CN109607591B - 一种纳米二氧化铈材料的制备方法及其应用 - Google Patents

一种纳米二氧化铈材料的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米二氧化铈材料的制备方法及其应用，涉及纳米材料制备领域，包括量取硝酸铈溶液与氢氧化钠溶液在室温下混合均匀并将混合溶液进行第一次水热反应得到物质A；将物质A清洗并干燥后分散到去离子水中并进行第二次水热反应得到混合溶液B，将B溶液离心、干燥得到纳米二氧化铈；将甘油、水和聚乙二醇充分混合加热并在搅拌条件下向其中加入纳米二氧化铈得混合溶液C并超声分散获得纳米二氧化铈材料。本发明制备的纳米二氧化铈材料可以作为紫外防护剂、抗氧化剂或应用于主动核酸修复。本发明方法所制备的纳米二氧化铈材料可以降低紫外线对皮肤等人体组织的损伤，同时该材料在可见光区有良好的透过性。

Description

一种纳米二氧化铈材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及纳米材料制备领域，尤其涉及一种纳米二氧化铈材料的制备方法及其应用。
背景技术
紫外光(Ultraviolet,UV)是指波长范围在10nm(30PHz)到400nm(750THz)之间的电磁波，其波长介于可见光和X射线之间。在太阳全部的能量输出中，UV光的能量占到10％左右，属于地球接收到日光的一部分。UV光同样也可以通过人造光源产生，如紫外灯、汞灯和黑光灯等。UV光会引发许多化学反应，并会诱导许多材料发光或者产生荧光。过度的紫外辐射会对机体产生多种损伤，严重损害人体健康。皮肤和眼角膜等与紫外线直接接触的组织在受到过量的紫外光照射后，会产生多种不良反应，如皮肤炎症、水肿、表皮细胞癌变以及视网膜黄斑病变等。皮肤细胞在受到过量紫外线的照射后会开启凋亡程序，从而出现细胞死亡，导致多种急性组织损伤。此外，紫外线还会造成皮肤细胞的核酸损伤，引发遗传改变，最终导致皮肤细胞的异常增殖，引起皮肤的癌变。
幸运的是，人类接触不到紫外线中损伤能力最强的那一部分。上层大气中的臭氧层吸收了波长最短(100-280nm)，能量最高的那一部分紫外线(Ultraviolet C,UVC)，使得这一部分紫外线无法到达地表。在到达地表的那一部分紫外辐射中，超过95％的是波长较长(315-400nm)的长波紫外线(Ultraviolet A,UVA)以及少量的中波(280-315nm)紫外线(Ultraviolet B,UVB)。这其中，UVA的波长太长，能量很难对DNA的碱基序列产生损伤，而中波紫外线虽然经过了臭氧层的吸收，到达地表的比例很低但依旧可以对核酸产生严重损伤。大量的研究表明，对细胞DNA的损伤是造成紫外线诱导细胞变性及死亡的主要原因。虽然这一因果关系中的许多细节还尚未确定，但许多的相关实验数据都显示紫外光诱导的自由基失衡以及环丁烷嘧啶二聚体(cyclobutyl pyrimidine dimers,CPDs)生成是诱发皮肤细胞异常死亡以及突变的两个主要因素。
目前常规的紫外防护剂为了对抗紫外损伤通常由紫外吸收剂和抗氧化剂等共同构成。通过紫外吸收剂降低皮肤接受到的紫外线能量，再通过抗氧化剂进一步清除紫外线照射生成的活性氧自由基，以防止紫外诱导的活性氧对皮肤组织的损伤。
多种有机紫外吸收剂如奥克立林(Octocrylene)、恩索利唑(Ensulizole)和无机紫外吸收材料如氧化锌、氧化钛等都被用于防晒霜的紫外屏蔽功能。但这些材料本身会对皮肤组织造成损伤，并对女性激素水平造成不良影响，且具有明显的光毒性，此外这些材料对紫外线的屏蔽效果也不太尽如人意。
另一方面，在减轻氧化应激损伤方面，许多天然抗氧化剂如超氧化物歧化酶，维生素E等通过发挥清除自由基抗氧化的活性从而被广泛的应用于紫外线防护中，但这些天然抗氧化剂其化学稳定性和半衰期太短，限制了其在降低紫外氧化损伤方面的应用。
因此，本领域技术人员致力于开发一种纳米二氧化铈材料的制备方法，使得制备出的纳米二氧化铈材料同时具有高效的紫外屏蔽效果、降低紫外光导致的过度氧化应激损伤和良好的生物安全性和优异的结构稳定性。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种纳米二氧化铈材料的制备方法，用以制备满足同时具有高效的紫外屏蔽效果以及降低紫外光导致的过度氧化应激损伤效果，同时该材料还具有良好的生物安全性和优异的结构稳定性。
在满足上述要求的同时，理想的紫外防护剂还需要满足能够清除或修复UVB所诱导的细胞核内CPDs，减轻紫外对细胞核的损伤，从而在一种材料上发挥物理、化学以及生物三重紫外防护的功效。
为实现上述目的，本发明提供了一种纳米二氧化铈材料的制备方法，包括：
S100、量取硝酸铈溶液与氢氧化钠溶液在室温下混合均匀并将混合物进行第一次水热反应得到物质A；
S200、将物质A清洗并干燥后分散到去离子水中并进行第二次水热反应得到混合溶液B，将B溶液离心、干燥得到纳米二氧化铈；
S300、将甘油、水和聚乙二醇充分混合加热并在搅拌条件下向其中加入纳米二氧化铈得混合溶液C并超声分散获得纳米二氧化铈材料。
此外，本发明还提供了三种纳米二氧化铈材料的应用，包括：
纳米二氧化铈材料作为紫外防护剂的应用；
纳米二氧化铈材料作为抗氧化剂的应用；
纳米二氧化铈材料在主动核酸修复中的应用。
本发明的实施例与现有技术相比，优势在于：
(1)本发明方法所制备的纳米二氧化铈材料可以降低紫外线对皮肤等人体组织的照射，同时该材料在可见光区有良好的透过性；
(2)本发明方法所制备的纳米二氧化铈材料相对于现有的的抗氧化剂如维生素E等具有良好的生物稳定性和优异的抗氧化性；
(3)本发明方法所制备的纳米二氧化铈材料可以在可见光辅助作用的条件下重新打开因紫外线导致的胸腺嘧啶二聚体，使其恢复到正常的胸腺嘧啶单体形式，具有主动修复核酸的功能。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的流程图；
图2(a)是纳米二氧化铈(PN-CeO2)紫外吸收图谱；
图2(b)纳米二氧化铈、纳米二氧化锌和纳米二氧化钛在300nm处的透过率对比图；
图2(c)纳米二氧化铈、纳米二氧化锌和纳米二氧化钛水溶液可见光透过性对比图；
图3(a)是皮肤细胞(HaCaT)在紫外光处理下，纳米二氧化铈和小分子抗氧化物(Trolox)抗紫外损伤活性研究对比图；
图3(b)紫外诱导下，HaCaT细胞的超氧化物歧化酶(SOD)水平研究对比图；
图3(c)以2',7'-二氯荧光黄双乙酸盐(DCFH-DA)为探针进行活性氧荧光成像研究图；
图3(d)以DCFH-DA为活性氧标记通过流式细胞术定量研究细胞的活性氧水平对比图；
图3(e)通过电子顺磁共振分析纳米二氧化铈和天然抗氧化物(Trolox)对活性氧的清除能力对比图；
图4(a)是胸腺嘧啶(Thymine)在紫外诱导下形成二聚体和纳米二氧化铈受到可见光照射后产生光生电子促进胸腺嘧啶二聚体转变为为胸腺嘧啶单体示意图；
图4(b)胸腺嘧啶紫外线诱导二聚化和纳米二氧化铈在可见光照射下产生光生电子进行光修复的机理图；
图4(c)单纯的光照、可见光照射和纳米二氧化铈在可见光存在下对胸腺嘧啶二聚体进行光修复效率对比图。
具体实施方式
在工业领域，二氧化铈材料被广泛用于光电晶体管、燃料电池、太阳能电池、气体传感器、储氧材料、光催化、汽车尾气处理以及工业紫外线吸收剂等领域。早先的研究也表明，纳米二氧化铈材料在紫外线保护方面具有许多独特的优势。良好的紫外线屏蔽性能，高效的抗氧化活性，以及优秀的生物安全性等。传统的紫外线防护剂主要是通过紫外吸收以及抗自由基等方面发挥紫外线防护的作用。缺乏对皮肤细胞核损伤的研究特别是对CPDs清除和修复方面的影响。而恰恰是皮肤细胞核损伤以及CPDs生成导致的基因变异使得皮肤细胞出现癌变，严重危及身体健康。传统的紫外防护剂在这方面缺乏足够的研究，我们期望借助纳米二氧化铈紫外吸收、抗氧化、抗凋亡、抗炎症以及核酸保护的特点，开发一种制备方法来制备新型的紫外防护剂，在物理层面实现对紫外线吸收的同时，清除因紫外线产生的过量自由基，同时借助纳米二氧化铈材料光催化的能力模拟天然的光修复过程将环化的CPDs重新开环，恢复到正常的胸腺嘧啶单体形式，从而使细胞核免受紫外线的损害，在多个层面降低紫外线对皮肤组织的损伤。另外，动物实验表明，该材料在皮肤表面涂布后会有少量的材料进入皮肤组织发挥良好的抗氧化和核酸修复功能。进入皮肤组织内的材料通过皮肤角质层的脱落，经过2周左右的时间即可完全代谢，不会在皮肤组织内累积产生毒性。
以下参考说明书附图1至图4(c)介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
如图1本发明的较优实施例的流程图所示，包括如下步骤：
S100、量取40-80mL硝酸铈溶液与720-750mL氢氧化钠溶液在室温下搅拌约30mins，待混合溶液搅拌均匀后进行第一次水热反应得到物质A，第一次水热反应的温度控制在100-120℃，第一次水热反应的时间为12-24h；
S200、将物质A用去离子水或者无水乙醇反复清洗3次以上并干燥后分散到水溶液中进行第二次水热反应得到混合溶液B，将B溶液在12000rpm下离心约10mins后去除上清液，将沉淀物在60℃下干燥24h得到纳米二氧化铈，其中，第二次水热反应的温度为160-180℃，第二次水热反应的时间为12-24h；
S300、将40-50mL甘油、30-50mL水和5-20mL聚乙二醇充分混合后加热到70℃-80℃，并在搅拌条件下向其中加入纳米二氧化铈得混合溶液C并超声分散3h-4h获得纳米二氧化铈材料。
下面通过详细介绍5个实施例来说明本发明的具体实施方式。
实施例1
取50mL的硝酸铈水溶液(0.8M)与750mL的NaOH水溶液(6.4M)室温下搅拌混合30mins后，100℃下水热反应24h得到物质A，将A用水或乙醇反复清洗3次以上并干燥后，分散到水中进行第二次水热反应，反应温度设置在180℃，时间为12h。第二次水热反应后得到混合溶液B，将溶液B在12000rpm下离心10mins，去除上清液后，将沉淀物在60℃下干燥24小时得到纳米二氧化铈。随后将50mL甘油、30mL水和20mL聚乙二醇充分混合后加热至70℃，在搅拌下缓慢加入7.5g纳米二氧化铈得到混合溶液C，随后将其超声分散3h，获得7.5％的纳米二氧化铈材料。
实施例2
取80mL的硝酸铈水溶液(0.6M)与720mL的NaOH水溶液(6.5M)室温下搅拌混合30mins后，120℃下水热反应12h得到物质A，将A用水或乙醇反复清洗3次以上并干燥后，分散到水中进行第二次水热反应，反应温度设置在160℃，时间为12h。第二次水热反应后得到混合溶液B，将溶液B在12000rpm下离心10mins，去除上清液后，将沉淀物在60℃下干燥24小时得到纳米二氧化铈。随后将50mL甘油、40mL水和5mL聚乙二醇充分混合后加热至70℃，在搅拌下缓慢加入8g纳米二氧化铈得到混合溶液C，随后将其超声分散3h，获得8％的纳米二氧化铈材料。
实施例3
取60mL的硝酸铈水溶液(1.0M)与740mL的NaOH水溶液(6.3M)室温下搅拌混合30mins后，100℃下水热反应24h得到物质A，将A用水或乙醇反复清洗3次以上并干燥后，分散到水中进行第二次水热反应，反应温度设置在170℃，时间为12h。第二次水热反应后得到混合溶液B，将溶液B在12000rpm下离心10mins，去除上清液后，将沉淀物在60℃下干燥24小时得到纳米二氧化铈。随后将40mL甘油、50mL水、5mL聚乙二醇、5mL玻璃酸钠和10g山梨醇充分混合后加热至80℃，在搅拌下缓慢加入7g纳米二氧化铈得到混合溶液C，随后将其超声分散3h，获得7％的纳米二氧化铈材料。
实施例4
取40mL的硝酸铈水溶液(0.8M)、10mL硝酸钆(0.8M)与750mL的NaOH水溶液(6.4M)室温下搅拌混合30mins后，100℃下水热反应24h得到物质A，将A用水或乙醇反复清洗3次以上并干燥后，分散到水中进行第二次水热反应，反应温度设置在160℃，时间为24h。第二次水热反应后得到混合溶液B，将溶液B在12000rpm下离心10mins，去除上清液后，将沉淀物在60℃下干燥24小时得到纳米二氧化铈。随后将40mL甘油、35mL水、10mL聚乙二醇、5mL玻璃酸钠和10g山梨醇充分混合后加热至80℃，在搅拌下缓慢加入6.5g钆掺杂纳米二氧化铈得到混合溶液C，随后将其超声分散4h，获得6.5％的钆掺杂纳米二氧化铈材料。
实施例5
取45mL的硝酸铈水溶液(0.6M)、5mL硝酸钆(0.6M)与750mL的NaOH水溶液(6.4M)室温下搅拌混合30mins后，100℃下水热反应24h得到物质A，将A用水或乙醇反复清洗3次以上并干燥后，分散到水中进行第二次水热反应，反应温度设置在160℃，时间为24h。第二次水热反应后得到混合溶液B，将溶液B在12000rpm下离心10mins，去除上清液后，将沉淀物在60℃下干燥24小时得到纳米二氧化铈。随后将50mL甘油、35mL水、10mL聚乙二醇、5mL玻璃酸钠和10g山梨醇充分混合后加热至80℃，在搅拌下缓慢加入5g镧掺杂纳米二氧化铈得到混合溶液C，随后将其超声分散4h，获得6.5％的钆掺杂纳米二氧化铈材料。
本发明的实施例还做了功能验证实验，结果如下：
如图2(a)纳米二氧化铈(PN-CeO2)紫外吸收图谱所示，结果显示纳米二氧化铈在紫外区具有良好的吸收能力，其紫外特征峰在UVB波段，对应波长为300nm。该结果表明纳米二氧化铈在紫外区特别是UVB区具有良好的吸收能力；图2(b)为纳米二氧化铈、纳米二氧化锌和纳米二氧化钛在300nm处的透过率比较图，对比结果显示，在相同浓度下(100mM)，纳米二氧化铈对300nm紫外光的透过率低于0.2％，亦即300nm波长的紫外光几乎被纳米二氧化铈全部吸收，而同剂量下纳米二氧化锌和纳米二氧化钛对300nm紫外光的透过率超过80％，仅有小部分300nm紫外光被吸收；图2(c)纳米二氧化铈、纳米二氧化锌和纳米二氧化钛水溶液可见光透过性对比图。从图上看，在同样浓度下，纳米二氧化铈水溶液完全透明，而纳米二氧化锌和纳米二氧化钛均出现了不同程度的浑浊。由此可见，纳米二氧化铈对可见光的透过性较好。
图3(a)为皮肤细胞(HaCaT)在紫外光处理下，纳米二氧化铈和小分子抗氧化物(Trolox)抗紫外损伤活性研究对比图。结果显示，对照组在紫外光照射下HaCaT细胞大量死亡，存活率低于20％；Trolox对于紫外诱导的氧化损伤有一定防护效果，HaCaT细胞存活率提高至40％；而在纳米二氧化铈保护下，HaCaT细胞存活率高于80％，说明对照组和Trolox的抗氧化能力远低于纳米二氧化铈；图3(b)为在紫外诱导下，HaCaT细胞的超氧化物歧化酶(SOD)水平研究对比图。如对照组(Ctrl)所示，在紫外照射后，细胞为清除过量的活性氧产生大量SOD(增加85％)；Trolox对活性氧有一定清除能力，相应实验组的SOD水平有少量下降，约9％；而纳米二氧化铈处理后的细胞在经过紫外照射后SOD水平仅有少量增加，约15％，该结果显示纳米二氧化铈具有良好的抗氧化活性。图3(c)为以2',7'-二氯荧光黄双乙酸盐(DCFH-DA)为探针进行活性氧荧光成像研究图，图中越亮的地方表明细胞内的活性氧水平越高，可以看出UV光处理后产生大量的亮光区域，但经纳米二氧化铈处理后紫外照射产生的活性氧明显减少，基本接近背景值。图3(d)为以DCFH-DA为活性氧标记通过流式细胞术定量研究细胞的活性氧水平图。图中显示，紫外处理后对照组(Ctrl)活性氧水平大幅度增加，超过120％，而经纳米二氧化铈处理后的细胞活性氧水平仅增加了27％，远低于Trolox组的增加值，89％；图3(e)为通过电子顺磁共振分析纳米二氧化铈和天然抗氧化物(Trolox)对活性氧的清除能力图。实验结果显示纳米二氧化铈处理后经紫外照射活性氧自由基的强度接近背景值且远低于未经处理的UVB照射组和Trolox保护组，显示出了优秀的抗氧化能力。
图4(a)为胸腺嘧啶(Thymine)在紫外诱导下形成二聚体，导致基因复制异常。纳米二氧化铈受到可见光照射后产生光生电子促进胸腺嘧啶二聚体转变为为胸腺嘧啶单体，修复因紫外线照射导致的基因异常；图4(b)为胸腺嘧啶紫外线诱导二聚化和纳米二氧化铈在可见光照射下产生光生电子进行光修复的机理图。该修复过程利用太阳光中可见光部分驱动完成；图4(c)图表明单纯的光照或可见光照射都不能对胸腺嘧啶二聚体进行光修复，纳米二氧化铈只有在可见光存在下才会实现胸腺嘧啶二聚体修复的功能，修复效率超过70％。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种纳米二氧化铈材料在主动核酸修复中的应用，其中，
所述纳米二氧化铈材料可以在可见光辅助作用的条件下重新打开因紫外线导致的胸腺嘧啶二聚体，使其恢复到正常的胸腺嘧啶单体形式，具有主动修复核酸的功能；
所述纳米二氧化铈材料通过如下方法制备：
S100、量取硝酸铈溶液与氢氧化钠溶液在室温下混合均匀并将混合溶液进行第一次水热反应得到物质A；
S200、将物质A清洗并干燥后分散到去离子水中并进行第二次水热反应得到混合溶液B，将B溶液离心、干燥得到纳米二氧化铈；
S300、将甘油、水和聚乙二醇充分混合加热并在搅拌条件下向其中缓慢加入纳米二氧化铈得混合溶液C并超声分散获得纳米二氧化铈材料。
2.如权利要求1所述的应用，其中，所述步骤S100中硝酸铈溶液体积为40-80mL，氢氧化钠溶液体积为720-750mL。
3.如权利要求1所述的应用，其中，所述步骤S100中第一次水热反应的温度为100-120℃，第一次水热反应的时间为12-24h。
4.如权利要求1所述的应用，其中，所述步骤S200中第二次水热反应的温度为160-180℃，第二次水热反应的时间为12-24h。
5.如权利要求1所述的应用，其中，所述步骤S300中甘油体积为40-50mL，水溶液体积为30-50mL，聚乙二醇体积为5-20mL。
6.如权利要求1所述的应用，其中，所述步骤S300中加入纳米二氧化铈的质量为7-8g。
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