CN104888215A

CN104888215A - 包载金纳米棒的纤维膜及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN104888215A
Application number: CN201410082115.XA
Authority: CN
Inventors: 方晓红; 程茗; 王赫然; 许杉杉
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2015-09-09

Abstract

本发明公开了一种包载金纳米棒的纤维膜及其制备方法与应用。该包载金纳米棒的纤维膜，由PEG表面修饰的金纳米棒和纤维膜组成；所述金纳米棒均匀分布在所述纤维膜中。本发明是以PEG表面修饰的金纳米棒为基础，其极高的光热转换效率造成肿瘤部位局部高温，可以有效杀伤肿瘤细胞，并利用可降解的电纺纤维膜的高生物相容性作为金纳米棒的载体及手术后的恢复材料。由于电纺纤维膜可直接作用于患处，并且具有可根据组分比例调控释放的特点以达到缓释治疗的目的，来实现对于肿瘤手术后肿瘤复发的预防。

Description

包载金纳米棒的纤维膜及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于生物医疗器械领域，具体涉及一种包载金纳米棒的纤维膜及其制备方法与应用。

背景技术

光热疗法通过将光能转换为热能导致细胞死亡成为一种很有潜力的肿瘤治疗方式。因为肿瘤组织局部供血不足且不利于散热，肿瘤细胞对热损伤更加敏感。所以，与传统的具有严重副作用的化学疗法及放射疗法相比，光热疗法具有特异性杀伤肿瘤细胞而对附近正常细胞影响较小的优势。近来，随着等离子体纳米材料的发展，其很强的光吸收效率提升了光热治疗在局部热疗中的应用。在这类材料中，PEG表面修饰的金纳米棒（PEG-GNRs）具有近红外区卓越的光热转换效率,易于合成并控制尺寸形貌，以及低毒性的特点。有研究报道，除了其著名的在实体瘤中的高通透性及滞留效应之外，金纳米棒具有靶向肿瘤细胞线粒体而在正常细胞中可以代谢的特点，这进一步提高了其肿瘤选择性。并且，PEG-GNRs通过热疗杀死肿瘤细胞已经被许多在体实验证实。

然而，要将PEG-GNRs的热疗真正应用于肿瘤临床治疗，需要一个合适的释放载体。目前，金纳米棒或其他的光热转换材料通常通过静脉注射入体循环给药，导致了较高的剂量及肝脾蓄积的潜在危险。理想情况下，PEG-GNRs的运送系统应该满足一下条件：1）对肿瘤的局部给药；2）具有良好的生物相容性及生物降解性；3）对于PEG-GNRs的控制释放及可控加热。然而尚没有包埋纳米材料的生物降解膜用于肿瘤治疗的报道。另外，药物缓释策略虽已广泛应用于癌症治疗以及复发的预防，但还没有应用于金纳米棒等纳米材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种包载金纳米棒的纤维膜及其制备方法与应用。

本发明提供的包载金纳米棒的纤维膜，由PEG表面修饰的金纳米棒和纤维膜组成；

所述金纳米棒均匀分布在所述纤维膜中。

上述包载金纳米棒的纤维膜中，所述PEG的分子量为1kDa-10kDa，具体为2kDa；PEG做表面修饰，可提高其EPR效应及生物相容性；

所述金纳米棒的长径比为3-6，具体为5；长度为40-60纳米，具体为50纳米；直径为8-12纳米，具体为10纳米；

构成所述纤维膜的材料为重均分子量为1～30万的有机高分子，具体为重均分子量为20000-80000的有机高分子，更具体可为重均分子量为80000的聚乳酸-羟基乙酸共聚物或重均分子量为20000的聚（乳酸-乙二醇）共聚物；

其中，所述有机高分子选自聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚环氧乙烷（PEO）、聚乙烯醇（PVA）、聚乳酸（PLA）、聚（乳酸-乙二醇）共聚物（PLA-b-PEG）和聚己内酯（PCL）中的至少一种；

所述纤维膜的厚度为0.03-0.3厘米，纤维的直径为0.05-0.5μm，具体为0.1-0.12μm。

本发明提供的制备所述包载金纳米棒的纤维膜的方法，包括如下步骤：

1）将所述金纳米棒分散于有机溶剂中，超声后搅拌，得到金纳米棒的有机溶液；

2）将所述有机高分子溶于步骤1）所得金纳米棒的有机溶液中，得到纺丝液；

3）将步骤2）所得纺丝液注入注射器中进行静电纺丝，干燥后得到所述包载金纳米棒的纤维膜。

上述方法的步骤1）中，有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、丙酮、二氯甲烷和环己烷中的至少一种；

所述金纳米棒的有机溶液的浓度为1-1000μg/mL，具体为1-100μg/mL，更具体为1-50μg/mL，优选34.8μg/mL；

所述超声步骤中，功率为300-600W，具体为480W，时间为10-30分钟，具体为10-20分钟；所述搅拌步骤中，温度为室温，时间为1-6小时。

所述步骤2）中，所述有机高分子具体由聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)与聚（乳酸-乙二醇）共聚物组成；

所述聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)与聚（乳酸-乙二醇）共聚物（PLA-b-PEG）的质量比为70：30-100：0，具体为85：15、95：5、85-95：5-15，且所述聚（乳酸-乙二醇）共聚物（PLA-b-PEG）的质量不为0；

所述纺丝液中，有机高分子的质量百分浓度为30%-70%，具体为50%、60%或50-60%。

所述步骤3）中，所述注射器的针头的针孔内径为1-10mm，具体为2.6mm；纺丝电压为10-36kV，具体为20kV、25kV或20-25kV；推进速度为5-20μL/min，具体为10μL/min、12μL/min或10-12μL/min，接收距离为10-35cm，具体为20cm；

所述干燥步骤中，时间为24-100小时，具体为72小时或72-100小时。

另外，上述本发明提供的包载金纳米棒的纤维膜在制备抑制肿瘤产品中的应用，其中，所述肿瘤为肺癌、乳腺癌或宫颈癌；肺癌细胞具体可为A549肺癌细胞，乳腺癌细胞具体可为MCF-7乳腺癌细胞，宫颈癌细胞具体可为HeLa宫颈癌细胞；所述抑制肿瘤具体为通过光热疗法抑制肿瘤。

在实际应用中，该包载金纳米棒的纤维膜的尺寸可根据需要与伤口大小相匹配。

本发明是以PEG表面修饰的金纳米棒为基础，其极高的光热转换效率造成肿瘤部位局部高温，可以有效杀伤肿瘤细胞，并利用可降解的电纺纤维膜的高生物相容性作为金纳米棒的载体及手术后的恢复材料。由于电纺纤维膜可直接作用于患处，并且具有可根据组分比例调控释放的特点以达到缓释治疗的目的，来实现对于肿瘤手术后肿瘤复发的预防。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的产物金纳米棒的透射电镜照片的局部放大照片；

图2本发明实施例1制备的产物PEG表面修饰金纳米棒的紫外可见吸收光谱；

图3本发明实施例1制备的包载金纳米棒的电纺纤维膜的扫描电镜照片；

图4本发明实施例1及实施例2制备的包载金纳米棒的电纺纤维膜的释放曲线；

图5本发明实施例1制备的包载金纳米棒的电纺纤维膜在近红外光照下对肺癌细胞A549的选择性的抑制作用。

图6为本发明实施例1制备的包载金纳米棒的电纺纤维膜在近红外光照下对乳腺癌细胞及宫颈癌细胞的抑制作用。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

本发明中，作为起始反应物的PEG表面修饰的金纳米棒可按照各种常规方法制备而得，如可按照如下方法制备而得：

1）在25℃条件下，取1.5mL0.05-0.1mol/L十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）置于干净烧杯中,加入0.4mL0.005-0.01mol/L HAuCl₄溶液,混合均匀后加入0.1mL0.05-0.1mol/L抗坏血酸,再加入3mL超纯水使总反应体系为5mL，静置2-10小时后得到金种子溶液；

2）再配置溶质为HAuCl₄、CTAB和AgNO₃的混合水溶液，其中，HAuCl₄、CTAB和AgNO₃的浓度依次为0.005-0.01mol/L、0.05-0.1mol/L和0.001-0.005mol/L，待该混合水溶液的颜色由深棕黄色变为无色后，加入10μL已制备的金种子溶液，待溶液稳定后，再加入130μL1-5mol/L NaCl水溶液，12h后将紫红色的反应液倾倒出去，将所得金纳米棒加超纯水重新分散，得到黄棕色的稳定溶液后，再与重均分子量为1-10kDa的NH₂-PEG-SH（购自上海西宝生物科技有限公司）室温下混合反应1h后，用7kDa的层析袋去除多余的高分子，得到PEG表面修饰的金纳米棒。使用时可干燥除水以获得纯净的PEG表面修饰的金纳米棒。

具体的，实施例1所用PEG表面修饰的金纳米棒是按照如下方法制备而得：

在25℃条件下，取1.5mL0.08mol/L十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）置于干净烧杯中,加入0.4mL0.008mol/L HAuCl₄溶液,混合均匀后加入0.1mL0.08mol/L抗坏血酸,再加入3mL超纯水使总反应体系为5mL，静置3小时后得到金种子溶液；

2）再配置溶质为HAuCl₄、CTAB和AgNO₃的混合水溶液，其中，HAuCl₄、CTAB和AgNO₃的浓度依次为0.008mol/L、0.08mol/L和0.002mol/L，待该混合水溶液的颜色由深棕黄色变为无色后，加入10μL已制备的金种子溶液，待溶液稳定后，再加入130μL4mol/L NaCl水溶液，12h后将紫红色的反应液倾倒出去，金纳米棒黏在容器底部，将所得金纳米棒加超纯水重新分散，得到黄棕色的稳定溶液，再与重均分子量为2kDa的NH₂-PEG2000-SH室温下混合反应1h后，用7kDa的层析袋去除多余的高分子，得到PEG表面修饰的金纳米棒。

使用时可离心除水以获得纯净的PEG表面修饰的金纳米棒，如在每分钟9000转的条件下离心10分钟以去除溶剂水，得到纯净的PEG表面修饰的金纳米棒。

该PEG表面修饰的金纳米棒的透射电镜照片如附图1所示，长径比为5；长度为50纳米；直径为10纳米。产物的紫外可见吸收谱图如附图2所示。

实施例1

1）将金纳米棒分散于二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，配制成浓度为34.8μg/mL的金纳米棒有机溶液，于480W的功率下超声10分钟后，室温搅拌2小时，得到金纳米棒的有机溶液；

2）将重均分子量为60000、LA/GA（也即乳酸和羟基乙酸的摩尔比）=75/25的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)与重均分子量为10000、LA/EG=50/50的聚（乳酸-乙二醇）共聚物（PLA-b-PEG）以质量比85：15的比例溶于步骤1）所得金纳米棒的有机溶液中，至PLGA和PLA-b-PEG的总质量百分浓度为50%，得到纺丝液。

3）将步骤2）所得纺丝液注入5ml注射器中，加上5号不锈钢针头（针孔内径2.6mm），在电压为20KV，推进速度为10μL/min，接收距离为20cm的条件下进行静电纺丝，得到复合纤维材料室温真空干燥72小时，除去残留溶剂，并在4°干燥箱中保存，得到本发明提供的包载金纳米棒的纤维膜。

该纤维膜由重均分子量为2kDa的PEG表面修饰的金纳米棒和纤维膜组成；金纳米棒均匀分布在纤维膜中。该金纳米棒的长径比为5；长度为50纳米；直径为10纳米，构成纤维膜的材料为重均分子量为60000的聚乳酸-羟基乙酸共聚物及重均分子量为10000聚（乳酸-乙二醇）共聚物。

该包载金纳米棒的纤维膜的扫描电镜照片如附图3所示。由图可知，纤维的粗细比较均匀，其直径为0.1μm，该纤维膜的厚度为0.1cm。

实施例2

1）将金纳米棒分散于二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，配制成浓度为34.8μg/mL的金纳米棒有机溶液，于400W的功率下超声20分钟后，室温搅拌6小时，得到金纳米棒的有机溶液；

2）将重均分子量80000、LA/GA=75/25的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)与重均分子量为20000、LA/EG=50/50的聚（乳酸-乙二醇）共聚物（PLA-b-PEG）以质量比95：5的比例溶于步骤1）所得金纳米棒的有机溶液中，至PLGA和PLA-b-PEG的总质量百分浓度为60%，得到纺丝液。

3）将步骤2）所得纺丝液注入5ml注射器中，加上5号不锈钢针头（针孔内径2.6mm），在电压为25KV，推进速度为12μL/min，接收距离为20cm的条件下进行静电纺丝，得到复合纤维材料室温真空干燥100小时，除去残留溶剂，并在4°干燥箱中保存，得到本发明提供的包载金纳米棒的纤维膜。

该纤维膜由重均分子量为2kDa的PEG表面修饰的金纳米棒和纤维膜组成；金纳米棒均匀分布在纤维膜中。该金纳米棒的长径比为5；长度为50纳米；直径为10纳米，构成纤维膜的材料为重均分子量为80000的聚乳酸-羟基乙酸共聚物及重均分子量为20000聚（乳酸-乙二醇）共聚物。

该包载金纳米棒的纤维膜的形貌与附图3相似。纤维的粗细比较均匀，其直径为0.12μm，该纤维膜的厚度为0.1cm。

实施例3、包载金纳米棒的电纺纤维膜的缓释作用

将实施例1及实施例2中制备得到的包载金纳米棒的电纺纤维膜切成2×2cm²的薄片，放入10mL含FBS的DMEM培养基中，其中，FBS与DMEM的体积比为1：10。在不同的时间节点（1天，10天，20天，30天，40天，50天，60天，70天，80天，90天），取出2mL的培养基，并补充2mL新鲜的含10%FBS的DMEM培养基。最后用ICP-MS测量取出溶液中金的质量百分含量，然后用释放出的质量与包埋的总质量相除得到百分比，从而得到释放曲线。

所得释放曲线如图4所示。

由图可知，电纺纤维膜具有在1天内快速释放约30%的金纳米棒，剩余部分在3个月内缓慢释放的性质。快速释放的部分有利于迅速杀死残留肿瘤细胞，而缓慢释放的部分有利于对肿瘤细胞保持长期的抑制作用。

实施例4、包载金纳米棒的电纺纤维膜在近红外光照下对肿瘤细胞株的抑制实验

实施例1所得包载金纳米棒的电纺纤维膜的肿瘤热疗体外实验的示意图如图5所示。

将实施例1中制备得到的包载金纳米棒的电纺纤维膜切成2×2cm²的薄片，并分别与肿瘤细胞（A549肺癌细胞）及正常细胞（HBE支气管上皮细胞）孵育24小时，使得细胞吞入从电纺纤维膜中释放出来的PEG表面修饰的金纳米棒。

随后用0.1mW波长为850nm的近红外激光进行照射，金纳米棒的光热效应产生的局部高温将杀死肿瘤细胞。

用CCK-8试剂盒（基于WST-8的广泛应用于细胞增殖和细胞毒性的快速高灵敏度检测试剂盒，购自东仁化学科技（上海）有限公司）对孵育电纺纤维膜与光照处理的几种细胞活性分别进行了检验。

肺癌细胞与支气管上皮细胞的细胞活性结果如图5所示。

乳腺癌细胞与宫颈癌细胞的细胞活性结果如图6所示。

由图可知，电纺纤维膜经过850nm近红外光照射对三种肿瘤细胞均有较强的抑制作用，且抑制作用随照射时间的延长而增加。相反，正常细胞HBE及未进行近红外光照的组里无明显的抑制作用。结果说明，本发明提供的包载金纳米棒的电纺纤维膜具有良好的肿瘤热疗效果。

Claims

1.一种包载金纳米棒的纤维膜，由PEG表面修饰的金纳米棒和纤维膜组成；

所述金纳米棒均匀分布在所述纤维膜中。

2.根据权利要求1所述的纤维膜，其特征在于：所述PEG的分子量为1kDa-10kDa，具体为2kDa；

构成所述纤维膜的材料为重均分子量为1～30万的有机高分子；

其中，所述有机高分子选自聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚环氧乙烷、聚乙烯醇、聚乳酸、聚（乳酸-乙二醇）共聚物和聚己内酯中的至少一种；

3.一种制备权利要求1或2任一所述包载金纳米棒的纤维膜的方法，包括如下步骤：

1）将权利要求1-2任一所述金纳米棒分散于有机溶剂中，超声后搅拌，得到金纳米棒的有机溶液；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤1）中，有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、丙酮、二氯甲烷和环己烷中的至少一种；

所述金纳米棒的有机溶液的浓度为1-1000μg/mL；

所述超声步骤中，功率为300-600W，具体为480W时间为10-30分钟；所述搅拌步骤中，温度为室温，时间为1-6小时。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：所述步骤2）中，所述有机高分子具体由聚乳酸-羟基乙酸共聚物与聚（乳酸-乙二醇）共聚物组成；聚乳酸-羟基乙酸共聚物与聚（乳酸-乙二醇）共聚物的质量比为70：30-100：0，且所述聚（乳酸-乙二醇）共聚物的质量不为0；

所述纺丝液中，有机高分子的质量百分浓度为30%-70%。

6.根据权利要求3-5任一所述的方法，其特征在于：所述步骤3）中，所述注射器的针头的针孔内径为1-10mm，纺丝电压为10-36kV，推进速度为5-20μL/min，接收距离为10-35cm；

所述干燥步骤中，时间为24-100小时。

7.权利要求1-2任一所述包载金纳米棒的纤维膜在制备抑制肿瘤产品中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述肿瘤为肺癌、乳腺癌或宫颈癌。