CN104027806A - 一种修饰CuS纳米粒子的介孔二氧化硅包覆四氧化三锰的纳米材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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本发明公开了一种修饰CuS纳米粒子的介孔二氧化硅包覆四氧化三锰的纳米材料(Mn3O4mSiO2CuS)及其制备方法和应用，该材料的粒径在70nm左右，修饰的光敏剂分子亚甲基蓝(MB)在632.8nm的激光激发下可以产生单线态氧，可杀死癌细胞，而CuS在980nm的照射下可以产生热量更有效地杀死癌细胞。在细胞层次的实验中，该材料具有良好的生物相容性，在治疗过程中光热疗和光动力治疗协同作用可以有效地杀死癌细胞。该材料有望作为一种结合诊断和治疗的多功能材料在纳米医学领域得到进一步研究和应用。

Description

一种修饰CuS纳米粒子的介孔二氧化硅包覆四氧化三锰的纳米材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种修饰CuS纳米粒子的介孔二氧化硅包覆四氧化三锰的纳米材料(Mn3O4mSiO2CuS)及其制备方法和应用，属于有机无机纳米复合材料领域。
背景技术
磁性纳米材料在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。磁性纳米颗粒在靶向药物传输、生物分子分离和检测、生物成像等方面的应用也是当前生物医学领域的热门研究课题，有的已步入临床试验。MRI可对人体各部位多角度、多平面成像，其分辨力高，能客观具体地显示人体内的解剖组织及相邻关系，对病灶能很好地进行定位定性。MRI对全身各系统疾病的诊断，尤其是肿瘤的早期诊断有很大的价值。氧化锰纳米粒子可作为T1造影剂，提高病灶与周围组织的对比度。
介孔二氧化硅纳米材料自2001年首次报道作为药物载体以来，这类材料以其灵活的合成方法、独特的介孔结构、较高的比表面积、良好的生物相容性以及易于表面功能化等特性，在生物医学方面受到了关注。特别是作为多功能诊治平台，即可用作药物输送载体装载各种化学药物、生物大分子、基因，又复合了磁性、荧光等性能，可同时用于疾病的诊断和治疗，因此受到越来越多的关注。
光动力疗法(Photodynamic Therapy，PDT)是利用光动力效应进行疾病治疗的一种新技术。其作用基础是光动力效应。这是一种有氧分子参与的伴随生物效应的光敏化反应。当特定波长的激光照射使组织吸收的光敏剂受到激发，而激发态的光敏剂又把能量传递给周围的氧，生成活性很强的单线态氧，单线态氧和相邻的生物大分子发生氧化反应，产生细胞毒性作用，进而导致细胞受损乃至死亡。到目前为止，已有多个医院在临床上采用光动力疗法对肿瘤进行治疗，此外还有很多其他单位正在进行这方面的研究。
光热转换的纳米材料是一种能吸收某种光特别是近红外光，通过等离子体共振或者能量跃迁带产生的热，从而在局部导致高温，最终杀死肿瘤细胞的功能材料。近红外光热转化材料由于能将近红外光转换成高热而倍受青睐，在生物应用上成为研究热点。很多生物材料学者致力于合成这种材料，将它应用于光热治疗等。传统的有机化合物，如吲哚菁绿和聚苯胺，其缺点是低光热转换率和严重光漂白。目前已有多种无机纳米材料，如碳纳米材料(碳纳米管，石墨烯，还原性石墨烯)、贵金属纳米材料(金、钯等)、硫化铜纳米材料等，已被发现具有良好的光热转化效果和光热稳定性，有望用于光热治疗。
本发明制备了一种介孔二氧化硅包覆的四氧化三锰修饰了光热材料CuS纳米粒子(Mn3O4mSiO2CuS)，在纳米粒子的介孔孔道中载入光敏剂分子MB，可用于光动力学治疗。该发明所得材料是结合了核磁造影剂、光热治疗、光动力治疗及其协同作用的多功能纳米材料。该材料的粒径在70nm左右，修饰的光敏剂分子MB在632.8nm的激光激发下可以产生单线态氧；CuS在980nm照射下可以产生热量，可杀死癌细胞。在细胞层次的实验中，该材料具有良好的生物相容性，在治疗过程中光动力和药物的协同作用可以有效地杀死癌细胞。本发明方法简单具有绿色化学合成的优点，而且结合了的前期诊断和治疗结合的效果。
发明内容
本发明的目的是制备一种修饰CuS纳米粒子的介孔二氧化硅包覆四氧化三锰的纳米材料(Mn3O4mSiO2CuS)，以有效地结合光热治疗和光动力治疗的功能，同时提供一种磁共振造影剂。
本发明的目的是这样实现的：
一种修饰CuS纳米粒子的介孔二氧化硅包覆四氧化三锰的纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将Mn(NO3)2水溶液加入油胺中，于密封反应釜中200℃反应5h，取所得Mn3O4沉淀用乙醇洗涤2-3次，溶于氯仿中；
(2)取步骤(1)所得Mn3O4的氯仿溶液加入十六烷基三甲基溴化铵的水溶液中，搅拌2-3h，得乳剂，加热到65-70℃，蒸干氯仿，得透明溶液；
(3)步骤(2)所得溶液通过0.22μm滤膜滴加到65-70℃的NaOH溶液中；
(4)先后滴加正硅酸四乙酯、乙酸乙酯和3-氨基丙基-三乙氧基硅烷至步骤(3)所得溶液中，维持65-70℃反应2h，待其自然冷却至室温，离心，洗涤2-3次，得Mn3O4mSiO2-NH2，最后分散于乙醇中；
(5)向步骤(4)所得溶液中加入硝酸铵的无水乙醇溶液，加热至65-70℃，搅拌1-2h，自然冷却至室温，离心洗涤2-3次，分散于水中；
(6)制备CuS纳米粒子：将CuCl2·2H2O和柠檬酸钠溶于水中，得到A溶液；将Na2S·9H2O溶于二次水中，得到B溶液，将B滴加到A中，加热至75-80℃维持10-15min后，冰浴冷却，得CuS纳米颗粒水溶液，置于4℃环境中保存；
(7)制备Mn3O4mSiO2CuS：步骤(6)所得溶液滴加至步骤(5)所得溶液中，反应40-60min后，离心分离，水洗2-3次，最后分散于二次水中。
步骤(1)中Mn(NO3)2水溶液的浓度为50wt％，其与油胺的体积比为1:8-10。
步骤(3)中的NaOH溶液pH值为9。
步骤(4)中按照6:30:2的体积比滴加正硅酸四乙酯、乙酸乙酯和3-氨基丙基-三乙氧基硅烷。
上方法制备的修饰CuS纳米粒子的介孔二氧化硅包覆四氧化三锰的纳米材料，其特征在于，20nm左右的四氧化三锰纳米粒子外包裹厚度为20nm左右的介孔二氧化硅，二氧化硅外层修饰6nm左右的CuS纳米粒子，可用于亲水性的光敏剂分子MB的负载和用作磁共振造影剂。
本发明通过溶剂热法制备油溶性的四氧化三锰纳米粒子，再通过溶胶凝胶法包覆介孔二氧化硅，其表面有大量的氨基可以与柠檬酸钠稳定的CuS通过正负电性的结合而修饰上CuS纳米粒子。在介孔二氧化硅的孔道中可以装载亲水光敏剂MB，从而实现了核磁造影、光动力治疗、光热治疗及其协同作用的多功能诊断与治疗的结合。
本发明的要点：利用介孔二氧化硅包裹的磁性纳米粒子四氧化三锰，在其表面修饰光热材料CuS，利用介孔二氧化硅的孔道装载MB。该材料合成尺寸控制于70nm，尺寸均一，分散性良好，具有良好的生物相容性。本方法制备的纳米粒子采用溶剂热法，将硝酸锰溶液混合于油胺放在烘箱中反应。介孔二氧化硅的包裹采用的是溶胶凝胶法，首先是用CTAB将油溶性纳米粒子改善成水溶性纳米粒子，然后用氢氧化钠调节溶液的pH至弱碱性9左右，再滴加正硅酸乙酯和乙酸乙酯，乙酸乙酯在其中的作用是抑制正硅酸乙酯的水解，最后再加入带有氨基的3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APS)。加入APS的作用是在二氧化硅的表面修饰氨基后便于CuS和PEG的修饰。
本发明的优点：首先制备纳米粒子的方法以往有热解有机金属前驱体、热注射法、高分热解法等等，但是如何在相对温和的条件下发展绿色的合成路线还是有重要的意义。该方法就是一种简单，绿色的制备方法。在纳米粒子表面修饰具有良好生物相容性的介孔二氧化硅后，其表面可以修饰一种光热转换纳米材料CuS，并且在介孔二氧化硅的孔道载入新型光敏剂分子MB。因此该材料具有核磁成像、光热治疗和光动力治疗等多功能，是一种全新的多功能材料。
附图说明
图1Mn3O4以及Mn3O4mSiO2的XRD谱图。
图2Mn3O4纳米粒子的透射电镜图。
图3(a)Mn3O4mSiO2的FESEM图、(b)Mn3O4mSiO2的TEM图、(c)CuS的TEM图和(d)Mn3O4mSiO2CuS的TEM图。
图4CuS溶液的紫外可见吸收(左)以及离心洗涤CuS上清液的紫外可见吸收(右)。
图5Mn3O4mSiO2和Mn3O4mSiO2CuS的紫外可见吸收对比。
图6不同浓度Mn3O4mSiO2CuS在980nm光照前后的紫外可见吸收。
图7不同浓度Mn3O4mSiO2CuS在980nm的光照下的光热升温曲线。
图8Mn3O4mSiO2CuS/MB在632.8nm激光照射下产生单线态氧的检测。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明进一步阐明：
实施例1：Mn3O4mSiO2CuS的合成：
1)容量为10mL的聚四氟乙烯内村，加入8mL的油胺，取1mLMn(NO3)2(50％)水溶液逐滴加入油胺中，边加边搅拌，随后将反应釜密封置于200℃氛围中反应5h，冷却至室温后倒出上层液体，得到的纳米材料沉在反应釜底部。用乙醇洗涤2～3次。溶于有机溶剂氯仿(CHCl3)中保存。
通过图1和图2可以说明制备的纳米粒子为Mn3O4纳米粒子，并且油溶性的纳米粒子分散性良好。
2)上述纳米粒子由油溶性改为水溶性：配制0.055M十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，称取200mg的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，溶于10mL H2O。
3)取浓度为20mg·mL-1的Mn3O4/CHCl3溶液1mL，逐滴加入到(2)溶液中，搅拌2～3h，至白色乳剂。然后将白色乳剂加热到70℃，维持10min，蒸干氯仿，形成黄色透明溶液。
4)在250mL三颈烧瓶中加入80mL水，再加入200μL2M NaOH溶液，搅拌均匀，加热至70℃，将(3)中溶液通过220nm滤膜滴加到上述溶液中。
5)滴加0.8mL的正硅酸四乙酯到(4)中，随后加入4.0mL的乙酸乙酯，10min后加入0.2mL3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APS)。维持60℃，搅拌过夜。待其自然冷却至室温。通过离心洗涤数次，最后分散于20mL乙醇中备用。
6)称取30mg硝酸铵溶于50mL无水乙醇，将上述溶液加入，加热至60℃，搅拌2h。自然冷却至室温。离心洗涤数次。重复2-3遍。
7)17mg CuCl2·2H2O和20mg柠檬酸钠溶于100mL H2O中，得到A溶液；24mg Na2S·9H2O溶于2mL水中，得到B溶液，将B滴加到A中，加热80℃维持10min后，冰浴冷却，置于4℃环境中保存。得到水溶性的CuS。
8)在10mL的Mn3O4mSiO2溶液中，滴加3-5mL的CuS溶液反应40min后，13000r/min离心10min后，水洗2-3次。最后分散于10mL二次水中。
9)称取38mg EDC，58mg NHS和6mg PEG溶于DMSO，半个小时后加入20mg步骤8)所得纳米粒子。避光反应12h。反应完成后13000r/min离心分离，洗涤数次。
10)将步骤9)所得材料密封在透析袋中，放在PBS中透析72h。
从图1可以看出制备的油溶性Mn3O4纳米粒子的XRD与标准卡片相吻合。Mn3O4mSiO2的XRD图有二氧化硅的峰出现。
从图2可以看到，Mn3O4mSiO2的核的尺寸是20nm左右，氧化硅壳层的厚度是20nm左右。
从图3可以看出CuS的粒径在6nm左右，通过Mn3O4mSiO2CuS的TEM可以看出CuS可以均匀地修饰在Mn3O4mSiO2表面。
从图4可以看出制备的CuS在近红外区域有较宽泛的吸收峰，但是离心的上清液虽然有颜色，但是几乎没有吸收。
从图5可知，Mn3O4mSiO2CuS在近红外区域仍然有较宽泛的吸收峰。
从图6可知，近红外激光照射后Mn3O4mSiO2CuS的紫外-可见近红外吸收没有发生明显变化。
从图7可知，Mn3O4mSiO2CuS能将所吸收的近红外光转化为热。随着照射时间的延长，溶液温度升高；在相同照射时间下，溶液浓度增大，温度升高。
实施例2：
单线态氧的检测：
称取16.5mg的二甲基蒽(DMA)，配制的溶液浓度为20mM。把DMA溶液分别加入到含有Mn3O4mSiO2CuS/PEG或Mn3O4mSiO2CuS/PEG/MB溶液中，形成最终的浓度为20μM。混合的溶液用632.8nm He-Ne的激光器(80mW·cm-2，HT-150，南京来创科技有限公司)去照射。DMA的荧光降低强度是作为单线态氧生成的标志，其检测用360nm激发，发射光谱的波长扫描范围为380-550nm。所有的样品检测前需要用摇匀，并且保证激光照射到全部的样品。亚甲基蓝(MB)是一种水溶性的吩噻嗪衍生物。MB是一个有前途的光敏剂，在632.8nm激光照射下，能产生单线态氧，因此可用于光动力学疗法。将MB封装于纳米颗粒是提高其光动力学效率并保护其免受环境影响而失活一种可行的方法。从图8可知，Mn3O4mSiO2CuS/PEG/MB在激光照射下能够产生单线态氧，而且随着照射时间延长，单线态氧的量增加。

Claims (7)

1.一种修饰CuS纳米粒子的介孔二氧化硅包覆四氧化三锰的纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将Mn(NO3)2水溶液加入油胺中，于密封反应釜中200℃反应5h，取所得Mn3O4沉淀用乙醇洗涤2-3次，溶于氯仿中；
(2)取步骤(1)所得Mn3O4的氯仿溶液加入十六烷基三甲基溴化铵的水溶液中，搅拌2-3h，得乳剂，加热到65-70℃，蒸干氯仿，得透明溶液；
(3)步骤(2)所得溶液通过0.22μm滤膜滴加到65-70℃的NaOH溶液中；
(4)先后滴加正硅酸四乙酯、乙酸乙酯和3-氨基丙基-三乙氧基硅烷至步骤(3)所得溶液中，维持65-70℃反应2h，待其自然冷却至室温，离心，洗涤2-3次，得Mn3O4mSiO2-NH2纳米粒子，最后分散于乙醇中；
(5)向步骤(4)所得溶液中加入硝酸铵的无水乙醇溶液，加热至65-70℃，搅拌1-2h，自然冷却至室温，离心洗涤2-3次，分散于水中；
(6)制备CuS纳米粒子：将CuCl2·2H2O和柠檬酸钠溶于水中，得到A溶液；将Na2S·9H2O溶于二次水中,得到B溶液，将B滴加到A中，加热至75-80℃维持10-15min后，冰浴冷却，得CuS纳米颗粒水溶液，置于4℃环境中保存；
(7)制备Mn3O4mSiO2CuS：步骤(6)所得溶液滴加至步骤(5)所得溶液中，反应40-60min后，离心分离，水洗2-3次，最后分散于二次水中。
2.权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中Mn(NO3)2水溶液的浓度为50wt％，其与油胺的体积比为1:8-10。
3.权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的NaOH溶液pH值为9。
4.权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中按照6:30:2的体积比滴加正硅酸四乙酯、乙酸乙酯和3-氨基丙基-三乙氧基硅烷。
5.权利要求书1-4任意一项所述方法制备的修饰CuS纳米粒子的介孔二氧化硅包覆四氧化三锰的纳米材料，其特征在于，20nm左右的四氧化三锰纳米粒子外包裹厚度为20nm左右的介孔二氧化硅，二氧化硅外层修饰6nm左右的CuS纳米粒子。
6.权利要求5所述的纳米材料用于亲水性的光敏剂分子亚甲基蓝(MB)的负载。
7.权利要求5所述的纳米材料用作磁共振造影剂和近红外光热转换试剂。
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