CN102552157A - 表层覆盖有贵金属的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球及其制法和用途 - Google Patents
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Abstract
一种表层覆盖有贵金属壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球,它是平均粒径为50nm~500nm,贵金属壳层的厚度为8nm~25nm,壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球中壳聚糖的粘均分子量为10000-400000,脱乙酰度为70-95%,聚丙烯酸的粘均分子量为6000~40000,聚丙烯酸含量为20-50%,以壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球为核,贵金属为壳的复合纳米微球,所述的贵金属为金或银。它可用于药物的载体或热疗的材料,用于疾病的治疗。本发明公开了其制法。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合纳米微球,具体涉及一种壳聚糖-聚丙烯酸聚电解质纳米微球为核,贵金属为壳的复合纳米微球及其制备方法和用途。
背景技术
核壳结构的纳米微粒,通过分别调节核-壳内外结构的组成和尺寸,可实现不同性质(如电光,声光,磁光等)的耦合,从而赋予单一纳米颗粒多样的功能化,因而在光电子技术,化学分析,生物医学检测与治疗等不同领域获得了诸多应用。这其中,一种被称为纳米壳的核壳结构纳米粒子近年来受到了广泛的关注,这类核壳纳米微球是以介电体材料作为核,以具有表面等离子体共振特性的金属(典型的如金,银为代表的贵金属)作为壳层(参见:Adv. Mater.2010,22,1905-1909)。根据Mie理论(参见:Coordination Chemistry Reviews.2005,249,1870-1901),通过改变中心介电体的化学组成进而改变其介电常数,或者调节内核的半径与壳层厚度的比例等方式,可以实现表面等离子体共振吸收位置在可见光区至近红外波段(800nm—1300nm)之间的连续可调。对于金纳米粒子进行的肿瘤热治疗,由于用于激发的光波长较短,血管穿透深度非常有限(参见:PNAS.2003,100,13549–13554),限制了其在临床上的进一步应用。而对于表面等离子体吸收最大位置在近红外区的纳米壳结构而言,由于血管对这一波段的光线散射和吸收弱,可以使皮下深处组织的纳米微球得到很好的激发,进而将光子的能量,通过表面导带电子的振动转变为热能,引起肿瘤局部的显著升温,进而导致肿瘤细胞的快速凋亡(参见:Adv. Mater. 2009,21,1-31)。
为合成这一类核壳结构的纳米微粒,种子法是一种常用的化学合成手段,该方法是以Duff法(Langmuir.1993,9,2301-2309)合成粒径在1~3nm间的金纳米颗粒,而后与表面巯基(或氨基)修饰的微球作用,吸附在其表面,再以此为晶种在生长液中进一步还原得到完整的纳米壳层。因此,选取合适的纳米微球作为此类结构的核,决定制备方法的难易程度以及终产物的应用性能。一类以金为纳米壳层,超顺磁性四氧化三铁为核心的复合结构是当前研究的热点之一,由于在磁性微球外表面直接包裹金壳层,无法获得在近红外光区具有共振吸收的核壳结构微球(参见:J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 8698-8699), 为合成具有此类独特光学吸收性质的复合物纳米微粒,需要在四氧化三铁与金纳米壳层之间加入具有一定厚度的高分子插层结构,难以避免地会增大体系的合成难度。另一类结构则通过层层自组装的方法制备表面功能化的高分子微球,并以此为核,辅助以一定量表面修饰,在其外球壳直接还原生长一层完整的纳米壳层(参见:CN 101168597 B)的方法,通常需要多步循环,其中包括繁琐的洗涤纯化过程,同时依靠静电力自组装的高分子微球对溶液中的pH变化较为敏感,其结构可能受体系pH值变化引起的(去)质子化过程影响而解聚,并最终导致复合物核壳结构的破坏。
还原剂的种类选取以及用量,是制约金属壳层结构均匀性,反应可控性的另一关键性要素。已有的关于此类复合纳米微球的报道多是采用甲醛或羟胺作为还原剂进行合成的(参见:Chem. Commun.2010, 46, 7513-7515; Nano Lett.2004, 4, 719-723),由于其较强的细胞毒性问题,影响了其在生物医学领域的应用前景。此外,部分还原剂还原能力较弱,为了获得具有一定厚度的纳米壳层,通常需要多次循环的还原生长过程,由此带来时间上的浪费,成本上升的同时,更重要的是造成了合成产物的单分散性以及尺寸均匀性的下降,直接体现在产物紫外吸收光谱上吸收峰位置的展宽上(参见:Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47,1-5)。
发明内容
本发明旨在提供一种简单有效,绿色,重复率高的壳聚糖聚丙烯酸高分子金核壳结构纳米微球及其制法和它作为药物的载体或热疗的材料。
本发明的技术方案如下:
一种表层覆盖有贵金属壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球,它是平均粒径为50 nm~500nm,贵金属壳层的厚度为8 nm~25nm,壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球中壳聚糖的粘均分子量为10000-400000,脱乙酰度为70-95%,聚丙烯酸的粘均分子量为6000~40000,聚丙烯酸含量为20-50%,以壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球为核,贵金属为壳的复合纳米微球,所述的贵金属为金或银。
一种制备上述表层覆盖有贵金属壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球的方法,它包括以下步骤:
步骤1. 壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球的制备:(参见专利CN01113580.8)
将计量的壳聚糖和丙烯酸溶于蒸馏水中,待其完全溶解后,升温至40-60℃,加入引发剂过硫酸钾,引发丙烯酸聚合,当体系出现乳白色时,将体系冷却至室温,加入戊二醛选择性地交联壳聚糖,即得到壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球的乳液;
步骤2. 金种子溶液的制备:
将2mL 0.01mM氯金酸水溶液加入到70mL 0.011mM 氢氧化钠溶液中混匀后,加入5mL 四羟甲基氯化磷(质量分数0.948%),磁力搅拌过夜后得金种子溶液,它可在4°C冰箱中保存;
步骤3. 表面吸附金纳米微粒的壳聚糖聚丙烯酸复合物纳米微球的制备:
取1mL步骤1制得的壳聚糖聚丙烯酸复合物水溶液,加入到10mL双蒸水中,混合均匀后滴入10 ~200 L巯基乙酸,静置24h,而后离心纯化,弃去上清液,将黄色沉淀重新分散于5mL双蒸水中;取2mL的上述的沉淀分散液,加入到10mL双蒸水中,最后再加入1mL步骤2新制的金种子溶液,磁力搅拌条件下反应2天后,将溶液在4000rpm速度下离心10分钟,弃去上清液,即得表面吸附金纳米微粒的壳聚糖-聚丙烯酸复合物纳米微球;
步骤4. 将步骤3制得的表面吸附金纳米微粒的壳聚糖-聚丙烯酸复合物纳米微球重新分散在5mL双蒸水中,取600L表面修饰金纳米颗粒的壳聚糖-聚丙烯酸复合物纳米微球分散液加入到5mL双蒸水中,而后加入600L 0.01mM氯金酸溶液或600L 0.01mM硝酸银溶液,待体系均匀混合后,迅速加入35L 0.1mM抗坏血酸水溶液,整个还原反应进行40分钟后,4000rpm速度下离心10分钟,弃去上清液,产物在50°C烘箱中静置,水分蒸干后,即得到表层覆盖有贵金属壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球。
本发明的表层覆盖有贵金属壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球可以用于药物的载体或热疗的材料。
本发明人选取壳聚糖聚丙烯酸复合物为核,是因为在本发明人已发表的文章(Biomaterials ,2002 ,23 ,3193–3201)以及获得授权的专利中(授权专利号:01113580.8)业已证明壳聚糖聚丙烯酸复合物作为一种生物相容性好的高分子模板,可被广泛应用于药物输运,细胞造影等生物医学领域,相比于层层自组装方法制备的高分子微球,本发明人选用壳聚糖聚丙烯酸复合物作为纳米微粒的核,具有制备过程简单,产率高,成本低,易于表面功能化等诸多优势。该复合物微球中,壳聚糖主要存在于外球壳部分,利用壳聚糖表面未被戊二醛交联的部分自由氨基与巯基乙酸的羧基缩合,实现表面巯基化,然后与新鲜的金种子溶液作用,获得表面吸附一定量微小金纳米微粒的高分子纳米微球,完整的金纳米壳层则是以一定量的该高分子纳米微球表面的微小金纳米微粒作为晶核,以抗坏血酸作为还原剂,在水溶液中还原氯金酸或硝酸银制得,其中选取抗坏血酸作为还原剂具有以下三个优点:
(1)抗坏血酸,即为维生素C,作为必要的物质,参与到人体日常的生理代谢当中,选择其作为还原剂,避免了由于微量的还原剂残留造成的细胞毒性。
(2)抗坏血酸对氯金酸的还原反应选择性的发生在晶核表面,避免了金异相成核形成自由粒子,这一点通过产物紫外吸收光谱中510-530nm处(金的特征吸收位置)无明显吸收峰得以验证。
(3)为了控制获得产物的均匀性,控制还原反应的速度是关键,抗坏血酸还原能力适中,即可减少过快还原引入的自由粒子,又可以避免还原反应过慢导致的循环生长。
本发明的优良效果:
(1)采用了一种生物相容性好,还原能力适中的生物小分子为还原剂,避免了由于细胞毒性反应物残留造成在生物医学领域应用的障碍。
(2)反应步骤简便,可重复性高,一步还原过程很好解决了传统合成中循环生长带来的粒子分散度差,费时且成本较高等问题。
(3)选用壳聚糖聚丙烯酸复合物为内核,很好地保证了低细胞毒性的同时,有效利用了作为内核的高分子微球对药物的负载能力,为多功能的生物医学领域应用打下了基础。
附图说明
图1壳聚糖聚丙烯酸核—贵金属壳复合纳米微球的X射线光电子能谱图(a.实施例一,b.实施例二,c.实施例三,d.实施例4);
图2壳聚糖聚丙烯酸核—贵金属壳复合纳米微球的紫外吸收光谱(a.实施例一,b.实施例二,c.实施例三,d.实施例4);
图3壳聚糖聚丙烯酸核—贵金属壳复合纳米微球的的透射电镜照片(a.实施例一,b.实施例二,c.实施例三,d.实施例4)。
图4为负载阿霉素的复合纳米微球的体外药物释放曲线。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步说明,并非限于本发明的范围。
实施例一:
将0.25g的壳聚糖(分子量为1万和脱乙酰度为95%)和0.12g的丙烯酸溶于25mL的蒸馏水中,待其完全溶解后,升温至80℃,加入0.05g的过硫酸钾引发丙烯酸聚合(聚丙烯粘均分子量为6000)。当体系出现乳白色时,将体系冷却至室温,之后加入0.1mL的戊二醛来选择性的交联壳聚糖,即得到壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球的乳液。纳米微球的平均粒径为50~70 nm,聚丙烯酸的含量为50%。
而后制备金种子水溶液。将2mL 0.01mM氯金酸水溶液加入到70mL 0.011mM 氢氧化钠溶液中混匀后,加入5mL 四羟甲基氯化磷(质量分数0.948%),磁力搅拌过夜后,在4°C冰箱中保存。
取1mL壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球乳液,加入到10mL双蒸水中,混合均匀后滴入20L巯基乙酸,静置6 h,而后离心纯化,弃去上清液,将黄色沉淀重新分散于5mL双蒸水中。取2mL的沉淀分散液,加入到10mL双蒸水中,最后再加入1mL新制的金种子溶液,磁力搅拌条件下反应2天后,将溶液在4000rpm速度下离心10分钟,弃去上清液,将所得的酒红色沉淀重新分散在5mL双蒸水当中,取500L表面修饰金纳米颗粒的复合物高分子微球分散液加入到5mL双蒸水中,而后加入500L 0.01mM氯金酸溶液,待体系均匀混合后,迅速加入30L 0.1mM抗坏血酸水溶液,整个还原反应进行10分钟后,3000rpm速度下离心10分钟,弃去上清液,产物在50°C烘箱中静置,水分蒸干后,即得到壳聚糖-聚丙烯酸—金核—壳结构纳米微球,即表层覆盖有贵金属壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球。其中金壳的厚度为8~10nm(如图3a)。
上述的表层覆盖有金壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球,采用X射线光电子能谱仪对其表面组成进行分析(图1a),在其X射线吸收谱图中83.48ev及87.18ev处的吸收峰分别对应Au4f7/2, Au4f5/2轨道电子的吸收,证明了产物中,金处于纳米微球的表面位置。采用紫外吸收光谱仪进行分析(图2a),在830nm~900nm间具有最强吸收,金纳米颗粒的紫外特征吸收位置一般在510nm~530nm之间,而选取壳聚糖聚丙烯酸复合物作为介电体核,通过控制内核半径与纳米壳层厚度之比,使得金的紫外吸收位置发生了红移,获得了在近红外区域具有强烈吸收的稳定的复合物纳米颗粒。
实施例二:
将0.3g的壳聚糖(分子量为40万和脱乙酰度为85%)和0.1g的丙烯酸溶于25mL的蒸馏水中,待其完全溶解后,升温至80℃,加入0.05g的过硫酸钾引发丙烯酸聚合(聚丙烯粘均分子量为10000)。当体系出现乳白色时,将体系冷却至室温,之后加入0.1mL的戊二醛来选择性的交联壳聚糖,即得到壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球的乳液。纳米微球的平均粒径为200~250 nm,聚丙烯酸的含量为28%。
取1mL壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球乳液,加入到10mL双蒸水中,混合均匀后滴入100L巯基乙酸,静置10 h,而后离心纯化,弃去上清液,将黄色沉淀重新分散于5mL双蒸水中。取2mL的沉淀分散液,加入到10mL双蒸水中,最后再加入1mL新制的金种子溶液,磁力搅拌条件下反应2天后,将溶液在4000rpm速度下离心10分钟,弃去上清液,将所得的酒红色沉淀重新分散在5mL双蒸水当中,取500L表面修饰金纳米颗粒的复合物高分子微球分散液加入到5mL双蒸水中,而后加入1 mL 0.01mM氯金酸溶液,待体系均匀混合后,迅速加入40L 0.1mM抗坏血酸水溶液,整个还原反应进行25分钟后,4000rpm速度下离心10分钟,弃去上清液,产物在50oC烘箱中静置,水分蒸干后,即得到表层覆盖有贵金属壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球。其中金壳的厚度为12~15nm(如图3b).
上述的表层覆盖有金壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球,采用X射线光电子能谱仪对其表面组成进行分析(图1b),在其X射线吸收谱图中83.48ev及87.18ev处的吸收峰分别对应Au4f7/2, Au4f5/2轨道电子的吸收,证明了产物中,金处于纳米微球的表面位置。采用紫外吸收光谱仪进行分析(图2b),在700nm~800nm间具有最强吸收,而选取壳聚糖聚丙烯酸复合物作为介电体核,通过控制内核半径与纳米壳层厚度之比,使得金的紫外吸收位置发生了红移,获得了在近红外区域具有强烈吸收的稳定的复合物纳米颗粒。
实施例三:
将0.5g的壳聚糖(分子量为20万和脱乙酰度为70%)和0.1g的丙烯酸溶于25mL的蒸馏水中,待其完全溶解后,升温至80℃,加入0.05g的过硫酸钾引发丙烯酸聚合(聚丙烯粘均分子量为40000)。当体系出现乳白色时,将体系冷却至室温,之后加入0.1mL的戊二醛来选择性的交联壳聚糖,即得到壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球的乳液。纳米微球的平均粒径为400~500 nm,聚丙烯酸的含量为20%。
取1mL壳聚糖聚丙烯酸复合纳米微球乳液,加入到10mL双蒸水中,混合均匀后滴入200L巯基乙酸,静置24 h,而后离心纯化,弃去上清液,将黄色沉淀重新分散于5mL双蒸水中。取2mL的沉淀分散液,加入到10mL双蒸水中,最后再加入1mL新制的金种子溶液,磁力搅拌条件下反应2天后,将溶液在4000rpm速度下离心10分钟,弃去上清液,将所得的酒红色沉淀重新分散在5mL双蒸水当中,取500L表面修饰金纳米颗粒的复合物高分子微球分散液加入到5mL双蒸水中,而后加入L 0.01mM氯金酸溶液,待体系均匀混合后,迅速加入50L 0.1mM抗坏血酸水溶液,整个还原反应进行50分钟后,5000rpm速度下离心10分钟,弃去上清液,将产物重新分散在双蒸水中,得到墨蓝色溶液,即表层覆盖有贵金属壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球乳液。其中金壳的厚度为20~25nm(如图3c).
上述的表层覆盖有金壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球,采用X射线光电子能谱仪对其表面组成进行分析(图1c),在其X射线吸收谱图中83.48ev及87.18ev处的吸收峰分别对应Au4f7/2, Au4f5/2轨道电子的吸收,证明了产物中,金处于纳米微球的表面位置。采用紫外吸收光谱仪进行分析(图2c),在630nm~950nm间具有最强吸收,因此选取壳聚糖聚丙烯酸复合物作为介电体核,通过控制内核半径与纳米壳层厚度之比,使得金的紫外吸收位置发生了红移,获得了在近红外区域具有强烈吸收的稳定的复合物纳米颗粒。
实施例四:
将0.3g的壳聚糖(分子量为10万和脱乙酰度为85%)和0.1g的丙烯酸溶于25mL的蒸馏水中,待其完全溶解后,升温至80℃,加入0.05g的过硫酸钾引发丙烯酸聚合(聚丙烯粘均分子量为10000)。当体系出现乳白色时,将体系冷却至室温,之后加入0.1mL的戊二醛来选择性的交联壳聚糖,即得到壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球的乳液。纳米微球的平均粒径为200~250 nm,聚丙烯酸的含量为35%。
取1 mL壳聚糖聚丙烯酸复合物水溶液,加入到5mL双蒸水中,混合均匀后滴入30L巯基乙酸,静置20h,而后离心纯化,弃去上清液,将黄色沉淀重新分散于10mL双蒸水中。取5mL的沉淀分散液,加入到10mL双蒸水中,最后再加入2mL新制的金种子溶液,磁力搅拌条件下反应1天后,将溶液在6000rpm速度下离心10分钟,弃去上清液,将所得的酒红色沉淀重新分散在10mL双蒸水当中,取2mL表面修饰金纳米颗粒的复合物高分子微球分散液加入到10mL双蒸水中,而后加入600L 0.01mM硝酸银溶液,待体系均匀混合后,迅速加入50L 0.1mM抗坏血酸水溶液,整个还原反应进行20分钟后,4000rpm速度下离心10分钟,弃去上清液,产物在50°C烘箱中静置,水分蒸干后,即得到表层覆盖有银的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球。其中银壳的厚度为8~10nm(如图3d)。
上述的表层覆盖有银壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球,采用X射线光电子能谱仪对其表面组成进行分析(图1d),在其X射线吸收谱图中368Kev及374ev处的吸收峰分别对应Ag3f3/2, Ag3f5/2轨道电子的吸收,证明了产物中,银处于纳米微球的表面位置。采用紫外吸收光谱仪进行分析(图2d),在700nm~100nm间具有最强吸收,因此选取壳聚糖聚丙烯酸复合物作为介电体核,通过控制内核半径与纳米壳层厚度之比,使得银的紫外吸收位置发生了红移,获得了在近红外区域具有强烈吸收的稳定的复合物纳米颗粒。
实施例五:
取实施例2制得的纳米微粒100 mg,分散在生理盐水中,再向其中加入抗癌药物盐酸阿霉素 10 mg,搅拌溶解后,静置24小时,超速离心分离后,取沉淀物在37℃,pH为7.4的生理盐水中测定药物的释放曲线(图4)。在此条件下,药物的包覆率为85%,从释放曲线可以看出,负载的药物在0~15小时里缓慢释放。
实施例六:
表面覆盖有贵金属(金或银的)壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球,不仅可以吸收和散射近红外光,还可以将吸收的光能转化为热能,用于热疗。取实施例1制得的覆盖有金壳的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球、普通的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球和金纳米粒子分别与BGC 823细胞共培养2小时,然后将细胞暴露在波长为808纳米,强度为2W/cm2的激光下照射2分钟,最后用0.4%的台盼兰溶液染死细胞,以判断热疗的效果。统计结果表明与覆盖有金壳的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球、普通的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球和金纳米粒子三种纳米微粒共培养的细胞,经相同的激光照射后,细胞死亡率分别为90%,5%和40%,表明本专利制得的贵金属的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球具有很好的热疗效果。
Claims (3)
1.一种表层覆盖有贵金属壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球,其特征是:它是平均粒径为80 nm~500nm,贵金属壳层的厚度为8 nm~25nm,壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球中壳聚糖的粘均分子量为10000-400000,脱乙酰度为70-95%,聚丙烯酸的数均分子量为6000~40000,聚丙烯酸含量为20-50%,以壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球为核,贵金属为壳的复合纳米微球,所述的贵金属为金或银。
2.一种制备权利要求1所述表层覆盖有贵金属壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球的方法,其特征是它包括以下步骤:
步骤1. 壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球的制备:
将计量的的壳聚糖和丙烯酸溶于的蒸馏水中,待其完全溶解后,升温至40-60 ℃,加入引发剂过硫酸钾,引发丙烯酸聚合,当体系出现乳白色时,将体系冷却至室温,加入戊二醛选择性地交联壳聚糖,即得到壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球的乳液;
步骤2. 金种子溶液的制备:
将2mL 0.01mM氯金酸水溶液加入到70mL 0.011mM 氢氧化钠溶液中混匀后,加入5mL 四羟甲基氯化磷(质量分数0.948%),磁力搅拌过夜后得金种子溶液;
步骤3. 表面吸附金纳米微粒的壳聚糖聚丙烯酸复合物纳米微球的制备:
取1mL步骤1制得的壳聚糖聚丙烯酸复合物水溶液,加入到10mL双蒸水中,混合均匀后滴入20 L巯基乙酸,静置24h,而后离心纯化,弃去上清液,将黄色沉淀重新分散于5mL双蒸水中;取2mL的上述的沉淀分散液,加入到10mL双蒸水中,最后再加入1mL步骤2新制的金种子溶液,磁力搅拌条件下反应2天后,将溶液在4000rpm速度下离心10分钟,弃去上清液,即得表面吸附金纳米微粒的壳聚糖-聚丙烯酸复合物纳米微球;
步骤4. 表层覆盖有贵金属壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球的制备:
3.权利要求1所述的表层覆盖有贵金属壳层的壳聚糖-聚丙烯酸复合纳米微球的用途,其特征是作为药物的载体或热疗的材料。
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