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单壁碳纳米管的~(125)Ⅰ标记及其在大鼠体内的生物分布

作　者: 黄洁华
导　师: 袭著革; 林治卿
学　校: 中国人民解放军军事医学科学院
专　业: 劳动卫生与环境卫生学
关键词: 单壁碳纳米管 Iodogen氧化法 C-I共价键 125I标记生物分布
分类号: R318.08
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

研究背景碳纳米管（Carbon Nanotubes,CNTs）是一种典型的纳米材料,由于其独特的结构,奇异的电学性质和化学稳定性以及极高的力学性能,激起了世界范围内许多科学家包括化学家、物理学家和材料学家等的极大兴趣,掀起一股CNTs研究热潮。碳纳米管根据管壁层数不同,分为多壁碳纳米管（Multi-walled Carbon Nanotubes,MWCNTs）和单壁碳纳米管（Single-walled Carbon Nanotubes,SWCNTs）。SWCNTs是由单层石墨烯片卷成的无缝、中空的碳圆柱体,直径为0.4～6nm,长度一般为几十纳米至数微米。SWCNTs具有长径比大,端部曲率半径小,结构缺陷少等特点,使其具有优异的力学、电学、磁学及化学等性质,从而在纳米分子器件、探针显微镜针尖、修饰电极等众多领域有潜在的应用前景,同时由于SWCNTs具有纳米尺度的中空孔道,也被认为是一种极具潜力的储氢材料[1]。碳纳米管具有巨大的比表面积,许多有机或无机分子可以共价或者非共价地结合于CNTs的表面,对CNTs进行表面修饰或功能化处理[2]。碳纳米管的氧化[3]在CNTs表面修饰过程中有相当重要的作用。氧化处理不仅可以在碳纳米管的侧壁上进行酸蚀形成缺陷、孔洞,而且可以将CNTs打断,形成更多的端口,产生各种活性基团。并且,氧化所产生的羟基、羧基等基团可以减少CNTs之间的范德华力,可以有效地减少CNTs的缠绕、聚集,还可以使CNTs进一步与其它化学试剂进行反应,得到的功能化CNTs可以用作化学纳米探针以及结构复合材料的添加剂等。近几年来大量研究表明,CNTs可以引起动物的各种脏器组织损伤和产生细胞毒性效应[4-10]。因此,无论是生物医药应用,还是生物安全性研究和评估,都需要了解CNTs如何与生物体相互作用以及这种相互作用如何影响生物体。而了解碳纳米管进入生物体以及随后其在生物体内的吸收、分布、蓄积和排泄等则是研究两者之间相互作用和产生生物效应的重要基础。放射性同位素示踪技术[11],由于其方法简单、易于探测、检测灵敏度高、结果直观可靠和几乎不受外界干扰,尤其是可以检测复杂生物组织中的CNTs的特点,为CNTs在生命体系中的检测和定量分析提供了一种行之有效的技术。因此,可利用放射性核素标记CNTs,通过追踪放射性核素的行迹,探测CNTs在生物体内的位置和运动规律。在本文中,我们经过简单的混酸结合超声处理SWCNTs,在不改变其基本特性的前提下,应用Iodogen氧化法使其与碘化钠发生反应,然后利用透射电子显微镜（ Transmission electron microscope,TEM ）和X-射线光电子能谱仪（X-rayphotoelectron spectroscopy,XPS）检测SWCNTs与碘化钠共价结合的情况,确定有C-I共价键生成后,采用相同的Iodogen氧化法制备放射性¹²⁵I标记的SWCNTs,将其气管滴注暴露大鼠后检测标记物在大鼠体内的生物分布情况,为SWCNTs进一步的生物医药领域的应用及安全性评价研究提供重要依据。研究目的（1）研究混酸氧化结合超声处理对单壁碳纳米管的结构和形态的影响,探索其是否能产生可供与碘结合的孔洞及羟基和羧基;（2）研究单壁碳纳米管与碘化钠反应后C-I共价键的生成情况,为后续的放射性¹²⁵I标记SWCNTs提供详实的实验参考依据;（3）研究放射性¹²⁵I标记的单壁碳纳米管经气管滴注暴露后在大鼠体内的生物分布情况,为SWCNTs进一步的生物医药应用及生物安全性研究提供重要依据。研究方法（1）采用浓硝酸/浓硫酸氧化结合超声处理SWCNTs,然后用TEM、FTIR及微区拉曼光谱仪对处理前后的样品进行检测分析。（2）采用Iodogen氧化法制备碘化的单壁碳纳米管（I-SWCNTs）,然后用TEM及XPS对碳碘结合及C-I共价键的形成进行检测、表征。（3）采用Iodogen氧化法对SWCNTs进行放射性¹²⁵I标记,生成碘化的SWCNTs(¹²⁵I-SWCNTs)。用超滤离心法将标记产物纯化后,将其经气管滴注暴露Wistar大鼠,于滴注后2h、4h、8h、24h和72h分别取各组大鼠的血液和尿液,颈椎脱臼处死后解剖取其心、肝、脾、肺、肾、气管、血管、脑等各主要器官组织,对取出物称重（量取）后进行放射性检测,计算各组织的摄取率,用每克组织（或每毫升体液）百分注射剂量率（%ID/g或%ID/ml）表示,观察¹²⁵I-SWCNTs在大鼠体内的生物分布情况。研究结果（1）混酸结合超声处理SWCNTs的结果,TEM成像和能谱仪元素分析显示,与未经处理的SWCNTs对比,处理后SWCNTs的管壁形成较多的孔洞。FTIR及微区拉曼光谱仪检测发现SWCNTs上形成更多的羟基、羧基等官能团,且其基本特性并未改变。（2）Iodogen氧化法制备碘化的单壁碳纳米管的结果,TEM成像和能谱仪元素分析显示,与未经处理的SWCNTs对比,碘化处理后的产物其管壁上有缺口,其上结合有碘。XPS检测发现,碘化处理后产物的碘电子结合能与具有C-I共价键的参考物硝基碘苯的碘结合能基本完全一致,说明碘与SWCNTs反应形成了C-I共价键。（3）SWCNTs的放射性¹²⁵I标记产物的标记率为46.14%,放化纯为98.95%。各主要器官组织和体液中的总放射性浓度（0-72h的AUC）排序由高到低依次为:气管、尿液、胃、小肠、血清、膀胱、血管、肾脏、肝脏、肺脏、肾上腺、股骨头、脾脏、睾丸、胸腺、甲状腺、心脏、脂肪、肌肉、脑。大鼠各组织体液中的放射性分布可到达全身各个器官组织。其中,气管中分布最高,各组大鼠气管中的分布均显著高于其它组织。尿中放射性分布次之,随着时间延长,放射性逐渐降低。血清、血管及肺、肝和肾中放射性分布2h迅速增高,8h内无明显降低（P﹥0.05）,但24h后明显降低（P﹤0.05）。结论综合以上实验结果可以看出,混酸结合超声处理能使SWCNTs产生孔洞及羟基、羧基官能团,为SWCNTs的碘修饰提供结合部位。Iodogen氧化法能使羟基、羧基化的SWCNTs与碘化钠发生共价结合,生成C-I共价键,这为后续SWCNTs的放射性¹²⁵I标记提供了实验参考依据。采用相同的Iodogen氧化法能使¹²⁵I标记在SWCNTs上,SWCNTs的¹²⁵I标记产物(¹²⁵I-SWCNTs)的放化纯为98.95%,说明标记产物基本能代表SWCNTs的生物学行为。¹²⁵I-SWCNTs经气管滴注暴露大鼠后,在气管中的放射性分布最高,暴露后药物经气管粘膜吸收并逐渐蓄积于此,至72h仍有较高的蓄积;在血清和血管及肺、肝和肾中,2h至8h放射性分布较高,24h后放射性分布降低明显,提示部分¹²⁵I-SWCNTs可经血液运输分布;进入血液循环的¹²⁵I-SWCNTs可被这些组织中的网状内皮系统吞噬而引起短暂蓄积。放射性¹²⁵I标记SWCNTs,可以便利地用于CNTs与生物体的相互作用的研究,得到CNTs在生物体内的摄取、吸收、分布和排泄等重要的资料。这些直观的、量化的资料对于CNTs作为载体的药效研究、药物设计、CNTs的生物安全性研究及其毒性的分析评估等均有非常重要的作用。

全文目录

缩略词表  5-6
摘要  6-9
Abstract  9-14
前言  14-18
第一章单壁碳纳米管的氧化修饰及开管研究  18-27
  1 材料与方法  18-20
    1.1 试验材料  18-19
    1.2 试验方法  19-20
  2 结果  20-25
    2.1 透射电镜分析  20-23
    2.2 拉曼光谱分析  23-24
    2.3 傅立叶红外光谱分析  24-25
  3 讨论  25-26
  4 结论  26-27
第二章单壁碳纳米管与碘化钠形成C-I共价键  27-34
  1 材料与方法  27-29
    1.1 实验材料  27-28
    1.2 实验方法  28-29
  2 结果  29-31
    2.1 透射电镜结果  29-31
    2.2 XPS结果  31
  3 讨论  31-33
  4 结论  33-34
第三章单壁碳纳米管的~(125)I标记及其在大鼠体内的生物分布  34-43
  1 材料与方法  35-37
    1.1 试验材料  35
    1.2 实验方法  35-37
  2 结果  37-40
    2.1 混酸/超声处理SWCNTs的表征结果  37
    2.2 标记产物纯化结果  37-38
    2.3 标记产物在大鼠体内的分布  38-40
  3 讨论  40-42
  4 结论  42-43
全文小结  43-45
参考文献  45-49
文献综述  49-57
  参考文献  54-57
发表论文全文单壁碳纳米管与碘化钠形成C-I共价键  57-66
  1 材料与方法  58-59
    1.1 试验材料  58
    1.2 试验方法  58-59
  2 结果  59-62
    2.1 透射电镜（TEM）结果  59-61
    2.2 X-射线光电子能谱（XPS）检测结果  61-62
  3 讨论  62-66
个人简历  66-67
致谢  67

单壁碳纳米管的~(125)Ⅰ标记及其在大鼠体内的生物分布

内容摘要

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