CN101711872A

CN101711872A - 纳米金球壳材料及制备方法和在制备治疗肿瘤药物中应用

Info

Publication number: CN101711872A
Application number: CN200910217880A
Authority: CN
Inventors: 宋宏伟; 白雪; 董彪; 王宇
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2010-05-26

Abstract

本发明公开一种纳米金球壳材料及制备方法和在制备治疗肿瘤药物中的应用，属于金属纳米材料技术领域。利用湿化学法，选择金为研究内容，通过有机和无机溶液的界面进行反应制得。本发明纳米金球壳材料经近红外激光照射后，将吸收的光能转化成热能，使局域范围内的温度升高，以杀死肿瘤细胞，抑制肿瘤组织的生长或与抗肿瘤药物一起使用，提高药效，达到治疗目的。还可作为显影剂应用在红外断层成像技术中，又可作为热敏剂用于红外热疗中治疗肿瘤等疾病和促进药效。本发明作为显影剂比临床上使用的有机染料具有更好的稳定性，不易分解，光稳定性好；比放射性元素更安全；作为热敏剂，它可以吸收红外光，可减少对人体的伤害。

Description

纳米金球壳材料及制备方法和在制备治疗肿瘤药物中应用

技术领域

本发明属于金属纳米材料技术领域，是一种具有近红外吸收功能和光热转换性能的、贵金属纳米材料及制备方法和利用光热转换性能在生物医学领域中的应用，具体地说是提供了一种纳米金球壳材料及制备方法和在制备治疗肿瘤药物中的应用。

背景技术

几十年来金属纳米材料技术领域研究的焦点是：贵重金属的纳米材料由于在催化，感光，光电子，信息存储，生物传感器，表面增强拉曼光谱(Raman)散射等领域具有现实的和潜在的应用前景。金属纳米材料的基本物理性质与其尺寸、形貌和结构紧密相关。最近几年，空的纳米金胶体由于其具有独特的物理性质和广阔的应用前景引起了科学界的广泛关注。空的纳米金结构在近红外区(800nm-1200nm人体组织的透射窗口)的特殊吸收性质使其成为理想的光热转换的药物载体，这在生物医学上具有重要意义。有人提出，调整纳米金壳在红外区的吸收，并将其注射到一定深度的生物组织当中去，用适当的红外光照射，使其进行光热转换达到热疗目的。美国科学家正在尝试将这种材料用于红外热疗治疗癌症。Y.Xia研究组在Science上报导了高质量Au、Ag立方体纳米颗粒的合成及结构。他们利用多羟基过程以乙二醇为还原剂，以PVP(聚乙烯基吡咯烷酮)为分散剂和保护剂通过对反应温度、反应时间和化学配比的控制，制备了Ag的球、线、立方晶并以其为模板分别制备了空的Au球壳、管、盒子并对其吸收性质进行了测试，发现了金纳米球壳在近红外区域具有强的表面等离子体共振吸收特性。2003年，美国的Halas小组报导了将包覆在SiO₂球上的Au壳(100nm)置于生物体中，成功杀死癌细胞的实验结果，展示了金属纳米材料在癌症治疗方面诱人的前景。纳米球壳可与一定的抗体结合，该结合物在抗体的驱动下移向抗原，从而准确的完成细胞的靶向定位。同时她们又提出许多新想法，她们认为，可以同时利用纳米球壳对近红外光的吸收特性实现对肿瘤组织的杀伤，又可以利用其对光的散射作用进行光学成像实现对病变部位的监测。最近Y.Xia研究组将金纳米盒子与与乳腺癌症肿瘤细胞靶向连接，在培养皿中通过红外激光辐照取得了很好的疗效^[5]，更清晰地展示了金属纳米材料在红外治疗方面的诱人前景。

发明内容

本发明提供一种纳米金球壳材料，具有可调制的近红外吸收功能和优良的光热转换性质。

本发明进一步公开了上述纳米金球壳材料的制备方法，具有操作简单，重复性好，制得的材料其物理性能稳定的特点。

本发明还公开了该纳米金球壳材料在制备抗癌药物中的用途。

本发明的纳米金球壳材料，其特征在于：

为准球壳形，内部为空心结构，球的直径在20～100nm之间，球壳的厚度大约为5nm，红外吸收见图2，光热转换特性见图3。

本发明纳米金球壳材料的制备方法，包括以下步骤：

1、合成银纳米粒子，使其均匀分散于去离子水中，形成水溶胶

在100mL去离子水中分别加入0.2M硝酸银水溶液和等量的0.2M表面活性剂，搅拌30min，使其混合均匀；然后一次性加入0.01M还原剂溶液，搅拌60min后停止，制得的银纳米水溶胶为浅黄色；

2、还原氯金酸形成金壳状结构的纳米材料

取10mL由步骤1制得的纳米银胶体溶液，用去离子水稀释至100mL，充分搅拌；置于100℃回流10分钟，逐滴滴入0.001M氯金酸(HAuCl₄)水溶液，充分反应，使含银纳米颗粒模板在回流状态下还原氯金酸(HAuCl₄)，形成壳状结构的纳米材料；

所述的表面活性剂选自：柠檬酸或十六烷基-3-甲基溴化铵或聚乙烯吡咯烷酮；

所述的还原剂包括：硼氢化纳(NaBH₄)或抗坏血酸；

反应式如下

BH₄ ^-+2H₂O+8Ag⁺→8Ag+BO₂ ^-+8H⁺

3Ag(s)+AuCl₄ ^-(aq)→Au(s)+3Ag⁺(aq)+4Cl^-(aq)

本发明纳米金球壳材料为空的纳米结构，呈球形，通过控制实验条件，球的直径可以控制在20～100nm之间；球壳的厚度大约为5nm(见图1)，可以分散在水溶液中，形成一种稳定的水溶胶，水溶胶为深蓝色。

发明具有良好的水溶性、热稳定性以及对光有强的红外吸收(见图2)，随着滴入氯金酸(HAuCl₄)体积的增加吸收峰位发生红移，在(700-1000nm)的波长范围内，并可移至近红外区吸收进红外光。

本发明的光热转换特性见图3，当按体积比稀释不同浓度的样品经波长为808-nm(功率密度：5W/cm²)近红外激光照射后，温度迅速升高。

以下实验表明本发明在抑制肿瘤生长中的作用：

试验例1

图3为加入不同浓度金纳米球壳细胞经2W/cm²激光照射不同时间的抑制率曲线。纳米球壳的初始浓度约为5μg/mL，分别按体积比的60％、80％、100％加入到细胞中。如图所示，对细胞的抑制率随样品浓度的增大和照射时间的延长而升高，照射30min后最高的抑制率为60％，与对照组比较(P＜0.05)，重复实验结果相似。

按体积比将样品稀释为不同浓度(25-100％)，经波长为808-nm(功率密度：5W/cm²)的近红外激光照射后，温度迅速升高。在10min内温度最高可升高30℃。见图4。

试验例2

体外细胞试验：

(1)小牛血清制备

冷冻的小牛血清置于4℃的冰箱融化后，56℃水浴30min灭活补体，分装于10mL的小瓶内，-20℃保存，用前融化。

(2)胰酶配制

配制浓度为25％的胰蛋白酶。称取胰蛋白酶0.25g，溶于100mL生理盐水中，加NaHCO₃调pH 7.2，充分溶解后，G6漏斗过滤除菌，10mL小瓶分装后保存与-20℃，用前融化。

(3)细胞培养

细胞培养于含有10％小牛血清的全营养培养基中，置于37℃，5％CO₂，95％空气和100％饱和湿度条件下培养，细胞每两天传代换液一次。

(4)细胞冻存

用0.25％的胰酶消化收集生长状态良好的细胞，1500rpm离心5min，弃上清，加入细胞冷冻液(含20％小牛血清，10％DMSO，70％培养基)，混匀，细胞浓度为0.5～1×10⁷/mL，4℃放两小时，-20℃过夜，于-70℃放置两个小时，置于液氮中长期保存。

(5)细胞存活试验

3-(4，5-二甲基噻唑-2酰基)-2，5二苯基四氮唑溴盐，简称MTT或噻唑蓝。

根据细胞代谢活动与活细胞数直接成比例的原理，通过测定靶细胞代谢活性的减少来反映实验药物所致靶细胞的死亡。氧化型MTT进入细胞后被线粒体脱氢酶还原生成紫色formazan颗粒，经溶剂溶解后比色定量，其颜色深浅直接与活细胞数有关，与靶细胞对照孔比较可计算效应细胞杀伤靶细胞百分率。

采用四甲基偶氮唑蓝(MTT)法检测细胞活性。

取对数生长期的肿瘤细胞，用0.25％的胰酶消化，调细胞浓度为4×10³/mL，接种于96孔培养板，培养16h，待细胞完全贴壁后，每孔加入样品(样品在加入前经过离心分离、水洗，并高压灭菌处理)，终体积为100μL，设三个复孔，继续培养24h后，用808nm的激光辐照后，每孔加入MTT(5mg/mL)10μL，继续培养至少4h，小心吸弃上清液，加二甲基亚砜(100μL/孔)，轻微震荡，检测A492光密度值。

抑瘤率(IR)％＝(1-实验组平均光密度值/对照组平均光密度值)％

加入金纳米球壳的细胞经不同功率的激光照射后抑制率随激光功率的升高而升高。提高激光照射功率对于抑制率的提高有着明显的作用，在加金纳米球壳的实验孔中抑制率接近90％，与对照组比较有显著性差异(P＜0.01)。见图4。

取传代的Hep-A-22细胞进行培养，在倒置显微镜下观察细胞形态变化并摄影，结果如图5所示。接种24h后，Hep-A-22细胞亮度较高，折光性好，细胞紧密相靠，连接成片，细胞形状不规则，有梭形细胞存在，这说明此时的细胞处于分裂期，具有较高的活性。接种后加入金纳米球壳并经激光辐照，培养24h后，细胞呈球形彼此重叠堆积在一起，亮度低，表明细胞的状态较差，活性降低，处于凋亡期。

试验例3

体内测温：将0.1mL样品注射到小鼠右后腿部(距体表约2mm)，20min后将测温仪的温度探头用套管针深入到小鼠右后腿注射过样品的部位，用除毛膏除去小鼠腿部的毛，用功率密度为1.5W/cm²的激光照射小鼠腿部，同时在测温装置上监测温度变化。

由图7可以看出，注射了本发明样品的小鼠腿部经激光照射后温度升高较快，持续照射6min后，温度升高到40℃以上，并且在激光的照射下继续升高。因此，我们可以通过调节激光器的输出功率来控制温度使其恒定在40-45℃之间，通过热作用杀死肿瘤细胞，抑制肿瘤生长。

本发明的积极效果在于：

本发明纳米金球壳材料经近红外激光照射后，将吸收的光能转化成热能，使局域范围内的温度升高，以杀死肿瘤细胞(肿瘤细胞在42℃左右可被杀死)，抑制肿瘤组织的生长或与抗肿瘤药物一起使用，提高药效，达到治疗目的。

纳米金球壳状材料具有可调制的近红外吸收特性和优良的光热转换性质。在生物医学、生物探测等微观技术领域里极具实用性，即可作为显影剂应用在红外断层成像技术中，又可作为热敏剂用于红外热疗中治疗肿瘤等疾病和促进药效。本发明作为显影剂比临床上使用的有机染料具有更好的稳定性，不易分解，光稳定性好；比放射性元素更安全；作为热敏剂，它可以吸收红外光，可减少对人体的伤害。

附图说明

图1本发明纳米金球壳材料的形貌和中空壳状结构图。

图2本发明纳米金球壳材料的吸收光谱图。

图3本发明纳米金壳材料的细胞的抑制率随照射时间的变化曲线图。

图4本发明纳米金球壳材料的光热转换性质图。

图5本发明纳米金球壳材料癌细胞抑制率。

图6本发明纳米金球壳材料接种入细胞后，用808nm激光辐照前后细胞形态变化(左：处于分裂期的活细胞；右：辐照后凋亡的细胞)。

图7本发明金纳米壳材料注入小鼠体内后的测温曲线。

具体实施方式

实施例1

纳米金球壳状材料制备过程如下，具体分两步：

1、合成含银纳米粒子的水溶胶：

在100mL去离子水中加入1mL 0.2M AgNO₃水溶液，加入1mL 0.2M柠檬酸，充分搅拌；性加入浓度为10mM 1mL硼氢化纳(NaBH₄)溶液，搅拌60分钟后停止，制得出银纳米水溶胶；

2、还原氯金酸形成金球壳状结构的纳米材料：

取10mL纳米银胶体溶液，用去离子水稀释至100mL将其移入250mL的三口烧瓶中，充分搅拌，置于100℃回流10分钟，再逐滴滴入3mL 1mM的氯金酸(HAuCl₄)水溶液，继续反应30分钟，至反应液颜色稳定为止，还原氯金酸(HAuCl₄)，既得本发明。溶液为深蓝色。

实施例2

纳米金球壳状材料制备过程如下，具体分两步：

1、合成含银纳米粒子的水溶胶：

在100mL去离子水中加入1mL 0.2M AgNO₃水溶液；加入1mL 0.2M十六烷基-3-甲基溴化铵溶液，充分搅拌；加入浓度为10mM 1mL硼氢化纳(NaBH₄)溶液，搅拌60分钟后停止，制得出银纳米水溶胶；

2、还原氯金酸形成金球壳状结构的纳米材料：

实施例3

纳米金球壳状材料制备过程如下，具体分两步：

1、合成含银纳米粒子的水溶胶：

在100mL去离子水中加入1mL 0.2M AgNO₃水溶液，加入1mL 0.2M聚乙烯吡咯烷酮水溶液，充分搅拌；加入浓度为10mM1mL硼氢化纳(NaBH₄)溶液，搅拌60分钟后停止，制得出银纳米水溶胶；

2、还原氯金酸形成金球壳状结构的纳米材料：

实施例4

纳米金球壳状材料制备过程如下，具体分两步：

1、合成含银纳米粒子的水溶胶：

在100mL去离子水中加入1mL 0.2M AgNO₃水溶液，加入1mL 0.2M柠檬酸，充分搅拌；加入浓度为10mM 1mL抗坏血酸溶液，搅拌60分钟后停止，制得出银纳米水溶胶；

2、还原氯金酸形成金球壳状结构的纳米材料：

实施例5

纳米金球壳状材料制备过程如下，具体分两步：

1、合成含银纳米粒子的水溶胶：

在100mL去离子水中加入1mL 0.2M AgNO₃水溶液，加入1mL 0.2M十六烷基-3-甲基溴化铵溶液，充分搅拌；加入浓度为10mM 1mL抗坏血酸溶液，搅拌60分钟后停止，制得出银纳米水溶胶。

2、还原氯金酸形成金球壳状结构的纳米材料：

实施例6

纳米金球壳状材料制备过程如下，具体分两步：

1、合成含银纳米粒子的水溶胶：

在100mL去离子水中加入1mL 0.2M AgNO₃水溶液，加入1mL 0.2M聚乙烯吡咯烷酮水溶液，充分搅拌；加入浓度为10mM 1mL抗坏血酸溶液。搅拌60分钟后停止，制得出银纳米水溶胶；

2、还原氯金酸形成金球壳状结构的纳米材料：

Claims

1.一种纳米金球壳材料，其特征在于：为准球壳形，内部为空心结构，球的直径在20～100nm之间，球壳的厚度大约为5nm，红外吸收光普见图2，光热转换特性见图3。

2.权利要求1所述纳米金球材料的制备方法，包括以下步骤：

1)合成银纳米粒子，使其均匀分散于去离子水中，形成水溶胶

2)还原氯金酸形成金壳状结构的纳米材料

所述的表面活性剂选自：柠檬酸或十六烷基-3-甲基溴化铵或聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇；

所述的还原剂包括：硼氢化纳(NaBH₄)或抗坏血酸。

3.权利要求1所述的纳米金球壳材料在制备抗癌药物中的用途。