CN114522242A - 磁驱螺旋微纳米马达及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本申请属于材料技术领域，尤其涉及一种磁驱螺旋微纳米马达及其制备方法和应用。其中，磁驱螺旋微纳米马达的制备方法，包括步骤：制备螺旋碳纳米线圈；对螺旋碳纳米线圈进行酸化处理后，在酸化后的螺旋碳纳米线圈表面负载磁性纳米材料，得到CNCs/磁性复合材料；将蒽环类抗癌剂与CNCs/磁性复合材料溶解在缓冲液中，进行混合处理，使蒽环类抗癌剂结合在所述螺旋碳纳米线圈表面，得到CNCs/磁性材料@抗癌剂的磁驱螺旋微纳米马达。本申请制备方法，工艺简单，效率高成本低，且制备的磁驱螺旋微纳米马达尺寸小，可实现远程控制磁性物质的定向运动，具有良好的靶向细胞能力，可有效杀死靶细胞，降低对其他细胞活性的影响，生物相容性好。

Description

磁驱螺旋微纳米马达及其制备方法和应用
技术领域
本申请属于材料技术领域，尤其涉及一种磁驱螺旋微纳米马达及其制备方法，以及一种磁趋微纳米马达的应用。
背景技术
微/纳米马达是一种在微/纳米尺度，能够将其它形式的能量转化为动能，并能自主运动的纳米器件。目前，报道的微/纳米马达的制备方法很少，对于小尺寸微/纳米马达的制备面临更大挑战。另外，由于受到布朗运动和流体扰动的影响，微纳米马达的小尺寸、小尺寸纳米马达运动方向的控制、生物相容性以及良好的光热性能等问题，是其能否实际有效应用于生物医学领域中的重要问题，极大限制了纳米马达在生物医药和微纳操控领域的应用。
目前，许多类型的材料被用于纳米马达的应用，如二氧化钛，MOF(金属有机框架)，石墨烯及其同素异体。这些材料往往尺寸较大，同时常常被用于重金属修饰或含有对人体有害的物质，在生物医学上使用时，可能会导致生物体内蛋白质结构发生不可逆的变化。
而针对微纳米马达不同的驱动模式，也尝试了多种策略。化学燃料驱动的微/纳米马达主要使用过氧化氢作为化学燃料，过氧化氢具有毒性，应用于生物体时可能会影响生物受体的稳定性和生物识别问题。光驱动的微型/纳米马达也是一种常用的驱动方式，主要采用非对称马达形状或不均匀、不稳定的光场引起马达的非对称光响应行为，使微/纳米马达运动，但这种光源一般是高强度的紫外线或红外线。长期的高强度辐照会对机体本身造成不可逆的损伤。由于全血的复杂性，超声驱动的微/纳米马达也难以应用于生物医学领域，而且超声可能会影响细胞和蛋白质的结构。
发明内容
本申请的目的在于提供一种磁驱螺旋微纳米马达及其制备方法，以及一种磁趋微纳米马达的应用，旨在一定程度上解决现有微纳米马达稳定性差，制备效率低，在生物医学领域应用效果差的问题。
为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种磁驱螺旋微纳米马达的制备方法，包括以下步骤：
制备螺旋碳纳米线圈；
对所述螺旋碳纳米线圈进行酸化处理后，在酸化后的螺旋碳纳米线圈表面负载磁性纳米材料，得到CNCs/磁性复合材料；
将蒽环类抗癌剂与所述CNCs/磁性复合材料溶解在缓冲液中，进行混合处理，使所述蒽环类抗癌剂结合在所述螺旋碳纳米线圈表面，得到CNCs/磁性材料@抗癌剂的磁驱螺旋微纳米马达。
第二方面，本申请提供一种磁驱螺旋微纳米马达，所述磁驱螺旋微纳米马达包括螺旋碳纳米线圈和结合在所述螺旋碳纳米线圈表面的磁性纳米材料和蒽环类抗癌剂。
第三方面，本申请提供一种磁驱螺旋微纳米马达的应用，将上述方法制备的磁驱螺旋微纳米马达，或者上述的磁驱螺旋微纳米马达，应用到生物医学中的光热治疗领域和药物传输领域。
本申请第一方面提供的磁驱螺旋微纳米马达的制备方法，制备螺旋碳纳米线圈CNCs作为磁驱螺旋微纳米马达的载体，该材料具有螺旋结构和良好的生物相容性。一方面，由于碳纳米线圈的螺旋结构，使其具有较大的比表面积，有利于在其表面负载磁性纳米材料，通过对其进行酸化处理使CNCs表面粗糙化，更易于磁性纳米材料的修饰，制得CNCs/磁性复合材料。另一方面，螺旋碳纳米线圈具有独特的共轭结构，使其表面能够与蒽环类抗癌剂进行π-π堆积作用，从而使蒽环类抗癌剂通过π-π堆积方式稳定的吸附在CNCs表面，得到CNCs/磁性材料@抗癌剂的磁驱螺旋微纳米马达。制备方法，工艺简单，效率高成本低，且制备的磁驱螺旋微纳米马达尺寸小，在CNCs载体表面同时结合有磁性材料和抗癌剂，不但可以利用外磁场驱动微纳米马达，实现远程控制磁性物质的定向运动；而且具有良好的靶向细胞能力，在靶细胞上释放抗癌剂，在靶区形成了相对较高的浓度，有效杀死靶细胞，降低对其他细胞活性的影响，生物相容性好。
本申请第二方面提供的磁驱螺旋微纳米马达，包括螺旋碳纳米线圈和结合在所述螺旋碳纳米线圈表面的磁性纳米材料和蒽环类抗癌剂，使得磁驱螺旋微纳米马达能够实现磁驱动，可以利用外磁场驱动微纳米马达，实现远程控制磁性物质的定向运动，纳米马达的位置、方向和速度可以通过应用磁梯度进行远程控制，无需引入化学物质，避免引入物的干扰。另外，使得磁驱螺旋微纳米马达具有良好的靶向细胞能力，在靶细胞上释放抗癌剂，在靶区形成了相对较高的浓度，有效杀死靶细胞，降低对其他细胞活性的影响，生物相容性好。
本申请第三方面提供的磁驱螺旋微纳米马达的应用，将在CNCs载体表面同时结合有磁性材料和抗癌剂的磁驱螺旋微纳米马达，应用到生物医学中的光热治疗领域和药物传输领域，通过负载的磁性纳米材料利用外磁场可驱动微纳米马达，实现远程控制磁性物质的定向运动，使其具有靶向性，且无需引入化学物质。负载的抗癌剂在靶细胞上释放，在靶区形成了相对较高的浓度，有效杀死靶细胞，降低对其他细胞活性的影响，生物相容性好。因而，可将磁驱螺旋微纳米马达应用到生物医学中的光热治疗领域和药物传输领域。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的磁驱螺旋微纳米马达的制备方法的流程示意图；
图2是本申请实施例1提供的CNCs/Fe3O4@DOX磁驱螺旋微纳米马达的制备方法的流程示意图；
图3是本申请实施例1提供的CNCs/Fe3O4@DOX磁驱螺旋微纳米马达的扫描电镜图(a,b)和透射电镜图(c)；
图4是本申请实施例1提供的CNCs/Fe3O4@DOX磁驱螺旋微纳米马达,利用磁体控制纳米马达的方案和实验结果包括:(a)直线运动，(b)水平方向控制，(c)垂直方向控制；
图5是本申请实施例1提供的CNCs/Fe3O4@DOX磁驱螺旋微纳米马达靶向人的宫颈癌细胞的运动过程图；
图6是本申请实施例1提供的CNCs/Fe3O4@DOX磁驱螺旋微纳米马达光学显微镜下CNCs/Fe3O4@DOX纳米马达的图像(a)，荧光显微镜下的图像(b)，808激光照射180s后的图像(c)；
图7是本申请实施例1提供的CNCs/Fe3O4@DOX磁驱螺旋微纳米马达荧光显微镜下CNCs/Fe3O4@DOX纳米马达靶向Hela细胞图像(a)，40分钟后细胞状态图(b)，(c)，荧光显微镜下(d)；
图8是本申请实施例1提供的CNCs/Fe3O4@DOX磁驱螺旋微纳米马达明场下未受激光照射的细胞状态图(a)，荧光显微镜下细胞存活或死亡状态图(b)，明场下受激光照射20分钟后的细胞状态图(c)，受激光照射20分钟后荧光显微镜下细胞存活或死亡状态图(b)。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a，b或c中的至少一项(个)”，或，“a，b和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a，b，c，a-b(即a和b)，a-c，b-c，或a-b-c，其中a，b，c分别可以是单个，也可以是多个。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。具体地，本申请实施例说明书中的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XX也可以被称为第二XX，类似地，第二XX也可以被称为第一XX。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本申请实施例第一方面提供一种磁驱螺旋微纳米马达的制备方法，包括以下步骤：
S10.制备螺旋碳纳米线圈；
S20.对螺旋碳纳米线圈进行酸化处理后，在酸化后的螺旋碳纳米线圈表面负载磁性纳米材料，得到CNCs/磁性复合材料；
S30.将蒽环类抗癌剂与CNCs/磁性复合材料溶解在缓冲液中，进行混合处理，使蒽环类抗癌剂结合在螺旋碳纳米线圈表面，得到CNCs/磁性材料@抗癌剂的磁驱螺旋微纳米马达。
本申请实施例第一方面提供的磁驱螺旋微纳米马达的制备方法，制备螺旋碳纳米线圈CNCs作为磁驱螺旋微纳米马达的载体，该材料具有螺旋结构和良好的生物相容性。一方面，由于碳纳米线圈的螺旋结构，使其具有较大的比表面积，有利于在其表面负载磁性纳米材料，通过对其进行酸化处理使CNCs表面粗糙化，更易于磁性纳米材料的修饰，制得CNCs/磁性复合材料。另一方面，螺旋碳纳米线圈具有独特的共轭结构，使其表面能够与蒽环类抗癌剂进行π-π堆积作用，从而使蒽环类抗癌剂通过π-π堆积方式稳定的吸附在CNCs表面，得到CNCs/磁性材料@抗癌剂的磁驱螺旋微纳米马达。本申请实施例磁驱螺旋微纳米马达的制备方法，工艺简单，效率高成本低，且制备的磁驱螺旋微纳米马达在CNCs载体表面同时结合有磁性材料和抗癌剂，不但可以利用外磁场驱动微纳米马达，实现远程控制磁性物质的定向运动，无需引入化学物质，避免引入物的干扰；而且具有良好的靶向细胞能力，在靶细胞上释放抗癌剂，在靶区形成了相对较高的浓度，有效杀死靶细胞，降低对其他细胞活性的影响，生物相容性好。
在一些实施例中，上述步骤S10中，制备螺旋碳纳米线圈的步骤包括：
S11.将可溶性Fe3+盐和可溶性Sn4+盐溶解在有机溶剂中，进行超声波-微波协同热处理，得到Fe/Sn催化剂；
S12.采用Fe/Sn催化剂通过化学气相沉积法制得螺旋碳纳米线圈。
本申请实施例采用超声波-微波协同热处理制备Fe/Sn催化剂，可以加速分子间运动，将动能转化为热能，使其受热更均匀，从而提高Fe/Sn催化剂的合成效率。相对于水热合成法，极大地缩短了制备时间，提高了制备效率，更有利于未来的实际生产和应用。然后，采用Fe/Sn催化剂通过化学气相沉积法制备螺旋碳纳米线圈，其中，Fe/Sn催化剂有助于碳纳米线圈的长长和螺旋形貌的形成，具体的，铁起到促进碳纳米管生长作用，锡起到生长螺旋结构的作用。
在一些实施例中，上述步骤S11中，超声波-微波协同热处理的条件包括：在温度为120～180℃，超声波频率为30～50KHz，微波功率为140～180W的条件下反应1～3小时；在该条件下通过超声波和微波协同效应更好的加速分子间运动，将动能转化为热能，使其受热更均匀，促进Fe/Sn催化剂合成。相对于水热法合成铁/锡催化剂的时长需要30小时左右，极大的缩短了制备时间，提高了制备效率。在一些具体实施例中，超声波-微波协同热处理的超声波频率具体可以是30KHz、40KHz、50KHz等，微波功率具体可以是140W、150W、160W、170W、180W等，处理温度具体可以是120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃等。
在一些实施例中，可溶性Fe3+盐选自Fe(NO3)3·9H2O、FeCl3·6H2O、Fe2(SO4)3中的至少一种。在一些实施例中，可溶性Sn4+盐选自SnCl4·5H2O、Sn(NO3)4、Sn(SO4)2中的至少一种。本申请实施例采用的这些可溶性Fe3+盐和Sn4+盐溶解性好，通过超声波-微波协同热处理，反应效率高成本低，可快速合成Fe/Sn催化剂，缩短制备时间，提高制备效率。
在一些实施例中，可溶性Fe3+盐和可溶性Sn4+盐的摩尔比为(8～12)：1，该摩尔配比充分确保了碳纳米管的螺旋结构。若锡的配比过高或过低都会对碳纳米管的螺旋结构造成影响。在一些具体实施例中，可溶性Fe3+盐和可溶性Sn4+盐的摩尔比可以是8:1、9:1、10:1、11:1、12:1等。
在一些实施例中，有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、甲苯、二甲苯、二甲基亚砜中的至少一种，这些有机溶剂对可溶性Fe3+盐和可溶性Sn4+盐均有较好的溶解效果，为原材料之间的反应提供溶剂环境。
在一些实施例中，上述步骤S12中，化学气相沉积的条件包括：在温度为650～800℃，碳源气体流速为20～40sccm的保护气氛下沉积1～3小时。在一些具体实施例中，将Fe/Sn催化剂沉积在基底上，然后将沉积有Fe/Sn催化剂的基底置于化学气相沉积系统内，通入保护气体并升温至650～800℃，再通入碳源气体进行螺旋碳纳米线圈的生长，生长结束后在保护气氛下自然冷却至室温，得到螺旋碳纳米线圈。在一些实施例中，碳源气体包括乙炔、甲烷、乙烯、己烷中的至少一种。在一些实施例中，保护气氛包括氩气、氮气、氦气等惰性气氛。在另一些实施例中，保护气氛中除包含氩气、氮气、氦气等惰性气氛外，还可以包含氢气等还原性气体，维持催化剂的活性，提高螺旋碳纳米线圈的催化生长效率。
在一些实施例中，上述步骤S20中，酸化处理的步骤包括：采用硝酸、盐酸、硫酸中的至少一种酸性溶剂对螺旋碳纳米线圈处理0.5～2小时。本申请实施例通过酸化处理使CNCs表面粗糙化，增加碳材料表面含氧基团，更易于氧化铁等磁性纳米材料的修饰。
在一些实施例中，磁性纳米材料选自Fe3O4、Ni、NiO中的至少一种；这些纳米材料均具有较好的磁性和生物相容性，将其负载到螺旋碳纳米线圈表面使微纳米马达可实现磁驱动。利用外磁场驱动纳米马达，既无需引入化学物质，提高磁驱动纳米马达在生物医学中的应用前景；又可远程控制磁性物质的定向运动，满足了不可接近封闭系统中远程控制的优点。在一些具体实施例中，磁性纳米材料选自Fe3O4，磁性好，且生物安全性和相容性高。
在一些实施例中，在酸化后的螺旋碳纳米线圈表面负载磁性纳米材料的步骤包括：将酸化后的螺旋碳纳米线圈和二价铁盐、三价铁盐、高分子聚合物分散于水中，在碱性条件下进行微波热处理，在螺旋碳纳米线圈表面生成Fe3O4纳米粒子，得到CNCs/Fe3O4复合材料。本申请实施例以二价铁盐、三价铁盐为制备四氧化三铁的原材料，添加高分子聚合物增加反应体系粘度，在碱性条件下通过微波热处理，使二价铁盐、三价铁盐容易在CNCs表面原位成核形成四氧化三铁的纳米负载，提高四氧化三铁在螺旋碳纳米线圈表面的结合稳定性。
在一些实施例中，微波热处理的条件包括：在pH值为8～9，温度为120～180℃，微波功率为140～180WW的条件下反应1～3小时；结合微波功率可提高四氧化三铁纳米粒子的生成效率，提高其在螺旋碳纳米线圈表面的负载量，使微纳米马达有更好的磁驱动效果。在一些实施例中，pH值可通过添加氨水、氢氧化钠等碱性物质进行调节。在一些具体实施例中，微波功率具体可以是140W、150W、160W、170W、180W等，处理温度具体可以是120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃等。
在一些实施例中，二价铁盐选自FeSO4·7H2O、FeCl2·4H2O、Fe(NO3)2·6H2O中的至少一种。在一些实施例中，三价铁盐选自FeCl3·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、Fe2(SO4)3中的至少一种。本申请实施例采用的这些二价铁盐和三价铁盐均有较高的溶解性，在碱性条件下通过微波热处理可在螺旋碳纳米线圈表面原位形成四氧化三铁纳米粒子。
在一些实施例中，高分子聚合物选自聚乙二醇-20000、聚乙二醇-4000、聚乙二醇-6000中的至少一种；这些高分子聚合物均可以增强反应体系的粘度，使CNCs表面更容易原位形成四氧化三铁，提高四氧化三铁与CNCs的结合稳定性。
在一些实施例中，螺旋碳纳米线圈、二价铁盐、三价铁盐和高分子聚合物的质量之比为2:(1～2):(2～3):(5～6)；该配比充分确保了在CNCs表面原位形成四氧化三铁，各物质的用量配比会影响四氧化三铁原位成核，也会影响四氧化三铁的磁力大小，四氧化三铁纳米颗粒的大小等。
在一些实施例中，上述步骤S30中，蒽环类抗癌剂选自阿霉素、甲氧柔红霉素、表阿霉素、毗柔比星中的至少一种。这些抗癌剂含有蒽环类芳香环，通过的π-π堆积方式很容易吸附在CNCs表面。在一些具体实施例中，蒽环类抗癌剂选自阿霉素DOX，DOX作为一种典型的蒽环类抗癌剂，不但可以通过的π-π堆积方式吸附在CNCs表面；而且抗癌效果好。
在一些实施例中，缓冲液选自pH值为8～9的磷酸盐缓冲盐水。在一些具体实施例中，取用pH值为7的磷酸盐缓冲盐水(PBS)，然后加入三羟甲基氨基甲烷标准缓冲液调节PBS的pH至8～9。该pH条件的磷酸盐缓冲盐水更有利于DOX等抗癌剂结合到CNCs表面，pH值过高或过低都可能导致DOX的搭载不成功。
在一些实施例中，混合处理的条件包括：在温度为1～4℃的条件下混合冷藏2～3天，在该条件下既有利于维持DOX等抗癌剂的生物活性，又有利于DOX等抗癌剂结合到CNCs表面。
本申请实施例还提供一种磁驱螺旋微纳米马达，可通过上述实施例方法制得。
本申请实施例第二方面提供一种磁驱螺旋微纳米马达，该磁驱螺旋微纳米马达包括螺旋碳纳米线圈和结合在螺旋碳纳米线圈表面的磁性纳米材料和蒽环类抗癌剂。
本申请实施例第二方面提供的磁驱螺旋微纳米马达，包括螺旋碳纳米线圈和结合在螺旋碳纳米线圈表面的磁性纳米材料和蒽环类抗癌剂，使得磁驱螺旋微纳米马达能够实现磁驱动，可以利用外磁场驱动微纳米马达，实现远程控制磁性物质的定向运动，纳米马达的位置、方向和速度可以通过应用磁梯度进行远程控制，无需引入化学物质，避免引入物的干扰。另外，使得磁驱螺旋微纳米马达具有良好的靶向细胞能力，在靶细胞上释放抗癌剂，在靶区形成了相对较高的浓度，有效杀死靶细胞，降低对其他细胞活性的影响，生物相容性好。
本申请实施例磁驱螺旋微纳米马达在磁场中的运动受单个纳米马达磁化强度的影响，而磁化强度由磁性纳米材料的质量、外磁体的磁化强度、CNCs自身的重量以及磁性纳米材料颗粒在CNCs表面的分散程度决定。在一些实施例中，磁性纳米材料选自Fe3O4、Ni、NiO中的至少一种；这些纳米材料均具有较好的磁性和生物相容性，将其负载到螺旋碳纳米线圈表面使微纳米马达可实现磁驱动。
在一些实施例中，蒽环类抗癌剂选自阿霉素、甲氧柔红霉素、表阿霉素、毗柔比星中的至少一种。这些抗癌剂含有蒽环类芳香环，通过的π-π堆积方式很容易吸附在CNCs表面。
在一些实施例中，磁驱螺旋微纳米马达中，磁性纳米材料的负载量为70～85％；该负载量充分确保了磁驱螺旋微纳米马达的磁驱效果，若磁性纳米材料的负载量过低，则磁驱螺旋微纳米马达磁驱效果不佳，若磁性纳米材料的负载量过高，则会降低磁驱螺旋微纳米马达的生物相容性。在一些具体实施例中，在一些实施例中，磁驱螺旋微纳米马达中，磁性纳米材料的负载量包括但不限于70％、75％、80％、85％等。
在一些实施例中，磁驱螺旋微纳米马达中，蒽环类抗癌剂的负载量为10～30％，该负载量充分确保了磁驱螺旋微纳米马达的生物治疗效果，若阿霉素负载量过低，则磁驱螺旋微纳米马达的抗癌等生物治疗效果不佳；若阿霉素负载量过高可能会对周围正常细胞或者组织造成损伤。在一些实施例中，磁驱螺旋微纳米马达中，蒽环类抗癌剂的负载量包括但不限于10％、15％、20％、25％、30％等。
在一些实施例中，磁驱螺旋微纳米马达中负载的磁性纳米材料的粒径为1～10nm，磁性纳米材料粒径小且均匀的负载在螺旋碳纳米线圈表面，使磁驱螺旋微纳米马达有更好的磁驱效果。
本申请实施例第三方面提供一种磁驱螺旋微纳米马达的应用，将上述方法制备的磁驱螺旋微纳米马达，或者上述的磁驱螺旋微纳米马达，应用到生物医学中的光热治疗领域和药物传输领域。
本申请实施例第三方面提供的磁驱螺旋微纳米马达的应用，将在CNCs载体表面同时结合有磁性材料和抗癌剂的磁驱螺旋微纳米马达，应用到生物医学中的光热治疗领域和药物传输领域，通过负载的磁性纳米材料利用外磁场可驱动微纳米马达，实现远程控制磁性物质的定向运动，使其具有靶向性，且无需引入化学物质。负载的抗癌剂在靶细胞上释放，在靶区形成了相对较高的浓度，有效杀死靶细胞，降低对其他细胞活性的影响，生物相容性好。因而，可将磁驱螺旋微纳米马达应用到生物医学中的光热治疗领域和药物传输领域。
为使本申请上述实施细节和操作能清楚地被本领域技术人员理解，以及本申请实施例磁驱螺旋微纳米马达及其制备方法和应用的进步性能显著的体现，以下通过多个实施例来举例说明上述技术方案。
实施例1
一种CNCs/Fe3O4@DOX磁驱螺旋微纳米马达，其制备流程示意图如附图2所示，具体包括步骤：
1、螺旋碳纳米线圈CNCs的制备
①将0.5mmol(202mg)可溶性Fe3+盐(Fe(NO3)3·9H2O,202g/mol)溶解于(30ml)N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中；
②在混合溶液中加入可溶性Sn4+盐(SnCl4·5H2O,350.6g/mol)，Fe3+与Sn4+的摩尔比为10:1，超声30分钟后，将混合物转移到100毫升特氟纶容器中，转移到超声波-微波协同组合工作台中，在超声波频率为40KHz，微波功率为160W，150℃的条件下反应两个小时；反应完成后，自然冷却至室温；将生成的催化剂溶液用孔径为0.22(μm)的纤维素膜进行真空过滤收集Fe/Sn催化剂；
③将制备的Fe/Sn催化剂旋转涂在氧化铝基板上，放入CVD系统内，并以660sccm的速率引入氩气加热到710℃，在660sccm氩气下通入35sccm乙炔气体在710℃下生长3小时后关闭乙炔气体，立即将加热炉打开挪到一侧，在氩气的保护下使CVD系统自然冷却至室温，关闭氩气和CVD系统，制得螺旋碳纳米线圈CNCs。
2、CNCs/Fe3O4微纳米马达的合成
采用微波加热法合成了CNCs/Fe3O4纳米马达。首先，200mg CNCs分散在68wt％的硝酸中，酸化1小时。然后将CNCs过滤，分散在去离子水中，超声处理5min后，将CNCs过滤后加入150ml去离子水中，加入FeSO4·7H2O 100mg、FeCl3·6H2O 200mg、聚乙二醇-20000500mg、氨水0.5ml。搅拌后转移至200ml聚四氟乙烯容器中，微波功率为160W，150℃的条件下微波加热1小时。最后将溶液放入离心管中，以5000r/min的速度离心30分钟，得到CNCs/Fe3O4微纳米马达。
3、CNCs/Fe3O4@DOX纳米马达的合成
我们取出2ml ph＝7的磷酸盐缓冲盐水(PBS)，然后加入三羟甲基氨基甲烷标准缓冲液，调节PBS的pH至8.5；加入0.1mmol DOX阿霉素和0.1mg CNCs/Fe3O4微纳米马达，搅拌30分钟，混合溶液在4℃下冷藏2天。然后，将溶液放入离心管中，以6000r/min的速度离心30分钟，即可制得CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达。
实施例2
一种CNCs/Fe3O4@DOX磁驱螺旋微纳米马达，其制备步骤与实施例1的区别在于：
3、CNCs/Fe3O4@DOX纳米马达的合成
我们取出2ml ph＝8的磷酸盐缓冲盐水(PBS)，2mmol多巴胺PDA；加入0.1mg CNCs/Fe3O4微纳米马达，搅拌一夜后，加入0.1mmol DOX阿霉素，搅拌30分钟，混合溶液在4℃下冷藏2天。然后，将溶液放入离心管中，以6000r/min的速度离心30分钟，即可制得CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达。
进一步的，为了验证本申请实施例的进步性，进行了如下性能测试：
1、通过扫描电镜对实施例1制备的CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达的形貌进行了观测，测试图如附图3所示，其中，图3(a、b)为CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达的SEM图，从附图3(a、b)可观测到CNCs具有独特的几何螺旋形态和较大的比表面积，粗糙的表面有利于Fe3O4纳米粒子和抗癌剂DOX负载在其表面。图3(c)为CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达的透射电镜图，可以观察到Fe3O4纳米颗粒稳定且均匀地附着在CNCs表面，说明Fe3O4纳米颗粒原位成核并与CNCs稳定复合。
2、将制备的CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达分散在水溶液中，利用钕-铁-硼圆盘磁铁控制其与CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达之间的线性距离和方向。由于直流磁场作用在CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达上的感应转矩，可以使每个CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达的力方向与磁体的方向对齐，以匹配其磁化方向。类似于指南针对直流磁场吸引的反应。如果磁场梯度足够高，它可以拉动纳米马达。所以我们可以远程操控纳米马达在水溶液中执行不同的任务。
如图4所示，我们在三维空间中控制CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达的方向、位置和旋转。如图4a所示，磁铁首先放置在纳米马达位置附近，纳米马达的方向与磁场的方向一致，并开始向磁铁的方向直线移动。纳米马达离磁铁越近，移动速度越快(约12um/s)。然后我们控制磁铁和纳米马达之间的距离，使纳米马达和磁铁保持相对静止。通过旋转磁铁，可以观察到纳米马达在水平面(如图4b所示)和垂直平面(如图4c所示)上的旋转情况。
3、如图5所示，制备的CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达可以靶向人的宫颈癌细胞，在外部磁铁的远程控制下，单个CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达在150s内被吸引到人的宫颈癌细胞上。
4、CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达中DOX通过π-π堆积吸附在CNCs表面，DOX作为一种荧光抗癌药物，在绿色激光的激发下发出红色荧光。如图6b所示，长度约10um的CNCs在绿色激光下的荧光显微镜下发出红色荧光，荧光包裹在CNCs表面。荧光强度代表DOX的携带程度，荧光强度越强，DOX在该区域被CNCs吸附的越多。在波长为808nm的近红外光照射下，CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达表面的红色荧光开始消散。经过180S后，红色荧光几乎完全消失，CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达的一侧只剩下部分DOX(如图6c所示)。证明DOX成功吸附在CNCs/Fe3O4纳米马达表面，DOX在近红外光照射下可有效释放在CNCS/Fe3O4纳米马达表面。
5、如图7a所示，CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达附着在活的HeLa细胞(人宫颈癌细胞)表面。另外，有一个正常的HeLa细胞死亡，显示红色荧光。这是通过细胞膜裂缝进入细胞核的溶液中的碘化丙啶，其余的细胞都是活的(如图7b所示)。在808nm近红外光照射180s，静置40min后，只有装有CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达的活细胞死亡(如图7d)，荧光显微镜下呈红色荧光。这说明CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达成功地释放了DOX，并在靶区形成了相对较高的浓度，导致靶细胞死亡，而其他活细胞仍然存活。
6、如图8所示，制备的CNCs/Fe3O4@DOX微纳米马达在808纳米激光长时间(20分钟)的照射下，可以杀死目标细胞。图8(a)和(b)显示在光照前已经有一个细胞正常死亡，在荧光显微镜下经过PI染色发出红色荧光。证明该单个细胞已经死亡；图8(c)和(d)显示光照后CNCs搭载上的单个细胞在近红外光的照射下死亡。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁驱螺旋微纳米马达的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备螺旋碳纳米线圈；
对所述螺旋碳纳米线圈进行酸化处理后，在酸化后的螺旋碳纳米线圈表面负载磁性纳米材料，得到CNCs/磁性复合材料；
将蒽环类抗癌剂与所述CNCs/磁性复合材料溶解在缓冲液中，进行混合处理，使所述蒽环类抗癌剂结合在所述螺旋碳纳米线圈表面，得到CNCs/磁性材料@抗癌剂的磁驱螺旋微纳米马达。
2.如权利要求1所述的磁驱螺旋微纳米马达的制备方法，其特征在于，所述磁性纳米材料选自Fe3O4、Ni、NiO中的至少一种；
和/或，所述蒽环类抗癌剂选自阿霉素、甲氧柔红霉素、表阿霉素、毗柔比星中的至少一种。
3.如权利要求2所述的磁驱螺旋微纳米马达的制备方法，其特征在于，所述在酸化后的螺旋碳纳米线圈表面负载磁性纳米材料的步骤包括：将所述酸化后的螺旋碳纳米线圈和二价铁盐、三价铁盐、高分子聚合物分散于水中，在碱性条件下进行微波热处理，在所述螺旋碳纳米线圈表面生成Fe3O4纳米粒子，得到CNCs/Fe3O4复合材料；
和/或，所述酸化处理的步骤包括：采用硝酸、盐酸、硫酸中的至少一种酸性溶剂对所述螺旋碳纳米线圈处理0.5～2小时；
和/或，所述混合处理的条件包括：在温度为1～4℃的条件下混合冷藏2～3天。
4.如权利要求3所述的磁驱螺旋微纳米马达的制备方法，其特征在于，所述微波热处理的条件包括：在pH值为8～9，温度为120～180℃，微波功率为140～180W的条件下反应1～3小时；
和/或，所述二价铁盐选自FeSO4·7H2O、FeCl2·4H2O、Fe(NO3)2·6H2O中的至少一种；
和/或，所述三价铁盐选自FeCl3·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、Fe2(SO4)3中的至少一种；
和/或，所述高分子聚合物选自聚乙二醇-20000、聚乙二醇-4000、聚乙二醇-6000中的至少一种；
和/或，所述螺旋碳纳米线圈、所述二价铁盐、所述三价铁盐和所述高分子聚合物的质量之比为2:(1～2):(2～3):(5～6)；
和/或，所述缓冲液选自pH值为8～9的磷酸盐缓冲盐水。
5.如权利要求1～4任一项所述的磁驱螺旋微纳米马达的制备方法，其特征在于，所述制备螺旋碳纳米线圈的步骤包括：
将可溶性Fe3+盐和可溶性Sn4+盐溶解在有机溶剂中，进行超声波-微波协同热处理，得到Fe/Sn催化剂；
采用所述Fe/Sn催化剂通过化学气相沉积法制得螺旋碳纳米线圈。
6.如权利要求5所述的磁驱螺旋微纳米马达的制备方法，其特征在于，所述超声波-微波协同热处理的条件包括：在温度为120～180℃，超声波频率为30～50KHz，微波功率为140～180W的条件下反应1～3小时；
和/或，所述化学气相沉积的条件包括：在温度为650～800℃，碳源气体流速为20～40sccm的保护气氛下沉积1～3小时。
7.如权利要求5所述的磁驱螺旋微纳米马达的制备方法，其特征在于，所述可溶性Fe3+盐选自Fe(NO3)3·9H2O、FeCl3·6H2O、Fe2(SO4)3中的至少一种；
和/或，所述可溶性Sn4+盐选自SnCl4·5H2O、Sn(NO3)4、Sn(SO4)2中的至少一种；
和/或，所述可溶性Fe3+盐和所述可溶性Sn4+盐的摩尔比为(8～12)：1；
和/或，所述有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、甲苯、二甲苯、二甲基亚砜中的至少一种。
8.一种磁驱螺旋微纳米马达，其特征在于，所述磁驱螺旋微纳米马达包括螺旋碳纳米线圈和结合在所述螺旋碳纳米线圈表面的磁性纳米材料和蒽环类抗癌剂。
9.如权利要求8所述的磁驱螺旋微纳米马达，其特征在于，所述磁驱螺旋微纳米马达中，所述磁性纳米材料选自Fe3O4、Ni、NiO中的至少一种；
和/或，所述磁性纳米材料的负载量为70～85％；
和/或，所述蒽环类抗癌剂选自阿霉素、甲氧柔红霉素、表阿霉素、毗柔比星中的至少一种；
和/或，所述蒽环类抗癌剂的负载量为10～30％。
10.一种磁驱螺旋微纳米马达的应用，其特征在于，将如权利要求1～7任意所述方法制备的磁驱螺旋微纳米马达，或者如权利要求8～9所述的磁驱螺旋微纳米马达，应用到生物医学中的光热治疗领域和药物传输领域。
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