本发明属于无机纳米材料和分子影像学技术领域，涉及一种巨噬细胞装载的不同表面电荷的超小金纳米棒的制备及其应用。
背景技术
近年来，基于无机纳米材料的近红外诊疗平台广泛的应用于癌症的诊断和治疗，其中包括碳材料，半导体材料，贵金属材料等。金纳米材料尤其是金纳米棒由于其特殊的性质包括较大的吸收截面积、有效的光热转换效率、可协调的纵向等离子波长、高的化学稳定性、低毒性而在众多的近红外诊疗平台中赢得了广泛的关注。
超小的金纳米棒应用于癌症的诊疗还有一些隐藏的优点：(1)超小金纳米棒的纵向表面等离子体的吸收峰可以随着金纳米棒的长径比和整体尺寸的变化进行调控，主要集中在650-1350nm；(2)该区域的光几乎不被组织和血液吸收，因而具有更高的组织穿透性；(3)研究发现，金纳米棒的吸收-散射比随着直径的减小而增加。直径小于10nm的金纳米棒是以吸收为主导的。因此，超小的金纳米棒具有更有效的光热转化效率；(4)利用au-s键之间的强相互作用，可以对超小的金纳米棒进行表面修饰使其成为可应用于生物医学的非常有趣的材料。(5)小粒径的纳米粒子进入生物体后能够更好的躲避网状内皮系统(res)即肝脏、脾脏等截留，更好地到达肿瘤部位。(6)小粒径的金纳米棒能够及时的从身体内清除，降低潜在的生物毒性。
近年来，研究发现巨噬细胞介导的药物或纳米颗粒的递送在癌症治疗中具有很大的潜力，因为巨噬细胞可以穿过一般纳米粒子不可渗透的生物屏障到达肿瘤乏氧区。同时，基于巨噬细胞先天性的吞噬能力可以更容易的负载药物和纳米颗粒。另外，巨噬细胞作为一种免疫细胞可以躲避机体免疫系统的截留，更好的到达肿瘤乏氧区。
光声成像技术结合了组织纯光学成像和组织纯声学成像的优点，可以得到高对比度和高分辨率的重建图像，且具有无副作用的优点，为生物组织的无损检测技术提供了一种重要检测手段，正逐步成为生物组织无损检测邻域的一个新的研究热点。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种巨噬细胞担载不同表面电荷的au纳米棒及其制备方法和应用，该巨噬细胞担载不同表面电荷的au纳米棒具有良好的靶向肿瘤乏氧区的能力，可以应用在光声、ct影像介导的光热、光动力治疗药物上，实现诊疗一体化。
本发明的另一个目的是提供一种不同表面电荷超小金纳米棒的制备方法。利用au-s键之间的强相互作用，以一端带巯基另一端带不同基团的巯基聚乙二醇与超小金纳米棒进行配体交换，得到不同表面电荷的超小金纳米棒。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种巨噬细胞担载不同表面电荷的au纳米棒的制备方法，将一端带有巯基另一端带不同基团的巯基聚乙二醇与超小金纳米棒进行配体交换，得到不同表面电荷的超小金纳米棒，然后用不同表面电荷的超小金纳米棒对巨噬细胞进行孵育，得到巨噬细胞担载不同表面电荷的au纳米棒。
优选地，超小金纳米棒的长度≤25nm，宽≤6nm。
优选地，一端带有巯基另一端带不同基团的巯基聚乙二醇分别为hs-peg、hs-peg-cooh和hs-peg-n3，所述的不同表面电荷的超小金纳米棒的制备方法包括以下步骤：
(1)分别在无种子法制备的超小金纳米棒溶液中加入分子量为2000的hs-peg、hs-peg-cooh和hs-peg-n3，超声，搅拌处理后固液分离，分别得到第一沉淀物、第二沉淀物和第三沉淀物；
(2)分别取分子量为2000的hs-peg、hs-peg-cooh和hs-peg-n3，溶于二次水中，再溶于无水乙醇中，分别得到hs-peg乙醇溶液、hs-peg-cooh乙醇溶液和hs-peg-n3乙醇溶液；用hs-peg乙醇溶液、hs-peg-cooh乙醇溶液和hs-peg-n3乙醇溶液分别溶解第一沉淀物、第二沉淀物和第三沉淀物，得到表面带中性电荷的超小金纳米棒、表面带负电荷的超小金纳米棒以及含叠氮基团的超小金纳米棒；
(3)将含叠氮基团的超小金纳米棒和带有炔基的季铵盐混合均匀，在cui的催化下，搅拌反应，得到表面带正电荷的超小金纳米棒。
上述无种子法制备的超小金纳米棒可以采用现有技术中的无种子制备的方法。
优选地：
步骤(1)中，巯基聚乙二醇采用巯基聚乙二醇溶液，超小金纳米棒溶液和巯基聚乙二醇溶液的体积比为10～50:1，超小金纳米棒溶液的浓度为1mg/ml，巯基聚乙二醇溶液的浓度为5～50mg/ml；进一步优选超小金纳米棒和巯基聚乙二醇的质量比为2:1；
步骤(2)中，巯基聚乙二醇、二次水和无水乙醇的用量之比为5～50mg:1～5ml:10～50ml，进一步优选步骤(2)中二次水和无水乙醇的用量之比为1ml:6～15ml，更进一步优选二次水和无水乙醇的用量之比为1ml:9ml；
步骤(3)中，表面带正电荷的超小金纳米棒前驱体与季铵盐的摩尔比为1:20～60，进一步优选表面带正电荷的超小金纳米棒前驱体与季铵盐的摩尔比为1:20～40。
优选地，步骤(3)中cui的使用量与步骤(1)中超小金纳米棒的用量之比为0.5～4mg:10～50mg，进一步优选步骤(3)中cui的使用量与步骤(1)中超小金纳米棒的用量之比为1mg:10～50mg。
优选地：
步骤(1)中超声处理时间为1～4h，超声功率为0.1～2kw，搅拌时间为6～16h，搅拌速率为200～500rpm，进一步优选步骤(1)中的超声处理时间为1.5～2h，搅拌时间为10～12h：
步骤(2)中超声处理时间为1.5～4h，超声功率为0.1～2kw，搅拌时间为6～16h，搅拌速率为200～500rpm，进一步优选步骤(2)中超声处理时间为1.5～2h，搅拌时间为10～12h；
步骤(1)和步骤(2)中的固液分离采用离心分离法，搅拌采用玻璃磁子搅拌；
步骤(3)中搅拌时间为12～48h，搅拌速率为200～500rpm，进一步优选步骤(3)中搅拌时间为12～16h。
优选地，步骤(3)中的季铵盐的制备方法包括以下步骤：
(a)将1,6-二溴己烷和乙腈混合搅拌并缓慢升温加热；
(b)保持加热温度，将三乙胺和甲苯混合均匀后缓慢滴入，搅拌后旋蒸，用乙醚洗涤，再旋蒸，得到第一产物；
(c)将第一产物和乙腈混合并在室温下搅拌；
(d)将n,n-二甲基炔丙胺和甲苯混合均匀后缓慢滴入步骤(c)的混合溶液中，搅拌反应，旋蒸，用乙醚洗涤，再旋蒸，得到所述的季铵盐。
优选地：
步骤(a)和步骤(b)中，1,6-二溴己烷、乙腈、三乙胺和甲苯的用量之比为0.1～1mol:10～20ml:5～20ml:5～20ml，优选1,6-二溴己烷、乙腈、三乙胺和甲苯的用量之比为0.1mol:16ml:10ml:10ml。
步骤(a)中升温至60℃，步骤(b)中三乙胺和甲苯混合均匀后缓慢滴入时，保持在60℃；
步骤(c)和步骤(d)中，第一产物、乙腈、n,n-二甲基炔丙胺和甲苯的用量之比为0.01～0.1mol:5～25ml:0.005～0.5mol:5～25ml，进一步优选第一产物、乙腈、n,n-二甲基炔丙胺和甲苯的用量之比为0.01mol:16ml:0.05mol:16ml，步骤(d)中搅拌反应12～24h，进一步优选搅拌反应时间为24h。
优选地，采用以下方法用不同表面电荷的超小金纳米棒对巨噬细胞进行孵育：
将巨噬细胞在培养皿中培养后，分别用不同表面电荷的超小金纳米棒的溶液孵育巨噬细胞，将上清液弃去后，用pbs清洗，然后用胰酶消化后，离心除去上清液。
具体地：
将处于对数生长期的巨噬细胞(raw264.7)消化、离心分散在完全培养基中，以1×104～1×106的密度铺到10×10的培养皿中。当细胞长至8～12h时，分别用antionic-aunrs(表面带负电荷的超小金纳米棒)、neutral-aunrs(表面带中性电荷的超小金纳米棒)和cationic-aunrs(表面带正电荷的超小金纳米棒)孵育细胞12-20h，然后将材料吸出，用2-3mlpbs清洗3次，再用2-3ml胰酶将细胞消化下来，离心除去上清液得到巨噬细胞担载不同表面电荷的au纳米棒。
一种巨噬细胞担载不同表面电荷的au纳米棒，采用上述方法制备得到；分别为巨噬细胞担载表面带正电荷的超小金纳米棒、巨噬细胞担载表面带中性荷的超小金纳米棒和巨噬细胞担载表面带负电荷的超小金纳米棒。
上述巨噬细胞担载不同表面电荷的au纳米棒在靶向肿瘤乏氧区的光声成像造影剂和/或靶向肿瘤乏氧区光热疗法药物上的应用。
优选将巨噬细胞担载表面带负电荷的超小金纳米棒用在靶向肿瘤乏氧区的光声成像造影剂和/或靶向肿瘤乏氧区光热疗法药物上。
经过筛选发现，巨噬细胞对表面带负电荷的超小金纳米棒吞噬效果最好，并且巨噬细胞担载的超小金纳米棒不仅可以在靶向肿瘤乏氧区的光声成像造影剂上得到应用，而且可以用于光热治疗中，同时提高小鼠存活率和降低肿瘤复发率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过对超小的金纳米棒进行配体交换，改变其表面电荷，得到3种不同表面电荷的超小金纳米棒，同时用巨噬细胞装载不同表面电荷的超小金纳米棒，从而得到一种能够靶向肿瘤乏氧区的诊疗试剂。
(2)本发明制备的巨噬细胞装载的超小金纳米棒，具有良好的升温效果，可以作为光声成像造影剂，同时又具备良好的光热治疗的效果能够抑制肿瘤的复发，是一种实现肿瘤诊疗一体化的纳米材料。
(3)本发明的合成过程简单，成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例2所制备的三种不同表面电荷的超小金纳米棒的透射电子显微镜图。
图2为本发明实施例2所制备的三种不同表面电荷的超小金纳米棒的电位图。
图3为本发明实施例2所制备的三种不同表面电荷的超小金纳米棒的对巨噬细胞和人脐静脉内皮细胞的细胞毒性图。
图4为本发明实施例3所制备的不同表面电荷超小金纳米棒被巨噬细胞吞噬后的生物电镜图。
图5为本发明实施例3所制备的不同表面电荷超小金纳米棒的细胞光热成像图。
图6为本发明实施例3所制备的不同表面电荷超小金纳米棒的细胞光声成像图。
图7为本发明实施例3所制备的表面带负电荷超小金纳米棒和巨噬细胞吞噬负电荷超小金纳米棒的活体光热成像图。
具体实施方式
一种巨噬细胞担载不同表面电荷的au纳米棒的制备方法，将一端带有巯基另一端带不同基团的巯基聚乙二醇与超小金纳米棒进行配体交换，得到不同表面电荷的超小金纳米棒，然后用不同表面电荷的超小金纳米棒对巨噬细胞进行孵育，得到巨噬细胞担载不同表面电荷的au纳米棒。
优选地，超小金纳米棒的长度≤25nm，宽≤6nm。
优选地，一端带有巯基另一端带不同基团的巯基聚乙二醇分别为hs-peg、hs-peg-cooh和hs-peg-n3，所述的不同表面电荷的超小金纳米棒的制备方法包括以下步骤：
(1)分别在无种子法制备的超小金纳米棒溶液中加入分子量为2000的hs-peg、hs-peg-cooh和hs-peg-n3，超声，搅拌处理后固液分离，分别得到第一沉淀物、第二沉淀物和第三沉淀物；
(2)分别取分子量为2000的hs-peg、hs-peg-cooh和hs-peg-n3，溶于二次水中，再溶于无水乙醇中，分别得到hs-peg乙醇溶液、hs-peg-cooh乙醇溶液和hs-peg-n3乙醇溶液；用hs-peg乙醇溶液、hs-peg-cooh乙醇溶液和hs-peg-n3乙醇溶液分别溶解第一沉淀物、第二沉淀物和第三沉淀物，得到表面带中性电荷的超小金纳米棒、表面带负电荷的超小金纳米棒以及含叠氮基团的超小金纳米棒；
(3)将含叠氮基团的超小金纳米棒和带有炔基的季铵盐混合均匀，在cui的催化下，搅拌反应，得到表面带正电荷的超小金纳米棒。
上述无种子法制备的超小金纳米棒可以采用现有技术中的无种子制备的方法。
优选地：
步骤(1)中，巯基聚乙二醇采用巯基聚乙二醇溶液，超小金纳米棒溶液和巯基聚乙二醇溶液的体积比为10～50:1，超小金纳米棒溶液的浓度为1mg/ml，巯基聚乙二醇溶液的浓度为5～50mg/ml；进一步优选超小金纳米棒和巯基聚乙二醇的质量比为2:1；
步骤(2)中，巯基聚乙二醇、二次水和无水乙醇的用量之比为5～50mg:1～5ml:10～50ml，进一步优选步骤(2)中二次水和无水乙醇的用量之比为1ml:6～15ml，更进一步优选二次水和无水乙醇的用量之比为1ml:9ml；
步骤(3)中，表面带正电荷的超小金纳米棒前驱体与季铵盐的摩尔比为1:20～60，进一步优选表面带正电荷的超小金纳米棒前驱体与季铵盐的摩尔比为1:20～40。
优选地，步骤(3)中cui的使用量与步骤(1)中超小金纳米棒的用量之比为0.5～4mg:10～50mg，进一步优选步骤(3)中cui的使用量与步骤(1)中超小金纳米棒的用量之比为1mg:10～50mg。
优选地：
步骤(1)中超声处理时间为1～4h，超声功率为0.1～2kw，搅拌时间为6～16h，搅拌速率为200～500rpm，进一步优选步骤(1)中的超声处理时间为1.5～2h，搅拌时间为10～12h：
步骤(2)中超声处理时间为1.5～4h，超声功率为0.1～2kw，搅拌时间为6～16h，搅拌速率为200～500rpm，进一步优选步骤(2)中超声处理时间为1.5～2h，搅拌时间为10～12h；
步骤(1)和步骤(2)中的固液分离采用离心分离法，搅拌采用玻璃磁子搅拌；
步骤(3)中搅拌时间为12～48h，搅拌速率为200～500rpm，进一步优选步骤(3)中搅拌时间为12～16h。
优选地，步骤(3)中的季铵盐的制备方法包括以下步骤：
(a)将1,6-二溴己烷和乙腈混合搅拌并缓慢升温加热；
(b)保持加热温度，将三乙胺和甲苯混合均匀后缓慢滴入，搅拌后旋蒸，用乙醚洗涤，再旋蒸，得到第一产物；
(c)将第一产物和乙腈混合并在室温下搅拌；
(d)将n,n-二甲基炔丙胺和甲苯混合均匀后缓慢滴入步骤(c)的混合溶液中，搅拌反应，旋蒸，用乙醚洗涤，再旋蒸，得到所述的季铵盐。
优选地：
步骤(a)和步骤(b)中，1,6-二溴己烷、乙腈、三乙胺和甲苯的用量之比为0.1～1mol:10～20ml:5～20ml:5～20ml，优选1,6-二溴己烷、乙腈、三乙胺和甲苯的用量之比为0.1mol:16ml:10ml:10ml。
步骤(a)中升温至60℃，步骤(b)中三乙胺和甲苯混合均匀后缓慢滴入时，保持在60℃；
步骤(c)和步骤(d)中，第一产物、乙腈、n,n-二甲基炔丙胺和甲苯的用量之比为0.01～0.1mol:5～25ml:0.005～0.5mol:5～25ml，进一步优选第一产物、乙腈、n,n-二甲基炔丙胺和甲苯的用量之比为0.01mol:16ml:0.05mol:16ml，步骤(d)中搅拌反应12～24h，进一步优选搅拌反应时间为24h。
优选地，采用以下方法用不同表面电荷的超小金纳米棒对巨噬细胞进行孵育：
将巨噬细胞在培养皿中培养后，分别用不同表面电荷的超小金纳米棒的溶液孵育巨噬细胞，将上清液弃去后，用pbs清洗，然后用胰酶消化后，离心除去上清液。
具体地：
将处于对数生长期的巨噬细胞(raw264.7)消化、离心分散在完全培养基中，以1×104～1×106的密度铺到10×10的培养皿中。当细胞长至8～12h时，分别用antionic-aunrs(表面带负电荷的超小金纳米棒)、neutral-aunrs(表面带中性电荷的超小金纳米棒)和cationic-aunrs(表面带正电荷的超小金纳米棒)孵育细胞12-20h，然后将材料吸出，用2-3mlpbs清洗3次，再用2-3ml胰酶将细胞消化下来，离心除去上清液得到巨噬细胞担载不同表面电荷的au纳米棒。
一种巨噬细胞担载不同表面电荷的au纳米棒，采用上述方法制备得到；分别为巨噬细胞担载表面带正电荷的超小金纳米棒、巨噬细胞担载表面带中性荷的超小金纳米棒和巨噬细胞担载表面带负电荷的超小金纳米棒。
上述巨噬细胞担载不同表面电荷的au纳米棒在靶向肿瘤乏氧区的光声成像造影剂和/或靶向肿瘤乏氧区光热疗法药物上的应用。
优选将巨噬细胞担载表面带负电荷的超小金纳米棒用在靶向肿瘤乏氧区的光声成像造影剂和/或靶向肿瘤乏氧区光热疗法药物上。
经过筛选发现，巨噬细胞对表面带负电荷的超小金纳米棒吞噬效果最好，并且巨噬细胞担载的超小金纳米棒不仅可以在靶向肿瘤乏氧区的光声成像造影剂上得到应用，而且可以用于光热治疗中，同时提高小鼠存活率和降低肿瘤复发率。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
带有炔基的季铵盐的制备：
(1)将0.1mol的1,6-二溴己烷和16ml乙腈混合搅拌并缓慢升温至60℃。优选的，1,6-二溴己烷为0.1mol，乙腈为16ml。
(2)保持在60℃下，10ml三乙胺和10ml甲苯混合均匀后缓慢滴入(1)中，并搅拌24小时,旋蒸，用乙醚洗涤若干遍，再旋蒸，得到产物1。
(3)将0.01mol的产物1和16ml乙腈混合在室温下搅拌。
(4)将0.05moln,n-二甲基炔丙胺和16ml甲苯混合均匀后缓慢滴入(3)的混合溶液中，搅拌反应24h，旋蒸，用乙醚洗涤若干遍，再旋蒸，得到带有炔基的季铵盐。
实施例2
超小金纳米棒的改性：
(1)取30ml的1mg/ml无种子法制备的超小金纳米棒溶液三份，向其中分别加入1ml25mg/ml分子量为2000的hs-peg、hs-peg-cooh、hs-peg-n3，超声处理2小时，再加入玻璃磁子搅拌12h，12h后以14800rpm离心，除去上清液；
(2)再分别称取25mg分子量为2000的hs-peg、hs-peg-cooh、hs-peg-n3先溶于2ml二次水中，再溶于18ml的无水乙醇中，用相应的含有peg的乙醇水溶液溶解步骤(1)中离心得到的沉淀，超声2小时，再加入玻璃磁子搅拌12h，12h后以14800rpm离心，除去上清液，再水洗两遍，得到表面带负电荷和中性电荷的超小金纳米棒以及表面带正电荷的超小金纳米棒前驱体；
(3)再将(2)制得的aunr-peg-n3(表面带正电荷的超小金纳米棒前驱体)和带有炔基的季铵盐以1:40的摩尔比混合均匀，在cui的催化下，搅拌反应12h，得到表面带正电荷的超小金纳米棒。
三种不同表面电荷的超小金纳米棒的透射电镜图见图1，从左到右依次为表面带负电荷的超小金纳米棒、表面带中性电荷的超小金纳米棒以及表面带正电荷的超小金纳米棒。从图中可以看出，不同表面电荷的超小金纳米棒长约为20nm，宽约为5nm。其电位图如图2所示，电位分别为-33.7mv、-1.80mv和+21.5mv。三种不同表面电荷的超小金纳米棒的对巨噬细胞和人脐静脉内皮细胞的细胞毒性图见图3，从图中可以看出表面带负电荷和中性电荷的超小金纳米棒细胞毒性很小，几乎可以忽略不计，而表面带正电荷的超小金纳米棒的细胞毒性相对较大。
实施例3
巨噬细胞装载的超小金纳米棒：
将处于对数生长期的巨噬细胞(raw264.7)消化、离心分散在完全培养基中，以1×105的密度铺到10×10的培养皿中。当细胞长至12h时，分别用1-10ml不同浓度(0、5、10、25、50μg/ml)(每组3个平行样)的antionic-aunrs、neutral-aunrs和cationic-aunrs孵育细胞12h，然后将材料吸出，用2mlpbs清洗3次，再用2ml胰酶将细胞消化下来，离心除去上清液得到巨噬细胞装载的超小金纳米棒。
不同表面电荷超小金纳米棒被巨噬细胞吞噬后的生物电镜图如图4所示，从图中可以看出巨噬细胞对表面带负电荷的超小金纳米棒的吞噬量远远高于中性电荷的超小金纳米棒。
不同表面电荷超小金纳米棒的细胞光热成像图如图5所示，由图中可以看出吞噬了表面带负电荷的巨噬细胞的升温效果显著高于空白对照组和吞噬了中性电荷的巨噬细胞组。
不同表面电荷超小金纳米棒的细胞光声成像图如图6所示，可以明显的观察到，吞噬了表面带负电荷的超小金纳米棒具有显著的光声信号。
表面带负电荷超小金纳米棒和巨噬细胞吞噬负电荷超小金纳米棒的活体光热成像图如图7所示，巨噬细胞装载的超小金纳米棒组的小鼠肿瘤部位的升温效果更加显著，即具有优异的靶向性。
本发明制备方法简单，所得的超小金纳米棒拥有很好的近红外吸收并且巨噬细胞表现出对表面带负电荷的超小金纳米棒具有更高的吞噬量。同时，巨噬细胞能够携带超小金纳米棒靶向到肿瘤的乏氧区，在近红外激光的照射下能够达到彻底根治肿瘤的目的。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。