CN111228484A - 铜硅钙石的应用以及含有铜硅钙石的复合生物材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供铜硅钙石的应用以及含有铜硅钙石的复合生物材料。铜硅钙石能够用作光热材料。CaCuSi4O10具有可控的光热性能，能够在光照（尤其是近红外激光）下迅速升温，从而有效杀死肿瘤细胞，抑制肿瘤的增长；并且CaCuSi4O10能够释放出治疗性离子（铜和硅离子），促进创伤区域的血管新生，显著提高皮肤创面的愈合速度。

Description

铜硅钙石的应用以及含有铜硅钙石的复合生物材料
技术领域
本发明涉及铜硅钙石作为光热材料的应用以及一种含有铜硅钙石的复合材料及其用于光热治疗皮肤癌与修复皮肤缺损的用途，属生物材料领域。
背景技术
近年来，对于肿瘤的治疗，越来越多的研究者致力于在杀死肿瘤细胞的同时，加快肿瘤导致的受损组织的修复[1-2]。硅酸盐生物陶瓷因为具有非常好的生物相容性，被广泛应用于组织修复领域[3-4]。铜硅钙石(CaCuSi4O10)，一种含生物活性离子(铜和硅)的生物陶瓷，对成血管有非常好的促进效果[5]。
现有技术文献
[1]X.Wang,F.Lv,T.Li,Y.Han,Z.Yi,M.Liu,J.Chang,C.Wu,ElectrospunMicropatterned Nanocomposites Incorporated with Cu2S Nanoflowers for SkinTumor Therapy and Wound Healing,ACS Nano 2017；11:11337-11349.
[2]B.Yang,J.Yin,Y.Chen,S.Pan,H.Yao,Y.Gao,J.Shi,2D-Black-Phosphorus-Reinforced 3D-Printed Scaffolds:A Stepwise Countermeasure for Osteosarcoma,Adv.Mater.2018；30.
[3]J.Li,D.Zhai,F.Lv,Q.Yu,H.Ma,J.Yin,Z.Yi,M.Liu,J.Chang,C.Wu,Preparationof copper-containing bioactive glass/eggshell membrane nanocomposites forimproving angiogenesis,antibacterial activity and wound healing,ActaBiomater.2016；36:254-266.
[4]H.Ma,C.Jiang,D.Zhai,Y.Luo,Y.Chen,F.Lv,Z.Yi,Y.Deng,J.Wang,J.Chang,C.Wu,A Bifunctional Biomaterial with Photothermal Effect for Tumor Therapy andBone Regeneration,Adv.Funct.Mater.2016；26:1197-1208.
[5]T.Tian,C.Wu,J.Chang,Preparation and in vitro osteogenic,angiogenic andantibacterial properties of cuprorivaite(CaCuSi4O10,Cup)bioceramics,RSCAdv.2016；6:45840-45849.。
发明内容
本发明的目的在于提供铜硅钙石的一种新的应用，以及一种含有铜硅钙石的复合材料。
第一发明提供铜硅钙石作为光热材料的应用。
本发明人首次发现CaCuSi4O10有优良的光热性能，其可以用作光热材料。
第二发明提供铜硅钙石在制备兼具浅表层肿瘤治疗和软组织修复双重功能的材料中的应用。
第三发明提供铜硅钙石在制备兼具皮肤癌治疗和创面修复双重功能的材料中的应用。
在皮肤癌治疗早期，铜硅钙石在近红外光照射下可以迅速升温，迅速抑制肿瘤的增长。在治疗后期，铜硅钙石持续释放出治疗性离子(铜离子和硅离子)，促进创伤区域的血管新生，显著提高皮肤创面的愈合速度。因此，本发明为临床上皮肤癌的治疗以及皮肤创面的愈合提供了一种简单有效的方案，在浅表层肿瘤的治疗和软组织修复领域具有很好的应用前景。
第四发明提供一种复合材料，其包括载体和位于载体上的铜硅钙石。
较佳地，所述载体为医学上可接受的载体，优选为能施加于皮肤上的医学材料，更优选为纤维膜，进一步优选为静电纺丝纤维膜。
较佳地，所述铜硅钙石为纳米陶瓷粉。
较佳地，所述复合材料通过将含有铜硅钙石纳米陶瓷粉的旋涂液旋涂于载体表面而制得。
较佳地，所述旋涂液的溶剂为二氯甲烷和乙醇，优选地，二氯甲烷和乙醇的体积比为1:(1～5)，旋涂液中，硅钙石纳米陶瓷粉的浓度为0.019～0.24wt％。
第五发明提供上述复合材料在制备兼具皮肤癌治疗和创面修复双重功能的材料中的应用。
在皮肤癌治疗早期，复合材料在近红外光照射下可以迅速升温，迅速抑制肿瘤的增长。在治疗后期，复合材料持续释放出治疗性离子(铜离子和硅离子)，促进创伤区域的血管新生，显著提高皮肤创面的愈合速度。因此，本发明为临床上皮肤癌的治疗以及皮肤创面的愈合提供了一种简单有效的方案，在浅表层肿瘤的治疗和软组织修复领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1为铜硅钙石(CaCuSi4O10)的(a)透射电镜、(b)选区电子衍射和(c)高分辨透射电镜。
图2为CaCuSi4O10溶液在不同激光功率照射下的光热升温曲线。
图3示出CaCuSi4O10的光热转换效率，显示其光热转换效率为33.8％，有非常好的光热性能。
图4为不同旋涂次数的复合静电纺丝纤维支架的扫描电镜形貌：(a，e)纯静电纺丝纤维支架(PP)；(b，f)旋涂1次复合纤维支架(1C-PP)；(c，g)旋涂3次复合纤维支架(3C-PP)；(d，h)旋涂5次复合纤维支架(5C-PP)；(i，j)超声30min后的3C-PP复合纤维支架；(k，l)超声60min后的3C-PP复合纤维支架。
图5中的(m，n)PP、1C-PP、3C-PP、5C-PP纤维支架的接触角和光热升温曲线；3C-PP纤维支架在干状态(o)和湿状态(p)下的光热升温曲线。
图6为采用不同纤维支架(PP：纯纤维支架；3C-PP：旋涂3次复合纤维支架)处理后的皮肤癌细胞(鼠源皮肤黑色素瘤细胞)的存活率：(a)无近红外激光照射、(b)0.65W/cm2近红外激光照射不同时间(0，15，30，45min)及(c)不同激光功率(0，0.45，0.65，0.85W/cm2)的近红外激光照射15min；(d)近红外光照射不同纤维支架周围死活细胞染色照片和共聚焦荧光显微镜照片。可以看出复合纤维支架具有显著的体外光热抗肿瘤效果。
图7为体内光热治疗肿瘤及修复创面的效果：(a)PP和3C-PP支架植入裸鼠体内后，在近红外光照射下的光热升温曲线；(b)14天内肿瘤的体积变化曲线；(c)治疗结束后，离体肿瘤质量(d)治疗前后(第0，4，6，10和14天)的裸鼠黑色素瘤及创面照片；(e)第14天时裸鼠的肿瘤活体成像图及(f)离体肿瘤组织切片染色照片。可以看出，通过早期的光热治疗，肿瘤体内生长受到明显抑制；同时3C-PP支架对后期的皮肤修复也发挥出促进作用。
图8为体内慢性创面修复效果：(a)不同时间点(第0，4，8，10，12和14天)的皮肤创口照片；(b)14天内创口愈合速度；(c)免疫荧光染色照片及马森三色组织切片染色；(d-e)CD31和上皮的定量结果。可以看出，3C-PP支架可以促进新生血管形成及上皮的产生来促进创面的修复。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
CaCuSi4O10有优良的光热性能，可以用作光热材料。
“光热性能”是指在光的照射下能够升温的性能。优选实施方式中，所述光的波长为780～980nm，更优选为808nm近红外光。在808nm近红外光照射下，CaCuSi4O10能够升至43～55℃。通过改变光照功率可对CaCuSi4O10的光热性能进行调控。
CaCuSi4O10具有可控的光热性能，能够在光照(尤其是近红外激光)下迅速升温，从而有效杀死肿瘤细胞，抑制肿瘤的增长；并且CaCuSi4O10能够释放出治疗性离子(铜和硅离子)，促进创伤区域的血管新生，显著提高皮肤创面的愈合速度。因此，CaCuSi4O10可用于制备临床上手术切除皮肤肿瘤后的肿瘤治疗和皮肤再生材料，为皮肤癌的治疗以及皮肤创面的愈合提供了一种简单有效的方案，在浅表层肿瘤的治疗和组织修复领域具有很好的应用前景。
铜硅钙石可以与其它材料复合，得到一种兼具光热性能和治疗性离子释放性能的复合材料。
本发明一实施方式的复合材料包括载体和位于载体上的铜硅钙石。
本发明中，载体没有特别限定，可根据应用情况进行选择，只要铜硅钙石能与其复合，且复合后的复合材料具有光热性能即可。优选实施方式中，复合材料为医用，所述载体为医学上可接受的载体，例如为能施加于人体或哺乳动物的材料。
一实施方式中，所述载体为能施加于皮肤上、尤其是能施加于皮肤创口上的医学材料，例如纤维膜、水凝胶、3D打印支架等。纤维膜是指由纤维交织而成的膜。该纤维可为天然纤维或人造纤维，例如鸡蛋壳膜、静电纺丝膜等。
一实施方式中，纤维膜为静电纺丝纤维膜。采用静电纺丝纤维膜作为铜硅钙石的载体，有比表面积大、多孔、透气性好、能模拟细胞外基质结构、制备简单、产量大等优点。静电纺丝膜的材质可为有机高分子材质，例如为聚己内酯、聚乳酸、明胶等。
复合材料中的铜硅钙石可为纳米陶瓷粉，与其它形态的陶瓷粉相比，纳米陶瓷粉有利于均匀分散到载体中。铜硅钙石纳米陶瓷粉的粒径例如可为300～1000nm。
铜硅钙石纳米陶瓷粉的制备方法没有限定，可采用本领域公知的方法(任何制备方法制得的铜硅钙石(CaCuSi4O10)都具有光热性能，对其形貌、微观结构等无要求)，例如可以钙源、铜源、硅源为原料通过溶胶-凝胶法制得。一实施方式中，将钙源、铜源、硅源和酸混合、成胶、干燥、煅烧，从而制备出具纳米尺寸的铜硅钙石陶瓷粉。钙源可为钙盐，例如选自硝酸钙、氯化钙中的至少一种。铜源可为铜盐，例如选自硝酸铜、氯化铜中的至少一种。硅源可为硅酸酯，例如选自正硅酸乙酯、正硅酸丙酯中的至少一种。酸可选自硝酸、盐酸中的至少一种。钙源与铜源的摩尔比可为1：2～2：3。钙源与硅源的摩尔比可为1：3～1：6。硅源与酸的体积比可为4：1～6：1。将钙源、铜源、硅源和酸混合后可搅拌均匀，然后陈化以成胶。陈化温度可为60～140℃。陈化时间可为12～48小时。成胶后，干燥成干凝胶。干燥温度可为100～140℃。干燥时间可为24～60小时。将干凝胶研磨后煅烧，得到铜硅钙石纳米陶瓷粉。研磨方式可为高能球磨等。球磨转速可为3000rpm～5000rpm。煅烧温度可为800～1200℃。煅烧时间可为2～6小时。
复合材料中，铜硅钙石的含量没有特别限定，可根据需要选择。
将铜硅钙石载于载体上的方法没有特别限定，优选采用能将铜硅钙石均匀分散于载体上的方法。一实施方式中，采用旋涂法将铜硅钙石载于载体上。例如，将含有铜硅钙石纳米陶瓷粉的旋涂液旋涂到载体表面。
旋涂液的溶剂可为有机溶剂，例如二氯甲烷和乙醇混合溶剂。二氯甲烷和乙醇的体积比可为1:(1～5)，其中二氯甲烷是为了部分溶解纤维的表面，旋涂过程中，铜硅钙石纳米陶瓷粉嵌入在纤维的表面，最后溶剂挥发而制备出复合支架。旋涂液中，硅钙石纳米陶瓷粉的浓度可根据需要选择，例如为0.019～0.24wt％。通过改变旋涂次数，可以调节载体上铜硅钙石的含量。
一实施方式中，利用旋涂技术，将铜硅钙石纳米陶瓷粉旋涂到静电纺丝纤维膜的表面，制备出铜硅钙石修饰的静电纺丝纤维支架。具体制备方法可为：将铜硅钙石陶瓷粉超声分散在无水乙醇和二氯甲烷的混合溶液中，得到旋涂液；其中铜硅钙石陶瓷粉1～5mg，以总质量浓度5：1溶于二氯甲烷和无水乙醇的混合溶液(两溶剂体积比为1:1～5)中；将旋涂液旋涂在纤维支架的表面，每次旋涂液用量5-20微升。通过改变旋涂次数(1～5次)，对复合纤维支架的光热性能进行评估，优化光热效果。所得复合支架具有良好的光热抗肿瘤特性和皮肤组织再生活性。
在皮肤癌治疗早期，复合材料表面的CaCuSi4O10在近红外光照射下可以迅速升温，快速抑制肿瘤的增长。在治疗后期，复合材料持续释放出治疗性离子，促进创伤区域的血管新生，显著提高皮肤创面的愈合速度。因此，CaCuSi4O10载于在载体(例如纤维)表面后，赋予载体治疗肿瘤和修复创面的双功能，不仅可以有效杀死体内、外的肿瘤细胞，而且还能促进手术切除肿瘤引起的皮肤创面以及慢性糖尿病创口的愈合速度，在浅表层肿瘤的治疗和软组织修复领域具有很好的应用前景。
本公开的复合材料用作肿瘤性组织缺损修复材料具有良好的光热抗肿瘤、促进血管再生以及加快皮肤愈合的特性等多种功能，可用于临床上皮肤癌的治疗以及皮肤创面的愈合。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
以下实施例中，铜硅钙石陶瓷粉通过如下方法获得：40mL 2mol/mL的HNO3、59.04gCa(NO3)2·4H2O、60.4g Cu(NO3)2·3H2O和224mL正硅酸乙酯为原料，搅拌均匀后，60℃下密封陈化24～48h成胶，120℃下干燥24～48h成干凝胶，高能球磨后，再经过1000℃煅烧3h，从而制备出具纳米尺寸的铜硅钙石陶瓷粉。图1示出铜硅钙石(CaCuSi4O10)的(a)透射电镜、(b)选区电子衍射和(c)高分辨透射电镜。从图1可以看出，制备出来的陶瓷粉是铜硅钙石，且陶瓷粉具有纳米尺寸结构。
以下实施例中，静电纺丝纤维支架(或称“静电纺丝纤维膜”、“纤维支架”)通过如下方法获得：将生物高分子溶液(聚乳酸和聚己内酯)置于有机溶液中混合，搅拌均匀后进行静电纺丝，得到纤维支架(PP)。其中聚乳酸和聚己内酯质量比为1:1，以总质量浓度10％溶于四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液(两溶剂体积比为1-5:15-20)中，静电纺丝速度为0.01-0.04mL/min，电压为8-12kV，环境湿度为40-70％RH，接收板离针头距离为15-25cm。
实施例1CaCuSi4O10的光热性能表征
CaCuSi4O10在湿状态下的光热性能：将5mg铜硅钙石纳米陶瓷粉溶于1mL水中，得到CaCuSi4O10溶液。利用808nm近红外光照射CaCuSi4O10溶液，利用热成像仪实时监控温度变化。图2示出CaCuSi4O10溶液在不同激光功率照射下的光热升温曲线，可以看出，当激光功率为0.45W/cm2、0.65W/cm2、0.85W/cm2时，CaCuSi4O10溶液温度上升到43、50和55℃。这表明CaCuSi4O10在短时间内，温度显著升高。图3示出湿状态下测得的CaCuSi4O10光热转化效率为为33.8％，有非常好的光热性能。
实施例2铜硅钙石旋涂静电纺丝纤维支架的制备
将铜硅钙石陶瓷粉超声分散在无水乙醇和二氯甲烷的混合溶液中，得到旋涂液；其中铜硅钙石陶瓷粉5mg，以总质量浓度5：1溶于二氯甲烷和无水乙醇的混合溶液(两溶剂体积比为1:4)中；将旋涂液旋涂在纤维支架的表面。旋涂次数为0、1、3、5次的复合纤维支架分别记为PP、1C-PP、3C-PP、5C-PP。
图4中的(a)～(h)示出不同旋涂次数的复合静电纺丝纤维支架的扫描电镜形貌：其中，(a，e)纯静电纺丝纤维支架(PP)；(b，f)旋涂1次复合纤维支架(1C-PP)；(c，g)旋涂3次复合纤维支架(3C-PP)；(d，h)旋涂5次复合纤维支架(5C-PP)，可以看出，铜硅钙石陶瓷粉就均匀负载在纤维上，且旋涂次数越多，负载量越大。将所得的复合纤维支架进行超声，图4中的(i)、(j)示出超声30min后的3C-PP复合纤维支架；(k)、(l)示出超声60min后的3C-PP复合纤维支架，可以看出，超声后仍有大量铜硅钙石陶瓷粉存在，说明铜硅钙石陶瓷粉在纤维表面黏附牢固。
图5中的(m)示出PP、1C-PP、3C-PP、5C-PP纤维支架的接触角，可以看出，旋涂1次和3次后，纤维支架的亲水性略微增大，旋涂5次后，纤维支架的亲水性显著提高。
铜硅钙石旋涂静电纺丝纤维支架的性能评价
利用808nm近红外光(功率为0.4W/cm2)照射支架，利用热成像仪实时监控温度变化，图5中的(n)示出PP、1C-PP、3C-PP、5C-PP纤维支架的光热升温曲线，可以看出，复合纤维支架在极短时间内，温度显著升高，具有良好的光热性能，光热性能随着旋涂次数的增加而增强。
干状态下的光热性能：将3C-PP纤维支架置于0.25、0.35、0.45、0.55W/cm2功率的808nm近红外激光下照射300秒，利用热成像仪实时观察温度变化，结果如图5中的(o)所示，可以看出，复合纤维支架在极短时间内，温度显著升高，具有良好的光热性能，光热性能随着激光功率的增加而增强。
湿状态下的光热性能：将3C-PP纤维支架泡在500mL磷酸缓冲液中，在0.45、0.65和0.85W/cm2功率的808nm近红外光下照射10min，测试支架的升温情况，另外，将3C-PP纤维支架泡在500mL水中，在0.85W/cm2功率的808nm近红外光下照射10min，测试支架的升温情况，结果如图5中的(p)所示，可以看出，复合纤维支架在极短时间内，温度显著升高，具有良好的光热性能，光热性能随着激光功率的增加而增强。
以上结果表明，通过改变旋涂次数、激光功率等可对复合纤维支架的光热性能进行调控。
铜硅钙石旋涂静电纺丝纤维支架的体外抗肿瘤能力评价
将PP和3C-PP纤维支架置于皮肤黑色素瘤细胞上方，采用808nm近红外光照射支架15分钟。对细胞进行荧光染色后，用共聚焦电镜观察细胞在光照前后细胞密度和存活情况，并采用CCK8法检测细胞的存活率的变化。结果如图6所示，显示3C-PP纤维支架组光照后肿瘤细胞大部分死亡、数量显著减少，而PP支架光照前后细胞数量没有显著变化。说明CaCuSi4O10旋涂在纤维表面后，赋予支架优异的光热抗肿瘤性能。
铜硅钙石旋涂静电纺丝纤维支架的体内抗肿瘤效果评价
构建裸鼠皮肤黑色素瘤创伤模型，待肿瘤长大到一定尺寸后，在肿瘤上方制造10mm创口，贴覆10mm直径的PP和3C-PP支架，利用近红外进行连续3-4天的光热治疗。记录两周内肿瘤的体积变化，治疗结束后取出肿瘤组织及周边的皮肤组织进行分析。结果如图7所示，表明3C-PP支架组肿瘤经过早期治疗后两周之内没有复发，在复合膜的作用下伤口逐渐愈合，新生出正常的皮肤组织，在同一动物模型上证实了复合纤维支架兼备抗肿瘤和修复皮肤组织缺损的双功能。
铜硅钙石旋涂静电纺丝纤维支架在动物体内的皮肤修复性能
构建糖尿病慢性创伤模型，将PP和3C-PP支架植入创口部位，观察体内慢性创面修复效果，结果如图8所示，可以看出，在长达14天的糖尿病慢性创伤修复实验中，3C-PP复合支架明显加快伤口的愈合速度，促进了新生皮肤处的血管再生和再上皮化。

Claims (9)

1.铜硅钙石作为光热材料的应用。
2.铜硅钙石在制备兼具浅表层肿瘤治疗和软组织修复双重功能的材料中的应用。
3.铜硅钙石在制备兼具皮肤癌治疗和创面修复双重功能的材料中的应用。
4.一种复合材料，其特征在于，包括载体和位于载体上的铜硅钙石。
5.根据权利要求4所述的复合材料，其特征在于，所述载体为医学上可接受的载体，优选为能施加于皮肤上的医学材料，更优选为纤维膜，进一步优选为静电纺丝纤维膜。
6.根据权利要求4或5所述的复合材料，其特征在于，所述铜硅钙石为纳米陶瓷粉。
7.根据权利要求6所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料通过将含有铜硅钙石纳米陶瓷粉的旋涂液旋涂于载体表面而制得。
8.根据权利要求7所述的复合材料，其特征在于，所述旋涂液的溶剂为二氯甲烷和乙醇，优选地，二氯甲烷和乙醇的体积比为1: （1～5），旋涂液中，硅钙石纳米陶瓷粉的浓度为0.019～0.24wt%。
9.权利要求4至8中任一项所述的复合材料在制备兼具皮肤癌治疗和创面修复双重功能的材料中的应用。
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