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一种金-凹土纳米复合材料及其制备方法和作为光热试剂的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金‑凹土纳米复合材料，所述复合材料以天然矿物凹土为模板，通过聚电解质层层自组装方法对凹土进行修饰，使其表面带上正电荷，利用静电作用将带负电荷的球形金纳米粒子自组装到凹土表面，得到金‑凹土纳米复合材料。本发明还公开了所述金‑凹土纳米复合材料的制备方法及其在制备治疗癌症的光热治疗试剂中的应用。本发明的金‑凹土纳米复合材料在近红外光区有强吸收(位于670nm处)，可以吸收近红外光将光能转化为热能，且具有高的光热转换效率、良好的稳定性和生物相容性，是一种有效杀伤癌细胞的光热试剂。

Description

一种金-凹土纳米复合材料及其制备方法和作为光热试剂的 应用
技术领域
本发明涉及一种金-凹土纳米棒状复合材料，由于其具有独特的光热转换能力，使其能够用作为杀伤癌细胞的光热试剂，属于生命科学和材料化学领域。
背景技术
光热治疗是基于光热转换的原理进行恶性肿瘤治疗的一种方法。该方法以特定波长的光对癌症病灶部位进行照射，利用光热试剂将光能转化为热能，使病灶部位局部升温达到治疗临界温度(47℃)以上，利用过热杀死恶性肿瘤细胞。光热疗法的关键在于合适的光热试剂。光热试剂需要具有高的热转换效率及生物相容性。传统的光热试剂是一些有机分子，如indocyanine green(Urbanska K,Romanowska-Dixon B,Matuszak Z,Oszajca J,Nowak-Sliwinska P,Stochel G,Indocyanine green as a prospective sensitizer forphotodynamic therapy of melanomas,Acta Biochim.Pol.49(2002)387-391),MalachiteGreen和Rhodamine 6G(Du H,Fuh RCA,Li JZ,Corkan LA,Lindsey JS,PhotochemCAD:Acomputer-aided design and research tool in photochemistry,Photochem.Photobiol.68(1998)141-142.)。但是这些有机分子具有稳定性差且不易在肿瘤部位富集的缺陷。
随着纳米技术的飞速发展，人们设计了多种纳米材料并将其作为光热试剂。纳米材料克服了有机分子的缺点，如热稳定高、容易在肿瘤病灶处富集等。在这些纳米材料中，金纳米材料是研究的热点，因为金纳米材料可以通过控制其形貌将其等离子振动峰调控到近红外区，使其在近红外区具有强的吸收，并且金纳米材料还具有光吸收截面面积大、光热转换效率高、化学稳定性高及生物相容性好等优点。但是只有棒状、笼状、壳层结构及多枝结构的金纳米粒子才能够在近红外区产生强的吸收，而这些结构的金纳米粒子相比于球形金纳米粒子(其表面能最低)较难合成，尤其难以大量合成；并且，金作为一种贵金属，其在地壳中储量有限，价格昂贵，这些都导致其难以商业化并大规模的应用于临床。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够有效杀伤癌细胞的光热试剂，即一种金-凹土纳米复合物及其制备方法。
本发明的另一目的还在于提供一种所述纳米复合物作为光热治疗试剂的应用。
为实现本发明的目的采用如下技术方案：
一种金-凹土纳米复合材料，其特征在于，所述的复合材料呈纳米棒状，球形金纳米粒子自组装在凹土表面。
所述的复合材料的紫外光谱上，670nm处存在特征吸收峰。
所述的复合材料中，球形金纳米粒子粒径优选为4～40nm。
所述的复合材料以天然矿物凹土为模板，首先通过聚电解质层层自组装方法对凹土进行修饰，使其表面带上正电荷，利用静电作用将带负电荷的粒径为4～40nm的球形金纳米粒子自组装到凹土表面，得到所述的金-凹土纳米复合材料。
本发明的金-凹土纳米复合材料制备方法包括如下步骤：
1、将凹土加入PBS溶液中，控制pH值范围在7–7.5间,超声分散0.5–2小时，得到0.5–5mg/mL的凹土分散液；
2、凹土的修饰：将步骤1所制得的凹土分散液与聚电解质溶液混合并搅拌60min以上，离心分离，去离子水洗涤；得到的沉淀中加入离子水并超声分散，形成0.5–5mg/mL的凹土分散液；
3、将得到的凹土分散液重复步骤2两次以上进行凹土的修饰，使其表面带上正电荷，离心分离，去离子水洗涤；将产物超声分散到PBS溶液中，形成0.5–5mg/mL已修饰的凹土分散液；
4、金-凹土纳米复合材料的制备：第3步骤中所得的已修饰的凹土分散液中，边搅拌边逐滴加入粒径4～40nm的金纳米溶液，连续搅拌12小时以上，通过正负电荷的静电吸引作用，将金纳米粒子(Au NPs)自组装到凹土表面，形成金-凹土复合材料的悬浊液；
5、将金-凹土复合材料的悬浊液离心分离，用去离子水洗涤除去未吸附的金纳米粒子(AuNPs)，得到以凹土为模板的棒状金-凹土纳米复合材料。
所述的聚电解质选自聚二烯丙基二甲基铵盐酸盐(PDDA)、聚苯乙烯磺酸钠(PSS)、聚丙烯甲酸酯(PMAA)及聚醚酰亚胺(PEI)中的一种或几种，优选PDDA和/或PMAA。所述的聚电解质溶液的质量浓度优选0.5–5mg/mL，凹土分散液与聚电解质溶液的体积比优选为1:10。
所述的金纳米溶液优选15nm金纳米溶液。
所述的金-凹土纳米复合材料具有吸收光能并将之转化为热能的特征，比如其分散液(100μg/mL)经808nm的激光以0.5W/cm2的能量密度光照15min后，温度上升到52.8℃，光热转化效率达到20％。
因此，本发明还涉及所述的金-凹土纳米复合材料在制备治疗癌症的光热治疗试剂中的应用。
本发明所述的金-凹土纳米复合材料在近红外光区具有强的吸收，能将光能转化为热能，并且细胞毒性低，是一种高效的癌细胞光热治疗试剂。
所述复合材料具有良好的生物相容性，将其(0-200μg/mL分散液)与癌细胞A549共同孵育12h，MTT实验表明细胞的活性仍高达92％以上。将该复合物(100μg/mL分散液)与A549细胞(～1×105个)共同孵育12h，在室温下用808nm的激光以0.5W/cm2的能量密度光照40min后，评价细胞的凋亡情况，结果表明98％的A549细胞死亡。
本发明的有益效果：本发明的凹凸棒石粘土(凹土)为模板的金-凹土纳米复合材料，相比于传统的金纳米材料，其具有以下优点：1)该复合材料是以天然矿物凹土为模板进行合成的，凹土是一种纳米尺寸的天然棒状化合物，具有大的比表面积和强的吸附能力，可以通过对凹土进行改性，使得球形的金纳米粒子自组装在其表面，并且该复合物呈现棒状特征，在近红外区有强的吸收，将光能转化为热能。2)凹土还具有良好的机械强度、热稳定性、耐生物降解性以及对蛋白质的高度亲和性等特性，尤其是具有低细胞毒性，适合用于细胞的治疗。3)本发明的合成方法简单易行，并大大降低了金的用量，减少了成本，可以实现量产。因此该复合材料可以作为一种有效的且具有实际应用价值的杀伤肿瘤细胞的光热试剂使用。
总之，本发明的金-凹土纳米复合材料的制备方法操作简单、条件温和、环境友好，且金-凹土纳米棒状复合材料具有高的光热转换效率、良好的稳定性和生物相容性，这为癌细胞的光热治疗提供了良好的条件。
附图说明
图1为本发明的金-凹土纳米棒状复合材料的透射电镜图。
图2为本发明的金-凹土纳米棒状复合材料的UV-vis图，图中a为凹土，b为金-凹土纳米棒状复合材料，c为纳米金。
图3为本发明的金-凹土纳米棒状复合材料的光热转化效率图。
图4为细胞光热治疗后的活性评价图。治疗过程中，所使用的光热试剂为本发明的金-凹土纳米棒状复合材料，激光波长为808nm，功率密度为0.5W/cm2，光照时间0-15min。
具体实施方式
实施例一
一种金-凹土纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1、将凹土加入到0.1mol/L PBS溶液中(pH 7.4)，超声分散1小时，得到1mg/mL的凹土分散液；
2、凹土的修饰：将1mL浓度1mg/ml的凹土分散液与10mL 1wt％的PDDA溶液混合并搅拌60min，离心分离，得到沉淀并用水洗沉淀三次。沉淀中加入1mL去离子水，并超声分散。向分散的溶液中加入10mL 1wt％的PMAA溶液并搅拌60min，离心分离，得到沉淀，用水洗三次后再次分散在1mL去离子水中。向分散的溶液中加入10mL 1wt％的PDDA溶液并搅拌60min，离心分离，得到沉淀并用水洗三次，将产物分散到1mL PBS(0.1mol/L)溶液中。
3、制备纳米金溶胶：在配有冷凝管的250ml圆底烧瓶中加入100ml HAuCl4(1mmol/L)剧烈搅拌，加热至沸腾；快速加入10ml柠檬酸钠溶液(38.8mmol/L)，溶液颜色由淡黄色变为酒红色；继续加热沸腾10min，停止加热，继续搅拌15min。待溶液冷却至室温后，用0.8um尼龙滤膜过滤，从而得到15nm的纳米金溶胶。
4、金-凹土纳米复合材料的制备：将第2步骤中1ml已修饰的凹土分散液(1mg/ml)加入到50mL的烧杯中，并边搅拌边向烧杯中逐滴加入30mL所制得的15nm的金纳米溶液，连续搅拌12小时，通过正负电荷的静电吸引作用，将Au NPs自组装到凹土表面，形成金-凹土纳米复合材料的悬浊液；将金-凹土纳米复合材料悬浊液离心处理15-30分钟，并用去离子水洗涤，除去未组装的Au NPs，得到金-凹土纳米复合材料，真空干燥后，将其分散在0.1mol/L PBS溶液中(pH 7.4)，得到金-凹土纳米复合材料的分散液。
制得的金-凹土纳米复合材料的透射电镜图如图1，复合材料以凹土为模板呈纳米棒状，球形金纳米粒子自组装在凹土表面。图2为所得复合材料的UV-vis图，图中曲线a、b和c分别是凹土、金-凹土复合物和Au NPs的紫外-可见吸收谱图。Au NPs的特征峰位于530nm处，这是球形金纳米粒子的特征；凹土不具有明显的特征吸收峰。当Au NPs自组装到凹土表面之后，形成金-凹土纳米复合物，该复合物出现两个特征吸收峰，分别位于530和680nm处。其中530nm处的特征峰对应于棒状结构的金纳米粒子表面等离子体共振的横向模式，与球形的Au NPs的特征峰位置相同。然而，由于Au NPs在自组装过程中沿着凹土的径向排列，导致680nm处特征峰的出现，该特征峰对应于棒状结构的金纳米粒子表面等离子体共振的径向模式，表明所得的复合物具有棒状结构特征。值得注意的是，该复合物的特征峰峰红移至近红外区(650-950nm)，且具有强的吸收，说明该复合物可以有效的吸收近红外光并进而作为光热转换试剂使用。图3为所得复合材料的光热效果图，以波长为808nm的激光以0.5W/cm2照射该复合物(100ug/mL分散液)，溶液温度可以上升至52.8℃，细胞在该温度下会发生凋亡。
实施例二
按照与实施例1基本相同的方法制备金-凹土纳米复合材料，不同之处在于，将步骤2所得到的1mL 1mg/ml已修饰的凹土溶液加入到50mL的烧杯中，并边搅拌边向烧杯中逐滴加入20mL所制得的15nm的金纳米溶液。连续搅拌12h后离心分离并用去离子水重复洗涤三次，得到以凹土为模板的棒状纳米金复合材料。
实施例三
按照与实施例1基本相同的方法制备金-凹土纳米复合材料，不同之处在于，将步骤2所得到的1mL 1mg/ml已修饰的凹土溶液加入到50mL的烧杯中，并边搅拌边向烧杯中逐滴加入10mL所制得的15nm的金纳米溶液。连续搅拌12h后离心分离并用去离子水重复洗涤三次，得到以凹土为模板的棒状纳米金复合材料。
实施例四
按照与实施例1基本相同的方法制备金-凹土纳米复合材料，不同之处在于凹土表面自组装的纳米金粒径为4nm。4nm金纳米溶液的制备方法为：将20ml HAuCl4和柠檬酸钠混合溶液(其中HAuCl4为0.25mmol/L，柠檬酸钠为0.25mmol/L)置于圆底烧瓶中，在剧烈搅拌下加入0.6ml新制并冷却的NaBH4溶液，溶液颜色立刻变为酒红色，将此溶液继续搅拌5min后，用0.8um尼龙滤膜过滤，从而得到4nm的纳米金溶胶。将4nm的纳米金颗粒组装到步骤2已修饰的凹土表面，得到以凹土为模板的棒状纳米金复合材料。
实施例五
按照与实施例1基本相同的方法制备金-凹土纳米复合材料，不同之处在于不同之处在于凹土表面自组装的纳米金粒径为40nm。在实施例一步骤3中，快速加入5ml柠檬酸钠溶液(38.8mmol/L)，溶液颜色由淡黄色变为红色；继续加热沸腾10min，停止加热，继续搅拌15min。待溶液冷却至室温后，用0.8um尼龙滤膜过滤,从而得到40nm的纳米金溶胶。将40nm的纳米金颗粒组装到步骤2已修饰的凹土表面，得到以凹土为模板的棒状纳米金复合材料。
实施例六
将实施例1中的制得的纳米复合材料(100μg/mL分散液)与A549细胞(～1×105个)共同孵育12h，在室温下用808nm的激光以0.5W/cm2的能量密度光照15min后，评价细胞的凋亡情况。图4为细胞的活性评价图，结果表明光照15min后，细胞凋亡率达到98％。
实施例七
将实施例1中制得的纳米复合材料(50μg/mL分散液)与A549细胞(～1×105个)共同孵育12h，在室温下用808nm的激光以0.5W/cm2的能量密度光照15min后，评价细胞的凋亡情况。细胞的活性评价结果与实施例六相似，具有显著的杀伤肿瘤细胞效果。
实施例八
将实施例1中制得的纳米复合材料(25μg/mL分散液)与A549细胞(～1×105个)共同孵育12h，在室温下用808nm的激光以0.5W/cm2的能量密度光照15min后，评价细胞的凋亡情况。细胞的活性评价结果与实施例六相似，具有显著的杀伤肿瘤细胞效果。

Claims (8)

1.一种金-凹土纳米复合材料，其特征在于，所述的复合材料呈纳米棒状，球形金纳米粒子自组装在凹土表面。
2.根据权利要求1所述的一种金-凹土纳米复合材料，其特征在于，所述的复合材料的紫外光谱上，670nm处存在特征吸收峰。
3.根据权利要求1所述的一种金-凹土纳米复合材料，其特征在于，所述的复合材料中，球形金纳米粒子粒径为4～40nm。
4.根据权利要求1所述的一种金-凹土纳米复合材料，其特征在于，所述的复合材料以天然矿物凹土为模板，首先通过聚电解质自组装方法对凹土进行修饰，使其表面带上正电荷，利用静电作用将带负电荷的粒径为4～40nm的球形金纳米粒子自组装到凹土表面，得到所述的金-凹土纳米复合材料。
5.一种权利要求1所述的金-凹土纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)、将凹土加入PBS溶液中，控制pH值范围在7–7.5间,超声分散0.5–2小时，得到0.5–5mg/mL的凹土分散液；
(2)、凹土的修饰：将步骤(1)所制得的凹土分散液与聚电解质聚二烯丙基二甲基铵盐酸盐溶液混合并搅拌60min以上，离心分离，去离子水洗涤；得到的沉淀中加入去离子水并超声分散，形成0.5–5mg/mL的凹土分散液；
(3)、将得到的凹土分散液分别采用聚电解质聚甲基丙烯酸、聚二烯丙基二甲基铵盐酸盐重复步骤(2)两次进行凹土的修饰，使其表面带上正电荷，离心分离，去离子水洗涤；将产物超声分散到PBS溶液中，形成0.5–5mg/mL已修饰的凹土分散液；
(4)、金-凹土纳米复合材料的制备：步骤(3)中所得的已修饰的凹土分散液中，边搅拌边逐滴加入粒径4～40nm的金纳米溶液，连续搅拌12小时以上，通过正负电荷的静电吸引作用，将金纳米粒子自组装到凹土表面，形成金-凹土复合材料的悬浊液；
(5)、将金-凹土复合材料的悬浊液离心分离，用去离子水洗涤除去未吸附的金纳米粒子，得到以凹土为模板的棒状金-凹土纳米复合材料。
6.根据权利要求5所述的金-凹土纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述的聚电解质溶液的质量浓度为0.5–5mg/mL，凹土分散液与聚电解质溶液的体积比为1:10。
7.根据权利要求5所述的金-凹土纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述的金纳米溶液为15nm金纳米溶液。
8.权利要求1所述的金-凹土纳米复合材料在制备治疗癌症的光热治疗试剂中的应用。
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