CN107899026A - 一种酸敏感碳化铁纳米材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种酸敏感碳化铁纳米材料,其特征在于所述碳化铁纳米材料为核壳结构,由外层和内层组成,外层为Fe3O4,内层为FexC,其中X=1‑3。碳化铁纳米材料是在卤素诱导下高温热分解羰基铁得到的。本发明提供的碳化铁较四氧化三铁等其它材料来说具有更强的酸敏感性,碳化铁纳米粒子在肿瘤细胞内释放二价铁离子,与H2O2进行歧化反应,产生羟自由基杀死肿瘤细胞;碳化铁纳米材料较四氧化三铁128mM‑1s‑1等其它纳米材料来说具有较强的T2成像效果,便于治疗过程中的及时诊断,提高肿瘤治疗效果。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料和生物医药技术领域,具体涉及一种酸敏感碳化铁纳米材料及其制备方法与应用,该酸敏感碳化铁纳米材料具有T2磁共振成像功能。
背景技术
肿瘤已经成为全球范围内严重威胁人类健康的疾病之一,2012年全球新增癌症病例约1410万例,癌症死亡人数达820万,然而,目前常用的肿瘤治疗方法如化疗、放疗等,在治疗肿瘤的同时往往会对正常组织有较大的副作用,因此,亟需发展能针对肿瘤进行选择性治疗的新技术。
提高诊断的敏感性和准确性有助于提高后续医学治疗的效率。碳化铁纳米材料是理想的生物医学材料,其独特的磁性能和综合设计能力可应用于细胞定位、成像、药物输送和组织工程等领域。造影剂是一类可以提高成像对比度的物质,它的使用能够提高成像的空间分辨率,在一定程度上可提高诊断的准确性。碳化铁纳米材料作为磁共振成像的对比剂可以提供高分辨率的图像。
发明内容
本发明的目的是,提供一种可用于肿瘤治疗的酸敏感碳化铁纳米材料及其制备方法,通过主动靶向作用将更多的药物运输到肿瘤病灶区,在酸性条件下释放出铁离子与H2O2进行芬顿反应,产生羟自由基而具有激活肿瘤内源性化学动力学治疗功能,提高抗肿瘤效果。
本发明采用的技术方案如下:
所述的一种酸敏感碳化铁纳米材料,其特征在于所述碳化铁纳米材料为核壳结构,由外层和内层组成,外层为Fe3O4,内层为FexC,其中X=1-3。
所述的酸敏感碳化铁纳米材料,其特征在于所述内层为Fe2C或Fe5C2或Fe3C,碳化铁纳米材料的尺寸为15-50nm。
所述的一种酸敏感碳化铁纳米材料的制备方法,其特征在于所述碳化铁纳米材料是在卤素诱导下高温热分解羰基铁得到的,具体包括以下步骤:
1)称取一定量的十八胺、卤素、油胺分别加入四口烧瓶中,磁力搅拌下抽真空0.75-1.5h以排除四口烧瓶中的气体;
2)将步骤1)抽真空后的四口烧瓶与120-180℃温度条件下保持30-60min得反应溶液,向反应溶液中注入Fe(CO)5,保持20-40min,制得铁纳米粒子产物;
3)步骤2)反应结束后温度降至室温,倒出产物,用正己烷与乙醇的混合溶剂清洗产物三次,然后于离心速度为8000-10000r/min的条件下,将清洗后的产物溶于1-5mL的正己烷中制得正己烷溶液备用;
4)称取一定量的十八烯加入四口烧瓶中,磁力搅拌下于90-120℃的温度条件下抽真空1h,充以氩气气氛;
5)向步骤4)中四口烧瓶中注入步骤3)的正己烷溶液,于90-120℃的温度条件下保持0.5-1h,以充分除去有机杂质;
6)继续升温至260-340℃保持0.5-0.75h,待反应结束降至室温,倒出产物,在离心速度为8000-10000r/min的条件下,用正己烷和乙醇的混合溶剂清洗产物三次,制得酸敏感碳化铁纳米材料,将该酸敏感碳化铁纳米材料分散在5-20mL正己烷中保存。
所述的一种酸敏感碳化铁纳米材料的制备方法,其特征在于所述卤素为NH4Cl、NH4Br、CTAC、CTAB中的任一种。
所述的一种酸敏感碳化铁纳米材料的制备方法,其特征在于步骤1)中十八胺的用量为2.0-4.0g,卤素的用量为0.04-0.15mmol,油胺的用量为0.1-0.8mL。
所述的一种酸敏感碳化铁纳米材料的制备方法,其特征在于步骤2)中Fe(CO)5的注入量为0.5-0.9 mL。
所述的一种酸敏感碳化铁纳米材料的制备方法,其特征在于步骤3)和步骤6)中正己烷和乙醇的体积比为1:3。
所述的一种酸敏感碳化铁纳米材料的制备方法,其特征在于步骤4)中十八烯的添加量为2.0-4.0g。
采用上述方法制备的碳化铁纳米材料,具有酸敏感性,在酸性条件下能释放二价铁离子,该碳化铁纳米材料具有T2核磁共振成像功能。
所述的酸敏感碳化铁纳米材料在核磁共振成像功能上的应用。
所述的酸敏感碳化铁纳米材料在肿瘤治疗中的应用。碳化铁纳米材料通过链接叶酸、RGD肽以及转铁蛋白可实现主动靶向,大大提高肿瘤部位药物浓度,肿瘤细胞处于酸性微环境,碳化铁纳米材料在细胞内释放二价铁离子,在细胞内与H2O2进行芬顿反应,产生羟自由基而具有激活肿瘤内源性化疗功能。
本发明具有以下有益效果:
(1)与现有技术相比,本发明提供的碳化铁较四氧化三铁等其它材料来说具有更强的酸敏感性,碳化铁纳米粒子在肿瘤细胞内释放二价铁离子,与H2O2进行歧化反应,产生羟自由基杀死肿瘤细胞;
(2)碳化铁纳米材料较四氧化三铁128mM-1s-1等其它纳米材料来说具有较强的T2成像效果,便于治疗过程中的及时诊断,提高肿瘤治疗效果。
附图说明
图1为本发明实施例1中Fe2C纳米粒子X射线衍射图谱;
图2为本发明实施例1中纳米粒子透射电镜图(TEM);
图3为本发明实施例2中碳化铁纳米粒子在pH 4.0 下的铁释放曲线图;
图4为本发明实施例3中碳化铁纳米粒子在pH 6.5 下的铁释放曲线图;
图5为本发明实施例4中碳化铁纳米粒子以及叶酸连接后的碳化铁纳米粒子的细胞活性实验结果图;
图6为本发明实施例5中细胞吸收纳米粒子生物切片后的透射电镜图(TEM);
图7为本发明实施例6中水溶性Fe2C横向弛豫效能图;
图8为本发明实施例7中纳米粒子注射前后T2核磁成像图(MRI);
图9为本发明实施例8中对照组、碳化铁、连接叶酸的碳化铁治疗后的肿瘤体积变化图;
图10为本发明实施例8中对照组、碳化铁、连接叶酸的碳化铁治疗后的体重变化图;
图11为本发明实施例8中对照组、碳化铁、连接叶酸的碳化铁治疗后的肿
大小变化照片图。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案,但本发明的保护范围不限于此。
实施例1
称取2.6g十八胺、0.06mmolNH4Br与0.5mL油胺加入四口烧瓶中,磁力搅拌下抽真空1h;升温至140℃,保持60min,然后将0.5mL Fe(CO)5注射进反应溶液内,180℃保持30min;待反应结束降至室温,倒出产物,用正己烷与乙醇体积比为1:3的混合溶剂清洗产物3次,离心速度为10000r/min,产物溶于4mL正已烷中备用;取10mL十八烯加入四口烧瓶中,磁力搅拌下90℃抽真空1h,充以氩气气氛;注射步骤C中的正己烷溶液于四口烧瓶中,100℃保持1h,继续升温280 ℃保温0.5h。待反应结束降至室温,倒出产物,用正己烷与乙醇体积比为1:3的混合溶剂清洗产物3次,离心速度为10000r/min,得到的纳米颗粒分散在20mL正己烷中保存。
由图1可知,制备出来的产物是hexa-Fe2C;
由图2可知,Fe2C纳米粒子为核壳结构,尺寸在18-27nm左右。
实施例2
称取约5mg Fe2C 纳米粒子溶于5mL氯仿,超声5min;称取10mg 聚乙二醇溶于5mL氯仿超声5min,将其缓慢滴入纳米粒子氯仿溶液中,超声30min,40℃旋针1.5h,加入30mL pH4.0的缓冲液,在每个时间点取1.5mL,12000r/min离心取1mL上清液与玻璃瓶中,测其铁离子浓度。
图3可知,在pH4.0下,4h后铁释放率达到69.05%,释放速度很快。
实施例3
称取约5mg Fe2C 纳米粒子溶于5mL氯仿,超声5min;称取10mg 聚乙二醇溶于5mL氯仿超声5min,将其缓慢滴入纳米粒子氯仿溶液中,超声30min,40℃旋针1.5h,加入30mL pH6.5的缓冲液,在每个时间点取1.5mL,12000r/min离心取1mL上清液与玻璃瓶中,测其铁离子浓度。
图4可知,在pH 6.5下,4h后铁释放率为6.3%,说明了其在偏中性范围内的释放量很少,可以作为一个酸敏感响应的材料。
实施例4
选取MDA-MB-231细胞,通过CCK8实验研究纳米粒子的细胞毒性,以MDA-MB-231细胞为靶细胞,以单层形式生长在96孔孔板,在细胞密度达到50%加入不同浓度的Fe2C和Fe2C+FA,培养24h后,用酶标仪测其吸光度。
由图5可知,随着铁离子浓度的增加,细胞存活率明显降低。添加叶酸的碳化铁具有更好的靶向性,从而可以进入细胞的溶酶体等细胞器中,增强纳米粒子作用效果。
实施例5
用生物切片透射成像的方法进行纳米粒子的亚细胞定位。MDA-MB-231细胞以单层形式生长在培养皿中,在细胞密度达到50%时加入实施例1制备的纳米粒子共同培养24h,收集细胞并用含有2.5%戊二醛的PBS缓冲液固定。脱水处理后将细胞嵌入环氧树脂粘接剂中,制备超薄切片,放在铜网上,进行透射电镜成像。
图6可知,连接叶酸靶向的纳米粒子主要位于细胞内的溶酶体中。
实施例6
为了探究碳化铁纳米粒子的成像性质,我们在1.5 T临床磁共振扫描仪上进行了碳化铁纳米颗粒的体模实验。将碳化铁纳米粒子水溶液以5%的浓度梯度配成一系列溶液,取1mL装在1.5mL体积透明硬质离心管中,按顺序置于离心管架上,在室温下使用磁共振扫描仪进行测量,以纯水作为对照。水溶性Fe2C纳米颗粒的横向弛豫效能的测量是在通用电气公司的Signa EXCITE HD 1.5 TTwinspeed system1.5特斯拉临床磁共振系统上进行。
图7可知,水溶性Fe2C纳米粒子表现出357 mM-1s-1的横向弛豫效能,高于常用磁共振造影剂Fe3O4纳米颗粒(128mM-1s-1),是一种优良的T2加权磁共振造影剂。
实施例7
在纳米粒子造影剂注射前后分别对肿瘤做了磁共振成像。
图8可知,在造影剂被注射到肿瘤内后,磁共振成像信号的变化明显。没有被靶向剂修饰的纳米粒子易被网状内皮系统吞噬,磁共振成像信号的变化不明显。
实施例8
将裸鼠放置在无菌且湿度、温度可控的环境下进行培养,细胞悬浮液(含有人类乳腺癌细胞)通过皮下注射到鼠的大腿根部,建立皮下肿瘤植入的老鼠模型;当肿瘤的尺寸达到60mm3时,我们将老鼠随机分成三组(每组老鼠数目为5),然后每隔三天,通过尾静脉注射的方法分别向四组裸鼠体内注射PBS,Fe2C, Fe2C+FA,同时测量下肿瘤体积,经过九次治疗后,将其安乐死,进行解剖。
由图9可知,除了对照组外,其他组的肿瘤体积都有变小,说明Fe2C纳米粒子起到了明显的治疗效果,连接叶酸后的纳米粒子由于靶向性,治疗效果更明显;
由图10可知,纳米粒子不影响生物的正常生长,体重呈稳定增加;
由图11可知,Fe2C+FA的肿瘤抑制率最高,这是由于磁靶向增加了局部药物浓度,从而增强了疗效。
Claims (10)
1.一种酸敏感碳化铁纳米材料,其特征在于所述碳化铁纳米材料为核壳结构,由外层和内层组成,外层为Fe3O4,内层为FexC,其中X=1-3。
2.如权利要求1所述的酸敏感碳化铁纳米材料,其特征在于所述内层为Fe2C或Fe5C2或Fe3C,碳化铁纳米材料的尺寸为15-50nm。
3.一种酸敏感碳化铁纳米材料的制备方法,其特征在于所述碳化铁纳米材料是在卤素诱导下高温热分解羰基铁得到的,具体包括以下步骤:
1)称取一定量的十八胺、卤素、油胺分别加入四口烧瓶中,磁力搅拌下抽真空0.75-1.5h以排除四口烧瓶中的气体;
2)将步骤1)抽真空后的四口烧瓶与120-180℃温度条件下保持30-60min得反应溶液,向反应溶液中注入Fe(CO)5,保持20-40min,制得铁纳米粒子产物;
3)步骤2)反应结束后温度降至室温,倒出产物,用正己烷与乙醇的混合溶剂清洗产物三次,然后于离心速度为8000-10000r/min的条件下,将清洗后的产物溶于1-5mL的正己烷中制得正己烷溶液备用;
4)称取一定量的十八烯加入四口烧瓶中,磁力搅拌下于90-120℃的温度条件下抽真空1h,充以氩气气氛;
5)向步骤4)中四口烧瓶中注入步骤3)的正己烷溶液,于90-120℃的温度条件下保持0.5-1h,以充分除去有机杂质;
6)继续升温至260-340℃保持0.5-0.75h,待反应结束降至室温,倒出产物,在离心速度为8000-10000r/min的条件下,用正己烷和乙醇的混合溶剂清洗产物三次,制得酸敏感碳化铁纳米材料,将该酸敏感碳化铁纳米材料分散在5-20mL正己烷中保存。
4.如权利要求3所述的一种酸敏感碳化铁纳米材料的制备方法,其特征在于所述卤素为NH4Cl、NH4Br、CTAC、CTAB中的任一种。
5.如权利要求3所述的一种酸敏感碳化铁纳米材料的制备方法,其特征在于步骤1)中十八胺的用量为2.0-4.0g,卤素的用量为0.04-0.15mmol,油胺的用量为0.1-0.8mL。
6.如权利要求3所述的一种酸敏感碳化铁纳米材料的制备方法,其特征在于步骤2)中Fe(CO)5的注入量为0.5-0.9 mL。
7.如权利要求3所述的一种酸敏感碳化铁纳米材料的制备方法,其特征在于步骤3)和步骤6)中正己烷和乙醇的体积比为1:3。
8.如权利要求3所述的一种酸敏感碳化铁纳米材料的制备方法,其特征在于步骤4)中十八烯的添加量为2.0-4.0g。
9.酸敏感碳化铁纳米材料在核磁共振成像功能上的应用。
10.酸敏感碳化铁纳米材料在肿瘤治疗中的应用。
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