一种水溶性富勒烯纳米材料及其制备方法与应用与流程

本发明涉及一种水溶性富勒烯纳米材料及其制备方法与应用，属于生物医药领域。

背景技术：

癌症，又称为恶性肿瘤，是机体在各种致癌因素的刺激下，局部组织的细胞失去了正常的基因调控而导致的细胞异常性增殖和转移。根据世界卫生组织(who)下属的国际癌症研究机构发表的《2014年世界癌症报告》，癌症已经成为目前全球发病和死亡的主要原因；2012年，全球新发癌症患者的数量增加了大约1400万，同期癌症患者的死亡数量也达到820万；报告中还指出在未来20年内，每年新发癌症患者的数量有可能会从2012年的1400万上升至2200万。当前针对癌症的有效诊断和治疗已成为当代医学中亟需解决的重大问题之一。

目前常规的癌症治疗面临着诸多的挑战，如化学治疗是通过注射、口服等方式将化疗药物导入癌症患者体内，由于化疗药物的选择性差，除了肿瘤部位，正常组织中也多有分布，这也造成了很大的毒副作用，比如脱发、骨髓抑制、心脏毒性、神经毒性和肝脏毒性等；此外，化疗过程中产生的药物耐药性，往往导致化疗的最终失败。寻求新的癌症治疗方法以克服常规癌症治疗存在的缺点和不足，以期达到彻底治愈和消除癌症迫在眉睫。近年来，纳米技术突飞猛进的发展为开辟癌症治疗新途径带来了新的希望和可能。现纳米技术在生物医学领域的研究主要包括：纳米医学成像和诊断、光热治疗、基因治疗、药物递送等。

1985年kroto等人发现c60，并提出了球型中空分子的模型，将其命名为富勒烯。近年来，富勒烯工业生产的迅速发展以及基于富勒烯材料的纳米技术大量涌现，人们对于富勒烯及其衍生物效应给予了极大的关注。富勒烯和内嵌金属富勒烯由于其独特的结构和化学物理性质，在生物医学领域有非常广泛的应用。

在抗肿瘤性质方面，大量研究结果发现不同修饰的金属富勒烯具有一定的抑瘤效果，而且其本身没有毒副作用，在很低的剂量下就能产生较强的抑瘤效果(yangdetal.,acsnano,2010.4(2):1178-1186.liangxjetal.,p.natl.acad.sci.,2010.107(16):7449-7454.kangsetal.,p.natl.acad.sci.,2012.109(38):15431-15436.zhen,metal.sci.chinamater.,2015(58):799-810)。但是内嵌金属富勒烯广泛应用的一个难点是如何大量合成及分离。而相对于内嵌金属富勒烯，空心富勒烯的产率及成本都大幅度降低，其水溶性纳米材料有着巨大的应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种水溶性富勒烯纳米材料及其制备方法与应用。本发明水溶性好，与生物体有很好的亲和性，能明显阻断肿瘤血管，快速切断肿瘤组织营养供给；其制备成本低。

本发明提供的水溶性富勒烯纳米材料，它的结构通式为c2n(oh)x(aminoacid)y；

其中，20≤n≤60；0≤x<50；0≤y<20；

aminoacid为水溶性氨基酸。

上述结构通式表示羟基和水溶性氨基酸均连接于富勒烯上。

本发明所述水溶性富勒烯纳米材料的结构通式中，n具体可为30或35。

本发明中，当y＝0时，即所述水溶性富勒烯纳米材料的结构通式中没有氨基酸，所述水溶性富勒烯纳米材料为富勒醇；

当多种氨基酸参与反应时，由于不同氨基酸在反应中对富勒烯碳笼的亲和性不同，碳笼表面修饰的氨基酸和羟基数目也不同。

上述的纳米材料中，所述水溶性氨基酸为丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸、精氨酸、赖氨酸和天门氨酸中的至少一种。

上述的纳米材料中，所述纳米材料的水合粒径为1～1000nm。

本发明中，所述水溶性富勒烯纳米材料的结构通式为c2n(oh)x(aminoacid)y，可通过调节反应条件改变x、y的数量，调节分子间相互作用力，从而改变所述水溶性富勒烯纳米材料在溶剂中团聚的水合粒径。

本发明水溶性富勒烯纳米材料可通过现有方法制备，如，当y＝0时，可通过相转移催化剂参与的液液反应(xinggetal,j.phys.chem.b.,2004(108):11473-11479)或富勒烯粉末直接与碱溶液反应(zhengjetal.,carbon，2013,65,175)制备得到；当y≠0时，即含有氨基酸基团时，可参照文献(carbon,2006(44):496–500)记载的方法制备得到。

本发明还提供了所述的纳米材料在制备治疗肿瘤的药物中的应用。

上述的应用中，所述肿瘤为肝癌、肺癌、结肠直肠癌、肾癌、胰腺癌、骨癌、乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、食管癌、胃癌、口腔癌、鼻癌、喉癌、胆管癌、宫颈癌、子宫癌、睾丸癌、脑膜瘤、皮肤癌、黑色素瘤和肉瘤中的至少一种；

所述治疗肿瘤的药物的剂型为药学可接受的剂型。

本发明还提供了一种药物，该药物的活性成分为所述水溶性富勒烯纳米材料。

上述的药物中，所述药物的剂型为药学可接受的剂型。

上述的药物中，当所述药物的剂型为注射剂时，所述药物的溶剂可为水、生理盐水、pbs缓冲液和tris-hcl溶液中的至少一种；所述生理盐水的浓度可为085～090％；pbs缓冲液的浓度可为0.01～0.1mol/l，组成的组分具体可为na2hpo4、kh2po4、nacl和kcl；tris-hcl溶液的浓度可为0.05mol/l；

所述水溶性富勒烯纳米材料的浓度可为1～100mg/ml。

本发明进一步提供了一种高效阻断肿瘤血管的肿瘤治疗方法，包括如下步骤：1)向荷瘤生物体给予有效剂量的所述药物；

2)用与所述水溶性富勒烯纳米材料相匹配的辐射能量源对所述荷瘤生物体的肿瘤部位进行辐照。

上述的肿瘤治疗方法中，所述肿瘤为肝癌、肺癌、结肠直肠癌、肾癌、胰腺癌、骨癌、乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、食管癌、胃癌、口腔癌、鼻癌、喉癌、胆管癌、宫颈癌、子宫癌、睾丸癌、脑膜瘤、皮肤癌、黑色素瘤和肉瘤中的至少一种；

所述药物的给药量可为1mg/kg～100mg/kg；具体的所述荷瘤生物体总给药量按照所述荷瘤生物体的体重进行换算；

所述药物的给药方式采用静脉注射、腹腔注射、口服和局部给药中的至少一种；

所使用的射频源辐照的频率可为1～1000mhz，具体可为200mhz、1～200mhz、200～1000mhz或150～500mhz，发射功率可为1mw～10kw，生物体吸收的辐照的功率可为1～1000mw，具体可为5mw，所述辐照的时间可为10min～2h，具体可为1h、10min～1h、1h～2h或10min～1.5h；

所述荷瘤生物体为哺乳动物，具体可为人、鼠、兔、猪、猴和狗中的至少一种。

本发明中，所述有效剂量是指当通过本发明的方法给予所述药物时，足以有效传递用于治疗肿瘤的活性成分的量。

本发明中，注射所述药物在0～1h后进行所述辐照；具体可为10min或10min～50h。

本发明在抗肿瘤治疗中，通过将药物注射入生物体后，通过血液循环到达肿瘤部位，随后施加射频刺激，使肿瘤部位的纳米颗粒在血管中发挥作用，治疗肿瘤；由于肿瘤血管较正常组织血管有很大不同，肿瘤血管的内皮细胞间隙较大、结构不完整，导致肿瘤血管通常包含有大量纳米尺度的小孔，由于肿瘤的高通透性和滞留效应(epr效应)，富勒烯纳米颗粒能嵌入这些小孔破坏肿瘤血管，从而导入肿瘤内部大量出血，切断了肿瘤组织的营养供应，进而抑制了肿瘤的生长。

本发明还提供了一种高效阻断肿瘤血管的肿瘤的套装，该套装包括所述药物和产生辐射能量源的设备。

上述的套装中，所述产生辐射能量源的设备发射的频率为所使用的射频源辐照的频率可为1～1000mhz，具体可为200mhz，发射功率可为1mw～10kw，具体可为20w，生物体吸收的辐照的功率可为1～1000mw，具体可为5mw、，射频辐照源为脉冲模式。

本发明具有以下优点：

与目前临床普遍使用的环磷酰胺、紫杉醇等比较，本发明水溶性好，与生物体有很好的亲和性，毒性低，对肿瘤的抑制效率高；在使用时，给药剂量小，单次治疗就能达到高抑瘤率；相比于内嵌金属富勒烯药物，本发明药物成本更为低廉，更有利于普遍推广应用。

附图说明

图1为本发明c70(oh)29的热重分析及微商热重分析曲线。

图2为本发明c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4的热重分析及微商热重分析曲线。

图3为本发明c70(oh)29及c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4在纯水中的水合粒径曲线。

图4为本发明在纯水中c70(oh)29及c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4的高分辨原子力显微镜图片。

图5为本发明c70(oh)29及c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4对小鼠肝癌肿瘤的治疗效果图。

图6为生理盐水对照组小鼠肝癌肿瘤在治疗前后的照片。

图7为不同试剂对h22肿瘤的作用效果图；其中图7a)为本发明c70(oh)29治疗h22肿瘤后24h解剖时肿瘤处大量淤血的照片；图7b)为生理盐水对照组h22肿瘤的he染色图片；图7c)为本发明c70(oh)29治疗h22肿瘤后24h肿瘤的he染色图片；图7d)为c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4治疗h22肿瘤后24h肿瘤的he染色图片。

图8为生理盐水组、c70(oh)29、c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4治疗后24h小鼠各器官的he染色图片；图8中，a1-a5分别为生理盐水组治疗心、肝、脾、肺、肾的he染色图片，b1-b5分别为c70(oh)29治疗心、肝、脾、肺、肾的he染色图片，c1-c5分别为c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4治疗心、肝、脾、肺、肾的he染色图片

图9为生理盐水组、c70(oh)29、c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4对小鼠肉瘤s180的治疗前后的效果对比图，其中图9a1、a2、a3分别为生理盐水组、c70(oh)29、c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4对小鼠肉瘤s180的治疗前的图片；图9b1、b2、b3分别为生理盐水组、c70(oh)29、c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4对小鼠肉瘤s180的治疗后的图片。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中，通式为c2n(oh)x(aminoacid)y水溶性富勒烯纳米材料，羟基数目及氨基酸数目均为加权平均值，是通过元素分析及热重分析综合计算所得。

实施例1、c70(oh)x(aminoacid)y的合成

(1)富勒醇c70(oh)29的合成

在甲苯溶液中将c70与浓度为50％的naoh溶液混合，加入少量相转移催化剂四甲基氢氧化铵(tbah)，搅拌24h，加入乙醇沉淀产物后透析除过量naoh，得到产物c70(oh)29，冷冻干燥保存。

(2)c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4的合成

将naoh与丝氨酸的碱溶液(其中naoh质量分数为33％，丝氨酸与naoh的摩尔比是1:4)与乙醇混合，逐滴加入到c70(丝氨酸与c70的摩尔比为100:1)的甲苯溶液中，搅拌过夜(12h)，除去上层甲苯层，下层产物透析除过量naoh，冷冻干燥保存。

实施例2、c70(oh)x(aminoacid)y修饰的羟基及氨基酸数

(1)测定c70(oh)29的羟基数

根据元素分析(flashea1112)结果：c53.55％，h3.19％，n<0.3％，结合热重分析、微商热重分析曲线(如图1所示)计算c70(oh)x的羟基数目。从热重分析可知，c70(oh)x固体粉末中含11.8％的水，约为10个水分子，结合元素分析中h含量推算属于羟基中的h含量为1.87％，由此可计算c70(oh)x中羟基数目为29。

(2)测定c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4的羟基及丝氨酸数

根据元素分析(flashea1112)结果：c47.99％，h3.21％，n2.68％，结合热重分析、微商热重分析曲线(如图2所示)计算c70(oh)x(ch2ohchnhcooh)y修饰的羟基及丝氨酸数目。从热重分析可知，c70(oh)x(ch2ohchnhcooh)y固体粉末中含12.8％的水，约为15个水分子，结合元素分析中n含量与c含量的比值，可推算碳笼表面修饰了4个丝氨酸分子。再根据元素分析所测粉末h总量与h2o及丝氨酸中h含量的差值，可计算得羟基数目为13，所以该产物的平均分子式为c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4。

实施例3、水溶性富勒烯纳米材料水合粒径的测定

取少量本发明实施例1制备的c70(oh)29及c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4粉末溶于水配成稀溶液，由于分子间相互作用，c70(oh)29及c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4在水中团聚成纳米颗粒，形成水合粒径在1～200nm的颗粒。

采用动态光散射(dls，zetasizernanozsp)测定了在ph＝7.0的纯水中纳米颗粒的水合粒径，c70(oh)29及c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4的平均粒径分别为136.4±0.5nm及134.7±0.4nm，参见图3。

采用高分辨原子力显微镜(4bioscienceafm)测定了c70(oh)29及c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4纳米颗粒在水中团聚的尺寸约为40nm和60nm，参见图4。两种独立方法得到颗粒尺寸的差异主要是由于测定的原理及意义不同，dls得到的粒径受纳米颗粒周围溶剂分子影响较为显著。

实施例4、c70(oh)29及c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4对小鼠肝癌肿瘤的治疗效果

动物品系：balb/c雌鼠，5周，体重在16-20g之间。

肿瘤模型：小鼠肝癌h22瘤株

实验分组：药物a组：c70(oh)29；药物b组：c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4(c70-ser)；对照组：生理盐水

给药方式：静脉注射

给药剂量：5mg/ml，注射0.15ml

实验方法：皮下接种100μl浓度为5×10⁷/ml的h22肝癌细胞。生长约5-7天后，肿瘤尺寸达到50-100mm³进行实验。对药物a组和b组分别通过尾静脉注射c70(oh)29及c70-ser这两种药物150μl于荷瘤鼠体内，注射药物10分钟后，施加射频(200mhz，5mw)治疗1h。对照组注射同等剂量的生理盐水。观察治疗前后肿瘤部位的变化，实验结束后取小鼠脏器及肿瘤，用4％的多聚甲醛固定液固定。

实验结果：对比药物组和对照组(图5和图6)能明显发现，治疗后肿瘤部位发生了明显的变黑，随着时间的延长，肿瘤部位变黑更为明显。在本实施例中只观察到治疗后24h，解剖小鼠肿瘤发现肿瘤内部出现大量出血现象，这主要是由于肿瘤血管较正常组织血管有很大不同，肿瘤血管的内皮细胞间隙较大、结构不完整，导致肿瘤血管通常包含有大量纳米尺度的小孔，富勒烯颗粒能嵌入这些小孔破坏肿瘤血管，从而导入肿瘤内部大量出血，切断了肿瘤组织的营养供应，进而抑制了肿瘤的生长。从he染色切片(图7)可知，c70(oh)29及c70-ser治疗后，肿瘤细胞大量坏死凋零，而对照组肿瘤细胞则呈现旺盛生长的趋势。而且从短期观察看，c70(oh)29及c70-ser这两种药物对小鼠各器官未造成明显的损伤，参照图8。说明本发明水溶性富勒烯纳米材料对肝癌肿瘤有明显的抑制效果。

实施例4、c70(oh)29及c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4对小鼠肉瘤的治疗效果

动物品系：balb/c雌鼠，5周，体重在16-20g之间。

肿瘤模型：小鼠肉瘤s180瘤株

实验分组：药物a组：c70(oh)29；药物b组：c70(oh)13(ch2ohchnhcooh)4(c70-ser)；对照组：生理盐水

给药方式：静脉注射

给药剂量：5mg/ml，注射0.15ml

实验方法：皮下接种100μl浓度为5×10⁷/ml的s180肉瘤细胞。生长约5-7天后，肿瘤尺寸达到50-100mm³进行实验。对药物a组和b组分别通过尾静脉注射c70(oh)29及c70-ser这两种药物150μl于荷瘤鼠体内，注射药物10分钟后，随后施加射频(200mhz，5mw)治疗1h。对照组注射同等剂量的生理盐水。观察治疗前后肿瘤部位的变化。实验结束时取小鼠脏器及肿瘤，用4％的多聚甲醛固定液固定。

实验结果：对比药物组和对照组(图9)能明显发现，治疗前后肿瘤部位发生了明显的变黑，说明本发明c70(oh)29及c70-ser这两种药物对小鼠肉瘤也有较好的治疗效果。