CN105363044A - 应用于光声成像的复合碳纳米点及其制备与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合碳纳米点的制备工艺，及其在光声成像领域的运用，其中构成主要组分为碳纳米点这一生物相容性非常好的材料，负载组分为亚甲基蓝，平均粒径为150～300纳米，平均电位为-15～5毫伏。本发明的制备工艺操作安全、快速简便、成本低廉负载，易实现产业化生产，是一种制备复合碳纳米点通用工艺。基于这一复合碳纳米点具有良好的生物相容性和安全性，光声成像灵敏度高，有望在生物医学影像、靶向诊断与治疗、药物筛选与优化、体内标记与示踪等领域得到更广泛的应用，并在个性化医疗等方面具有潜在价值。

Description

应用于光声成像的复合碳纳米点及其制备与应用

技术领域

本发明涉及应用于光声成像的复合碳纳米点及其制备与应用。

背景技术

光声成像是（PhotoacousticImaging，PAI）是近十年新兴的生物医学成像技术，是接收激发光辐照介质产生的光致声波（即光声效应）信号响应而获得生物组织的断层及三维立体图像的一种成像方法。它兼具光学成像灵敏度高和声学成像穿透度深的优点，可以对深层组织进行高分辨率、高对比度成像，从而已成为最有应用前景的成像模式之一。由于生物体内多种内源性生物化学物质，如脱氧血红蛋白、含氧血红蛋白、黑色素、油脂、水分等能够受到特定波段的激发光激发，且这些组分多与生理功能密切相关，因此光声成像能够灵敏地反映生物体的生理结构并提供解剖、功能、代谢、分子与基因等丰富的生物信息，已在脑组织的功能成像、肿瘤血管生成监控等方面得到了应用。然而光的散射效应导致光声信噪比随着生物组织深度的增加而呈现指数级衰减，因而对较深层的组织成像时分辨率较低。近来，光声造影剂的研发得到越来越多的关注，通过外源性造影剂可改变局部组织的声学和光学特性，进一步提高光声成像对比度和分辨率，在生物成像与临床转化医学方面展现了巨大的应用前景。

目前常见的光声造影剂有金纳米颗粒、单碳纳米管及一些其他相关的纳米材料。这些材料粒径较小，稳定性好，但由于生物相容性与体内可降解能力较差，细胞毒性较大，并且半衰期较短从而限制了它们在光声成像领域的应用。而基于近红外荧光染料和有机聚合物的光声探针成为研究热点，其中亚甲基蓝是被美国食品药品监管局（FDA）认证的光声成像染料。亚甲基蓝吸收峰在664纳米附近,属于近红外区域，这为其在光声成像方面的应用打下基础。但由于这种染料体内稳定性较差，代谢周期短等不足，需要构建负载染料分子的载体以最终实现其临床应用。

碳纳米点以其化学惰性、光闪烁缺乏、光漂白率低、毒性低、生物相容性好等优点日益受到关注。相比于有机染料和含有重金属离子的量子点，碳纳米点可以应用于多个领域，诸如生物成像、光催化、检测、激光、LED、能量储存与转变装置等。近期在碳纳米点合成方法领域的进展使其可以经由完善的碳结构（比如graphene、多壁碳纳米管）通过从上到下法（top～down）制得，或者是经由含碳的化学物质（比如柠檬酸铵和乙二胺四乙酸）通过从下到上法（down～top）制得。值得注意的是，这些方法制得的碳纳米点都需要表面氧化或钝化才能够发光和具备水溶性。另外，一步法制备得到表面钝化的碳纳米点也有报道。在这些方法中，微波合成法尤其突出，它具有启动敏捷、加热易控制、加热过程均匀等优点。因此，以操作简便、快捷、转化率高的微波反应法制备的复合碳纳米点在光声成像造影材料的开发、光声成像显微操作、光声透视辅助手术等领域有着广阔的应用前景。

发明内容

本发明的第一个目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种基于碳纳米点的复合纳米点，该纳米复合光声造影剂具有良好的生物相容性和安全性，光声成像灵敏度高，有望在生物医学影像、靶向诊断与治疗、药物筛选与优化、体内标记与示踪等领域得到更广泛的应用，并在个性化医疗等方面具有潜在价值。

本发明的第二个目的在于提供一种操作安全、快速简便、成本低廉的一步法微波辐射制备水溶性多色碳纳米点及对其高效分离纯化的方法，使所得的多色碳纳米点可以被用于负载亚甲基蓝分子以实现高灵敏度的光声成像。所提供的上述基于碳纳米点的复合纳米点制备与纯化的工艺操作安全、快速简便、成本低廉，易实现产业化生产。

为实现本发明的第一个目的，本发明力求构建一种以碳纳米点为主体组分，以光声造影剂为负载组分的纳米复合物。进一步设置是制备碳纳米点所用的碳源为枸杞浸出液、豆浆和食用牛奶等，负载组分为亚甲基蓝，平均粒径为150～300纳米，平均电位为-15～5毫伏。

为实现发明的第二个目的目的，本发明提供如下技术方案：

a.取上述碳源和0.5毫克/毫升亚甲基蓝溶液，按体积比0.1:1～10:1混合，混合液用超纯水稀释1～100倍，制得前体溶液；

b.将上述前体溶液放置微波反应仪中，仪器参数设置为：温度100～180℃、时间15～300分钟；

c.反应体系静置30分钟以上，离心分离出上清液,即得复合纳米点粗产物；

采用超滤或透析的方法对上述复合纳米点粗产物进行纯化，获得可用于光声成像的复合纳米点。

本发明所述开发新型复合纳米点对发展医用造影剂光声造影剂、拓展光声造影剂的制备工艺、为光声成像在生物医学领域的广泛适用性具有重要意义。本发明采用的微波辐射制备水溶性多色碳纳米点的方法，完全在水相中进行，操作安全，快速简便，毒性小，原料安全易得。经过透析与超滤纯化后所得的水溶性多色碳纳米点有很好的单分散性，荧光性质和量子产率高，稳定性好，具有良好的水溶性，可以作为荧光标记物广泛用于生物检测和分析。

本发明得到亚甲基蓝负载的复合纳米点在光声成像方面的应用。在光声场中，MDAMB231裸鼠以异氟烷麻醉后经尾静脉注射150微升光声复合碳纳米点探针样品，后在不同时间点对裸鼠进行光声成像，可发现复合碳纳米点在肿瘤部位经波长为640纳米近红外光激发产生光致声波信号，显示肿瘤血管及组织对复合碳纳米点有浓集，且在注射6小时左右经膀胱基本代谢完毕，探头收集光声信号重建图像如图4所示。结果表明：亚甲基蓝负载的复合纳米点可显著提高小动物光声成像的对比度与分辨率，从而预示在生物医学影像等领域具有广泛应用前景。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步介绍。

附图说明

图1为本发明的复合碳纳米点的制备工艺流程图；

图2a-图2c为本发明复合碳纳米点的粒度分布和电位表征图；

图3a-图3c为本发明复合碳纳米点的激发波长为340～440纳米（左侧）及激发波长为650纳米（右侧）的荧光谱图；

图4为实施例1中复合碳纳米点于小动物经静脉注射经近红外光激发产生光致声波信号，探头收集信号响应重建图像。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

本发明所采用的制备原料均为商品获得。

实施例1：取2毫升枸杞浸出液和2毫升亚甲基蓝溶液（0.5毫克/毫升）混合，并用超纯水稀释1倍后制得前体溶液，将前体溶液投入5毫升微波反应器专用玻璃瓶，并将其放置于微波反应仪中，反应条件设置为180摄氏度、30分钟。反应体系静置50分钟，离心，保留上层清液，超滤处理后得复合碳纳米点。由动态光散射原理经激光粒度仪测量，复合碳纳米点粒径为分布为179±77.1纳米（图2a左），表面电位为0.85±5.29毫伏（图2a右）；由荧光检测仪测得复合碳纳米点的荧光性质（图3a）。在光声场中，MDAMB231裸鼠以异氟烷麻醉后经尾静脉注射150微升光声复合碳纳米点探针样品，后在不同时间点对裸鼠进行光声成像，可发现复合碳纳米点在肿瘤部位经波长为640纳米近红外光激发产生光致声波信号，显示肿瘤血管及组织对复合碳纳米点有浓集，且在注射6小时左右经膀胱基本代谢完毕，探头收集光声信号重建图像如图4所示。结果表明：亚甲基蓝负载的复合纳米点可显著提高小动物光声成像的对比度与分辨率，从而预示在生物医学影像等领域具有广泛应用前景。

实施例2：将1毫升豆浆和10毫升亚甲基蓝溶液（0.5毫克/毫升）混合，并用超纯水稀释5倍后制得前体溶液，取5毫升前体溶液投入5毫升微波反应器专用玻璃瓶，并将其放置于微波反应仪中，反应条件设置为100摄氏度、5小时。反应光声造影剂静置1小时后离心，保留上层清液，透析后得复合碳纳米点。由动态光散射原理经激光粒度仪测量，亚甲基蓝负载的复合碳纳米点粒径分布为191±107纳米（图2b左），表面电位为-10.2±8.0毫伏（图2b右）；由荧光检测仪测得复合碳纳米点的荧光性质（图3b）。

实施例3：将10毫升现磨牛奶和1毫升亚甲基蓝溶液（0.5毫克/毫升）混合，并用超纯水稀释10倍后制得前体溶液，取5毫升前体溶液投入5毫升微波反应器专用玻璃瓶，并将其放置于微波反应仪中，反应条件设置为160摄氏度、2小时。反应光声造影剂静置1小时，离心保留上层清液，超滤处理后得复合碳纳米点。由动态光散射原理经激光粒度仪测量，亚甲基蓝负载的复合碳纳米点粒径分布为264±174纳米（图2c左），表面电位为-2.42±6.67毫伏（图2c右）；由荧光检测仪测得复合碳纳米点的荧光性质（图3c）。

Claims (7)

1.一种应用于光声成像的复合碳纳米点，其特征在于：其结构为以碳纳米点为主体组分，以亚甲基蓝为负载配体。

2.根据权利要求1所述的应用于光声成像的复合碳纳米点，其特征在于：该复合纳米点中碳纳米点的碳源为枸杞浸出液、豆浆或食用牛奶中的任一种。

3.根据权利要求1所述的应用于光声成像的复合碳纳米点，其特征在于：该复合纳米点的平均粒径为150～300纳米，平均电位为-15～5毫伏。

4.一种如权利要求1所述的应用于光声成像的复合碳纳米点的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：

a.、取上述碳源和0.5毫克/毫升亚甲基蓝溶液，按体积比0.1:1～10:1混合，混合液用超纯水稀释1～10倍，制得前体溶液；

b、将上述前体溶液放置微波反应仪中，仪器参数设置为：温度100～180℃、时间30～300分钟；

c、反应体系静置30分钟以上，离心分离出上清液,即得复合纳米点粗产物。

5.根据权利要求4所述的应用于光声成像的复合碳纳米点的制备工艺，其特征在于：还采用透析的方法对复合纳米点的粗产物进行纯化。

6.根据权利要求4所述的应用于光声成像的复合碳纳米点的制备工艺，其特征在于：还采用超滤的方法对复合纳米点的粗产物进行纯化。

7.根据权利要求1-3任一项所述的应用于光声成像的复合碳纳米点在光声成像领域的运用。