CN103043724A - 一种氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料及其制备方法 - Google Patents

一种氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于纳米杂化材料技术领域，特别涉及一种氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料及其制备方法，将乙酰丙酮铁和乙酰丙酮锰分散在三甘醇溶液中制得三甘醇混合液，然后将该三甘醇混合液超声分散在氧化石墨烯三甘醇溶液中；将得到的混合液在边通入氮气边磁力搅拌的条件下加热、升温并回流，冷却后离心分离、洗涤即得样品。所述氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料可同时作为磁共振造影剂和药物的载体，并实现磁共振成像指导下的药物靶向释放治疗。同时基于该纳米杂化材料的药物传输体系可以在磁场的引导下到达并富集在病灶部位，这种磁靶向给药方式可以大大提高病变部位的药物浓度。

Description

一种氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米杂化材料技术领域，特别涉及一种氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料及其制备方法。
背景技术
目前，磁共振成像（MRI）技术已在生物、材料等科学领域，特别是医学领域获得了快速的发展和广泛的应用。MRI技术是现代医学中最重要的影像诊断手段之一，是继CT、B超等影像检查手段后又一新型的断层成像方法，而且MRI技术具有很高的组织分辨率和无放射损伤等优点。磁共振成像主要是利用生物体不同组织在外磁场的影响下产生不同的磁共振信号来成像，磁共振信号的强弱主要取决于组织内水的含量多少和水分子中质子的弛豫时间大小，可有效地检测组织坏死、局部缺血和各种恶性病变(如肿瘤)，并且能对疾病进行早期诊断，也能对器官移植等进行监测。随着临床上MRI的广泛应用，人们希望该技术能进一步提高对生物组织的分辨率，以显示一些较小的病变。这就需要进一步提高磁共振成像的对比度，使用造影剂便是人们的首选，可以提高核磁共振的对比度和清晰度。
如今，超过30%的MRI需要使用造影剂，所以一种好的造影剂，除了满足稳定性高、生物兼容性好等一般条件外，还应当满足以下四个方面要求:A、低毒：用于人体的MRI造影剂主要是通过静脉注射为给药方式，所以必须确保低毒。B、高弛豫效能：磁化率越高，越能提高MRI图像的对比相关。C、有组织、器官选择性或靶向性分布：造影剂的选择性分布是提高成像对比度的重要因素。D、易排出体外：在使用MRI造影后能及时排除体外，不至于在人体内积累。现在的造影剂的种类很多，通常可以分为顺磁性造影剂、铁磁性造影剂和超顺磁性造影剂。由于超顺磁性造影剂在人体内分布具有特异性，而且使用剂量少、安全、毒副作用小等优点成为人们关注的热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料，通过在单层氧化石墨烯表面原位均匀生长直径为4-7nm的磁性MnFe2O4纳米粒子，得到具有较高的饱和磁化率和T2弛豫系数的磁共振造影剂，并可实现药物靶向释放治疗的效果。
本发明的另一个目的是提供一种制备氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料，其特征在于：所述氧化石墨烯表面修饰有MnFe2O4纳米粒子，该MnFe2O4纳米粒子的粒径为4-7nm。
一种上述氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的制备方法，其步骤包括：
（1）将乙酰丙酮铁及乙酰丙酮锰超声分散在三甘醇中制得三甘醇混合液，接着将氧化石墨烯均匀分散在三甘醇中，最后将该三甘醇混合液超声分散在氧化石墨烯的三甘醇溶液中；
（2）将步骤（1）中得到的混合液在边通入氮气边搅拌的条件下加热、升温并回流，冷却后离心分离、洗涤即得样品。
所述步骤（1）中，三甘醇混合液中的及三甘醇的配比为1g：0.3-3g：50-200mL。优选的，三甘醇混合液中的乙酰丙酮铁、乙酰丙酮锰及三甘醇的配比为1g：0.3-0.5g：50-70mL。
所述步骤（1）中，氧化石墨烯三甘醇分散液中，氧化石墨烯在三甘醇溶液中的浓度为2.5-3.5g/mL。
所述步骤（1）中，乙酰丙酮铁、乙酰丙酮锰和氧化石墨烯的质量比为1：0.3-3:200-400。
所述步骤（1）中，将三甘醇混合液超声均匀分散在氧化石墨烯的三甘醇溶液中，超声处理的时间为10-20分钟。
所述步骤（2）中，将混合液在通入氮气和磁力搅拌的双重条件下加热至100℃-120℃，加热时间为1-1.5小时；然后将混合液升温至210℃-230℃，加热时间为2-2.5小时；最后将混合液持续升温至280℃-290℃后回流0.5-1.5小时。
所述步骤（2）中，混合液冷却至室温后离心分离，并用有机溶剂洗涤2-4次。优选的，有机溶剂为无水乙醇。
本发明所使用的氧化石墨烯是采用改良Hummers方法制备得到，并在单层氧化石墨烯上原位生长有磁性铁酸锰纳米粒子，该磁性铁酸锰纳米粒子是通过高温热解法原位沉积在氧化石墨烯表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、所述氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料表面均匀沉积有4-7nm的MnFe2O4纳米粒子，而且MnFe2O4纳米粒子的结晶度很好，该杂化材料非常的稳定。2、所述氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料可同时作为磁共振造影剂和药物的载体，可实现磁共振成像指导下的药物靶向释放治疗。同时基于该纳米杂化材料的药物传输体系可以在磁场的引导下到达并富集在病灶部位，这种磁靶向给药方式可以大大提高病变部位的药物浓度，且方法简单、易于控制。3、所述氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料在一个较宽的浓度范围内没有毒性，安全可靠。
附图说明
图1中，图1a是实施例1所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料透射电镜图，图1b是实施例1所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的高分辨透射电镜图。
图2是实施例1所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的粒径分布图。
图3是实施例1所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的XRD谱图。
图4是实施例1所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的X射线能量色散谱。
图5是实施例1所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的常温磁滞回线。
图6是实施例1所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的T1和T2弛豫率与铁离子浓度关系图（a）及相应的T2磁共振成像图（b）。
图7是实施例1所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的紫外吸光图谱。
图8是实施例1所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的对HeLa细胞的MTT毒性实验数据图。
图9是实施例1所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的衍射图谱。
图10为透射电镜图，其中10a为实施例2所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的透射电镜图，图10b为实施例3所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的透射电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步说明：
实施例1
（1）将0.177g乙酰丙酮铁和0.063g乙酰丙酮锰加入10mL的三甘醇（TEG）中，超声3分钟，使乙酰丙酮铁和乙酰丙酮锰均匀分散在三甘醇中。
（2）将60g氧化石墨烯均匀分散在20mL的三甘醇溶液中；
（3）将步骤（1）中所得的混合溶液均匀分散到步骤（2）中的氧化石墨烯的三甘醇溶液中，超声20分钟；
（4）将步骤（3）所得混合溶液倒入100mL的三颈烧瓶中，在通氮气及磁力搅拌的双重条件下，首先将混合液加热到110℃，加热1小时；然后将混合液升温至210℃，加热时间为2小时；再将混合液继续升温至280℃时回流1小时，停止搅拌，并冷却至室温，将反应物离心分离，用无水乙醇洗涤4次，得到黑色物质即为氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料。该纳米杂化材料能很好地分散在水溶液中，不能溶解在有机溶剂正己烷中，且该杂化材料的磁性很强。
实施例2
（1）将0.253g乙酰丙酮铁和0.706g乙酰丙酮锰加入12mL的三甘醇中，超声4分钟，使乙酰丙酮铁和乙酰丙酮锰均匀分散在三甘醇中。
（2）将60g氧化石墨烯均匀分散在18mL的三甘醇溶液中；
（3）将步骤（1）中所得的混合溶液均匀分散到步骤（2）中的氧化石墨烯的三甘醇溶液中，超声20分钟；
（4）将步骤（3）所得混合溶液倒入100mL的三颈烧瓶中，在通氮气及磁力搅拌的双重条件下，首先将混合液加热到110℃，加热1小时；然后将混合液升温至210℃，加热时间为2小时；再将混合液继续升温至280℃时回流1小时，停止搅拌，并冷却至室温，将反应物离心分离，用无水乙醇洗涤4次，得到黑色物质即为氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料。
实施例3
将乙酰丙酮铁0.127g和乙酰丙酮锰0.353g均匀分散在10mL的三甘醇溶液中，超声3分钟，其他制备条件同实施例1，制得氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料。
氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的性能表征：
1、氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的粒径分析
图1a为实施例1中所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的透射电镜图，图1b为所述杂化材料的高分辨透射电镜，从图中可见，MnFe2O4纳米粒子已经均匀地修饰在氧化石墨烯的表面。图2为MnFe2O4粒径分布图，从图中可知，MnFe2O4纳米粒子的平均尺寸约为5.0-5.5nm间。
图10a为实施例2所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的透射电镜图，图10b为实施例3所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的透射电镜图，从图中可以看出，随着乙酰丙酮铁和乙酰丙酮锰投料量的减少，原位修饰在氧化石墨烯上面的MnFe2O4纳米粒子密集程度也减小。
2、氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的晶相检测
图3a为氧化石墨烯的XRD图谱，图3b为实施例1中制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的XRD图谱。从图中可以看出，氧化石墨烯出现001晶面和100晶面，说明制备出来的氧化石墨烯片层较薄，相比较图3b中的其它衍射峰和尖晶石结构的MnFe2O4的标准数据吻合（JCPDS卡号：10-0319）。
3、氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的EDX能谱图
图4为实施例1中制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的EDX能谱图，从图中可以看出，该杂化材料中，Mn/Fe摩尔比约为1/2。
4、氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的磁化率测试
图5为实施例1中制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的磁滞回线图，从图中可以看出，该杂化材料具有超顺磁性，饱和磁化率为22.7emu/g。
5、氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的弛豫系数测试
图6为实施例1中制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的T1和T2弛豫率与铁离子浓度关系图(图6a)以及相应的T2磁共振成像图(图6b)。该杂化材料是在水溶液中不同Fe浓度下的造影效果，温度为常温，外加磁场为3.0T，从图中可以看出，弛豫系数r2与r1的比值为9.69，说明该杂化材料是一种很好的T2造影材料。
6、氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的载药量测试
图7为实施例1中制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的载药情况，在测试之前，溶液用PBS稀释12.5倍（取2mL的1mg/mL的DOX溶液稀释到25mL的容量瓶中，20mL载药后的上层清夜收集到250mL的容量瓶中）。根据标准曲线，计算出该纳米杂化材料的载药量为：320mg/g。
7、氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的毒性测试
图8为实施例1所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料对HeLa细胞的MTT毒性实验数据，由图中可见，当氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料和HeLa细胞共同孵育24小时后，细胞的存活率在该杂化材料的浓度高达200μg/mL时仍然超过80%。并且，在氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料浓度相同的情况下，12和24小时孵育时间所得的HeLa细胞存活率没有出现很大差异，数据表明，氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料在一个较宽的浓度范围内没有毒性。
8、氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的结晶情况测试
图9为实施例1所制备的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的衍射图谱，从图9中可以看出，原位修饰的MnFe2O4纳米粒子具有较好的结晶度。

Claims (10)

1.一种氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料，其特征在于：所述氧化石墨烯表面修饰有MnFe2O4纳米粒子，该MnFe2O4纳米粒子的粒径为4-7nm。
2.一种如权利要求1所述的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料的制备方法，其步骤包括：
（1）将乙酰丙酮铁及乙酰丙酮锰超声分散在三甘醇中制得三甘醇混合液，接着将氧化石墨烯均匀分散在三甘醇中，最后将该三甘醇混合液超声分散在氧化石墨烯的三甘醇溶液中；
（2）将步骤（1）中得到的混合液在边通入氮气边搅拌的条件下加热、升温并回流，冷却后离心分离、洗涤即得样品。
3.根据权利要求2所述的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，乙酰丙酮铁、乙酰丙酮锰和氧化石墨烯的质量比为1：0.3-3：200-400。
4.根据权利要求2所述的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，三甘醇混合液中的乙酰丙酮铁、乙酰丙酮锰及三甘醇的配比为1g：0.3-3g：50-200mL。
5.根据权利要求4所述的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，三甘醇混合液中的乙酰丙酮铁、乙酰丙酮锰及三甘醇的配比为1g：0.3-0.5g：50-70mL。
6.根据权利要求2所述的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，氧化石墨烯三甘醇溶液中，氧化石墨烯在三甘醇溶液中的浓度为2.5-3.5g/mL。
7.根据权利要求2所述的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，将三甘醇混合液超声均匀分散在氧化石墨烯的三甘醇溶液中，超声处理的时间为10-20分钟。
8.根据权利要求2所述的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，将混合液在通入氮气和磁力搅拌的双重条件下加热至100℃-120℃，加热时间为1-1.5小时；然后将混合液升温至210℃-230℃，加热时间为2-2.5小时；最后将混合液持续升温至280℃-290℃后回流0.5-1.5小时。
9.根据权利要求2所述的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，混合液冷却至室温后离心分离，并用有机溶剂洗涤2-4次。
10.根据权利要求7所述的氧化石墨烯/MnFe2O4纳米杂化材料制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为无水乙醇。
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