CN114010781A - 一种二维Ti3C2/TiO2纳米材料的制备方法及其在肿瘤治疗方面的应用 - Google Patents

一种二维Ti3C2/TiO2纳米材料的制备方法及其在肿瘤治疗方面的应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于肿瘤治疗应用技术领域，公开了一种二维Ti3C2/TiO2纳米材料及其在肿瘤治疗方面的应用，本发明通过简单的方法合成二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料，获得的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料尺寸在200～300nm，其中，TiO2的尺寸为50～100nm，本发明探究了Ti3C2/TiO2不同条件下光热治疗及声动力的对肿瘤细胞的杀伤效果。用CCK8实验检测处理后细胞的存活率，表明药物孵育后经激光和超声处理均能杀伤细胞，而激光加超声共同处理的杀伤效果最明显，有效抑制90％以上的肿瘤细胞。

Description

一种二维Ti3C2/TiO2纳米材料的制备方法及其在肿瘤治疗方 面的应用
技术领域
本发明属于肿瘤治疗应用技术领域，更具体地，涉及一种二维Ti3C2/TiO2纳米材料及其在肿瘤治疗方面的应用。
背景技术
二维(2D)纳米材料在科学与技术领域发挥了重要作用。与传统的块状材料相比，2D纳米材料表现出极高的比表面积，优异的光物理和光化学性质。Ti3C2作为一种新型二维材料，有着良好的亲水性能，优异的光学性能，及较大的金属传导率，这些优良性能使其在生物医学方面有着重要的应用潜力。值得注意的是Ti3C2层状二维材料，它具有高光热转换效率、高近红外吸光度的同时有着良好的生物相容性，是理想的光热治疗剂。而由于光热治疗的局限性，单独的Ti3C2对肿瘤的治疗效果有限。单纯的光热治疗的覆盖面不完全，常常受到肿瘤大小、位置和其他因素的限制，而形成不完全的损毁，即边缘残癌的复发，而这些残癌内的微环境受到破坏后更容易引发转移形成新的肿瘤。所以，单纯依靠光热治疗无法彻底抑制肿瘤增殖，多手段联合治疗形成优势互补势在必行。二氧化钛是一种化学稳定性好、氧化能力强、催化活性高、无毒性的半导体化合物。由于氧化钛的带隙较宽(约3.2eV)，TiO2纳米粒子可以在超声的作用下产生ROS，是在声动力治疗中一种新的声敏剂。
由于Ti3C2/TiO2特有的异质结构使其成为一种优良的光催化剂。目前，Ti3C2/TiO2异质结构多应用于储氢和CO2的还原反应的应用，在废水处理和空气净化方面有广阔的应用前景。常见的合成方式是高温煅烧和水热法合成。而这种合成方法会导致Ti3C2二维形态和性能的改变。所以为了能将Ti3C2和TiO2的优异的肿瘤杀伤作用整合在一个纳米体系中，现亟需一种简便的合成方法，从而使其有望应用于肿瘤治疗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的上述问题，首先提供一种二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的制备方法。
本发明的第二个目的是提供上述方法得到的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料。
本发明的第三个目的是提供一种用于协同治疗肿瘤的药物。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将二维Ti3C2纳米片加水稀释后，经超声处理，然后离心，转速保持在5000～7000转/分钟，收集上层液体，然后重复上述操作5～7次；
S2、将收集到的二维Ti3C2纳米片溶液离心，转速保持9000～11000转/分钟，将上清液去除后，浓缩液体放置室温7～14天；
S3、将放置后的Ti3C2浓缩液体在室温下通过细胞超声破碎仪进行破碎。
S4、关掉细胞超声破碎仪，使溶液自然冷却至室温，取出合成产物即为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料。
上述制备方法中，由于Ti3C2表面暴露了高比例的金属原子，在空气气氛下不稳定，所以我们利用常温下的超声破碎技术可以短时快速地制备在二维结构的Ti3C2上原位生长的Ti3C2/TiO2异质结构二维纳米材料。将Ti3C2/TiO2异质结构用于光热治疗\声动力治疗的联合治疗，可以更好地发挥抗肿瘤效果，可以有效清除肿瘤且可以增强肿瘤的治疗效果。
优选地，上述的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的制备方法，S1超声的时间为30s～5min。
优选地，上述的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的制备方法，S3破碎的功率为0.5～1.5W，破碎时间为5～20min，工作时间2～5s。
本发明还提供一种用于协同治疗肿瘤的药物，包含所述方法得到的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料。
优选地，所述肿瘤为肝癌。
本发明的研究构思如下：本发明通过对二维Ti3C2纳米片进行简单的物理改性，使得改性后的二维Ti3C2纳米片上长出TiO2，得到的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料用于光热治疗\声动力治疗的联合治疗，可以更好地发挥抗肿瘤效果，利用声动力治疗可以有效清除肿瘤且可以增强肿瘤的治疗效果。
因此，优选地，上述药物可以经过超声和/或激光处理，从而增强药物的治疗效果。
更优选地，所述超声的条件为：0.5～2W/cm2，1～5min；所述激光的条件为：808～980nm，1～5min。
本发明还保护上述二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料在制备用于治疗肿瘤的药物的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过简单的方法合成二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料，获得的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料纳米尺寸在200～300nm，其中，TiO2的尺寸为50～100nm，本发明探究了Ti3C2/TiO2不同条件下光热治疗及声动力的对肿瘤细胞的杀伤效果。用CCK8实验检测处理后细胞的存活率，表明药物孵育后激光和超声均能杀伤细胞，而激光加超声共同处理的杀伤效果最明显，有效抑制90％以上的肿瘤细胞。
附图说明
图1为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的TEM；
图2为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的电位图；
图3为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的XRD衍射图；
图4为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的XPS结果图；
图5显示了二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料在肿瘤部位富集的可能性，其中，图5A为不同浓度的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的光声成像；图5B为不同浓度的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料与光声成像强度之间的相关性；图5C为体外注射了二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的肿瘤部位光声成像强度；图5D为体内肿瘤部位二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的光声成像强度与注射时间之间的相关性；
图6显示了二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的光热转换效率研究，其中，图6A为不同浓度的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料在激光(808nm，1W/cm2)照射下的温度曲线；图6B为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料(100ppm)在不同激光强度下的温度曲线；图6C为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料(200ppm，1W/cm2)在5个升温降温循环后的光热稳定性研究；图6D为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料(200ppm，1W/cm2)在1个升温降温循环后的光热稳定性研究；图6E为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的降温程序；
图7显示了二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的光热转换效率研究，其中，图7A为不同浓度的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料在激光980nm条件下的温度曲线；图7B为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料(100pm)在不同强度的980nm激光下的温度曲线；图7C为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料在5个升温降温循环过程中光热稳定性研究(200ppm，980nm，1W/cm2)；图7D为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料在1个升温降温循环过程中光热稳定性研究(200ppm，980nm，1W/cm2)；图7E为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的降温过程(200ppm，980nm，1W/cm2)；
图8显示了二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的光热转换效率研究，其中，图8A为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料在体内的温度变化红外图像；图8B为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料在体内980nm激光下的温度曲线；图8C为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料在体内808nm激光下的温度曲线；
图9显示了对肿瘤细胞的抑制效果；图9A为用二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料(20ppm)分别与细胞Hep3B,Bel-7402,SK-Hep-1孵育后，不同激光强度下的细胞活性；图9B为用二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料(20ppm)分别处理细胞Hep3B,Bel-7402,SK-Hep-1，不同激光处理时间下的细胞活性；图9C为细胞Hep3B，Bel-7402，SK-Hep-1分别与二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料(20ppm)孵育后，在不同超声强度下处理3min的细胞活性；图9D为细胞Hep3B,Bel-7402,SK-Hep-1分别与二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料近红外照射后(20ppm,808nm,1.5W/cm2)在不同超声时间下的细胞活性；
图10显示了二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料发挥治疗效果的机制，其中，图10A为不同处理下二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的ROS生成；图10B为不同超声强度下二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的ROS生成；图10C为用二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料孵育Hep3B/SK-Hep-1细胞球后不同处理后时得到的ROS产生效果。
图11显示了不同工艺制备的Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的治疗效果，其中，图11A为不同实施例制备得到的材料的电镜图；图11B为不同处理后的二维材料的升温曲线；图11C为不同工艺制备的Ti3C2/TiO2异质结构的ROS产生能力；图11D为不同工艺获得的Ti3C2/TiO2异质结构对肿瘤的杀伤效果。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下述实施例以及实验例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料；所用的设备，如无特殊说明，均为常规实验设备。
实施例1
二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将50mg二维Ti3C2纳米片加水稀释后经超声处理2min，然后离心5min，转速保持在5000转/分钟，收集上层液体，然后重复上述操作5次。
(2)将收集到的二维Ti3C2纳米片溶液离心20min，转速保持9000转/分钟，将上清液去除后，浓缩液体放置室温7天。
(3)将放置后的Ti3C2浓缩液体在室温下通过细胞超声破碎仪进行破碎，功率为0.5W，破碎时间为5min，工作时间2s。
(4)关掉细胞超声破碎仪，使溶液自然冷却至室温，取出合成产物即为本发明的二维的Ti3C2/TiO2异质结构纳米片。
实施例2
二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将75mg二维Ti3C2纳米片加水稀释后经超声处理3min，然后离心7min，转速保持在6000转/分钟，收集上层液体，然后重复上述操作7次。
(2)将收集到的二维Ti3C2纳米片溶液离心25min，转速保持10000转/分钟，将上清液去除后，浓缩液体放置室温10天。
(3)将放置后的Ti3C2浓缩液体在室温下通过细胞超声破碎仪进行破碎，功率为1.0W，破碎时间为10min，工作时间3s。
(4)关掉细胞超声破碎仪，使溶液自然冷却至室温，取出合成产物即为本发明的二维的Ti3C2/TiO2异质结构纳米片。
实施例3
二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将100mg二维Ti3C2纳米片加水稀释后经超声处理5min，然后离心10min，转速保持在7000转/分钟，收集上层液体，然后重复上述操作9次。
(2)将收集到的二维Ti3C2纳米片溶液离心30min，转速保持11000转/分钟，将上清液去除后，浓缩液体放置室温14天。
(3)将放置后的Ti3C2浓缩液体在室温下通过细胞超声破碎仪进行破碎，功率为1.5W，破碎时间为20min，工作时间5s。
(4)关掉细胞超声破碎仪，使溶液自然冷却至室温，取出合成产物即为本发明的二维的Ti3C2/TiO2异质结构纳米片。
一、二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的表征
从图1的TEM图中可以看出，Ti3C2上分布着TiO2，Ti3C2/TiO2纳米片的尺寸在200～300nm之间，其中，TiO2的尺寸大概在50～100nm之间，纳米片表面呈负电位(图2)。
此外，还用X射线粉末衍射仪对Ti3C2/TiO2纳米片进行了晶体结构的分析，衍射峰与之前文献报道的Ti3C2纳米片基本一致，证实该二维结构是由Ti3C2和TiO2组成(图3)。同时XPS(图4)结果也证实本发明制备得到的二维纳米结构为Ti3C2/TiO2异质结构。
二、二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料被细胞摄取的可能性研究
如图5所示，从图中可以看出，二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料光声成像能力有响应，且分别与响应浓度和响应时间成一定的关系。由此也证明了本发明制备得到的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料具有很好的光声成像能力，可以用于体内导航。
三、二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的光热转换效率研究
如图6、图7和图8所示，用激光(808nm/980nm)照射Ti3C2/TiO2溶液，并用红外热成像仪记录，200μg/mL Ti3C2/TiO2温度最高可达60℃，5个升温降温循环后最高温度不变。同时，也在小鼠皮下肿瘤注射Ti3C2/TiO2后用激光照射。证明了Ti3C2/TiO2具有较高的光热转换效率及良好的光热稳定性，可有效进行光热治疗。
四、二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料对肿瘤细胞的杀伤研究
1、Hep 3B,Bel 7402和SK-HEP-1肿瘤细胞孵育20ppm Ti3C2/TiO2 12h后，分别进行1W/cm2超声治疗不同时间(0，1分钟，2分钟，3分钟，4分钟)、不同功率超声治疗3min(0，0.5W/cm2，1W/cm2，1.25W/cm2)、1W/cm2协同激光(808nm)照射不同时间(0，1分钟，2分钟，3分钟)、不同功率激光(808nm，0，0.5W/cm2，1W/cm2，1.5W/cm2)照射2min。
用CCK8实验检测处理后细胞的存活率，结果如图9所示，结果表明药物孵育后激光和超声均能杀伤细胞，而激光加超声共同处理的杀伤效果最明显，数据显示：联合作用对于Hep3B细胞、Bel-7402细胞和SK-Hep-1细胞作用后，存活率分别为8.6％、7.6％和9.7％。
2、如图10所示，为了探究Ti3C2/TiO2通过超声后产生氧自由基发挥声动力治疗的作用，Hep 3B和SK Hep 1细胞孵育20ppm Ti3C2/TiO2 8h后，分别进行1W/cm2激光(808nm)照射5min、1W/cm2超声治疗3min、激光和超声两者同时治疗、不同功率超声治疗3min(0,0.5,0.75，1,1.25W/cm2)，细胞处理后经过DCFH-DA染色在
Figure BDA0003259685840000061
活细胞分析系统培养48h，动态记录其荧光信号。我们进一步用Hep3B和SK-Hep-1细胞球孵育Ti3C2/TiO2及激光、超声、激光加超声处理后经过DCFH-DA染色，通过激光共聚焦显微镜观察同时拍摄图像，绿色荧光的强度代表ROS的产生。表明细胞摄取Ti3C2/TiO2后，经过激光和超声同时治疗，最有效的产生氧自由基，杀伤肿瘤细胞。
3、如图11所示，分别是实施例1到实施例3所制备得到的Ti3C2/TiO2进行肿瘤杀伤的效果研究，Ti3C2具有比较好的升温效果，而TiO2在激光的照射下升温效果有限。通过不同工艺获取的Ti3C2/TiO2异质结构的ROS形成能力也有一定的差异，导致最终的肿瘤治疗效果是由光热治疗和声动力治疗的协调治疗决定的，其中，实例1的TiO2的比例最低尺寸最大，所以它的ROS能力较低，但升温效果最佳。而实例3的工艺条件导致获得Ti3C2/TiO2异质结构中TiO2的含量最高，Ti3C2的比例最低，所以在相同的激光照射条件下升温效果最差。而实例2中二者比例适中，并且TiO2尺寸较小，所以使其ROS形成能力最佳，并且有比较好的升温效果，可以最大程度的杀伤肿瘤细胞。从图11可以看出，同等处理条件(其在浓度为20ppm，激光强度为808nm，超声强度为1.25W/cm2的条件下处理Bel 7402肿瘤细胞3min，)下，实施例2制备得到的Ti3C2/TiO2进行肿瘤杀伤的效果最好，杀伤率达到80％。
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将二维Ti3C2纳米片加水稀释后，经超声处理，然后离心，转速保持在5000～7000转/分钟，收集上层液体，然后重复上述操作5～7次；
S2、将收集到的二维Ti3C2纳米片溶液离心，转速保持9000～11000转/分钟，将上清液去除后，浓缩液体放置室温7～14天；
S3、将放置后的Ti3C2浓缩液体在室温下通过细胞超声破碎仪进行破碎。
S4、关掉细胞超声破碎仪，使溶液自然冷却至室温，取出合成产物即为二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料。
2.根据权利要求1所述的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的制备方法，其特征在于，S1超声的时间为30s～5min。
3.根据权利要求1所述的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料的制备方法，其特征在于，S3破碎的功率为0.5～1.5W，破碎时间为5～20min，工作时间2～5s。
4.一种用于协同治疗肿瘤的药物，其特征在于，包含权利要求1至3任一项所述方法得到的二维Ti3C2/TiO2异质结构纳米材料。
5.根据权利要求4所述的用于协同治疗肿瘤的药物，其特征在于，所述肿瘤为肝癌。
6.根据权利要求5所述的药物，其特征在于，所述药物经过超声和/或激光处理。
7.根据权利要求6所述的药物，其特征在于，所述超声的条件为：0.5～2W/cm2，1～5min。
8.根据权利要求6所述的药物，其特征在于，所述激光的条件为：808～980nm，1～5min。
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