CN108480654B - 一种纳米金棒/水滑石的复合材料及其作为光热剂、肿瘤抑制剂的应用 - Google Patents

一种纳米金棒/水滑石的复合材料及其作为光热剂、肿瘤抑制剂的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米金棒/水滑石的复合材料及其作为光热剂、肿瘤抑制剂的应用。本发明将纳米金棒(GNR)与水滑石(LDH)纳米团簇有效结合，让水滑石核吸附在纳米金棒上并晶化生长，其结合了水滑石的高生物相容性与纳米金棒的光热效应的特点。所述纳米金棒/水滑石的复合材料具有低细胞毒性、稳定性强、光热性能优异等优点，可用于杀菌和肿瘤抑制。

Description

一种纳米金棒/水滑石的复合材料及其作为光热剂、肿瘤抑制 剂的应用
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种纳米金棒/水滑石的复合材料及其作为光热剂、肿瘤抑制剂的应用。
背景技术
随着抗生素的频繁使用，多药耐药细菌的种类越来越多，抗菌药物的疗效越来越差，致使人类健康面临着极大的挑战。激光光热治疗法是一种利用引入光吸收分子，并使用合适的光源照射，来使分子周边产生热量从而达到治疗效果的方法。为了实现非损伤性的治疗，波长范围在700-1100nm的近红外光是高度理想的光源，因为它有最小的生物组织吸收和较长穿透深度。这种方法利用外加能量，在含有细菌内及周边产生一定范围的高温，从而达到杀死细菌而不损伤正常细胞的目的。同时，由于杀灭机理是通过温度杀菌，所以不易产生耐药性。
近些年来，一些带有近红外吸收性质的纳米材料受到人们的广泛关注，如金纳米材料(纳米棒、纳米笼、纳米壳等)，钯纳米片，碳纳米材料(石墨烯、碳纳米管等)以及其他化合物。而在这些材料之中，纳米金棒由于它在700-900nm波长处有着极强的吸收，同时拥有较长的体内循环时间等特点脱颖而出。但是因为纳米金棒的表面修饰物多为有极大生物毒性的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，且表面配体替换并不能完全进行，所以致使纳米金棒在抗癌抗菌领域的应用受到了一定的限制。因此，引入水滑石作为纳米金棒的载体，在不改变纳米金棒的条件下，极大的提升了其生物相容性，明显降低了生物毒性，同时可以干燥为固体存放，拥有更强的稳定性和更长的保质期。由于激光光热疗法的抑菌机理与普通小分子抗生素的抑菌机理有着显著的不同，因此研究金棒/水滑石纳米复合材料的近红外光热抑菌对于解决细菌耐药性问题具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米金棒/水滑石的复合材料及其制备方法、光热剂及其使用方法、肿瘤抑制剂。
本发明所述的一种纳米金棒/水滑石的复合材料，是水滑石成核后吸附于纳米金棒并且晶化生长成水滑石团簇。
优选的，所述水滑石是镁铝水滑石、镍铝水滑石、锌铝水滑石、钴铝水滑石、钴铁水滑石、镍铁水滑石、锌镁铝水滑石、镍锌铝水滑石和钴镁铝水滑石中的任意一种或几种。
一种纳米金棒/水滑石的复合材料的制备方法，首先配制pH值范围为9-11的碳酸钠-碳酸氢钠缓冲液，然后加入纳米金棒，60-80℃下，再逐滴加入含有二价金属离子和三价金属离子的混合盐溶液，反应6-10h后，乙醇离心洗涤，真空干燥得到纳米金棒/水滑石的复合材料。
优选的，纳米金棒的长径比为3：1-4：1，配体为CTAB。
优选的，所述二价金属离子是镁、镍、锌和钴金属离子中的任意一种或多种，所述三价离子是铝或铁。
一种光热剂，是上述纳米金棒/水滑石的复合材料的溶液，浓度为50-1000μg/mL。
上述光热剂的升温方法，通过808nm激光照射温度保持在50℃以上。
上述光热剂具有优异的光热稳定性，反复进行808nm激光照射-冷却的循环过程，最高温度可持续保持在60℃以上。
将上述光热剂用于杀菌的方法，将上述光热剂加入到菌液中，808nm激光照射3-5分钟。
上述光热杀菌剂，在浓度50-1000μg/mL，808nm激光照射3-5分钟的条件下，就对大肠杆菌、绿脓杆菌等革兰氏阴性菌及金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌等具有明显的杀菌作用，此外，这种复合材料对耐药菌也有很明显的作用。
一种肿瘤抑制剂，是上述纳米金棒/水滑石的复合材料的溶液，浓度为50-1000μg/mL。所述基于光热治疗的抗肿瘤纳米制剂，无生物毒性，容易被生物体代谢排出，在低浓度下就具有明显的光热效果从而杀灭肿瘤。
本发明通过让水滑石在含有纳米金棒的溶液中成核、晶化生长，形成团簇状的纳米金棒/水滑石复合材料，利用该复合材料的强吸附性以及独特的近红外光吸收性和光稳定性，在808nm激光照射下，诱导纳米金棒产生热效应，致使细菌局部升温，破坏其蛋白质及核酸，从而达到杀死细菌的目的。本发明所制备的金棒/水滑石纳米复合材料杀菌效果显著，在低浓度、短时间激光照射下就有明显的杀菌效果。水滑石大大提高了金棒的生物相容性并解决了纳米金棒合成过程中的配体十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的毒性问题，同时增强了纳米金棒的稳定性。由于激光光热疗法的抑菌机理与普通小分子抗生素的抑菌机理有着显著的不同，因此该复合材料还可以有效的杀死多药耐药菌及破坏微生物形成的生物膜。本发明提供的金棒/水滑石纳米复合材料可用于抗菌织品、抗菌薄膜材料、医疗用品等领域。
附图说明
图1是本发明实施例制备的纳米金棒/水滑石复合材料的SEM图。
图2是本发明实施例制备的纳米金棒/水滑石复合材料的TEM图。
图3是本发明实施例制备的纳米金棒/水滑石在不同浓度和照射时间下用于抗菌实验之后涂板所得的抗菌效果图。
图4是本发明实施例制备的纳米金棒/水滑石的细胞毒性实验结果图。
图5是本发明实施例制备的纳米金棒/水滑石在不同浓度下的温度时间曲线。
图6是本发明实施例制备的纳米金棒/水滑石的光热稳定性测试曲线。
图7是本发明实施例制备的纳米金棒/水滑石与CTAB、水滑石的红外对照图。
图8是本发明实施例制备的纳米金棒/水滑石与空白水滑石的EDS元素分析图。
图9是本发明实施例制备的纳米金棒/水滑石与水滑石-CTAB的XRD图。
具体实施方式
本发明是将纳米金棒(GNR)与水滑石(LDH)纳米团簇有效结合，让水滑石核吸附在纳米金棒上并晶化生长，其结合了水滑石的高生物相容性与纳米金棒的光热效应的特点，在近红外光的照射下，可以高效的杀死细菌。
本发明引入水滑石，一种具有层状结构的双金属氢氧化物。水滑石生物相容性高，毒性低，复合材料形成后，可以将原纳米金棒的配体CTAB用乙醇洗去，在水滑石的保护下，纳米金棒不会发生团聚。由于水滑石具有比表面积大，吸附能力强的特点，所以复合材料中金棒含量高。同时，水滑石独特的二位限域作用，使纳米金棒的光热效应得到增强。
纳米金棒是一种经典的光热转换材料，具有合适长径比的纳米金棒在近红外区域对激光能量有强烈的吸收效应。选择与纳米金棒纵向表面等离子共振(LSPR)波长相匹配的近红外激光作为光源，能够诱导细菌附近及细菌内部的纳米金棒产生热效应，促使细菌死亡。将水滑石与纳米金棒的特点结合在一起，两者协同作用，可以更有效的起到抗菌作用。
纳米金棒/水滑石纳米复合材料的制备实施例
(1)制备纳米金棒
a)金种子溶液的制备
取50mL锥形瓶，分别加入5mL 5×10-4mol/L的HAuCl4溶液和5mL0.2mol/L的CTAB溶液，充分混合搅拌15min。称取一定量硼氢化钠固体粉末，转移至100mL容量瓶中，并迅速加入0℃去离子水定容，配制成0.01mol/L硼氢化钠溶液。取出NaBH4溶液60μL，迅速加入氯金酸与CTAB混合溶液中，溶液颜色变为棕黄色，继续搅拌1min后放入28℃水浴静置3h，得到咖啡色金种子溶液备用。
b)生长溶液的配制
取200mL锥形瓶，分别加入3.6436g CTAB，50mL去离子水和3.5mL0.004mol/L的AgNO3溶液，加热至30℃，充分搅拌，待锥形瓶中CTAB溶解完全以后，再加入50mL 10-3mol/L的HAuCl4溶液继续搅拌15min，溶液颜色变为深黄色。加入0.7mL 0.0788mol/L抗坏血酸搅拌，黄色溶液立即变为无色，继续加入上述配制好的金种子溶液120μL，剧烈搅拌2min，放入28℃水浴锅中，20min之内，溶液颜色逐渐加深，继续恒温静置24h。将最终得到的溶液以10000r/min转速离心15min，如此再重复两次，去除CTAB等杂质，取底部沉淀分散备用，分散浓度为5mmol/L。
(2)制备纳米金棒/水滑石复合材料
配置pH＝10的碳酸钠-碳酸氢钠缓冲溶液40mL，加入5mL(1)中制备好的纳米金棒分散液，再称取51.3mg Mg(NO3)2·6H2O与37.5mg Al(NO3)3·9H2O溶于5mL去离子水中，在75℃快速搅拌下，逐滴加入配制好的缓冲液-纳米金棒溶液中，反应6h后，用8000r/min的速度离心15min，共离心三次，每次用乙醇洗涤，最后在真空冻干机中干燥得到粉末固体，即为纳米金棒/水滑石复合材料。
抗菌实验
具体步骤如下：
(1)取1mL OD600值在0.8～1.0的菌液，于2mL离心管中，以8000r/min的速度离心5分钟，去除上层清液；
(2)在细菌沉淀中加入1mL pH＝7.0～7.4的PBS缓冲液，再次以8000r/min转速离心5分钟，去除上清液；
(3)加入1mL纳米金棒/水滑石溶液(100、200、300μg/mL)，用808nm激光照射3min、5min，照射后在摇床中(37℃、200r/min)培养30min，并做好空白对照；
(4)取上述菌液稀释105倍，取适量菌液在固体培养基上涂板，倒置于37℃培养箱中培养20h；
(5)观察菌落数并统计分析。
细胞毒性实验
具体步骤如下：
(1)在无菌96孔板中每孔加入100μL Hela细胞(浓度为1×105个/mL)，置于37℃，5％CO2细胞培养箱中培养24h；
(2)在孔板中加入纳米金棒/水滑石复合材料(浓度分别为100、150、200、250、300μg/mL)；
(3)将96孔板在37℃，5％CO2细胞培养箱培养24h；
(4)每孔加50μL 1×MTT，在37℃，5％CO2细胞培养箱孵育4h，使MTT还原为甲臜；
(5)吸出上清液，每孔加150μL DMSO使甲臜，用平板摇床摇匀。
(6)用酶标仪在490nm波长处检测每孔的光密度。
不同浓度的纳米金棒/水滑石光热效应探究实验
具体步骤如下：
(1)取数只1.5ml离心管，分别加入1mL浓度为50、100、200、300、400μg/mL的纳米金棒/水滑石溶液；
(2)用808nm激光照射离心管中的溶液，用红外线成像仪记录升温过程，对比不同浓度下溶液升温速率，拟出温度时间曲线。
纳米金棒/水滑石光热稳定性探究实验
具体步骤如下：
(1)取1mL浓度为300μg/mL的纳米金棒/水滑石溶液于1.5mL离心管中；
(2)用808nm激光照射离心管中的溶液20min，冷却至室温后，再次用808nm激光照射20min，如此循环6次，全程用红外线成像仪记录温度随时间的变化过程，进行分析。
纳米金棒/水滑石复合材料与纳米金棒、水滑石的紫外吸收对比实验
具体步骤如下：
(1)取数只5ml小管，分别配置纳米金棒/水滑石、水滑石、纳米金棒溶液3mL；
(2)超声3-5min至其均匀分散后，测得溶液在400-900nm波段的紫外吸收曲线。
纳米金棒/水滑石复合材料与纳米金棒、水滑石的红外谱图对比实验
具体步骤如下：
(1)分别取1mg左右水滑石、纳米金棒水滑石固体与150mg左右溴化钾研磨，施加8吨左右的压力，压成透明或半透明的薄片；
(2)将制备好的薄片置于样品夹上，再将样品夹放入光谱仪测试。
可以理解的是，以上是为了阐述本发明的原理和可实施性的示例，本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种纳米金棒/水滑石的复合材料的制备方法，其特征在于，所述的纳米金棒/水滑石的复合材料的结构为：水滑石成核后吸附于纳米金棒并且晶化生长成水滑石团簇；所述水滑石是镁铝水滑石、镍铝水滑石、锌铝水滑石、钴铝水滑石、钴铁水滑石、镍铁水滑石、锌镁铝水滑石、镍锌铝水滑石和钴镁铝水滑石中的任意一种或几种；
所述的制备方法为：首先配制pH值范围为9-11的碳酸钠-碳酸氢钠缓冲液，然后加入纳米金棒，60-80℃下，再逐滴加入含有二价金属离子和三价金属离子的混合盐溶液，反应6-10h后，乙醇离心洗涤，真空干燥得到纳米金棒/水滑石的复合材料；所述二价金属离子是镁、镍、锌和钴金属离子中的任意一种或多种，所述三价金属离子是铝或铁。
2.一种光热剂或肿瘤抑制剂的制备方法，其特征在于，所述的光热剂或肿瘤抑制剂为浓度50-1000 μg/mL的纳米金棒/水滑石的复合材料的分散液；
所述纳米金棒/水滑石的复合材料的制备方法为：首先配制pH值范围为9-11的碳酸钠-碳酸氢钠缓冲液，然后加入纳米金棒，60-80℃下，再逐滴加入含有二价金属离子和三价金属离子的混合盐溶液，反应6-10h后，乙醇离心洗涤，真空干燥得到纳米金棒/水滑石的复合材料；所述二价金属离子是镁、镍、锌和钴金属离子中的任意一种或多种，所述三价金属离子是铝或铁。
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