个人答辩陈述在线视频

今天我们是组织的是

化学系博士生曹玮同学的

博士学位论文答辩

首先我代表学位分委员会

宣读一下答辩委员会的名单

首先是今天的答辩委员会的主席

是北京大学化学与分子工程学院

李子臣教授

出席今天学位论文答辩的

其它委员有

中国人民大学化学系

王亚培教授

清华大学化学系张希教授

清华大学化学系许华平教授

还有我本人

清华大学化学系尹正

在答辩正式开始之前

我宣布一下答辩会的纪律

答辩委员会成员

在答辩过程中不得进行

与本次答辩无关的活动

不得随意出入

在场所有人员在答辩过程中

应保持肃静

手机等电子设备

应关闭或静音

下面我把这个

今天答辩委员会的

答辩委员会的这个议程

交给这个答辩委员会的主席

请李教授主持答辩委员会

好 谢谢尹正老师的介绍

那么下面我们

由我来主持这个

曹玮同学的博士学位论文答辩

那么我们现在是正式开始

首先我们请答辩委员会秘书

徐江飞博士

来这个介绍答辩人的一些基本情况

包括他的简历 来校学习

和他跟研究有关的情况 好

曹玮 2011年毕业于

吉林大学化学学院

并获得理学学士学位

然后他免试进入

清华大学化学系

攻读博士学位

导师许华平教授

研究方向为氧化及配位响应性

含硒含碲高分子组装体

曹玮同学在读期间成绩优秀

发表多篇高水平的学术论文

各项条件均符合

博士学位的要求

下面请曹玮同学介绍

好 各位老师同学大家下午好

非常高兴大家来到

我今天博士学位论文答辩的现场

那我是来自化学系高分子所的

2011级直博生曹玮

我的导师是许华平教授

我今天答辩的题目是

氧化及配位响应性

含硒/碲高分子组装体

那么今天的答辩

主要分为以下几个部分

那么首先我们来看研究背景

响应性高分子是指一类

能够在外界环境的变化下

产生性质或者功能改变的

一类高分子材料

那么相比于小分子材料

高分子材料可以在结构和序列上

具有丰富的可设计性

并且能够比较容易的

引入很多不同的官能基团

因而响应性高分子在很多领域

都得到了一些进展

那包括在药物释放 疾病诊断

和智能器件

特别是在药物释放领域

根据其刺激响应方式的不同

我们可以将响应性高分子

分为几种不同的类型

那么由于人体内

普遍存在着氧化还原的过程

那氧化响应性的高分子

受到了科学工作者广泛的关注

那么在2004年的时候

Jeffrey Hubbell组

报道了含有聚硫醚结构的

两亲性三嵌段高分子

那么它可以在水中

自组装形成空心的囊泡状结构

在10%过氧化氢的条件下

那么硫醚的结构

氧化成为硫砜的结构

从而使这样一个分子

它有疏水性向亲水性转变

那进一步导致了组装结构

从空心的囊泡

转变成为柱状的聚集体

然而10%过氧化氢的

这样一个条件在很大程度上

限制了其在生物应用领域的应用

那李子臣老师课题组

报道了两亲性的

含硼酸酯的高分子

那么它具有

非常灵敏的氧化响应性

可以在非常温和的

氧化条件下

发生硼酸酯的水解

进一步高分子的主链

从两亲性变为水溶性的高分子

从而导致自组装的

纳米粒子解组装

我们课题组也报道了

含硒的两亲性嵌段高分子

那么它可以在水中自组装

形成实心的球状胶束

并且包载一定的客体分子

二硒键具有比较独特的化学性质

那么它具有氧化

和还原的双重响应性

那么在非常温和的氧化

或者还原条件下

就可以实现二硒键的断裂

高分子的降解

和所包载的荧光分子的

一个可控的释放

那么这样氧化还原

双重响应的高分子体系

为我们设计可编程的

药物可控释放体系

提供了一个新的策略

那么除了关注

在人体中氧化环境的变化

我们也希望能够利用生物体内

一些生物分子的响应

来实现对可控释放行为的调控

钟志远老师课题组报道了

内核由二硫键交联的

聚多糖纳米粒子

由于二硫键的交联

提高了这样一个载体的稳定性

那么在进入细胞之后

在谷胱甘肽的作用下

就可以实现二硫键的断裂

和所包载阿霉素的

从定向的释放到细胞核中

那除了关注谷胱甘肽

这样一种生物分子之外

我们也比较关注

多胺类的生物分子

那么比较典型的

是精胺和亚精胺

那么它是在真核细胞中

广泛存在的一种

阳离子 电解质与DNA的复制

细胞的增值和衰老都密切相关

那目前也有一些文献报道

多胺类物质浓度的升高

是临床上作为恶性肿瘤增殖的

一个标记物

那么我们也希望

利用多胺类的物质

来实现药物的可控释放

那么虽然在响应性高分子

已经取得的一系列的进展

然而将其应用于生物材料

仍然面临一个重要的挑战

那么在于生物体内

生化信号其浓度都非常的低

那么以活性氧物种为例

其浓度仅相当于

50到100微摩的过氧化氢

那本论文主要基于

以下两个科学问题

一如何实现超低浓度

化学物质的响应

二如何利用不同的生物分子

来调控药物的释放动力学

那么基于这样两个科学问题

我们本论文的研究思路如下

首先我们希望发展一些

具有超灵敏氧化响应性的高分子

那么用于构建可实现

放疗与化疗相结合的

新型医疗平台

那如何实现放疗与化疗之间的

相结合呢

我们需要找到一些合适的材料

基于我们组之前的工作基础呢

我们发现含硒高分子

是一类新型的生物材料

那我们课题组报道了

具有不同拓扑结构的

含硒高分子

那么它可以作为温和条件下的

药物可控释放载体

或者是高效的人工酶模拟

含硒的化学键

其性质比较特殊

其重要一点在于其键能

与常规的化学键相比要低很多

那么以二硒键

这样一个化学键为例

那么与通常认为的

动态共价键二硫键相比

其键能仍然要低很多

那么我们希望将二硒键

引入到响应性高分子当中

希望利用射线的辐照打断双硒键

从而实现放疗射线的一个响应

那么从而有望构建

将放疗化疗相结合的

一种新型的药物载体

那么为了验证

我们提出的这样的一个假设呢

我们设计合成了这样一个

含二硒键的高分子水凝胶

那发现这样一个水凝胶

可以在伽玛射线的辐照下

实现从凝胶态到溶胶态的转变

那么从而具有了

伽玛射线的响应性

那这一体系的构筑基元

主要有以下两个部分

那么其一为主链

含有正电荷的含二硒高分子

那么另一个是两亲性的多肽

那么它由亲水的尾部

和疏水的头部组成

这样两个组装基元

它们通过静电相互作用

和氢键相互作用复合

那通过冷冻透射电镜的表征

我们可以看到二者复合之后

在水中形成了长的纳米纤维

这样的纳米纤维

在三维空间物理缠绕

从而形成了凝胶的骨架结构

之后我们可以通过

流变学性质的测试

来进一步验证

这样一个凝胶样品的形成

那么在这样一个凝胶形成之后

我们进行伽玛射线的辐照

那么发现在经过0.5kGy辐照之后

就可以观察到一个非常明显的

从凝胶肽到溶胶肽的转变

并且这个过程

也伴随力学性质和黏度的降低

那我们也希望能够阐明这个

伽玛射线响应性的机理

我们通过透射电镜可以看到

长的纳米纤维在辐照之后

倾向于变短

而通过凝胶渗透色谱的分析

发现在辐照之后

所对应的高分子的信号消失

那么基于这样的一些实验结果

我们认为其机理

是由于在伽玛射线的辐照下

水中产生了活性氧物种

而活性氧物种

可以和双硒键反应

从而打断了高分子的主链结构

进一步导致了

凝胶骨架结构的破坏

那么为了验证

我们所提出的这样一个机理

我们就希望能够直观的观测

活性氧物种与二硒键的反应

然而在进行伽玛射线辐照的时候

出于安全的考虑

我们必须要等到辐射源

Co-60降低至低下之后

才能够比较安全的进入辐照室

那么这个过程

就给我们的实时监测

造成了非常大的困难

因此我们进行了

这样的一个模拟的实验

那我们在水中加入二氧化钛

纳米粒子

那么在紫外光的照射下

在二氧化钛纳米粒子表面

也会产生一些活性氧物种

而其中的自由基信号

可以被电子顺磁共振波谱所捕获

我们可以看到

在水中加入高分子之后

其ESR信号的强度明显降低

那么因此我们认为

这样的含二硒高分子

可以有效的与活性氧物种反应

并且降低活性氧物种的信号强度

那么从而也验证了

我们之前所提出的

这样一个假设

那么为了进一步的去说明

二硒键在这个伽玛射线

响应过程中所起到的作用

我们设计并进行了

如下一个对照实验

那我们将二硒键换为二硫键

合成了一个具有

类似主链结构的

含二硫的高分子

那么由于它相似的主链结构

经过同样的制备步骤

可以得到含二硫的

高分子水凝胶

那么我们进行伽玛射线辐照

那么发现在经过

即使5KGy

十倍于之前的剂量

该含二硫的高分子凝胶骨架结构

仍然基本可以得到保持

那么从而说明了

二硒键在伽玛射线

响应性中起到了至关重要的作用

然而对于这样的一个体系

我们仍然需要进一步降低

所用的伽玛射线的剂量

在临床中放疗的病人

每天所可以接受的剂量

为两个Gy

那每周可以辐照4到5天

因此我们需要

找到一些新的材料

它能够降低

所用的伽玛射线的剂量

在元素周期表中可以发现

碲与硒位于同一组族

那么目前也有一些研究表明

含碲化合物

对机体有一定的保护作用

可以起到抗氧化

抗肿瘤的有益生物功效

那目前也有一些

含碲的小分子药物

已经处于临床二期的研究当中

碲元素与硒元素相比

其电负性更低

原子半径更大

那处于低价的含碲化合物

与含硒化合物相比

更容易被氧化

那么因此我们希望

将碲元素引入到

两亲性的嵌段高分子当中

并研究它作为可能的氧化还原

氧化响应的高分子材料的应用

我们设计和合成了

这样一个三嵌段的含碲

嵌段高分子 那么它对

发现它对氧化和伽玛射线

都具有更加灵敏的响应性

该含碲高分子的合成步骤

如图所示

我们利用碲粉和硼氢化纳

在水中反应制备了碲氢化纳

那么碲氢化纳

与11-溴十一醇反应之后

可以制备两端为羟基

中间为单碲醚的

这样一个含碲的可聚合的单体

而羟基可以和TDI反应

我们与烧过量的TDI反应之后

制备了两端为NCO封端的

含碲聚氨酯链段

那么之后通过PEG单甲醚的封端

就制备了ABA型的含碲

两亲性嵌段高分子

通过核磁氢谱积分面积之比

我们可以得到

那么它含碲链段的聚合度

约为44

及核磁谱图计算的数均分子量

约为三万八

这样的两亲性高分子

我们发现其在水中

可以自组装形成了

这样的实心的胶束状结构

那么在利用100微摩的过氧化氢

处理之后就可以观察到

非常明显的尺寸的变化

那么这样的胶束溶胀成为

直径大概200纳米左右的

一个大的胶束

进一步我们研究其机理

发现其原因是由于碲醚的结构

被氧化成为了碲亚砜的结构

也就是每一个碲原子上

加上一个氧原子

这样的一个结构

应该指出了100微摩的过氧化氢

已经是一个非常温和的条件

那么它已经与生理条件下

活性氧物种的浓度相当

因此我们认为含碲的高分子

具有更加灵敏的氧化响应性

其原因是由于碲元素

特殊的化学性质

那么为了研究碲化学的特殊之处

我们设计和合成了

这样两个模型化合物

分别为含硒的模型化合物

和含碲的模型化合物

那么我们通过循环伏安法

研究其电化学性质

可以看到对于含硒分子

其氧化电位约为0.96伏

而含碲分子约为0.46伏

含碲的模型化合物

其氧化电位更低

那么这就解释了

它对氧化响应

更加灵敏的这样一个特性

那么之后我们也希望能够验证

能否将具有灵敏氧化响应性的

含碲高分子材料

应用到低剂量的伽玛射线

辐照响应中

那我们利用2Gy的伽玛射线

来辐照这样的一个体系之后

看到体系的尺寸

发生了非常明显的改变

那么从35个纳米左右

增大到了250个纳米以上

我们认为这样一个

形貌的巨大改变

可能带来可控释放性质的

进一步的改变

那两个Gy已经与临床上放疗病人

每天可接受的剂量是相同的

因此我们认为含碲高分子胶束

有望发展成为低剂量的放疗

与化疗相结合的

一种新型的载体

那之后我们利用基于L-02

和HepG2细胞的MTT实验

那么发现了

在含有含碲高分子培养基中

培养24个小时

细胞的存活率

仍然保持在90%以上

因此说明含碲高分子

具有比较好的生物相容性

那小结这一部分的工作

我们发展了具有

伽玛射线响应的

含硒高分子水凝胶

那么由于伽玛射线

是临床上最常用的

一种医用射线

我们认为这样的

含硒高分子水凝胶

有望提供可用于

放疗与化疗相结合的

一种新型的治疗平台

那么之后

为了提高射线相应的灵敏度

我们报道了新型的

含碲高分子聚集体

那么今年陈学思老师的

一篇综述文章中也指出

那含碲高分子的胶束

是一种新型的

超灵敏氧化响应性的材料

那它可以在生理相关浓度的

活性氧条件下

发生自发而精确的响应性

这样的一个体系

可以将伽玛射线响应的剂量

降低至医用的剂量2Gy

那么在构建了

可提供放疗化疗结合

新型平台的这样一个体系之后

我们也希望能够利用生物分子

来调控药物的可控释放动力学

我们发展了一系列

具有竞争配位响应性的

高分子材料

控制药物的释放动力学

具有非常重要的意义

因为释放动力学

在很大程度上

决定了药物的毒性

和它的利用效率

那我们希望能够通过生物分子

来调控药物的释放动力学

在这部分的工作中

那么第一部分是基于

含单硒的嵌段高分子

它可以和铂离子配位

从而制备配位的组装体

这样的配位的胶束

可以进一步的包载

抗癌的药物阿霉素

那么在生物

在一定的竞争配体

谷胱甘肽的作用下

那么可以实现

铂离子和阿霉素的

同时的可控释放

那首先我们验证了这个体系

作用力的存在

我们利用含硒的模型化合物

那我们发现了

通过反应前后颜色的变化

可以直观的观察到

反应的发生

进一步我们通过硒核磁

可以看到配位之后

其化学位移

从配位之前的196个ppm

向低场移动到253个ppm

其原因是由于配位之后

铂离子的去屏蔽效应

那么这样两个实验

可以验证了硒和铂之间

配位相互作用的存在

那之后我们利用逐步聚合法

和PEG单甲醚的封端

制备了主链含有单硒的

两亲性三嵌段高分子

那么以这样一个

PEG聚合度为1900的高分子为例

它可以比较好的包载铂离子

那我们发现

在谷胱甘肽的作用下

那么可以实现铂离子

一个持续的可控释放过程

这样的配位胶束

可以进一步的

用来包载抗癌的药物阿霉素

那么我们可以看到

阿霉素的可控释放

也可以同样的由谷胱甘肽所触发

这里我们认为

阿霉素可控释放的机理

是由于在谷胱甘肽的

竞争配位作用下

铂离子与含硒高分子

主链的作用被破坏

从而使铂离子

从高分子胶束中游离

而铂离子的离去

也会进一步诱发

阿霉素的可控的释放

从而实现了

具有配位响应的可控释放机理

那么为了验证

我们所提出的这样的一个机理

我们就进行了这样一个实验

我们选用具有

更强配位能力的DTT

那么发现在DTT的作用下

释放速率和释放量

都得到了一定的增强

那么从而进一步的验证了

我们所提出的配位响应机理

那么之后我们通过

基于HUVEC和HepG2

细胞的生物相容性实验

那么验证了具有不同

亲疏水链段比例的

含硒高分子

都具有比较好的生物相容性

然而对于这样一个体系

我们认为它有可能发展成为

多种药物结合的

一个协同治疗的平台

然而当我们对这样一个体系

应用临床常用的

顺铂类药物的时候

我们发现它的包载量都比较低

因此我们需要找到一些

对顺铂更好的载体

那基于软硬酸碱理论

含碲的化合物

与含硒的化合物相比

是一种软碱

而临床所用的含铂类药物

都是一种软酸

我们认为含碲的化合物与顺铂

应该具有更强的结合能力

那我们基于含碲高分子

发展了一种更好的顺铂的载体

那么发现它可以在不同的

竞争生物分子的作用下

实现不同的释放动力学

那经过系统的研究那么发现

含碲高分子可以有效的装载顺铂

那随着配位时间的增长

其装载量呈现一个增大的趋势

那么可以达到约12%

我们认为这样更高的装载量

是由于碲和铂之间的

配位相互作用

那么为了验证

这种相互作用的存在

我们设计了这样一个

含碲的模型小分子

那可以看到其配位之后化学位移

从191个ppm

向低场移动了283ppm

这也是由于顺铂的去屏蔽效应

那么这样就验证了碲和铂之间

配位相互作用的存在

那么在完成了顺铂的装载之后

我们也比较关心了能否

这样一个体系

能否实现可控的释放

发现含碲的高分子

在包载顺铂之后

在水中是非常稳定的

那么其背景释放

基本上可以忽略不计

而在谷胱甘肽的作用下

我们可以观察到一个缓慢

但是持续的可控释放过程

当我们换用更强的配体

DTT的时候就可以观察到

其释放量和释放速率

都得到了明显的加强

那么这样一个

可控释放的过程

其原因是由于

在竞争配体的作用下

碲和铂之间的配位作用被破坏

从而使铂从高分子的胶束中离去

那么进而实现了

顺铂的一个可控的释放

那么这里我们所用到的

谷光甘肽与DTT

与通常的用到它们的还原性

是完全不同的机理

我们是用到它

作为一种竞争配体的

这样的一个特性

那除了关注这种

含巯基的常规的配体之外

我们也比较关注

能否利用其它的一些生物分子

来实现顺铂的可控的释放

我们发现利用精胺

来处理这样的一个体系之后

可以大大加快

顺铂的可控释放速率

那么因此对于这样一个体系

我们认为它具有

可以被竞争配位调制的

可控释放行为

之后我们也希望验证

对于含碲的高分子

它是否是一种

比较通用的可控释放平台

我们发现了它同样适用于

第三代顺铂药物奥沙利铂

那可以看到

它可以很好的包载

抗癌的药物奥沙利铂

那么在竞争性配体DTT的作用下

也可以实现奥沙利铂的

一个可控的释放过程

那么同样的在精胺的作用下

也可以加快奥沙利铂

这个抗癌药物的一个释放过程

那么之后我们希望

对这样一个体系

通过改变载体的结构

去进一步调控

药物的可控释放行为

那么我们借助了

层层组装多层膜的

这样一个手段

我们设计了DAR

作为聚阳离子电解质

以含碲的化合物

与顺铂的配位 配合物

作为聚阴离子电解质

那么二者之间

通过非常规的层层组装

和紫外光交联制备了具有

制备了稳定的化学交联的

多层薄膜

这样的一个薄膜

在精胺或者亚精胺

这种竞争性配体的作用下

也可以实现顺铂的可控的释放

我们研究薄膜的生动动力学行为

那发现其生长是一个比较均匀

而且可控的过程

那么由于其释放的过程

其机理是由于

首先铂离子要从载体中的

配位相互作用

在竞争配体的作用下先破坏

那么之后再通过扩散的作用

离开配体

从而达到可控释放的过程

那么对于这样的一个体系

由于薄膜具有

比较薄的一个特性

其物质迁移速率要快得多

那么我们可以看到

在精胺或者亚精胺的作用下

可以在一个小时内

就实现一个比较可观的释放量

从而进一步的调控了

药物的释放动力学

那么这个工作也说明

配位响应的策略

不仅适用于溶液相

也同样适用于界面相

那么小结这一部分的工作

我们发展了

具有配位响应性的含硒碲

高分子组装体

可用于可控释放铂药

并且其可控释放行为

具有竞争配体可调制性

进一步我们可以通过

改变载体的结构

来进一步的调控可控释放行为

作为博士论文的结论与展望部分

我们发展了

具有伽玛射线响应性的

含硒高分子水凝胶

那么有望发展成为

放疗与化疗相结合的

一种新型的载体

我们报道了

超灵敏氧化响应性的

含碲高分子组装体

它可以将伽玛射线响应的剂量

进一步降低至医用的剂量2Gy

我们发展了一系列

具有竞争配位

响应性的药物可控释放体系

可以有效的调控

药物的可控释放动力学行为

我们认为对这部分工作

将来关于含硒碲高分子

在生物体内代谢和毒性的研究

将进一步的揭示其在生物体内

应用的一些可能性

那么将含硒碲高分子组装体

与生物成像技术

特别是磁共振成像技术的结合

那么有望给这样一种

响应性高分子的应用

带来一些新的契机

那么以下是我在读博期间

所发表论文的情况

那在此也特别感谢

首都医科大学的孙志伟教授

李阳老师

以及南开大学的杨志谋教授

他们的大力合作和支持

那最后也要感谢

我的导师许华平教授

长期以来对我的关心和栽培

许老师

我是许老师的第一个学生

许老师在我身上

可谓投注了大量的心血

我觉得不管是我

还是我周围的人

都能感受到

许老师对我非常殷切的期待

许老师也常说

我是当时保研面试的时候

属于表现比较差的一个

那么觉得作为一个

基础比较差的学生

也能够在许老师的

不懈的指引下

在科研的道路上

取得一点点的成果

真的要非常感谢

导师长期以来对我的

不抛弃不放弃的引导

也非常感谢张希院士

非常荣幸的成为

张老师的徒孙中的一个

在张老师组里

也度过了将近四年的时光

张老师虽然比较少的

直接指导我的科研工作

但是在组里也能非常深刻的

感受到张老师治学态度的严谨

以及为学为人的很多的

很多的态度

那么都对我们年轻的学生

造成了非常大的一些影响

这里也感谢王治强老师

给我提供了非常好的平台

并且在很多关键的时刻

给了我帮助和支持

也感谢实验室的全体师兄师姐

和师弟师妹的关怀

当然不仅包括xu group

也包括xi group

再次感谢每一个

给予过我帮助和鼓励的人

谢谢大家

感谢在座的各位