CN117658225A - 一种基于铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医用纳米复合材料技术领域，具体涉及一种基于铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子的制备方法及应用，本发明所述的磁性纳米粒子由改良的溶剂热法制备，该磁性纳米粒子尺寸均一，粒径为80‑100nm，形貌可控，生物相容性高，磁学性能良好，且具有高效的羟基自由基清除和催化H2O2产生氧气的能力。本发明提供的磁性纳米粒子可应用在活性氧偏高的病理环境中，该纳米粒子还可以催化清除病理环境中的活性氧物质减轻氧化应激，产生氧气改善局部乏氧微环境，能广泛应用于生物医药及组织工程等领域。
Description
技术领域
本发明属于一种基于铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子的制备方法及应用。
背景技术
活性氧（Reactive oxygen species，ROS）是体内一类氧的单电子还原产物，包括超氧阴离子（O2 -）、过氧化氢（H2O2）和羟基自由基（·OH）等。活性氧是炎症调节剂，活性氧的产生与代谢的动态平衡对于维持细胞和组织的正常功能是非常重要的。ROS可以刺激炎症因子的释放，其过量积聚导致细胞及组织损伤，从而引发炎症反应。同时，炎症反应也会产生大量ROS，进一步加重局部组织损伤，甚至导致慢性炎症。清除炎症部位过量的ROS、降低氧化应激，有望治疗炎症。
骨关节炎、银屑病、系统性红斑狼疮、肺炎等炎症性疾病，给病人生活和社会经济造成了极大负担。炎症性疾病其病理部位往往伴有过氧化氢、羟基自由基等活性氧（ROS）物质的过表达，因此可以消耗ROS的纳米材料可以广泛应用在ROS过表达的病理部位，实现有效治疗。一项有前途的策略是开发具有类酶催化活性的纳米材料（纳米酶），以维持生物系统中的自然氧化还原平衡。纳米酶可避免其它常规抗氧化剂分子或酶各自或共同的缺点，例如稳定性差、成本高、只清除单一类型的ROS和不可再生的ROS清除能力。因此，开发具有广谱、高效ROS清除能力，体内稳定且生物相容性好的纳米酶是治疗炎症研究热点。
综上，本发明考虑到了氧化铈纳米粒子和四氧化三铁纳米粒子具备良好的生物安全性和相容性及一些优良的理化性质，研究制备了铈掺杂的四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子。制备的Ce-Fe3O4纳米粒子的抗炎作用主要是依靠其强大的抗氧化作用，作为一种纳米酶，Ce-Fe3O4纳米粒子具有类似于超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的活性，可以通过清除体内自由基，减少氧化应激反应，进而减弱氧化应激介导的炎症作用，并且，本纳米粒子具有产生氧气的性能，可以缓解炎症部位微环境，提高炎症治疗效率，此外，已有四氧化三铁作为MRI对比剂的先例，该纳米粒子在MRI成像方面的应用有一定的可能性，在生物医学领域具有很好的应用前景。
中国专利（CN116077525A）、美国专利（US20230201380A1）和韩国专利（KR1020210120887A），这些专利是关于制备纳米粒子载体用于炎症治疗或者或者MRI成像诊断监测，缺乏根据病理部位微环境进行治疗的纳米粒子。因此，需研发具有清除活性氧、产生氧气缓解病理部位乏氧环境提高治疗效率的纳米粒子。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种基于铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子的制备方法，该磁性纳米粒子粒径均一，形貌可控，重复性好，生物相容性高，并且该磁性纳米粒子具有降解H2O2、清除羟基自由基、产生氧气的能力，能够用于制备靶向抗炎药物。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种基于铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子的制备方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：将乙酰丙酮铁（Fe(acac)3）与乙酰丙酮铈（Ce(acac)3）溶于乙二醇（EG）中，于80-100℃水浴中搅拌混合均匀；
步骤S2：在步骤S1得到的混合溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和三乙醇胺（TEA），调节纳米粒子外貌，继续于80-100℃水浴中搅拌混合均匀；
步骤S3：将步骤S2得到的反应液转移至反应釜内于200-250℃反应48-72h，再冷却至室温；
步骤S4：将步骤S3得到的反应产物用去离子水与无水乙醇反复洗涤，再进行磁铁吸附分离，最终获得铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子，该铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子中氧化铈纳米粒子掺杂于四氧化三铁纳米粒子内部，且磁性纳米粒子的整体呈现球形簇状，磁性纳米粒子的粒径为80-200nm。
优选地，所述乙酰丙酮铁与乙酰丙酮铈的投料质量比为1:0.1-0.6，所述乙酰丙酮铁、聚乙烯吡咯烷酮与三乙醇胺的投料配比为1g:0.5-1.5g:1-4mL。
优选地，所述乙酰丙酮铁与乙酰丙酮铈的投料质量比为1:0.2，所述乙酰丙酮铁、聚乙烯吡咯烷酮与三乙醇胺的投料配比为1g:1g:3mL。
本发明所述的铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子在制备靶向抗炎药物中的应用，该铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子能够作为纳米酶，清除炎症疾病微环境中的活性氧，调控炎症微环境，促进治疗效果。
与现有炎症治疗纳米粒子相比，本发明制备的铈掺杂的四氧化三铁磁性纳米粒子具有以下优点：
1）本发明中纳米粒子可作为纳米酶，清除炎症疾病微环境中的活性氧，调控炎症微环境，材料本身具有治疗效果。
2）本发明中纳米粒子具有磁性，可以被动靶向到炎症疾病微环境中，可延长粒子在疾病部位的作用量及驻留时间，减少非靶向部位的积累和毒性。
3）本发明中纳米粒子形貌规则，制备可重复性，生物相容性好。
本发明磁性Ce-Fe3O4纳米粒子的核心是铈掺杂至四氧化三铁纳米粒子上，其形状为簇状表面积大，活性好。可作为类过氧化氢酶微环境反应，清除羟基自由基、降解H2O2；产生氧气，改善微环境中的缺氧问题；清除病理部位的活性氧。该纳米粒子可应用在炎症部位，改善其部位微环境，促进治疗效率。
附图说明
图1为施例中制备铈掺杂四氧化三铁纳米簇的整体结构及工艺过程示意图；
图2为实施例制备的铈掺杂四氧化三铁纳米簇的透射电镜图（TEM）；
图3为实施例制备的铈掺杂四氧化三铁纳米簇的振动样品磁强计图（VSM）；
图4 为实施例制备的铈掺杂四氧化三铁纳米簇体外产生氧气结果图；
图5为实施例制备的铈掺杂四氧化三铁纳米簇体外产生氧气气泡观察结果图；
图6为实施例制备的铈掺杂四氧化三铁纳米簇体外降解过氧化氢结果图；
图7为实施例制备的铈掺杂四氧化三铁纳米簇体外清除活性氧结果图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
制备簇状铈掺杂的四氧化三铁纳米粒子（Ce-Fe3O4）方法为：
采用改良的溶剂热法合成尺寸均一、稳定性高的Ce-Fe3O4纳米粒子，具体步骤如下：将一定比例的Fe(acac)3和Ce(acac)3溶解于乙二醇（50mL）溶液中，于80℃搅拌30min，再向反应体系中加入一定量的聚乙烯吡咯烷酮和三乙醇胺，继续于80℃搅拌30min，获得均匀透明溶液。随后，封入聚四氟乙烯内衬中，让其在不锈钢高压反应釜内，加热至230℃，熟化72h后冷却至室温，并用乙醇和去离子水反复洗涤，再进行磁铁吸附分离，最终制得铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子；整体结构及工艺过程指示图如图1所示，透射电镜图如图2所示。
其中根据实际需要选择Fe(acac)3和Ce(acac)3的用量比例，可调整范围为1:0到1:0.6，优选为乙酰丙酮铁1g和乙酰丙酮铈0.2g；可以根据所需要获得的铈掺杂四氧化三铁纳米簇的需求，调整聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和三乙醇胺（TEA）的用量，优选为聚乙烯吡咯烷酮1g和三乙醇胺3mL。最终制备得到尺寸均一、稳定性高且重复性好的磁性纳米粒子。
透射电子显微镜分析（TEM）：
取浓度为20μg/mL的待测样品离心后，分散于甲醇溶液中，超声处理10min，使其充分分散。然后用移液枪取10μL上述待测液，滴加到准备好的表面碳涂层铜网上，烘箱烘烤一段时间，待其完全干燥。在100kV电压下，通过JEM-1400透射电镜对其进行分散情况、形貌和粒径的观察分析，在650kV的压电条件下，用F-30高分辨透射电镜观察其形貌，结果如图2所示。
振动样品磁强计分析（VSM）：
准备粉末样品：采用电子天平称取10mg干燥粉末样品，为防止污染样品杯，粉末样品用非磁性塑料皮包裹后再放入样品杯中压实。粒径不超过0.5mm；包好后的粉末样品最大尺寸不超过室温粉末样品杯的尺寸。将准备的好粉末样品放到已经预热过的振动样品磁强计（Vibrating sample mangnetometer 7407）上，使用IDEAVSM软件进行度数结果，结果如图3所示。
体外纳米粒子的产生氧气能力：
采用溶解氧测定仪检测纳米粒子在中性pH和H2O2环境下的产氧能力。在室温下，在烧杯中加入18mL缓冲液（PBS PH 7.2-7.4），加入中混合将2ml 30wt% H2O2和100μg/mL NPs，在转速300转/分钟的磁力搅拌下，使用溶氧测定仪（雷磁，JPB-607A）每30s测量一次溶液里的氧气浓度，测10min停止，绘制时间-Δ氧气曲线，结果如图4所示。为观察Eppendorf管中的O2气泡，将1M H2O2和75μg/mL的NPs置于10mL Eppendorf管中，观察Eppendorf管内气泡情况，观察时长为1h，结果如图5所示。
体外降解H2O2实验：
使用紫外分光光度计评估纳米粒子清除H2O2的效能。根据H2O2与硫酸钛反应生成黄色过氧化-钛复合物沉淀，产物在415nm处具有特征吸收峰，通过吸光值变化即可定量测定检测H2O2的含量。取100μg/mL的NPs，取2μmol/mL H2O2 500μL于离心管中 ，将离心管放入在37℃水浴锅中进行孵育，设置水浴时间梯度为20min、40min、60min、80min、100min、120min，水浴结束后离心取800μL上清液后按过氧化氢检测试剂盒 （boxbio, AKAO009C）说明书操作，用紫外分光光度计测415nm处的吸光度，降解百分比计算公式为降解百分率=（标准-测定）/标准，结果如图6所示。
体外清除羟基自由基实验：
Fenton试剂是产生羟基自由基的经典方法，所产生的羟基自由基与亚甲基蓝作用后，使其吸光度会降低，加入清除羟基自由基的物质后，其吸光度降低程度减少。
配制0.02mol/L的Fe(II)溶液与H2O2溶液，后稀释30倍作为其工作浓度，配制200μg/mL的MB溶液。在离心管中先后加入不同浓度的纳米粒子、MB溶液、Fe(II)溶液、H2O2溶液，于室温反应2h后，使用比色皿通过紫外分光光度计测量其在波长为664nm处的吸光度，计算纳米粒子清除羟基自由基的能力，结果如图7所示。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (5)
1.一种基于铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子的制备方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：将乙酰丙酮铁与乙酰丙酮铈溶于乙二醇中，于80-100℃水浴中搅拌混合均匀；
步骤S2：在步骤S1得到的混合溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮和三乙醇胺，调节纳米粒子外貌，继续于80-100℃水浴中搅拌混合均匀；
步骤S3：将步骤S2得到的反应液转移至反应釜内于200-250℃反应48-72h，再冷却至室温；
步骤S4：将步骤S3得到的反应产物用去离子水与无水乙醇反复洗涤，再进行磁铁吸附分离，最终获得铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子，该铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子中氧化铈纳米粒子掺杂于四氧化三铁纳米粒子内部，且磁性纳米粒子的整体呈现球形簇状，磁性纳米粒子的粒径为80-200nm。
2.根据权利要求1所述的基于铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子的制备方法，其特征在于：所述乙酰丙酮铁与乙酰丙酮铈的投料质量比为1:0.1-0.6，所述乙酰丙酮铁、聚乙烯吡咯烷酮与三乙醇胺的投料配比为1g:0.5-1.5g:1-4mL。
3.根据权利要求1所述的基于铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子的制备方法，其特征在于：所述乙酰丙酮铁与乙酰丙酮铈的投料质量比为1:0.2，所述乙酰丙酮铁、聚乙烯吡咯烷酮与三乙醇胺的投料配比为1g:1g:3mL。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法制备的铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子在制备靶向抗炎药物中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：所述铈掺杂四氧化三铁纳米簇的磁性纳米粒子能够作为纳米酶，清除炎症疾病微环境中的活性氧，调控炎症微环境，促进治疗效果。
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