CN115282272A - 一种基于纳米碳化钨的多酸纳米粒子及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米碳化钨的多酸纳米粒子及其制备方法和应用,属于生物医学纳米材料技术领域。本发明针对临床上存在的肿瘤治疗存在清除不彻底等技术问题。本发明包括以下步骤:采用氧化剂对纳米碳化钨进行氧化处理,得到多酸前体后配成多酸前体(pre‑POM)的水分散溶液,然后滴加没食子酸水溶液;再滴加Na2CO3水溶液;最后透析、冻干处理得到多酸纳米粒子。本发明具有粒子粒径小、尺寸均匀、生物毒性低、出色的光热转换性能、生物相容性好等优点。本发明产物具有光热、化学动力以及兼具选择杀伤肿瘤细胞而对正常细胞低毒的功能,具体的,本发明提供的多酸纳米粒子对肿瘤细胞有较强的细胞毒性,对正常细胞低毒,具有细胞选择性。
Description
技术领域
本发明属于生物医学纳米材料领域,具体地说,涉及一种基于纳米碳化钨的多酸纳米粒子,及基于纳米碳化钨的多酸纳米粒子及其制备方法和应用。
背景技术
癌症是一种由异常细胞生长和扩散定义的世界性疾病。由于复杂的性质、异质性和侵袭性,癌症的治疗具有挑战性。这导致频繁发生并报告了大多数导致癌症的死亡。如果疾病在其初始阶段被发现,则赢得了一半的抗癌斗争,这为未来的关注和疾病分析提供了空间。因此,进步与治疗相结合的新诊断技术对于改善癌症治疗至关重要。根据世界卫组织的一份报告,癌症是导致死亡的主要原因,也是延长预期寿命的重大障碍,2020年将有1000万人死亡。预计到2040年,新诊断的癌症病例数将增加到每年2950万,预计与癌症相关的死亡人数将增加到每年1640万。尽管有新的医学技术和技术进步,但癌症仍然是最致命的疾病之一。它是一种以细胞不受控制的生长为特征的疾病。癌症不是由单一因素引起的。
事实上,许多内部和外部因素都与癌症的发生有关。内部因素包括基因突变、遗传疾病和激素失衡,外部因素包括辐射暴露、营养不良、传染性病原体、烟草使用等。大约90%的癌症相关死亡是由肿瘤扩散引起的,这被称为转移。遗传性基因缺陷仅仅导致所有癌症的5-10%。尽管所有肿瘤都是由突变的组合引起的,但这些突变是由于与环境和致癌物相互作用的结果而发生的。因此,需要为肿瘤的临床治疗提供了一种便捷高效的新的解决途径。
传统的肿瘤治疗方法主要分为手术,放疗与化疗三种。通过手术的方法虽然可以对肿瘤进行切除,但无法有效阻止癌细胞的扩散引起的癌症复发并且伴随着术后出血和感染等问题;化疗通过各种抗癌药物的注射完成抑制癌细胞分裂或杀死癌细胞的目的,但全身范围内的药物治疗同样会对体内正常细胞产生伤害,治疗不精确,同时大量抗癌药物的摄入会令体内肿瘤细胞产生抗体,降低后续的治疗效果;放疗利用强射线对肿瘤进行消融同样会导致肿瘤细胞耐受性增强,并极易引起体内正常细胞以及皮肤表面的病变。传统肿瘤治疗方法的种种弊端使开发更高效安全的新型治疗手段显得尤为重要。近年来纳米技术在材料学及生物医学领域的快速发展为肿瘤治疗领域带来了巨大的突破。光热治疗等方法以其风险低、副作用小、精准度高等优点逐渐得到了研究者们的青睐。但是,过于单一化的治疗模限制了光热治疗方法在临床医学上的应用,因此是光热治疗和化学动力疗法发挥协同作用进行抗肿瘤,有望实现增强肿瘤治疗效果。
发明内容
本发明针对临床上存在的肿瘤治疗存在清除不彻底等技术问题,而提供一种以纳米碳化钨为原材料制备多酸纳米粒子的方法和应用,本发明所制备的多酸纳米粒子具有出色的光热转换性能,同时具有化学动力疗法的肿瘤治疗效果,且具有选择性杀伤肿瘤细胞而对正常细胞低毒性的功能,在肿瘤治疗过程中,可降低对正常细胞和组织的损伤,生物安全性高。
本发明提供了一种以纳米碳化钨为原材料制备多酸纳米粒子的方法,包括以下步骤:采用氧化剂对纳米碳化钨进行氧化处理,得到多酸前体(pre-POM);向所述的多酸前体(pre-POM)的水分散溶液中滴加没食子酸(GA)水溶液;再滴加Na2CO3水溶液;最后透析、冻干处理得到多酸纳米粒子。本发明提供的多酸纳米粒子具有良好的化学动力效果,同时具有优异的光热转化效率,二者联合协同作用,以此来提升抗肿瘤效果;从而实现肿瘤的安全、高效、精准治疗。所述制备方法是通过下述步骤实现的:
步骤一、将纳米碳化钨加到去离子水中,在室温下搅拌至分散均匀,然后滴加H2O2溶液,滴加完毕搅拌直到溶液澄清,然后离心,收集上清液后冻干,得到多酸前体,然后溶于去离子水中,超声至充分溶解,得到多酸前体溶液;
步骤二、将没食子酸(GA)加到去离子水中,在室温下缓慢搅拌至充分溶解,然后逐滴滴加步骤一获得的多酸前体溶液,滴加完毕后室温下搅拌至少10min;
步骤三、向步骤二获得的溶液中滴加Na2CO3溶液,滴加完毕后室温下搅拌至少5h,然后透析三天后收集溶液,冻干后得到所述多酸纳米粒子。
进一步地限定,步骤一中将0.8g~1.2g纳米碳化钨加到15mL去离子水中,H2O2用量为4mL~6mL,H2O2的质量分数为30%;将65mg~75mg多酸前体溶于1.0mL去离子水中;步骤二中将75mg~85mg没食子酸(GA)加到1.0mL去离子水中;步骤三中Na2CO3溶液用量为2.5mL~3.5mL,Na2CO3溶液质量分数为7%~8%。
进一步地限定,步骤一在8000rpm~12000rpm下离心8min~12min。
进一步地限定,步骤三中透析袋截留分子量为3000Da~4000Da,透析过程总每4h~6h换一次水。
上述方法制备的多酸纳米粒子。
上述方法制备的多酸纳米粒子在制备治疗肿瘤药物中的应用。
上述方法制备的多酸纳米粒子在制备肿瘤光热治疗的药物中的应用。
上述方法制备的多酸纳米粒子在制备治疗肿瘤的化学动力中的应用。
上述方法制备的多酸纳米粒子在制备治疗肿瘤的光热治疗法和化学动力治疗法的联合中的应用。
上述肿瘤细胞为肝癌细胞、肺癌细胞、乳腺癌细胞、胃癌细胞、卵巢癌细胞或宫颈癌肿瘤细胞。
化学动力学疗法(CDT),是典型的通过利用肿瘤细胞的酸性环境启动Fenton或类Fenton反应衍生的ROS生成来诱导细胞凋亡的治疗方式。肿瘤细胞具有弱酸性(pH 6.5-6.9)和过量产生H2O2的特点,这为CDT在Fenton或类Fenton药物准确到达肿瘤提供了可能的条件。因此,当这些成分结合在一起时,ROS可以在局部肿瘤中产生,而不是在健康组织中产生,因为它们之间的微环境特征显着不同。因此,CDT被认为是一种肿瘤特异性疗法,可显着降低对全身的毒性作用。
光热疗法(PTT)同样受到极大的青睐,PTT是一种有效的侵入行治疗方法。在肿瘤区域中,由于癌细胞的耐热性差,将近红外(NIR)激光能量转化为热能的光热治疗剂(PTA),用NIR激光来引起恶性癌组织/细胞的热消融(由于电子-声子和声子-声子过程,在皮秒时域内辐射光的传导所产生的热量在短时间内急剧升高了局部温度),触发PTT从而抑制了肿瘤的生长。在PTT过程中,较高的激光照射强度会导致局部温度过高从而坏死,而合适的激光照射强度仅促进细胞凋亡,因为热量对癌细胞膜造成不可逆的损害并引发蛋白质变性。特别地,由于快速增殖引起的微结构缺陷,癌细胞具有比正常细胞更低的耐热能力。为了确保光热转换效率并减少对正常组织的损害,使用的激光主要是近红外光,因为该区域的皮肤吸收系数值最低。
在过去的几十年中,多金属氧酸盐(POM)作为高价过渡金属离子(钨、钼、钒、铌)和氧原子的纳米级聚阴离子簇,已被证明具有抑制各种癌症的潜力。它们在结构和性质上的巨大多样性的优点。
本发明基于纳米碳化钨所制备的多酸纳米粒子有着有一定的类Fenton反应的作用,同时有着优良的光学性能,表现出优异的光热转换性能。这种多酸纳米粒子可以将近红外波段的光能有效的转化为热能,而材料自身较低的细胞毒性使其在生物医学等领域可以得到更加广泛的应用。多酸纳米粒子同时PTT与CDT发挥协同的抗肿瘤作用,从而实现增强肿瘤治疗的效果。
在本发明中,以纳米碳化钨为原料,采用Folin-Ciocalteu法制备多酸纳米粒子,其具有光热治疗效果,同时具有化学动力疗法,二者联合治疗肿瘤的功能。本发明具有粒子粒径小、尺寸均匀、生物毒性低、出色的光热转换性能、生物相容性好等优点。本发明产物具有光热、化学动力以及兼具选择杀伤肿瘤细胞而对正常细胞低毒的功能,具体的,本发明提供的多酸纳米粒子对肿瘤细胞有较强的细胞毒性,对正常细胞低毒,具有细胞选择性。同时具有较高的近红外吸收以及出色的光热转换性能,且光稳定性强。
为了能够更进一步了解本发明的特征及技术内容,请参阅以下有关本发明详细说明与附图,然而所附的附图仅提供参考和说明之用,并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为实施例1方法制备的多酸纳米粒子的透射电镜图;
图2为实施例1方法制备的多酸纳米粒子的紫外可见近红外吸收光谱图;
图3为实施例1方法制备的多酸纳米粒子的X射线光电子能谱图(XPS);
图4为实施例1方法制备的多酸纳米粒子的光热升温图;
图5为实施例1方法制备的多酸纳米粒子对小鼠成纤维细胞(L929)的MTT存活曲线图;
图6为实施例1方法制备的多酸纳米粒子对HeLa细胞进行光热治疗的MTT存活曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1:本实施例一种基于纳米碳化钨的多酸纳米粒子的制备方法是按下述步骤进行的:
(1)将1.00g纳米碳化钨分散在15mL去离子水中,再加入5mL质量分数为30%的H2O2搅拌24h,直到溶液澄清,冻干后得到多酸前体(pre-POM),取50mg pre-POM,然后溶于1.0mL的去离子水中,超声使其充分溶解,得到淡黄色溶液,pre-POM溶液备用;
(2)将80mg的没食子酸(GA)加入1mL去离子水中搅拌使其充分溶解;然后逐滴滴加pre-POM溶液;然后滴加3.0mLNa2CO3溶液(质量分数为7.5%),搅拌5h,得到深绿色溶液;将深绿色溶液装在透析袋(Da=3500)中透析三天,每4h~6h换一次水;透析结束后收集透析袋中的溶液,冻干处理后得到深绿色粉末(WC-POM),即基于纳米碳化钨的多酸纳米粒子。
采用下述表征和性能测试验证本发明效果
(1)将本实施例制备的多酸纳米粒子的水分散液滴在碳膜上,采用透射电镜对齐进行形貌分析得到,结果如图1所示。由图1可知,本实施例制备的多酸纳米粒子粒径分布均匀,呈尺寸均一的球体,平均粒径为14.23nm±8nm。对多酸纳米粒子进行紫外可见吸收光谱分析,结果如图2所示,;由图2可知,多酸纳米粒子具有广泛的紫外可见光吸收。
(2)对本实施例制备的多酸纳米粒子粉末,使用X射线电子能谱分析仪对元素价态进行分析,结果如图3所示。从图3可以看出,多酸纳米粒子的W4f自旋轨道双峰的结合能相对于纳米碳化钨有所降低,推测是由于没食子酸的还原形成的氧空位,使W元素出现了结合能降低的现象。
(3)将本实施例制备的多酸纳米粒子粉末制成不同浓度的多酸纳米粒子水分散液,使用808nm激光器照射多酸纳米粒子水分散液10min,激光功率为2W/cm2,使用testo868热成像仪记录多酸纳米粒子的温度变化,激光开启时开始计时,每间隔30s记录一次数据,以去离子水为空白对照组,结果如图4所示。由图4可知,多酸纳米粒子光热升温性能良好且具有浓度依赖性。
(4)取生长状态良好的L929细胞以适合的细胞密度进行铺板,细胞培养过夜后,将不同浓度的多酸纳米粒子与L929细胞共同孵育24h,用MTT法检测不同浓度的多酸纳米粒子对细胞存活率的影响,结果如同5所示。由图5可知,多酸纳米粒子多L929细胞具有较低的细胞毒性,即使多酸纳米粒子的浓度增加到400μg/mL,L929细胞的活力均大于80%。
(5)为了考察多酸纳米粒子的化学动力治疗和光热治疗作用,做三组实验,第一组是将浓度为0、50、100、200、300、400μg/mL的多酸纳米粒子与L929细胞在37℃下孵育24h;第二组是将浓度为0、100、200、300、400μg/mL的多酸纳米粒子与HeLa细胞在37℃下孵育24h,第三组是浓度为0、100、200、300、400μg/mL的多酸纳米粒子与HeLa细胞在37℃下孵育24h后,用808nm进行光照处理;设置三组平行实验:第一组为多酸纳米粒子无光照组;第二组为多酸纳米粒子光照5min组;第三组为多酸纳米粒子光照8min组;取生长状态良好的HeLa细胞以合适的细胞密度进行铺板,细胞培养过夜后,将不同浓度的多酸纳米粒子与HeLa细胞共孵育24h。在每组向每孔加入100μL完全培养基和100μL以DMEM配制的不同浓度的多酸纳米粒子水分散液,第二、三组在加入分散液之后,每孔用808nm激光以2W/cm2的功率照射5min和8min。每组在37℃下继续孵育24h,通过MTT法验证多酸纳米粒子的细胞毒性,结果如图6所示。由图6可知,在没有808nm激光照射情况下HeLa细胞毒性与多酸纳米粒子的浓度呈正相关。在808nm激光照射下,相同浓度的多酸纳米粒子对HeLa的细胞毒性进一步增大;同时增加光照时间,也会增加多酸纳米粒子的细胞毒性;在400μg/mL,光照8min时毒性最大,细胞活力约为32%。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.基于纳米碳化钨的多酸纳米粒子的制备方法,其特征在于,所述制备方法是通过下述步骤实现的:
步骤一、将纳米碳化钨加到去离子水中,在室温下搅拌至分散均匀,然后滴加H2O2溶液,滴加完毕搅拌直到溶液澄清,然后离心,收集上清液后冻干,得到多酸前体,然后溶于去离子水中,超声至充分溶解,得到多酸前体溶液;
步骤二、将没食子酸(GA)加到去离子水中,在室温下缓慢搅拌至充分溶解,然后逐滴滴加步骤一获得的多酸前体溶液,滴加完毕后室温下搅拌至少10min;
步骤三、向步骤二获得的溶液中滴加Na2CO3溶液,滴加完毕后室温下搅拌至少5h,然后透析三天后收集溶液,冻干后得到所述多酸纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤一中将0.8g~1.2g纳米碳化钨加到15mL去离子水中,H2O2用量为4mL~6mL,H2O2的质量分数为30%;将65mg~75mg多酸前体溶于1.0mL去离子水中;步骤二中将75mg~85mg没食子酸(GA)加到1.0mL去离子水中;步骤三中Na2CO3溶液用量为2.5mL~3.5mL,Na2CO3溶液质量分数为7%~8%。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤一在8000rpm~12000rpm下离心8min~12min。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤三中透析袋截留分子量3000Da~4000Da,透析过程总每4h~6h换一次水。
5.一种如权利要求1-4任意一项方法制备的多酸纳米粒子。
6.如权利要求1-4任意一项方法制备的多酸纳米粒子在制备治疗肿瘤药物中的应用。
7.如权利要求1-4任意一项方法制备的多酸纳米粒子在制备肿瘤光热治疗的药物中的应用。
8.如权利要求1-4任意一项方法制备的多酸纳米粒子在制备治疗肿瘤的化学动力中的应用。
9.如权利要求1-4任意一项方法制备的多酸纳米粒子在制备治疗肿瘤的光热治疗法和化学动力治疗法的联合中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于,所述肿瘤细胞为肝癌细胞、肺癌细胞、乳腺癌细胞、胃癌细胞、卵巢癌细胞或宫颈癌肿瘤细胞。
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