CN113230402A - 一种聚吡咯纳米片及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
一种聚吡咯纳米片及其制备方法与应用，涉及生物医学纳米材料。将四甲基氢氧化铵和3wt％过氧化氢的混合水溶液加入四水合二氯化锰溶液中，形成深棕色溶液，搅拌反应；离心获得沉淀物，用超纯水和甲醇分别洗涤多次，干燥得块状二氧化锰，采用超声机械剥离法得到单层结构的二氧化锰纳米片；在冰水浴条件下，将吡咯水溶液加入到二氧化锰纳米片水溶液中，搅拌反应后得混合溶液；加入盐酸，至反应液颜色变为透明灰黑色，离心纯化得到聚吡咯纳米片。所述聚吡咯纳米片可作为光热纳米材料，可在近红外二区光声成像和光热治疗药物中应用。制备过程简单易行，无需加入额外的氧化剂；二氧化锰无需去除步骤；制备时间短。纳米片尺寸均匀，性能好。
Description
技术领域
本发明属于生物医学纳米材料领域，具体是涉及一种聚吡咯纳米片及其制备方法与应用。
背景技术
传统癌症治疗手段，如手术、化疗和放疗等，虽然能在一定程度有效遏制恶性肿瘤，但在治疗过程中会伴随着一系列不良反应，产生全身性毒副作用，使人恶心、呕吐、大量脱发、肝肾功能严重下降。光热疗法正迅速成为癌症治疗最有前途的方法之一，其利用光热剂，采用外部近红外激光可控照射，在特定肿瘤区域产生高温(>43℃)，并有效避免对非目标区域的伤害。该方法操作简单、病人恢复快，比传统疗法更有优势，已在肿瘤治疗领域引起广泛关注。而实现有效光热治疗就必须找到具有突出光热性能的纳米材料，但目前开发用于临床的实用光热剂仍是一个重大挑战。
聚吡咯纳米材料由于具有优良的生物安全性、优异的光热性能以及高光热稳定性，而被认为是一种具有较高发展前景的低成本光热诊疗剂。但是，目前大多数聚吡咯纳米材料在光热治疗方面的研究集中于近红外一区(650～950nm)，而在近红外二区(1000～1350nm)的光热研究相对较少，潜力尚未开发。值得注意的是，相比近红外一区而言，近红外二区由于具有更低的组织背景和减少的光子散射，可以实现更深组织的光热治疗。同时，近红外二区激光可以允许有更高的激光最大允许曝光值，皮肤暴露的最大允许曝光值在近红外二区为1W/cm2，而在808nm时仅为0.33W/cm2。因此，在近红外二区激光照射下可实现更有效、更安全的光热治疗，特别是对于治疗深部组织埋藏性肿瘤。Wang等人(Wang X,Ma Y,Sheng X,et al.Ultrathin Polypyrrole Nanosheets via Space-Confined Synthesisfor Efficient Photothermal Therapy in the Second Near-Infrared Window[J].NanoLetters,2018,18(4):2217-2225)发现聚吡咯的二维纳米结构可通过有效掺杂而在近红外二区中表现出强吸收性，从而实现聚吡咯在近红外二区中的光热治疗，但该聚吡咯纳米片的合成方法存在不足之处，如聚吡咯的合成时间过长(24h)，需要加入额外的氧化剂，且在聚吡咯形成后需通过酸洗来去除模板；整个实验流程周期长且操作复杂。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种聚吡咯纳米片及其制备方法与应用。本发明利用二氧化锰纳米片作为吡咯聚合的氧化剂和二维模板，在酸性条件下原位氧化吡咯聚合形成聚吡咯纳米片。该方法制备过程简单，合成速度极快，且无需加入额外的氧化剂，制备得到的聚吡咯纳米片尺寸均匀，在各种缓冲溶液中分散稳定，生物相容性好，且在近红外二区中表现出强吸收，具有优异的光热性能和高的光热转换效率，同时具有一定的光声成像效果，有望在近红外二区中实现光声成像介导的光热治疗肿瘤，实现诊疗一体化。
一种聚吡咯纳米片的制备方法，包括如下步骤：
1)将四甲基氢氧化铵和3wt％过氧化氢的混合水溶液加入四水合二氯化锰溶液中，形成深棕色溶液，搅拌反应；
2)反应结束后，离心获得沉淀物，用超纯水和甲醇分别洗涤3～5次，置于烘箱中干燥获得块状二氧化锰，随后采用超声机械剥离法得到单层结构的二氧化锰纳米片；
3)在冰水浴条件下，将含有0.01～0.05g离子型表面活性剂的吡咯水溶液按体积比1︰1加入到二氧化锰纳米片水溶液中，搅拌反应后得混合溶液；
4)将1mL 0.01M盐酸加入步骤3)中获得的混合溶液中，至反应液颜色变为透明灰黑色，用30kD超滤管离心纯化得到聚吡咯纳米片。
在步骤1)中，所述四甲基氢氧化铵与四水合二氯化锰的投料摩尔比为(1.5～2)︰1；所述搅拌反应可在露天、室温状态下搅拌反应，搅拌反应的时间可为10～14h。
在步骤2)中，所述干燥的温度可为45～60℃；所述超声机械剥离法采用的超声仪器为循环水浴恒温超声仪，超声的时间为12～15h，超声的功率为450～600W；
在步骤3)中，所述离子型表面活性剂选择十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和十二烷基苯磺酸钠；所述搅拌反应的时间可为15～30min；所述吡咯的浓度为0.05～0.2M，二氧化锰纳米片的浓度为50～300μg/mL。
所制备的聚吡咯纳米片的粒径为100～200nm，厚度为4～5nm。
所述聚吡咯纳米片可作为光热纳米材料，可在近红外二区光声成像和光热治疗药物中应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明的制备过程简单易行，借助二氧化锰纳米片的强氧化性和二维结构来合成聚吡咯纳米片，无需加入额外的氧化剂；且二氧化锰在氧化吡咯的同时即发生分解，无需进一步去除步骤；
(2)本发明的制备过程反应时间极短，在几秒内即可聚合形成聚吡咯纳米片。
(3)本发明方法制备的聚吡咯纳米片尺寸均匀，在各种溶液中具有良好的分散性和稳定性，生物相容性好，且在近红外二区中表现出强吸收，具有优异的光热升温性能和光声成像效果。
附图说明
图1为二氧化锰纳米片和聚吡咯纳米片的紫外吸收光谱对比图(a)以及聚合过程中溶液在1064nm处的吸收值变化情况(b)；
图2为二氧化锰纳米片的透射电镜图(a)、聚吡咯纳米片的透射电镜图(b)以及原子力显微镜图(c)和对应高度图(d)；
图3为二氧化锰纳米片和聚吡咯纳米片的傅里叶变换红外光谱图；
图4为聚吡咯纳米片在各种溶剂中的粒径稳定性图；
图5为聚吡咯纳米片在808nm(a)和1064nm(b)激光照射下的光热升温曲线；
图6为聚吡咯纳米片在808nm(a)和1064nm(b)激光照射下的光热升降温曲线；
图7为聚吡咯纳米片在808nm和1064nm激发波长下的光声信号直观图(a)和信号强度对比图(b)。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明和描述。
一种聚吡咯纳米片的制备方法，包括如下步骤：
1)将四甲基氢氧化铵和3wt％过氧化氢的混合水溶液快速加入到四水合二氯化锰溶液中，形成深棕色溶液，在露天、室温状态下搅拌反应10～14h。所述四甲基氢氧化铵与四水合二氯化锰的投料摩尔比为(1.5～2)︰1。
2)反应结束后，离心获得沉淀物，用超纯水和甲醇进行多次洗涤后，置于45～60℃烘箱中干燥获得块状二氧化锰，随后采用超声机械剥离法得到单层结构的二氧化锰纳米片。超声仪器为循环水浴恒温超声仪，超声时间为12～15h，超声功率为450～600W。
3)在冰水浴条件下，将含有0.01～0.05g离子型表面活性剂的吡咯水溶液按体积比1︰1加入到二氧化锰纳米片水溶液中，搅拌反应15～30min；其中，吡咯的浓度为0.05～0.2M，二氧化锰纳米片的浓度为50～300μg/mL。所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和十二烷基苯磺酸钠。
4)将1mL 0.01M盐酸滴加到步骤(3)中获得的混合溶液中，反应液颜色迅速变成透明灰黑色，用30kD超滤管离心纯化得到聚吡咯纳米片溶液。
制备所得聚吡咯纳米片的粒径为100～200nm、厚度为4～5nm。
所述聚吡咯纳米片可作为光热纳米材料在近红外二区中具有成为光声成像和光热治疗药物的应用前景。
以下给出具体实施例。
实施例1
超声机械剥离法制备单层结构的二氧化锰纳米片：
20mL含有0.6M四甲基氢氧化铵和3wt％过氧化氢的混合水溶液，在15s内迅速将其加入到10mL 0.3M四水合二氯化锰溶液中，溶液颜色立即由无色变成深棕色，然后在露天、室温状态下，剧烈搅拌反应12h。反应结束后，收集反应液，通过离心(2000rpm，20min)得到二氧化锰沉淀，并分别用超纯水和甲醇进行多次洗涤。然后，将二氧化锰置于60℃烘箱中干燥后获得块状二氧化锰。取干燥二氧化锰10mg溶于20mL超纯水中，并用循环水浴恒温超声仪器(功率：480W)超声12h。最后，将该溶液进行离心(2000rpm，30min)后，收集上清液即得到二氧化锰纳米片。
原位氧化聚合法制备聚吡咯纳米片：
将0.01g的十二烷基硫酸钠溶解于15mL超纯水中，向其中加入100μL纯吡咯单体，并将其混合均匀。在冰水浴条件下，将二氧化锰纳米片溶液(15mL，50μg/mL)加入到上述吡咯水溶液中，并进行磁力搅拌20min。然后边搅拌边向其中加入1mL稀盐酸(0.01M)以使吡咯开始聚合，可发现溶液发生明显变色，由淡黄色迅速变成透明灰黑色。将获得的灰黑色溶液在30kD超滤管中进行截留纯化得到最终产物聚吡咯纳米片。
实施例2
单层结构的二氧化锰纳米片的制备与实施例1一致；
将0.03g的十二烷基苯磺酸钠溶解于15mL超纯水中，向其中加入200μL纯吡咯单体，并将其混合均匀。在冰水浴条件下，将二氧化锰纳米片溶液(15mL，100μg/mL)加入到上述吡咯水溶液中，并进行磁力搅拌20min。然后边搅拌边向其中加入1mL稀盐酸(0.01M)以使吡咯开始聚合，可发现溶液发生明显变色，由淡黄色迅速变成透明灰黑色。将获得的灰黑色溶液在30kD超滤管中进行截留纯化得到最终产物聚吡咯纳米片。
实施例3
单层结构的二氧化锰纳米片的制备与实施例1一致；
将0.01g的十二烷基硫酸钠溶解于15mL超纯水中，向其中加入100μL纯吡咯单体，并将其混合均匀。在冰水浴条件下，将二氧化锰纳米片溶液(15mL，200μg/mL)加入到上述吡咯水溶液中，并进行磁力搅拌20min。然后边搅拌边向其中加入1mL稀盐酸(0.01M)以使吡咯开始聚合，可发现溶液发生明显变色，由淡黄色迅速变成透明灰黑色。将获得的灰黑色溶液在30kD超滤管中进行截留纯化得到最终产物聚吡咯纳米片。
实施例4
单层结构的二氧化锰纳米片的制备与实施例1一致；
将0.02g的十二烷基硫酸钠溶解于20mL超纯水中，向其中加入100μL纯吡咯单体，并将其混合均匀。在冰水浴条件下，将二氧化锰纳米片溶液(20mL，100μg/mL)加入到上述吡咯水溶液中，并进行磁力搅拌20min。然后边搅拌边向其中加入1mL稀盐酸(0.01M)以使吡咯开始聚合，可发现溶液发生明显变色，由淡黄色迅速变成透明灰黑色。将获得的灰黑色溶液在30kD超滤管中进行截留纯化得到最终产物聚吡咯纳米片。
实施例5
单层结构的二氧化锰纳米片的制备与实施例1一致；
将0.01g的十二烷基硫酸钠溶解于20mL超纯水中，向其中加入200μL纯吡咯单体，并将其混合均匀。在冰水浴条件下，将二氧化锰纳米片溶液(20mL，300μg/mL)加入到上述吡咯水溶液中，并进行磁力搅拌20min。然后边搅拌边向其中加入1mL稀盐酸(0.01M)以使吡咯开始聚合，可发现溶液发生明显变色，由淡黄色迅速变成透明灰黑色。将获得的灰黑色溶液在30kD超滤管中进行截留纯化得到最终产物聚吡咯纳米片。
图1为二氧化锰纳米片和聚吡咯纳米片的紫外吸收光谱对比图(a)以及聚合过程中溶液在1064nm处的吸收值变化情况(b)。通过吸收光谱图1中的(a)图可以看出，二氧化锰纳米片在374nm处呈现出其特征吸收峰，表明二氧化锰的成功合成；而聚吡咯纳米片形成后二氧化锰的特征峰消失，同时在近红外区域显示出强而广的吸收。为监测聚吡咯纳米片的形成过程，对反应过程中溶液在1064nm处的吸收值进行连续观察，结果如图1中的(b)图所示。加酸发生吡咯聚合过程中，溶液在1064nm处的吸收值在几秒内迅速增加，并维持不变，溶液颜色也由二氧化锰的棕黄色变为聚吡咯的透明灰黑色，表明聚吡咯纳米片的合成过程极为迅速，且操作简单。
图2为二氧化锰纳米片的透射电镜图(a)、聚吡咯纳米片的透射电镜图(b)以及原子力显微镜图(a)和对应高度图(d)。图2的(a)图显示出二氧化锰超薄的二维纳米片状结构，且呈现出阴影褶皱，表明多层纳米片重叠交叉在一起。由图2的(b)、(c)和(d)图可以看出，聚吡咯纳米片分散较好且尺寸均匀，表现出横向尺寸为100～200nm，厚度为4～5nm的空间二维结构。
图3为二氧化锰纳米片和聚吡咯纳米片的傅里叶变换红外光谱图。观察红外谱图，可以发现二氧化锰在518cm-1处的特征Mn-O键振动。通过原位氧化聚合法形成聚吡咯纳米片后，Mn-O键振动消失，红外光谱中出现聚吡咯的特征谱带：吡咯环在1615和1458cm-1处的基本振动和C-N在1145cm-1处的拉伸振动，这都表明聚吡咯纳米片的成功合成。
图4为制备的聚吡咯纳米片在各种溶剂中的粒径稳定性图。将聚吡咯纳米片分别溶于水、磷酸盐缓冲溶液(PBS)、生理盐水(NS)、DMEM培养基以及含10％FBS的DMEM培养基中，连续3天观察聚吡咯纳米片溶于不同溶剂中的尺寸变化以及直观图。结果表明，聚吡咯纳米片在不同生理缓冲溶液中分散良好，尺寸只有轻微变化，且未发生任何聚沉现象，具有良好的稳定性。
图5为聚吡咯纳米片在808nm(a)和1064nm(b)激光照射下的光热升温曲线。将不同浓度的聚吡咯纳米片在808/1064nm激光下以相同功率密度(1W/cm2)照射5min，并用红外热成像仪记录实时升温情况。结果表明，随着浓度增加，升温情况越好。以水为对照组，在5min激光照射后仅升高4.2℃，而聚吡咯纳米片表现出明显的升温效果。对比波长为808nm和1064nm激光照射情况发现，1064nm表现出更强的升温，如20μg/mL聚吡咯纳米片在808nm照射下5min内升至37.9℃，而1064nm下升至40.6℃，说明近红外二区可实现更有效的光热治疗。
图6为聚吡咯纳米片在808nm(a)和1064nm(b)激光照射下的光热升降温曲线。通过降温过程的曲线拟合计算可得出，制备的聚吡咯纳米片在808nm的光热转换效率为58.27％，而在1064nm下可高达66.01％，说明聚吡咯纳米片具有优异的光热性能，且在1064nm激光下可有更优异的光热治疗效果。
图7为聚吡咯纳米片在808nm和1064nm激发波长下的光声信号直观图(a)和信号强度对比图(b)。将不同浓度的聚吡咯纳米片置于超声/光声成像系统中采集光声信号，结果表明，相比808nm激发波长而言，相同浓度的聚吡咯纳米片在1064nm激发波长下会产生更强的光声信号，可有效反应出材料的聚集情况。
本发明采用超声剥离法制备单层二氧化锰纳米片，以其作为吡咯聚合的氧化剂和二维模板，在酸性条件下利用二氧化锰的强氧化性原位氧化吡咯得到聚吡咯纳米片。制备方法，简单易行，可在几秒内合成聚吡咯纳米片，反应速度极快。制备得到的聚吡咯纳米片尺寸均匀，在各种缓冲溶液中分散稳定，生物相容性好；在近红外二区中表现出强吸收，且具有优异的光热升温效果，光热转换效率高，同时具有一定的光声成像效果；本发明制备的聚吡咯纳米片可作为光热纳米材料，在近红外二区中具有广泛的成为光声成像和光热治疗药物的应用前景。
上述所举实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何依照本发明专利范围及说明书内容所作的等效改变、替代、修饰，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种聚吡咯纳米片的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将四甲基氢氧化铵和3wt％过氧化氢的混合水溶液加入四水合二氯化锰溶液中，形成深棕色溶液，搅拌反应；
2)反应结束后，离心获得沉淀物，用超纯水和甲醇分别洗涤3～5次，置于烘箱中干燥获得块状二氧化锰，随后采用超声机械剥离法得到单层结构的二氧化锰纳米片；
3)在冰水浴条件下，将含有0.01～0.05g离子型表面活性剂的吡咯水溶液按体积比1︰1加入到二氧化锰纳米片水溶液中，搅拌反应后得混合溶液；
4)将1mL 0.01M盐酸加入步骤3)中获得的混合溶液中，至反应液颜色变为透明灰黑色，用30kD超滤管离心纯化得到聚吡咯纳米片。
2.如权利要求1所述一种聚吡咯纳米片的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述四甲基氢氧化铵与四水合二氯化锰的投料摩尔比为(1.5～2)︰1。
3.如权利要求1所述一种聚吡咯纳米片的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述搅拌反应在露天、室温状态下搅拌反应，搅拌反应的时间为10～14h。
4.如权利要求1所述一种聚吡咯纳米片的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述干燥的温度为45～60℃。
5.如权利要求1所述一种聚吡咯纳米片的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述超声机械剥离法采用的超声仪器为循环水浴恒温超声仪，超声的时间为12～15h，超声的功率为450～600W。
6.如权利要求1所述一种聚吡咯纳米片的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述离子型表面活性剂选择十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和十二烷基苯磺酸钠；所述搅拌反应的时间为15～30min。
7.如权利要求1所述一种聚吡咯纳米片的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述吡咯的浓度为0.05～0.2M，二氧化锰纳米片的浓度为50～300μg/mL。
8.如权利要求1所述一种聚吡咯纳米片的制备方法制备的聚吡咯纳米片。
9.如权利要求9所述聚吡咯纳米片，其特征在于其粒径为100～200nm，厚度为4～5nm。
10.如权利要求1所述一种聚吡咯纳米片的制备方法制备的聚吡咯纳米片作为光热纳米材料，在近红外二区光声成像和光热治疗药物中应用。
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