CN115227815B - 一种基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及纳米药物技术领域,具体公开了一种基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料及其制备方法和应用。所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料,其通过如下方法制备得到:用热相变材料(PCM)包封超小型的钯钌杂化纳米酶(sPdRu)和Ru(II)‑聚吡啶基配合物(RCE),再用透明质酸修饰表面即得。本发明所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料可精准识别肿瘤部位边缘,从而能够控制治疗面积,是一个新兴的诊断治疗平台,可以用于载药和制备抗肿瘤药物,实现对肿瘤部位的精确定位和精准治疗。

Description

一种基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及纳米药物技术领域,具体涉及一种基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
癌症是人类死亡的主要原因之一。2020年美国预计将有606520人死于癌症,即每天有1600多人因癌症死亡。对于女性而言,预计乳房恶性肿瘤仍将是最多发的恶性肿瘤,预计占恶性肿瘤新发病例的30%。目前治疗乳腺癌的主要方法是手术、化疗和放射治疗。这些疗法只能显示有限的疗效,因此迫切需要开发更有效的治疗方法。
活性氧(ROS)包括单线态氧(1O2)、羟基自由基(·OH)和超氧物(O2·),是通过一系列复杂机制从生物分子分解代谢中获得的重要和多效性信号分子。高水平的ROS会对细胞生物分子(如DNA、蛋白质和脂质)造成不可逆的氧化损伤,最终导致细胞死亡。光动力疗法(PDT)是典型的利用活性氧抗肿瘤的治疗方法之一,但是由于肿瘤微环境缺氧和光敏剂的低渗透性,传统PDT中ROS 的产生总是受到限制以及单模式光疗技术面临着若干挑战,包括对浅表肿瘤类型、肿瘤细胞靶向、复发和转移的限制。因此,PDT/光热疗法和PDT/纳米酶疗法等联合治疗对于克服单一光疗的局限性非常重要且势在必行。多金属合金纳米酶由于电子配位作用显示出高稳定性,低消耗和更高的催化活性,在肿瘤部位更高效催化内源过氧化氢为PDT提供充足氧源。合金纳米酶通常具备高的光热转换效率,可以实现光热治疗(PTT)。通过纳米酶增强PDT协调PTT治疗为克服传统 PDT以及单模式治疗的局限性提供了新方向。在治疗肿瘤过程中,所制备的纳米药物可以在肿瘤部位累积,实现准确的肿瘤定位和高效的PDT/PTT治疗。但至今未发现热响应材料包裹钯钌杂化纳米酶和Ru(II)-聚吡啶基配合物用于肿瘤治疗的报道。
发明内容
为了克服现有技术中存在的至少之一的技术问题,本发明首先提供了一种基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料。本发明所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料不仅可以精准靶向肿瘤部位,还可以通过热响应释放超小型钯钌杂化纳米酶以及光敏剂Ru(II)-聚吡啶基配合物,实现精准高效的PDT/PTT治疗癌症。
本发明所要解决的上述技术问题,通过以下技术方案予以实现:
一种基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料,其通过如下方法制备得到:用热相变材料(PCM)包封超小型的钯钌杂化纳米酶(sPdRu)和Ru(II)-聚吡啶基配合物(RCE),再用透明质酸修饰表面即得。
优选地,所述的超小型的钯钌杂化纳米酶(sPdRu)通过如下方法制备得到:
取三氯化钌、四氯钯酸钠以及聚乙烯吡咯丙酮溶解在有机溶剂中,然后在 150~180℃下反应2~5h,得超小型的钯钌杂化纳米酶(sPdRu);
其中,三氯化钌、四氯钯酸钠、聚乙烯吡咯丙酮以及有机溶剂的用量比为 50~60mg:70~80mg:150~250mg:40~80mL。
最优选地,三氯化钌、四氯钯酸钠、聚乙烯吡咯丙酮以及有机溶剂的用量比为51.8mg:73.5mg:200mg:50mL。
优选地,所述的有机溶剂为四乙二醇。
本发明采用四乙二醇为溶剂,通过多元醇还原法合成超小型的钯钌杂化纳米酶(sPtRu),其粒径约为6nm,具有较大的比表面积,具有高效的催化活性;进而保证了最终制备得到的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料具有优异的癌症治疗活性。
优选地,所述的Ru(II)-聚吡啶基配合物(RCE)为[Ru(phen)2(p-HPIP)]2+,结构式如下:
优选地,所述的热相变材料(PCM)是由油酸和1-十六烷醇组成的混合物;其中,油酸和1-十六烷醇的重量比为1:3~4。
最优选地,油酸和1-十六烷醇的重量比为1:3.5。
本发明还提供了一种上述基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料的制备方法,其特征在于,包含如下步骤:
将0.5~2mg Ru(II)-聚吡啶基配合物(RCE)和8~15mg热相变材料(PCM) 溶于1~2mL有机溶剂A中得溶液A;
将15~30mg表面活性剂、5~8mg透明质酸以及0.8~1.5mg超小型的钯钌杂化纳米酶(sPdRu)分散在5~10mL有机溶剂B中得溶液B;
将溶液B加热至45~60℃,然后滴加溶液A,搅拌和/或超声5~15min;然后将混合溶液分散在冰水介质中,最后分离黑绿色固体即得所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料(PdRu-RCE@PCM)。
优选地,所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料的制备方法,其特征在于,包含如下步骤:
将1mg Ru(II)-聚吡啶基配合物(RCE)和10mg热相变材料(PCM)溶于 1mL有机溶剂A中得溶液A;
将20mg表面活性剂、6mg透明质酸以及1mg超小型的钯钌杂化纳米酶 (sPdRu)分散在5mL有机溶剂B中得溶液B;
将溶液B加热至50℃,然后滴加溶液A,搅拌和/或超声10min;然后将混合溶液分散在冰水介质中,最后分离黑绿色固体即得所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料(PdRu-RCE@PCM)。
优选地,所述的有机溶剂A为无水乙醇;
所述的有机溶剂B为体积分数3~5%的乙醇水溶液;
所述的表面活性剂为卵磷脂。
本发明还提供了一种上述基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料在制备具有抗癌作用的药物或抗癌药物载体中的应用。
优选地,所述的抗癌是指抗乳腺癌。
有益效果:(1)本发明的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料将具有类酶活性的钯钌杂化纳米酶和光敏效应的Ru(II)-聚吡啶基配合物包裹在热响应性材料 PCM内部,可以防止非治疗期间药物的释放以及过早消耗内源过氧化氢;在激光照射下,PCM发生相变,从而释放出里面包覆的钯钌杂化纳米酶和Ru(II)-聚吡啶基配合物,实现控制准确释放。(2)本发明的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料可精准靶向肿瘤部位,从而实现控制治疗面积,指导高效的光动力学和光热联合治疗,将治疗区域与肿瘤体积相结合,达到光动力治疗只会杀伤肿瘤细胞而不损害周围的正常组织的效果。(3)此外,所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料还能实时监控药物分布,其结构外层的热敏性材料PCM更能实现控制释放,是一个新兴的诊断治疗平台,可以用于制备抗肿瘤药物。(4)进一步研究表明,本发明的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料可以对乳腺癌实现精确定位和精准治疗,具有十分优异的乳腺癌治疗活性。
附图说明
图1是Ru(II)-聚吡啶基配合物的结构式。
图2是PdRu-RCE@PCM的合成流程图。
图3是sPdRu的表征图;其中,(A)是sPdRu的透射电镜图;(B)是sPdRu 的XRD图;(C)(D)(E)是sPdRu的XPS图。
图4是sPdRu催化H2O2底物实验结果图;其中,(A)是sPdRu催化H2O2底物产生氧气气泡的照片;(B)是用氧仪测定出sPdRu与H2O2水溶液作用的产氧情况图;(C)是在酸性(pH=6.0)环境中PdRu和H2O2的水溶液反应产生1O2的ESR能谱图;(D)在酸性(pH=6.0)环境中PdRu和H2O2的水溶液反应产生·OH的ESR能谱图。
图5是PdRu-RCE@PCM的表征图;其中,(A)(B)是PdRu-RCE@PCM 的透射电镜图。
图6是PdRu-RCE@PCM在4T1细胞内产生ROS实验结果图;其中,(A) 是用DCFH-DA探针检测4T1细胞内ROS水平的荧光图像;(B)是绿色荧光信号强度图。
图7是小鼠在静脉注射PdRu-RCE@PCM后不同时间的体内荧光图像。
图8是静脉注射PdRu-RCE@PCM溶液12小时后,激光照射10分钟期间小鼠的红外热像图。
图9是乳腺癌小鼠的治疗效果图;其中,(A)为不同治疗后剥离出来的肿瘤大小;(B)为具有Ki 67免疫组织化学染色,TUNEL染色肿瘤切片的显微图像。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步解释本发明,但实施例对本发明不做任何形式的限定。
下列实施例中涉及的物料均可从商业渠道获得。其中,Ru(II)-聚吡啶基配合物为[Ru(phen)2(p-HPIP)]2+(缩写为:RCE),其结构式见图1,参照文献(于倩倩.钌配合物及多功能纳米双载药物和siRNA抑制肿瘤及其靶向成像的研究[D]. 广州:暨南大学,2016)制备得到。
实施例1超小型钯钌杂化纳米酶(sPdRu)的制备
(1)称取200mg聚乙烯吡咯丙酮(PVP,Mw=2400)溶解在50mL四乙二醇(TEG)中得TEG溶液,并在磁力搅拌下将该溶液油浴加热至165℃。
(2)分别称取51.8mg三氯化钌以及73.5mg四氯钯酸钠溶于50mL水中得水溶液;然后将水溶液缓慢加入到步骤(1)制备得到的TEG溶液中,同时将溶液保持在165℃;加入后,溶液逐渐由浅棕色变为深棕色,最后变成黑色;保持温度加热搅拌(200r/s)持续3h,冷却至室温后,收集产物;
(3)产物离心经丙酮洗涤3次,无水乙醇洗涤1次,得超小型钯钌杂化纳米酶(sPdRu)。
超小型钯钌杂化纳米酶(sPdRu)的纳米形貌和元素价态分析如图3所示。
结果表明:图3是sPdRu的表征图。图3A所示sPdRu的尺寸大约为6nm。在XRD图谱(图3B)中,五个明显的衍射峰分配给具有面心立方结构的金属。相对于纯Pd而言,这些衍射峰略微移至较高的2θ值,这是由于将Ru原子引入 Pd原子引起的。XPS图(图3C-E)谱分析也表明了sPdRu的合成。
实施例2超小型钯钌杂化纳米酶(sPdRu)的酶活性测试
向sPdRu溶液中添加10×10-3M的H2O2并观察到溶液中产生气泡的量。用电子自旋共振(ESR)光谱检测确定sPdRu产生ROS的种类。首先将sPdRu加入H2O2溶液中,用2,2,6,6-四甲基哌啶(TEMP)单线态氧自由基捕获剂和羟基自由基捕获剂5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物(DMPO)检测到1O2和·OH的信号。
结果表明:在中性条件(pH 7.4)和微酸环境(pH 6.0)下均能用肉眼观察到溶液中产生了大量的气泡,如图4A所示。通过氧气探测仪测量反应溶液中溶解氧气的含量(图4B),sPdRu在pH 6.0时触发O2生成速率比在pH 7.4时快,表明sPdRu在酸性环境下具有更强的CAT活性。ESR光谱显示sPdRu可有效促进H2O2产生1O2和·OH,具有较稳定的POD活性(图4C-D)。
实施例3基于钯钌杂化纳米酶的热响应性纳米复合材料
(1)将1mg Ru(II)-聚多吡啶基配合物和10mg PCM(由重量比为1:3.5的油酸和1-十六烷醇混合而成)溶于1mL无水乙醇中作得溶液A;
(2)将20mg卵磷脂、6mg透明质酸(HA)和1mg sPdRu分散在5mL体积分数为4%的乙醇水溶液中得溶液B;
(3)将溶液B加热至50℃,然后向溶液B中缓慢滴加溶液A;溶液A滴加完毕后,加热搅拌5min,超声5min;然后在温和的机械混合下,将混合溶液分散在冰水介质中;再经过滤、离心后得到黑绿色固体即得所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料(PdRu-RCE@PCM)。
基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料(PdRu-RCE@PCM)的纳米形貌和元素组成分析见图5。结果表明:图5是PdRu-RCE@PCM的表征图。图5A-B透射电镜图显示PdRu-RCE@PCM尺寸约为50nm。
实施例4PdRu-RCE@PCM在4T1细胞内产生ROS效果实验
用ROS试剂盒中的氧化敏感荧光探针(DCFH-DA)检测细胞内的ROS水平。4T1细胞以1×105细胞/孔的密度在六孔板中培养。用PdRu-RCE@PCM对 4T1细胞进行孵育8h,808nm激光照射10min。用无血清培养基洗涤两次后,加入10μM的DCFH-DA,在37℃下孵育20min,用纯DMEM洗涤3次。随后,用高内涵细胞成像系统分析仪在488nm激发波长和535nm发射波长下拍摄细胞荧光图像。用Image J软件进行荧光定量分析。如图6所示。
结果表明:图6A是用DCFH-DA探针检测4T1细胞内ROS水平的荧光图像。结果显示,与其他处理组相比,PdRu-RCE@PCM NPs+NIR处理的4T1细胞中出现更强烈的绿色荧光信号(图6A-B),证明了在4T1细胞内通过sPdRu酶活性增强产生ROS的效果。
实施例5多模态生物成像实验
(1)PdRu-RCE@PCM在乳腺癌小鼠模型中的荧光成像
BALB/C小鼠体重达到约16g时,开始建立乳腺癌小鼠模型。在雌性BALB/C 小鼠的右髋部皮下注射100μL的4T1细胞(细胞数量约为1×106),一周后可以观察到接种部位有肿瘤出现,使肿瘤继续生长至100mm3,然后将小鼠随机平均分组,以5mg/kg的剂量分别通过尾静脉注射。采用活体小动物荧光成像系统,在488nm激发滤光片和DsRed发射滤光片的条件下,对荷瘤小鼠进行全身荧光成像分析,如图7所示。
结果表明:静脉注射后,小鼠肿瘤部位从0到12h显示出清晰且逐渐增加的RCE的荧光信号,这些荧光信号甚至在24h时后仍保持相对较高的强度。说明PdRu-RCE@PCM在小鼠体内滞留不仅能被实时检测得到,还能够延长在肿瘤部位的滞留时间,达到更高的滞留效果。
(2)PdRu-RCE@PCM在乳腺癌小鼠模型中的光热成像
BALB/C小鼠体重达到约16g时,开始建立乳腺癌小鼠模型。在雌性BALB/C 小鼠的右髋部皮下注射100μL的4T1细胞(细胞数量约为1×106),使肿瘤继续生长至100mm3,然后将小鼠平均分组,不同药物以5mg/kg的剂量分别通过尾静脉注射。注射12小时后,激光照射10分钟的肿瘤温度变化,并在此期间使用红外热成像相机连续监测肿瘤温度,如图7所示。
结果表明:图8是小鼠的光热成像图。在激光照射下,静脉注射 PdRu-RCE@PCM的小鼠肿瘤部位温度迅速升高至约50℃,而对照组仅在激光的照射下小鼠肿瘤部位温度无明显变化。这些结果表明,PdRu-RCE@PCM具有强大而稳定的光热功效,而且能在皮下瘤中实现。
实施例6:PdRu-RCE@PCM治疗乳腺癌小鼠模型的效果
乳腺癌小鼠随机分为5组(每组3只):(1)Control(PBS);(2)激光照射 (NIR);(3)PdRu@PCM+NIR;(4)RCE+NIR;(5)PdRu-RCE@PCM+NIR。当肿瘤体积达到约100mm3时,小鼠每2天通过尾静脉(25μL,10mg/kg)注射不同的制剂,静脉注射12h后,用808nm激光在肿瘤部位照射15min。进行 3次治疗,在第14天处死所有小鼠,完整剥离肿瘤,然后固定在含有4%甲醛的PBS溶液中,采用TUNEL和Ki-67染色,并在显微镜下进行病理分析。
结果表明:图9是乳腺癌小鼠的治疗效果图。经过14天的治疗后,从图9A 中可以看出来PdRu-RCE@PCM+NIR组的小鼠肿瘤最小,说明治疗效果最好。组织切片(图9B)也显示,PdRu-RCE@PCM+NIR组的小鼠肿瘤部位组织凋亡最严重,治疗效果最佳。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料,其特征在于,通过如下方法
制备得到:用热相变材料包封超小型的钯钌杂化纳米酶和Ru(II)-聚吡啶基配合物,再用透明质酸修饰表面即得;
所述的超小型的钯钌杂化纳米酶通过如下方法制备得到:
取三氯化钌、四氯钯酸钠以及聚乙烯吡咯丙酮溶解在有机溶剂中,然后在150~180℃下反应2~5h,得超小型的钯钌杂化纳米酶;
其中,三氯化钌、四氯钯酸钠、聚乙烯吡咯丙酮以及有机溶剂的用量比为50~60 mg:70~80mg: 150~250 mg: 40~80mL;
所述的Ru(II)-聚吡啶基配合物为[Ru(phen) 2 (p-HPIP)] 2+,结构式如下:
所述的热相变材料是由油酸和1-十六烷醇组成的混合物;其中,油酸和1-十六烷醇的重量比为1:3~4。
2.根据权利要求1所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料,其特征在于, 油酸和1-十六烷醇的重量比为1:3.5。
3.根据权利要求1所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料,其特征在于,三氯化钌、四氯钯酸钠、聚乙烯吡咯丙酮以及有机溶剂的用量比为51.8 mg:73.5 mg: 200 mg: 50mL;
所述的有机溶剂为四乙二醇。
4.根据权利要求1~3任一项所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料的制备方法,其特征在于,包含如下步骤:
将0.5~2mg Ru(II)-聚吡啶基配合物和8~15 mg热相变材料溶于1~2mL有机溶剂A中得溶液A;
将15~30mg表面活性剂、5~8mg 透明质酸以及0.8~1.5mg 超小型的钯钌杂化纳米酶分散在5~10mL有机溶剂B中得溶液B;
将溶液B加热至45~60°C,然后滴加溶液A,搅拌和/或超声5~15min;然后将混合溶液分散在冰水介质中,最后分离黑绿色固体即得所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料;
所述的表面活性剂为卵磷脂。
5.根据权利要求4所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料的制备方法,其特征在于,包含如下步骤:
将1mg Ru(II)-聚吡啶基配合物和10mg热相变材料溶于1mL有机溶剂A中得溶液A;
将20mg表面活性剂、6mg 透明质酸以及1mg 超小型的钯钌杂化纳米酶分散在5mL有机溶剂B中得溶液B;
将溶液B加热至50°C,然后滴加溶液A,搅拌和/或超声10min;然后将混合溶液分散在冰水介质中,最后分离黑绿色固体即得所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料。
6.根据权利要求4所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料的制备方法,其特征在于,
所述的有机溶剂A为无水乙醇;
所述的有机溶剂B为体积分数3~5%的乙醇水溶液。
7.权利要求1~3任一项所述的基于钯钌杂化纳米酶的纳米复合材料在制备具有抗癌作用的药物或抗癌药物载体中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,所述的抗癌是指抗乳腺癌。
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