CN108721790B - 一种激光引发爆炸的细胞炸弹 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光引发爆炸的细胞炸弹，由微纳米含能材料和纳米光敏物质两种材料复合而成，通过近红外激光辐照发生微尺度爆炸。本发明提供的激光引发爆炸的细胞炸弹，利用吸收特定波长激光的纳米光敏物质作为热源，将部分热能转化为含能材料的活化能，激发含能材料反应释放出更多的化学能，由于微纳米含能材料燃烧的气体产物，其膨胀也具有较强的光声效应。因此在微纳尺度层面具有更高的毁伤效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米炸弹，具体涉及一种近红外激光引发微纳米尺度爆炸的细胞炸弹，属于含能材料激光点火与生物医学的交叉学科领域。
背景技术
在一定刺激条件下，含能材料能够发生剧烈的反应，并对周围造成一定的破坏效应。引起含能材料反应的能量形式有多种，其中激光对含能材料的作用，具有可小型化、精确可控、效率高等独特优点，从而在微纳层次上拥有生物医学领域应用的潜质，比如癌症治疗的新方法。临床医学表明，700-1100nm波段的近红外激光在人体组织内传播时吸收很小(邵磊et al.2014)，因此在人体组织内具有一定的穿透深度。然而，经过威力、感度、毒性等综合性能筛选排除后，几乎所有的备选含能材料在近红外区(Ahmad and Cartwright2014)也没有吸收峰，即对应近红外波段的激光感度极低。因此，需要通过掺杂技术，在含能材料中加入微量的光敏物质，使其在近红外波段具有较强的吸收度，以达到大幅增加含能材料激光感度的作用。
同样在生物医学领域，金属纳米颗粒由于其独特的激光纳观热效应，而成为肿瘤诊断和治疗技术的研究热点。在特定频率的激光辐照作用下，金属纳米颗粒的自由电子会产生共振，并具有极高的光热转换效率，即使弱功率激光辐照下，也能在局部快速形成高温区。该现象称为金属的表面等离激元共振，其共振频率取决于颗粒的结构、尺寸、材料以及周围介电环境，因此具有较广的可调范围，以选择性的吸收不同频率的光。除此以外，近红外吸收染料和碳纳米管，也可以通过调整其吸收峰，使其成为高效的近红外光敏物质。
发明内容
本发明通过引入光敏物质，将激光对含能材料的作用，与含能材料爆炸对细胞的破坏效应相结合，提出一种激光光能间接破坏细胞的新方法。
本发明是这样实现的：
一种激光引发爆炸的细胞炸弹，由微纳米含能材料和纳米光敏物质两种材料复合而成，通过近红外激光辐照发生微尺度爆炸。
进一步的，本发明提供的近红外激光的波长范围为700-1100nm，对生物组织具有较强的穿透性；激光功率不高于2W，工作方式可以是连续波或脉冲式。
进一步的，所述的含能材料颗粒尺寸范围为0.01-10μm，爆燃点温度应低于300℃，毒性较低。
进一步的，所述的纳米光敏颗粒的尺寸范围为10-100nm，在上述激光波段范围内具有强烈的吸收峰，即较高的光热转换效率，材料包括各种形貌的金、银、铜等金属或“核-壳”等结构的合金，也可以是碳纳米管、近红外吸收染料、有机高分子等，毒性较低或无毒性。
进一步的，含能材料和光敏物质的复合方式，可以是表面吸附、包覆、重结晶等。
本发明提供的激光引发爆炸的细胞炸弹，以特定波长的激光作为触发能量，利用纳米光敏物质的光学特性，将吸收的光子能量转化为热能。其中一部分热能转化为含能材料的活化能，激发含能材料反应释放出更多的化学能，并与剩余部分的热能共同作用于周围的液体，生成温度更高、尺寸更大的热点，导致细胞炸弹周围的液体发生空化现象，加上微纳米含能材料反应的气体产物，共同形成大量爆炸性的气泡。气泡的作用过程中，能量以机械波的形式弥散到周围的介质，最终产生较强的光声效应。与目前仅采用纳米光敏物质(如金纳米颗粒)的癌症治疗技术相比，本方法加入的含能材料增加了额外的能量，因此在微纳尺度层面具有更高的毁伤效率。
附图说明
图1为扫描电镜下包覆金纳米棒的RDX颗粒；
图2为金纳米棒的扫描电镜图；
图3为金纳米棒在近红外光谱范围的光学消光特性图；
图4为细胞炸弹在水中产生气泡的光学显微镜图；
图5为单壁碳纳米管的光学消光特性图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一
本实施例提供的一种激光引发爆炸的细胞炸弹，为金纳米棒包覆的RDX(黑索金)颗粒(如图1所示)。RDX属于含能材料中的猛炸药类型，对可见至近红外范围的光吸收率极低，使用的RDX颗粒粒径约10μm；光敏物质为金纳米棒，其形貌尺寸如图2所示，粒径为
质量分数约0.5％，轴向共振吸收峰位置为808nm(如图3所示)；对应采用近红外激光的波长也为808nm，功率≈1W。细胞炸弹通过靶向附着细胞周围以后，在低功率近红外激光的辐照下，金纳米棒将光能转化为热能，在RDX颗粒周围快速形成密集的纳米尺度的热点；在大量高温高压热点的共同作用下，实现RDX颗粒的点火和爆炸，形成的毁伤元包括微冲击波、气态产物和液体汽化膨胀产生的准静态压力载荷，共同对细胞造成致命的毁伤效应。与目前已有的光热癌症治疗方法相比，光热法只利用了金纳米颗粒的光能转换效应，产生的热能小于输入激光的光能；而本方法利用金纳米棒将吸收的光子能量转化为热能。其中一部分热能转化为含能材料的活化能，激发含能材料反应释放出更多的化学能，并与剩余部分的热能共同作用于周围的液体，生成温度更高、尺寸更大的热点，导致细胞炸弹周围的液体发生空化现象，加上微纳米含能材料反应的气体产物，共同形成大量爆炸性的气泡(如图4)。气泡的作用过程中，能量以机械波的形式弥散到周围的介质，最终产生较强的光声效应。与目前仅采用纳米光敏物质(如金纳米颗粒)的癌症治疗技术相比，本方法加入的含能材料增加了大量的额外能量，因此在微纳尺度层面具有更高的毁伤效率。
实施例二
本实施例提供的一种激光引发爆炸的细胞炸弹，为单壁碳纳米管包覆的RDX(黑索金)颗粒。与实施例一不同的是，光敏物质为单壁碳纳米管，长度为100-200nm，直径为1-3nm，质量分数约0.5％，共振吸收峰位置约为1000nm(如图5所示)。细胞炸弹靠近细胞以后，在低功率近红外激光的辐照下，碳纳米管将光能转化为热能，在RDX颗粒周围快速形成密集的纳米尺度的热点；在大量高温高压热点的共同作用下，实现RDX颗粒的点火和爆炸，其毁伤效果与实施例一的细胞炸弹相近。
需要说明的是，实施例一和二的包覆方式，对于本领域技术人员来说，其方式是常规方式，这里不再赘述。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (3)
1.一种激光引发爆炸的细胞炸弹，其特征在于：由微纳米黑索金颗粒和金纳米棒两种材料复合而成，通过波长范围为700-1100nm、激光功率不高于2W的近红外激光辐照发生微尺度爆炸；所述的微纳米黑索金颗粒尺寸范围为0.01-10μm；所述金纳米棒的尺寸范围为10-100nm。
2.根据权利要求1所述激光引发爆炸的细胞炸弹，其特征在于：
所述的近红外激光的工作方式是连续波或脉冲式。
3.根据权利要求1所述激光引发爆炸的细胞炸弹，其特征在于：
微纳米黑索金颗粒和金纳米棒的复合方式，是表面吸附、包覆或重结晶。
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