CN105288724B - 利用姜黄素衍生物处理二氧化钛纳米管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用姜黄素衍生物处理二氧化钛纳米管的方法。该方法包括步骤如下：1)制备姜黄素衍生物；2)将环糊精0.1‑0.6重量份溶于3.5‑20重量份的水中，搅拌均匀后，加入二氧化钛纳米管0.5‑1.5重量份，浸泡20‑60min；3)加入姜黄素衍生物0.2‑1.2重量份，然后用15‑30kHz超声波30‑60min；4)取出二氧化钛纳米管，干燥。本方法通过环糊精与姜黄素衍生物对二氧化钛纳米管的作用，不但使得二氧化钛纳米管具有良好的抗菌和抗癌性能，而且使得二氧化钛纳米管的表面利于骨细胞的生长，减少二氧化钛纳米管在骨整合手术中并发症的发病率，给骨整合手术提供更安全可靠的材料。
Description
技术领域
本发明涉及骨整合手术中二氧化钛纳米管的技术领域，更具体地是一种利用姜黄素衍生物处理二氧化钛纳米管的方法。
背景技术
α-环糊精是一类由6个D-吡喃葡萄糖单元通过α-1，4糖苷键首尾相连形成的大环化合物。其分子内部为一个呈“V”字型的疏水性空穴，表现出独特的分子识别能力。二氧化钛纳米管具有可促进成骨细胞生成的作用，在作为植入体应用方面展现了巨大的潜力和优势。但是，面临的一个严重问题是相关的细菌感染问题，导致了大量移植手术的失败。近来，科研工作者致力于提高二氧化钛纳米管的抗菌能力以及其他能力。如何得到性能更为优良的二氧化钛纳米管材料成为一个具有很大科学意义和应用意义的研究方向。我们在研究中发现，一些姜黄素衍生物具有很好的抗菌能力，如果能将具有特殊生理性能的姜黄素衍生物用于修饰二氧化钛纳米管，有望得到性能更为优良的二氧化钛纳米管材料。但是姜黄素衍生物的水溶性较差，如果将姜黄素衍生物直接引入二氧化钛纳米管表面，需要使用较多的有机溶剂，对环境产生污染，而且可能有溶剂残留在二氧化钛纳米管上，对病人产生危险。环糊精具有外亲水、内疏水的特点，将姜黄素衍生物和环糊精结合，提高其水溶性，可以解决该污染问题。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的就是提供一种利用α-环糊精将水溶性差的姜黄素衍生物引入二氧化钛纳米管表面提高抗菌作用的方法，使得二氧化钛纳米管不但具有良好的抗菌和抗癌性能，而且使得二氧化钛纳米管的表面利于骨细胞的生长，减少二氧化钛纳米管在骨整合手术中并发症的发病率，给骨整合手术提供更安全可靠的材料。
为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种利用姜黄素衍生物处理二氧化钛纳米管的方法，包括以下步骤：
1)将对羟基苯甲醛2-5重量份溶于5-10重量份的乙酸乙酯中，加入4-硝基苄氯1-3重量份，控制60-80℃，搅拌2-3h，得到具有式(1)的化合物，即为对(4-硝基苄氧基)苯甲醛；
2)将对(4-硝基苄氧基)苯甲醛1-4重量份和硼酸三丁酯1-4重量份溶于2-8重量份的乙酸乙酯中，常温下搅拌3-7min后加入乙酰丙酮0.2-1重量份与氧化硼0.1-0.8重量份混合的溶液，继续常温搅拌20-30min后加入正丁胺0.2-1重量份，继续搅拌3-5h，然后停止搅拌后静置12-18h，然后加入浓度为0.4mol/L的盐酸5-10重量份，控制50-65℃搅拌0.5-1.5h；然后静置分层，分离出有机相，将水层用乙酸乙酯萃取2-4次，将乙酸乙酯层与有机相合并，减压蒸去溶剂，然后重结晶得到具有式(2)的姜黄素衍生物，即为1，7-双(对(4-硝基苄氧基)苯基)-1，6-庚二烯-3，5-二酮；
3)将环糊精0.1-0.6重量份溶于3.5-20重量份的水中，搅拌均匀，然后加入二氧化钛纳米管0.5-1.5重量份，浸泡20-60min；
4)加入姜黄素衍生物0.2-1.2重量份，然后用15-30kHz超声波30-60min；
5)取出二氧化钛纳米管干燥。
优选的是，在所述步骤4)加入姜黄素衍生物后进行5000rpm离心5-10min，再超声波处理。
优选的是，步骤5)所述的干燥为红外线干燥。
优选的是，步骤3)中，所述环糊精为α-环糊精，所述水的温度为50℃。
优选的是，所述二氧化钛纳米管的管径为5-10nm，管长为50-80nm。
优选的是，所述干燥温度为100-120℃，干燥22-24h。
本发明至少包括以下有益效果：
1.本发明的α-环糊精原料易得，分子内部为一个呈“V”字型的疏水性空穴，内腔高度为0.79nm，直径为0.47nm，适合容纳姜黄素衍生物小分子进入。
2.姜黄素衍生物的制备方法简单，得到的姜黄素衍生物表现出很好的抗菌能力和抗癌能力。
3.本发明的方法可以使α-环糊精进入并结合于二氧化钛纳米管中；通过超声使不溶于水的姜黄素衍生物均匀分散并进入二氧化钛纳米管中的α-环糊精疏水性空穴。本发明的姜黄素衍生物在这个体系中的抗菌效果持续时间为单独姜黄素衍生物体系的2.3倍，抗菌效果更持久。该处理方法不仅简单，而且所使用的溶剂为水，绿色，环保。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
实施例1
本方案利用姜黄素衍生物处理二氧化钛纳米管的方法，包括以下步骤：
1)将对羟基苯甲醛3重量份溶于7重量份的乙酸乙酯中，加入4-硝基苄氯1重量份，控制70℃，搅拌2h，得到具有式(1)的化合物，即为对(4-硝基苄氧基)苯甲醛；
2)将对(4-硝基苄氧基)苯甲醛2重量份和硼酸三丁酯2重量份溶于3重量份的乙酸乙酯中，常温下搅拌5min后加入乙酰丙酮0.5重量份与氧化硼0.5重量份混合的溶液，继续常温搅拌25min后加入正丁胺0.5重量份，继续搅拌4h，然后停止搅拌后静置12h，然后加入浓度为0.4mol/L的盐酸6重量份，控制55℃搅拌1h；然后静置分层，分离出有机相，将水层用乙酸乙酯萃取3次，将乙酸乙酯层与有机相合并，减压蒸去溶剂，然后重结晶得到具有式(2)的姜黄素衍生物，即为1，7-双(对(4-硝基苄氧基)苯基)-1，6-庚二烯-3，5-二酮；
3)将环糊精0.5重量份溶于10重量份的水中，搅拌均匀，然后加入二氧化钛纳米管1重量份，浸泡30min；
4)加入姜黄素衍生物1重量份，然后用20kHz超声波40min；
5)取出二氧化钛纳米管，干燥。
实施例2
本方案利用姜黄素衍生物处理二氧化钛纳米管的方法，包括以下步骤：
1)将对羟基苯甲醛2重量份溶于5重量份的乙酸乙酯中，加入4-硝基苄氯1重量份，控制60℃，搅拌2h，得到具有式(1)的化合物，即为对(4-硝基苄氧基)苯甲醛；
2)将对(4-硝基苄氧基)苯甲醛1重量份和硼酸三丁酯1重量份溶于2重量份的乙酸乙酯中，常温下搅拌3min后加入乙酰丙酮0.2重量份与氧化硼0.1重量份混合的溶液，继续常温搅拌20min后加入正丁胺0.2重量份，继续搅拌3h，然后停止搅拌后静置12h，然后加入浓度为0.4mol/L的盐酸5重量份，控制50℃搅拌0.5h；然后静置分层，分离出有机相，将水层用乙酸乙酯萃取2次，将乙酸乙酯层与有机相合并，减压蒸去溶剂，然后重结晶得到具有式(2)的姜黄素衍生物，即为1，7-双(对(4-硝基苄氧基)苯基)-1，6-庚二烯-3，5-二酮；
3)将为α-环糊精0.1重量份溶于3.5重量份的50℃水中，搅拌均匀，然后加入管径为5nm，管长为50nm的二氧化钛纳米管0.5重量份，浸泡20min；
4)加入姜黄素衍生物0.2重量份，然后进行5000rpm离心5min，再用15kHz超声波30min；
5)取出二氧化钛纳米管，红外线干燥二氧化钛纳米管，温度控制100℃，干燥22h。
实施例3
本方案利用姜黄素衍生物处理二氧化钛纳米管的方法，包括以下步骤：
1)将对羟基苯甲醛5重量份溶于10重量份的乙酸乙酯中，加入4-硝基苄氯3重量份，控制80℃，搅拌3h，得到具有式(1)的化合物，即为对(4-硝基苄氧基)苯甲醛；
2)将对(4-硝基苄氧基)苯甲醛4重量份和硼酸三丁酯4重量份溶于8重量份的乙酸乙酯中，常温下搅拌7min后加入乙酰丙酮1重量份与氧化硼0.8重量份混合的溶液，继续常温搅拌30min后加入正丁胺1重量份，继续搅拌5h，然后停止搅拌后静置18h，然后加入浓度为0.4mol/L的盐酸10重量份，控制65℃搅拌1.5h；然后静置分层，分离出有机相，将水层用乙酸乙酯萃取4次，将乙酸乙酯层与有机相合并，减压蒸去溶剂，然后重结晶得到具有式(2)的姜黄素衍生物，即为1，7-双(对(4-硝基苄氧基)苯基)-1，6-庚二烯-3，5-二酮；
3)将为α-环糊精0.6重量份溶于20重量份的50℃水中，搅拌均匀，然后加入管径为10nm，管长为80nm的二氧化钛纳米管1.5重量份，浸泡60min；
4)加入姜黄素衍生物1.2重量份，然后进行5000rpm离心10min，再用30kHz超声波60min；
5)取出二氧化钛纳米管，红外线干燥二氧化钛纳米管，温度控制120℃，干燥24h。
实施例4
本方案利用姜黄素衍生物处理二氧化钛纳米管的方法，包括以下步骤：
1)将对羟基苯甲醛4重量份溶于8重量份的乙酸乙酯中，加入4-硝基苄氯2重量份，控制75℃，搅拌3h，得到具有式(1)的化合物，即为对(4-硝基苄氧基)苯甲醛；
2)将对(4-硝基苄氧基)苯甲醛2重量份和硼酸三丁酯3重量份溶于5重量份的乙酸乙酯中，常温下搅拌6min后加入乙酰丙酮0.8重量份与氧化硼0.4重量份混合的溶液，继续常温搅拌25min后加入正丁胺0.6重量份，继续搅拌4h，然后停止搅拌后静置15h，然后加入浓度为0.4mol/L的盐酸8重量份，控制60℃搅拌1h；然后静置分层，分离出有机相，将水层用乙酸乙酯萃取3次，将乙酸乙酯层与有机相合并，减压蒸去溶剂，然后重结晶得到具有式(2)的姜黄素衍生物，即为1，7-双(对(4-硝基苄氧基)苯基)-1，6-庚二烯-3，5-二酮；
3)将为α-环糊精0.3重量份溶于15重量份的50℃水中，搅拌均匀，然后加入管径为6nm，管长为60nm的二氧化钛纳米管1重量份，浸泡40min；
4)加入姜黄素衍生物1重量份，然后进行5000rpm离心6min，再用25kHz超声波40min；
5)取出二氧化钛纳米管，红外线干燥二氧化钛纳米管，温度控制110℃，干燥23h。
其中，实施例1-4的姜黄素衍生物的化学名称为1，7-双(对(4-硝基苄氧基)苯基)-1，6-庚二烯-3，5-二酮；
其理化性质为：橙色晶体，易溶于有机溶剂，其核磁共振氢谱数据为1H NMR(CDCl3)δ：2.52(s，2H，CH2)，4.11～4.31(m，4H，OCH2Ph)，6.73(d，4H，J＝7.8Hz，＝CH)，7.12～7.69(m，16H，Ar-H)。
下面通过药效学实验来进一步说明本方法得到的二氧化钛纳米管的药物活性及其应用。
实验一：抗菌能力实验：
在6个灭菌试管中加入1mL浓度为106cfu/ml的菌液，然后分别加入1mg实施例1-4得到的产品、常规二氧化钛纳米管、常规姜黄素衍生物，37℃培养24h。培养到时间点后，培养基收集起来用倍比稀释，稀释倍数为10倍和涂布培养法检测活菌数。试验结果表明：由本发明制得的产品对金黄色葡萄球菌(ATCC 6538)、大肠埃希氏菌(ATCC 25922)、白假丝酵母(ATCC 10231)、枯草芽孢杆菌黑色变种(ATCC 9372)都具有很强的杀菌性，其中，加入实施例1的杀菌率达99.92％以上，加入实施例2的杀菌率达99.95％以上，加入实施例3的杀菌率达99.991％以上，加入实施例4的杀菌率达99.99％以上，而加入常规二氧化钛纳米管的杀菌率却只有15％左右，加入常规姜黄素衍生物的杀菌率为60％左右。
实验二：体外抗肿瘤活性实验
采用MTT方法，进行体外细胞毒性测定。将实施例1-4得到的产品、常规二氧化钛纳米管、常规姜黄素衍生物与骨癌U2-OS细胞株和鼻咽癌CNE-1细胞株分别作用时间72小时进行对比测定的IC50(umol/mL)值，对比结果如表1所示。IC50是指对肿瘤细胞株的半数有效浓度。
表1：
从实验一和实验二的结果可知，经过本发明的方法得到的二氧化钛纳米管具有良好的抗菌和抗癌性能；而常规的二氧化钛纳米管抗菌效果差，并且其作用的IC50值＞100，表明其不具有抗癌活性；常规姜黄素衍生物的抗菌抗癌能力不佳，而且难以直接在骨整手术中长时间发挥作用，并且本发明的产品的抗菌效果持续时间为单独姜黄素衍生物体系的2.3倍以上，抗菌抗癌效果也更好。因此，本发明为研究开发新的具有优良性能的骨科和牙科移植物材料提供了新的思路。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (5)
1.一种利用姜黄素衍生物处理二氧化钛纳米管的方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)将对羟基苯甲醛2-5重量份溶于5-10重量份的乙酸乙酯中，加入4-硝基苄氯1-3重量份，控制60-80℃，搅拌2-3h，得到具有式(1)的化合物，即为对(4-硝基苄氧基)苯甲醛；
2)将对(4-硝基苄氧基)苯甲醛1-4重量份和硼酸三丁酯1-4重量份溶于2-8重量份的乙酸乙酯中，常温下搅拌3-7min后加入乙酰丙酮0.2-1重量份与氧化硼0.1-0.8重量份混合的溶液，继续常温搅拌20-30min后加入正丁胺0.2-1重量份，继续搅拌3-5h，然后停止搅拌后静置12-18h，然后加入浓度为0.4mol/L的盐酸5-10重量份，控制50-65℃搅拌0.5-1.5h；然后静置分层，分离出有机相，将水层用乙酸乙酯萃取2-4次，将乙酸乙酯层与有机相合并，减压蒸去溶剂，然后重结晶得到具有式(2)的姜黄素衍生物，即为1，7-双(对(4-硝基苄氧基)苯基)-1，6-庚二烯-3，5-二酮；
3)将环糊精0.1-0.6重量份溶于3.5-20重量份的水中，搅拌均匀，然后加入二氧化钛纳米管0.5-1.5重量份，浸泡20-60min，所述环糊精为α-环糊精，所述水的温度为50℃；
4)加入姜黄素衍生物0.2-1.2重量份，然后用15-30kHz超声波30-60min；
5)取出二氧化钛纳米管干燥。
2.根据权利要求1所述的利用姜黄素衍生物处理二氧化钛纳米管的方法，其特征在于，在所述步骤4)加入姜黄素衍生物后进行5000rpm离心5-10min，再超声波处理。
3.根据权利要求1所述的利用姜黄素衍生物处理二氧化钛纳米管的方法，其特征在于，步骤5)所述的干燥为红外线干燥。
4.根据权利要求3所述的利用姜黄素衍生物处理二氧化钛纳米管的方法，其特征在于，所述二氧化钛纳米管的管径为5-10nm，管长为50-80nm。
5.根据权利要求4所述的利用姜黄素衍生物处理二氧化钛纳米管的方法，其特征在于，所述干燥温度为100-120℃，干燥22-24h。
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