硫化氢智能响应的用于结肠癌的化疗、热疗的纳米材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种硫化氢智能响应的用于结肠癌的化疗、热疗的纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术：

结肠癌总的病发率位居全球第三位，但是其致死率却高居第二位，被公认为全球最常见的恶性肿瘤之一。因此，实现结肠癌的早期诊断，并提高结肠癌的治疗效果，具有重要的临床意义。姜黄素是一种具有高度生物相容性和可生物降解性的天然化学药物，对人体的健康具有广泛的治疗效果，单纯的姜黄素由于其高疏水性和差的生物利用度不能全身给药。因此，非常希望开发一种简单且有效的方法，能够将姜黄素结合到纳米载体中，且实现定点按需给药。金属有机骨架是一种新兴的混合晶体多孔材料。它具有大孔隙率，高表面积，可调形状和孔径以及可控表面等特点，成为药物分子输送和控制释放的强大平台。因此，我们发明一种包裹姜黄素的金属有机骨架纳米材料。

与传统结肠癌的诊断治疗方法相比较，近红外试剂具有诊疗一体化、非侵入性、副作用小等诸多优点，但是这类试剂存在一个极大的缺陷，就是经静脉给药以后，容易被正常组织截留，导致正常组织产生影像信号干扰，同时治疗的时候也会对正常组织产生创伤。因此，为了避免成像信号干扰，同时光热治疗时减小对正常组织的损伤，开发仅仅在肿瘤部位才能产生光声影像和光热治疗效果的智能近红外试剂具有重要的临床意义。

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硫化氢智能响应的用于结肠癌的化疗、热疗的纳米材料及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种硫化氢智能响应的用于结肠癌的化疗、热疗的纳米材料，其为聚乙烯吡咯烷酮修饰的包裹结肠癌化疗药物的铜基金属有机骨架纳米材料；该纳米材料可与结肠肿瘤部位的内源性硫化氢结合生成硫化铜，同时释放出化疗药物。

优选地，所述的化疗药物为用于结肠癌化疗的药物，包括姜黄素、5-氟尿嘧啶或阿霉素。进一步优选地，所述的化疗药物为姜黄素。

优选地，包裹化疗药物的铜基金属有机骨架材料的粒径大约为110nm。

本发明还提供一种硫化氢智能响应的用于结肠癌的化疗、热疗的纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)包裹化疗药物的铜基金属有机骨架材料的制备

(1-1)将乙酸铜与均苯三甲酸分别溶解到不同溶剂中，得到乙酸铜溶液和均苯三甲酸溶液，

(1-2)在反应器中加入姜黄素和及部分步骤(1-1)中的均苯三甲酸溶液，

(1-3)在加热并搅拌的条件下，将步骤(1-1)得到的乙酸铜溶液和剩余的均苯三甲酸溶液分别从注射泵的两个分开的通道中滴加入反应器中，

(1-4)滴加结束后，洗涤，得到包裹化疗药物的铜基金属有机骨架材料；

(2)聚乙烯吡咯烷酮修饰的包裹药物的铜金属有机骨架材料的制备

将聚乙烯吡咯烷酮加入到步骤(1-4)得到的包裹化疗药物的铜基金属有机骨架材料中，室温下搅拌，离心，洗涤，得到聚乙烯吡咯烷酮修饰的包裹药物的铜金属有机骨架材料，即为所述的硫化氢智能响应的用于结肠癌的化疗、热疗的纳米材料。

通过聚乙烯吡咯烷酮(pvp)修饰可以得到具有很好水溶性的包裹化疗药物的铜基金属有机骨架纳米材料，可用于结肠癌的化疗、热疗协同治疗。

优选地，步骤(1-1)中，乙酸铜和均苯三甲酸的摩尔比为3:2。

优选地，步骤(1-1)中，乙酸铜溶解于乙醇与二甲基甲酰胺体积比1：1的混合溶剂中；均苯三甲酸溶解于二甲基甲酰胺中。

优选地，姜黄素与均苯三甲酸的用量之比为1～5mg:21mg。

优选地：

步骤(1-2)中加入的均苯三甲酸溶液为全部均苯三甲酸溶液的50～100％；进一步优选步骤(1-2)中加入的均苯三甲酸溶液为全部均苯三甲酸溶液的50％；

步骤(1-3)中，加热的温度为45℃；

步骤(1-4)中，洗涤采用乙醇洗涤多次；

步骤(2)中，室温下搅拌的时间为30min。

优选地，步骤(2)中加入的聚乙烯吡咯烷酮与包裹化疗药物的铜基金属有机骨架材料的质量之比为0.25～2:1。

本发明还提供一种硫化氢智能响应的用于结肠癌的化疗、热疗的纳米材料在结肠癌的光声诊断和光热-化疗协同治疗药物上的应用。

优选地，该纳米材料与结肠肿瘤部位的内源性硫化氢反应生成硫化铜，近红外吸收明显增强，同时释放出化疗药物姜黄素，从而触发光声成像、光热治疗和化疗的功能。

本发明选用了易制备且大孔隙率，高表面积，可调形状和孔径以及可控表面的铜基金属有机骨架，利用以上特点我们将一种具有高度生物相容性和可生物降解性的化疗药物(优选天然化学治疗剂姜黄素)包裹在铜基金属有机骨架内。pvp包裹金属有机骨架能够提高材料的生物兼容性。pvp修饰的包裹结肠癌药物姜黄素的铜基金属有机骨架材料，通过静脉注射到达结肠肿瘤部位，与结肠肿瘤部位的内源性硫化氢反应生成硫化铜，近红外吸收明显增强，同时释放出化疗药物姜黄素，从而触发光声成像和光热治疗、化疗的功能。

pvp修饰的包裹结肠癌药物姜黄素的铜基金属有机骨架材料溶于溶液中进行材料光声与光热性能研究：

用硫氢化钠模拟结肠肿瘤部位的内源性硫化氢，将pvp修饰的包裹药物的铜基材料分散到水中，加入不同浓度的硫氢化钠响应后，通过透析将释放的姜黄素分离出来，利用高效液相色谱测姜黄素的释放量。

将pvp修饰的包裹药物的铜基金属有机骨架材料分散到水中，加入不同浓度的硫氢化钠响应后，利用紫外可见分光光度计测加入硫氢化钠前后的980nm处的近红外吸收。根据测试结果可以看出，980nm处的吸收明显增强。此外，利用光声仪器测试加入不同浓度硫氢化钠后的光声信号的强度。结果显示，加入硫氢化钠后光声信号明显增强，并随着硫氢化钠浓度增加，光声信号逐渐增强。同时，用光热成像仪测试加入不同浓度硫氢化钠的光热升温效果，结果显示，加入硫氢化钠后光热升温效果明显升高，并且，随着硫氢化钠的浓度增大，光热升温效果逐渐增加。

pvp修饰的包裹结肠癌药物姜黄素的铜基金属有机骨架材料在小鼠肿瘤光声诊断与治疗药物上的应用。

实验前，首先构建hct116小鼠肿瘤模型，将材料通过尾静脉注射到小鼠体内，利用光声仪器监测不同时间小鼠肿瘤部位的光声信号强度。结果显示材料在进入小鼠体内2h出现明显的光声信号，这说明材料与结肠肿瘤部位高表达的硫化氢反应生成了硫化铜，触发了光声成像的功能。

由以上可知，pvp修饰的包裹结肠癌药物姜黄素的铜基金属有机骨架材料用于对小鼠结肠癌进行诊断和治疗的药物时，直接通过静脉注射溶液状态的试剂，并借助光声成像仪与980nm激光器进行诊断治疗。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明利用结肠肿瘤部位具有高表达的内源性硫化氢这一特点，发明了包裹化疗药物(优选天然化学治疗剂姜黄素)的铜基金属有机骨架纳米材料，该纳米材料通过静脉注射到达结肠肿瘤部位后与肿瘤部位的内源性硫化氢结合生成硫化铜，同时释放化疗药物，触发光声成像、光热治疗与化疗的功能。

附图说明

图1为实施例1中各阶段产物的sem图谱，其中，图1a为包裹药物的铜基金属有机骨架的sem图谱，图1b为pvp修饰的包裹药物的铜基金属有机骨架材料的sem图谱。

图2为实施例1中制备得到的纳米材料的tem图谱，图2a为pvp修饰的包裹药物的铜基金属有机骨架材料的tem图谱，图2b为加入硫氢化钠溶液响应后的tem图谱。

图3为实施例1制得的pvp修饰的包裹药物的铜基金属有机骨架材料加入不同浓度硫氢化钠溶液后的近红外吸收图谱。3a为近红外吸收曲线图谱，3b为近红外980nm处的吸收值。

图4为实施例1制得的pvp修饰的包裹药物的铜基金属有机骨架材料加入不同浓度的硫氢化钠溶液后光声成像图谱。

图5为实施例1制得的pvp修饰的包裹药物的铜基金属有机骨架材料加入不同浓度的硫氢化钠溶液后光热升温效果图谱。

图6为实施例1制得的pvp修饰的包裹药物的铜基金属有机骨架材料在活体肿瘤中光声成像变化的伪彩图与光声信号值。

具体实施方式

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

一种硫化氢智能响应的用于结肠癌的化疗、热疗的纳米材料，其为聚乙烯吡咯烷酮修饰的包裹结肠癌化疗药物的铜基金属有机骨架纳米材料；该纳米材料可与结肠肿瘤部位的内源性硫化氢结合生成硫化铜，同时释放出化疗药物。

其制备方法如下：

(1)首先，称取30mg的乙酸铜溶于10ml二甲基甲酰胺与乙醇体积比1：1的混合溶液中，称取21mg均苯三甲酸溶于10ml二甲基甲酰胺中。取5ml上述配制的均苯三甲酸于反应器中同时加入3mg姜黄素混合，在45℃搅拌下，将10ml乙酸铜溶液和剩余5ml均苯三甲酸溶液从注射泵的两个分开的通道中加入反应器中，滴加结束后用乙醇洗涤3次，将洗涤后的材料分散到乙醇中，即得到包裹化疗药物的铜基金属有机骨架材料。

(2)将聚乙烯吡咯烷酮(pvp)与包裹药物的金属有机骨架纳米材料按质量比1:1混合，室温下搅拌30min。离心洗涤得到pvp修饰的包裹药物的铜基金属有机骨架材料。

图1a和图1b分别为包裹化疗药物的金属有机骨架纳米材料、pvp修饰的包裹药物的铜基金属有机骨架材料的sem，从图中可以看出包覆pvp前后该材料的结构没有发生变化，粒径几乎没有改变，大约为110nm。

图2a和图2b分别为pvp修饰的包裹药物的铜基金属有机骨架材料加入硫氢化钠前后的tem图，从图中可以看出材料在加入硫氢化钠后粒径由110nm减小到了15nm，表明加入硫氢化钠后，金属有机框架的结构被破坏。

实施例2

取一定量实施例1制得的pvp修饰的包裹结肠癌药物姜黄素的铜基金属有机骨架材料分散于去离子水中，并配制得到不同浓度的硫氢化钠，检测其近红外吸收曲线。

图3为pvp修饰的包裹结肠癌药物姜黄素的铜基金属有机骨架材料与不同浓度硫氢化钠响应后的近红外吸收，由图中可知材料在加入硫氢化钠后近红外980nm处的吸收明显增强。加入硫氢化钠前980nm处的吸收值大约为0.02，加入4mm硫氢化钠之后980nm处的吸收值大约为0.55，吸收值增加了25倍，并且随着硫氢化钠浓度的增大近红外980nm处的吸收逐渐增强。这是由于加入硫氢化钠后铜基金属有机骨架中的铜离子与硫离子结合生成具有较强近红外吸收的硫化铜。

实施例3

取一定量实施例1制得的pvp修饰的包裹结肠癌药物姜黄素的铜基金属有机骨架材料分散于去离子水中，并配制得到不同浓度的硫氢化钠，检测其光声信号的变化。

图4为pvp修饰的包裹结肠癌药物姜黄素的铜基金属有机骨架材料在加入不同浓度硫氢化钠响应后的溶液光声成像效果图，由图中可知材料在加入硫氢化钠后光声成像效果明显增强，并且随着硫氢化钠浓度的增大，光声效果呈现增强的趋势。当硫氢化钠增加到4mm时光声信号增加了6倍。这是由于加入硫氢化钠后铜基金属有机骨架中的铜离子与硫离子结合生成了硫化铜从而触发了光声成像的功能。

实施例4

取一定量实施例1制得的pvp修饰的包裹结肠癌药物姜黄素的铜基金属有机骨架材料分散于去离子水中，并配制得到不同浓度的硫氢化钠，检测其光热升温效果。光热实验是用980nm激光照射15min(1w/cm²).

图5为pvp修饰的包裹结肠癌药物姜黄素的铜基金属有机骨架材料与不同浓度硫氢化钠响应后溶液光热升温效果，由图中可知，随着硫氢化钠浓度的增大，光热升温效果逐渐增强。材料加入硫氢化钠溶液之前仅仅升高5℃，用于小鼠进行光热治疗时无法达到使肿瘤细胞消融的温度，而加入4mm硫氢化钠后的溶液升高了21℃，与没加入硫氢化钠相比升高了4倍，足以使肿瘤细胞消融。

实施例5

对小鼠构建hct116肿瘤模型，在肿瘤长到直径5mm，进行光声测试。我们对携带结肠癌的肿瘤鼠在注射pvp修饰的包裹结肠癌药物姜黄素的铜基金属有机骨架材料试剂前(空白组)，以及注射后1h、2h、4h、8h的肿瘤部位的光声信号以及成像效果进行监测。

从光声成像信号图(图6)可以看出，该试剂通过静脉注射到小鼠体内1h后在肿瘤部位观察到微弱的信号，2h时信号最强，2h后信号逐渐减弱。从光声成像的伪彩图能够更直观的看出光声成像的效果。并且从图中可以看出在周围组织中没有观察到明显的信号。该试剂只有通过静脉注射到达结肠肿瘤部位被结肠肿瘤部位富硫化氢触发后才能产生光声效果。因为正常组织硫化氢浓度很低，即使材料在正常器官中有截留也不会触发光声效果。通过实验结果可以看出该诊疗试剂具有优异的光声诊断效果，并且信噪比高，响应时间短等特点。

实施例6

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，化疗药物为5-fu(5-氟尿嘧啶)。

实施例7

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，化疗药物为dox(阿霉素)。

实施例8

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，步骤(1)姜黄素的用量为1mg。

实施例9

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，步骤(1)姜黄素的用量为5mg。

实施例10

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，步骤(1)中加入全部10ml均苯三甲酸溶液于反应器中与姜黄素混合，后续使用注射泵单独滴加乙酸铜溶液。

实施例11

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，步骤(1)中加入8ml均苯三甲酸溶液于反应器中与姜黄素混合。

实施例12

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，pvp与包裹化疗药物的铜基金属有机骨架材料的质量比为0.25:1。

实施例13

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，pvp与包裹化疗药物的铜基金属有机骨架材料的质量比为2:1。

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。