CN110917172A - 一种氧化钼纳米片封堵中空介孔硅纳米材料及其制备和应用 - Google Patents

一种氧化钼纳米片封堵中空介孔硅纳米材料及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氧化钼纳米片封堵中空介孔硅纳米材料及其制备和应用，通过聚乙二醇修饰的二硬脂酰磷脂酰乙醇胺mPEG‑DSPE修饰的氧化钼MoOx纳米片封堵中空介孔硅，获得。本发明制备方法操作简单，实验条件易控制，具有产业化实施的前景。

Description

一种氧化钼纳米片封堵中空介孔硅纳米材料及其制备和应用
技术领域
本发明属于功能性纳米复合材料及其制备和应用领域，特别涉及一种氧化钼纳米片封堵中空介孔硅纳米材料及其制备和应用。
背景技术
恶性肿瘤严重威胁人类健康和生命，近年来肿瘤的发病率和死亡率不断增加，肿瘤治疗已经成为当前医学研究领域所面临的一个重大挑战。目前，肿瘤的治疗手段主要以手术切除、放射性治疗以及化学药物治疗为主，某些肿瘤也利用基因、生物治疗等方法作为辅助治疗。化疗药物作为一种全身治疗的手段，可以有效的对抗肿瘤细胞的侵袭和转移，因此化疗在肿瘤的综合治疗中占主导地位。但是传统的化疗药物依然存在一定的局限性，例如水溶性差、缓解期短、排泄缓慢、明显的毒副作用和交叉耐药等缺点。因此这类化学药物的治疗效果仍有待改进。另外，与传统的放射治疗相比，光热治疗具有更好的微创性，治疗效果更好的优点。
纳米技术的出现为抗肿瘤药物设计提供了新思路。纳米技术融合多学科交叉协作，在肿瘤成像、肿瘤诊断和肿瘤靶向治疗等方面展现出了广阔的应用前景。纳米片层载药系统由于其易于表面靶向修饰、循环和滞留时间长、易渗透进入细胞、可实现缓释和控制释放等优势，可以克服现有小分子药物制剂所存在的生物选择性差、利用率低、稳定性差、药物作用时间短、不良反应严重等缺陷。
值得注意的是，肿瘤位置的微环境比正常组织的温度稍微高些(1～2℃高于正常组织)，偏酸性pH值(略低于正常组织)和伴随着高酶浓度的过度细胞增殖，这些都会减弱细胞毒性药物的治疗效果。而根据这些特点可以合成一些温度或pH响应性的药物传递载体，通常被称为“智能纳米载体”，因为它们能够在肿瘤位置经历快速、突然和可逆的结构/属性改变，以应对周围环境的微小变化。
纳米载药系统在肿瘤治疗中得到越来越多的关注，其中介孔硅微球以其成本低，生物相容性好，比表面积大，有更多的位点可以用来修饰基团等优点而被广泛应用于构建纳米载药系统治疗癌症。介孔材料的孔径介于微孔材料(<2nm)和大孔材料(>50nm)之间，与其他纳米材料相比，介孔材料具有极好的机械和热稳定性，高度有序的孔道结构，单一的孔径分布和较高的稳定性，另外其可调空孔径的疏松壳层及高渗透性和尺寸可控的内部空腔，可作为化学物质、药物和基因等客体分子的载体，把客体物质和周围环境分隔开，运输到目标区域之后释放，可以提高难溶性物质的载药量和溶出速率，被大量用于药物的控释和缓释方面的研究。
在这之后，封堵介孔硅孔洞的材料设计在实现药物的精准释放和控释方面就显得尤为重要，迄今为止，已经有很多的封孔材料被应用，比如聚合物，生物大分子，无机材料，量子点，二维材料等，虽然已经有了很大的进步，但依然存在着很多问题需要解决，比如材料的不均一性，较低的生物相容性以及无法避免的生物毒性等，因此寻找在机体中生物相容性更好的封孔剂就显得尤为重要。MoOx作为一种新型的等离子半导体，其具有明显的近红外光吸收以及良好的光热转换能力，可以用于光热治疗，同时，MoOx材料制备方法绿色简便，耗费少，同时相较于自上而下的制备方法产量更大。与此同时，相较其他封端剂，如MoS2，很多研究表明MoOx纳米材料在体内具有更好的降解性和生物相容性，对机体的毒性作用也更小，因此，MoOx材料更适宜作为一个纳米粒子的门卫。
氧化钼纳米材料由于成本低，光学吸收广，具有光热治疗，pH响应和负载药物的能力，因而拥有在生物医药中应用的巨大潜力。目前基于二氧化钼的控释体系的研究进一步加强光热治疗效果，同时与化疗相结合研究中，实现近红外光与pH双重响应的载药体系，提高治疗效果、减小毒副作用的相关研究逐步引起学者们广泛的关注。
Wenyan Yin等人研制出了氧化钼纳米片层的光热材料，808nm激光照射下的光热转化效率为27.3％(Yin W,Bao T,Zhang X,et al.Biodegradable MoOx nanoparticleswith efficient near-infrared photothermal and photodynamic synergetic cancertherapy at the second biological window[J].Nanoscale,2018,10.)，本发明制备所得一种氧化钼纳米片封堵中空介孔硅纳米材料光热转化效率更高，可以达到44％，在相同时间内更快的达到目标温度，对肿瘤细胞起到杀伤的作用，同时减少对正常组织的损害。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种氧化钼纳米片封堵中空介孔硅纳米材料及其制备和应用，克服现有技术中氧化钼片层材料自身药物负载率低且药物容易在血液循环中丢失的缺陷，本发明中通过聚乙二醇修饰的二硬脂酰磷脂酰乙醇胺mPEG-DSPE修饰的氧化钼MoOx纳米片封堵载药中空介孔硅得到载药复合材料体系。
本发明的一种纳米复合材料，所述复合材料为氧化钼纳米片封堵的中空介孔硅纳米复合材料，通过mPEG-DSPE修饰的氧化钼MoOx纳米片封堵中空介孔硅，获得；其中mPEG-DSPE的名称为聚乙二醇修饰的二硬脂酰磷脂酰乙醇胺。
本发明的一种纳米复合材料的制备方法，包括：
(1)将氧化钼MoOx分散到溶剂三氯甲烷中，冰浴超声，然后加入聚乙二醇修饰的二硬脂酰磷脂酰乙醇胺mPEG-DSPE，室温下搅拌过夜，旋蒸，洗涤并离心，得到MoOx-PEG材料；其中MoOx与mPEG-DSPE的质量比为1:5-1:10；
(2)将中空介孔硅HMONs溶于溶剂无水乙醇中，并与3-氨丙基三乙氧基硅烷APTES在油浴锅中反应，离心洗涤收集，干燥，得到HMONs-NH2；在整个实验操作过程中，油浴部分均受到氮气保护；其中HMONs、APTES的比例为1g：1.2mL；
(3)将HMONs-NH2与MoOx-PEG材料在水溶液中混合并超声处理，之后离心洗涤，得到纳米复合材料。
上述制备方法的优选方式如下：
所述步骤(1)中氧化钼MoOx由下列方法制备：将钼酸铵分散到超纯水中，加入盐酸，超声，得到钼酸铵分散液；将油胺分散到环己烷中得到油胺分散液，然后加入到钼酸铵分散液中，磁力搅拌，然后反应，离心，洗涤，得到MoOx材料；其中，钼酸铵、油胺的质量比为3:2-3:5、超纯水、盐酸、环己烷的体积比为30:1:10-30:1.5:13。
所述超声的时间为5-10min；磁力搅拌时间为0.5-1h；反应具体参数为：反应温度为180-260℃，反应时间为12-15h。
上述氧化钼MoOx的制备方法中，盐酸的浓度为1mol/L；钼酸铵分散液的pH为5.0-5.5；洗涤的工艺条件为：采用三氯甲烷和乙醇交替洗涤3-5次。
所述步骤(1)中冰浴超声的时间为100-200min，冰浴超声的目的是将大的纳米片层处理成小碎片，降低粒径大小。
所述步骤(2)中中空介孔硅HMONs及HMONs-NH2由下列方法制备：将四乙氧基硅烷TEOS与十八烷基三甲氧基硅烷C18TMS在油浴锅中混合反应后，与碳酸钠溶液反应刻蚀，离心洗涤，干燥，得到中空介孔硅HMONs；其中TEOS与C18TMS的体积比为5:2，碳酸钠溶液的浓度为0.6M/L。
上述中空介孔硅HMONs的制备方法具体为：将无水乙醇和超纯水均匀混合，并添加到三孔烧瓶中，然后添加氨水，并将混合物在油浴锅中搅拌；此后，加入TEOS并再搅拌，随后，将TEOS和C18TMS形成混合物并将其快速加入到烧瓶中，然后搅拌反应，并且将获得的白色乳状液离心以获得白色沉淀物，均匀地混合无水乙醇和盐酸，并将溶液与白色沉淀物混合，并在油浴锅中搅拌，离心后，再一次重复上述操作；之后，将产物均匀地分成八部分，并通过离心收集白色沉淀物，然后将每种产物分散在碳酸钠溶液中，在油浴锅中反应，最后通过离心收集并分别用无水乙醇和超纯水洗涤，真空干燥获得HMONs。其中洗涤的工艺条件均为：采用无水乙醇和超纯水交叉洗涤3-5次；真空干燥温度为100℃。
上述反应的工艺参数为：油浴锅温度为30℃，反应时间为20min；加入TEOS后，反应时间为1h；将TEOS与C18TMS混合溶液加入后，反应时间为1h；加入无水乙醇和盐酸的混合溶液后，油浴锅温度为80℃，反应时间为12h；加入碳酸钠溶液后，油浴锅温度为80℃，反应时间为7h。
所述步骤(2)中油浴锅温度为80℃，反应时间为24h；干燥为真空干燥，温度为60℃。所述步骤(1)、(3)中洗涤的工艺条件均为：采用超纯水洗涤3-5次。
所述步骤(2)中洗涤为采用无水乙醇洗涤3-5次。
本发明提供一种载药纳米复合材料，所述载药纳米复合材料为mPEG-DSPE修饰的氧化钼MoOx纳米片封堵载药的中空介孔硅，获得。
本发明提供一种所述载药纳米复合材料的制备方法，包括：HMONs-NH2与模型药物DOX在超纯水中混合，室温下搅拌过夜，离心并洗涤，获得HMONs-NH2-DOX；然后将HMONs-NH2-DOX、MoOx-PEG在水溶液中混合并超声处理10-15min，离心洗涤，得到载药体系HMONs-NH2-DOX/MoOx-PEG；其中HMONs-NH2与DOX的质量比为1:1-1:3；HMONs-NH2-DOX与MoOx-PEG的质量比为3:1。(注：HMONs-NH2、MoOx-PEG的制备同上述步骤(1)和(2))。
本发明提供一种所述载药纳米复合材料在制备肿瘤靶向及化疗和光热治疗协同药物中的应用。
本发明制得的载药纳米复合物HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG进行药物释放实验的方法，包括：
(a)配制DOX磷酸缓冲溶液及醋酸缓冲溶液，于紫外分光光度计中检测最大吸收值，并拟合两种pH环境下的DOX标准曲线；
(b)将HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG载药复合材料溶于缓冲溶液中，置于两个透析袋中，然后分别将透析袋放入两种pH值中振荡一定时间，于不同时间点取样，并补充缓冲液，得到pH响应药物释放曲线。
(c)将HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG载药复合材料溶于醋酸盐缓冲溶液中，置于透析袋中，然后分别用不同功率照射一定时间内，于不同时间点取样，并补充缓冲液，得到光热响应药物释放曲线。
所述步骤(a)中磷酸缓冲溶液的pH值为7-7.5；醋酸缓冲溶液的pH值为5-6。
所述步骤(a)中所述DOX标准曲线DOX浓度为0.005～0.08mg/mL。
所述步骤(b)中两种pH值分别为：pH值为7-7.4的磷酸缓冲溶液、pH值为5-6的醋酸缓冲溶液；振荡时间为24h-100h，体积均为10-15mL。
所述步骤(b)中药物释放所需的HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG载药复合材料为0.5～4mg。所述步骤(c)中药物释放所需的HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG载药复合材料为0.5～4mg，醋酸缓冲溶液的pH值为5-6；激光的波长为808nm，照射功率1.0-3.0W/cm2，照射时间为1-5min；振荡时间为24h-100h，体积均为10-15mL。
有益效果
(1)本发明通过PEG修饰二氧化钼，达到增加载药复合物稳定性的作用；通过近红外光的照射，使得载药复合物通过内吞途径进入细胞后，因为光热效应引起的局部加热使内体膜不稳定，从而促进药物及其载体从核内体中逃逸。达到大多数抗癌药物应迅速释放到细胞溶质中的效果。从而大大提高药物的疗效，同时以MoOx材料封堵中空介孔硅，在近红外光的照射下可以提高温度并加速振动，从而打开封堵孔，达到药物的控制释放，减少在血液循环中的药物损失。本发明构建化疗与光热治疗的协同治疗体系，结合光热治疗和化疗为一体增大治疗效率；
(2)本发明的方法简单，反应条件温和，易于操作，具有产业化实施的前景；
(3)本发明的HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG载药复合材料药物装载量高，可以达到46.7％，且能够长效缓释，且具有pH及近红外光双响应输送能力，在较低pH值环境下释放率高，适合肿瘤组织的微环境；且在较低功率的激光照射下产生过高热，具有肿瘤长效缓释的潜力；
(4)本发明得到的纳米颗粒具有较好的水分散性，及生物相容性，具有应用于肿瘤靶向及协同治疗的前景；
(5)本发明的HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG载药复合材料可以实现对乳腺癌细胞的光热治疗效果，光热转化效率可以达到44％。
附图说明
图1为实施例1中中空介孔硅、MoOx纳米片封堵后的中空介孔硅的TEM图像；其中(a)图表示未封堵之前的中控介孔硅图像即：HMONs-NH2-DOX，(b)图表示MoOx纳米片封堵后的中空介孔硅图像，可以清晰的看到中控介孔硅旁边多了很多片层结构，表明成功封堵；
图2为实施例1中中空介孔硅的SEM图像；
图3为实施例1中HMONs-NH2、HMONs-NH2-DOX、HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG的紫外图谱；
图4为实施例1中HMONs、HMONs-NH2、HMONs-NH2-DOX、HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG的Zeta电势变化；
图5为实施例1中HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG材料的水动力学直径变化；
图6为实施例2中HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG在不同条件的体外药物释放行为。
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。
实验试剂
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实施例1
(1)将3g钼酸铵分散到30mL超纯水中，之后加入1mL盐酸(浓度为1mol/L)，超声处理五分钟，将2g油胺分散到10mL环己烷中，将油胺分散液缓慢加入到钼酸铵分散液中，磁力搅拌半小时，将产物在200℃下反应15h，反应结束后收集产物并离心，之后用三氯甲烷和乙醇洗涤并收集，得到MoOx。
(2)将步骤(1)制备得到的二氧化钼材料分散到50mL三氯甲烷溶液中，之后对溶液进行冰浴超声处理150min，将大的纳米片层处理成小碎片，降低粒径大小。超声处理之后，加入500mg的mPEG-DSPE，室温下搅拌过夜，利用旋蒸法蒸发氯仿，得到深棕色的干燥物质，并用超纯水洗涤并离心收集产物，得到MoOx-PEG材料。
(3)将71.4mL的无水乙醇和10mL的超纯水均匀混合，并添加到三孔烧瓶中，然后添加3.14mL氨水，并将混合物在30℃的油浴中搅拌20min。此后，加入6mL的TEOS并再搅拌1h。随后，将5mL TEOS和2mL C18TMS形成混合物并将其快速加入到烧瓶中，然后搅拌1h，并且将获得的白色乳状液离心以获得白色沉淀物。均匀地混合100mL的无水乙醇和10mL的盐酸，并将50mL的溶液与白色沉淀物混合，并在80℃的油浴中搅拌12h，离心后，再一次重复上述操作。之后，将产物均匀地分成八部分，并通过离心收集白色沉淀物，然后将每种产物分散在40mL碳酸钠溶液(0.6M/L)中，在80℃的油浴中反应7h后，通过离心收集并分别用无水乙醇和超纯水洗涤3次。最后100℃下干燥获得HMONs。
(4)将步骤(3)获得的HMONs取1g溶于80mL无水乙醇中，然后加入1.2mL APTES在80℃的油浴中反应24h，以获得HMONs-NH2，然后将其离心并用无水乙醇洗涤3次，并在60℃真空干燥。在整个实验操作过程中，油浴部分均受到氮气保护。
(5)将步骤(4)得到的HMONs-NH2与模型药物DOX以质量比1:1在超纯水中混合后并室温搅拌过夜处理，离心并用超纯水洗涤多次，最后收集产物HMONs-NH2-DOX。离心收集上清液并测试上清液的吸光度。
(6)将步骤(4)获得的HMONs-NH2-DOX与步骤(2)获得的MoOx-PEG混合并超声处理得到HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG，之后离心洗涤并收集产物；其中HMONs-NH2-DOX与MoOx-PEG的质量比为3:1.
将本实施例的最初产物HMONs与最终产物HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG分散到超纯水中，拍摄TEM和SEM，结果如图1所示，观察形态，可知成功制备了形态均匀的球型中空介孔硅材料，而最终产物则被MoOx纳米片层成功包裹，如图2所示，同样可以看到成功制备了形态均匀的球型中空介孔硅。
对本实施例的各级产物进行结构确证，测量载药前后HMONs-NH2、HMONs-NH2-DOX、HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG三种材料的紫外吸光度，紫外图谱变化如图3所示，可知，载药后的中空介孔硅在480nm处有DOX的特征峰，而经过MoOx纳米片层封堵的中空介孔硅在480nm处的特征峰减弱，同时在800-1000nm近红外区域有明显升高，表明具有光热转化的性能。
对合成的产物进行理化性能测试，测量载药前后HMONs、HMONs-NH2、HMONs-NH2-DOX、HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG四种材料的电势变化，结果如图4所示，可知材料前后电势发生变化，辅助证明不同阶段材料的成功制备，同时较大的绝对值表明材料的分散性良好。
进一步对HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG材料进行DLS的检测，其水动力学直径结果如图5所示，可知材料的粒径大小在119±19nm，符合EPR效应，有利于材料被动靶向聚集在肿瘤区域，可以证明材料已成功合成。
实施例2
本发明的HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG载药体系进行药物释放实验的方法：
(1)配制DOX磷酸缓冲溶液及醋酸缓冲溶液，于紫外分光光度计中检测最大吸收值，并拟合两种pH环境下(5.0,7.4)的DOX标准曲线；
(2)将5mg HMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG载药复合材料溶于5mL缓冲溶液中，置于两个透析袋中，然后分别将透析袋置于pH 5.0和pH 7.4的缓冲溶液中振荡，于不同时间点取样，补充新鲜缓冲液，得到pH响应药物释放曲线。
(3)将5mgHMONs-NH2-DOX@MoOx-PEG载药复合材料分别溶于5mL不同pH缓冲溶液(5.0和7.4)中，置于透析袋中，然后分别用808nm，1W/cm2的激光照射5min，随后置于摇床中振荡，与不同的时间点取样检测，并补充缓冲液，得到光热响应药物释放曲线。
DOX在两种pH环境下及有无激光照射条件下的释放曲线如图6所示，可见不同pH下释放存在显著差异，且光热可显著提高药物的释放，肿瘤组织较正常组织细胞相比其pH要低，该载药材料的释放正好符合这一特性。表明该载药复合材料是一种可以用于肿瘤治疗的pH/光多重刺激响应型药物载体。
对比例1
Wenyan Yin等人研制出了氧化钼纳米片层的光热材料，808nm激光照射下的光热转化效率为27.3％(Yin W,Bao T,Zhang X,et al.Biodegradable MoOx nanoparticleswith efficient near-infrared photothermal and photodynamic synergetic cancertherapy at the second biological window[J].Nanoscale,2018,10.)。
而本发明中，利用新制备的氧化钼纳米片层封堵中空介孔硅，光热转化效率可以达到44％，进而增强材料对于肿瘤的治疗效果。
对比例2
YuLi等人研制出了氧化钼纳米载药体系，其载药率仅为32.5％(YuLi，JianrongWu,etal.Synergistic Chemo-Photothermal Suppression of Cancer byMelanin Decorated MoOx Nanosheets[J].ACS Applied Bio Materials,2019,08.)。
而本发明中，采用中空介孔硅负载模型药物DOX，载药率可以达到46.7％，增强材料的化疗效果且减少药物在血液循环中的丢失。

Claims (10)

1.一种纳米复合材料，其特征在于，所述复合材料为氧化钼纳米片封堵的中空介孔硅纳米复合材料，通过mPEG-DSPE修饰的氧化钼MoOx纳米片封堵中空介孔硅，获得；其中x＝2～3。
2.一种纳米复合材料的制备方法，包括：
(1)将氧化钼MoOx分散到溶剂中，冰浴超声，然后加入聚乙二醇修饰的二硬脂酰磷脂酰乙醇胺mPEG-DSPE，室温下搅拌过夜，旋蒸，洗涤并离心，得到MoOx-PEG材料；其中MoOx与mPEG-DSPE的质量比为1:5-1:10；
(2)将中空介孔硅HMONs溶于溶剂中，并与3-氨丙基三乙氧基硅烷APTES在油浴锅中反应，离心洗涤收集，干燥，得到HMONs-NH2；
(3)将HMONs-NH2与MoOx-PEG材料在水溶液中混合并超声处理，之后离心洗涤，得到纳米复合材料。
3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中氧化钼MoOx由下列方法制备：将钼酸铵分散到超纯水中，加入盐酸，超声，得到钼酸铵分散液；将油胺分散到环己烷中得到油胺分散液，然后加入到钼酸铵分散液中，磁力搅拌，然后反应，离心，洗涤，得到MoOx材料；其中，钼酸铵、油胺的质量比为3:2-3:5、超纯水、盐酸、环己烷的体积比为30:1:10-30:1.5:13。
4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述超声的时间为5-10min；磁力搅拌时间为0.5-1h；反应具体参数为：反应温度为180-260℃，反应时间为12-15h。
5.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中冰浴超声的时间为100-200min。
6.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中中空介孔硅HMONs由下列方法制备：将四乙氧基硅烷TEOS与十八烷基三甲氧基硅烷C18TMS在油浴锅中混合反应后，与碳酸钠溶液反应刻蚀，离心洗涤，干燥，得到中空介孔硅HMONs。
7.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中油浴锅温度为80℃，反应时间为24h；干燥为真空干燥，温度为60℃。
8.一种基于权利要求1所述载药纳米复合材料，其特征在于，所述载药纳米复合材料为mPEG-DSPE修饰的氧化钼MoOx纳米片封堵载药的中空介孔硅，获得。
9.一种权利要求8所述载药纳米复合材料的制备方法，包括：HMONs-NH2与模型药物DOX在超纯水中混合，室温下搅拌过夜，离心并洗涤，获得HMONs-NH2-DOX；然后将HMONs-NH2-DOX、MoOx-PEG在水溶液中混合并超声处理10-15min，离心洗涤，得到载药体系HMONs-NH2-DOX/MoOx-PEG。
10.一种权利要求8所述载药纳米复合材料在制备肿瘤靶向及化疗和光热治疗协同药物中的应用。
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