CN113332426B - 一种硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂的制备方法、由此得到的纳米治疗剂及其应用 - Google Patents

一种硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂的制备方法、由此得到的纳米治疗剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂的制备方法，其包括通过自组装形成复合胶束，纳米粒子被包裹于嵌段共聚物的内部以形成复合胶束的疏水内核；硅烷偶联剂在复合胶束表面水解缩聚得到包覆四氧化三铁的多孔氧化硅纳米粒子的前驱体；在氮气气氛中高温碳化得到包覆氧化铁和氮掺杂碳点的多孔氧化硅纳米粒子；酸刻蚀得到包覆铁单原子和氮掺杂碳点的多孔氧化硅纳米粒子；利用硅烷修饰的聚乙二醇进行修饰得到硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂。本发明还提供一种上述的制备方法得到的纳米治疗剂。本发明又提供上述的纳米治疗剂的应用。根据本发明的制备方法，工艺简单有效，由此得到的纳米治疗剂具有优异的光热转换能力和肿瘤催化治疗效果。

Description

一种硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂的制备方法、由此 得到的纳米治疗剂及其应用
技术领域
本发明涉及纳米生物医学领域，更具体地涉及一种硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂的制备方法、由此得到的纳米治疗剂及其应用。
背景技术
生物体内高效的物质利用和能量转换过程无处不在，如糖酵解、柠檬酸循环等代谢途径。这些化学反应都是通过单一金属活性中心催化高效率地生成最终产物(Nat.Chem.Biol.,2012,8,509-517；Annu.Rev.Cell Dev.Biol.,2011,27,441-464；Biochim.Biophys.Acta,1999,1413,99-107)。因此，有效利用金属活性中心实现能量转换最大化已成为材料精准合成和性能调控的最优方法。其中，单原子催化材料具有优异的性能、低成本以及显著的催化活性和选择性等优点(Chem,2019,5,2733-2735；Nat.Commun.,2020,11,4302；Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,2-7)。在单原子催化中，负载型单原子催化剂包含孤立的原子和载体，高度分散和暴露的催化活性中心赋予单原子催化剂超高的活性和极高的原子利用率(Adv.Energy Mater.,2020,202001561)。
目前，学者们已经开发了多种先进的方法制备碳基金属单原子体系，例如浸渍共沉淀、空间限域和配位位点构建等。其中，碳载体上负载氮配位的金属单原子被认为是最有前景的单原子材料之一，其性能往往取决于合成方法，例如碳、氮和金属前驱体的混合方法，以及获得金属原子-氮原子(M-Nx)活性部分掺杂在多孔碳骨架中的退火工艺(J.Mater.Chem.A,2018,6,14663-14674；Chem.Mater.2018,30,6684-6701；Nat.Commun.,2019,10,127)。这些单原子催化剂具有最高的原子催化效率和低成本，广泛应用于氧化还原相关的催化领域(Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,9171-9176；Adv.Funct.Mater.,2016,26,738-744；ACS Catalysis 2020,10,5862-5870；Nano Energy,2018,46,347-355)。
最近，科研工作者报道了一些金属单原子纳米体系，如氮掺杂碳点负载的金纳米粒子、锌单原子分散的碳球和铜单原子掺杂的空心碳球，用于高效安全的催化肿瘤治疗研究(ACS Nano 2019,13,2643-2653；Nat.Nanotechnol.2019,14,379-387；Angew.Chem.Int.Ed.2019,58,4911-4916)。然而，这种碳基的单原子体系仍存在生物相容性不佳、分散性较差等问题，一定程度上限制了其生物医学应用。此外，目前已报道的单原子治疗体系多采用金属有机框架(MOFs)体系直接高温碳化的方法，其涉及的制备工艺相对较为复杂。因此，发展一种简便可行的方法构建高质量的金属单原子纳米治疗剂，同时保证其具备良好的生物相容性和生物稳定性进而实现高效利用原子和能量仍然是目前该领域的主要挑战之一。
发明内容
为了解决上述现有技术中的碳载体的单原子材料存在的生物稳定性较差和生物相容性不理想等问题，本发明提供一种硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂的制备方法、由此得到的纳米治疗剂及其应用。
根据本发明的硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂的制备方法，其包括如下步骤：S1，将嵌段共聚物与纳米粒子溶解于有机溶剂中，超声充分分散以得到分散液，其中，该嵌段共聚物为聚苯乙烯-嵌段-聚丙烯酸(PS-b-PAA)，该纳米粒子为油溶性四氧化三铁纳米粒子；S2，将分散液加入到含有阳离子表面活性剂的碱性溶液中，通过自组装形成复合胶束，纳米粒子被包裹于嵌段共聚物的内部以形成复合胶束的疏水内核；S3，硅烷偶联剂在复合胶束表面水解缩聚得到包覆四氧化三铁的多孔氧化硅纳米粒子(Fe3O4@PSNs)的前驱体；S4，前驱体在氮气气氛中高温碳化得到包覆氧化铁和氮掺杂碳点的多孔氧化硅纳米粒子(IOs/CDs@PSNs)；S5，酸刻蚀得到包覆铁单原子和氮掺杂碳点的多孔氧化硅纳米粒子(Fe/CDs@PSNs)；S6，利用硅烷修饰的聚乙二醇(mPEG-Silane)进行修饰得到硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂(Fe/CDs@PPSNs)。
优选地，嵌段共聚物为PS96-b-PAA16，有机溶剂为四氢呋喃。在一个优选的实施例中，50毫克的PS96-b-PAA16和25毫克Fe3O4溶解于10毫升四氢呋喃中，超声10分钟，充分溶解以得到分散液。
优选地，在步骤S2中，分散液快速加入到搅拌中的碱性溶液中。在一个优选的实施例中，碱性溶液的搅拌速度为620转/分钟左右。
优选地，阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。更优选地，嵌段共聚物与十六烷基三甲基溴化铵的质量比为1:1.5-2.5。应该理解，该质量比有利于形成核-壳双介孔结构氧化硅，外部形成的硅层有利于提高生物相容性和稳定性。在一个优选的实施例中，嵌段共聚物与十六烷基三甲基溴化铵的质量比为1:2。例如PS96-b-PAA16的质量为50毫克，阳离子表面活性剂的质量为100毫克。
优选地，硅烷偶联剂为正硅酸乙酯。
优选地，在所述步骤S4中，碳化温度为600摄氏度-700摄氏度。在一个优选的实施例中，碳化温度为650摄氏度，升温速率为1摄氏度每分钟。
优选地，在所述步骤S5中，酸为盐酸。在一个优选的实施例中，盐酸浓度为1摩尔每升，所述步骤S5具体为：加入盐酸，搅拌12小时，重复3次后，离心、水洗进行纯化。
本发明还提供一种上述的制备方法得到的纳米治疗剂，其为核-壳双介孔结构氧化硅。
优选地，该纳米治疗剂包括1.5纳米-2.0纳米的小孔和12.5纳米-14.5纳米的大孔。在一个优选的实施例中，该纳米治疗剂包括1.8纳米的小孔和13.7纳米的大孔。
本发明又提供上述的纳米治疗剂的应用，其中，该纳米治疗剂用于光热和催化治疗。更优选地，该纳米治疗剂在外源性物理光刺激和内源性生物化学活性氧刺激下实现肿瘤的光热和芬顿催化联合治疗。应该理解，该纳米治疗剂的光热性能来源于氮掺杂缺陷碳及铁单原子的引入，使其具有优异的808纳米近红外光热效果，此外铁单原子还可与肿瘤微环境中的双氧水发生催化反应生成羟基自由基。
根据本发明的硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂的制备方法，利用嵌段共聚物的自组装行为原位包覆油溶性的四氧化三铁纳米粒子；利用嵌段共聚物与阳离子表面活性剂的共组装以及硅烷偶联剂的水解缩聚反应得到氧化铁纳米粒子/有机聚合物/氧化硅复合前驱体；利用有机聚合物和表面活性剂的高温碳化在氧化硅孔道内原位生成氮掺杂碳，得到氧化铁/氮掺杂碳点共负载的多级孔氧化硅纳米粒子；最后经过酸蚀得到铁单原子/氧化硅纳米治疗剂，工艺简单有效，由此得到的纳米治疗剂具有优异的光热转换能力和肿瘤催化治疗效果。具体地，铁单原子的掺杂使得缺陷碳的电子密度增加，对应的能带变窄，从而导致808纳米近红外激光照射下的光热转化效率大幅度提升；此外，铁单原子具有一定的催化活性，可催化肿瘤微环境的双氧水(H2O2)转换成毒性较大的羟基自由基(·OH)杀死肿瘤细胞。
附图说明
图1是根据本发明的硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂的制备流程图；
图2a-图2c是实施例1的Fe3O4@PSNs、IOs/CDs@PSNs、Fe/CDs@PPSNs的透射电镜照片；
图3a-图3b是实施例1的Fe/CDs@PPSNs的氮气吸附-脱附曲线和BJH孔径分布图；
图4示出了实施例1的Fe/CDs@PPSNs在水、磷酸盐缓冲液(PBS)、细胞培养基(RPMI-1640)中的粒径稳定性；
图5a-图5b是实施例1的Fe/CDs@PPSNs的X射线吸收光谱图和傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构光谱图；
图6a-图6b是实施例1的Fe/CDs@PPSNs的紫外-可见-近红外吸收光谱和808纳米的光热升温图；
图7a-图7b示出了实施例1的Fe/CDs@PPSNs在不同条件下对亚甲基蓝(MB)的降解；
图8示出了实施例1的Fe/CDs@PPSNs对人肝癌细胞SMMC-7721的细胞毒性。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，根据本发明的硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂的制备方法通过嵌段共聚物聚苯乙烯-嵌段-聚丙烯酸(PS-b-PAA)、油溶性四氧化三铁纳米粒子和阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵的自组装得到复合胶束，再通过硅烷偶联剂正硅酸乙酯的水解缩聚得到含有四氧化三铁纳米粒子的前驱体，高温碳化后得到孔道内包含氮掺杂碳点和氧化铁纳米粒子的多孔结构硅球，经盐酸刻蚀洗涤后，得到孔道内包含铁单原子锚定的氮掺杂碳点的多孔氧化硅纳米粒子，进一步与硅烷改性的聚乙二醇(mPEG-Silane，PEG)反应后得到PEG修饰的硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂。
实施例1
配置三份溶液：A溶液：50毫克PS96-b-PAA16和25毫克油溶性的四氧化三铁纳米粒子溶于10毫升四氢呋喃(THF)中，搅拌、超声至完全溶解。B溶液：100毫克十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶解于40毫升超纯水中，加入0.5毫升氨水。C溶液：64克乙醇中加入0.3克正硅酸乙酯(TEOS)。将A溶液快速倒入B溶液中，静置15秒后，倒入C溶液中，以620转每分钟的速度搅拌10分钟后，关闭搅拌，静置18小时。然后离心、醇洗，35摄氏度真空干燥，得到氧化铁多孔氧化硅纳米粒子(Fe3O4@PSNs)的前驱体。将Fe3O4@PSNs置于管式炉中，通氮气，以1摄氏度每分钟的速率升温至650摄氏度，保温6小时，得到氧化铁和氮掺杂碳点多孔氧化硅纳米粒子(IOs/CDs@PSNs)。将IOs/CDs@PSNs以10毫克每毫升的浓度溶解于1摩尔每毫升的盐酸溶液中，室温搅拌12小时后，离心、水洗，该过程重复三次后得到铁单原子和氮掺杂碳点多孔氧化硅纳米粒子(Fe/CDs@PSNs)。最后将Fe/CDs@PSNs以10毫克每毫升的浓度溶解于超纯水中，加入5倍质量的mPEG-Silane，60摄氏度水浴搅拌24小时后，离心、水洗，得到PEG修饰的硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂(Fe/CDs@PPSNs)。
图2a-图2c分别是Fe3O4@PSNs前驱体、IOs/CDs@PSNs、Fe/CDs@PPSNs的透射电镜照片，可见纳米颗粒均呈现明显的核-壳结构，在碳化和酸蚀过程中颗粒大小和形貌未发生明显的变化，但是经过碳化后其多孔结构变得更加清晰，在图2a和图2b中，黑色的氧化铁纳米粒子清晰可见，而经过酸蚀后，在图2c中黑色的颗粒消失，表明氧化铁纳米粒子被有效清除。
图3a-图3b示出了Fe/CDs@PPSNs的氮气吸附-脱附图谱，图3a可见Fe/CDs@PPSNs具有典型的Ⅳ类滞后环，表明纳米材料具有均一介孔结构，BET比表面积和孔容分别为518平方米每克和0.95立方厘米每克，图3b表明纳米材料的双孔结构是由1.8纳米的小孔和13.7纳米的大孔组成，两套孔结构分别来自于CTAB和PS-b-PAA模板剂。
图4示出了Fe/CDs@PPSNs在超纯水、磷酸盐缓冲液(PBS)和含有10％胎牛血清的细胞培养基(RPMI-1640)中的粒径大小。结果表明，在三种介质中，纳米材料的流体动力学粒径在一个月内无明显变化，这表明Fe/CDs@PPSNs在生物环境中具有长期生物稳定性。
图5a-图5b示出了Fe/CDs@PPSNs的同步辐射测试结果。图5a的X射线吸收光谱表明第一个转折点出现在7131.5eV的位置，在Fe箔和Fe2O3之间，表明铁单原子的价态在零价和三价之间。图5b的傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构光谱表明Fe/CDs@PPSNs的主峰出现在
Figure BDA0003063984050000061
可以归为Fe-N的散射作用，而Fe-Fe的峰没有出现，表明铁以单原子形式存在，此外，拟合结果表明该铁单原子配位结构为Fe-N4配位。
图6a-图6b示出了Fe/CDs@PPSNs的光热性能结果，图6a表明Fe/CDs@PPSNs水溶液表现出从紫外区到近红外区的宽谱吸收，而且吸收强度随着样品浓度的增加而增强。图6b为808纳米近红外激光激发下的光热升温，浓度为0.5毫克每毫升时，Fe/CDs@PPSNs的最高升温达49.5摄氏度。
图7a-图7b示出了Fe/CDs@PPSNs的体外Fenton实验，图7a表明酸性条件下MB在664纳米的吸收度降低，表明Fe/CDs@PPSNs在酸性条件下可以催化双氧水生成羟基自由基(·OH)，此外，图7b表明加入还原性GSH可以将高价铁还原为低价铁，进一步促进·OH产生。
图8示出了Fe/CDs@PPSNs对人肝癌细胞SMMC-7721的细胞毒性图。结果表明，该单原子治疗剂对细胞无明显毒性，且具有良好的生物相容性；加入双氧水后，对肝癌细胞展示出一定的芬顿毒性，进一步施加NIR激光后，其细胞毒性明显提高，表明其对肿瘤细胞具有明显的细胞杀伤性。
结果显示，与不含有铁单原子的纳米治疗剂相比，根据本发明的纳米治疗剂具有更优异的光热/催化性能；与已知的铁单原子纳米治疗剂相比，根据本发明的纳米治疗剂的铁单原子是在介孔氧化硅的孔道内部限域合成的，提高了纳米治疗剂的分散性和水溶性。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
S1，将嵌段共聚物与纳米粒子溶解于有机溶剂中，超声充分分散以得到分散液，其中，该嵌段共聚物为聚苯乙烯-嵌段-聚丙烯酸，该纳米粒子为油溶性四氧化三铁，嵌段共聚物为PS96-b-PAA16；
S2，将分散液加入到含有阳离子表面活性剂的碱性溶液中，通过自组装形成复合胶束，纳米粒子被包裹于嵌段共聚物的内部以形成复合胶束的疏水内核，阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵；
S3，硅烷偶联剂在复合胶束表面水解缩聚得到包覆四氧化三铁的多孔氧化硅纳米粒子的前驱体；
S4，前驱体在氮气气氛中高温碳化得到包覆氧化铁和氮掺杂碳点的多孔氧化硅纳米粒子；
S5，酸刻蚀得到包覆铁单原子和氮掺杂碳点的多孔氧化硅纳米粒子；
S6，利用硅烷修饰的聚乙二醇进行修饰得到硅载体内负载铁单原子的纳米治疗剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，有机溶剂为四氢呋喃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，分散液快速加入到搅拌中的碱性溶液中。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，嵌段共聚物与十六烷基三甲基溴化铵的质量比为1:1.5-2.5。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，硅烷偶联剂为正硅酸乙酯。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，碳化温度为600摄氏度-700摄氏度。
7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法得到的纳米治疗剂，其特征在于，该纳米治疗剂为核-壳双介孔结构氧化硅。
8.根据权利要求7所述的纳米治疗剂，其特征在于，该纳米治疗剂包括1.5纳米-2.0纳米的小孔和12.5纳米-14.5纳米的大孔。
9.根据权利要求7所述的纳米治疗剂的应用，其特征在于，所述的纳米治疗剂在制备光热和催化治疗药物上的应用。
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