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2019 , Vol. 31 >Issue 2/3: 225 - 235

DOI: https://doi.org/10.7536/PC180611

基于β-环糊精的有机小分子凝胶

  • 马明放 , 1, ** ,
  • 栾天翔 2 ,
  • 邢鹏遥 2 ,
  • 李兆楼 1 ,
  • 初晓晓 2 ,
  • 郝爱友 , 2, **
展开
  • 1. 济宁医学院新型抗肿瘤药物分子设计与合成实验室&济宁医学院基础医学院 济宁 272067
  • 2. 胶体与界面化学教育部重点实验室 山东大学化学与化工学院 济南 250100

收稿日期: 2018-06-11

  要求修回日期: 2018-07-02

  网络出版日期: 2018-12-20

基金资助

国家自然科学基金项目(21872087)

济宁医学院博士启动基金项目(2017JYQD03)

济宁医学院大学生创新训练计划项目(cx2018022)

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

Low Molecular Weight Organic Compound Gel Based on β-cyclodextrin

  • Mingfang Ma , 1, ** ,
  • Tianxiang Luan 2 ,
  • Pengyao Xing 2 ,
  • Zhaolou Li 1 ,
  • Xiaoxiao Chu 2 ,
  • Aiyou Hao , 2, **
Expand
  • 1. Laboratory of New Antitumor Drug Molecular Design and Synthesis of Jining Medical University & College of Basic Medicine, Jining Medical University, Jining 272067, China
  • 2. Key Laboratory of Colloid and Interface Chemistry of Ministry of Education, School of Chemistry and Chemical Engineering, Shandong University, Jinan 250100, China
** E-mail: (Mingfang Ma);
(Aiyou Hao)

Received date: 2018-06-11

  Request revised date: 2018-07-02

  Online published: 2018-12-20

Supported by

National Natural Science Foundation of China(21872087)

PhD Start-up Scientific Research Foundation of Jining Medical University(2017JYQD03)

Undergraduate Training Programs for Innovation of Jining Medical University(cx2018022)

Copyright

Copyright reserved © 2019.
Fold

摘要

β-环糊精是直链淀粉在环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的含有7个D-吡喃葡萄糖单元的环状低聚糖,具有斜截锥形空间立体结构,腔内疏水,腔外亲水。β-环糊精以其低廉的价格、良好的水溶性和生物相容性,在超分子化学领域得到广泛的应用。β-环糊精可用于凝胶的构筑,通常的方法是将β-环糊精接枝到高分子链上,再以得到的高分子链为凝胶因子构筑高分子凝胶。虽然基于β-环糊精的高分子凝胶得到了广泛的关注和研究,但是,直接以β-环糊精为凝胶因子构筑的有机小分子凝胶却鲜有报道。2010年,本课题组首次报道了一种基于β-环糊精和二苯胺的热致有机凝胶。此后,本课题组在β-环糊精有机小分子凝胶领域做了大量的研究工作。本文在实验室研究工作的基础上,首先介绍了β-环糊精有机小分子凝胶的分类和不同因素对凝胶形成的影响,然后深入探讨了β-环糊精有机小分子凝胶的形成机理,系统介绍了β-环糊精有机小分子凝胶的刺激响应性以及在药物载运领域的应用,最后,对β-环糊精有机小分子凝胶的发展前景进行了展望。

关键词： β-环糊精; 有机小分子; 凝胶; 刺激响应; 药物载运

本文引用格式

马明放 , 栾天翔 , 邢鹏遥 , 李兆楼 , 初晓晓 , 郝爱友 . 基于β-环糊精的有机小分子凝胶[J]. 化学进展, 2019 , 31(2/3) : 225 -235 . DOI: 10.7536/PC180611

Abstract

β-cyclodextrin is a cyclic oligosaccharide containing seven glucopyranose units, and can be produced by amylose under the action of cyclodextrin glucosyltransferase. β-cyclodextrin has cone shaped three-dimensional structure, with its cavity hydrophobic, while its outside hydrophilic. β-cyclodextrin has already been used widely in supramolecular chemistry due to its low price, good solubility and biocompatibility. β-cyclodextrin can be used to construct gel. But the usual way is grafting β-cyclodextrin onto polymer chain, and the obtained polymer chain containing β-cyclodextrin can act as gelator to construct polymer gel. Although polymer gels based on β-cyclodextrin have been studied extensively, there are few reports about low molecular weight organogel based on β-cyclodextrin. In 2010, our lab reported heat-set low molecular weight organogel based on β-cyclodextrin and diphenylamine for the first time. After that, a lot of research work about low molecular weight β-cyclodextrin organogel has been done in our group. Based on the research foundation of our lab, in this review, classification of different low molecular weight β-cyclodextrin organogel and different factors affecting the formation of low molecular weight β-cyclodextrin organogel are introduced at first. Then, the formation mechanism of low molecular weight β-cyclodextrin organogel is discussed deeply, and stimuli responsiveness of low molecular weight β-cyclodextrin organogel and application of low molecular weight β-cyclodextrin organogel on drug delivery are introduced systematically. Finally, development foreground of low molecular weight β-cyclodextrin organogel is prospected.

Key words： β-cyclodextrin; low molecular weight organic compound; gel; stimuli responsiveness; drug delivery

Contents

1 Introduction
2 The different low molecular weight β-cyclodextrin organogel
2.1 Heat-set and room temperature gel
2.2 Single gelator and multiple gelators gel
3 Different factors effect on the formation of low molecular weight β-cyclodextrin organogel
3.1 Temperature
3.2 Host molecules
3.3 Guest molecules
3.4 Solvents
3.5 Metal ions
4 Possible formation mechanism of low molecular weight β-cyclodextrin organogel
4.1 Formation mechanism of single gelator low molecular weight β-cyclodextrin organogel
4.2 Formation mechanism of multiple gelators low molecular weight β-cyclodextrin organogel
5 Stimuli responsiveness of low molecular weight β-cyclodextrin organogel
5.1 Temperature responsiveness
5.2 Chemical stimulus responsiveness
5.3 Acid responsiveness
6 Application of low molecular weight β-cyclodextrin organogel on drug delivery
6.1 Low molecular weight β-cyclodextrin organogel loading with one kind of drug
6.2 Low molecular weight β-cyclodextrin organogel loading with two kinds of drugs
7 Conclusion and outlook

1 引言

凝胶具有一定的黏弹性,是一种性能优异的软物质材料[1]。它是由凝胶因子通过氢键、π-π堆积和金属配位键等非共价键[2,3,4,5,6]作用后构筑的一种三维网状结构,网格空隙中充满了大量的溶剂。按照溶液媒介的不同,凝胶可以分为有机凝胶和水凝胶。按照凝胶因子的不同,凝胶可以分成高分子凝胶和有机小分子凝胶。凝胶在重金属离子吸收、污染物吸附、药物载运以及化学催化等方面有着广泛的应用[7,8,9]。
有机小分子凝胶是一类重要的凝胶。按照来源不同,有机小分子可以分为天然有机小分子和人工合成的有机小分子。天然有机小分子如乙醇和乙酸等,以其良好的生物相容性而被人类食用了数千年。随着有机合成化学的发展,大量的有机小分子被人工合成,这些人工合成的分子与天然有机小分子有着不同的化学结构。
在诸多的有机小分子中,环糊精是一类非常重要的天然有机小分子。环糊精是一种寡聚糖,是由葡萄糖单元通过α-1,4糖苷键连接而成的环状化合物,根据葡萄糖单元数目的不同(6、7和8个葡萄糖单元),可以分为α-环糊精、β-环糊精和γ-环糊精[10,11,12,13]。β-环糊精(图1)是腔内疏水腔外亲水的具有锥筒状结构的分子,以其低廉的价格、良好的水溶性和生物相容性而被广泛地应用于超分子化学领域[14,15,16]。
图1 β-环糊精的分子结构

Fig. 1 Molecular structure of β-cyclodextrin

β-环糊精可以用于凝胶的构筑,但通常的方法是将环糊精接枝到高分子链上,再以得到的高分子链为凝胶因子构筑高分子凝胶。田禾等和Harada等在β-环糊精高分子凝胶领域做了大量的研究工作[17,18,19,20,21,22,23,24,25,26]。Harada等曾报道过一种基于主客体包合物的氧化还原响应型自修复材料[27]。将一定量β-环糊精修饰的高分子pAA-CDs和二茂铁修饰的高分子pAA-Fc溶于pH=9的缓冲溶液中就可以得到高分子水凝胶。β-环糊精和二茂铁之间具有较高的包合常数,但是氧化后的二茂铁却不能被β-环糊精包合,因而得到的β-环糊精高分子水凝胶对氧化剂和还原剂展现出良好的刺激响应性,加入氧化剂次氯酸钠可以实现β-环糊精高分子水凝胶到溶液的转变。向溶液中加入谷胱甘肽,可将氧化二茂铁还原为二茂铁,再次形成β-环糊精高分子水凝胶(图2)。
图2 凝胶到溶液转变机理[27]

Fig. 2 Schematic illustration of sol-gel transition[27]

虽然基于β-环糊精的高分子凝胶得到了广泛的关注和研究。但是,直接以β-环糊精为凝胶因子构筑的有机小分子凝胶却鲜有报道。近期,刘鸣华等[28]报道了一种基于芘衍生物的有机小分子水凝胶。他们首先合成了芘的衍生物PGAc,研究发现,在一定条件下,PGAc自身就可通过π-π堆积效应组装成发光水凝胶。他们继续向体系中加入不同种类的环糊精,发现PGAc/β-环糊精和PGAc/γ-环糊精体系均产生了发光水凝胶,PGAc/β-环糊精水凝胶为二维片层的微观结构,而PGAc/γ-环糊精水凝胶为三维网状的微观结构(图3)。
图3 不同凝胶因子形成的水凝胶[28]

Fig. 3 Illustration of various hydrogels formed by different gelators.[28]

2010年,本课题组[29]首次报道了一种基于β-环糊精和二苯胺的热致有机凝胶,发现β-环糊精和二苯胺在含有氯化锂的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中,加热到一定的温度,可以形成超分子有机凝胶。此后,本课题组在β-环糊精有机小分子凝胶领域做了大量的研究工作[30,31,32,33,34,35,36]。本文在本课题组前期研究工作的基础上,系统地介绍了基于β-环糊精有机小分子凝胶的研究进展。

2 β-环糊精有机小分子凝胶的种类

对于不同的β-环糊精有机小分子凝胶体系,温度对其形成有着不同的影响,按照凝胶形成时温度的不同,可以分为热致凝胶和常温凝胶。按照凝胶因子数目的不同,可以分为单凝胶因子凝胶和多凝胶因子凝胶。下面将依据凝胶形成温度和凝胶因子数目的不同,对不同种类的β-环糊精有机小分子凝胶进行系统的归纳概括。

2.1 热致及常温凝胶

温度对凝胶的形成有着重要的影响,凝胶因子在高温下形成的凝胶称为热致凝胶,在常温下即可形成的凝胶称为常温凝胶。
2.1.1 热致凝胶
2010年,本课题组首次发现了基于β-环糊精的热致凝胶[29]。将一定比例的β-环糊精和二苯胺溶于DMF中,搅拌直至固体完全溶解。在磁子搅拌下,加热β-环糊精和二苯胺的DMF溶液,至凝胶化温度,凝胶即可形成。倒置样品,样品不流动。在扫描电子显微镜下,凝胶的微观形貌呈纤维棒状,宽度约为1~3 μm(图4)。
图4 β-环糊精凝胶在光学显微镜和扫描电子显微镜下的照片:(A)光学显微镜,标尺为1 μm;(B)扫描电子显微镜,标尺为2μm[29]

Fig. 4 Optical microscope images of the organogel(A, scale bar=1 μm); SEM images of xerogel of the organogel(B, scale bar=2 μm)[29]

2.1.2 常温凝胶
2014年,我们首次报道了基于β-环糊精的常温凝胶[37]。将一定比例的β-环糊精、双酚A和氯化锂溶于DMF中,使其完全溶解。然后将一定量的醇,如甲醇或乙醇等,磁子搅拌数分钟,即可得到半透明的凝胶。在光学显微镜和扫描电子显微镜下,可以观察到凝胶的微观结构为微米级的短棒。

2.2 单凝胶因子及多凝胶因子凝胶

在研究β-环糊精有机小分子凝胶的过程中,我们发现在特定的溶剂环境中,β-环糊精自身就可以形成凝胶。但是,在其他的溶剂环境中,β-环糊精需要借助金属离子或者其他客体分子才能形成凝胶。因此,按照凝胶因子种类的不同,β-环糊精有机小分子凝胶可以分为单凝胶因子凝胶和多凝胶因子凝胶,其中,多凝胶因子凝胶又可以分为双凝胶因子凝胶和三凝胶因子凝胶。
2.2.1 单凝胶因子凝胶
研究发现,在一定条件下,本体β-环糊精就可以形成常温凝胶[38]。将一定量的β-环糊精溶于良溶剂DMF中,向其中加入一定量的不良溶剂超纯水,在较短的时间内,就可以得到白色的β-环糊精凝胶(图5)。
图5 室温下β-环糊精凝胶的制备过程[38]

Fig. 5 Images of the gel preparation process at room temperature[38]

2.2.2 双凝胶因子凝胶
经过探索,除了β-环糊精自己可以形成凝胶之外,β-环糊精和氯化锂在DMF溶剂中,于高温的诱导下,也可以实现凝胶化[39]。将一定量的β-环糊精和氯化锂溶于DMF后,加热到凝胶化温度(124 ℃),就可以得到白色的β-环糊精热致凝胶。将该凝胶温度降低至室温,在5 h内凝胶塌陷,重新变成澄清溶液。
2.2.3 三凝胶因子凝胶
对于有客体分子参与的β-环糊精凝胶而言,直接加热不能够使β-环糊精凝胶化,需要加入金属离子的诱导才能得到相应的β-环糊精凝胶。因而,某些β-环糊精凝胶为三凝胶因子凝胶。例如,当将客体分子三苯基膦加入到β-环糊精的DMF溶液中时,在搅拌下可以得到澄清的溶液[40]。加热该澄清溶液至100 ℃,得到了沉淀而非凝胶。继续向该沉淀体系中加入一定量的氯化锂,沉淀马上凝胶化,转变成三凝胶因子β-环糊精凝胶。
通过对比单凝胶因子及多凝胶因子凝胶制备过程,我们可以发现,单凝胶因子β-环糊精凝胶的制备最为简单,在常温下通过调节溶剂环境即可形成超分子凝胶。而对于双凝胶因子β-环糊精凝胶和三凝胶因子β-环糊精凝胶而言,它们在制备过程中需要较高的温度,在较高的能量诱导下才可形成超分子凝胶,相比较而言,不太容易制备。

3 不同因素对β-环糊精有机小分子凝胶形成的影响

β-环糊精有机小分子凝胶是一种超分子凝胶,在形成的过程中容易受到外界因素的影响。外界因素如温度、主体分子、客体分子、溶剂和金属盐对β-环糊精有机小分子凝胶形成均可产生影响。下面将依据外界的影响因素,系统地阐述其对β-环糊精有机小分子凝胶形成的影响。

3.1 温度

超分子凝胶是基于非共价键作用形成的,温度能够影响非共价键作用,因而温度对超分子凝胶有着显著的影响。β-环糊精有机小分子凝胶是典型的超分子凝胶,温度在其形成过程中扮演着重要角色。本课题组曾报道过一种非常有趣的β-环糊精热致凝胶[41],将β-环糊精和碳酸钾按照一定比例溶于1,2-丙二醇中,加热到凝胶溶液转变温度(TGS),该体系变成澄清溶液,当温度降低至25 ℃,不透明的白色凝胶形成。再次加热到TGS,凝胶转变成溶液。不断地改变体系温度,可以实现凝胶和溶液的不断转变。当将该体系的温度直接加热到溶液凝胶转变温度(TSG)),不透明的白色热致凝胶即可形成,但是降低凝胶的温度,并不能得到澄清溶液(图6)。
图6 凝胶溶液之间相互转变的图片:(a)冷却溶液可以得到凝胶A;(b)加热凝胶A得到的澄清溶液;(c)加热澄清溶液得到的凝胶B[41]

Fig. 6 Photographs of the gel-sol-gel transition process:(a) gel A formed after cooling the solution;(b) homogeneous solution obtained after heating gel A;(c) gel B formed after heating the solution[41]

3.2 主体分子

通过实验发现,β-环糊精在DMF和水的混合溶剂中即可形成超分子凝胶[38]。既然β-环糊精可以组装成凝胶,那么随之而来的问题是,其他种类的环糊精以及环糊精的衍生物能否形成超分子凝胶?研究发现(表1),羟丙基取代的β-环糊精、磺丁基取代的β-环糊精、氨基取代的β-环糊精、甲基取代的β-环糊精和二亚乙基三氨基取代的β-环糊精在DMF和水的混合溶剂中形成了溶液。碘代的β-环糊精和碘代的α-环糊精在DMF和水的混合溶剂中形成了沉淀。令人惊奇的是,α-环糊精和γ-环糊精在DMF和水的混合溶剂中均未形成凝胶,而形成了溶液。α-环糊精、β-环糊精和γ-环糊精在100 mL水中的溶解度依次为14.5、1.85和23.2 g。相比于β-环糊精,α-环糊精和γ-环糊精具有更好的水溶性,但是良好的水溶性却限制了α-环糊精和γ-环糊精的组装。所以,α-环糊精和γ-环糊精在DMF和水的混合溶剂中形成了溶液。综上所述,α-环糊精和γ-环糊精之所以不能形成超分子凝胶是它们极好的水溶性导致的。对于其他种类的β-环糊精衍生物,如羟丙基取代的β-环糊精、磺丁基取代的β-环糊精、氨基取代的β-环糊精、甲基取代的β-环糊精和二亚乙基三氨基取代的β-环糊精等,衍生化破坏了β-环糊精的分子对称性,使得β-环糊精分子之间难以形成较为牢固的氢键,导致管状堆积结构难以形成,因而不利于凝胶的形成。因此,除了β-环糊精外,其他环糊精以及β-环糊精衍生物均难以形成有机小分子凝胶。
表1 不同种类的环糊精在DMF和水的混合溶剂中的状态

Table 1 States of different types of β-cyclodextrin in the DMF/water system

Entry CDs State
1 α-CD Sa
2 β-CD Gb
3 γ-CD Sa
4 Heptakis(6-deo-I)-β-CD Pc
5 Heptakis(2-O-hydroxypropyl)-β-CD Sa
6 Heptakis(2-O-sulfobutyl)-β-CD Sa
7 Heptakis(2-deo-amino)-β-CD Sa
8 Heptakis(2,6-di-O-methyl)-β-CD Sa
9 Heptakis(2-O-diethylenetriamino)-β-CD Sa
10 Heptakis(6-deo-I)-α-CD Pc
11 Poly-β-CD Sa

Sa: solution. Gb: gelation. Pc: precipitation.

3.3 客体分子

β-环糊精是具有空穴结构的主体分子,可以包合很多疏水性分子[42,43,44,45],因而客体分子对β-环糊精有机小分子凝胶有着重要的影响。例如,将β-环糊精和氯化锂按照一定的比例溶于DMAc中,加热至120~130 ℃,可以得到澄清溶液[46]。向澄清溶液中加入一定量特定的客体分子,溶液立即凝胶化。通过实验发现,客体分子如甲酸、乙酸、1-丁醇、1-戊醇、1-辛醇和苯甲醛等,均能使该体系凝胶化。得到的热致凝胶冷却到室温,即转变为溶液,将溶液温度加热至130 ℃,又可以得到β-环糊精热致凝胶(图7)。
图7 β-环糊精/氯化锂/DMF体系的相转变过程:(Ⅰ)120~130 ℃下为澄清溶液;(Ⅱ)加入促凝胶因子后得到凝胶;(Ⅲ)冷却至室温得到的溶液[46]

Fig. 7 The phase transition process of the β-cyclodextrin/LiCl/DMF system: a clear solution at 120~130 ℃(Ⅰ), a white gel(Ⅱ) after injecting cogelator, and a clear solution(Ⅲ) at room temperature[46]

3.4 溶剂

β-环糊精在不同溶剂中的溶解度不同,溶剂对β-环糊精有机小分子凝胶的形成有着重要影响。研究发现,将一定量的β-环糊精、双酚A和氯化锂溶于DMAc中,可以得到澄清溶液,加热溶液至凝胶化温度,可以得到β-环糊精热致凝胶。此外,若向该溶液中加入一定量的乙醇,可以得到β-环糊精常温凝胶[47]。溶剂会影响该凝胶的形成,实验表明,一元醇如甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、正戊醇、正己醇、正庚醇、正辛醇和苯甲醇,均能促进β-环糊精常温凝胶的形成。而多元醇如乙二醇、丙二醇和丙三醇不能促使该体系凝胶化(表2)。
表2 不同种类的醇对β-环糊精常温凝胶形成的影响

Table 2 The effect of alcohols on the formation of the room-temperature organogel

Solution β-CD/DMAc/LiCl
1 2 3 4 5
Methanol G G G G G
Ethanol G G G G G
n-Propylalcohol G G G G G
i-Propanol G G G G G
n-Butyl alcohol G G G G G
i-Butanol G G G G G
t-Butanol G G G G G
n-Amyl alcohol G G G G G
n-Hexyl alcohol G G G G G
n-Heptyl alcohol G G G G G
n-Octanol G G G G G
Phenylcarbinol G G G G G
Ethanediol S S S S S
Propanediol S S S S S
Propanetriol S S S S S

Solution: Cβ-CD 0.167 mol/L, Cguest molecule 0.167 mol/L(guest molecule: 1 BPA, 2 bisphenol F, 3 phenol, 4 p-chlorophenol, 5 p-nitro-phenol), ωLiCl 0.5%, G room-temperature organogel, S a clear solution, DMAc was the solvent, Vsolution:Valcohol 1∶1.

3.5 金属离子

金属离子能够影响分子间非共价键作用,因而金属离子也能影响β-环糊精有机小分子凝胶的形成。本课题组曾探究过不同的金属离子对β-环糊精常温凝胶的影响,研究发现(表3),金属离子的种类以及金属离子的浓度均可以影响β-环糊精常温凝胶的形成[48]。金属盐以及碱,如氯化锂、氯化钠、氢氧化钠、碳酸钠、氯化钾、氯化铯和碳酸铯等均能促进β-环糊精常温凝胶的形成。与此同时,金属离子的浓度对β-环糊精常温凝胶的影响也是显而易见的,低浓度的金属离子一般能够促进凝胶的形成,而高浓度的金属离子一般阻碍凝胶的形成。
表3 加入不同浓度的金属离子后体系的状态

Table 3 States of the gel after adding different salts at different concentrations

Csalt(mM) LiCl LiOH Li2CO3 NaCl NaOH Na2CO3
50 G CP - G G G
100 G CP - G G G
150 G CP - G G G
200 CP CP - G G G
300 CP CP - G CP G
500 CP CP - G CP G

G: gelation; CP: crystallization or precipitation.

4 β-环糊精有机小分子凝胶形成的可能机理

凝胶是由凝胶因子组装而成的软物质材料,不同种类的凝胶因子可以组装成不同的凝胶。β-环糊精属于有机小分子,可以通过非共价键作用组装成β-环糊精有机小分子凝胶。β-环糊精是具有锥筒状结构的分子,上口端和下口端均有羟基存在,β-环糊精之间可以通过氢键作用形成管状堆积结构,管状堆积结构在β-环糊精有机小分子凝胶形成过程中扮演着重要角色。凝胶因子不同,导致β-环糊精凝胶形成机理略有差异。下面将依据凝胶因子数目的不同,系统介绍两类典型的β-环糊精有机小分子凝胶形成机理。

4.1 单凝胶因子β-环糊精凝胶形成机理

通过良/不良溶剂的调节,β-环糊精自身就可以组装成β-环糊精凝胶[38]。在偏光显微镜下,我们发现单凝胶因子β-环糊精凝胶纤维出现彩色纹理并伴有各向异性,这意味着β-环糊精凝胶纤维中存在整齐的分子堆积阵列。我们利用小角以及广角X射线散射来进一步探究凝胶纤维的微观结构(图8)。
图8 (a)小角X射线散射和(b)广角X射线散射谱图[38]

Fig. 8 Small-angle X-ray scattering(SAXS) patterns(a);and wide-angle X-ray scattering(WAXS) patterns(b)[38]

如图8a所示,虽然所使用的DMF/水的比例不断变化(4/6;5/5;6/4),在β-环糊精凝胶的小角X射线散射结果中均出现三个非常明显的散射信号。这三个信号的散射矢量比例为21/2:41/2:61/2,这是典型的环糊精四方堆积散射峰。如图8b所示,在广角X射线散射结果中,出现了两个典型的2θ峰(6.8°和19.8°),这是典型的β-环糊精管状堆积散射峰[49]。
小角X射线散射结果中的第一个峰的q值为2.79 nm-1,对应的D值为2.25 nm,D值为不同列β-环糊精管状堆积结构之间的距离,由于β-环糊精最大直径为1.53 nm,所以不同列的β-环糊精分子与β-环糊精分子之间距离d为0.72 nm。通过以上分析,我们可以得出单凝胶因子β-环糊精凝胶形成的大致机理。在不良溶剂的诱导下,单分子状态的β-环糊精容易进行分子间的组装以减少体系能量。锥筒状β-环糊精上口端的羟基倾向于和另外一分子β-环糊精上口端的羟基通过氢键结合起来,而β-环糊精下口端的羟基倾向于和另外一分子β-环糊精下口端的羟基通过氢键结合起来,形成头对头、尾对尾的管状四方堆积结构,不同阵列的β-环糊精管状堆积结构可以进一步组装成微米纤维,三维的微米纤维包裹溶液即可形成超分子凝胶(图9)。
图9 β-环糊精的分子尺寸以及β-环糊精分子管状堆积模型图

Fig. 9 Idealized drawings(top image) of the shape of the β-cyclodextrin torus, with cut along the Cn axis, and the cross profile of channel-type packing(bottom image)

4.2 多凝胶因子β-环糊精凝胶形成机理

将一定量的β-环糊精和百里酚酞溶于DMAc中,搅拌至固体完全溶解,向该体系中加入适量的甲酸钠,即可得到多凝胶因子β-环糊精凝胶[50]。如图10a所示,在扫描电子显微镜下,可以观察到该干凝胶的纤维结构,微米级的纤维厚度约为50 nm,长度约为几个微米。同样条件下,如图10b所示,在DMF中形成的多凝胶因子β-环糊精凝胶的形貌也是类似的,干凝胶中存在大量的微米级纤维。微米纤维的存在,意味着纤维中存在整齐的分子堆积形式,我们利用傅里叶变换红外光谱以及X射线衍射研究了凝胶纤维形成的机理。
图10 不同凝胶的扫描电子显微镜图片:(a)DMAc凝胶;(b)DMF凝胶(Cβ-环糊精=0.167 mol/L;C百里酚酞=0.084 mol/L)[50]

Fig. 10 SEM images of xerogels prepared from various organogels:(a) DMAc gel;(b) DMF gel(Cβ-cyclodextrin=0.167 mol/L; CTP=0.084 mol/L)[50]

傅里叶变换红外光谱可以提供氢键信息以判断主客体包合物的形成[51]。通过分析傅里叶变换红外光谱可以发现,DMAc干凝胶的红外谱图与DMF干凝胶的红外谱图是一样的。与β-环糊精、百里酚酞和甲酸钠的机械混合物的红外谱图中苯环的C—C伸缩振动吸收峰(1600 cm-1)相比,干凝胶红外谱图中的苯环的C—C伸缩振动吸收峰变成了1630 cm-1。此外,在机械混合物中百里酚酞内酯上羰基的伸缩振动吸收峰为1730 cm-1,而在干凝胶中,该羰基的伸缩振动吸收峰强度明显减弱。以上信息均表明,β-环糊精和百里酚酞之间形成了主客体包合物。
β-环糊精上的羟基与羟基之间可以形成氢键,羟基的特征吸收峰会出现在β-环糊精的红外光谱图中3100~3400 cm-1处。研究发现,机械混合物中β-环糊精羟基的伸缩振动吸收峰为3400 cm-1,而在干凝胶中羟基的伸缩振动吸收峰蓝移至3420 cm-1处,表明在干凝胶中β-环糊精羟基与羟基之间的氢键减弱,这应该是由于甲酸钠中的钠离子与β-环糊精中的羟基络合导致的。
通过分析X射线衍射谱图,我们发现β-环糊精、百里酚酞和甲酸钠的机械混合物与DMAc干凝胶的衍射结果差异是非常明显的。在机械混合物中,出现了9.5°、12.9°、13.4°和18.2°四个衍射峰,表明在机械混合物中β-环糊精分子是以笼状堆积形式存在的[52]。而在干凝胶中,出现了11.6°和17.6°两个衍射峰,这两个峰为典型的管状堆积衍射峰,表明在干凝胶中,β-环糊精分子是以管状堆积形式存在的。
根据傅里叶变换红外光谱以及X射线衍射结果,我们提出了多凝胶因子β-环糊精凝胶形成的可能机理。百里酚酞的体积过大,一个β-环糊精分子很难将一个百里酚酞分子完全包裹,因而一个百里酚酞分子应该是被两个β-环糊精分子包裹起来,百里酚酞分子位于两个β-环糊精分子中间,两个β-环糊精分子形成尾对尾的堆积模式。得到的主客体化合物可以通过β-环糊精分子之间头对头的堆积模式组装成超分子聚合物,不同阵列的超分子聚合物可以通过钠离子的络合作用进一步组装成微米级的凝胶纤维(图11)。
图11 凝胶纤维形成的可能机理(红球代表甲酸钠;黑球代表百里酚酞;等腰梯形代表β-环糊精)

Fig. 11 Schematic illustration of the formation of 3D networks of nanofibers(red balls: HCOONa; dark cylinders: thymolphthalein)

5 β-环糊精有机小分子凝胶的刺激响应性

β-环糊精有机小分子凝胶是凝胶因子通过非共价键组装而成的,是典型的超分子凝胶。非共价键具有一定的不稳定性,容易受到外界因素影响而断开。因此,β-环糊精有机小分子凝胶容易受到外界因素的影响而塌陷,从而表现出对外界刺激的敏感响应性。

5.1 温度响应

将一定量的β-环糊精和氯化锂固体溶于MDF溶剂中,室温下,磁力搅拌8 h,可以得到澄清透明的溶液,加热该溶液至凝胶化温度,就可以得到白色不透明的β-环糊精热致凝胶[53]。β-环糊精浓度的改变会导致凝胶化温度的改变,当β-环糊精浓度低于0.13 mol/L时,即便将体系温度升高至DMF的沸点,也不能够使该体系凝胶化。得到的β-环糊精热致凝胶表现出良好的温度刺激响应性,将该体系的温度降低至室温,β-环糊精热致凝胶转变成澄清透明的溶液,对澄清溶液进行加热,又可以得到β-环糊精热致凝胶(图12)。
图12 β-环糊精热致凝胶的温度响应性[53]

Fig. 12 Temperature responsiveness images of the system of β-cyclodextrin/DMF/LiCl[53]

5.2 化学刺激响应

将 0.5 mmol β-环糊精和一定量的氯化锂溶于3 mL DMF溶剂中,室温下,搅拌至固体完全溶解转变成澄清溶液,快速向该体系中加入3 mmol乙二胺,在100 s内,即可得到白色不透明的β-环糊精常温凝胶[54]。乙二胺在该凝胶形成过程中扮演着重要角色,乙二胺分子中包含两个氨基,氨基可以有效地络合某些金属离子,因而该凝胶有可能对金属离子有着良好的刺激响应性。如图13所示,该凝胶对铜离子具有敏感的响应性,铜离子加入5 h后,凝胶转变成沉淀。凝胶塌陷有可能是铜离子与乙二胺络合导致的,铜离子/乙二胺络合物的形成,使得β-环糊精之间氢键减弱,进而引起凝胶纤维的崩解。
图13 外界化学刺激对β-环糊精凝胶的影响:(Ⅰ)OH-;(Ⅱ)HCl;(Ⅲ)CH3COOH;(Ⅳ)Cu2+[54]

Fig. 13 Photographs of external chemical stimuli influence on the gel for 5 h, OH-(Ⅰ), HCl(Ⅱ), CH3COOH(Ⅲ), Cu2+(Ⅳ)[54]

5.3 酸响应

酸能够破坏非共价键作用,因而β-环糊精有机小分子凝胶对酸也有着非常好刺激响应性。如图13所示[54],图中的凝胶体系不仅能够响应金属离子刺激,而且对酸比较敏感,甲酸的加入能引起凝胶到沉淀的转变。

6 β-环糊精有机小分子凝胶在药物载运领域的应用

凝胶是由三维网状结构包裹溶剂形成的软物质材料,在药物载运领域有着广泛的应用。β-环糊精有着疏水的空腔结构,可以通过范德华力包裹疏水性的客体分子,因而β-环糊精凝胶在药物载运方面有着自己独特的优势,能够同时实现对亲水性药物分子和疏水性药物分子的运载。

6.1 β-环糊精有机小分子凝胶单重载药

β-环糊精凝胶三维网络结构中包裹着溶剂,溶剂可以溶解药物分子,从而实现对药物分子的运载。将1.0 g的β-环糊精溶于5 mL甘油中,超声溶解20 min,得到胶体溶液。磁子搅拌胶体溶液即可得到β-环糊精凝胶。由于甘油对药物分子具有良好的溶解性,得到的β-环糊精凝胶既可以用来运载抗肿瘤药物甲氨蝶呤,也可以运载抗癌药物5-氟尿嘧啶[55]。如图14所示,β-环糊精凝胶为白色凝胶,载有甲氨蝶呤的β-环糊精凝胶转变为黄色,而载运5-氟尿嘧啶的β-环糊精凝胶仍为白色。
图14 凝胶转变图片:(a)β-环糊精/甘油胶体溶液;(b)β-环糊精/甘油凝胶;(c)载有甲氨蝶呤的β-环糊精/甘油凝胶;(d)载有5-氟尿嘧啶的β-环糊精/甘油凝胶[55]

Fig. 14 Photographs of phase transition from(a) the colloidal solution of β-cyclodextrin/glycerol to(b) β-cyclodextrin/glycerol gel, to(c) β-cyclodextrin/glycerol gel loaded with methotrexate, and to(d) β-cyclodextrin/glycerol gel loaded with 5-fluorouracil[55]

为了研究载药β-环糊精凝胶是否能够增强药物的抗癌活性,我们做了体外抗肝癌HepG2细胞增殖能力实验,MTT结果显示,相比于5-氟尿嘧啶原药而言,不同浓度的负载有5-氟尿嘧啶的β-环糊精/甘油凝胶均对肝癌细胞表现出更强的抑制能力。对于不同浓度的负载甲氨蝶呤的凝胶,相比于相同浓度的甲氨蝶呤原药,均对肝癌细胞表现出更强的抑制能力(图15)。
图15 不同浓度的5-氟尿嘧啶和负载5-氟尿嘧啶的β-环糊精/甘油凝胶(25 nM、50 nM和100 nM)对HepG2细胞的抑制能力比较

Fig. 15 Comparison of the inhibition rate of HepG2 cells induced by 5-Fu and 5-Fu-Gel. HepG2 cells were treated with increased concentrations of 5-Fu-Gel or 5-Fu(25 nM, 50 nM, and 100 nM) for 24 h

6.2 β-环糊精有机小分子凝胶双重载药

β-环糊精为筒状的斜截锥式结构,腔外亲水,腔内疏水,可以包合某些疏水性客体分子,从而实现对疏水性药物分子的载运。β-环糊精有机小分子凝胶的溶剂还可以运载亲水性药物分子,因而β-环糊精有机小分子凝胶可以实现对疏水性药物分子和亲水性药物分子的双重载运(图16)。
图16 双重载药β-环糊精有机小分子凝胶载药机理图

Fig. 16 Illustration of formation of low molecular weight β-cyclodextrin organogel loading with two kinds of drugs

将一定比例的β-环糊精、阿霉素和5-氟尿嘧啶加入到一定量的水/二甲亚砜混合溶剂中,缓慢加热到100 ℃,直至固体完全溶解,然后降温冷却至室温,即可得到双重载药β-环糊精有机小分子凝胶,疏水性药物5-氟尿嘧啶被包裹到β-环糊精空腔,而亲水性药物阿霉素被载运到凝胶溶剂中[56]。
通过荧光显微镜,我们探究了被HeLa细胞吞噬的阿霉素在细胞中的分布情况。荧光染料DAPI可以对细胞核进行染色,我们利用DAPI来对比研究阿霉素在细胞中的分布。研究发现,被β-环糊精凝胶释放出来的阿霉素可以通过被动扩散透过细胞膜而被HeLa细胞吞噬,在荧光显微镜下,可以观察到阿霉素像DAPI一样主要集中在HeLa细胞的细胞核中,表明β-环糊精凝胶可以作为载运阿霉素的优良载体(图17)。
图17 浸泡半小时后,吞噬凝胶释放出来的阿霉素的HeLa细胞的荧光显微镜照片:(A)吞噬阿霉素后HeLa细胞的荧光照片;(B)吞噬荧光染料DAPI后HeLa细胞的荧光照片;(C)图A和图B的重合图片[56]

Fig. 17 Fluorescence microscopy of cellular uptake of DOX released from gel observed after incubation for 0.5 h(A) DOX channel,(B) DAPI channel and(C) overlays of two images[56]

我们利用HeLa细胞来探究载药β-环糊精凝胶体外细胞增殖抑制能力,将一定量的载药β-环糊精分别处理HeLa细胞0.5和5 h,然后进行WST实验。结果发现,由于阿霉素具有更高的包封率,载运亲水性药物阿霉素的β-环糊精凝胶相比于载运疏水性药物5-氟尿嘧啶的β-环糊精凝胶具有更高的癌细胞抑制率。由于同时载有阿霉素和5-氟尿嘧啶,双重载药的β-环糊精凝胶显示出了极强的癌细胞抑制能力,展示出双重载药β-环糊精有机小分子凝胶在药物载运领域巨大的潜在应用价值(图18)。
图18 载运阿霉素的β-环糊精凝胶、载运5-氟尿嘧啶的β-环糊精凝胶以及同时载运阿霉素和5-氟尿嘧啶的β-环糊精凝胶在不同的浸泡时间下对HeLa细胞的抑制率[56]

Fig. 18 The cytotoxicities of gel containing DOX, 5-FU or DOX and 5-FU against HeLa cells with different incubation time[56]

7 总结与展望

综上所述,β-环糊精在特定的溶剂环境中,即可实现凝胶化,形成单凝胶因子β-环糊精凝胶和多凝胶因子β-环糊精凝胶。外界因素对β-环糊精有机小分子凝胶的形成有着显著影响,温度、主体分子、客体分子、溶剂和金属离子均能影响β-环糊精凝胶的形成。机理研究结果表明,β-环糊精头对头、尾对尾的管状四方堆积结构在β-环糊精有机小分子凝胶的形成过程中起着主导作用。β-环糊精有机小分子凝胶是典型的超分子凝胶,因而对外界刺激展现出良好的刺激响应性,温度的改变、金属离子和酸液均可导致β-环糊精凝胶的解离。我们还对β-环糊精有机小分子凝胶的载药性能进行了初步探究,研究发现β-环糊精凝胶不仅可以通过溶剂实现单重载药,还可以通过β-环糊精空腔以及溶剂实现双重载药。相比于单纯的药物分子而言,载药β-环糊精凝胶具有更强的抑制癌细胞增殖能力,展示出载药β-环糊精有机小分子凝胶在药物载运领域巨大的潜在应用价值。当然,β-环糊精有机小分子凝胶在发展的过程中也出现了一些亟待解决的问题:1)虽然我们已经制备出了以甘油为溶剂的β-环糊精凝胶,但是至今尚未制备出β-环糊精水凝胶,限制了其在生物医药领域的应用。因而,如何实现β-环糊精在水中凝胶化,将成为以后研究的重点;2)迄今为止,我们已经制备出了大量的不同种类的β-环糊精有机小分子凝胶,但只是探究了其在药物领域中的应用,以后需要进一步加强β-环糊精有机小分子凝胶在污染物吸附和化学催化等领域的研究。总之,作为一类性能独特的凝胶体系,β-环糊精有机小分子凝胶有着巨大的应用潜力,需要深入研究,促进其进一步发展。

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