CN105060259B - 一种Bi2Te3二维纳米片、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种Bi2Te3二维纳米片的制备方法，包括：将Bi2Te3纳米材料、水与功能化配体分子进行超声剥离，得到Bi2Te3二维纳米片；所述功能化配体分子为聚乙烯吡咯烷酮、细胞色素C或牛血清白蛋白。本申请一功能化配体分子作为剥离剂，对Bi2Te3纳米材料进行超声剥离，从而得到水溶性较高的功能化配体分子‑Bi2Te3二维纳米片，其粒径均一、形貌可控，水溶性好，不但有很好的生物相容性，而且具有高的光热转换效率，是一种良好的光热试剂，可用于肿瘤的光热治疗。本发明可以简单的实现具有光热性能的水溶性Bi2Te3的大规模合成，制备过程简单，成本低廉，适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及纳米医学材料技术领域，尤其涉及一种Bi2Te3二维纳米片、其制备方法及应用。
背景技术
随着科技发展，越来越多的疾病被人类所征服，但是恶性肿瘤一直到现在为止仍旧是世界级的难题。虽然目前的检测手段和治疗技术已经取得了显著的进展，但恶性肿瘤的发病率和死亡率仍然居高不下，已超过心血管疾病，成为城市居民首要致死病因，严重威胁人类的生命与健康。治疗肿瘤的常用方法包括手术治疗、化学治疗和放射治疗，但是这些方法对人体的副作用很大。因此，人们期待能够发展一种全新的治疗手段，进而极大提升恶性肿瘤的治愈率。
最近兴起的光热疗法由于具有侵入性小、针对性强(光照区域)、副作用小等优点，引起了许多医学工作者的注意。光热治疗技术是一种新兴的微创技术，是利用特殊的纳米材料对近红外光的吸收，将光能转化为热能，可使肿瘤产生局部超高温度，从而轻易将肿瘤细胞杀死，而对正常组织细胞基本上没有影响，因此在肿瘤治疗上具有良好的应用前景。光热治疗的核心是研发具有超强光热转化效率的纳米材料。
目前应用较多的光热材料有贵金属材料、碳纳米材料以及有机染料物质等。但是贵金属结构材料成本高，并且光热稳定性差；碳纳米材料吸光系数较低，制备功能化条件较为复杂；而有机化合物抗光漂白差，易光降解。因此研究开发一种新型的光热试剂势在必行。
半导体纳米粒子由于具有制备工艺简单、成本低廉、优越的光学性能和良好的生物相容性等优势，已经在光降解污染物、生物标记、激光监测和DNA检测等领域中引起了广泛的兴趣，成为了当今纳米医学领域研究的热点。最近有报道：半导体纳米材料如CuS、MoS、WSe等，能够吸收近红外光而产生热，从而杀死癌细胞。根据已报道 的文献来看，由于硫源广且大部分毒性较低，对过渡金属硫化物的研究比较多，而水溶性硒化钨均有毒，同时由于二维材料大比表面积以及表面能的存在，剥离得到的纳米片层在短时间内极易发生团聚，导致分散液中大量沉淀产生，致使纳米片层的优异性能难以表现出来，大大限制了二维纳米片层在很多领域的应用。因此探索开发新的光热试剂以及如何提高光热试剂的稳定性和生物相容性是本领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题在于生物相容性与稳定性好的Bi2Te3二维纳米片及其制备方法。
有鉴于此，本申请提供了一种Bi2Te3二维纳米片的制备方法，包括：
将Bi2Te3纳米材料、水与功能化配体分子进行超声剥离，得到Bi2Te3二维纳米片；所述功能化配体分子为聚乙烯吡咯烷酮、细胞色素C或牛血清白蛋白。
优选的，所述Bi2Te3纳米材料的制备按照下述方法制备得到：
在还原剂的作用下，将铋源和碲源在碱性条件下进行水热反应，得到Bi2Te3纳米材料。
优选的，所述铋源为BiCl3，所述碲源为碲粉；所述铋源与所述碲源的摩尔比为2:3。
优选的，所述还原剂为硼氢化钠，所述铋源与所述硼氢化钠的摩尔比为1:(4.0～4.2)。
优选的，所述水热反应在水与乙醇的混合溶液中进行，所述水与乙醇体积比为1:6，所述水与乙醇的加入量为使Bi元素在所述混合溶液中的浓度为0.05～0.05mol/L。
优选的，所述碱性条件采用的碱为氢氧化钠，所述铋源与所述氢氧化钠的摩尔比为1:(1.25～1.5)。
优选的，所述功能化配体分子为牛血清白蛋白，所述牛血清白蛋白的浓度为0.5～1.5mg/mL。
优选的，所述Bi2Te3纳米材料与所述功能化配体分子的质量比为(0.5～2)：(1～3)。
本申请还提供了上述方案所制备的Bi2Te3二维纳米片。
本申请还提供了上述方案所制备的Bi2Te3二维纳米片或上述方案所述的Bi2Te3二维纳米片在肿瘤的光热治疗上的应用。
本申请提供了一种Bi2Te3二维纳米片的制备方法，其是将Bi2Te3纳米材料、水与功能化配体分子进行超声剥离，得到Bi2Te3二维纳米片；所述功能化配体分子为聚乙烯吡咯烷酮、细胞色素C或牛血清白蛋白。本申请在制备Bi2Te3二维纳米片的过程中，上述功能化配体分子作为剥离剂，其的插入削弱了Bi2Te3纳米片之间的范德华力，而促进了Bi2Te3二维纳米片的形成；由于功能化配体分子可改善Bi2Te3的稳定性和生物相容性，而Bi2Te3本身又具有良好的光热转换效率，因此制备的Bi2Te3二维纳米片具有良好的生物相容性与稳定性，且具有良好的光热转换效率，用于肿瘤的光热治疗具有较好的效果。
附图说明
图1为实施例1制备的BSA-Bi2Te3纳米片的TEM图；
图2为实施例1制备的BSA-Bi2Te3和单纯Bi2Te3纳米片在水中分散性的对比图；
图3为实施例1制备的BSA-Bi2Te3的紫外-可见吸收光谱图；
图4为实施例1制备的BSA-Bi2Te3、实施例4制备PVP-Bi2Te3与实施例5制备Cyt c-Bi2Te3水分散液对比图；
图5为实施例1制备的BSA-Bi2Te3在不同浓度下的光照升温曲线图；
图6为实施例1制备的BSA-Bi2Te3纳米粒子在激光连续反复照射五次下的升温和降温曲线图；
图7为实施例1制备的BSA-Bi2Te3、实施例4制备PVP-Bi2Te3和实施例5制备Cyt c-Bi2Te3二维纳米片在不同浓度条件下的细胞毒性对比测试柱形图；
图8为本发明中制备的BSA-Bi2Te3二维纳米片的细胞光热毒性测 试柱形图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种Bi2Te3二维纳米片的制备方法，包括：
将Bi2Te3纳米材料、水与功能化配体分子进行超声剥离，得到Bi2Te3二维纳米片；所述功能化配体分子为聚乙烯吡咯烷酮、细胞色素C或牛血清白蛋白。
本申请提供的Bi2Te3二维纳米片的制备方法以功能化配体分子作为剥离剂，其插入至Bi2Te3纳米材料中，形成Bi2Te3二维纳米片。本申请制备的Bi2Te3二维纳米片粒径均一、形貌可控、水溶性好，不但具有良好的生物相容性，而且具有较高的光热转换效率，是一种良好的光热试剂，可用于肿瘤的光热治疗。
本申请提供了一种Bi2Te3二维纳米片的制备方法，其是将Bi2Te3纳米材料、水与功能化配体分子进行超声剥离，得到Bi2Te3二维纳米片。本申请中所述Bi2Te3纳米材料优选按照下述方法制备得到：
在还原剂的作用下，将铋源和碲源在碱性条件下进行水热反应，得到Bi2Te3纳米材料。
本申请所述铋源优选为BiCl3，所述碲源优选为碲粉，本申请中只有采用上述铋源和碲源才能得到Bi2Te3纳米材料。本申请中所述铋源与碲源的摩尔比优选为2:3。在制备Bi2Te3纳米材料的过程中，本申请首先将铋源和碲源加入至水和乙醇的混合溶液中，以将铋源和碲源溶解。所述水和乙醇的体积比优选为1:6，其用量为式Bi元素在混合溶液中的摩尔浓度为0.05～0.08mol/l，优选为0.05mol/l。
在制备Bi2Te3纳米材料的过程中，所述还原剂优选为硼氢化钠，所述铋源与硼氢化钠的摩尔比优选为1：(4.0～4.2)。所述碱性条件的碱优选为氢氧化钠。所述铋源与氢氧化钠的摩尔比优选为1：(1.25～1.5)。本申请所述水热反应的温度优选为180～220℃，更优选为180℃；所述水热反应的时间优选为20～24h，更优选为20h。
在制备Bi2Te3二维纳米片的步骤中，所述功能化配体分子作为剥离剂，其可以起到加速剥离的作用，剥离剂的插入削弱了Bi2Te3纳米材料之间的范德华力，从而促进Bi2Te3纳米片的形成。本申请所述功能化配体分子优选为牛血清白蛋白(BSA)。所述牛血清白蛋白的浓度优选为0.5～1.5mg/ml。所述功能化配体分子的浓度过高，则剥离得到的Bi2Te3纳米片过厚，稳定性低，不能长时间保存，不适合用于生物体系，若功能化配体分子的浓度过低，则不能成功剥离出Bi2Te3纳米片。所述Bi2Te3纳米材料与所述功能化配体分子的质量比优选为(0.5～2)：(1～3)。本申请所述超声剥离的功率大于等于200W，时间优选为5～8h，更优选为5h。
本申请还提供了由上述方案制备的Bi2Te3二维纳米片。本申请所述Bi2Te3二维纳米片的尺寸优选为180～240nm，190～210nm。
本申请还提供了由上述方案制备的Bi2Te3二维纳米片或Bi2Te3二维纳米片在肿瘤的光热治疗上的应用。
本申请通过将功能化配体分子与Bi2Te3纳米材料进行超声剥离，而获得了Bi2Te3二维纳米片，由于功能化配体分子可改善材料的生物相容性和稳定性，利用Bi2Te3在近红外区域良好的光学吸收，是Bi2Te3二维纳米片可作为良好的光热试剂，有效杀死癌细胞。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的Bi2Te3二维纳米材料的制备方法及应用进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
(1)称取0.63g氯化铋溶解在35mL乙醇和水混合溶剂(V水/V乙醇＝1:6)，室温下磁力搅拌30min，混合均匀，得到无色溶液；然后加入0.38g碲粉，继续搅拌，使碲粉充分分散；
(2)分别称取0.1gNaOH和0.3gNaBH4，加入到上述搅拌均匀的混合溶液中，搅拌15min；
(3)将溶液转移到50mL的聚四氟乙烯反应釜内衬中，拧紧反应 釜盖子，放入烘箱中，在180℃温度下反应20h；
(4)将反应物进行离心处理，用去离子水洗涤两次，50℃下真空干燥，获得Bi2Te3纳米材料，所得产物100mg重新分散在100mL去离子水中，然后加入100mg的BSA，超声剥离5h，形成了BSA-Bi2Te3二维纳米片，然后离心，用去离子水洗涤3次。
如图1所示，图1为本发明实施例1制备的BSA-Bi2Te3纳米材料的透射电镜图(TEM)，从图中可以看到材料为二维纳米片层结构，尺寸均一，大概在200nm左右。如图3所示，图3为本发明实施例1中BSA-Bi2Te3纳米材料的紫外可见吸收图(UV-Vis)，从图中可知材料在近红外区域有较好的吸收，可以用作光热材料。
实施例2
(1)称取0.63g氯化铋溶解在35mL乙醇和水混合溶剂(V水/V乙醇＝1:6)，室温下磁力搅拌30min，混合均匀，得到无色溶液；然后加入0.38g碲粉，继续搅拌，使碲粉充分分散；
(2)分别称取0.1gNaOH和0.3gNaBH4，加入到上述搅拌均匀的混合溶液中，搅拌15min；
(3)将溶液转移到50mL的聚四氟乙烯反应釜内衬中，拧紧反应釜盖子，放入烘箱中，在180℃温度下反应20h；
(4)将反应物进行离心处理，用去离子水洗涤两次，50℃下真空干燥，获得Bi2Te3纳米材料，所得产物100mg重新分散在100mL去离子水中，然后加入50mg的BSA，超声剥离5h，形成了BSA-Bi2Te3二维纳米片，然后离心，用去离子水洗涤3次。
实施例3
(1)称取0.63g氯化铋溶解在35mL乙醇和水混合溶剂(V水/V乙醇＝1:6)，室温下磁力搅拌30min，混合均匀，得到无色溶液；然后加入0.38g碲粉，继续搅拌，使碲粉充分分散；
(2)分别称取0.1gNaOH和0.3gNaBH4，加入到上述搅拌均匀的混合溶液中，搅拌15min；
(3)将溶液转移到50mL的聚四氟乙烯反应釜内衬中，拧紧反应 釜盖子，放入烘箱中，在180℃温度下反应20h；
(4)将反应物进行离心处理，用去离子水洗涤两次，50℃下真空干燥，获得Bi2Te3纳米材料，所得产物100mg重新分散在100mL去离子水中，然后加入150mg的BSA，超声剥离5h，形成了BSA-Bi2Te3二维纳米片，然后离心，用去离子水洗涤3次。
实施例4
(1)称取0.63g氯化铋溶解在35mL乙醇和水混合溶剂(V水/V乙醇＝1:6)，室温下磁力搅拌30min，混合均匀，得到无色溶液；然后加入0.38g碲粉，继续搅拌，使碲粉充分分散；
(2)分别称取0.1gNaOH和0.3gNaBH4，加入到上述搅拌均匀的混合溶液中，搅拌15min；
(3)将溶液转移到50mL的聚四氟乙烯反应釜内衬中，拧紧反应釜盖子，放入烘箱中，在180℃温度下反应20h；
(4)将反应物进行离心处理，用去离子水洗涤两次，50℃下真空干燥，获得Bi2Te3纳米材料，所得产物100mg重新分散在100mL去离子水中，然后加入100mg的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，超声剥离5h，形成了PVP-Bi2Te3二维纳米片，然后离心，用去离子水洗涤3次。
实施例5
(1)称取0.63g氯化铋溶解在35mL乙醇和水混合溶剂(V水/V乙醇＝1:6)，室温下磁力搅拌30min，混合均匀，得到无色溶液；然后加入0.38g碲粉，继续搅拌，使碲粉充分分散；
(2)分别称取0.1gNaOH和0.3gNaBH4，加入到上述搅拌均匀的混合溶液中，搅拌15min；
(3)将溶液转移到50mL的聚四氟乙烯反应釜内衬中，拧紧反应釜盖子，放入烘箱中，在180℃温度下反应20h；
(4)将反应物进行离心处理，用去离子水洗涤两次，50℃下真空干燥，获得Bi2Te3纳米材料，所得产物100mg重新分散在100mL去离子水中，然后加入100mg的细胞色素C(cytc)，超声剥离5h，形成了cyt c-Bi2Te3二维纳米片，然后离心，用去离子水洗涤3次。
图4为本发明实施例1制备的BSA-Bi2Te3纳米材料、实施例4制备的PVP-Bi2Te3和实施例5制备的Cyt c-Bi2Te3纳米材料在水分散液中的对比图，通过对比发现，BSA-Bi2Te3纳米片的稳定性要明显优于PVP-Bi2Te3和Cyt c-Bi2Te3纳米材料。
实施例6
测试实施例1中制备的纳米材料的光热性质，具体测试方法如下：
(1)将实施例1中制备的材料配制成不同浓度的水溶液，选择浓度梯度为10、20、30、50、70、100μg/mL，然后将这些纳米粒子水溶液均取1.0mL置于比色皿中，在808nm1.0W/cm2强度的激光下照射10min，利用温度探测器检测纳米粒子水溶液的温度变化，然后绘制温度照射时间曲线。
(2)为了测试光热转换稳定性，将1.0mL100μg/mL的BSA-Bi2Te3水溶液置于比色皿中，用808nm1.0W/cm2强度的激光照射10min，记录温度变化，然后关掉激光器，让其自由降温至起始温度，重复照射降温五次，绘制出了光热转换稳定性图。
图5为本发明实施例6中不同浓度材料在同一功率密度的808nm激光器照射下随时间升温曲线，材料的水溶液较纯水有明显的温度升高，并且材料浓度越大温度越高，光热转换效率可达到40％，表明该材料光热效果比较优越，是一种良好的光热试剂。
图6为实施例6中材料的光热转换稳定性曲线图，从图中可以看出BSA-Bi2Te3水溶液反复用激光照射5次后，材料的光热转换效果并没有任何减弱，展现出了优于金纳米结构的优秀的光热稳定性。
实施例7
比较实施例1BSA-Bi2Te3二维纳米片、实施例4制备PVP-Bi2Te3和实施例5制备Cytc-Bi2Te3的生物相容性，采用MTT实验来测试材料与细胞共同培养一段时间后，细胞的增值情况，具体测试方法如下：
(1)取对数生长期的HeLa细胞(1×105/mL)加入到96孔细胞培养板中(200μL/孔)，将96孔板中的细胞放在5％CO2，37℃二氧化碳培养箱培养24h，至细胞单层铺满孔底(96孔平底板)；
(2)然后将不同配体分子稳定的Bi2Te3纳米片用细胞培养基分散，配成不同浓度的分散液，浓度分别为(20、40、60、80、100，200、400μg/mL)，然后向96孔板中加入不同浓度的Bi2Te3纳米片，5个复孔，细胞与材料在5％CO2，37℃下孵育24h，对照组不加样品，倒置显微镜下观察；
(3)培养结束后，吸去孔内培养液，小心用PBS洗2-3遍，洗去材料，然后每孔加100μL含MTT的培养液(0.5mg/mL)，终止培养，MTT与活细胞琥珀酸脱氢酶作用下形成不溶性的蓝紫色物质甲瓒沉积在细胞中；
(4)4h后加100μL二甲基亚砜(DMSO)溶液将甲瓒溶出，置摇床上低速震荡10min，使结晶物质充分溶解。在酶标仪上检测570nm处的吸光度值(OD值)，求出细胞的存活率。
图7为实施例1所得BSA-Bi2Te3二维纳米片、实施例4制备PVP-Bi2Te3二维纳米片和实施例5制备Cyt c-Bi2Te3二维纳米片在不同浓度条件下的细胞毒性测试，图中a柱表示BSA-Bi2Te3二维纳米片在不同浓度下的细胞存活率，b柱表示PVP-Bi2Te3二维纳米片在不同浓度下的细胞存活率，c柱表示Cyt c-Bi2Te3二维纳米片在不同浓度下的细胞存活率，由图可知BSA-Bi2Te3二维纳米片具有最低的细胞毒性，即使材料的浓度达到了400μg/mL，细胞活性仍能维持在90％以上。
实施例8
为了检测本发明实施例1所得BSA-Bi2Te3二维纳米片光热杀伤癌细胞能力，具体测试方法如下：
(1)将HeLa细胞(1×105/mL)加入到96孔细胞培养板中(200μL/孔)，培养24h，至细胞单层铺满孔底(96孔平底板)。实验组每孔加入浓度为100μg/mL的BSA-Bi2Te3纳米片100μL，空白组不加入样品，孵育10h；
(2)然后用1.0W/cm2808nm激光器光照细胞10min后，一小时后加入MTT检测细胞的存活率。
图8为实施例1中制备的BSA-Bi2Te3纳米片体外治疗实验癌细胞 存活率柱形图，图中a柱为未采用BSA-Bi2Te3纳米片癌细胞存活率柱，b柱为采用BSA-Bi2Te3纳米片癌细胞细胞存活柱，左侧柱为未进行激光照射的细胞存活率柱，右侧柱为进行激光照射癌细胞存活柱，根据图8可知，癌细胞的存活率可以达到93％，材料对细胞几乎不产生毒性，而在近红外激光照射的条件下，BSA-Bi2Te3纳米片对细胞的杀伤效果产生巨大的变化，其细胞活性下降到35％，有很好的杀伤效果，表明我们发明的材料具有很好的光热治疗效果，有望用于生物体内的癌症治疗。
对比例1
将实施例1水热反应所得产物离心、洗涤。所得产物重新分散在20mL去离子水中，超声剥离5h，形成Bi2Te3纳米片，用去离子水洗涤3次，将所得到的样品分散于水中。
图2为本发明实施例1中BSA-Bi2Te3纳米材料与单纯的Bi2Te3纳米片在水分散液中的对比图，通过对比发现，加入BSA以后使Bi2Te3纳米片的稳定性增强，没有明显的大面积团聚现象，可以应用于生物体内。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种Bi2Te3二维纳米片的制备方法，包括：
将Bi2Te3纳米材料、水与功能化配体分子进行超声剥离，得到Bi2Te3二维纳米片；所述功能化配体分子为聚乙烯吡咯烷酮、细胞色素C或牛血清白蛋白；所述Bi2Te3纳米材料与所述功能化配体分子的质量比为(0.5～2)：(1～3)；
所述Bi2Te3纳米材料的制备按照下述方法制备得到：
在还原剂的作用下，将铋源和碲源在碱性条件下进行水热反应，得到Bi2Te3纳米材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铋源为BiCl3，所述碲源为碲粉；所述铋源与所述碲源的摩尔比为2:3。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂为硼氢化钠，所述铋源与所述硼氢化钠的摩尔比为1:(4.0～4.2)。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应在水与乙醇的混合溶液中进行，所述水与乙醇体积比为1:6，所述水与乙醇的加入量为使Bi元素在所述混合溶液中的浓度为0.05～0.08mol/L。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱性条件采用的碱为氢氧化钠，所述铋源与所述氢氧化钠的摩尔比为1:(1.25～1.5)。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述功能化配体分子为牛血清白蛋白，所述牛血清白蛋白的浓度为0.5～1.5mg/mL。
7.权利要求1～6任一项所述的制备方法所制备的Bi2Te3二维纳米片。
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