富勒烯与其衍生物的制备与生物医学效应.doc

专业课程实践论文题 目： 富勒烯及其衍生物的制备与生物医学效应任课教师： 罗志勇姓 名： 刘远见学 号： 20096918学 院： 化学化工学院专业班级： 2009级材料化学1班富勒烯及其衍生物的制备与生物医学效应刘远见 liuyuanjian重庆大学化工学院2009级材料化学1班 重庆 中国 400044摘要：富勒烯与其衍生物作为一种新型含碳纳米材料，由于其独特的结构与物理化学性质，在生物、医学、超导、光学及催化等多领域有着极为广阔的应用前景。在生物与医学领域，富勒烯及其衍生物具有抗氧化活性与细胞保护作用、抗菌活性、抗病毒作用、载带药物与肿瘤治疗等活性。在总结国内外相关研究基础上，论文重点综述了几种典型富勒烯及衍生物的制备与生物效应。关键字：富勒烯；纳米材料；生物效应；细胞保护；Abstract:Due to their unique structure and physical and chemical properties，fullerene and its denvatives have a widerange of potential appacations in biomedical fieldThey have many advantages in cell protection and antioxidant properties，antibacterial activity，antiviral activity，drug delivery and anti-tumor activitiesIn this paper，biomedical effects of fullerenes have been highlighted，and the synthesis of fullerene its derivative have been reviewed as wellKey words:fullerene;Nano-materials;Biological effects;Cytoprotective 纳米科学、信息科学与生命科学并列成为2l世纪的三大支柱科学领域。纳米颗粒(nanoparticles，Nas)与超细颗粒物(ultrafine particles，UFPs)，一般是指尺寸至少有一维在l100 nm间的粒子。纳米尺度是处在原子簇与宏观物体交界的过渡区域，处于这个区域的材料具有一些独特性质，如小尺寸效应、表面、界面效应与量子尺寸效应等。空气中纳米颗粒虽然浓度很低，但具有很高的颗粒物数目。将宏观物体细分成纳米颗粒后，它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学性质与大体积固体相比将会显著不同。纳米材料的小尺寸、化学成分、表面结构、溶解性、外形与聚集情况决定着它们特殊的物理化学性质，这些性质使得纳米材料在将来有着广泛的用途。（1） Kroto等(1985)于1985年发现了巴基球，并提出了球型中空分子的模型，将之命名为富勒烯(C60)。Kratschrner等(1990)首先用石墨电弧放电法实现了富勒烯的宏量制备，此后在世界范围内掀起了研究富勒烯的热潮。涉及的学科包括物理、化学、生物、天文与材料科学等。一个分子能如此迅速地打开通向科学新领域的大门，这是非常罕见的。由于富勒烯分子的巨大科学意义，被美国科学杂志评为1991年的“明星分子”。 富勒烯及其衍生物细胞毒性的比较（2）1、 几种典型富勒烯及衍生物的制备结构研究表明，富勒烯是一个由12个五元环与20个六元环组成的球形三十二面体，它的外形酷似足球，直径为071nm。六元环的每个碳原子均以双键与其他碳原子结合，形成类似苯环的结构目前，对富勒烯的研究不仅停留在物理、化学与材料领域，而且深入到了生物化学、医学与生命科学等领域。富勒烯、金属内嵌富勒烯及其衍生物由于其独特的结构与化学物理性质，在生物医学领域有非常广泛的应用。它们具有抗氧化活性与细胞保护作用、抗菌活性、抗病毒作用、载带药物与肿瘤治疗等活性。在总结国内外相关研究基础上，本文综述了几种典型富勒烯及衍生物的制备。1.1 煤基纳米洋葱状富勒烯的制备研究1.1.1 纳米洋葱状富勒烯的结构模型 纳米洋葱状富勒烯的理想模型是由若干碳原子同心壳层组成的较大的原予团簇，最内层由60个碳原子组成，第二层、第三层、第四层 以60n2的数量递增，因此，前五层碳原子数分别为c60、C240、C540、C960、CJ5，最内层的直径约为O7rim，接近于C60的直径，层与层间距约034am，与石墨的层间距接近(见图12)。实际制得的纳米洋葱状富勒烯可能并不严格符合理想模型，包括准球体与多面体状同心壳层的富勒烯，还包括金属内包的纳米洋葱状富勒烯、金属插层的纳米洋葱状富勒烯、具有不规则结构的各种形状的纳米胶囊以及具有不规则结构的同心壳层的富勒烯。所以，广义上讲，洋葱状富勒烯可以定义为具有同心壳层结构的准球状或多面体状的富勒烯的总称。图1-2理想纳米洋葱状富勒烯的结构模型Fig1-2 Structure model ofideal rtarlO onionlike fullerenes1.1.2 纳米洋葱状富勒烯的制备简介 由于纳米洋葱状富勒烯的物性与其结构与形貌有密切的关系，因此纳米洋葱状富勒烯优良的物性能否在具体应用中得到体现，关键在于能否根据具体的需要制备出大量优质的具有特定微结构与形貌的纳米洋葱状富勒烯。 因为纳米洋葱状富勒烯是在石墨电极的直流电弧放电的阴极沉积物中发现的，而且所制备的纳米洋葱状富勒烯具有很好的石墨化程度，所以直流电弧放电法作为传统的制备纳米洋葱状富勒烯的方法一直备受关注。电子束辐照的方法制备纳米洋葱状富勒烯实际上是研究碳材料微观结构时的一个偶然发现，它在研究纳米洋葱状富勒烯的结构与生成机理上具有较大的优越性。除此之外，为了探讨纳米洋葱状富勒烯的生成机理、产量、结构控制、生产成本的降低，人们还探索了其它一些制备纳米洋葱状富勒烯的方法，其中包括化学气相沉积法、等离子体辅助CVD法、机械球磨法、碳离子束注入法、等离子体法等等。（3）1.2 金属富勒烯的合成 1.2.1 金属富勒烯制备简介 富勒烯与金属的反应有两种，一种是金属包于富勒烯笼内；另一种是金属与富勒烯在球的外表起反应。到目前为止，金属富恸烯的合成主要有三种方法：同步合成法、两步合成法、核反应法。 在同步合成法中，用电弧、激光或电阻加热蒸发含有被包入原子碳的物质来合成，其特点是富勒烯与金属富勒烯同步合成，其中最常用的是电弧法。在电弧法中，阳极的组成非常重要，它不仅影n生成物的产率，而且影响生成物的品种，使用的复合金属棒有：企属氯化物石墨、金属石墨、金属氧化物石墨、金属碳化物石墨r。相比之下，用金属碳化物石墨作阳极最有利于金属富勒烯的形成。实验表明，使金属或金属氧化物、氯化物转化为碳化物是制备金属富勒烯的关键，否则就得不到金属富勒烯。 两步合成法是指首先合成富勒烯，然后在一定条件下，金属原子与富勒烯碰撞，生成金属富勒烯。此法主要有两种手段：一种是激光蒸发金属氧化物与富勒烯的混合物；另一种是用金属离予撞击富勒烯，但这些方法合成的金属富勒烯的产率都很低，不适宜大量合成。 核反应法是对金属富勒烯进行核辐照，使其中的金属原予发生核反应，从而形成新的金属富勒烯。如将165Hoc82，M5H02c 82，165H03C82用中子辐照，能将其转化为含有放射性的166Ho的寓勒烯。然后166Ho进行B衰变，转化为含166Er的富勒烯51l。 迄今为止，除了绝大多数稀土金属原子、碱土金属原子(Ca，Sr，Ba)、碱金属原子(Li，Na，K，Cs)已成功地合成了相应的会属富勒烯c60外，近几年也合成了许多别的金属富勒烯，如：JGHou等采用两步法，用Cu与C60共同沉积合成了Cuc60521；CRWang等用同步加速辐射石墨合成了Sc2c60【53：IEKareev等用电弧法制备MC82(M=La，Y)54。富勒烯除了与金属反应外还，可以与非金属(B、N与S)进行掺杂。1.2.2 富勒烯的合成机理 无论是电弧放电，激光蒸发，还是电子束轰击，富勒烯都是在蒸发的烟灰中存在，石墨中的碳一碳键有一个断裂与重排的过程。由于电弧等离子体本身的限制，原位探测难于进行，富勒烯的形式只能根据实验的结果来分析。 在电弧等离子体环境中，发生的反应是多种多样的，包括电子与粒子之间的反应，如电离、解离、吸附、复合等，也包括粒子j粒子之问的反应，如激发、彭宁电离、置换电离、电荷交换、缔合、解离、复合等。这个过程中原予簇内部有碳碳键的断裂与生成，也伴随着碳原子位置的调整。 用不同的原料与制备方法，富勒烯的形成机理也有不完全相同。邱介山等【55认为用电弧等离子体蒸发法由煤基炭棒制备富勒烯时，炭棒中的有机固定碳成分在电弧等离子体的作用下，一部分被高能电子击碎而直接变成只有12个碳原子的碎片单元(Cl与Cz)，另一部分则以稠环化合物与芳香杂环化合物(polyaromafiehydrocarbons记为PAH)的形式被蒸发出来。富勒烯的形成一方面源于Cl与C2碲片单元的连续相互碰撞，即通过C2加成反应机理而实现；另一方面，反应休系中存在的PAH也会通过某种化学反应方式连结起来而最终演变为富勒烯分子。上述这2种形成富勒烯分子的过程是反应体系中同时进行的平行反应。（4）1.3 富勒烯的银胺络合物的制备1.3.1 实验原料 含富勒烯的碳粉。再经甲苯抽提制得C60；C12。(9999)；氯化富勒烯(C60C1n)，自制，氯含量由称重法确定，平均每个富勒烯分子上有20个氯原子；乙二胺、乙醇胺、草酸银，均分析纯；A12O3，微孔陶瓷。1.3.2 实验方法 使低速氯气流过温度在250400之间的热玻璃管，与管中的C60反应，实现C60的氯化。按一定配比称量草酸银与氯化铯，放入锥形瓶，加入用量一半的水，在40水浴中避光搅拌。将乙醇胺与乙二胺加入锥形瓶，并用剩余的一半水洗涤残留的乙醇胺与乙二胺，在水浴中搅拌直至溶解。将草酸银、氯化铯与C60Cl20。同时加入。将微孔陶瓷放入锥形瓶中，抽真空、鼓氮气，反复多次。在刚制备的银胺络合物溶液中加入经过处理的微孔陶瓷，避光存放2 d。取出微孑L陶瓷，用红外灯烤干。把干燥的微孔陶瓷放入坩埚，N2气保护，在380的马弗炉中煅烧2 h。（5）1.4 富勒烯赖氨酸衍生物C60-1ys的制备：1.4.1 合成材料富勒烯fullerene 99 固体、赖氨酸lysine 99 固体、无水乙醇ethanol 99 液体、甲苯toluene 99 液体、盐酸hydrochloric acid 99 液体、硅胶粉(270-230目)silica gel powder(270-230mesh)99 固体氢氧化钠sodium hydroxide 98 固体国药1.4.2 主要仪器：1HNMR：Bruker 600MHz，CDCl313C-NMR：Bruker 600MHz，CDCl3FTm红外光谱仪：Bruker Vector 22型，GERR204B旋转蒸发器：上海申生科技有限公司1.4.3 合成方法合成方程式H2N(CH2)4CH(NH2)COOH+NaOH+C60C60(HNCH2CH2CH2CH2CH(NH2)COONa)6(H)6合成方法与步骤：(1) 搭建化学反应装置。(2) 将1lOmg富勒烯溶于70mL甲苯中，搅拌使其完全溶解，液体为紫罗兰色。(3) 将569赖氨酸，179NaOH溶于6mL水中，加入40mL无水乙醇，搅拌使其完全溶解。(4) 将富勒烯甲苯溶液慢慢滴加入赖氨酸溶液中，室温搅拌24h后静置分层。(5) 分层后上层有机相近无色，下层水醇混合相棕黑色，用分液漏斗分出水醇混合相。(6) 用甲苯萃取水醇混合相中微量的C印两次。(7) 用旋转蒸发仪减压除去溶剂得黑色粘稠固体。(8) 力N3mL水使固体完全溶解，再力H40mL无水乙醇，振荡得棕色沙状沉淀。(9) 过滤，并用无水乙醇洗两遍，真空干燥得棕黑色固体粉末，即为富勒烯赖氨酸衍生物C60-lys。（6）2、 富勒烯及其衍生物的生物性质 富勒烯独特的结构，赋予了其独特的物理、化学性质，业已发现在自由基清除，光动力学治疗，抑制HIV病毒，抗菌，神经保护，造影剂应用，药物载体等方面有着独特的作用。迄今为止，富勒烯的研究领域已经涉及到物理、化学、材料科学以及生命科学等众多学科及相关应用领域，并越来越显示出其巨大的应用潜力。国内外在生物医学领域的广泛研究结果表明，富勒烯清除生物体系产生的自由基可以抗氧化保护神经细胞；富勒烯的碳笼与HIV蛋白酶活性位点特异性结合，抑制HIV；插入生物质膜，产生抗菌活性；在光激发条件下，生成单线态氧，发挥光动力杀伤作用，下面简单介绍一下富勒烯的几种重要的生物效应。2.1 富勒烯生物分布 富勒烯及其衍生物在细胞与生物体内的吸收、分布、代谢是开展生物医学应用的重要前提。李炜（2009）等研究发现荧光标记的富勒烯二加成丙二羧酸衍生物能以能量依赖的胞吞方式跨膜进入到人宫颈癌细胞Hela内。另外，研究还采用RH35与3T3 L1细胞进一步研究了富勒烯羧酸衍生物进入细胞的方式，结果表明，不论是RH35细胞还是3T3 L1细胞都依赖于笼形蛋白介导的内吞方式，而不依赖于小窝(caveolae)介导的胞吞方式。（7） 根据近十年的研究发现，给予富勒烯不同的化学修饰可能会改变它们在生物体内的分布与代谢。2.2 富勒烯的细胞保护与抗氧化作用 自从Dugan团队研究发现富勒烯具有清除活性氧的性质以来，C60作为细胞保护剂被视为最具有应用前景的热点研究之一。Okuda等(1996)通过体外实验研究了二丙二酸富勒烯对自由基的清除作用。细胞色素C由于清除系统中黄嘌呤氧化酶产生的超氧自由基而不断地被消耗，当系统中加入二丙二酸富勒烯衍生物，细胞色素C不再被消耗。这种富勒烯衍生物可以代替细胞色素C清除系统中的超氧自由基。研究也发现C60(C(COOH)2)2、C60(OH)22与GdC60(OH)22能清除DPPH(2，2一二苯基-1一苦肼基)自由基、超氧阴离子、单线态氧与羟基自由基等多种自由基，可保护过氧化氢诱导的细胞损伤，稳定线粒体膜，并降低了细胞内活性氧产物。 许多神经退行性病变，例如帕金森病、阿尔茨海默病与肌营养不良性侧索硬化症(amyotrophielateral sclerosis，亦名Lou Gehrigs Disease)的病因可能是由于谷氨酸受体的过度激活，从而导致过量的活性氧自由基与NO自由基产生。众所周知，氧化应激是活性氧自由基引起的一系列瀑布反应，包括脂质过氧化、蛋白质形变、DNA损伤以及其他生物大分子的破坏，从而导致细胞凋亡。富勒烯被认为是“清除自由基的海绵”，实验证明其可以有效地减少神经元死亡。 富勒烯这种神经保护的活性主要与其清除自由基的能力有关。富勒醇是一种出色的抗氧化剂，清除自由基效率高，水溶性好。实验证明富勒醇可以降低原代培养皮层神经元的凋亡，每一个富勒醇分子能吸收许多氧自由基从而降低自由基对神经组织的损伤。实验还证明富勒醇可以阻断谷氨酸受体，降低细胞内钙离子浓度。（8） 丙氨酸修饰的水溶性富勒烯衍生物能够抑制过氧化氢诱导的细胞凋亡。丙氨酸富勒烯衍生物减少了细胞内外活性氧的聚集，从而抑制了凋亡的触发。丙氨酸富勒烯衍生物也是一种自由基清除剂，能够有效的清除羟基自由基与超氧阴离子。其他的氨基酸富勒烯衍生物如连接五个胱氨酸残基的富勒烯也能够通过清除超氧自由基与羟基自由基而抑制凋亡。2.3 富勒烯与蛋白质作用 富勒烯衍生物可以与细胞色素C相互作用。这种相互作用的重要性是非常明显的，这些药物在到达靶向组织前，可以与血清蛋白相互作用，穿过细胞屏障，可以与新陈代谢途径的酶接触，比如细胞色素P450。因此，在开发富勒烯衍生物作为潜在的药物时这些研究都是非常重要的。富勒烯衍生物与马骨骼肌脱辅基红蛋白形成的复合物很稳定，该复合物结构性质的充分表征使我们能够更好地理解与脱辅基红蛋白的结合特性。含有磷酸基的水溶性富勒烯衍生物c60Om(OH)nC(PO3Et2)2与人血清白蛋白(HSA)的作用。在加入这种富勒烯衍生物后，HSA的荧光信号被淬灭，有可能预测其与磷酸盐衍生物的结合位点可能在IIA的子域。这种富勒烯衍生物与蛋白的相互作用使得形成比蛋白自身更加紧密的结构。另外，通过对HIV蛋白酶、富勒烯特定抗体、人血清白蛋白与牛血清白蛋白四种蛋白的对接研究发现，由于与富勒烯的结合，蛋白骨架构象发生了改变。（9）2.4 富勒烯的抗菌活性 富勒烯表现出抗菌活性，这可以归因于富勒烯与生物大分子不同的相互作用。事实上，这种抗菌活性可能与诱导细胞膜损伤有关。富勒烯的球面似乎没有真正适应平坦的细胞表面，可以肯定的是富勒烯疏水表面很容易与细胞膜脂相互作用并能够插入膜内。 富勒烯可以插入生物膜的发现使许多研究小组开始探索其潜在的抗菌活性研究已经发现，富勒醇可以抑制白色念珠菌、枯草杆菌、大肠杆菌与鸟型分枝杆菌等的生长。三羧酸富勒烯衍生物对20多种不同细菌的生物效应，包括葡萄球菌、链球菌、肠球菌(革兰氏阳性)、肺炎克雷白杆菌、大肠杆菌、绿脓杆菌与伤寒沙门氏菌(革兰氏阴性)等。研究表明所有的革兰氏阳性菌都可以得到有效抑制。其最低抑菌浓度(MIC)50ug/mL而对革兰氏阴性菌即使浓度增加到500ugmL。都没有抑制效果根据对革兰氏阳性菌与阴性菌的对比研究发现，富勒烯抑制细菌可能与其插入细菌壁有关，透射电镜与抗体结合实验也证实了这一点。羧酸富勒烯可以明显降低脓性链球菌A一20感染的死亡率，抑菌效果呈剂量依赖性，抑制效率可达33，其作用机制可能与中性粒细胞抗菌活性增强有关。该研究组还发现，羧酸富勒烯能够抑制大肠杆菌所致的脑膜炎，使TNFOt与几一1B的表达量、中性粒细胞炎性浸润以及血脑屏障的通透性下降。这种保护作用可能不是因为富勒烯对细菌的直接抑制，而是与富勒烯抑制中性粒细胞介导的晚期血脑屏障开放有关。（10）2.5 富勒烯可以抑制HIV蛋白酶与抗病毒活性 富勒烯及其衍生物可以抑制HIV活性。HIVP的活性位点是一个半开环的疏水椭圆体孔穴，其表面25位与125位有两个天冬氨酸残基，起催化作用。孔穴直径约lnm，与富勒烯的直径相似。Friderman等(1993)通过分子模拟实验发现，如果在HIVP活性中心引入富勒烯衍生物，其表面与酶之间理论上可形成范德华力，使二者结合为复合体，抑制HIVP活性。该研究小组根据分子模拟实验数据，合成了一种富勒烯二苯基衍生物，研究表明将复合物引入酶活性中心后，碳笼与酶活性中心表面可形成较强的范德华力，从而明显抑制HIVP活性。 虽然抑制HIV感染主要是通过富勒烯衍生物与病毒酶的相互作用，但这不是唯一的作用机制。事实上，有人提出了流感病毒的光灭活机制。在鸡胚尿囊液繁殖的流感病毒加入C60晶体悬浮液，可见光照射后，病毒颗粒外膜被毁坏，病毒的感染力下降。再次证明富勒烯对有包膜病毒的光灭活应用有一定潜力。（11）2.6 富勒烯的药物输送作用 对富勒烯的研究表明它可作为一种潜在的药物输送系统。考虑到富勒烯疏水部分能够帮助其他物质膜穿透，C60作为药物载体的假说得以开展起来。Venkatesan等人(2005)使用富勒烯作为吸附剂来研究大鼠腹腔注射促红细胞生成素EPO的生物利用度。由于生物利用率的问题(屏障渗透的困难与酶促降解这些原因)，促红细胞生成素通常使用静脉或皮下注射。在这项研究中，得到了药代动力学结果，并发现富勒烯作为吸附剂提高了促红细胞生成素的吸收。富勒烯的加入致使EPO达到的最高浓度是单独使用促红细胞生成素的两倍，使生物利用度达到57，几乎比EPO注射高3倍。 离子键可用来连接寡核苷酸与阳离子富勒烯衍生物。值得指出的是，Baa(一种富勒烯氨基酸衍生物)可以作为一种新型的细胞穿透剂，因为它可以载带阳离子与阴离子肽(它们自身是不能穿过细胞膜的)进入细胞，更进一步提高了富勒烯衍生物的应用潜力。3富勒烯及其衍生物的制备与生物医学医用的展望 由于生产富勒烯的原料不同，以前变化的结构与嵌入的元素不同，富勒烯的种类很多，分别拥有不同的性质，纳米洋葱状富勒烯、金属富勒烯是富勒烯的典型代表。富勒烯衍生物更是种类繁多，本文简介了富勒烯的银胺络合物与富勒烯赖氨酸衍生物C60-1ys的制备，他们已经有了相对成熟的研究，也已经在化学、生物、医学等领域去得了很大的进展。 随着富勒烯进行水溶化与合成金属内嵌富勒烯研究工作的迅速发展，近些年来，关于富勒烯以及其水溶化衍生物在生物医学领域应用的研究论文大量涌现。它们具有抗氧化活性与细胞保护作用、抗菌活性、抑制HIV酶与抗病毒作用、药物载带、肿瘤治疗与疾病诊断等多种生物功能。虽然目前对于富勒烯的了解还不够深入，在生物医学应用方面还有大量的工作可以开展。很多研究已经表明，富勒烯的生物活性与性质与其结构组成与制备过程等有关，因此应当对富勒烯的制备过程、物理化学性质进行必要的阐述与表征，并对不同结构修饰的富勒烯所产生的不同生物效应的相关机制进行分析研究。相信富勒烯及其衍生物将在重大疾病的诊断、治疗、预防等方面发挥重要作用。（12）引用文献（1） 周国强,陈春英,李玉锋等.纳米材料生物效应研究进展J.生物化学与生物物理进展,2008,35(9):998-1006（2）焦芳,周国强,陈春英等.富勒烯化学修饰与生物医学应用研究进展J.生态毒理学报,2010,05(4):469-480. （3）杜爱兵.煤基纳米洋葱状富勒烯的制备研究D.太原理工大学,2005.（4）谭碧生,龙新平,彭汝芳等.内嵌放射性金属同位素富勒烯的制备及生物学研究J.材料导报,2011,25(9):86-90（5）姚姗姗,杨卫海,林修光等.富勒烯衍生物的制备及其光催化杀菌研究J.青