双重响应性PEG胶束的制备与其响应性研究开题报告

1. 目的、意义和国内外的研究现状分析

1.1.课题研究的目的与意义

农药是防御生物灾害、保障粮食生产的重要物质基础。但农药的使用也给环境带来了诸多负面影响，如有害生物的抗药性、环境污染和生态破坏等。世界农药年产量已达460万吨，但超过90％的农药用量在应用过程中流向环境并残留在农产品中，实际靶向有害生物的利用率不足0.1%。除了利用率低外，传统制剂如乳油和可湿性粉剂中大量有害溶剂如甲苯和二甲苯等的使用也提高了用药成本，并加重了环境负担。悬浮剂、水乳剂和微乳剂等水基制剂虽然具有降低成本，减少污染的优点。然而，这类制剂均需使用环境中难降解的分散剂或表面活性剂；而且，悬浮剂和水乳剂还存在经时贮存物理稳定性差等问题。因此，使用新思想和新技术，构建新型高效的农药控释载体，对提高农药有效利用率和持效期，降低其在非靶标处的残留和累积，实现我国经济可持续发展有着重要意义。

刺激响应型农药控释制剂因其特有的如下优点，成为治理农药负面问题的新希望：(1)可使高毒品种低毒化。由于包囊或包裹，高毒农药在使用过程中的提前释放或暴露可得到控制，农药的挥发、扩散及流失等减弱，对环境的污染及其对人畜和有益微生物的急性中毒或伤害减轻。(2)可避免或降低农药在环境中的光解、水解或生物降解，使用药量大大减少，而有效期大大延长。(3)由于药剂释放剂量和时间、甚至靶位可以得到有效控制，因而药剂的功能性得到提高。在制备刺激响应型农药控释制剂时，选择合适的刺激响应性基材和制备方法是重点，即基材应对环境无害，又具有刺激响应控释性能，这样才能发挥智能控释农药的作用。

本课题拟将聚乙二醇的羟基与偶氮苯甲酸（AZO）的羧基通过酯化反应连接起来，构成两亲性聚合物，随后在水溶液中自组装制备光响应聚合物胶束，以用作纳米农药控释载体。我们希望在紫外光的刺激下，该胶束核内的偶氮苯会发生异构化，将内部的药物释放出来。

1.2和本课题有关的国内外研究现状分析

近年来，纳米技术的快速发展给医药、食品与环境工程等研究领域带来了新的研究与发展方向。纳米技术更是与多个领域之间形成交叉学科，给癌症治疗、现代农业等中的难题提供了突破性的解决方案，其中，纳米药物载体的研究有着巨大的潜力。在农药制剂领域，利用纳米载体材料的靶向传递和控制释放功能，开发绿色纳米农药的新配方，提高农药和化肥等农用化学品的有效利用率，减少残留物和污染已成为该领域的研究热点之一。环境响应性的纳米药物载体与农药的结合，可以达到控释的目的，提高农药的利用率，相比传统农药释药系统而言，能更好地保护环境且降低害虫对农药产生耐药性的几率。在农药的研究当中，光响应性农药控释剂尤其受到关注，经过紫外光、可见光或近红外光等的照射，光响应胶束可以在目标位置将药物快速释放出来，达到控释的效果。

Ye 等将羧甲基壳聚糖与光不稳定的2-硝基苄基侧基键合，在水溶液条件下自组装为聚合物胶束，然后逐滴加入二醛，形成交联结构，制备了光响应性壳交联胶束，用以负载敌草隆，得到了光响应性的敌草隆控释剂。采用透射电镜、核磁共振氢谱和动态光散射对其进行表征，结果表明，该交联胶束为核壳结构，平均直径为140nm，在无光照、pH值7的水溶液条件下稳定。该控释剂包封率达91.9%，黑暗条件下敌草隆不会释放，而在太阳光照射下，8h后敌草隆释放率即可达96.8%。该研究提供了光响应性聚合物胶束在农药控释中应用的新思路，即利用太阳光控释光合作用抑制剂类除草剂，可大大提高农药的利用率。

Fréchet和他的同事使用无害的NIR光来激活基于DNQ的胶束系统以释放尼罗红染料。在他们的设计中，以DNQ终止的PEG-脂质缀合物可以组装成胶束。 用795 nm的光照射胶束溶液后，DNQ进行Wolff重排以生成3-IC，从而将疏水性DNQ转变为亲水性部分。但是，该系统具有相对较高的临界胶束浓度（CMC），并具有较高的细胞毒性。为了降低该胶束系统的CMC和细胞毒性，他们进一步开发了一种在其外围使用DNQ基团官能化的聚（环氧乙烷）（PEO）-嵌段-[G4]树状聚酯共聚物。该共聚物CMC为12μg·mL^-1，即使浓度高达1 mg·mL^-1，细胞毒性也很小。

Atta 等制备了基于二萘嵌苯-3-联苯甲醇光敏有机荧光纳米粒子的光响应性2,4-D纳米控释剂，结果表明，该控释剂具有良好的荧光性、细胞吸收性和光刺激响应性能。利用光敏有机纳米粒子的荧光特性，可实时监测2,4-D在植株体内的释放与传导。生物测定试验表明，该纳米控释剂在植株体内的传导性、靶向性和除草活性显著提高。随后，Atta 等还以香豆素共聚物为基础，制备了光响应性2,4-D控释剂，结果表明，该控释剂的运输特异性、除草活性和热稳定性显著提高，并显示出良好的荧光性和光刺激响应性能，同时还可降低2,4-D的淋溶性。

Ding 等将聚乙二醇与光不稳定的O-硝基苄基基团键合，再与2,4-D枝接，制备得到新型两亲性的聚合物-农药接合物，其在水溶液中自聚而形成光响应性胶束，从而实现了对2,4-D的控释。通过核磁共振氢谱和红外光谱确认了该接合物的结构，透射电镜观察显示该胶束为核壳结构，动态光散射和透射电镜测量表明，在365nm紫外光照射后，胶束的平均直径减少了40nm。其在无光照条件下无2,4-D释放，而在太阳光照射下，8h后2,4-D的累积释放率达99.6%。

Xu 等将螺虫乙酯烯醇与香豆素共价交联，制备得到光响应性的螺虫乙酯烯醇控释剂，并研究了该控释剂的光物理与光化学特性，以及其去保护光解和杀虫活性。发现该控释剂在420nm蓝光或太阳光条件下可触发释放出螺虫乙酯烯醇，具有良好的光刺激响应性能。生物测定结果表明，该控释剂在黑暗条件下对豆蚜无明显杀虫活性，而在光照条件下显示出良好的杀虫活性。

Tong 等使用氧化石墨烯（GO）和聚多巴胺（PDA）制备了具有黏性和刺激性的纳米复合材料，负载恶霉灵后得到 Hy-GO@PDA。结果表明，具有PDA 层的氧化石墨烯具有高的恶霉灵负载能力。该体系表现出良好的光和 pH 响应控释性能。黏附性测试结果表明，Hy-GO@PDA在经过模拟雨水冲洗实验后比恶霉灵水溶液表现出更好的持久性，并且在高浓度下比恶霉灵水溶液留存更多的有效成分。最后测定了负载恶霉灵的纳米复合材料对尖镰孢菌的生物活性。结果表明，它的抑菌活性与恶霉灵水溶液相似。

聚合物胶束是一种具有两相结构的组件，由球形疏水性内核和亲水性外壳组成，可通过两亲性嵌段或接枝共聚物在水溶液中自组装形成。高分子胶束作为药物载体已被广泛研究，因为它们的疏水内核为掺入疏水性药物，理想的可控表面化学和广泛可调的大小等提供了理想的环境，这些特征使得聚合物胶束具有高的载药量，在血流中的长保留时间以及合适的尺寸以增强渗透性和保留（EPR）效果。用于构建胶束的两亲共聚物的化学结构决定了胶束的整体性能。聚合物材料的良好生物相容性和生物降解性是在药物递送中应用聚合物胶束的基本要求。两亲共聚物的亲水亲油平衡是影响胶束稳定性，大小和载药量的关键因素，因为胶束的形成和载药量通常都是由疏水相互作用驱动的。相反，亲水性嵌段的化学结构主要决定了胶束的表面化学状态，从而决定了胶束的体内行为，因为在水性介质中构成胶束外壳的亲水性嵌段直接与周围介质相互作用，例如水和生物。

一般来说，纳米胶束可以响应外部或内部刺激，并且可以导致多种性质的改变，包括溶胀性，渗透性，粘弹性和疏水性（或亲水性）。其中，光响应性胶束可通过在两亲性聚合物的结构中引入发色团来制备，发色团在光照下发生结构转变或脱落，从而改变聚合物的亲疏水平衡，实现胶束对光照的响应。几种典型的光异构化分子已用于设计光响应性聚合物胶束，包括偶氮苯（AZO），螺吡喃（SP）和二噻吩基乙烯（DTE）。其中，在光照射（340–380 nm）时，偶氮苯（AZO）及其衍生物的构象从非极性转化形式变为极性顺式形式，但是当随后在420–490 nm处进行辐照或移入黑暗时，该过程会重新形成。反式-AZO形式极性比顺式-AZO形式极性小且疏水性更大，这可能以可逆的方式诱导含AZO的聚合物胶束的组装和破坏。基于这一现象，赵和同事们构建了一个光异构化聚合物胶束体系，该体系在紫外光照射下被破坏，并在可见光照射下发生改变。该体系是以一种两亲性的二嵌段共聚物为基础的，该共聚物由一个亲水嵌段的聚(t-丙烯酸丁酯-协和-丙烯酸和含偶氮的聚甲基丙烯酸酯疏水嵌段为侧链基。这种两亲性共聚物在二氧六环-水混合物中的自组装过程中可以观察到球形胶束。在紫外光照射下，侧链AZO基团从反式结构转化成顺势结构，导致胶束团的破坏。然而，当应用可见光时，AZO基团将转换回反式结构，聚合物胶束重新形成。在紫外光和可见光交替照射下，通过调节含AZO共聚物的亲水性和疏水性平衡，可以可逆地引起胶束的破坏和形成。

聚乙二醇（PEG）是一种pH中性，无毒，水溶性较高的亲水聚合物，其呈线性或支化链状结构。由于聚乙二醇兼有很多优良的性质：水溶性、不挥发性、生理惰性、温和性及良好的生物相容性，已经广泛的应用于药剂学领域，如构成聚合纳米胶束。PEG可用来构成两亲性嵌段共聚物的亲水区。疏水区的疏水材料与PEG一起构成各种二嵌段或三嵌段的两性聚合物，可形成各种胶束，扩大了载药范围。

本次设计使用聚乙二醇为亲水端，偶氮苯甲酸为疏水端制备两亲性聚合物胶束，可将药物包裹在胶束内部。在紫外光的刺激下，胶束会发生解体，从而将内部的药物释放出来。

2.研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1研究的基本内容

（1）两亲性聚合物mPEG-AZO的合成与表征；

（2）mPEG-AZO纳米胶束的制备与表征；

（3）mPEG-AZO纳米胶束的体外光响应性研究。

2.2研究的目标

（1）将聚乙二醇单甲醚（mPEG）与偶氮苯甲酸（AZO）通过酯化反应连接起来，构成两亲性聚合物。

（2）利用两亲性聚合物在水溶液中自组装的性质制备聚合物胶束，并对其进行一系列评价。

2.3研究拟采用的技术方案及措施

拟采用的技术路线：

（1）mPEG-AZO两亲性聚合物的合成与表征

在装有磁力搅拌子的50mL的单口烧瓶中加入聚乙二醇单甲醚（mPEG）、偶氮苯甲酸（AZO）、4-二甲氨基吡啶（DMAP）、二环己基碳二亚胺（DCC）和二氯甲烷，室温搅拌反应48h。反应结束后将反应液过滤以除去二环己基脲（DCU），并将滤液在过量的冷乙醚中反复沉淀-溶解三次，将所得产物真空干燥24h。采用紫外、红外与核磁来表征所得目标化合物的结构。

（2）光响应纳米胶束的制备与表征

mPEG-AZO是两亲性聚合物，在水溶液中可以通过超声辅助自组装纳米胶束。采用透射电镜（TEM)观察胶束形态，采用动态光散射仪（DLS)表征粒子的大小与分布。

（3）纳米胶束的光刺激响应性研究

取一定浓度的纳米胶束溶液适量，用紫外光进行不同时长的光照刺激，采用未光照的纳米胶束溶液作为对照，用紫外可见光分光光度计对上述溶液进行全波长扫描，检测不同光照时间样品的吸光度随光照时间的变化。另使用DLS检测光照前后纳米胶束的粒径大小和分布变化。

3. 研究的进度安排

①第1-2周：查阅相关文献资料，确定研究方案，完成开题报告。

②第3-5周：确定两亲性聚合物mPEG-AZO的合成路线。

③第5-12周：完成mPEG-AZO纳米胶束的制备与表征及其响应性研究。

④第13-14周：完成并修改毕业论文。

⑤第15周：准备论文答辩。

[1]Photoresponsive amphiphilic azobenzene-PEG self-assembles to form supramolecular nanostructures for drug delivery applications[J]. RSC Adv. 2016.

[2]Hu D, Li Y, Niu Y, et al. Photo-responsive reversible micelles based on azobenzene-modified poly(carbonate)s via azide–alkyne click chemistry[J]. RSC Adv. 2014, 4(89):47929-47936.

[3]胡丁. 响应性纳米胶束的制备及其应用研究[D]. 2016.

[4]Ke K, Du Z, Chang X, et al. A dual stimuli-responsive amphiphilic polymer: reversible self-assembly and rate-controlled drug release[J]. Colloid and Polymer Science, 2017.

[5]Breitenkamp K . Polymeric micelles for drug delivery[J]. Current Pharmaceutical Design, 2006, 12(36)，4669-84.

[6]Ye Z, Guo J J, Wu D W, et al. Photo-responsive shell cross-linked micelles based on carboxymethyl chitosan and their application in controlled release of pesticide[J]. Carbohydr Polym, 2015, 132:520-528

[7] Jiang J, Qi B, Lepage M, et al. Polymer micelles stabilization on demand through reversible photo-cross-linking. Macromolecules, 2007, 40(4):790-792.

[8]Johnson J A, Lu Y Y, Burts A O, et al. Core-clickable PEG-branch-azide bivalent-bottle-brush polymers by ROMP: grafting-through and clicking-to. Journal of the American Chemical Society, 2010, 133(3):559-566.

[9]Atta S, Bera M, Chattopadhyay T, et al. Nano-pesticide formulation based on fluorescent organic photoresponsive nanoparticles: for controlled release of 2,4-D and real time monitoring of morphological changes induced by 2,4-D in plant systems[J]. RSC Adv, 2015, 5(106):86990-86996.

[10]Atta S, Paul A, Banerjee R, et al. Photoresponsive polymers based on a coumarin moiety for the controlled release of pesticide 2,4-D[J]. RSC Adv,2015, 5(121):99968-99975.

[11]Ding K K, Shily, Zhang L, et al. Synthesis of photoresponsive polymeric propesticide micelles based on PEG for the controlled release of a herbicide[J]. Polym Chem, 2016, 7(4):899-904.

[12]Xu Z P, Gao Z H, Shao X S. Light-triggered release of insecticidally active spirotetramat-enol[J/OL]. Chin Chem Lett, 2018[2018-02-10]. https://doi.org/10.1016/j.cclet.2018.01.025.

[13]郭明程, 陈立萍, 张佳, 王晓军, 袁善奎, 杨峻. 环境响应性载体材料在农药控释中的应用研究进展[J]. 农药学学报, 2018.

[14]郭明程. 环境响应性农药控释剂的制备及生物效应研究[D]. 中国北京：中国农业大学植物保护学院，2016.

[15]申越, 王琰, 崔博, 赵翔, 崔海信. 刺激响应型农药控释剂的研发与应用进展[J]. 精细化工, 2020.

[16]孙长娇, 崔海信, 王琰, 曾章华, 赵翔, 崔博. 纳米材料与技术在农业上的应用研究进展[J]. 中国农业科技导报,2016.

[17]Reichenberger S, Bach M, Skitshak A, et al. Mitigation strategies to reduce pesticide inputs into ground and surface water and their effectiveness:A review [J]. Sci. Total Environ., 2007, 384:1-35.

[18]Ferrari M. Cancer nanotechnology: opportunities and challenges [J]. Nature Reviews Cancer, 2005, 5(3): 161-171.

[19]张伟，刘琳婕，何仲贵. 聚乙二醇在药物制剂中的应用. 中国药剂学杂志， 2007,5(2):67-74.