CN113786485B - 一种Bi基纳米复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种Bi基纳米复合材料及其制备方法和应用，涉及纳米生物医学技术领域。该复合材料包括Bi基纳米材料和具有类酶性质的纳米粒子或者包括Bi基纳米材料和具有催化活性的生物蛋白分子。本发明还提供一种Bi基纳米复合材料的制备方法，该方法是将具有类酶性质的纳米粒子通过原位生长的方式长在Bi基纳米材料的表面，或者在Bi基纳米材料的表面直接负载具有催化活性的生物蛋白分子。本发明还提供上述Bi基纳米复合材料作为诊疗剂用于癌症诊疗。将四氧化三铁和贵金属纳米颗粒负载在Bi基二维纳米材料的表面，通过两者协同作用，增强其引起的芬顿反应，进而增强活性氧的生成，达到主动增强铁死亡的效果。
Description
技术领域
本发明涉及纳米生物医学技术领域，尤其涉及一种Bi基纳米复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
目前基于纳米平台的肿瘤治疗方式主要包括化疗、放疗、光动力治疗、光热治疗等。为了弥补单一治疗方式的不足，研究者们巧妙的设计了多功能纳米材料，可以同时实现对肿瘤的多种诊断与治疗方式。铁死亡是一种非凋亡的细胞死亡途径，主要是由于细胞内脂质过氧化物的积累导致的。铁死亡治疗作为一种新型的肿瘤治疗方式，引起了广泛的关注，它是利用铁死亡诱导剂介导细胞内发生芬顿反应，通过产生过量的活性氧(以羟基自由基为主)，导致细胞内脂质过氧化物过度积累，最终杀死癌细胞。同时，一些诱导剂还能消耗细胞内的谷胱甘肽，使谷胱甘肽过氧化物酶4失活，抑制有毒脂质过氧化物向无毒羟基化合物的转化，促进铁死亡的发生。因此，活性氧和谷胱甘肽在铁死亡中发挥着重要的作用。
然而，由于肿瘤微环境不能满足芬顿反应所需的最适pH范围，同时肿瘤微环境中谷胱甘肽浓度相对较高，容易引起内在耐药机制，铁死亡治疗效果有待进一步提高。因此，通过调节癌细胞的代谢以促进活性氧的产生或与其他治疗方法联合对于提高铁死亡的治疗效果是一个很好的策略。考虑到升高温度能够加速芬顿反应，促进活性氧的生成，因此选择铁死亡与光热治疗相结合，实现协同治疗的效果。光热治疗是利用光热转换剂在近红外光照射下将光能转换为热能，引起肿瘤局部过热达到消融肿瘤的目的。相比于传统的近红外I区光热治疗，近红外II区激光具有较深的组织穿透深度，较高的皮肤耐受光功率密度等优点。因此探索高效的近红外II区光热转换剂是非常有必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种Bi基纳米复合材料及其制备方法和应用，该Bi基纳米复合材料用于肿瘤的成像与治疗，以解决现有治疗方式存在的疗效低以及诊疗不能同时实现等问题。
为实现本发明的目的，本发明的解决方案是：
本发明首先提供一种Bi基纳米复合材料，包括Bi基纳米材料和具有类酶性质的纳米粒子或者包括Bi基纳米材料和具有催化活性的生物蛋白分子。
优选的，所述Bi基纳米材料包括Bi纳米点、Bi基多维纳米材料或Bi2O3模板法衍生的Bi基纳米材料。
优选的是，所述的Bi基多维纳米材料为二维或三维的Bi2S3、Bi2Se3或Bi2Te3。
优选的，所述具有类酶性质的纳米粒子包括四氧化三铁和贵金属纳米粒子。
优选的，所述的贵金属纳米粒子为金、钯或铂纳米粒子。
优选的，所述的具有催化活性的生物蛋白分子包括血红蛋白或辣根过氧化物酶。
本发明还提供一种Bi基纳米复合材料的制备方法，包括：
将具有类酶性质的纳米粒子通过原位生长的方式长在Bi基纳米材料的表面，或者在Bi基纳米材料的表面直接负载具有催化活性的生物蛋白分子。
优选的是，所述的一种Bi基纳米复合材料的制备方法，具体包括：
步骤1、将Bi基纳米材料分散在反应溶剂中，得到溶液；
步骤2、将乙酰丙酮铁加入步骤1的溶液中，搅拌使其完全溶解后加热反应，得到长有四氧化三铁的Bi基纳米材料；
步骤3、将步骤2所得的长有四氧化三铁的Bi基纳米材料分散在水中并加入柠檬酸钠溶液，然后，在搅拌的过程中滴加含贵金属的溶液，所得产物即为同时长有四氧化三铁和贵金属纳米粒子的Bi基纳米材料。
优选的是，所述的一种Bi基纳米复合材料的制备方法，具体包括：
步骤一、将Bi基纳米材料分散在反应溶剂中，得到溶液；
步骤二、将具有催化活性的生物蛋白分子溶解在PBS中；
步骤三、将步骤一和步骤二的溶液混合后，置于4℃，避光搅拌过夜，得到Bi基纳米复合材料。
本发明还提供上述Bi基纳米复合材料在制备治疗癌症诊疗剂中的应用。
本发明的有益效果
本发明提供一种Bi基纳米复合材料及其制备方法和应用，该复合材料包括Bi基纳米材料和具有类酶性质的纳米粒子或者是具有催化活性的生物蛋白分子。本发明中的Bi基纳米材料具有稳定性好、形貌均一的特点，在808、1064nm激光器的照射下，都具有较高的光热转换效率，能够有效改善光热治疗的效果，同时实现光声成像。更重要的是，Bi基纳米材料还能作为催化剂的载体，一方面将具有类过氧化酶性质的四氧化三铁和贵金属纳米颗粒负载在Bi基二维纳米材料的表面，通过四氧化三铁和贵金属纳米粒子间的协同作用，增强其引起的芬顿反应，进而增强活性氧的生成，达到主动增强铁死亡的效果。另一方面，外加近红外光启动光热治疗中产生的过高热也能加速芬顿反应。这种通过主被动方式增强活性氧产生的策略在多功能材料用于抗肿瘤领域有重要的应用前景。除此之外，本发明提供的材料同时具备光声成像、磁共振成像和X射线成像的功能。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的Bi基纳米片Bi2Se3的扫描电镜照片；
图2为本发明实施例2制备的原位生长四氧化三铁纳米粒子后的扫描电镜照片；
图3为本发明实施例3制备的原位生长四氧化三铁、金纳米粒子后的Bi基纳米复合材料的扫描电镜照片；
图4为实施例3制备的Bi基纳米复合材料在808或1064nm照射下的热成像照片；
图5为实施例3制备的Bi基纳米复合材料的过氧化物酶性质测试照片；
图6为实施例3制备的Bi基纳米复合材料分别作用于4T1，RAW264.7细胞后的细胞存活率图；
图7为实施例3制备的Bi基纳米复合材料用于光热-铁死亡协同治疗后4T1细胞存活率图；
图8为实施例3制备的Bi基纳米复合材料的光声信号的变化曲线；
图9为实施例3制备的Bi基纳米复合材料的弛豫率的变化曲线；
图10为实施例3制备的Bi基纳米复合材料用于光热-铁死亡协同治疗后4T1荷瘤鼠的肿瘤变化图。
具体实施方式
本发明首先提供一种Bi基纳米复合材料，包括Bi基纳米材料和具有类酶性质的纳米粒子或者包括Bi基纳米材料和具有催化活性的生物蛋白分子。
按照本发明，所述Bi基纳米材料包括Bi纳米点、Bi基多维纳米材料。所述的Bi基多维纳米材料为二维片状或三维球形的Bi2S3、Bi2Se3或Bi2Te3，粒径分布在10-200nm，具有稳定性好、形貌均一的特点。
所述Bi基纳米材料还包括Bi2O3模板法衍生的Bi基纳米材料。
按照本发明，所述的Bi基纳米材料在808、1064nm激光器的照射下，具有较高的近红外光热转换性质，转化效率达34％以上。
按照本发明，所述具有类酶性质的纳米粒子包括四氧化三铁和贵金属纳米粒子。所述的贵金属纳米粒子优选为金、钯或铂纳米粒子，更优选为金纳米粒子。
所述的具有催化活性的生物蛋白分子包括血红蛋白或辣根过氧化物酶。
本发明还提供一种Bi基纳米复合材料的制备方法，包括：
将具有类酶性质的纳米粒子通过原位生长的方式长在Bi基纳米材料的表面，或者在Bi基纳米材料的表面直接负载具有催化活性的生物蛋白分子。
按照本发明，所述的一种Bi基纳米复合材料的制备方法，具体包括：
步骤1、将Bi基纳米材料分散在反应溶剂中，得到溶液；所述的反应溶剂优选为三乙二醇；
步骤2、将乙酰丙酮铁加入步骤1的溶液中，搅拌使其完全溶解后加热反应，所述反应温度优选为100～300℃，反应时间优选为1～24h，对其进行离心、洗涤后分散在蒸馏水中，得到长有四氧化三铁的Bi基纳米材料；所述Bi基纳米材料与乙酰丙酮铁的质量比优选为1∶1～1∶2。
步骤3、将步骤2所得的长有四氧化三铁的Bi基纳米材料分散在水中并加入柠檬酸钠溶液，所述柠檬酸钠溶液的浓度优选为7.05mg/mL，然后，在搅拌的过程中滴加含贵金属的溶液，所得产物即为同时长有四氧化三铁和贵金属纳米粒子的Bi基纳米材料。所述的长有四氧化三铁的Bi基纳米材料和含贵金属的溶液的质量比为5:1。
按照本发明，所述的一种Bi基纳米复合材料的制备方法，具体包括：
步骤一、将Bi基纳米材料分散在水溶液中，得到Bi基纳米材料水溶液，所述的水溶液的浓度优选为5mg/mL；
步骤二、将具有催化活性的生物蛋白分子溶在PBS中，得到具有催化活性的生物蛋白分子溶液，所述的具有催化活性的生物蛋白分子溶液浓度优选为5mg/mL；
步骤三、将具有催化活性的生物蛋白分子溶液加入Bi基纳米材料的水溶液中，置于4℃闭光，过夜搅拌；所述的具有催化活性的生物蛋白分子溶液和Bi基纳米材料的水溶液的体积比优选为0.5:1；
步骤四、将步骤三的反应体系离心后，沉淀重新分散在水溶液中，得到Bi基纳米复合材料。
本发明还提供上述Bi基纳米复合材料在制备治疗癌症诊疗剂中的应用。
按照本发明，所述复合材料的治疗方式包括光热治疗和铁死亡治疗。所述的光热治疗的激发波长主要是近红外光，包括近红外I区和近红外II区，尤其是近红外II区，光热治疗的激发波长为808、1064nm的近红外光。
按照本发明，所述的癌症没有特殊限制。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，实施例中涉及到的原料均为商购获得。
实施例1Bi2Se3的制备
将0.1158g的Bi(AC)3,0.078g的Na2Se3,0.4g PVP，1mL冰乙酸溶于10mL乙二醇中，搅拌至完全溶解后将溶液升温至170℃。将2mL羟胺溶液和乙二醇(1∶1)快速注入上述溶液中，立即变黑。将反应在170℃下保持15分钟。冷却至室温后，通过加入20mL丙酮沉淀产物，通过以8,000rpm离心10分钟收集待用。
对本发明实施例1制备得到的二维纳米片进行电子显微镜检测，检测结果如图1所示，图1为本发明实施例1制备的二维纳米片的扫描电子显微镜照片；由图1可以看出，本发明实施例1制备得到的二维纳米片的形貌是均一的六边形，尺寸约70nm。
实施例2Bi2Se3-Fe3O4的制备
称取8mg乙酰丙酮铁加入反应釜中，再加入30mL三乙二醇，待完全溶解后加入实施例1制备得到的二维纳米片。将反应釜置于烘箱中，220度反应10小时。待反应釜冷却后，向所得溶液中加入丙酮，离心得到所需产物。
对本发明实施例2制备得到的纳米粒子进行电子显微镜检测，检测结果如图2所示，图2为本发明实施例2制备的纳米粒子的扫描电子显微镜照片；由图2可以看出，本发明实施例2制备得到的纳米粒子表面长有尺寸约为11nm的Fe3O4纳米粒子。
实施例3Bi2Se3-Fe3O4/Au的制备
取实施例2得到的样品1mL置于玻璃小瓶中并向其中加入5mL蒸馏水，200μL柠檬酸钠溶液(7.05mg/mL)。在搅拌的过程中加入25μL氯金酸(1％)，室温搅拌15分钟后离心，收集产物。
对本发明实施例3制备得到的纳米粒子进行电子显微镜检测，检测结果如图3所示，图3为本发明实施例3制备的纳米粒子的扫描电子显微镜照片；由图3可以看出，本发明实施例3制备得到的纳米粒子表面除了长有尺寸约为11nm的Fe3O4纳米粒子外，还长有尺寸约5nm的金纳米粒子。
实施例4Bi2Se3-hemoglobin的制备
步骤一、将实施例1得到的Bi基纳米材料分散在水溶液中，得到Bi基纳米材料水溶液，所述的水溶液的浓度为5mg/mL；
步骤二、将血红蛋白溶在PBS中，得到血红蛋白溶液，所述的血红蛋白溶液浓度为5mg/mL；
步骤三、将0.5mL血红蛋白溶液加入1mL Bi基纳米材料的水溶液中，置于4℃闭光，过夜搅拌；
步骤四、将步骤三的反应体系离心后，沉淀重新分散在水溶液中，得到Bi基纳米复合材料。
实施例5
对实施例3得到的纳米粒子进行光热转换性能的评估，具体方法为：
首先将上述实施例3得到的样品稀释成80μg/mL，分别用808或1064nm激光器(1W/cm2)照射5min,同时用热像仪记录溶液的升温情况。
升温结果为，本发明实施例3制备的纳米粒子经808或1064nm激光器照射后都有明显的升温效果，升温情况如图4所示，图4为用808或1064nm照射不同时间的热成像结果。因此，本发明提供的纳米材料能够实现光热治疗。
实施例6
对实施例3得到的纳米粒子进行类过氧化物酶活性的评估，具体方法为：
将上述实施例3得到的样品溶于1mLpH值为4的柠檬酸缓冲溶液中，加入0.4mM的过氧化物酶底物-3,3,5,5-四甲基联苯胺，再向上述溶液中加入不同浓度的过氧化氢溶液，通过光谱仪检测是否在652nm处有特征吸收峰来验证底物是否被氧化。
检测结果为，本发明实施例3得到的样品具有类过氧化物酶的性质，光谱仪测的结果如图5所示，图5为本发明实施例测试得到的吸收光谱结果。从图5可以看出，本发明提供的纳米粒子具有类过氧化物酶的活性。
实施例7
对实施例3得到的纳米粒子进行细胞铁死亡测试
将上述实施例3得到的纳米粒子进行细胞毒性测试，分别以4T1、RAW 264.7细胞为模型，以实施例3得到的纳米粒子为待测物，将不同浓度的所述待测物作用于细胞后，以cck-8方法测试细胞存活率。
检测结果为，本发明实施例3得到的样品作用了细胞后，两种细胞的存活率如图6所示，图6为经本发明实施例3得到的样品作用后的两种细胞的存活率。从图6可以看出，本发明提供的纳米粒子能够特异杀伤肿瘤细胞而对巨噬细胞无毒性。
实施例8
对实施例3得到的纳米粒子进行细胞光热、铁死亡联合治疗测试
将上述实施例3得到的纳米粒子进行细胞毒性测试，以4T1细胞为模型，以实施例3得到的纳米粒子为待测物，将不同浓度的所述待测物作用于细胞后，再用808nm激光器以0.5W/cm2的光功率密度照射10min，通过cck-8方法测试细胞存活率。
检测结果为，本发明实施例3得到的样品作用于细胞后，再用808nm激光器照射10min。细胞的存活率如图7所示，图7为经本发明实施例3得到的样品作用并接受光照后细胞的存活率。从图7可以看出，本发明提供的纳米粒子具有较好的协同治疗效果。
实施例9
对实施例3得到的纳米粒子进行光声，磁共振双模态成像。将纳米粒子稀释不同浓度后，用光声系统和磁共振成像系统进行信号采集，结果如图8,9所示。
实施例10
对实施例3得到的纳米粒子进行体内光热、铁死亡的协同治疗测试
将上述实施例3得到的纳米粒子进行体内光热、铁死亡的协同治疗测试。将4T1细胞注射在雌性BALB/C后肢的皮下，构建荷瘤鼠模型。将荷瘤鼠分成4组，包括对照组(PBS)、仅光照组、仅材料组、材料加光照组。期间隔一天记录一次肿瘤的体积以及荷瘤鼠的体重。荷瘤鼠的照片如图10所示，图10为经不同条件处理后荷瘤鼠的照片。由图10可知，与对照组相比，材料加光照处理组的肿瘤体积明显被抑制了，表明本发明提供的纳米粒子能够有效的用于体内光热、铁死亡的协同治疗。
由以上实施例可知，本发明提供的Bi基纳米材料，具有较高的光热转换效率，能直接用于光热治疗。同时通过在其表面原位生长具有类过氧化物酶性质的四氧化三铁和金纳米粒子，能够使其具有增强肿瘤细胞铁死亡的效果。
以上结合说明书附图和具体实施例对本发明的技术方案和技术效果进行了详细阐述，应该说明的是，说明书中公开的具体实施方式只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。所述领域的技术人员还可以在此基础上开发出其他的实施例；任何不脱离本发明创新理念的简单变形和等同替换均涵盖于本发明，属于本专利的保护范围。
Claims (4)
1.一种Bi基纳米复合材料，其特征在于，包括Bi基纳米材料和具有类酶性质的纳米粒子；
所述的Bi基纳米材料为二维或三维的Bi2Se3或Bi2Te3；
所述具有类酶性质的纳米粒子包括四氧化三铁和贵金属纳米粒子；
所述的贵金属纳米粒子为金、钯或铂纳米粒子。
2.权利要求1所述的一种Bi基纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
将具有类酶性质的纳米粒子通过原位生长的方式长在Bi基纳米材料的表面。
3.根据权利要求2所述的一种Bi基纳米复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括：
步骤1、将Bi基纳米材料分散在反应溶剂中，得到溶液；
步骤2、将乙酰丙酮铁加入步骤1的溶液中，搅拌使其完全溶解后加热反应，得到长有四氧化三铁的Bi基纳米材料；
步骤3、将步骤2所得的长有四氧化三铁的Bi基纳米材料分散在水中并加入柠檬酸钠溶液，然后，在搅拌的过程中滴加含贵金属的溶液，所得产物即为同时长有四氧化三铁和贵金属纳米粒子的Bi基纳米材料。
4.权利要求1所述的Bi基纳米复合材料在制备治疗癌症诊疗剂中的应用。
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