CN105754584A - 金属硫族化合物多功能纳米探针的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料化学及生物医学领域，尤其涉及金属硫族化合物多功能纳米探针的制备方法及其应用，即在水溶性巯基化合物或生物相容性分子存在下，低价态的硫族阴离子在水溶液中和金属阳离子搅拌混合反应，然后经过离心、超滤、修饰、透析、纯化得到可用于光声成像、CT成像、核医学成像和光热治疗的水溶性金属硫族化合物纳米微粒，该制备方法温和、廉价、快速、高效，得到的纳米微粒尺寸小，能够在体内循环较长的时间，并且能通过增强渗透和滞留效应富集于肿瘤内。

Description

金属硫族化合物多功能纳米探针的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于材料化学及生物医学领域，尤其涉及金属硫族化合物多功能纳米探针的制备方法及其应用。
背景技术
癌症已是世界范围内导致人类死亡的首要原因。光热治疗作为一种微创、高效的极具潜力的癌症治疗手段获得了研究人员的广泛关注。光热治疗是利用光热治疗剂吸收近红外光产生热效应达到杀死肿瘤细胞的目的，在治疗过程中，需要结合医学成像技术来监测治疗效果。因此，通过对光热治疗用的纳米材料的研发和优化升级，将具有成像增强效果的对比剂和光热治疗剂整合于一体，对于实现癌症的可视化光热治疗具有重要意义。
光声成像是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。近红外吸收材料在700-3000nm范围内具有较强吸收，而生物组织在这一波段范围吸收较低，因此它们已经被广泛应用于生物医学领域。它们一方面可通过光热治疗达到杀死肿瘤的目的。另一方面，它们可通过光热效应导致组织发生热膨胀而用于光声成像。因此，采用单一的近红外吸收材料即可实现光声成像-光热治疗的一体化，达到治疗前诊断、治疗间监控和治疗后评价的目的。
金属硫族化合物，特别是Cu2-xE(E＝S，Se，Te；0≤x≤1)由于其空穴掺杂引起的局域表面等离子体共振而具有强的近红外吸收，近年来已经被广泛用于光热治疗和光声成像。硒化亚铜是铜族硫属化合物中的一种，由于其较高的光热转化效率和易于制备的特点，是一种极具前景的光热治疗剂。相比于硫化铜的大量研究报道，只有少数有关硒化亚铜纳米材料在生物医学方面的报道。此外，由于硒是人体内的必需微量元素，能够降低肝癌、前列腺癌和肺癌的发生，因此硒化亚铜被认为在生物医学领域具有极大的潜在应用。
目前文献报道的硒化亚铜的合成路线主要有两种：一种是间接的配体交换的油相合成法，另一种是水相直接合成法。相比于油相合成法的高成本、不友好和复杂的配体交换过程，水相直接合成法是一种温和绿色的方法。除了亲水性以外，颗粒尺寸对纳米材料的生物应用也非常重要。相对而言，较小的纳米颗粒能够在体内循环较长的时间，并且能通过增强渗透和滞留效应富集于肿瘤内。然而，具有良好生物相容性和水溶性的超小硒化亚铜纳米颗粒(小于10nm)用于多模态介导的光热治疗仍未被报道。
鉴于上述缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种金属硫族化合物多功能纳米探针的制备方法及其应用，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供金属硫族化合物多功能纳米探针的制备方法和相关应用，这些金属硫族化合物纳米微粒利用简易、温和、快速的室温水相还原法得到，应用范围广泛，可作为红外光热成像、光声成像、核医学成像和光热治疗的多模态诊疗一体化分子影像探针。
本发明提出了金属硫族化合物多功能纳米探针，其化学通式为：M2-xEy，其中，M包括Cu、Ag、Bi中的一种或两种，E包括S、Se、Te中的一种或两种，0≤x≤1，y＝1或3。
本发明还提出了金属硫族化合物多功能纳米探针的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硒粉、亚硒酸钠、碲粉、亚碲酸钠中的一种分散于水中，浓度为1mmol/L～100mmol/L，惰性气体保护；
(2)将硼氢化钠粉末加入所述步骤(1)中的分散体系中，硼氢化钠浓度为30mmol/L～300mmol/L，混合均匀，还原至溶液无色；
(3)硫族元素为S，则步骤如下：将硫化钠或硫化铵溶解于水中，其中S2-浓度为1mmol/L～100mmol/L，惰性气体保护；
(4)将水溶性巯基化合物或生物相容性分子和金属阳离子前驱体的混合水溶液加入到无色的低价硫族阴离子溶液中，其中，水溶性巯基化合物或生物相容性高分子与金属阳离子的物质的量比例为20∶1～1∶1，室温下搅拌反应1min～3h；
(5)在纳米颗粒表面标记放射性核素或在纳米晶格中掺杂引入放射性核素；
(6)反应结束后，溶液经多次超滤分离后即可制备得到生物相容性分子稳定的金属硫族化合物纳米微粒。
进一步的，所述步骤(1)中，硒粉、亚硒酸钠、碲粉或亚碲酸钠的浓度为10mmol/L～20mmol/L，所述步骤(2)中，硼氢化钠的浓度为30mmol/L～60mmol/L，所述步骤(3)中，S2-溶液的浓度为10mmol/L～20mmol/L。
进一步的，所述步骤(4)中的金属离子前驱体为Cu、Ag、Bi离子的盐类化合物，包括Cu、Ag、Bi离子的盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐、柠檬酸盐、草酸盐中的一种或多种。
进一步的，所述步骤(4)中水溶性巯基化合物包括单巯基或多巯基小分子有机化合物，包括巯基乙醇、巯基丙醇、巯基乙酸、巯基丙酸、巯基丁二酸、2,3-二巯基丁二酸、巯基乙胺中的一种或多种；水溶性巯基化合物还包括单巯基或多巯基修饰的聚合物高分子，所述聚合物高分子包括聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙烯醇中的一种或多种。
进一步的，所述步骤(4)中生物相容性高分子材料包括天然高分子和人工高分子，所述天然高分子包括葡聚糖及其衍生物、壳聚糖及其衍生物、牛血清白蛋白、人体血清白蛋白中的一种，人工高分子包括羟基、羧基、胺基、巯基、醛基、酯基聚乙二醇、同端双功能基遥爪聚乙二醇、异端双功能基遥爪聚乙二醇、聚乙二醇与聚丙烯酸共聚物、聚乙二醇与聚甲基丙烯酸共聚物、聚乙二醇与聚乙烯胺共聚物、聚乙二醇与聚乳酸共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯亚胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇中的一种或多种，其中，所述聚乙二醇的分子量为200～20000。
进一步的，所述步骤(5)中用于表面标记纳米颗粒的放射性核素包括99mTc、125I和131I，用于纳米晶格掺杂的放射性核素包括64Cu。
本发明提出了一种金属硫族化合物多功能纳米探针的应用，所述金属硫族化合物纳米探针可以把近红外光高效转化成热能，增强病灶部位的光声信号，实现对病灶部位的光声成像和光热治疗。
本发明提出了一种金属硫族化合物多功能纳米探针的应用，所述金属硫族化合物纳米探针可以增强病灶区域的电子计算机X射线断层扫描成像，用作电子计算机X射线断层扫描成像造影剂。
本发明提出了一种金属硫族化合物多功能纳米探针的应用，所述放射性核素标记的金属硫族化合物纳米探针可以增强病灶区域的单光子发射计算机断层成像(SPECT)和正电子发射断层成像(PET)，定量分析它们在动物体内的分布、代谢、在体造影和治疗效果。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明提出的金属硫族化合物纳米微粒通过室温水相还原法制备获得，制备方法温和、廉价、快速、高效，可大批量的快速获得集光声成像、CT成像、核医学成像和光热治疗于一体的多模态诊疗一体化分子影像探针，具有广阔的市场应用前景。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明实施例1所得巯基聚乙二醇稳定的硒化亚铜颗粒的透射电镜图；
图2是本发明实施例1所得巯基聚乙二醇稳定的硒化亚铜颗粒的X-射线衍射图；
图3是本发明实施例1所得不同浓度下巯基聚乙二醇稳定的硒化亚铜颗粒的紫外吸收图；
图4是本发明实施例1所得巯基聚乙二醇稳定的硒化亚铜颗粒的水合尺寸分布图；
图5是本发明实施例1所得巯基聚乙二醇稳定的硒化亚铜颗粒溶液和商业化碘普罗胺溶液在不同浓度的体外电子计算机X射线断层扫描成像图；
图6是本发明实施例1所得巯基聚乙二醇稳定的硒化亚铜颗粒溶液螯合标记放射性核素99mTc在不同时间的三维单电子计算机X射线断层扫描成像图对应的信号强度值；
图7是本发明实施例2所得聚乙烯吡咯烷酮稳定的硒化亚铜颗粒的X-射线衍射图；
图8是本发明实施例2所得聚乙烯吡咯烷酮稳定的硒化亚铜颗粒的紫外吸收图；
图9是本发明实施例2所得聚乙烯吡咯烷酮稳定的硒化亚铜颗粒的透射电镜图；
图10本发明实施例3所得巯基丁二酸稳定的硒化银颗粒的X-射线衍射图；
图11是本发明实施例3所得巯基丁二酸稳定的硒化银颗粒的紫外吸收图；
图12是本发明实施例3所得巯基丁二酸稳定的硒化银颗粒的透射电镜图；
图13是本发明实施例4所得巯基丁二酸稳定的硒化铋颗粒的X-射线衍射图；
图14是本发明实施例4所得巯基丁二酸稳定的硒化铋颗粒的紫外吸收图；
图15是本发明实施例4所得巯基丁二酸稳定的硒化铋颗粒的透射电镜图；
图16是本发明实施例4所得巯基丁二酸稳定的硒化铋颗粒溶液和商业化碘普罗胺溶液在不同浓度的体外电子计算机X射线断层扫描成像图；
图17本发明实施例5中巯基聚乙二醇稳定的硒化亚铜颗粒溶液在808nm激光照射不同时间时的光热升温曲线图；
图18是本发明实施例6中巯基聚乙二醇稳定的硒化亚铜颗粒溶液在808nm激光照射下的光热稳定性。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
将0.5mmol的硒粉分散于50mL的去离子水中，在惰性气体保护下将1.5mmol硼氢化钠粉末加入硒粉分散体系中，混合均匀，还原硒粉至无色。将1g巯基丁二酸和0.17g二水合氯化铜粉末溶于5mL水中，然后加入到上述硒的前驱体溶液中，室温下搅拌反应1小时。反应结束后，溶液经多次超滤分离后即可得到巯基丁二酸稳定的硒化亚铜纳米颗粒。
巯基丁二酸稳定的硒化亚铜样品重新分散于约30mL的水溶液中，加0.2g的双巯基聚乙二醇(分子量为5000)，室温搅拌反应6小时后，溶液经多次超滤分离后透析可得巯基功能化的聚乙二醇稳定的硒化亚铜样品。
附图1为所得硒化亚铜纳米颗粒的透射电镜照片，其平均尺寸约为3.6nm。附图2为硒化亚铜纳米颗粒的X-射线衍射图，从中可以看出，所得纳米颗粒结晶度高，纯度高。
将所得的硒化亚铜纳米颗粒溶液等比稀释配成铜浓度为150、75、37.5、18、9μg/mL的溶液，得到的吸收图如附图3所示，从图中可以看出巯基聚乙二醇稳定的硒化亚铜颗粒在近红外区域具有较强的吸收。附图4为所得纳米颗粒溶液中的水合粒径分布图，平均水合尺寸为13.6nm，表明所得纳米颗粒具有较小的水合尺寸。
将所得的硒化亚铜纳米颗粒溶液等比稀释配成铜浓度为5、4、2、1、0.5mg/mL的溶液，将临床所用的CT造影剂碘普罗胺等比稀释配成碘浓度为5、4、2、1、0.5mg/mL的溶液，采用电子计算机X射线断层扫描测试颗粒和碘普罗胺的造影信号。附图5为聚乙二醇稳定硒化亚铜颗粒溶液在不同浓度的电子计算机X射线断层扫描成像图，从图中可以看出，随着聚乙二醇稳定硒化亚铜纳米颗粒浓度的增加，图像明显变亮，说明聚乙二醇稳定硒化亚铜纳米颗粒具有较好的电子计算机X射线断层扫描造影效果。通过图像亮度对比说明聚乙二醇稳定硒化亚铜纳米颗粒显示出明显优于临床所用碘普罗胺的体外电子计算机X射线断层扫描成像的效果，是潜在的CT造影剂。
3mCi放射性核素99mTc加入上述巯基功能化的聚乙二醇稳定的硒化亚铜纳米颗粒水溶液中(Cu2-xSe-PEG-SH，200μL，500μg/mL)，然后再加入200μL的氯化亚锡稀酸溶液(SnCl2，5mg/mLin0.1MHCl)，室温下静置反应1小时。反应结束后，溶液经多次超滤去掉多余游离的99mTc后得到标记上核素的硒化亚铜纳米颗粒(即Cu2-xSe-PEG-99mTc)。将所得Cu2-xSe-PEG-99mTc纳米颗粒(200μL，600μLCi)经尾静脉注射入荷瘤小鼠体内，采用SPECT-CT断层扫描成像系统监测小鼠不同时间点的SPECT/CT信号，附图6为不同时间所采集到的信号强度值，从图中可以看出，Cu2-xSe-PEG-99mTc纳米颗粒具有良好的SPECT成像效果。
实施例2
将0.5mmol的硒粉分散于50mL的去离子水中，并通惰性气体保护。将1.5mmol硼氢化钠粉末加入硒粉分散体系中，混合均匀，还原硒粉至无色。将1g聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)和0.17g二水合氯化铜粉末溶于5mL水中，然后加入到上述硒的前驱体溶液中，室温下搅拌反应1小时。反应结束后，溶液经多次超滤分离后可得到聚乙烯吡咯烷酮稳定的硒化亚铜样品。
附图7为聚乙烯吡咯烷酮稳定的硒化亚铜纳米微粒的X-射线衍射图。附图8为水溶性聚乙烯吡咯烷酮稳定的硒化亚铜纳米微粒的紫外吸收图。附图9为硒化亚铜纳米颗粒的透射电镜照片。
实施例3
将0.5mmol的硒粉分散于50mL的去离子水中，并通惰性气体保护。将1.5mmol硼氢化钠粉末加入硒粉分散体系中，混合均匀，还原硒粉至无色。将1g巯基丁二酸和0.17g硝酸银粉末溶于5mL水中，然后加入到上述硒的前驱体溶液中，室温下搅拌反应1小时。反应结束后，溶液经多次超滤分离后可得到巯基丁二酸稳定的硒化银样品。
附图10为巯基丁二酸稳定的硒化银纳米微粒的X-射线衍射图。附图11为水溶性巯基丁二酸稳定的硒化银纳米微粒的紫外吸收图。附图12为硒化银纳米颗粒的透射电镜照片。
实施例4
将0.5mmol的硒粉分散于50mL的去离子水中，并通惰性气体保护。将1.5mmol硼氢化钠粉末加入硒粉分散体系中，混合均匀，还原硒粉至无色。将1g巯基丁二酸和0.105g氯化铋粉末溶于5mL水中，然后加入到上述硒的前驱体溶液中，室温下搅拌反应1小时。反应结束后，溶液经多次超滤分离后即可制备得到巯基丁二酸稳定的硒化铋样品。
附图13为巯基丁二酸稳定的硒化铋的X-射线衍射图。附图13为水溶性巯基丁二酸稳定硒化铋纳米微粒的紫外吸收图。附图15为硒化铋纳米颗粒的透射电镜照片。
将所得的硒化铋纳米颗粒溶液等比稀释配成铋浓度为5、2.5、1.25、0.625、0.3125mM的溶液，将临床所用的CT造影剂碘普罗胺等比稀释配成碘浓度为5、2.5、1.25、0.625、0.3125mM的溶液，采用电子计算机X射线断层扫描测试颗粒和碘普罗胺的电子计算机X射线断层扫描造影信号。附图16为巯基丁二酸稳定硒化铋颗粒溶液不同浓度的电子计算机X射线断层扫描成像图，从图中可以看出，随着硒化铋纳米颗粒浓度的增加，造影图像明显变亮，说明巯基丁二酸稳定的硒化铋纳米颗粒具有较好的电子计算机X射线断层扫描造影效果。造影图像亮度对比说明巯基丁二酸稳定硒化铋纳米颗粒还显示出明显优于临床所用碘普罗胺的体外电子计算机X射线断层扫描成像效果，是很好的潜在CT造影剂。
实施例5
将实施例1所得的硒化亚铜纳米颗粒溶液等比稀释配成铜浓度为100、50、25、12.5μg/mL的溶液，再取其中1mL溶液置于塑料离心管中，将其置于功率密度为0.75W/cm2的808nm激光下进行照射，同时以1mL去离子水作为参照，附图17为溶液温度随照射时间的变化曲线，从图中可以看到，随着照射时间的延长，巯基聚乙二醇稳定的硒化亚铜纳米颗粒溶液的温度逐渐升高，而去离子水的温度上升不超过3℃，说明巯基聚乙二醇稳定的硒化亚铜纳米颗粒具有良好的光热转化效果。
实施例6
将实施例1所得的巯基聚乙二醇稳定的硒化亚铜纳米颗粒溶液等比稀释配成铜浓度为100μg/mL的溶液，再取其中1mL溶液置于塑料离心管中，将其置于功率密度为0.75W/cm2的808nm激光下进行照射，照射10分钟后自然冷却到室温，而后再次进行照射，如此循环5次。
附图18为照射5次溶液的升温曲线，从图中可以看出，巯基聚乙二醇稳定的硒化亚铜纳米颗粒具有良好的光热稳定性。
综上所述，本发明提出了一种生物相容性金属硫族化合物多功能纳米诊疗探针的制备方法及开创了金属硫族化合物多功能纳米探针的应用，在水溶性巯基化合物或生物相容性分子存在下，低价态的硫族阴离子在水溶液中和金属阳离子搅拌混合反应，然后经过离心、超滤、修饰、透析、纯化得到可用于光声成像、CT成像、核医学成像和光热治疗的水溶性金属硫族化合物纳米微粒，该制备方法温和、廉价、快速、高效，得到的纳米微粒尺寸小，能够在体内循环较长的时间，并且能通过增强渗透和滞留效应富集于肿瘤内；在纳米颗粒表面可以标记放射性核素(如99mTc，125I，131I)或纳米晶格中掺杂引入放射性核素(如将64Cu引入Cu2-xSe的晶格中)，实现对病灶部位的核医学成像(PET、SPECT)，并定量分析多模态分子影像探针在动物体内的分布、代谢、在体造影和治疗效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.金属硫族化合物多功能纳米探针，其特征在于：其化学通式为：M2-xEy，其中，金属M包括Cu、Ag、Bi中的一种或两种，硫族E包括S、Se、Te中的一种或两种，0≤x≤1，y＝1或3。
2.根据权利要求1所述的金属硫族化合物多功能纳米探针的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将硒粉、亚硒酸钠、碲粉、亚碲酸钠中的一种分散于水中，浓度为1mmol/L～100mmol/L，惰性气体保护；
(2)将硼氢化钠粉末加入所述步骤(1)中的分散体系中，硼氢化钠浓度为30mmol/L～300mmol/L，混合均匀，还原至溶液无色；
(3)硫族元素为S，则步骤如下：将硫化钠或硫化铵溶解于水中，其中S2-的浓度为1mmol/L～100mmol/L，惰性气体保护；
(4)将水溶性巯基化合物或生物相容性分子和金属阳离子前驱体的混合水溶液加入到无色的低价硫族阴离子溶液中，其中，水溶性巯基化合物或生物相容性高分子与金属阳离子的物质的量比例为20∶1～1∶1，室温下搅拌反应1min～3h；
(5)在纳米颗粒表面标记放射性核素或在纳米晶格中掺杂引入放射性核素；
(6)反应结束后，溶液经多次超滤分离后即可制备得到生物相容性分子稳定的金属硫族化合物纳米微粒。
3.根据权利要求2所述的金属硫族化合物多功能纳米探针的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，硒粉、亚硒酸钠、碲粉或亚碲酸钠的浓度为10mmol/L～20mmol/L，所述步骤(2)中，硼氢化钠的浓度为30mmol/L～60mmol/L，所述步骤(3)中，S2-溶液的浓度为10mmol/L～20mmol/L。
4.根据权利要求2所述的金属硫族化合物多功能纳米探针的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的金属离子前驱体为Cu、Ag、Bi离子的盐类化合物，包括Cu、Ag、Bi离子的盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐、柠檬酸盐、草酸盐中的一种或多种。
5.根据权利要求2所述的金属硫族化合物多功能纳米探针的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中水溶性巯基化合物包括单巯基或多巯基小分子有机化合物，包括巯基乙醇、巯基丙醇、巯基乙酸、巯基丙酸、巯基丁二酸、2,3-二巯基丁二酸、巯基乙胺中的一种或多种；水溶性巯基化合物还包括单巯基或多巯基修饰的聚合物高分子，所述聚合物高分子包括聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙烯醇中的一种或多种。
6.根据权利要求2所述的金属硫族化合物多功能纳米探针的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中生物相容性高分子材料包括天然高分子和人工高分子，所述天然高分子包括葡聚糖及其衍生物、壳聚糖及其衍生物、牛血清白蛋白、人体血清白蛋白中的一种，人工高分子包括羟基、羧基、胺基、巯基、醛基、酯基聚乙二醇、同端双功能基遥爪聚乙二醇、异端双功能基遥爪聚乙二醇、聚乙二醇与聚丙烯酸共聚物、聚乙二醇与聚甲基丙烯酸共聚物、聚乙二醇与聚乙烯胺共聚物、聚乙二醇与聚乳酸共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯亚胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇中的一种或多种，其中，所述聚乙二醇的分子量为200～20000。
7.根据权利要求2所述的金属硫族化合物多功能纳米探针的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中用于表面标记纳米颗粒的放射性核素包括99mTc、125I和131I，用于纳米晶格掺杂的放射性核素包括64Cu。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的金属硫族化合物多功能纳米探针的应用，其特征在于：所述金属硫族化合物纳米探针可以把近红外光高效转化成热能，增强病灶部位的光声信号，实现对病灶部位的光声成像和光热治疗。
9.根据权利要求1至7任意一项所述的金属硫族化合物多功能纳米探针的应用，其特征在于：所述金属硫族化合物纳米探针可以增强病灶区域的电子计算机X射线断层扫描成像，用作电子计算机X射线断层扫描成像造影剂。
10.根据权利要求1至7任意一项所述的金属硫族化合物多功能纳米探针的应用，其特征在于：放射性核素标记的金属硫族化合物多功能纳米探针可以用于病灶区域的单光子发射计算机断层成像和正电子发射断层成像，定量分析它们在动物体内的分布、代谢、在体造影和治疗效果。
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