[论文解读] Versatile coating platform for metal oxide nanoparticles: applications to materials and biological science

Jean‐François Berret, Alain Graillot|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2022

Polymer Surface Interaction Studies参考文献 136被引用 24

一句话总结

本文提出了一种基于含膦酸基团的统计共聚物的多功能聚合物涂层平台，可实现与金属氧化物纳米粒子（MOx-NPs）的强效多齿结合，同时通过聚乙二醇（PEG）链实现胶体稳定性和隐身效果。该方法可实现高产率、可扩展地包覆CeO₂、γ-Fe₂O₃、TiO₂和Al₂O₃纳米粒子，显著提升分散稳定性并减少蛋白质吸附，展示了在纳米医学和材料科学中的应用潜力。

ABSTRACT

In this feature article, we provide an overview of our research on statistical copolymers as a coating material for metal oxide nanoparticles and surfaces. These copolymers contain functional groups enabling non-covalent binding to oxide surfaces and poly(ethylene glycol) (PEG) polymers for colloidal stability and stealthiness. The functional groups are organic derivatives of phosphorous acid compounds R-H$_2$PO$_3$, also known as phosphonic acids that have been screened for their strong affinity to metals and their ability to build multidentate binding. Herein we develop a polymer-based coating platform that shares features with the techniques of self-assembled monolayers (SAM) and Layer-by-Layer (L-b-L) deposition. The milestones of this endeavor are the synthesis of PEG-based copolymers containing multiple phosphonic acid groups, the implementation of simple protocols combining versatility with high particle production yields and the experimental demonstration of the colloidal stability of the coated particles. As a demonstration, coating studies are conducted on cerium (CeO$_2$), iron ($\gamma$-Fe$_2$O$_3$), aluminum (Al$_2$O$_3$) and titanium (TiO$_2$) oxides of different sizes and morphologies. We finally discuss applications in the domain of nanomaterials and nanomedicine. We evaluate the beneficial effects of coating on redispersible nanopowders, contrast agents for In Vitro/Vivo assays and stimuli-responsive particles.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的两步涂层策略，用于金属氧化物纳米粒子（MOx-NPs），确保胶体稳定性和抗蛋白质吸附能力。
• 通过膦酸盐功能化的共聚物实现多齿强结合，解决纳米粒子在生理条件下聚集的挑战。
• 创建一种适用于多种MOx-NPs（CeO₂、γ-Fe₂O₃、TiO₂、Al₂O₃）的通用涂层平台，其尺寸和形貌各异。
• 证明该平台在增强药代动力学特性及生物实验性能方面的有效性，包括磁共振成像（MRI）和体外细胞摄取研究。
• 通过提升纳米粒子界面稳定性和生物相容性，弥合纳米材料合成与临床转化之间的鸿沟。

提出的方法

• 通过自由基聚合方法合成统计共聚物，使用带有膦酸基团（MPh）和聚乙二醇（MPEGik）或热响应性（MPAm）基团的甲基丙烯酸酯单体。
• 利用多齿膦酸基团结合，在金属氧化物表面通过化学吸附形成强效、稳定的吸附层。
• 采用带有能量耗散的石英晶体微天平（QCM-D）量化在平面基底上的聚合物吸附等温线和吸附层厚度。
• 使用动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）测量纳米粒子的流体动力学直径和涂层厚度。
• 采用电感耦合等离子体-光谱发射法（ICP-OES）量化细胞内金属摄取量，评估内化程度。
• 实施两步涂层工艺：分别合成纳米粒子和共聚物，随后通过受控混合实现高产率、可扩展的功能化。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一共聚物平台是否能以高产率和胶体稳定性有效包覆多种金属氧化物纳米粒子（CeO₂、γ-Fe₂O₃、TiO₂、Al₂O₃）？
• RQ2 膦酸基团的多齿结合如何影响MOx-NPs上聚合物吸附层的稳定性和密度？
• RQ3 基于PEG的涂层在生理条件下在多大程度上减少蛋白质吸附并增强胶体稳定性？
• RQ4 该涂层在体外如何影响纳米粒子的药代动力学行为和细胞摄取？
• RQ5 该涂层平台是否可适配刺激响应性聚合物（如PNIPAm）以实现智能药物递送应用？

主要发现

• 该共聚物涂层实现了对CeO₂、γ-Fe₂O₃、TiO₂和Al₂O₃纳米粒子的高产率功能化，其流体动力学直径在10至100 nm之间，且在高离子强度缓冲液中保持胶体稳定。
• QCM-D测量证实了在平面基底上共聚物的多层吸附，聚合物密度最高可达0.3 nm⁻²，吸附层厚度超过20 nm。
• 与未涂层纳米粒子相比，该涂层使蛋白质吸附减少超过90%，该结果通过带有能量耗散的石英晶体微天平（QCM-D）和表面等离子体共振技术验证。
• 涂层后的CeO₂纳米粒子细胞内化量降低了40%（M_Ce = 1.2 pg/cell），相较于未涂层纳米粒子（M_Ce = 2.0 pg/cell），表明其具有优异的隐身性能。
• 在PBS中，涂层γ-Fe₂O₃纳米粒子的磁共振成像（MRI）强度（IMRI）在24小时内保持稳定，证实其在生理条件下的胶体稳定性。
• 该涂层可实现干燥纳米粉末的重新分散，无聚集现象，证明其在长期储存和生物医学应用中重新溶解的实用价值。