CN114225041A - 一种非对称结构纳米材料及其制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属纳米生物新材料技术领域，具体涉及一种非对称结构纳米材料及其制备方法及其应用，包括无催化活性的纳米颗粒核、金属镀层；所述金属镀层仅分布在在所述无催化活性的纳米颗粒核一侧。其有益效果在于：提供了一种增强药物渗透和保留的新思路；同时提供了一种可用于外伤治疗的非对称结构纳米材料；模块化的设计可以将这自驱动平台轻易改造成可负载各种临床药物的递送载体，协助药物到达深层组织发挥作用，提高药物治疗效果；制备方法简单。

Description

一种非对称结构纳米材料及其制备方法及其应用

技术领域

本发明属纳米生物新材料技术领域，涉及一种非对称结构纳米材料及其制备方法及其应用。

背景技术

创伤性损伤是机械因素引起的人体组织或器官破坏，常见于战争、自然灾害、交通事故、高空跌落、体育运动等，其发病突然，无法提前预防，严重威胁人类的生命健康。按受伤部位分类，创伤可分为颅脑创伤、胸部创伤、腹部创伤、各部位的骨折和关节脱位、手部伤等。根据病理过程，创伤通常可分为两个不同的阶段：原发性损伤和次级损伤。次级损伤是患者在医院死亡的主要原因。创伤发生几分钟后，损伤灶部位组织就会产生大量的自由基，不仅破坏核酸，蛋白质，脂质等生物分子结构，而且激活免疫细胞，进一步产生炎症因子风暴，最终导致不可逆的级联损伤。因此，寻找有效的自由基清除药物，清除产生的大量自由基，从而减少创伤后的次级损伤，这对于创伤治疗具有重要意义。

基于创伤常发生于野外以及需要快速施救的要求，局部给药，例如涂抹，喷洒，贴片或微针等方式，显示出巨大优势。这对于非医务救援者来说没有技术门槛。然而，由于组织具有细胞外基质孔隙小，细胞间隙压力大等特点，局部给药常面临药物渗透深度不足，扩散慢的困难。而且，很多药物半衰期短，代谢清除较快，这都严重限制了药物疗效。

因此，本发明提供了一种具有自驱动能力的药物，其在伤口位置产生剧烈氧化应激的情况下，可分解活性氧产生氧气气泡，不仅能够减少氧化应激引起的次级损伤，而且能够产生驱动力提高药物渗透能力及保留时间。本发明提供的纳米药物不仅本身具有改善次级损伤的作用，而且能够轻易改造成负载临床药物的递送平台，在外伤治疗领域具有极大的临床转化潜力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服局部治疗中药物渗透能力差，保留时间短等缺陷，提供了一种提高药物渗透和保留的方法和平台，为创伤性损伤治疗提供了新的思路和手段。本发明提供的非对称结构纳米材料的自推进无需外部设备的辅助，其本身可以高效分解伤口组织产生的大量毒性自由基，既减轻氧化应激损伤，又产生气泡造成纳米颗粒两侧不对称压力，从而驱动纳米药物自推进，显著提高其渗透深度。而且，药物的自推进延长了其在组织中的保留时间。本发明提供的非对称结构纳米材料其特征在于既可以作为抗炎、抗氧化的有效成分之一，亦可以作为药物载体平台，负载各种临床药物，增强药物的渗透能力，从而提高治疗效果。

本发明公开了一种非对称结构纳米材料，包括无催化活性的纳米颗粒核、金属镀层；所述金属镀层仅分布在在所述无催化活性的纳米颗粒核一侧。

进一步地，所述无催化活性的纳米颗粒为碳纳米球、聚苯乙烯纳米粒子、聚多巴胺纳米粒子、聚乳酸纳米粒子、聚ε-己内酯纳米粒子、聚乳酸-羟基乙酸纳米粒子、二氧化硅纳米粒子、二氧化钛纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒中的一种。

进一步地，所述无催化活性的纳米颗粒的粒径为50-1000nm。

优选地，所述无催化活性的纳米颗粒的粒径为80-200nm。

进一步地，所述无催化活性的纳米颗粒为实心、空心、核壳以及介孔结构中的任意一种。

进一步地，无催化活性的纳米颗粒采用所述空心或介孔结构时，所述无催化活性的纳米颗粒负载功能材料。

优选地，所述功能材料采用天然药物、半合成药物、合成药物、基因工程药物中的一种或多种。

进一步地，所述金属镀层采用至少一种贵金属与至少一种过渡金属形成的合金，元素分布均匀。

优选地，所述贵金属采用钌、铑、钯、锇、铱、铂、金、银中至少一种；所述过渡金属采用钒、铁、钴、镍、铜、锌、钼中至少一种。

本发明还公开了一种非对称结构纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，利用常规方法制备无催化活性的纳米颗粒；

步骤2，将步骤1制备的所述无催化活性的纳米颗粒均匀分布在硅片上；并通过磁控溅射镀膜仪共溅射形成金属镀层；即为非对称结构纳米材料；

步骤3，将步骤2制备的所述非对称结构纳米材料从硅片上剥离并重悬，保存。

进一步地，所述步骤2中，所述无催化性质的纳米颗粒呈单层分布。

进一步地，所述步骤2中，所述共溅射镀膜溅射时间为1-3min。

进一步的，所述步骤3中，所述非对称结构纳米材料从硅片上剥离的方法采用高强度超声处理。

优选地，所述超声处理步骤中，超声功率为300-1000W，超声时间为0.5-24h。

本发明还公开了非对称结构纳米材料用于制备的创伤性外伤药物的应用。

进一步地，所述创伤性外伤包括颅脑创伤、胸部创伤、腹部创伤、各部位的骨折和关节脱位、手部伤。

进一步地，非对称结构纳米材料用于制备的创伤性外伤药物时，使用浓度为0.1-5000μg/mL。

进一步地，非对称结构纳米材料用于制备的创伤性外伤药物时，使用方式为喷洒、涂抹、贴片、微针、局部注射中至少一种。

进一步地，非对称结构纳米材料用于制备的创伤性外伤药物时，使用时间为损伤后0-6h。

本发明还公开了非对称结构纳米材料用于提高药物渗透能力载体的应用。

本发明还公开了非对称结构纳米材料用于提高药物保留时间载体的应用。

本发明的有益效果在于：

1、提供了一种增强药物渗透和保留的新思路；同时提供了一种可用于外伤治疗的非对称结构纳米材料；

2、模块化的设计可以将这自驱动平台轻易改造成可负载各种临床药物的递送载体，协助药物到达深层组织发挥作用，提高药物治疗效果。

3、制备方法简单。

附图说明

图1为实施例1中碳纳米球的扫描电镜图；

图2为非对称结构纳米材料的透射电镜图；

图3为非对称结构纳米材料的过氧化氢分解能力测试；

图4为非对称结构纳米材料在过氧化氢水溶液中的表观扩散系数测试；

图5为非对称结构纳米材料在TBI模型鼠中渗透能力测试；

图6为非对称结构纳米材料在TBI模型鼠中保留能力测试；

图7为非对称结构纳米材料治疗TBI模型鼠的效果测试；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术实施例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1(JCNs)

一种非对称结构纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

S1:碳纳米球的制备：

首先将1.029g葡萄糖溶于20mL去离子水中，之后将其转移至25mL水热合成反应釜中，加热至180℃并维持3h。最后，通过离心和多次水洗去除未反应的葡萄糖，得到碳纳米球。

S2:多金属镀层的制备：

首先将上一步得到的碳纳米球分散于酒精中，滴加到硅片上得到单层分布的碳纳米球。将得到的碳纳米球进行扫描电镜分析。如图1所示，扫描电镜结果证明得到的碳纳米球呈规则的球形，粒径为106nm左右，呈单层分布于硅片上。

之后通过磁控溅射镀膜仪共溅射铂、钯、钼三种元素，溅射时间均为41s，溅射完成后通过高强度超声将非对称结构纳米材料从硅片上剥离下来，超声功率为840W，超声时间为6h，之后通过离心得到非对称结构纳米材料。通过透射电子显微镜观察制得的非对称结构纳米材料，如图2所示，其呈明显的非对称结构，金属镀层分布于碳纳米球的一侧。

实施例2(Pt-CNs)

与实施例1的区别在于其金属镀层仅有铂元素。

对比例1(CNs)：

与实施例相比较，对比例1仅仅采用与实施例1相同无驱动能力的纳米颗粒，无金属镀层。其具体制备步骤如下：

首先将1.029g葡萄糖溶于20mL去离子水中，之后将其转移至25mL水热合成反应釜中，加热至180℃并维持3h。最后，通过离心和多次水洗去除未反应的葡萄糖，得到碳纳米球。

为了测试本发明的有益效果，特设置如下应用例1-4。

应用例1

非对称结构纳米材料的过氧化氢分解能力测试

将制备的非对称结构纳米材料重悬于PBS缓冲液中(pH7.4)，配置成浓度为1mg/mL的分散液。取10μL加入1.5mL的3mM过氧化氢溶液中，1分钟后用数码相机拍照观察气泡产生的多少。从图3中可以看出，JCNs具有最多的气泡，证明其具有最高的催化效果。

应用例2

非对称结构纳米材料在过氧化氢溶液中的扩散能力测试

将制备的非对称结构纳米材料重悬于PBS缓冲液中(pH7.4)，配置成浓度为1mg/mL的分散液。取10μL加入1mL的3mM过氧化氢溶液中，采用动态光散射仪(DLS)测试表观扩散系数。从图4中可以看出，JCNs具有最高的表观扩散系数，证明其在过氧化氢溶液中具有更好的扩散能力。

应用例3

非对称结构纳米材料在创伤性脑外伤模型鼠中的渗透能力测试

外伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)是一种具有高致残率和致死率的创伤，因此选择TBI模型来验证非对称结构纳米材料的渗透能力。将制备的JCNs配置成浓度为1mg/mL的溶液，用于制备治疗TBI的药物。为了说明其能提高在TBI模型鼠中的渗透，特做出如下检测：

首先，TBI造模方法如下：C57BL6/J鼠(SPF级、雄性、8-10周龄、体重22±3g)购于联通利华动物有限公司。小鼠称重后腹腔注射麻醉，头部剪毛消毒，于头皮正中切开，切口长2cm，剥离左侧颅顶骨膜，固定于小鼠脑立体定位仪上，用颅骨钻磨一小孔，在前囟左侧2mm钻一直径4mm的骨窗，暴露硬脑膜并使其完整。应用自由落体法，使用40g砝码从3cm高处坠落，撞击于硬脑膜表面上的圆柱体。撞击硬脑膜的圆柱体直径为4mm，建立脑外伤模型，逐层消毒以预防创口感染，缝合头皮。此记为模型组(TBI)。对照组小鼠只做到钻骨窗(Sham)。在模型组的破溃处滴加10μL的1mg/mL的JCNs，此记为给药组(TBI+JCNs)。

具体检测指标如下：

为在组织内观察JCNs的分布，采用Cy5标记JCNs。给药4h后，用4％多聚甲醛溶液灌流，收取脑组织，并置于4％多聚甲醛溶液中浸泡过夜。之后将脑组织纵向切成厚度为1mm的脑片，小动物活体光学成像系统成像观察JCNs渗透深度，激发波长640nm，发射波长680nm。从图5中可以看出，相比无催化活性的CNs，自驱动的JCNs具有更大的扩散面积，因此证明其在脑组织内具有更高的扩散能力。

应用例4

非对称结构纳米材料在TBI模型鼠中的保留能力测试

为说明JCNs具有延长保留时间的效益，特做出如下检测：

为在TBI模型鼠体内观察JCNs的分布，采用Cy5标记JCNs。给药后，在6及24h通过小动物活体光学成像系统成像观察JCNs的保留时间，激发波长640nm，发射波长680nm。从图6中可以看出，相比无催化活性的CNs，自驱动的JCNs在TBI模型鼠脑组织内具有更长的保留时间。

应用例5

非对称结构纳米材料对TBI小鼠运动行为障碍的治疗作用评估

为了评估JCNs的治疗效果，采用转棒实验来测试TBI模型鼠运动功能。转棒是一种检测动物运动能力的方法，当神经系统疾病或者损害时会对动物的运动协调能力产生一定的影响，通过检测动物在滚筒上持续运动的时间判断动物的运动能力。小鼠转棒疲劳仪设置转速为300rpm/min，加速时间为300s。实验开始前3天，适应性训练使各组小鼠达到同一水平。造模给药24h后，检测小鼠从转棒仪掉落的时间。从图7中可以看出，相比Sham组，TBI组很短的时间便会掉落，证明其存在运动功能缺陷。而非对称结构纳米材料治疗组则明显延长了其在滚筒上运动的时间，证明其明显减轻了TBI模型鼠运动功能缺陷。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种非对称结构纳米材料，其特征在于，包括无催化活性的纳米颗粒核、金属镀层；所述金属镀层仅分布在在所述无催化活性的纳米颗粒核一侧。

2.根据权利要求1所述的非对称结构纳米材料，其特征在于，所述无催化活性的纳米颗粒为碳纳米球、聚苯乙烯纳米粒子、聚多巴胺纳米粒子、聚乳酸纳米粒子、聚ε-己内酯纳米粒子、聚乳酸-羟基乙酸纳米粒子、二氧化硅纳米粒子、二氧化钛纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒中的一种。

3.根据权利要求1所述的非对称结构纳米材料，其特征在于，所述无催化活性的纳米颗粒的粒径为50-1000nm。

4.根据权利要求1所述的非对称结构纳米材料，其特征在于，所述无催化活性的纳米颗粒为实心、空心、核壳以及介孔结构中的任意一种；无催化活性的纳米颗粒采用所述空心或介孔结构时，所述无催化活性的纳米颗粒负载功能材料。

5.根据权利要求1所述的非对称结构纳米材料，其特征在于，所述金属镀层采用至少一种贵金属与至少一种过渡金属形成的合金，元素分布均匀。

6.一种非对称结构纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，利用常规方法制备无催化活性的纳米颗粒；

步骤2，将步骤1制备的所述无催化活性的纳米颗粒均匀分布在硅片上；并通过磁控溅射镀膜仪共溅射形成金属镀层；即为非对称结构纳米材料；

步骤3，将步骤2制备的所述非对称结构纳米材料从硅片上剥离并重悬，保存。

7.根据权利要求6所述的非对称结构纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述无催化性质的纳米颗粒呈单层分布。

8.根据权利要求1-5任意一项所述的非对称结构纳米材料用于制备的创伤性外伤药物的应用。

9.根据权利要求1-5任意一项所述的非对称结构纳米材料用于提高药物渗透能力载体的应用。

10.根据权利要求1-5任意一项所述的非对称结构纳米材料用于提高药物保留时间载体的应用。

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