CN103341165B - 一种具有光热功能的Fe@Fe3O4纳米粒子及其制备方法和应用 - Google Patents
一种具有光热功能的Fe@Fe3O4纳米粒子及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有光热功能的FeFe3O4纳米粒子及其制备方法和应用，属于医学材料领域，其显著的特征是首先利用十八烯做溶剂，Fe(CO)5作为铁源，油胺为表面活性剂和稳定剂，高温热解法制备出分散性好的Fe纳米材料。继续在高温下加入(CH3)3NO使其在Fe纳米粒子表层氧化出一层Fe3O4壳层，然后利用配体交换法进行水溶性改善，从而得到磁化强度高的光热试剂FeFe3O4复合材料。该复合材料粒径均一、饱和磁化强度高、形貌可控，在水溶液中具有很好的分散性和稳定性。反应时间短,所需原材料易得，操作过程方便。该发明在原材料的基础上发展了在材料表面接PEG，故而使其能够应用于生物体内，提出了该材料在肿瘤光热治疗方面的应用。
Description
技术领域
本发明公开了一种具有光热功能的复合材料FeFe3O4纳米粒子，及其制备方法和在肿瘤光热治疗方面的应用。本发明属于磁性纳米材料、医学材料、近红外光热转换材料以及近红外热疗领域。
背景技术
光热治疗技术是一种重要的微创治疗技术，该技术是利用光热转换试剂将激光的光能转换为热能，从而达到以高温杀死细胞的目的。其特点有准确定位、杀死病变细胞或组织，而在众多的热疗技术中，近红外热疗更备受关注。目前，研究比较多的近红外光热转换试剂主要分为贵金属纳米材料，如金、钯不同形貌纳米材料等。碳材料，如碳纳米管、还原氧化石墨烯、氧化石墨烯等。有机化合物，如聚苯胺等。硫属铜基纳米材料、金属基光热材料等等。但是对于金、钯纳米结构材料具有很多内在的缺陷。比如，金、钯的近红外吸收主要来源于纳米结构的表面等离子共振效应，而表面等离子共振效应受纳米结构的形貌、大小以及周围介质的介电常数影响非常大，导致治疗效果不明显。碳纳米材料吸光系数较低，制备功能化条件较为复杂。而对于有机化合物，抗光漂能力差，长时间易光降解。
FeFe3O4磁性纳米粒子，具有独特的光学性质，较理想的近红 外吸收性能、高温快速离子传导性能等，因此具有广泛的用途。由于内核层0价态铁与外壳层3价态铁能带间的跃迁，使其在近红外区域有较好的吸收，因此可以作为一种较理想的光热转换材料。之前已有报道将金纳米材料用作光热试剂，也有较好的升温效果，但是其循环利用性比较差，而且成本也较高。钨纳米材料作为光热试剂虽有更好的升温效果，但毒性较大。最主要的是上述两种材料均为非磁性材料，无法通过磁靶向准确定位病灶。本发明则避免了以上问题。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种具有光热功能的复合材料FeFe3O4纳米粒子，这种纳米粒子能够有效治疗癌症的新型材料。治疗过程简单，治疗效果高效，材料能够很好的循环使用，材料毒副作用小，可以磁靶向定位病灶。
本发明主要提供了上述纳米粒子在肿瘤光热方面的应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有光热功能的复合材料FeFe3O4纳米粒子，通过氧键的强配位作用，使连接有聚乙二醇单羧酸的多巴胺与所述纳米粒子的表层结合。
具有光热功能的复合材料FeFe3O4纳米粒子的制备方法，其步骤包括：
1）制备油性纳米粒子：取十八烯20mL，放入三口圆底烧瓶中，然后量取油胺0.3mL，搅拌条件下，升温到180℃，快速注入0.7mL的Fe(CO)5，反应0.5h～6h，冷却至室温后，加入6-15mg的(CH3)3NO， 迅速升温至250℃，反应0.5h,自然冷却至室温，反应结束后，用乙醇洗涤5～6次，即可得到FeFe3O4油性纳米粒子；
2）改性：取聚乙二醇单羧酸200mg，N-羟基琥珀酰亚胺30mg，多巴胺10-15mg溶解于吡啶中，再加入30mg的1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐，在常温下磁力搅拌30min；然后加入到分散了FeFe3O4油性纳米粒子的正己烷溶液中，在摇床上摇过夜；无水乙醇离心3-5次后，即得到复合材料FeFe3O4纳米粒子。
步骤（2）中，FeFe3O4油性纳米粒子与正己烷的配比为80mg：5mL。
步骤（1）的反应在氮气或惰性气体的条件下进行。所述惰性气体为氖气。
本发明使用的溶剂为十八烯，较于其他溶剂，十八烯可作为反应中的一种良性溶剂。
本发明使用的油胺作为表面活性剂和稳定剂，可以使纳米粒子具有好的分散性和形貌。
本发明的FeFe3O4核壳纳米粒子可以将近红外光转换为热能。FeFe3O4核壳纳米粒子可以进行磁靶向定位。根据上述应用可以将FeFe3O4粒子用于制备诊断和治疗癌症的试剂。
本发明通过在氮气或惰性气体的条件下，利用十八烯做溶剂，Fe(CO)5作为铁源，油胺为表面活性剂和稳定剂，高温条件下制备出结晶度较好的Fe纳米材料。继续在高温下用(CH3)3NO作为氧化剂在Fe表面氧化出一层Fe3O4层，利用连接有聚乙二醇单羧酸的多巴胺作为配体进行水溶性改善，从而得到磁化强度高的光热效果明显的磁性纳米复合材料。该复合材料粒径均一、饱和磁化强度高、形貌可控， 在水溶液中具有很好的分散性和稳定性。
本发明根据文献.Am.Chem.Soc.2006,128,10676–10677，采用高温热解的方法制备了具有核壳结构的油溶性FeFe3O4磁性纳米粒子，该材料具有较好的吸光系数，能够较好地吸收近红外光；较大的饱和磁化率，能够磁靶向定位，另外，其在水溶液中具有良好的分散性，小的毒副作用，而本发明继续在原材料的基础上发展了在材料表面接PEG，故而使其能够应用于生物体内，提出了该材料在肿瘤光热治疗方面的应用。本研究合成方法简单，光热转换性能优良，而且价格便宜。
附图说明
图1为本发明中所制备的FeFe3O4纳米粒子低倍和高分辨TEM。
图2为本发明中所制备的FeFe3O4纳米粒子XRD图谱。
图3为本发明中所制备的FeFe3O4核壳纳米粒子的磁滞回线.
图4为光热转换升温效果图。
图5为水和同一浓度的溶液用不同功率密度的808纳米激光照射后的升温效果图。
图6为光热转换稳定性检测图。
图7为本发明中制备的FeFe3O4核壳纳米粒子光照前后吸光度值变化。
图8为本发明中制备的FeFe3O4核壳纳米粒子在不同浓度条件 下的细胞毒性测试。
图9为本发明中制备的FeFe3O4核壳纳米粒子在不同浓度条件下的细胞光热毒性测试。
图10为本发明中制备的FeFe3O4核壳纳米粒子作为一种光热试剂在动物体内的效果测试。
图11为本发明中制备的FeFe3O4核壳纳米粒子作为一种光热试剂在动物体内进行光热治疗后的肿瘤切片分析。其中，(A)注射纳米粒子、激光照射；(B)没有注射纳米粒子、激光照射；(C)没有注射纳米粒子、没有激光照射。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的特点。
实施例1：
取10mL十八烯，加入0.3mL油胺，搅拌。给装置排空气通氮气，再给反应物升温，温度升高到180℃，快速注入0.35mL Fe(CO)5，反应1h，然后加入6mg的(CH3)3NO，迅速升温至250℃，反应0.5h，反应结束后，离心分离。即可得到FeFe3O4核壳纳米球。改性时，取聚乙二醇单羧酸200mg，N-羟基琥珀酰亚胺30mg，多巴胺8mg溶解于吡啶中，加入30mg的1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐后常温下磁力搅拌30min，加入到FeFe3O4油性纳米材料中，在摇床上摇过夜，反应结束后，离心分离，将所得到的样品 分散于水中，利用0.5W/cm2808nm激光器，测试其光热转换性能。
实施例2：
取20mL十八烯，加入0.3mL油胺，搅拌。给装置排空气通氮气，再给反应物升温，温度升高到180℃，快速注入0.7mL Fe(CO)5，反应1h，然后加入6mg的(CH3)3NO，迅速升温至250℃，反应0.5h，反应结束后，离心分离。即可得到FeFe3O4核壳纳米球。改性时，取聚乙二醇单羧酸200mg，N-羟基琥珀酰亚胺30mg，多巴胺8mg溶解于吡啶中，加入30mg的1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐后常温下磁力搅拌30min，加入到FeFe3O4油性纳米材料中，在摇床上摇过夜，反应结束后，离心分离，将所得到的样品分散于水中，利用0.5W/cm2808nm激光器，测试其光热转换性能。
实施例3：
取20mL十八烯，加入0.3mL油胺，搅拌。给装置排空气通氮气，再给反应物升温，温度升高到180℃，快速注入0.7mL Fe(CO)5，反应0.5h，然后加入6mg的(CH3)3NO，迅速升温至250℃，反应0.5h，反应结束后，离心分离。即可得到FeFe3O4核壳纳米球。改性时，取聚乙二醇单羧酸200mg，N-羟基琥珀酰亚胺30mg，多巴胺8mg溶解于吡啶中，加入30mg的1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐后常温下磁力搅拌30min，加入到FeFe3O4油性纳米材料中，在摇床上摇过夜，反应结束后，离心分离，将所得到的样品分散于水中，利用0.5W/cm2808nm激光器，测试其光热转换性能。
实施例4：
取20mL十八烯，加入0.1mL油胺，搅拌。给装置排空气通氮气，再给反应物升温，温度升高到180℃，快速注入0.7mL Fe(CO)5，反应0.5h，然后加入6mg的(CH3)3NO，迅速升温至250℃，反应0.5h，反应结束后，离心分离。即可得到FeFe3O4核壳纳米球。改性时，取聚乙二醇单羧酸200mg，N-羟基琥珀酰亚胺30mg，多巴胺8mg溶解于吡啶中，加入30mg的1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐后常温下磁力搅拌30min，加入到FeFe3O4油性纳米材料中，在摇床上摇过夜，反应结束后，离心分离，将所得到的样品分散于水中，利用0.5W/cm2808nm激光器，测试其光热转换性能。
由图1的TEM电镜图中可以看出：FeFe3O4纳米粒子为明显的核壳结构，说明纳米粒子的核层和壳层是两种不同的物质。
由图2的XRD图谱可以看到晶态单质铁的（110）（200）晶面的衍射峰以及四氧化三铁的（111）（220）（311）（222）（400）（331）（422）（511）（440）（620）（533）（622）（444）晶面的衍射峰，说明了该纳米粒子是由晶态单质铁和四氧化三铁组成的。
本发明中所制备的油溶性纳米粒子经过改性后变为了在水溶液中分散性较好的水溶性纳米粒子。
由图3可以看出：饱和磁化率达80emu/g，具有较高的磁性。
图4为光热转换升温效果图。具体测试方法为将浓度分别为0 μg/mL，12.5μg/mL，37.5μg/mL，62.5μg/mL，87.5μg/mL，112.5μg/mL，137.5μg/mL，150μg/mL的本发明中所制备的FeFe3O4核壳纳米粒子水溶液均取0.2微升置于比色皿中，用波长为808纳米的激光照射器以0.5W/cm2的功率密度均照射500秒的时间，探测这一系列不同浓度的FeFe3O4核壳纳米粒子水溶液在这段时间中温度的升高值。实验结果表明随着FeFe3O4核壳纳米粒子水溶液浓度的增大，激光照射后溶液的升温效果越明显，说明了FeFe3O4核壳纳米粒子是一种高效的新型光热试剂。
图5为水和同一浓度的溶液用不同功率密度的808纳米激光照射后的升温效果图。具体测试方法为用功率密度分别为0.05W/cm2，0.1W/cm2，0.2W/cm2，0.3W/cm2，0.35W/cm2，0.4W/cm2，0.5W/cm2的波长为808纳米的激光照射器照射水和200微克每毫升的FeFe3O4核壳纳米粒子水溶液500秒的时间，分别记录他们的升高的温度值。由此可以说明，在同一功率密度的808激光器照射同一时间的条件下，FeFe3O4核壳纳米粒子水溶液较纯水溶液有明显的温度升高，证明了FeFe3O4核壳纳米粒子是升温效果明显的光热试剂。
图6为光热转换稳定性检测图。具体检测方法为将0.2微升的75微克每毫升的FeFe3O4核壳纳米粒子水溶液置于比色皿中，用波长为808纳米的激光照射器以0.5W/cm2的功率密度照射该溶液500秒，记录温度变化值，然后关掉激光器，让其自然冷却至起始温度，如此反复照射冷却重复五次，绘制出了光热转换稳定性检测图，证明了FeFe3O4核壳纳米粒子水溶液即使反复用激光照射，光热转换仍然 很稳定，具有较好的循环利用性。
图7为本发明中制备的FeFe3O4核壳纳米粒子光照前后吸光度值变化。从图中可以看出光照前后FeFe3O4核壳纳米粒子水溶液吸光度值基本无变化，说明了FeFe3O4核壳纳米粒子水溶液稳定性较好，不会在短时间内因为激光照射而出现明显的大面积团聚现象，可以应用于生物体内。
图8为本发明中制备的FeFe3O4核壳纳米粒子在不同浓度条件下的细胞毒性测试。该测试选用的细胞为人体宫颈癌细胞，测试时间为12小时，测试方法为MTT法，由测得的结果可知，浓度范围为40-200微克每毫升的FeFe3O4核壳纳米粒子对细胞没有直接的细胞毒性，12小时的细胞存活率均达到了90%以上，可以适用于生物体内。
图9为本发明中制备的FeFe3O4核壳纳米粒子在不同浓度条件下的细胞光热毒性测试。该测试选用的细胞为人体宫颈癌细胞，测试方法为MTT法，具体测试条件为：将浓度为0微克每毫升，20微克每毫升，50微克每毫升，100微克每毫升的FeFe3O4核壳纳米粒子水溶液加入到人体宫颈癌细胞中，在37℃的条件下在细胞培养箱中孵育4小时，然后用波长为808纳米的激光照射器以0W/cm2，0.1W/cm2,0.2W/cm2，0.3W/cm2，0.4W/cm2，0.5W/cm2的功率密度均照射10分钟，然后用MTT法检测细胞的存活率作图。由此证明随着纳米粒子浓度的增加，细胞存活率降低；随着激光照射功率密度的增加，细胞存活率也降低，相同功率密度的激光照射下，FeFe3O4 核壳纳米粒子水溶液较纯水溶液可以明显降低细胞的存活率，说明了FeFe3O4核壳纳米粒子在细胞层次上也有明显的光热效应，具有了作为一种应用于生物体内的光热试剂的潜力。
图10为本发明中制备的FeFe3O4核壳纳米粒子作为一种光热试剂在动物体内的效果测试。该测试中的动物为右前肢部位接种有人体宫颈癌肿瘤的无菌裸鼠，体重均为23g。该照片为小鼠的光热成像照片，照片中的两只小鼠，图10(A)和图10(C)为在右前肢肿瘤部位没有注射FeFe3O4核壳纳米粒子，图10(B)和图10(B)为在小鼠右前肢肿瘤部位注射FeFe3O4核壳纳米粒子，图10(A)和图10(B)为用波长为808纳米的激光照射器以0.5W/cm2的功率密度照射前，图10(C)和图10(D)为用波长为808纳米的激光照射器以0.5W/cm2的功率密度照射5分钟后，由照片中可以看出，在小鼠右前肢肿瘤部位注射了水溶性FeFe3O4核壳纳米粒子激光照射后温度明显上升，说明了FeFe3O4核壳纳米粒子可以在动物体内作为一种高效的光热试剂进行实际应用。
图11为本发明中制备的FeFe3O4核壳纳米粒子作为一种光热试剂在动物体内进行光热治疗后的肿瘤切片分析。该肿瘤切片为TUNEL染色。图11（A）为在小鼠肿瘤内注射FeFe3O4核壳纳米粒子进行光热治疗的肿瘤TUNEL染色切片，图11（B）为没有在小鼠肿瘤内注射FeFe3O4核壳纳米粒子但是进行光热治疗的肿瘤TUNEL染色切片，图11（C）为既没有在小鼠肿瘤内注射FeFe3O4核壳纳米粒子又没有进行光热治疗的肿瘤TUNEL染色切片。由这三张照片 可以明显看出注射了FeFe3O4核壳纳米粒子且进行光热治疗的肿瘤切片上大部分细胞都死亡，很好地说明了FeFe3O4核壳纳米粒子在小鼠肿瘤光热治疗中是一种性能优越的光热试剂，可以通过直接注射动物体内肿瘤处，令肿瘤快速升温，达到治疗的目的。
上述实施例用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围，在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种具有光热功能的复合材料FeFe3O4纳米粒子的制备方法，其特征在于：其步骤包括：
1)制备油溶性纳米粒子：取十八烯20mL，放入三口圆底烧瓶中，然后量取油胺0.3mL，搅拌条件下，升温到180℃，快速注入0.7mL的Fe(CO)5，反应0.5h～6h，冷却至室温后，加入6-15mg的(CH3)3NO，迅速升温至250℃，反应0.5h,自然冷却至室温，反应结束后，用乙醇洗涤5～6次，即可得到FeFe3O4油性纳米粒子；
2)改性：取聚乙二醇单羧酸200mg，N-羟基琥珀酰亚胺30mg，多巴胺10-15mg溶解于吡啶中，再加入30mg的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐，在常温下磁力搅拌30min；然后加入到分散了FeFe3O4油性纳米粒子的正己烷溶液中，在摇床上摇过夜；无水乙醇离心3-5次后，即得到复合材料FeFe3O4纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，FeFe3O4油性纳米粒子与正己烷的配比为80mg：5mL。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)的反应在氮气或惰性气体的条件下进行， 所述惰性气体为氖气。
4.权利要求1所述的制备方法制备的复合材料FeFe3O4纳米粒子，其特征在于：应用于制备诊断和治疗癌症的试剂。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |