅/海藻酸钠复合纳米载体，实现在超声刺激下快速释放，超声停止后“零释放”的on/off动态释放行为。.近年来，关于通过外部刺激来控制电子转移过程，研究者已经开发了各种可转换的受控自由基聚合方法。这些方法使得可逆失活自由基聚合反应，具有对反应动力学、组成、结构和功能的空间以及时间的控制。我们借助超声手段，在水中使用低浓度的铜络合物（sono-ATRP）或在有机溶剂中添加压电材料（mechano-ATRP）成功实现原子转移自由基聚合（ATRP）。最近，我们在此基础上进一步改进，在碳酸钠的存在下，丙烯酸甲酯在DMSO中可以实现快速的sono-ATRP反应（2小时内转化率为80％），所得产物具有可控的分子量和低分散度（Mw / Mn <1.2），同时，制备工艺更加简单实用。另一方面，我们也积极探索超声在动态自修复材料方面的应用，期望延长材料的机械性能和寿命。我们成功制备了基于Diels-Alder 动态键的PDMS-PCL自修复材料，基于多巴胺的可熔融加工自修复PVA材料，均实现了很好的室温自修复性能。