CN112546222A - 一种金属-有机框架微波增敏微球及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属‑有机框架的微波增敏微球，其包括PLGA微球，其特征在于，所述微球内部均匀的设置分层布局的Fe3O4/Au/SiO2‑ZrMOF小球粒，Fe3O4/Au/SiO2‑ZrMOF小球粒包括介孔硅壳，介孔硅壳外侧均匀附着ZrMOF结构；介孔硅壳中心设置Fe3O4球；Fe3O4球外侧附着有金颗粒；金颗粒设置在介孔硅壳于Fe3O4球之间；通过体外较低功率的微波辐照获得更大的消融范围，因为局部较高的热量使PLGA微球瓦解，释放出Fe3O4/Au/SiO2‑ZrMOF小球粒，Fe3O4/Au/SiO2‑ZrMOF小球粒通过肿瘤组织的高通透性和滞留效应(EPR效应)被动靶向地进入肿瘤组织，充分弥散到肿瘤组织的各个部位，达到精准靶向治疗的效果。

Description

一种金属-有机框架微波增敏微球及其制备方法
技术领域
本发明属于肿瘤治疗技术领域，尤其涉及微波曾敏方向的肿瘤治疗领域，具体涉及为一种金属-有机框架微波增敏微球及其制备方法。
背景技术
由于肝癌起病隐匿，我国肝癌患者初诊时常为中晚期，多数患者已失去手术治疗机会，经血管介入治疗和局部消融是目前临床上常用的治疗方法。经血管介入治疗是肝癌非手术治疗最常用的方法，指经皮将导管超选择插管至肝癌的供血动脉内，给予化疗药物和/或栓塞剂(如碘化油乳剂、微球、聚乙烯醇纤维素、明胶海绵等)，经动脉化疗栓塞(transarterial chemoembolization，TACE)是临床上应用最为广泛的介入治疗方式为。局部消融治疗是通过影像引导对肿瘤定位，局部采用物理或化学的方法直接杀灭肿瘤组织的治疗手段，具有创伤小、疗效确切的特点，但针对目前临床上见到的多数肝癌患者肿瘤直径较大(BRIDGE研究中我国肝癌中位直径为6.7cm)，行局部消融治疗困难，单纯TACE治疗难以将肿瘤完全栓塞，术后易出现肿瘤残留复发，导致反复多次栓塞治疗。
在实际临床治疗采用TACE同步联合消融可消灭栓塞遗留的肿瘤边角部位，但由于肿瘤体积较大且形状不规则，肿瘤位置特殊(靠近膈肌，心脏，肝门等部位)或毗邻关系复杂(周围有胆管，肝动脉主干，门脉一级分支等)，难以穿刺或消融时范围难以把握。消融范围小无法覆盖全部肿瘤组织，肿瘤边缘残留导致复发；消融范围大，手术风险高，术后并发症增多。因此，为了避免以上TACE同步联合微波消融的不足之处需要探索一种高效靶向精准消融的治疗方式，以实现肝癌治疗过程中既可以覆盖全部肿瘤又较少损伤周围正常组织，以此解决术后复发的难题。
纳米科学与技术的生物医学应用为肿瘤治疗带来全新的观念变革。肿瘤EPR效应有助于纳米材料在肿瘤组织的高浓度富集。兼备靶向和缓释性能的纳米药物制剂可以实现控制释放药物。纳米材料的中空、介孔等特殊结构使其成为性能优良的纳米药物载体材料(如SiO2，Zr O2等)。基于肿瘤组织的EPR效应，也可将纳米材料作为微波增敏物质应用于肿瘤的热疗。如将带有离子的溶液封装在中空纳米球中，它们的壳可以限制微波辐照引起离子运动的范围，使得离子间的碰撞增强，以此来实现加热温度升高。
金属-有机框架(metal-organic frameworks,MOFs)是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的新纳米材料，微孔丰富，比表面积大，可用于光热疗法中。微波增敏的选择性加热时基于空间限域作用(confined effect),即相对于自由空间，微波辐照下微孔中离子的加热更为明显。
纳米材料固有的化学能可以在肿瘤微环境产生活性氧，进而杀死肿瘤细胞，即化学动力学疗法(chemodynamic therapy，CDT)，利用Fenton反应(过氧化氢与二价铁离子的混合溶液具有强氧化性,可以将很多有机化合物如羧酸、醇、酯类氧化产生羟基自由基等活性氧物种)的活性氧控制释放，以此来治疗肿瘤。然而肿瘤微环境中以及纳米材料负载的过氧化氢的量有限，单纯依靠活性氧自由基很难实现肿瘤的完全清除。如果能利用纳米材料的物理化学特性，阻断并消耗肿瘤组织繁殖必须的氧气及养分，则可以抑制肿瘤生长，联合Fenton反应可达到事半功倍的效果。
因此，本发明针对现有技术的纳米技术的完备，如何将纳米技术应用到肿瘤的微波增敏治疗方法中是需要解决的技术问题。因此本发明提供了一种金属-有机框架微波增敏微球及其制备方法。
发明内容
一种金属-有机框架的微波增敏微球，其包括PLGA微球，其特征在于，所述微球内部均匀的设置分层布局的Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒，通过体外较低功率的微波辐照获得更大的消融范围，因为局部较高的热量使PLGA微球瓦解，释放出Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒，Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒通过肿瘤组织的高通透性和滞留效应(EPR效应)被动靶向地进入肿瘤组织，充分弥散到肿瘤组织的各个部位，达到精准靶向治疗的效果。
进一步，Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒包括介孔硅壳，介孔硅壳外侧均匀附着ZrMOF结构；介孔硅壳中心设置Fe3O4球；Fe3O4球外侧附着有金颗粒；金颗粒设置在介孔硅壳于Fe3O4球之间。
进一步，介孔硅壳上均匀的设置多个小孔，设置小孔的目的为了保证介孔硅壳结构的稳定性。
进一步，PLGA微球的直径范围为：70-1000um。
进一步，Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒的直径范围为：80-235nm。
进一步，PLGA微球中设置Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒的数目范围为：15000-300000。
进一步，介孔硅壳外侧设置ZrMOF结构的数目范围为：1000-5000。
进一步，Fe3O4球外侧设置金颗粒的数目范围为：300-700。
通过此Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF@PLGA微球的使用可以极大的提高肿瘤治疗过程中的精准靶向治疗效果。
本发明还公开了一种Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF@PLGA微球的制备方法：具体为，
1、实现通过联合沉淀法制备Fe3O4纳米粒子；
2、利用Stober法在Fe3O4表面包裹SiO2，制成Fe3O4@SiO2纳米粒子；
3、氨基化处理Fe3O4@SiO2纳米粒子；
4、Duff法制备金溶胶溶液，制备金种子
5、将金种子与Fe3O4@SiO2纳米粒子混合制备Fe3O4@SiO2@Auseed
6、利用Halas法将Fe3O4@SiO2@Auseed制成Fe3O4@SiO2@Au粒子
7、制备纳米ZrMOF；
8、制备Fe3O4@SiO2@Au-ZrMOF小球粒；
9、以Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF纳米复合材料为芯材，PLGA为壁材，采用复乳法制备复合微球。
本发明的有益效果为：介入栓塞技术与纳米材料类酶级联催化性能相结合并配合肿瘤热疗技术，利用微球栓塞切断肿瘤与周围环境的营养交换路径；纳米复合材料深入到肿瘤边缘，利用类酶级联反应充分催化氧化葡萄糖并消耗氧气形成杀伤肿瘤细胞的活性氧自由基物质；同时联合微波增敏肿瘤热疗，实现多层次多手段的肿瘤治疗模式。本发明组提出的“靶向栓塞+微波增敏”微球多层次多手段的肿瘤治疗模式为治疗体积较大的肝癌提供了新技术和新策略，并对纳米材料在生物医学领域的应用具有重要指导意义。
附图说明
图1为本发明PLGA微球模式结构示意图；
图2为本发明Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒模式结构示意图；
图3为本发明Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒纵向剖视结构示意图；
图4为本发明介孔硅壳部分纵向剖视结构示意图；
图5为本发明附着金颗粒的Fe3O4球结构示意图；
图6为本发明PLGA微球程序化靶向流程结构示意图；
图中，1、PLGA微球；2、Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒；3、介孔硅壳；4、ZrMOF结构；5、Fe3O4球；6、金颗粒。
具体实施方式
实施例1一种金属-有机框架微波增敏微球
金属-有机框架微波增敏微球，其微球直径70-1000um，比表面积大于10m2/g，其包括PLGA微球1，其中微球内部均匀的设置分层布局的Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒2。通过体外较低功率的微波辐照获得更大的消融范围，因为局部较高的热量使PLGA微球1瓦解，释放出Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒2，Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒2通过肿瘤组织的高通透性和滞留效应(EPR效应)被动靶向地进入肿瘤组织，充分弥散到肿瘤组织的各个部位，达到精准靶向治疗的效果。Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒2包括介孔硅壳3，介孔硅壳3外侧均匀附着ZrMOF结构4；介孔硅壳3中心设置Fe3O4球5；Fe3O4球5外侧附着有金颗粒6；金颗粒6设置在介孔硅壳3于Fe3O4球5之间。介孔硅壳3上均匀的设置多个小孔，设置小孔的目的为了保证介孔硅壳3结构的稳定性。
PLGA微球1的直径范围为：70-1000um；Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒2的直径范围为：80-235nm；PLGA微球1中设置Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒2的数目范围为：15000-300000；介孔硅壳3外侧设置ZrMOF结构4的数目范围为：1000-5000；Fe3O4球5外侧设置金颗粒6的数目范围为：300-700。
实施例2一种金属-有机框架微波增敏微球的其制备方法
制备步骤为：
步骤一、Fe3O4纳米粒子的制备：联合沉淀法制备10nmFe3O4纳米粒子
1.40ml的水中通氩气处理并搅拌30min；
2.加入2.7g的FeCl3·6H2O(0.01mol)，和1g的FeCl2·4H2O(0.005mol)，继续通氩气30min并加热到80℃；
3.快速加入6ml的NH3·H2O并剧烈搅拌1hour；
4.取4g的柠檬酸钠溶于lOml的水，滴加入到溶液中，加热到90℃并持续反应90min；
5.反应完成冷却后，先用磁铁对溶液进行分离，然后将剩余溶液进行离心(转速12000转)，水洗两次后，溶于10ml的水中。
步骤二、Fe3O4@SiO2纳米粒子的制备：Fe3O4表面包裹SiO2采用Stober法。
1.50ml带塞锥形瓶加入25ml的酒精和4ml的水；
2.将步骤一中的Fe3O4粒子取60ul滴入，超声10分钟；
3.对以上溶液利用磁性器进行剧烈搅拌，加入0.60ml的正硅酸乙酯(TEOS)，随后再滴加入0.60ml的NH3·H2O，过夜搅拌后离心(离心速度6500转)，酒精洗三次后溶于10ml的酒精中；
步骤三、Fe3O4@SiO2纳米粒子的氨基化处理：
1.取步骤二中所制得溶液2ml溶于20ml的酒精中；
2.加入100ul的氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)溶液进行过夜搅拌后进行离心(转速6500转)，酒精洗三次后溶于5ml的酒精中。
步骤四、金种子(Au seed)的制备：Duff法制备2-3nm金溶胶溶液
1.100ml带塞锥形瓶加入50ml水，加入0.5ml的NaOH溶液搅拌15min；
2.12ul的THPC溶于1ml水中反应10min，加入2ml的1％浓度的HAuCl4溶液继续反应10min；
步骤五、Fe3O4@SiO2@Auseed制备
1.步骤四制备的溶液静置3天后取10ml加入20ml锥形瓶中搅拌；
2.加入2ml氨基化处理的Fe3O4@SiO2粒子，过夜搅拌后离心(5500转)，水洗一次后溶于2ml水中；
3.100ml水中加入1.8ml的0.1M的K2CO3溶液和1.5ml的1％浓度的HAuCl4溶液，搅拌20min至原溶液由微黄色变为无色状态(生长液)；
步骤六、Fe3O4@SiO2@Au金壳生长制备：Halas法
20ml生长液加入50ul的Fe3O4@SiO2@Auseed溶液，加入100ul甲醛搅拌30min后离心(转速3500转)，水洗3次后溶于2ml水中。
步骤七、纳米ZrMOF(锆基金属有机物框架)的制备
1.取30ml的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)加入100ml锥形瓶中；
2.加入0.227mmolZrCl4和0.227mmol对苯二甲酸(H2BDC)；
3.滴加0.5g 12mol/L的HCl道混合溶液中，50℃搅拌反应24hour；
4.离心(转速3500转)分离沉淀，用DMF和无水乙醇分别清洗3次后于120℃下干燥16hour。
步骤八、Fe3O4@SiO2@Au-ZrMOF的制备
Fe3O4@SiO2@Au表面通过硅烷偶联剂接枝氨基等官能团实现ZrMOF的固定化。
1.取步骤六中Fe3O4@SiO2@Au溶液2ml，加入50ml锥形瓶中；
2.加入20ml酒精和5ml水搅拌5分钟；
3.加入步骤七中ZrMOF粉末10ug搅拌16hour，水洗3次，溶于2ml水中；步骤九、Fe3O4@SiO2@Au-ZrMOF@PLGA的制备
以Fe3O4@SiO2@Au-ZrMOF纳米复合材料为芯材，PLGA为壁材，采用复乳法制备复合微球。
1.将0.5ml的1％的Fe3O4@SiO2@Au-ZrMOF溶液(内水相W1)倒入溶有55mg聚合物壁材(聚乳酸羟基乙酸共聚物，PLGA)的2ml乙酸乙酯(Ethyl Acetate,EA,油相O)中，用均质机乳化15s；
2.将该初乳液倒入15ml去离子水(外水相W2)中，再复乳化60s，形成W1/O/W2型复乳液；
3.将复乳液倒入10ml去离子水中，室温下200转/min搅拌3min，使部分乙酸乙酯扩散到外水相中，进行预固化；
4.再将其倒入400ml去离子水中，室温下500转/min搅拌4min进行固化，使乙酸乙酯完全除去，用去离子水离心洗涤3次，从而得对应量的复合微球。
以上制备方法仅是制备少量复合微球的方法，在进行大量复合微球制备时可根据上述方法所需物质及溶液的量进行等比例增加即可。
实施例3一种金属-有机框架微波增敏微球程序化靶向过程
如图6，Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF@PLGA复合微球的程序化靶向首先通过介入技术经血管栓塞肿瘤供血血管，大幅度减少氧/养分供给；随后利用组织穿透深度深、功率低的微波进行辐照，栓塞微球的PLGA骨架在热作用下发生瓦解，骨架碎片滞留于肿瘤毛细血管中进一步截断肿瘤血供；微球包裹的包涵物纳米Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF颗粒释放，通过EPR效应靶向至肿瘤组织。在肿瘤细胞周围的亚酸性微环境中Fe3O4与Au纳米颗粒的类酶级联反应启动，葡萄糖被纳米Au催化氧化产生过氧化氢，进而在类过氧化氢酶和Fe3O4的催化下分解得到活性自由基导致肿瘤细胞的氧化损伤和死亡。ZrMOF在微波辐照下发挥微波增敏作用，选择性地大幅度提高肿瘤区域温度，加速肿瘤细胞死亡。
实施例4Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF@PLGA复合微球的微波升温实验
1、粒径及分布测定
将所制备的微球分散在去离子水中，均匀的涂抹在载玻片上，用OM UB100i光学显微镜观察其粒径，采用Nano Measurer 1.2软件对微球的粒径分布进行统计。微球粒径集中在70-1000μm之间，分为5个范围。
70-150μm，微球平均粒径100μm
100-300μm，微球平均粒径180μm
300-500μm，微球平均粒径410μm
500-700μm，微球平均粒径610μm
700-1000μm，微球平均粒径880μm
2、微波升温效果测定。
将100mg微球分散在5mL的生理盐水中，用1.8Wcm-2的微波仪器照射5min，用光纤温度传感器测量其微波升温效果。单独的生理盐水作为对照组。不同粒径微球与对照组相比，微波辐照后，温度均有升高，与生理盐水对比如下：
表1、微球的微波升温结果
粒径范围(μm) 升温幅度(℃)
70-150 9.1
100-300 9.8
300-500 9.7
500-700 9.5
700-1000 8.9
上述实验效果表面，此种微球的微波升温效果显著，当其应用在肿瘤组织时可以在短时间照射下达到升温杀死肿瘤组织的目的；在5ml生理盐水中的升温效果也显示即使在较大的肿瘤组织内的升温效果也可以达到杀死肿瘤细胞的目的，且不同粒径的微球的升温效果都很显著无显著性差异。
上述实施例的说明只是用于理解本发明。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进，这些改进也将落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF@PLGA复合微球，其包括PLGA微球，其特征在于，所述微球内部均匀的设置分层布局的Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒。
2.根据权利要求1所述的Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF@PLGA复合微球，其特征在于，Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒包括介孔硅壳，介孔硅壳外侧均匀附着ZrMOF结构；介孔硅壳中心设置Fe3O4球；Fe3O4球外侧附着有金颗粒；金颗粒设置在介孔硅壳于Fe3O4球之间。
3.根据权利要求2所述的Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF@PLGA复合微球，其特征在于，介孔硅壳上均匀的设置多个小孔。
4.根据权利要求2所述的Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF@PLGA复合微球，其特征在于，PLGA微球的直径范围为：70-1000um。
5.根据权利要求2所述的Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF@PLGA复合微球，其特征在于，Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒的直径范围为：80-235nm。
6.根据权利要求2所述的Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF@PLGA复合微球，其特征在于，PLGA微球中设置Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF小球粒的数目范围为：15000-300000。
7.根据权利要2所述的Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF@PLGA复合微球及其制备方法，其特征在于，介孔硅壳外侧设置ZrMOF结构的数目范围为：1000-5000。
8.根据权利要求2所述的Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF@PLGA复合微球及其制备方法，其特征在于，Fe3O4球外侧设置金颗粒的数目范围为：300-700。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF@PLGA复合微球的制备方法，步骤为：
1、实现通过联合沉淀法制备Fe3O4纳米粒子；
2、利用Stober法在Fe3O4表面包裹SiO2，制成Fe3O4@SiO2纳米粒子；
3、氨基化处理Fe3O4@SiO2纳米粒子；
4、Duff法制备金溶胶溶液，制备金种子；
5、将金种子与Fe3O4@SiO2纳米粒子混合制备Fe3O4@SiO2@Auseed；
6、利用Halas法将Fe3O4@SiO2@Auseed制成Fe3O4@SiO2@Au粒子；
7、制备纳米ZrMOF；
8、制备Fe3O4@SiO2@Au-ZrMOF小球粒；
9、以Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF纳米复合材料为芯材，PLGA为壁材，采用复乳法制备复合微球。
10.根据权利要求9所述的Fe3O4/Au/SiO2-ZrMOF@PLGA复合微球的制备方法,其特征在于，制备的四氧化三铁颗粒为10nmFe3O4纳米粒子。
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