CN111514310A - 一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法、药物载体及其应用 - Google Patents

一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法、药物载体及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法、药物载体及其应用，在壳聚糖水溶液中微波辅助还原得到壳聚糖‑还原氧化石墨烯(ChrGO)纳米薄片复合材料。生物相容性的壳聚糖对GO的有效功能化，使制备好的纳米片成为药物装载和传递的潜在平台。ChrGO/adriamycin和曲妥珠单抗联合用药可以增强BT‑474细胞的生长抑制作用。本发明报告了一种快速、低成本生产ChrGO复合材料的新方法，该复合材料可在时空可控的递送化疗药物为癌症的有效治疗提供了新的有效治疗方案。实施例中也已证明了ChrGO/adriamycin复合物和曲妥珠单抗联合治疗HER2高表达的BT‑474乳腺癌细胞的显著疗效。

Description

一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法、药 物载体及其应用
技术领域
本发明涉及一种基因药物载体领域，具体涉及一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法、药物载体及其应用。
背景技术
HER2受体是EGFR受体家族的成员之一，介导癌细胞生长和分化的，在20%~30%的人乳腺癌中高表达，导致转移性肿瘤表型和不良预后。曲妥珠单抗（Trastuzumab）是一种人源化的单克隆治疗性抗体，作为一线治疗HER2高表达乳腺癌患者。然而，患者对于曲妥珠单抗药物的总体反响应率仍然较低：单药治疗的响应率为15%~30%，与化疗药物联合治疗的响应率为50%~75%。在那些对曲妥珠单抗有响应的患者中，大多数在最初响应后，并在持续治疗后疾病进展和获得耐药性。因此，为HER2高表达的患者开发新的治疗方法以提高整体生存率是必要的。
蒽环类药物仍然是治疗癌症的主要药物。在蒽环类药物中，拓扑异构酶II抑制剂阿霉素adriamycin被广泛用于治疗多种癌症，如乳腺癌、肺癌和淋巴癌。由于HER2基因与拓扑异构酶II基因的接近性，阿霉素对HER2过表达的乳腺癌患者具有显著疗效。尽管以蒽环类药物为基础的治疗方法对乳腺癌有临床益处，但心功能障碍仍限制了更广泛的治疗应用。在临床试验中，曲妥珠单抗联合阿霉素显示出显著的疗效，同时也观察到剂量依赖性的心脏毒性。化疗药物在肿瘤靶组织持续释放被认为是降低治疗疗效所需剂量和改善安全性的良好解决方案。
为了获得更好的抗肿瘤疗效和更少的副作用，迫切需要提高靶向癌细胞的抗癌药物的递送效率，为此，如何提供一种药物载体来达到这一目的成为了重中之重。
发明内容
发明目的：提供一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法、药物载体及其应用，以解决背景技术中所涉及的问题。
技术方案：一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、合成氧化石墨，以石墨为原料制备氧化石墨烯GO；
步骤2、利用微波辅助还原壳聚糖功能化修饰氧化石墨烯GO得到纳米薄片ChrGO。
在进一步的实施例中，所述步骤1进一步包括：
步骤1-1、将石墨、P2O5、K2S2O8加入浓硫酸溶液的圆底烧瓶中，预定温度条件下预氧化反应若干时长；
优选的，所述石墨取1~6g，P2O5取1~6g，K2S2O8取1~5g，浓硫酸溶液取5~15mL，在60~90℃温度条件下预氧化反应2~8h；
更为优选的，所述石墨取1~3g，P2O5取1~3g，K2S2O8取1~3g，浓硫酸溶液取5~10mL，在75~85℃温度条件下预氧化反应4~6h；
最为优选的，所述石墨取2.5g，P2O5取2.5g，K2S2O8取2g，浓硫酸溶液取8mL，在80℃温度条件下预氧化反应5h；
步骤1-2、预氧化的石墨用水清洗去除产物中残留的酸，在室温中干燥；
步骤1-3、取预定质量的预氧化石墨放入浓硫酸的烧瓶中搅拌，在搅拌的过程中逐渐加入KMnO4；
优选的，所述预氧化石墨取1~5g，放入含有20~60mL的浓硫酸烧瓶中，在2~8℃搅拌10~50分钟，在搅拌过程中逐渐加入1~6g的KMnO4；
更为优选的，所述预氧化石墨取1~3g，放入含有30~50mL的浓硫酸烧瓶中，在2~5℃搅拌20~40分钟，在搅拌过程中逐渐加入2~4g的KMnO4；
最为优选的，所述预氧化石墨取1.5g，放入含有40mL的浓硫酸烧瓶中，在4℃搅拌30分钟，在搅拌过程中逐渐加入3g的KMnO4。
步骤1-4、将混合物保持预定温度，搅拌反应若干时长后，缓慢加入去离子H2O，再加入H2O；
优选的，将混合物保持在20~50℃，搅拌反应1~5h后，缓慢加入20~60mL去离子H2O，再加入100~400 mL H2O；
更为优选的，将混合物保持在30~40℃，搅拌反应1~3h后，缓慢加入40~50mL去离子H2O，再加入200~300 mL H2O；
最为优选的，将混合物保持在35℃，搅拌反应2 h后，缓慢加入45 mL去离子H2O，再加入250 mL H2O。
步骤1-5、加入预定浓度的H2O2，得到亮黄色溶液，产物用HCl溶液洗涤，去除金属离子，用去离子H2O反复洗涤，直到pH为中性；
优选的，加入1~6mL 10~50%浓度H2O2，得到亮黄色溶液，产物用5~20% HCl溶液洗涤，去除金属离子，用去离子H2O反复洗涤，直到pH为中性；
更为优选的，加入2~4mL 25~35%浓度H2O2，得到亮黄色溶液，产物用10~15% HCl溶液洗涤，去除金属离子，用去离子H2O反复洗涤，直到pH值为6.8~7.3；
最为优选的，加入3mL 30%浓度H2O2，得到亮黄色溶液，产物用10% HCl溶液洗涤，去除金属离子，用去离子H2O反复洗涤，直到pH值为7.0。
步骤1-6、真空烤箱中干燥得到氧化石墨烯GO。
优选的，真空烤箱的温度范围为40~70℃；
更为优选的，真空烤箱的温度范围为55~65℃；
最为优选的，真空烤箱的温度范围为60℃。
在进一步的实施例中，所述步骤2以不含细胞的酵母提取物为原料，采用微波辅助还原法制备ChrGO，步骤2进一步包括：
步骤2-1、将储存的酵母细胞接种到培养基中，振荡培养若干时长，活化酵母细胞；
优选的，将储存的酵母细胞接种到Luria-Bertani培养基中，在15~30°C、80~150 rpm振荡培养15~24 h，活化酵母细胞；
更为优选的，将储存的酵母细胞接种到Luria-Bertani培养基中，在20~30°C、120~140rpm振荡培养15~20 h，活化酵母细胞；
最为优选的，将储存的酵母细胞接种到Luria-Bertani培养基中，在25°C、135 rpm振荡培养18 h，活化酵母细胞。
步骤2-2、活化的酵母细胞被转移到蔗糖溶液中，振荡培养若干时长；离心分离得到无细胞酵母提取液；
优选的，活化的酵母细胞被转移到1~5%的蔗糖溶液中，以80~150 rpm、10~30°C振荡培养2~10 h；1500~2500 rpm离心分离3~8min，得到3~8 mL的无细胞酵母提取液；
更为优选的，活化的酵母细胞被转移到1.5~2.5%的蔗糖溶液中，以120~140 rpm、23~27°C振荡培养5~7 h；1900~2100 rpm离心分离4~6min，得到5~7 mL的无细胞酵母提取液；
最为优选的，活化的酵母细胞被转移到2%的蔗糖溶液中，以135 rpm、25°C振荡培养6h；2000 rpm离心分离5 min，得到6 mL的无细胞酵母提取液。
步骤2-3、将壳聚糖溶解于乙酸溶液中，与酵母抽提液混合，用氢氧化钠溶液调节混合溶液的pH值至中性；
优选的，将20~70mg的壳聚糖Chitosan溶解于10~40mL的1~5%（v/v）乙酸溶液中，与酵母抽提液混合，用氢氧化钠溶液调节混合溶液的pH值至中性；
更为优选的，将40~60mg的壳聚糖Chitosan溶解于20~30mL的2~3%（v/v）乙酸溶液中，与酵母抽提液混合，用氢氧化钠溶液调节混合溶液的pH值至6.8~7.2；
最为优选的，将50 mg的壳聚糖Chitosan溶解于25 mL的2%（v/v）乙酸溶液中，与酵母抽提液混合，用氢氧化钠溶液调节混合溶液的pH值至7.0。
步骤2-4、在强磁搅拌下加入GO溶液；
优选的，GO溶液取2~8mg；更为优选的，GO溶液取4~6mg；最为优选的，GO溶液取5mg。
步骤2-5、将制备好的溶液转移到微波合成设备进行微波反应：升温至预定温度后保温，所得的ChrGO经过过滤器纯化后冷冻干燥保存。
优选的，将制备好的溶液转移到微波合成设备进行微波反应：2~8 min升温至60~90°C，再保温2~10 min；
更为优选的，将制备好的溶液转移到微波合成设备进行微波反应：4~6 min升温至75~85°C，再保温4~6min；
最为优选的，将制备好的溶液转移到微波合成设备进行微波反应：5 min升温至80°C，再保温5 min。
在进一步的实施例中，在制备得到ChrGO之后检测GO和ChrGO的生物相容性。
在进一步的实施例中，检测GO和ChrGO的生物相容性进一步包括如下步骤：
步骤3-1、BT-474和Cos-7细胞分别在胎牛血清中培养，并放置在加湿空气培养箱中培养；
优选的，BT-474和Cos-7细胞分别在RPMI-1640/5~20%胎牛血清和DMEM/5~20%胎牛血清中培养，并放置在36.5~38.5℃、2~8% CO2加湿空气培养箱中培养；
更为优选的，BT-474和Cos-7细胞分别在RPMI-1640/8~12%胎牛血清和DMEM/8~12%胎牛血清中培养，并放置在36.8~37.3℃、4~6% CO2加湿空气培养箱中培养；
最为优选的，BT-474和Cos-7细胞分别在RPMI-1640/10%胎牛血清和DMEM/10%胎牛血清中培养，并放置在37℃、5% CO2加湿空气培养箱中培养。
步骤3-2、对BT-474或Cos-7细胞的细胞毒性进行测试：细胞以预定密度接种于96孔的平板上，在GO和ChrGO处理前预孵育预定时长；
优选的，细胞以每孔0.5×104~1.5×104个细胞的密度接种于96孔的平板上，在GO和ChrGO处理前预孵育15~30小时；
更为优选的，细胞以每孔0.8×104~1.1×104个细胞的密度接种于96孔的平板上，在GO和ChrGO处理前预孵育20~26小时；
最为优选的，细胞以每孔1×104个细胞的密度接种于96孔的平板上，在GO和ChrGO处理前预孵育24小时。
步骤3-3、将稀释后的样品溶液加入细胞中，再孵育预定时长；
优选的，孵育时长为15~30小时；更为优选的，孵育时长为20~26小时；最为优选的，孵育时长为24小时。
步骤3-4、测定细胞活力并测量吸光度。
在进一步的实施例中，在检测完GO和ChrGO的生物相容性之后进行药物的负载、释放测试。
在进一步的实施例中，药物的负载测试包括如下步骤：
步骤4-1a、ChrGO纳米片加入阿霉素水溶液中，超声处理后避光搅拌；
优选的，1~5毫克的ChrGO纳米片加入5~20 mL阿霉素水溶液中，超声处理0.2~1 h后，避光搅拌15~30h；
更为优选的，1.5~2.5毫克的ChrGO纳米片加入8~12 mL阿霉素水溶液中，超声处理0.3~0.6h后，避光搅拌20~26h；
最为优选的，2毫克的ChrGO纳米片加入10 mL阿霉素水溶液中，超声处理0.5 h后，避光搅拌24 h。
步骤4-2a、离心过滤去除未负载的阿霉素，用磷酸盐缓冲盐水洗涤，直到上清液变成无色；
步骤4-3a、使用标准阿霉素浓度曲线，用微孔板酶标仪测定阿霉素的浓度；
优选的，用微孔板酶标仪在450 ~550nm测定阿霉素的浓度；更为优选的，用微孔板酶标仪在480 ~500nm测定阿霉素的浓度；最为优选的，用微孔板酶标仪在490 nm测定阿霉素的浓度。
步骤4-4a、通过监测载药前后药物浓度的差异，计算阿霉素在ChrGO上的载药量；
药物的释放测试包括如下步骤：
步骤4-1b、将负载阿霉素的ChrGO浸入PBS缓冲液中，在预定时间间隔通过进行离心过滤，收集从ChrGO分离出的释放的阿霉素溶液；
优选的，将负载阿霉素的ChrGO浸入5~20 mL PBS缓冲液中，在预定时间间隔通过进行离心过滤，收集从ChrGO分离出的1~5 mL释放的阿霉素溶液；
更为优选的，将负载阿霉素的ChrGO浸入8~12 mL PBS缓冲液中，在预定时间间隔通过进行离心过滤，收集从ChrGO分离出的1~3 mL释放的阿霉素溶液；
最为优选的，将负载阿霉素的ChrGO浸入10 mL PBS缓冲液中，在预定时间间隔通过进行离心过滤，收集从ChrGO分离出的2 mL释放的阿霉素溶液。
步骤4-2b、每次采样后加入新鲜PBS缓冲液，使ChrGO/阿霉素溶液体积保持恒定；
优选的，所述新鲜PBS缓冲液取1~5mL；更为优选的，所述新鲜PBS缓冲液取1~3mL；最为优选的，所述新鲜PBS缓冲液取2mL。
步骤4-3b、使用微孔板酶标仪吸收峰测定阿霉素的释放量；
优选的，用微孔板酶标仪在450 ~550nm测定阿霉素的释放量；更为优选的，用微孔板酶标仪在480 ~500nm测定阿霉素的释放量；最为优选的，用微孔板酶标仪在490 nm测定阿霉素的释放量。
步骤4-4b、步骤4-1b至4-3b分别在酸性和弱碱性环境下进行释放测试。
优选的，步骤4-1b至4-3b分别在pH值3~6和pH值7.2~7.8下进行释放测试；
更为优选的，步骤4-1b至4-3b分别在pH值4.5~5.5和pH值7.3~7.5下进行释放测试；
最为优选的，步骤4-1b至4-3b分别在pH值5和pH值7.4下进行释放测试。
在进一步的实施例中，将通过前述步骤制备得到的壳聚糖纳米薄片ChrGO作为药物装载和传递的潜在平台。
在进一步的实施例中，基于前述步骤制备得到的壳聚糖纳米薄片ChrGO，将药物装载在由ChrGO形成的平台上，壳聚糖表面存在游离胺基，酵母提取物中含有特定数量的电负性氨基酸分子，该氨基酸分子使得ChrGO的表面呈现负电荷性，从而使得药物贴附在其表面。
有益效果：本发明涉及一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法、药物载体及其应用，在壳聚糖水溶液中微波辅助还原得到壳聚糖-还原氧化石墨烯(ChrGO)纳米薄片复合材料。生物相容性的壳聚糖对GO的有效功能化，使制备好的纳米片成为药物装载和传递的潜在平台。载药和释放研究表明，阿霉素adriamycin从ChrGO纳米片有效的载带和释放。壳聚糖-还原氧化石墨烯/阿霉素（ChrGO/adriamycin）复合材料具有显著的抗肿瘤活性，且呈浓度依赖性。ChrGO/adriamycin和曲妥珠单抗联合用药可以增强BT-474细胞的生长抑制作用。这些药物的协同抗肿瘤作用是通过细胞周期阻滞和凋亡介导的，促进癌细胞的死亡。本发明报告了一种快速、低成本生产ChrGO复合材料的新方法，该复合材料可在时空可控的递送化疗药物为癌症的有效治疗提供了新的有效治疗方案。实施例中也已证明了ChrGO/adriamycin复合物和曲妥珠单抗联合治疗HER2高表达的BT-474乳腺癌细胞的显著疗效。
附图说明
图1A显示了氧化石墨烯纳米片的TEM图像。
图1B 显示了氧化石墨烯纳米薄片的典型选区电子衍射模式。
图2显示了 GO和ChrGO在水溶液中的紫外-可见光谱。
图3显示了氧化石墨烯、氯化石墨烯和壳聚糖的红外光谱。
图4显示了氧化石墨烯和氯化石墨烯的拉曼光谱。
图5显示了氧化石墨烯和氯化石墨烯的拉曼光谱。
图6 A显示了GO和ChrGO的XPS光谱调查。
图6 B显示了C1s的高分辨率光谱。
图7显示了GO、壳聚糖Chitosan和ChrGO的TGA曲线。
图8显示了GO和ChrGO的Zeta电位。
图9A显示了GO和ChrGO对Cos-7细胞毒性。
图9B显示了GO和ChrGO对BT-474的细胞毒性。
图10显示了不同pH值下负载阿霉素的释放曲线。
图11A显示了游离阿霉素、ChrGO/adriamycin（ChrGO/阿霉素）复合物中负载的阿霉素分别对BT-474细胞活性的增殖抑制作用。
图11B ChrGO/adriamycin复合物 (5 μg/mL，当量adriamycin) 与曲妥珠单抗(5μg/mL)联合用药对BT-474细胞的增殖抑制作用。
图12显示了ChrGO/adriamycin（ChrGO/阿霉素）单用或与曲妥珠联合用药对BT-474细胞周期的影响。
图13显示了ChrGO/adriamycin（ChrGO/阿霉素）单用或与曲妥珠联合用药对BT-474细胞凋亡的影响。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
实施例1
(1) 氧化石墨的合成，采用改进的Hummer法，以石墨为原料制备GO。将2.5 g石墨、2.5g P2O5瓶、2 g K2S2O8加入含有8mL浓硫酸溶液的圆底烧瓶中，80°C条件下预氧化反应5 h。预氧化的石墨用水清洗去除产物中残留的酸，在室温中干燥。然后，1.5 g预氧化石墨放入含有40 mL浓硫酸的烧瓶中，在4°C搅拌30分钟。在搅拌下逐渐加入3 g KMnO4。将混合物保持在35℃，搅拌反应2 h后，缓慢加入45 mL去离子H2O，再加入250 mL H2O。最后加入3mL 30%浓度H2O2，得到亮黄色溶液。产物用10% HCl溶液洗涤，去除金属离子，然后用去离子H2O反复洗涤，直到pH为中性。60°C真空烤箱中干燥得到GO。为了获得单层纳米GO，用超声波仪（Scientz公司，中国）对GO进行功率800 W，超声剥离8小时。最后，剥离的GO溶解分散在H2O中保存供进一步使用。
(2) 微波辅助还原壳聚糖功能化修饰GO：利用微波合成方法，在壳聚糖水溶液中微波辅助还GO，制备了壳聚糖(Chitosan)-GO纳米薄片(ChrGO)。以不含细胞的酵母提取物为原料，采用微波辅助还原法制备ChrGO。首先，将储存的酵母细胞接种到Luria-Bertani培养基中，在25°C、135 rpm振荡培养18 h，活化酵母细胞。活化的酵母细胞被转移到2%的蔗糖溶液中，以135 rpm、25°C振荡培养6 h。2000 rpm离心分离5 min，得到6 mL的无细胞酵母提取液。将50 mg的壳聚糖（Chitosan）溶解于25 mL的2% (v/v)乙酸溶液中，与酵母抽提液混合 [13]，用氢氧化钠溶液调节混合溶液的pH值至7.0。在强磁搅拌下加入5 mg GO溶液。最后，将制备好的溶液转移到NOVA-2S微波合成设备（PreeKem Scientific Instruments，中国）进行微波反应。微波系统的加热程序为: 5 min升温至80°C，再保温5 min。所得的ChrGO经过100 kDa MWCO过滤器（Millipore, USA）纯化后冷冻干燥，以供保存进一步使用。
实施例2
ChrGO的材料表征
(1) 用透射电子显微镜(TEM)对合成氧化石墨烯薄片的形貌进行了表征。图1A显示了氧化石墨烯纳米片的尺寸分布小于100 nm，平均尺寸大约为45 nm。相比壳聚糖，氧化石墨烯由于高电子密度，拥有更好的对比度，壳聚糖由于其低电子密度和水合性质，TEM图像几乎不可见。微米级的氧化石墨烯薄片进行数小时的超声处理，得到GO纳米薄片。与普通的微米级氧化石墨烯相比，纳米氧化石墨烯薄片具有更高的胶体稳定性。图1B中氧化石墨烯的选择性区域电子衍射(SAED)模式进一步揭示了非晶结构的形成。
(2)紫外-可见（UV-Vis）光谱采用Lambda 950紫外/可见/近红外分光光度计（Perkin-Elmer, USA）测试。图2显示了氧化石墨烯和氧化石墨烯的紫外-可见光谱。表现出在230 nm和300 nm的两个尖锐的吸收峰，230 nm吸收峰归因于芳香环C=C键的π-π*过渡，300 nm吸收峰归因于C=O 键的n-π*过渡。壳聚糖接枝氧化石墨烯后，其在230 nm处的峰红移至270 nm，而在300 nm处的肩峰明显消失，这是由于芳香碳原子间的电子共轭部分恢复所致。
(3) 傅里叶变换红外(FTIR)光谱采用Vertex 70 FTIR光谱仪（Bruker，德国）从4000-400 cm−1扫描样品，样品制备为KBr压片。采用红外光谱法对氧化石墨烯、壳聚糖和ChrGO的结构进行了表征(图3)。氧化石墨烯的特征峰分别位于3440 cm−1和1376 cm−1处，分别对应于O-H键和C-OH键。壳聚糖功能化氧化石墨烯后产生了新的键，从而导致了ChrGO谱上新的峰。在2912 cm −1和2848 cm −1处的新峰是由于壳聚糖分子中CH3-和- CH2 -的伸缩振动引起的。与氧化石墨烯相比，在1636 cm−1处，氧化石墨烯的C=O带强度显著降低，这表明还原过程消除了氧化石墨烯的含氧基团。1072 cm−1处为C-O-C的拉伸振动峰值。ChrGO的红外光谱证实了壳聚糖对氧化石墨烯的成功偶联。
(4) 在激发波长为532 nm条件下，使用Senterra R200-L拉曼显微镜（Bruker光学，德国）记录拉曼光谱。此外，还利用拉曼光谱对石墨烯的电子性质和结构进行了表征。G带归属于sp 2 碳畴中的E2g声子，而D带归属于sp 3 碳原子畴和无序碳原子的振动。D波段的强度反映了碳片的无序和缺陷特征。在D波段与G波段的信号比值中也分析了氧化石墨烯纳米片的还原。氧化石墨烯的典型拉曼光谱在图4中显示了D波段（1341 cm−1）和G波段（1591 cm−1）的两个特征峰。GO的ID/IG值为0.99，而ChrGO的ID/IG比例增加到1.12。由于ID/IG的强度比是表征碳材料无序性的重要指标，可以看出壳聚糖对氧化石墨烯的功能化可能发生在氧化石墨烯纳米片的边缘。
(5) 利用Bruker D8衍射仪（Bruker，德国）分析样品的XRD光谱。ChrGO的x射线衍射（XRD）图谱如图5所示，以21.4°为中心的峰值对应于(002)平面的六角形石墨结构。氧化石墨烯在11°时的特征峰消失，说明壳聚糖功能化后氧化石墨烯被还原了。
(6)采用X射线光电子能谱（XPS）Kratos轴超DLD与单色Al Ka辐射（1486.6 eV）检测样品的表面元素（Shimadzu，日本）。对ChrGO的XPS谱的全扫描显示在284、399和533 eV处有三个峰值，分别属于C1s、N1s和O1s（图6A）。相对元素分析显示，与氧化石墨烯相比，ChrGO的氧和氮水平升高，而相应的碳含量降低。图6B所示的ChrGO的高分辨率C1s光谱显示了四个分离的峰，分别对应于C-C或C=C （sp 2 , 284.7 eV）、C-O（环氧/羟基，286.4 eV）、C=O（sp 3 ,288.2 eV）和O=C-O（羧基，289.1 eV）键。酰胺峰的出现提示了壳聚糖功能化修饰了氧化石墨烯。表面丰富的亲水官能团使ChrGO在水溶液中具有较高的溶解性，这与FTIR结果一致。
(7) 采用热重分析法（TGA）对壳聚糖、氧化石墨烯和制备好的ChrGO的热稳定性进行了研究。PerkinElmer Pyris 1 TGA上进行热重分析（TGA）（PerkinElmer，美国），升温速率为5°C/min，温度范围为30°C到800°C，处于氮气环境中。ChrGO、GO和壳聚糖（Chitosan）的TGA曲线如图7所示。所有样品在100°C以下开始减重，这是由于堆积结构中吸附的游离水被消除。氧化石墨烯在191°C~231°C范围内失去了42%的重量，这归因于不稳定的含氧基团的分解。与GO相比，ChrGO的热稳定性较好，在250℃~450℃的分解第一阶段，主要失重36%，这可能是壳聚糖热分解的结果。因此，壳聚糖（Chitosan）的质量分数估计为36%，表明一定数量的壳聚糖分子可以被接枝到ChrGO表面。在440°C~570°C的高温区域，ChrGO的显著失重是由于碳骨架的热降解造成的。结果表明，壳聚糖与氧化石墨烯表面共价结合。
(8)采用Malvern Zeta纳米ZS-90仪器（Malvern, UK）测定了氧化石墨烯和氯化石墨烯的表面电荷，zeta电位是胶体稳定性的重要参数。在氧化石墨烯纳米薄片上，较高的表面电荷密度促进了更稳定的胶体分散。如图8所示，氧化石墨烯的zeta电位从pH 3时的-10.7 mV单向下降到pH 11时的-35.5 mV，这证实了氧化石墨烯纳米片表面所带的负电荷。在3 ~ 11的pH值范围内，氧化石墨烯的zeta电位值相对于氧化石墨烯的电位值较小。ChrGO纳米片显示了可以在整个范围的pH值稳定溶液状态。文献报道当GO被还原后，由于表面脱氧后π-π的堆积，失去了在去离子水溶液中的稳定性。壳聚糖表面存在一些游离胺基，ChrGO的zeta电位值未达到更高的值，可能是由于酵母提取物中含有丰富的电负性氨基酸分子，电负性增强了ChrGO在生理溶液中的胶体稳定性。ChrGO表面的负电荷有利于其作为潜在地药物装载和递送平台。
实施例3
制备的ChrGO的生物相容性
BT-474和Cos-7细胞分别在RPMI-1640/10%胎牛血清和DMEM/10%胎牛血清中培养，并放置在37℃、5% CO2加湿空气培养箱中培养。GO和ChrGO的生物相容性通过对BT-474或Cos-7细胞的细胞毒性进行测试。细胞以每孔1×104个细胞的密度接种于96孔的平板上，在GO和ChrGO处理前预孵育24小时。然后，将稀释后的样品溶液加入细胞中，再孵育24小时。使用CellTiter 96® Aqueous One Solution（Promega公司，美国）测定细胞活力。用SpectraMax®M5酶标仪（Molecular Devices，美国）在490 nm处测量吸光度。
采用细胞毒性试验研究了GO和ChrGO的细胞毒性。结果如图9所示，ChrGO对Cos-7和BT-474细胞无明显的细胞毒性。即使在100 μg/mL的浓度，细胞活力依然是90%以上。然而，GO表现出显著的细胞细胞毒性，并剂量依赖性。GO的浓度在100 μg/mL时，Cos-7和BT-474细胞的活力分别为73.0±0.5%, 71.0±0.5%。结果表明在氧化石墨烯表面壳聚糖功能化后具有较低的细胞毒性，显著改善了氧化石墨烯的生物相容性。
实施例4
药物的负载
2毫克的ChrGO纳米片加入10 mL阿霉素水溶液中（0.4 mg/mL）。超声处理0.5 h后，避光搅拌24 h。通过50 kDa MWCO Amicon超滤管(Millipore公司, USA)离心过滤去除未负载的阿霉素，然后用磷酸盐缓冲盐水 (PBS, pH 8.0)洗涤，直到上清液变成无色。使用标准阿霉素浓度曲线，用SpectraMax®M5微孔板酶标仪（Molecular Devices，美国）在490 nm测定阿霉素的浓度。通过监测载药前后药物浓度的差异，计算阿霉素在ChrGO上的载药量。
阿霉素在ChrGO纳米片上的负载能力通过阿霉素在490 nm处的吸收峰特性得到验证。ChrGO纳米片的阿霉素最大负载效率高达169.8% (w/w)，归因于ChrGO纳米片较大的表面积。负载阿霉素ChrGO/adriamycin（ChrGO/阿霉素）纳米复合材料很容易分散到生理缓冲液中，呈现出略带红色的透明溶液。
实施例5
药物的释放
研究了阿霉素的释放特性。将负载阿霉素的ChrGO浸入10 mL PBS缓冲液中。在规定的时间间隔，通过50 kDa MWCO Amicon超滤管(Millipore公司，美国)进行离心过滤，收集从ChrGO分离出的2 mL释放的阿霉素溶液。每次采样后加入2 mL新鲜PBS缓冲液，使ChrGO/adriamycin (ChrGO/阿霉素)溶液体积保持恒定。使用SpectraMax®M5微孔板酶标仪(Molecular Devices，美国) 在490 nm吸收峰测定阿霉素的释放量。在不同的pH值 (pH值5和pH值7.4)下进行了ChrGO/adriamycin的释放研究。
图10显示了ChrGO/adriamycin在pH值为5和7.4时阿霉素的累积释放情况。ChrGO/adriamycin释放的阿霉素在pH 5.0 PBS溶液中呈现先快速释放后缓慢释放的特点。阿霉素在前3 h的累积释放量为6.5%，在pH 5.0时，在96 h缓慢增加至26.7%。相比之下, 低pH值7.4释放的阿霉素百分比增加缓慢，阿霉素的释放比例从3 h的2.5%到96 h的7.4%。ChrGO羧基的质子化作用减少了阿霉素和ChrGO之间的π-π堆叠作用、H键和静电相互作用，促进了阿霉素在酸性环境中的释放。pH敏感性使ChrGO/adriamycin具有定点递送药物的潜力，从而增加了对抗肿瘤作用。
实施例6
ChrGO/adriamycin药效分析
采用增殖抑制实验研究ChrGO/adriamycin复合物单独或联合曲妥珠单抗对BT-474细胞增殖的影响。将BT-474细胞以1×104细胞/孔的密度接种于96孔平板上，孵育24小时，然后将ChrGO/adriamycin复合物单独或联合曲妥珠单抗，加入到培养基中。96 h孵育后，用CellTiter 96® Aqueous One Solution测定活细胞活力。用SpectraMax®M5酶标仪(Molecular Devices公司，美国)在490 nm处测量吸光度。数据采用单因素方差分析。p <0.05为有统计学意义。
如图11A所示，经ChrGO/adriamycin复合物处理后，BT-474细胞活力显著下降，呈剂量依赖性。与游离阿霉素相比，ChrGO/adriamycin复合物对BT-474细胞的增殖抑制作用较低，归因于负载阿霉素药物的缓慢释放。随着ChrGO/adriamycin复合物浓度的增加，其增殖抑制与游离阿霉素效果接近，这可能与ChrGO载体负载阿霉素药物的持续释放有关。
为了研究抗HER2单克隆抗体曲妥珠单抗是否能提高负载于ChrGO等量阿霉素的抗肿瘤活性，使用曲妥珠单抗单独用药或与ChrGO/adriamycin复合物联合用药处理BT-474细胞。曲妥珠单抗单独用药可以显著抑制BT-474的增殖，这与之前的报道一致。如图11B，与阴性对照相比，曲妥珠单抗 (5 μg/mL) 单独用药对BT-474的增殖抑制作用为54.5%，ChrGO/adriamycin (5 μg/mL，当量adriamycin) 对BT-474的增殖抑制作用为59.5%，当曲妥珠单抗与ChrGO/adriamycin联合用药时，对BT-474的增殖抑制作用为88.5%，显示了显著的协同抑制作用。结果表明，ChrGO复合物可被有效地用于开发与其它药物的联合治疗方案。
实施例7
细胞周期分析
细胞周期分析，BT-474细胞以密度5×105个细胞/孔接种到6-孔板，细胞贴壁培养24h。ChrGO/adriamycin复合物单独或联合曲妥珠单抗作用BT-474细胞24 h。收集BT- 474细胞，70% (v/v)乙醇中，4°C固定24 h。固定后的BT-474细胞用propidium iodide (15 μg/mL) 含RNase A (10 μg/mL) 的溶液在25°C染色一小时。然后用流式细胞仪(BDBiosciences，美国)分析细胞。ADR：adriamycin. **p<0.01, ***p<0.001.
图12所示，流式细胞术分析显示，相比阴性对照组细胞，曲妥珠单抗单独用药可使G0/G1期BT-474细胞数量增加。ChrGO/adriamycin复合物单独用药可显著减少G0/G1细胞数量，并在S期和G2/M期细胞显著增加。ChrGO/adriamycin复合物与曲妥珠单抗联合用药可介导S期阻滞，并伴有G0/G1期BT-474细胞数量的显著减少。ChrGO/adriamycin对BT-474细胞周期的S期作用最为显著，但与ChrGO/adriamycin复合物单独用药相比，ChrGO/adriamycin复合物与曲妥珠单抗联合用药可导致G0/G1期的增加。
实施例8
细胞凋亡检测，BT-474细胞度2×105细胞/孔接种到白色壁96 -孔板,细胞贴壁培养24h。ChrGO /阿霉素复合物单独或联合曲妥珠单抗处理细胞48 h。然后,弃去培养基，每孔加入100 µL Caspase-Glo®3/7试剂，室温孵育2 h。SpectraMax®M5酶标仪检测化学发光(Molecular Devices，美国)。结果采用单因素方差分析。p < 0.05为差异有统计学意义。ADR：adriamycin. **p<0.01, ***p<0.001.
Caspase 3/7活性因其与凋亡过程相关的活性而被广泛用作凋亡特异性标志物。如图13，相比阴性对照组，ChrGO/adriamycin复合物 (5 μg/mL，当量adriamycin) 显著增加了Caspase 3/7的活性。然而，曲妥珠单抗(5 μg/mL)单独用药没有显著增加Caspase 3/7活性，这表明曲妥珠单抗不诱导细胞的凋亡。相比于各自单独用药, ChrGO/adriamycin复合物和曲妥珠单抗联合用药，Caspase 3/7活性显著增强。双靶向治疗增强了细胞凋亡作用，表明其不同的作用机制，获得更好的肿瘤疗效。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (9)

1.一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法，其特征是包括以下步骤：
步骤1、合成氧化石墨，以石墨为原料制备氧化石墨烯GO；
步骤2、利用微波辅助还原壳聚糖功能化修饰氧化石墨烯GO得到纳米薄片ChrGO。
2.根据权利要求1所述的一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：
步骤1-1、将石墨、P2O5、K2S2O8加入浓硫酸溶液的圆底烧瓶中，预定温度条件下预氧化反应若干时长；
步骤1-2、预氧化的石墨用水清洗去除产物中残留的酸，在室温中干燥；
步骤1-3、取预定质量的预氧化石墨放入浓硫酸的烧瓶中搅拌，在搅拌的过程中逐渐加入KMnO4；
步骤1-4、将混合物保持预定温度，搅拌反应若干时长后，缓慢加入去离子H2O，再加入H2O；
步骤1-5、加入预定浓度的H2O2，得到亮黄色溶液，产物用HCl溶液洗涤，去除金属离子，用去离子H2O反复洗涤，直到pH为中性；
步骤1-6、真空烤箱中干燥得到氧化石墨烯GO。
3.根据权利要求1所述的一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤2以不含细胞的酵母提取物为原料，采用微波辅助还原法制备ChrGO，步骤2进一步包括：
步骤2-1、将储存的酵母细胞接种到培养基中，振荡培养若干时长，活化酵母细胞；
步骤2-2、活化的酵母细胞被转移到蔗糖溶液中，振荡培养若干时长；离心分离得到无细胞酵母提取液；
步骤2-3、将壳聚糖溶解于乙酸溶液中，与酵母抽提液混合，用氢氧化钠溶液调节混合溶液的pH值至中性；
步骤2-4、在强磁搅拌下加入GO溶液；
步骤2-5、将制备好的溶液转移到微波合成设备进行微波反应：升温至预定温度后保温，所得的ChrGO经过过滤器纯化后冷冻干燥保存。
4.根据权利要求1所述的一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，在制备得到ChrGO之后检测GO和ChrGO的生物相容性。
5.根据权利要求4所述的一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，检测GO和ChrGO的生物相容性进一步包括如下步骤：
步骤3-1、BT-474和Cos-7细胞分别在胎牛血清中培养，并放置在加湿空气培养箱中培养；
步骤3-2、对BT-474或Cos-7细胞的细胞毒性进行测试：细胞以预定密度接种于96孔的平板上，在GO和ChrGO处理前预孵育预定时长；
步骤3-3、将稀释后的样品溶液加入细胞中，再孵育预定时长；
步骤3-4、测定细胞活力并测量吸光度。
6.根据权利要求5所述的一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，在检测完GO和ChrGO的生物相容性之后进行药物的负载、释放测试。
7.根据权利要求6所述的一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，
药物的负载测试包括如下步骤：
步骤4-1a、ChrGO纳米片加入阿霉素水溶液中，超声处理后避光搅拌；
步骤4-2a、离心过滤去除未负载的阿霉素，用磷酸盐缓冲盐水洗涤，直到上清液变成无色；
步骤4-3a、使用标准阿霉素浓度曲线，用微孔板酶标仪测定阿霉素的浓度；
步骤4-4a、通过监测载药前后药物浓度的差异，计算阿霉素在ChrGO上的载药量；
药物的释放测试包括如下步骤：
步骤4-1b、将负载阿霉素的ChrGO浸入PBS缓冲液中，在预定时间间隔通过进行离心过滤，收集从ChrGO分离出的释放的阿霉素溶液；
步骤4-2b、每次采样后加入新鲜PBS缓冲液，使ChrGO/阿霉素溶液体积保持恒定；
步骤4-3b、使用微孔板酶标仪吸收峰测定阿霉素的释放量；
步骤4-4b、步骤4-1b至4-3b分别在酸性和弱碱性环境下进行释放测试。
8.一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯药物载体，其特征在于，将基于权利要求1至7中任一项制备得到的壳聚糖纳米薄片ChrGO作为药物装载和传递的潜在平台。
9.一种微波辅助合成壳聚糖修饰的氧化石墨烯作为药物载体的应用，其特征在于，基于权利要求8中制备得到的壳聚糖纳米薄片ChrGO，将药物装载在由ChrGO形成的平台上，壳聚糖表面存在游离胺基，酵母提取物中含有特定数量的电负性氨基酸分子，该氨基酸分子使得ChrGO的表面呈现负电荷性，从而使得药物贴附在其表面。
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