CN107625744A - 一种核壳结构纳米胶囊及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种核壳结构纳米胶囊，由WS₂纳米胶囊组成，所述的WS₂纳米胶囊内包覆有Fe₃O₄纳米颗粒，所述的WS₂纳米胶囊表面通过共价结合同步修饰有聚合物。本发明还提供了上述核壳结构纳米胶囊的制备方法，将聚合物、硫源、钨源和铁源分散于溶剂中，搅拌使之完全溶解，得混合溶液；将所得溶液转移至对位聚苯内衬的不锈钢反应釜中密封反应一段时间，离心分离、洗涤所得产物，即得内部包覆有纳米颗粒、表面修饰有聚合物、具有良好的胶体稳定性的Fe₃O₄@WS₂‑聚合物纳米胶囊。本发明还提供了上述核壳结构纳米胶囊作为光热转化材料的应用。本发明具有较高的光热转化能力，可应用于肿瘤的高效协同诊断和治疗领域。

Description

一种核壳结构纳米胶囊及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于生物纳米材料领域，具体来说涉及一种多功能、高效的磁性Fe₃O₄@WS₂-聚合物纳米胶囊及其制备和应用。

背景技术

癌症已成为威胁人类健康的重要因素之一。传统的肿瘤治疗方法如手术、化疗、放疗受到了治疗功效差及毒副作用大等影响，治疗效果并不令人满意。近年来，可协同杀死肿瘤组织或者癌细胞的联合治疗方法受到了重视。在单平台内整合成像和治疗功能，已成为特异性、高效肿瘤治疗的方法之一。在成像引导下的肿瘤治疗为高精度抗癌带来了新的机遇。被摄取并富集至肿瘤组织或细胞内的顺磁性铁基纳米材料可作为肿瘤磁共振成像造影剂，提高成像对比度和清晰度。铁基纳米材料作为肿瘤组织造影剂具有造影效果好、用量低和毒性小等优点，已广泛用于肿瘤的核磁共振成像研究。

光热治疗是一种新兴的肿瘤微创技术，具有创伤小、副作用低及选择性高等优点，逐渐得到人们的肯定。近红外激光对生物组织的穿透能力强，且穿透过程中光衰减少，已成为光热治疗研究中的重要光源。影像导航与光热治疗相结合不仅有助于监控治疗效果，还可实现可视化的肿瘤光热治疗，以提高肿瘤光热治疗的准确性。

光热治疗的关键之一在于需要可在肿瘤组织附近聚集且高效进行光热转换的材料。作为新一代的光热转化二维纳米材料，过渡金属硫化物（如MoS₂，MoSe₂，WS₂和WSe₂）具有低成本、低毒等优点，在生物传感、成像、药物传递和光热治疗等领域均显示出了预想的结果。WS₂纳米片不仅可作为光热转化剂来破坏肿瘤细胞，而且可用于X-射线计算机断层扫描（CT）成像造影剂。截至目前，尚无利用溶剂热法一步实现包覆有Fe基纳米颗粒的WS₂纳米材料的合成及同步表面修饰文献或专利报道。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种核壳结构纳米胶囊及其制备方法和应用，所述的这种核壳结构纳米胶囊及其制备方法和应用要解决现有技术中WS₂纳米胶囊合成和表面修饰工艺多步骤低效率的技术问题。

本发明提供了一种核壳结构纳米胶囊，由WS₂纳米胶囊组成，所述的WS₂纳米胶囊内包覆有Fe₃O₄纳米颗粒，所述的WS₂纳米胶囊表面通过共价结合同步修饰有聚合物。

进一步的，所述的聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇-400、聚谷氨酸、聚乙烯醇或者羟丙基纤维素。

本发明还提供了上述的一种核壳结构纳米胶囊的制备方法，包括如下步骤：

1）在搅拌作用下，将聚合物溶解于溶剂中，所述的聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇-400、聚谷氨酸、聚乙烯醇或者羟丙基纤维素；

2）将硫源、钨源和铁源溶解于聚合物的溶液中，搅拌使之完全溶解；所述的钨源为钨酸铵、钨酸钠、或者四硫代钨酸铵中的任意一种，所述的硫源为单质硫、二硫化碳、硫化氢、硫脲、四硫代钨酸铵中的任意一种；所述的铁源为六水合氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁中的任意一种；

3）将所得溶液转移至具有对位聚苯内衬的不锈钢反应釜中，密封反应体系，反应完全后，离心分离、洗涤所得产物，即得Fe₃O₄@WS₂-聚合物纳米胶囊。

进一步的，在步骤2）的聚合物溶液中，所述的前驱体钨源、硫源和铁源浓度均为1～50 mg/mL。

进一步的，步骤1）中，所述的溶剂为蒸馏水、N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、或者聚乙二醇-400中的任意一种。

进一步的，步骤1）、2）中，所述的搅拌为磁力搅拌，速率为50-400 r/min，搅拌时间为10-90分钟。

进一步的，聚四氟乙烯高压釜中的反应温度为200-220 ℃，反应时间为12-24小时；分离方法为离心分离，转速为5000-13000 r/min。

进一步的，步骤3）中，分别使用乙醇胺溶液和蒸馏水对离心产物进行洗涤；乙醇胺溶液的体积百分比浓度为10-80%，乙醇胺水溶液和蒸馏水的清洗次数分别为1-2次和3-5次。

本发明还提供了上述的一种核壳结构纳米胶囊作为光热转化材料或者药物载体材料的用途。

本发明利用溶剂热法“自上而下”制备一种包覆有Fe基纳米颗粒的WS₂纳米胶囊；向溶剂热反应体系中加入聚合物分子，在溶剂热合成过程中同步实现对WS₂纳米材料的表面修饰。本发明工艺简单，所得产物在体内体外均具有良好的生物相容性及光热转化效率。本发明通过溶剂反应法处理聚合物、硫源、钨源和铁源材料的混合溶液特定时间，即得所需的Fe₃O₄@WS₂-聚合物纳米胶囊产物。共价修饰的聚合物赋予了纳米材料良好的胶体稳定性、细胞和组织相容性。除此外，可控的聚合物修饰可以有效约束纳米胶囊的生长、控制其形貌。

本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明工艺简单，产品易得。通过本发明的方法制备得到的Fe₃O₄@WS₂-聚合物纳米胶囊具有良好的胶体稳定性和优异的光热转换效应，可应用于肿瘤的诊断和光热治疗等领域。

附图说明

图1为Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊的TEM图；

图2为Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊中（a）W、（b）S和（c）Fe的X-射线光电子能谱谱图；（d）为Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊的X射线衍射图谱；（e）和（f）分别为Fe₃O₄@WS₂-PVP和负载上盐酸阿霉素的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊的傅里叶变换红外光谱图。

图3为Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊在（a）1640细胞培养基、（b）蒸馏水、（c）-（f）PBS第0天、1天、2天、6天中的丁达尔现象；（g）细胞与浓度为0、25、50、100 ppm的Fe₃O₄@WS₂-PVP共孵育24小时后的存活率；（h）-（i）细胞在PBS以及在浓度为100 ppm的材料中培育24h后台盼蓝染色显微镜图。

图4为（a）不同浓度的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊的紫外-可见-近红外吸收光谱；（b）在功率为1w/cm²波长为808 nm近红外激光辐射下，Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊分散液温度随辐射时间的变化曲线；（c）为（b）对应的红外热成像照片；（d）Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊浓度为200 ppm时，不同功率的808 nm的激光辐射下分散液温度的变化情况；（e）为（d）对应的红外热成像照片。

图5显示了Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊的药物负载能力与盐酸阿霉素（DOX）浓度的关系。

图6显示了（a）生理盐水作对照的昆明鼠尾静脉注射后在1天、7天、28天的生化检查结果；（b）浓度为100 ppm的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊孵育后的昆明鼠红细胞形貌；（c）-（k）生理盐水作对照的昆明尾静脉注射后在1天、7天、28天的血常规测试结果。

图7显示了昆明尾静脉注射100 μL浓度为100 ppm的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米材料1天、28天后的组织病理切片H&E染色结果（生理盐水作对照）。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

称取0.15 g 四硫代钨酸铵和0.30 g PVP（分子量为360 kDa）以及0.15 g六水合氯化铁，与30 mL N,N-二甲基甲酰胺混合，室温下搅拌30分钟，得橙色溶液。将所得溶液转移至100 mL对位聚苯内衬的不锈钢反应釜中密封。将反应釜置入高温烘箱中220 ℃热处理12h，待自然冷却至室温后，离心分离反应混合物（12000 r/min，5 min），用50%的乙醇胺溶液和蒸馏水各洗涤1次和3次，得产物Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊。

实施例2

取少许实施例1中制备的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊，通过TEM观察材料的微观形貌：将适量纳米胶囊分散于无水乙醇中，超声分散均匀后，将镀有碳膜的铜网浸入上述无水乙醇中。待样品自然干燥后，通过TEM观察、拍照（TEM操作电压为200 kV）。由图（1）可以看出实施例1中所得材料结构为二维层状结构和零维纳米颗粒组成的椭圆型纳米胶囊结构。

实施例3

分别取少许实施例1中制备的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米材料，分析其组成及结构。用ThermalScientific公司的ESCAlab250型X射线光电子能谱仪（XPS）表征纳米胶囊中W、S和Fe元素的化合价。激发源为单色器Al Kα X射线（λ = 0.8339 nm），能量为1486 eV，线宽为0.9 eV，功率为150 W。结合能用C的1s峰（284.8 eV）校正。使用XRD（Rigaku D/max-2200 PC，日本）研究纳米胶囊的XRD衍射图谱的晶体结构。以Cu2Kα射线为光源，操作电压为40 kV，电流为200mA，扫描角度（2θ）范围为3° - 70°。使用FTIR（Nicolet Nexus 670红外光谱仪）表征负载药物前后Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊的结构，取少许Fe₃O₄@WS₂-PVP及负载DOX的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊粉体，与干燥的KBr粉末混合研磨均匀后压片。置于Nicolet Nexus 670红外光谱仪样品架上进行扫描（扫描范围400-4000cm^-1）。

分析图2（a）、（b）和（c）可知，产物中W和S的价态分别为W⁴⁺和S^2-，可分别归属为WS₂和WO_X中W的4f7/2、4f5/2电子轨道。S^2-的电子能谱谱图则归因于S2p1/2、和2p3/2轨道。而Fe元素具有两种氧化态，为Fe²⁺和Fe³⁺，可归属为Fe₃O₄中Fe元素的2p1/2和2p3/2轨道。纳米胶囊的XRD图谱WS₂的主要衍射峰所对应的晶面为（101）、（104）、（110）与WS₂标准图谱（JCPD35-0651）相比各晶面位置并不精确吻合（主要衍射峰出现了一定程度的右移），这主要是因为PVP的氧原子链接在所得WS₂-PVP纳米胶囊表面，替代了原子半径较大的硫原子所致；另外可能也与PVP高分子约束下纳米胶囊的定向生长有关。上述表征结果证明了本发明制备的WS₂-PVP的形成本质为：在溶剂热反应过程中，部分PVP分子链连接在WS₂表面，并取代其中1个S原子。Fe₃O₄纳米颗粒的主要衍射峰所对应晶面为（220）、（311）、（440），与标准图谱峰位相符。

（e）-（f）Fe₃O₄@WS₂-PVP和DOX-Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊的傅里叶变换红外光谱图。从（e）图中可以清晰地看出PVP的骨架振动吸收峰，说明PVP分子链已经成功地连接在纳米材料的表面。负载DOX后，苯环的骨架振动因与羰基共轭而移向低波数，说明DOX已经成功地负载在了纳米胶囊中。

实施例4

Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊的胶体稳定性及细胞相容性测定。将实施例1中制备的纳米材料分别分散于装有1640细胞培养基、去离子水和PBS的玻璃比色皿中，观察其丁达尔效应。由图3（a）-（c）可以看出，分散于1640细胞培养基、去离子水和PBS中的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊具有明显的丁达尔效应，证明纳米胶囊在不同的溶剂中均具有良好的胶体稳定性。，由于PBS的pH值偏碱性，纳米胶囊中W和Fe元素会随着静置时间增加而形成氢氧化物产生沉淀，导致材料的浓度降低，颜色变浅（图（d）-（f））。

将HT29细胞种植于96孔板中，加入100 μL1640细胞培养基培养过夜。弃掉上述培养基，分别加入100 μL浓度为25、50、100 ppm的Fe₃O₄@WS₂-PVP（分散介质为1640培养基），对照组为100 μL 1640培养基（存活率设定为100%）。在CO₂恒温培养箱中孵育24 h，用CCK-8试剂盒及台盼蓝染色观察细胞存活情况（用显微镜观察染色后细胞形貌）。由图3（g）可知，即使是浓度为100 ppm的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米材料，在孵育24 h后，细胞存活率仍有85.59%，表明材料对细胞的毒性不大；与台盼蓝染色后对照组的细胞形貌（图3（h））类似，与100 ppmFe₃O₄@WS₂-PVP纳米材料共孵育后的HT29细胞形态未发生明显变化（图3（i）），进一步表明在实验浓度范围内Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊具有良好的细胞相容性。

实施例5

用UV-Vis-NIR（Lambda 25，Perkin Elmer公司，美国）分析其光吸收性质（波长范围400-1000 nm）。由图4（a）可知，材料可以吸收一定强度的波长为808 nm的NIR激光，且随着纳米材料浓度的增加，其近红外吸收强度不断增加。

将不同浓度的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊（溶剂为蒸馏水）分散在96孔细胞培养板的培养孔中。用功率为1 w/cm²的808 nm波长的近红外激光照射不同浓度的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊或蒸馏水（对照组），通过FLIR E60红外热像仪记录材料分散液温度随时间的变化情况及对应的红外热成像照片。从图4（b）可知，不同浓度的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米材料均可以吸收一定强度的近红外激光；在特定时间内，温差逐渐增大。随着材料浓度的增加，体系对近红外激光的光热转换能力不断加强。由图4（d）可以看出，不同激光密度的材料均有近红外吸收，且随着体系浓度和时间间隔的增加，材料吸收能量的程度不断增强，温差逐渐增加。图4（c）和（e）中红外热成像照片更鲜明地说明了Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊的光热转化与浓度及激光密度的关系。总之，在实验条件下，本发明制备的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊表现出了良好的光热转换能力。

实施例6

用HPLC测定材料负载抗癌药物DOX能力。将分散于蒸馏水中的不同浓度的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊与不同浓度DOX溶液均匀混合，置于25mL容积的透明玻璃瓶中，于常温下遮光搅拌24小时。由图5可知，在实验组内，随着载体浓度的相对增加，药物负载效率先增加后减小；在材料浓度为1 mg/mL，DOX浓度为0.5 mg/mL时，药物负载效率最高，为97.90%。

实施例7

Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊的血液相容性及组织相容性评价。将浓度为100 ppm的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊与昆明鼠红细胞于37℃共培养2小时，通过瑞氏染色观察其红细胞的结构形态。由图6（b）可知，昆明鼠红细胞形貌并未受到破坏。活体水平血液相容性评价步骤如下：将昆明鼠随机分为4组（每组4只），对照组尾静脉注射生理盐水100 μL，实验组尾静脉注射100 μL浓度为100 ppm的Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米材料。在分别喂养1天、7天、28天后，心脏穿刺取血，测定各项血液参数。血常规评价指标包括白细胞、红细胞、血红蛋白、红细胞比容、红细胞平均体积、红细胞平均血红蛋白量、红细胞平均血红蛋白浓度、红细胞分布宽度、血小板含量。由图6（a）可知，各实验组的生化参数与对照组相近，无明显生理疾病及不良反应，证明材料在实验浓度范围内具有良好的血液相容性；由图6（c）-（k）可知，不同组别各参数虽有波动，但都在正常范围内。这些结果进一步证明了纳米胶囊材料具有良好的血液相容性。

组织相容性对于光热材料在体内的长期生物安全性有重要意义。将昆明鼠随机分为4组（每组4只），对照组和实验组分别尾静脉注射100 μL生理盐水和Fe₃O₄@WS₂-PVP纳米胶囊（浓度为100 ppm）。在分别喂养1天、7天、28天后，麻醉处死，获取心、肝、脾、肺、肾等重要组织，用戊二醛固定；用苏木精—伊红染色，观察组织切片情况。由图7可知，与对照组相比，实验组各主要器官无明显的组织损伤和病变，表明材料具有良好的组织相容性。

Claims (9)

1.一种核壳结构纳米胶囊，其特征在于：由WS₂纳米胶囊组成，所述的WS₂纳米胶囊内包覆有Fe₃O₄纳米颗粒，所述的WS₂纳米胶囊表面通过共价结合同步修饰有聚合物。

2.根据权利要求1所述的一种核壳结构纳米胶囊，其特征在于：所述的聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇-400、聚谷氨酸、聚乙烯醇或者羟丙基纤维素。

3.权利要求1所述的一种核壳结构纳米胶囊的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）在搅拌作用下，将聚合物溶解于溶剂中，所述的聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇-400、聚谷氨酸、聚乙烯醇或者羟丙基纤维素；

2）将硫源、钨源和铁源溶解于聚合物的溶液中，搅拌使之完全溶解；所述的钨源为钨酸铵、钨酸钠、或者四硫代钨酸铵中的任意一种，所述的硫源为单质硫、二硫化碳、硫化氢、硫脲、四硫代钨酸铵中的任意一种；所述的铁源为六水合氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁中的任意一种；

3）将所得溶液转移至具有对位聚苯内衬的不锈钢反应釜中，密封反应体系，反应完全后，离心分离、洗涤所得产物，即得Fe₃O₄@WS₂-聚合物纳米胶囊。

4.根据权利要求3所述的一种核壳结构纳米胶囊的制备方法，其特征在于：在步骤2）的聚合物溶液中，所述的前驱体钨源、硫源和铁源浓度均为1～50 mg/mL。

5.根据权利要求3所述的一种核壳结构纳米胶囊的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述的溶剂为蒸馏水、N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、或者聚乙二醇-400中的任意一种。

6.根据权利要求3所述的一种核壳结构纳米胶囊的制备方法，其特征在于：步骤1）、2）中，所述的搅拌为磁力搅拌，速率为50-400 r/min，搅拌时间为10-90分钟。

7.根据权利要求3所述的一种核壳结构纳米胶囊的制备方法，其特征在于：聚四氟乙烯高压釜中的反应温度为200-220 ℃，反应时间为12-24小时；分离方法为离心分离，转速为5000-13000 r/min。

8.根据权利要求3所述的一种核壳结构纳米胶囊的制备方法，其特征在于：步骤3）中，分别使用乙醇胺溶液和蒸馏水对离心产物进行洗涤；乙醇胺溶液的体积百分比浓度为10-80%，乙醇胺水溶液和蒸馏水的清洗次数分别为1-2次和3-5次。

9.权利要求1所述的一种核壳结构纳米胶囊作为光热转化材料或者药物载体材料的用途。