Name: 布洛芬封装的输运性质环糊精Nanosponge凝胶:质子HR-MAS NMR光谱研究 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-08-15T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 10 s
Description: 探索环糊精纳米海绵的合成及其载药水凝胶转化方法，利用高分辨魔角旋转核磁共振技术研究布洛芬在凝胶中的扩散特性。该方法为药物递送系统设计提供重要实验依据。

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作者们衷心感谢 PRIN 2010-2011 NANOMED 项目（编号 2010 FPTBSH）和 PRIN 2010-2011 PROxy 项目（编号 2010PFLRJR_005）提供的资金支持。

1. CDNSEDTA 聚合物的合成
<ol>
	<li>使用前将β-环糊精（β-CD）于80 °C烘箱中干燥4小时。使用前将500 ml二甲基亚砜（DMSO）和100 ml三乙胺（Et3N）在分子筛（4 Å）上干燥24小时。</li>
	<li>将25 ml DMSO加入50 ml单颈圆底烧瓶中。在磁力搅拌下，分小份加入5.675 g β-CD（5 mmol），以减少结块的形成。</li>
	<li>约30分钟后，用10 ml刻度移液管向均相溶液中加入6 ml Et3N。在室温下继续搅拌15分钟。将烧瓶浸入室温水浴中。 
	注意：β-CD与EDTA的反应为放热反应。因此，将烧瓶置于水浴中有利于热量交换，避免反应混合物过热。</li>
	<li>在剧烈搅拌下，加入5.124 g（20 mmol，制备CDNSEDTA 1:4）或10.248 g（40 mmol，制备CDNSEDTA 1:8）的EDTA二酸酐。</li>
	<li>反应3小时后，用刮勺将固体物质（CDNSEDTA 1:4或CDNSEDTA 1:8）从烧瓶中取出，并用研钵和研杵粗略研碎。</li>
	<li>在室温下，用丙酮（100 ml × 5次）、0.1 M盐酸（200 ml × 5次）和去离子水（200 ml × 3次）将固体物质洗涤至滤纸上。</li>
	<li>最后，将所有固体物质在室温下空气中干燥48小时，用研钵和研杵精细研磨，然后在45 °C下真空干燥（&lt; 15 mbar）2小时。</li>
</ol>
<img alt="β-CD 交联过程；β-CD 结构，EDTA 反应，聚合物网络示意图。" src="/files/ftp_upload/53769/53769fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 1"> 
图 1：CDNSEDTA 聚合物的示意图。 合成路线示意图。左侧：单体 β-环糊精（β-CD）和交联剂 EDTA-二酸酐的分子结构。箭头上方为整体反应条件。右侧：交联聚合物的示意图。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53769/53769fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
2. 高分辨魔角旋转核磁共振测量
<ol>
	<li>HR-MAS NMR 样品制备
	<ol>
		<li>在氘代水（99.8%）中配制浓度为 0.27 M 的布洛芬钠盐（IP）溶液。</li>
		<li>向 150 µl 上述步骤 2.1.1 中制备的溶液中加入 20 mg CDNSEDTA 1:4 和 2 mg 无水碳酸钠（Na2CO3），置于 2 ml 玻璃小瓶中。用小刮勺搅拌瓶内物质以使其均匀混合。此方法形成的凝胶需静置 2 小时后方可使用。对 CDNSEDTA 1:8 聚合物重复该步骤。</li>
		<li>用小刮勺将凝胶转移至适用于 HR-MAS NMR 实验的 5 mm NMR 转子中。所用凝胶总量应根据转子的内部体积确定（推荐用量为 12 μl）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>HR-MAS 1H NMR 实验
	<ol>
		<li>设定以下仪器参数：在 MAS 气动控制单元上设置转子旋转速度为 4 KHz，在变温单元中设置样品温度为 305 K。</li>
		<li>采用常规单脉冲序列，在质子共振频率下采集布洛芬在 CDNSEDTA（1:4）和 CDNSEDTA（1:8）聚合物体系中的 1H HR-MAS NMR 谱图。
		<ol>
			<li>创建新的数据集。点击“AcquPars”选项卡，选择脉冲程序（PULPROG）：zg。</li>
			<li>设置扫描次数（NS = 4）及扫描间延迟时间（D1 = 5 sec）。设定谱宽（SW = 8 ppm）、时域数据点数（TD = 16K）和接收增益（RG = 32）。</li>
			<li>在控制台输入“zg”，屏幕上将显示自由感应衰减（FID）信号。处理数据时，点击“ProcPars”选项卡，设置谱图数据点数（SI = 32K）、指数乘数窗函数（WDW = EM）和线宽展宽（LB = 1）。输入“ft”执行傅里叶变换，并通过屏幕上的相位调节选项对谱图进行相位校正，获得高分辨率且峰形分离良好的谱图。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="核磁共振波谱图，采用双极梯度脉冲进行扩散分析的脉冲序列。" src="/files/ftp_upload/53769/53769fig2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 2"> 
图 2：双极脉冲对纵向涡流延迟（BPPLED）脉冲序列。 用于执行PFGSE实验的脉冲序列示意图。90°脉冲的相位循环为：P1: (0)16，P2: (0022)4，P3: (0)4 (2)4 (1)4 (3)4，P4: (0202 2020 1313 3131)，P5: (0)4 (2)4 (1)4 (3)4。180°脉冲为 +x 方向。（修改自参考文献18） <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53769/53769fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<ol start="3">
	<li>HR-MAS 1H NMR PGSE 实验 
	注意：PGSE 实验采用 BPPLED 脉冲序列18，如图 2所示。这是一种伪二维实验，其间接维的梯度斜坡从 2% 到 100% 线性递增。信号强度的衰减取决于扩散时间 Δ 和梯度脉冲 δ。在正确运行 PGSE 实验之前，必须对这些参数进行优化。优化过程通过执行若干次一维测量完成，其中 Δ 保持恒定，而 δ 进行变化。
	<ol>
		<li>参数优化
		<ol>
			<li>创建一个新的数据集——实验编号 1。点击“AcquPars”选项卡。选择脉冲程序 PULPROG：ledbpgp2s1d，即用于扩散优化的一维脉冲序列。</li>
			<li>选择扫描次数（NS = 16）以及扫描间的时间延迟（D1 = 10 秒）。设置谱宽（SW = 8 ppm）、时域（TD = 16K）和接收增益（RG = 32）。</li>
			<li>将 Δ（序列中的 D20）设为一个恒定值，将 δ（p30）设为一个试验值。起始值设为 Δ = 50 毫秒，δ = 3 毫秒（高分辨率仪器允许的最大值）。</li>
			<li>从1H 实验中读取谱频率值（SFO1），并使用该值。将 GPZ6 梯度强度设为 2%。重复步骤 2.2.2.3。将此谱用作优化的参考谱。</li>
			<li>在同一数据集中创建实验编号 2。观察所有实验参数。将 GPZ6 梯度强度增加至 95%。重复步骤 2.2.2.3。使用双显示图标将此谱与参考谱进行比较，并观察信号强度的变化。 
			注意：良好衰减的谱其残余信号强度应约为参考谱的 5%。如果信号强度完全消失，需减小 δ 的值，并从步骤 2.3.1.3 开始重复 2.3.1 节的流程，直至找到合适的 δ 值。</li>
			<li>对全部五个 Δ 值重复 2.3.1 节中的参数优化过程。 
			注意：选择五个 Δ 值：50、80、110、140 和 170 毫秒，并将对应的 δ 优化为 3、2.7、2.4、2.1、1.8 毫秒（用于 CDNSEDTA 1:8 中的 IP）和 δ 优化为 2.7、2.4、2、1.7、1.4 毫秒（用于 CDNSEDTA 1:4 中的 IP）。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>二维扩散数据集的采集
		<ol>
			<li>在同一数据集中创建实验编号 3，所有一维实验参数将被加载。输入“eda”。选择脉冲程序 PULPROG：ledbpgp2s，即二维脉冲序列，并将 parmode 更改为 2D。</li>
			<li>设置 FnMODE=QF。将 F2 维的时域 TD 设为 32，即梯度步数。所有其他参数已正确设置。输入“DOSY”，梯度斜坡将生成并存储在一个文件中。斜坡的起始和终止值（2 - 95）作为输入参数给出。现在开始采集。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>数据处理
	<ol>
		<li>输入“xf2”以执行 F2 维的傅里叶变换。输入“abs2”以对 F2 维进行基线校正。输入“setdiffparm”以调用实验参数（Δ、δ 和梯度列表），用于下一步处理。</li>
		<li>在分析选项卡中点击“T1/T2 弛豫模块”，并使用二维实验的第一张谱图定义拟合峰。定义峰范围并执行拟合，从而获得每个施加梯度步长下的信号强度。 
		注意：对于每个 Δ 值，信号强度 I(q, td) 取决于实验变量：施加的脉冲场梯度（g）、时间变量（δ）和磁旋比（γ），其中 q = (γgδ)，关系如下式所示： 
		<img alt="静态光散射方程，与粒径分析和扩散研究相关的公式。" src="/files/ftp_upload/53769/53769equation1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation1"> 
		其中分子的均方位移 MSD=z2。</li>
		<li>将信号强度导出至电子表格，并对数据进行线性拟合，以获得每个观测扩散时间 td 对应的 z2 值。 
		注意：MSD 值与观测时间 td 的关系为：<img alt="扩散方程：⟨z²(td)⟩=2Dtd^α，符号，描述粒子扩散动力学。" src="/files/ftp_upload/53769/53769equation2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation2"></li>
		<li>对每个实验 td 值，绘制 z2 与 td 的双对数图。指数 α 的值即为线性回归的斜率。关于上述方程物理意义的更详尽讨论，可参见文献 21 及其中引用的参考文献。 
		注意：根据指数 α 的取值，扩散模式定义如下：i) 当 α = 1 时为各向同性无限制扩散，ii) 当 0 &lt; α &lt; 1 时为异常亚扩散模式，iii) 当 α &gt; 1 时为异常超扩散模式。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Sharpe, L. A., Daily, A. M., Horava, S. D., Peppas, N. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Therapeutic+applications+of+hydrogels+in+oral+drug+delivery%5BTitle%5D)+AND+%22Expert+Opin.+Drug+Deliv%22%5BJournal%5D)">Therapeutic applications of hydrogels in oral drug delivery.</a> Expert Opin. Drug Deliv. 11, 901-915 (2014).</li>
<li>Hennik, W. E., van Nostrum, C. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+crosslinking+methods+to+design+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Drug+Deliv.+Rev%22%5BJournal%5D)">Novel crosslinking methods to design hydrogels.</a> Adv. Drug Deliv. Rev. 54, 13-36 (2002).</li>
<li>Yu, L., Ding, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Injectable+hydrogels+as+unique+biomedical+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Soc.+Rev%22%5BJournal%5D)">Injectable hydrogels as unique biomedical materials.</a> Chem. Soc. Rev. 37, 1473-1481 (2008).</li>
<li>Ma, M., Kuang, Y., Gao, Y., Zhang, Y., Gao, P., Xu, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aromatic-Aromatic+Interactions+Induce+the+Self-Assembly+of+Pentapeptidic+Derivatives+in+Water+To+Form+Nanofibers+and+Supramolecular+Hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Aromatic-Aromatic Interactions Induce the Self-Assembly of Pentapeptidic Derivatives in Water To Form Nanofibers and Supramolecular Hydrogels.</a> J. Am. Chem. Soc. 132, 2719-2728 (2010).</li>
<li>Trotta, F., Tumiatti, W. Patent WO. , 03/085002 (2003).</li>
<li>Trotta, F., Tumiatti, W., Cavalli, R., Zerbinati, O., Roggero, C. M., Vallero, R. Ultrasound-assisted synthesis of cyclodextrinbased nanosponges. Patent WO. , 06/002814 (2006).</li>
<li>Trotta, F., Cavalli, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+and+applications+of+new+hyper-cross-linked+cyclodextrins%5BTitle%5D)+AND+%22Compos.+Interface%22%5BJournal%5D)">Characterization and applications of new hyper-cross-linked cyclodextrins.</a> Compos. Interface. 16, 39-48 (2009).</li>
<li>Cavalli, R., Trotta, F., Tumiatti, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cyclodextrin-based+nanosponges+for+drug+delivery%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Incl.+Phenom.+Macrocycl.+Chem%22%5BJournal%5D)">Cyclodextrin-based nanosponges for drug delivery.</a> J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 56, 209-213 (2006).</li>
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<li>Vyas, A., Shailendra, S., Swarnlata, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cyclodextrin+based+novel+drug+delivery+systems%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Incl.+Phenom.+Macrocycl.+Chem%22%5BJournal%5D)">Cyclodextrin based novel drug delivery systems.</a> J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 62, 23-42 (2008).</li>
<li>Swaminathan, S., Vavia, P. R., Trotta, F., Torne, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formulation+of+beta-cyclodextrin+based+nanosponges+of+itraconazole%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Incl.+Phenom.+Macrocycl.+Chem%22%5BJournal%5D)">Formulation of beta-cyclodextrin based nanosponges of itraconazole.</a> J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 57, 89-94 (2007).</li>
<li>Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J., Gericke, G., Sithole, S. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cyclodextrin+nanosponges+in+the+removal+of+organic+matter+to+produce+water+for+power+generation%5BTitle%5D)+AND+%22Water+SA%22%5BJournal%5D)">Cyclodextrin nanosponges in the removal of organic matter to produce water for power generation.</a> Water SA. 34, 657-660 (2008).</li>
<li>Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J., Nxumalo, E. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monofunctionalized+cyclodextrin+polymers+for+the+removal+of+organic+pollutants+from+water%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.Chem.+Lett%22%5BJournal%5D)">Monofunctionalized cyclodextrin polymers for the removal of organic pollutants from water.</a> Environ.Chem. Lett. 5, 79-84 (2007).</li>
<li>Mhlanga, S. D., Mamba, B. B., Krause, R. W., Malefetse, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Removal+of+organic+contaminants+from+water+using+nanosponge+cyclodextrin+polyurethanes%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Chem.+Technol.+Biot%22%5BJournal%5D)">Removal of organic contaminants from water using nanosponge cyclodextrin polyurethanes.</a> J. Chem. Technol. Biot. 82, 382-388 (2007).</li>
<li>Lehmann, S., Seiffert, S., Richtering, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatially+Resolved+Tracer+Diffusion+in+Complex+Responsive+Hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Spatially Resolved Tracer Diffusion in Complex Responsive Hydrogels.</a> J. Am. Chem. Soc. 134, 15963-15969 (2012).</li>
<li>Ferrer, G. G., Pradas, M. M., Ribelles, J. L. G., Colomer, F. R., Castilla-Cortazar, I., Vidaurre, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+the+nature+of+the+porous+confining+network+on+the+sorption%2C+diffusion+and+mechanical+properties+of+hydrogel+IPNs%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+Polym.+J%22%5BJournal%5D)">Influence of the nature of the porous confining network on the sorption, diffusion and mechanical properties of hydrogel IPNs.</a> Eur. Polym. J. 46, 774-782 (2010).</li>
<li>Santoro, M., Marchetti, P., Rossi, F., Perale, G., Castiglione, F., Mele, A., Masi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Smart+approach+to+evaluate+drug+diffusivity+in+injectable+agar-carbomer+hydrogels+for+drug+delivery%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem+B%22%5BJournal%5D)">Smart approach to evaluate drug diffusivity in injectable agar-carbomer hydrogels for drug delivery.</a> J. Phys. Chem B. 115, 2503-2510 (2011).</li>
<li>Johnson, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+ordered+nuclear+magnetic+resonance+spectroscopy%3A+principles+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Prog.+Nucl.+Magn.+Reson.+Spectroscopy%22%5BJournal%5D)">Diffusion ordered nuclear magnetic resonance spectroscopy: principles and applications.</a> Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectroscopy. 34, 203-256 (1999).</li>
<li>Viel, S., Ziarelli, F., Caldarelli, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+diffusion-edited+NMR+spectroscopy+of+mixtures+using+chromatographic+stationary+phases%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.+S.+A%22%5BJournal%5D)">Enhanced diffusion-edited NMR spectroscopy of mixtures using chromatographic stationary phases.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100, 9696-9698 (2003).</li>
<li>Alam, T. M., Hibbs, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+heterogeneous+solvent+diffusion+environments+in+anion+exchange+membranes%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Characterization of heterogeneous solvent diffusion environments in anion exchange membranes.</a> Macromolecules. 47, 1073-1084 (2014).</li>
<li>Ferro, M., Castiglione, F., Punta, C., Melone, L., Panzeri, W., Rossi, B., Trotta, F., Mele, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anomalous+diffusion+of+Ibuprofen+in+cyclodextrin+nanosponges+hydrogels%3A+an+HR-MAS+NMR+study%5BTitle%5D)+AND+%22Beilstein+J.+Org.+Chem%22%5BJournal%5D)">Anomalous diffusion of Ibuprofen in cyclodextrin nanosponges hydrogels: an HR-MAS NMR study.</a> Beilstein J. Org. Chem. 10, 2715-2723 (2014).</li>
<li>Wolf, G., Kleinpeter, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pulsed+Field+Gradient+NMR+Study+of+Anomalous+Diffusion+in+a+Lecithin-Based+Microemulsion%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Pulsed Field Gradient NMR Study of Anomalous Diffusion in a Lecithin-Based Microemulsion.</a> Langmuir. 21, 6742-6752 (2005).</li>
<li>Rossi, F., Castiglione, F., Ferro, M., Marchini, P., Mauri, E., Moioli, M., Mele, A., Masi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drug-Polymer+interactions+in+hydrogel-based+drug-delivery+systems%3A+an+experimental+and+theoretical+study%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Phys.+Chem%22%5BJournal%5D)">Drug-Polymer interactions in hydrogel-based drug-delivery systems: an experimental and theoretical study.</a> Chem. Phys. Chem. , (2015).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

我们提出一种实验方法，用于确定小分子药物在两种典型CDNSEDTA水凝胶配方中的扩散模式。高分辨率魔角旋转脉冲梯度自旋回波核磁共振（HR-MAS PGSE NMR）技术可用于测定小分子在特定扩散时间（几毫秒至秒级）内的均方位移，从而监测微米尺度的距离变化。在所观察的时间范围（50–170毫秒）内，每个研究体系仅表现出一种类型的运动。然而需要强调的是，在更长的观测时间内，可观察到不同扩散模式之间的转变22。因此，本文报告的结果受限于实验所用设备的硬件条件及我们现有仪器所决定的时间尺度。
针对本工作的每个步骤——聚合物合成、水凝胶负载、HR-MAS NMR 数据采集与处理，我们在此列出三个主要问题及相应的解决方案。
纯化 
根据步骤1.6所述方法对材料进行纯化，可有效去除反应产物中可能残留的DMSO、Et3N以及未反应的EDTA。特别是，使用0.1 M HCl水溶液洗涤可完全去除Et3N。仅用丙酮洗涤材料则无法有效实现此目...

人们对设计和构建能够通过非共价相互作用包埋具有潜在生物化学活性小分子的高分子体系日益关注。这类材料有望应用于将活性成分运输至特定靶点，并在外源性刺激（如pH变化、温度）作用下实现可控释放。 等等。 在此背景下，水凝胶因其能够实现药物的可控释放，已成为纳米医学中多功能且高效的材料1聚合性水凝胶的形成可通过以下方式实现：i）通过氢键等物理性非共价相互作用连接大分子链；ii）通过共价交联使大分子链形成三维网络结构，该结构可在水溶液中发生溶胀；或iii）上述两种方法的结合。2-4.
一种特别多功能的三维可溶胀聚合物，可用于包封有机和无机物质，可通过天然β-环糊精（β-CD）与适当的四羧酸活化衍生物缩合反应制备5-8，从而得到环糊精纳米海绵（CDNS）。CDNS 的合成、表征及其应用是我们课题组长期研究的主题。近年来的研究结果表明，CDNS 具有显著的溶胀性能、对化学物质的吸附/包合作用以及小分子药物的释放能力，在药物活性成分的可控释放9-11 和环境化学12-14 领域具有广泛应用前景。
基于上述前提，需要解决的两个主要问题涉及活性化合物在聚合物凝胶中的高效载药，以及对溶质在凝胶基质中迁移行为的更深入理解15。文献中既包含关于小分子在大分子网络中扩散机制的实验研究，也提出了相关理论16,17。脉冲场梯度自旋回波（PGSE）核磁共振（NMR）波谱法是一种成熟的结构分析方法，广泛用于研究小分子在溶剂中的平移扩散或纯液体的自扩散18。近年来，高分辨率魔角旋转（HR-MAS）NMR 技术的发展使得在异相悬浮液19、凝胶以及可溶胀聚合物20,21中获取高分辨率的NMR数据成为可能。事实上，将HR-MAS NMR波谱法与PGSE脉冲序列相结合的实验方案，为观察客体分子在主体分子环境中的行为提供了独特的机会。因此，可以获得有关药物分子在凝胶基质中受限状态下传输特性的关键数据。由此获得的高质量实验数据有助于更合理地设计纳米结构的主-客体体系。
在本研究中，我们详细描述了以下步骤的实验方案：i）两种不同配比的环糊精纳米海绵（CDNS）与EDTA聚合物交联产物（图1）的合成与纯化，该材料简称为CDNSEDTA，其环糊精（CD）与交联剂的摩尔比分别为1:4（CDNSEDTA 1:4）和1:8（CDNSEDTA 1:8）；ii）分别制备负载药物的CDNSEDTA 1:4和CDNSEDTA 1:8水凝胶。在此步骤中，我们选用常见的非甾体抗炎药——布洛芬钠盐（IP）作为模型药物分子；iii）利用脉冲梯度自旋回波高分辨魔角旋转核磁共振（PGSE-HRMAS NMR）光谱法，系统研究IP在CDNSEDTA水凝胶中的传输特性。本文提出的方法基于测量药物分子在水凝胶中的均方位移（MSD），并进一步分析MSD随时间的变化关系。
需要强调的是，上述方法侧重于药物在基质中均方位移（MDS）的时间依赖性，与仅基于测定药物扩散系数的传统方法相比，可提供更广泛的信息。我们最近的研究21表明，该方法能够区分限域于CDNS水凝胶中的IP所经历的正常扩散与反常扩散行为。
因此，我们认为，聚合物合成/纯化的逐步描述、载药水凝胶的制备、HR-MAS NMR表征以及MDS数据的数据处理，为致力于表征用于小分子限域与释放的纳米结构体系的科学家提供了一套强大的工具。

<table><tbody><tr><td>高分辨率魔角旋转探头</td><td>BRUKER</td><td>N/A</td><td>用于半固体样品核磁共振测量的探头</td></tr><tr><td>核磁共振波谱仪</td><td>BRUKER</td><td>DRX 500</td><td>适用于液体和半固体状态的傅里叶变换核磁共振波谱仪</td></tr><tr><td>&amp;beta;-环糊精（&amp;beta;-CD）</td><td>Alfa-Aesar</td><td>J63161</td><td>试剂</td></tr><tr><td>乙二胺四乙酸二酸酐（EDTA 二酸酐）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>332046</td><td>试剂</td></tr><tr><td>二甲基亚砜（DMSO）</td><td>Alfa-Aesar</td><td>D0798</td><td>溶剂</td></tr><tr><td>三乙胺</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>471283</td><td>碱（试剂）</td></tr><tr><td>布洛芬（IP）钠盐</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>I1892</td><td>抗炎药物</td></tr><tr><td>Excel 2010</td><td>Microsoft</td><td>N/A</td><td>用于数据分析的电子表格软件</td></tr><tr><td>Origin 8 SR0</td><td>OriginLab Co.</td><td></td><td>用于数据分析的电子表格软件</td></tr></tbody></table>

布洛芬包封于环糊精纳米海绵水凝胶中的传输特性：质子高分辨魔角旋转核磁共振波谱研究

Transport Properties of Ibuprofen Encapsulated in Cyclodextrin Nanosponge Hydrogels: A Proton HR-MAS NMR Spectroscopy Study

β-环糊精（β-CD）与乙二胺四乙酸二酐（EDTA）的化学交联生成了被称为环糊精纳米海绵（CDNSEDTA）的支化聚合物。文中描述了两种不同制备方法，其CD-EDTA摩尔比分别为1:4和1:8。相应的交联聚合物与0.27 M的布洛芬钠盐（IP）水溶液接触后，形成了均匀、无色、载药的水凝胶。
采用高分辨率魔角旋转（HR-MAS）核磁共振（NMR）波谱法对体系进行表征。利用脉冲梯度自旋回波（PGSE）NMR波谱法测定不同观测时间 td 下IP在聚合物凝胶内的均方位移（MSD）。进一步处理数据以研究MSD的时间依赖性：MSD = f(td)。所提出的方法可用于表征溶质在水凝胶内部可能经历的不同扩散模式，即正常扩散或反常扩散。本文报道并讨论了完整的实验方案，包括聚合物的制备与纯化、载药水凝胶的制备、NMR样品的准备、通过HR-MAS NMR波谱法测量MSD，以及最终获得MSD时间依赖性的数据处理过程。所展示的实验具有典型意义，相关数据从一种新颖方法的角度进行讨论，该方法可用于表征药物递送潜在应用中聚合物基质内包封客体分子传输特性的表征。

我们首先将该方法应用于溶于水溶液中的IP药物分子，以验证此方法的可行性。代表性结果的完整描述可参见文献21。本文重点将放在方法学层面以及数据采集与数据分析的具体操作过程。 图3 在半对数坐标系上显示归一化的实验信号衰减 I(q, t)d)/I(0, td) 作为……的函数 q2 （根据第2.4节）。在 表1 报告了每个扩散时间 Δ 对应的观测到的均方位移（MSD）值。以对数-对数坐标绘制的 z2与 t 对比d (图3) 得到一条具有 R 的直线2= 0.999（依据第2.4节）。对于溶解在D中的IP，得到的标度指数α = 12O溶液中，在0.27 M浓度下表现出溶液中的高斯运动。只有在此情况下，自扩散系数方可相应地计算为D = 4.1×10-10 m2<...

采用脉冲场梯度自旋回波（PGSE）核磁共振技术，研究布洛芬在β-环糊精纳米海绵聚合物网络中的运动行为。本文详细描述了材料的合成、纯化、药物负载、核磁共振脉冲序列的实施以及数据分析过程，以计算药物在多个观测时间点的均方位移。

β-环糊精（β-CD）与乙二胺四乙酸二酐（EDTA）的化学交联生成了支化聚合物，被称为……

本研究的总体目标是展示环糊精纳米海绵的合成方法，将其转化为载药水凝胶，并通过高分辨率魔角旋转核磁共振波谱技术研究药物在水凝胶内的扩散性。环糊精纳米海绵是通过环糊精（CDs）与EDTA二酐之间的逐步增长聚合反应制备而成。除非另有说明，我们的环糊精单元网络具有亲水性，能够吸收和释放有机及无机物质。高分辨率魔角旋转核磁共振的主要优势在于能够监测被包裹药物在聚合物基质中的传递特性，这在药物递送领域具有潜在应用价值。该合成方法非常简单，且在室温下即可完成。逐步增长聚合反应约在10分钟内发生。我们选择布洛芬作为药物的示例，该药物被包埋在聚合物氢键网络中，代表了一种真正的六倍递送系统。将β-环糊精在100摄氏度的烘箱中干燥至恒重。同时，在使用前，将250毫升二甲基亚砜（DMSO）和100毫升三乙胺通过4埃分子筛干燥24小时。将25毫升DMSO加入50毫升单颈圆底烧瓶中。在磁力搅拌下，分批加入5.675克β-环糊精粉末，以减少结块的形成。约30分钟后，使用10毫升刻度移液管向均相溶液中加入6毫升三乙胺。将烧瓶浸入维持在室温的水浴中，并持续搅拌混合物15分钟。制备环糊精纳米海绵一四时，需在剧烈搅拌下加入5.124克EDTA二酐。制备环糊精纳米海绵一八时，在剧烈搅拌下加入10.248克EDTA二酸酐。反应三小时后，用刮勺从烧瓶中取出固体物质（即环糊精纳米海绵），并用研钵和研杵粗略研磨。将固体物质在丙酮浴中洗涤，随后在滤纸上进行洗涤并过滤。将所有固体材料在室温下空气中干燥48小时后，使用研钵和研杵将干燥后的材料充分研磨成细粉。然后在45摄氏度下真空干燥两小时。进行高分辨率魔角旋转核磁共振（NMR）样品制备时，首先配制0.27摩尔的布洛芬钠盐氘代水溶液。向2 mL玻璃小瓶中的150 µL溶液内加入20毫克环糊精纳米海绵一四和2毫克无水碳酸钠。用小刮勺混合瓶内内容物，使其均匀。对环糊精纳米海绵一八聚合物重复此操作。获得均匀且充分溶胀的水凝胶是获取高质量高分辨魔角旋转核磁共振谱的第一步。将水凝胶小心地装入核磁共振转子中，避免产生气泡，以免导致转子旋转不稳。使用小刮勺将凝胶转移至适合高分辨魔角旋转实验的5毫米核磁共振转子中。然后，将转子插入核磁共振波谱仪的磁体中。转子进入磁体后，通过气动装置使其旋转，最高转速可达4,000赫兹。进行高分辨率质子核磁共振实验时，在气动控制单元上设置转子转速为4千赫兹，并在变温单元中将样品温度设定为305开尔文。采用一维谱，利用脉冲梯度自旋回波脉冲序列在质子共振条件下，测定布洛芬在环糊精纳米海绵一四和环糊精纳米海绵一八水凝胶中的扩散高分辨率质谱。扩散实验采用BP led脉冲序列进行。该实验为伪二维实验，其间接维的梯度强度呈线性增加，梯度斜坡从2%逐步增至100%。信号强度会根据扩散时间和梯度脉冲P30而衰减。在正确开展实验之前，需要对这些参数进行优化。优化过程通过执行两次一维测量来完成，其中扩散时间保持恒定，而P30则进行变化。通过将扩散时间在50至200毫秒范围内逐步增加，进行可变扩散时间测量。每次实验采集32组谱图，然后按照文本方案中所述方法处理数据。基本的脉冲梯度自旋回波实验可用于测量布洛芬在水凝胶中的分子均方位移。随着梯度强度的增加，核磁共振信号强度逐渐衰减。通过对衰减曲线进行拟合，可得到分子均方位移，即Z平方。反之，均方位移与扩散模式的类型相关。通过均方位移对扩散时间的对数-对数线性回归，可从实验上获得α指数。α指数的数值描述了布洛芬在水凝胶基质中所观察到的扩散模式。当α等于1时，表现为各向同性的无限制扩散。当α值小于1时，表明处于亚扩散状态。而当α值大于1时，则代表处于超扩散状态。根据聚合物制备方法的不同，包埋在水凝胶基质中的布洛芬表现出两种不同的扩散模式。纳米海绵一比四的水凝胶表现为亚扩散模式，而纳米海绵一比八的水凝胶则呈现出轻微的超扩散模式。一旦掌握，若操作得当，该反应可在一小时内以高产率和高纯度完成。这些材料通过形成黏稠的水凝胶表现出显著的吸水能力，生物活性分子可轻易地被包载其中。利用HMS核磁共振技术，可对包封于此类聚合物基质中的生物活性分子的分子状态及其传递特性进行实验研究。对由环糊精纳米海绵制备的水凝胶中布洛芬扩散的核磁共振（NMR）结果表明，通过合理设计聚合物的制备方法，可以调控布洛芬的扩散行为。布洛芬在环糊精纳米海绵水凝胶中表现出亚扩散和超扩散两种模式。该发现可用于环糊精纳米海绵水凝胶支架释放性能的创新设计。

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生物工程

布洛芬封装的输运性质环糊精Nanosponge凝胶：质子HR-MAS NMR光谱研究

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一种近红外荧光染料的脂质体包封型荧光淬灭技术作为工具 体内 光学成像

本实验方案的目的是描述由两亲性嵌段共聚物组成的胶束药物递送系统中，对物理包埋的难溶性药物进行制备和表征的方法。...

单药与多药负载的物理包埋型聚合物胶束的制备与表征

本论文描述了一种通过温度诱导乳化法制备磁性和热敏性微凝胶的方法，该过程无需化学反应。这些敏感性微凝胶是通过混合聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）、聚乙烯亚胺（PEI）和Fe3O4-NH2纳米颗粒制备而成，有望用于磁控和热触发的药物释放。...

磁性和热敏性聚(N-异丙基丙烯酰胺)基微凝胶用于磁控释放

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用于在聚合物纳米颗粒中包载疏水性和亲水性化合物的闪速纳米沉淀法

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一种无需交联剂制备壳聚糖-聚（乙烯醇）水凝胶的冻融方法及双氟尼酸释放研究

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用于包载生物活性亲水性球状蛋白质的纳米脂质体的制备与表征

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通过Suzuki交叉偶联和烯烃硼羰基化反应合成硼化布洛芬衍生物

本文介绍了含有纳米盘的生物活性物质的制备与表征方法。以两性霉素B纳米盘为例，逐步描述了该实验方案。...

含生物活性剂纳米盘的制备与表征

本方案详细描述了用于氧气递送的分级多孔UiO-66纳米粒子的合成、血红蛋白封装及表面聚乙二醇化。该方法结合缺陷工程与应变促进的生物正交偶联，以制备高通透性且生理稳定性良好的载体，适用于生物医学应用。...

用于氧气输送的分级多孔UiO-66纳米颗粒的合成、血红蛋白封装及生物正交PEG化

探索环糊精纳米海绵的合成及其载药水凝胶转化方法，利用高分辨魔角旋转核磁共振技术研究布洛芬在凝胶中的扩散特性。该方法为药物递送系统设计提供重要实验依据。

布洛芬包封于环糊精纳米海绵水凝胶中的传输特性：质子高分辨魔角旋转核磁共振波谱研究

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