一种热电异质结纳米材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及生物医药技术领域，具体涉及一种热电异质结纳米材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.癌症是目前威胁人类生命的最大杀手之一。手术是临床治疗实体瘤最直接有效的方法。然而，临床癌症的手术治疗面临两大问题：无法完全切除肿瘤细胞导致后期癌症复发与手术过程中的伤口感染。因此，开发有效便捷的癌症手术联合治疗策略是临床提高癌症治愈率与患者生存率的关键。
3.光疗，包括光热治疗与光动力治疗是联合手术治疗的有效手段。其中手术联合光热治疗主要将光热制剂喷涂手术创面，在一定波长的激光照射下，利用光热制剂的光热转化效应实现对残留肿瘤细胞与感染细菌的热消融；手术联合光动力治疗是将光敏剂喷涂手术创面，同样利用一定波长的激光持续照射创面一定时间，利用光敏剂产生的活性氧(单线态氧(1o2)、超氧负离子(
·o2-)、羟基自由基(
·
oh)等)实现对残留肿瘤细胞与感染细菌的进一步杀伤。然而，无论是光热联合治疗还是光动力联合治疗，都需要在一定波长激光长时间照射，不仅需要引入能够发射特定波长的激光器，增加手术复杂度，而且使得手术时间延长增加患者风险。
4.因此，开发高效、便捷、安全的手术联合治疗策略是肿瘤临床治疗领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种热电异质结纳米材料及其制备方法和应用，该热电异质结纳米材料代替光热制剂或光敏剂，无需任何体外激光照射，仅利用环境与体温之间的温度差高效产生大量的活性氧，包括超氧负离子(
·o2-)与羟基自由基(
·
oh)，在不增加任何手术设备、时长、复杂度的情况下，实现对残留肿瘤细胞与感染细菌的高效清除。
6.为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
7.本发明第一方面提供一种热电异质结纳米材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
8.(a)将铋盐、锑盐和碲盐分散于含有氢氧化钠的乙二醇中，得到混合液，然后，再将混合液置于220～250℃下进行反应，得到bst纳米片；
9.(b)将铋氧化物、碲氧化物和锡氧化物分散于含有氢氧化钠的乙二醇中，得到混合液，然后，再将混合液置于180～210℃下进行反应，得到bts纳米片；
10.(c)将bst纳米片和bts纳米片置于水中，再依次进行超声、搅拌处理，经离心收集沉淀，即得所述热电异质结纳米材料。
11.优选地，所述步骤(a)中，铋盐、锑盐和碲盐中铋、锑、碲元素的摩尔比为1∶(2.8～3.2)∶(5.5～6.5)。
12.优选地，所述铋盐为bi(no3)
3 5h2o：锑盐为sbcl3：碲盐为na2teo3。优选地，所述步骤(a)和(b)中，反应时间分别为6～10h。
13.优选地，所述步骤(a)和(b)中，含有氢氧化钠的乙二醇中氢氧化钠的浓度为2～3mol/l。
14.优选地，所述步骤(b)中，铋氧化物、碲氧化物和锡氧化物中铋、碲、锡元素的摩尔比为(9～11)∶(12～16)∶(1～2)。
15.优选地，所述铋氧化物为bi2o3：碲氧化物为teo2：硒氧化物为seo2。
16.优选地，所述步骤(a)中的铋盐与步骤(b)中的铋氧化物中铋元素的摩尔比为1∶(0.8～1.2)。
17.本发明第二方面提供一种热电异质结纳米材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
18.(1)将铋盐、锑盐和碲盐分散于含有氢氧化钠的乙二醇中，得到混合液，然后，再将混合液置于220～250℃下进行反应，得到bst纳米片；
19.(2)将bst纳米片、铋氧化物、碲氧化物和锡氧化物分散于含有氢氧化钠的乙二醇中，得到混合液，然后，再将混合液置于180～210℃下进行反应，得到所述热电异质结纳米材料。
20.优选地，所述步骤(1)中，铋盐、锑盐和碲盐中铋、锑、碲元素的摩尔比为1∶(2.8～3.2)∶(5.5～6.5)；
21.优选地，所述铋盐为bi(no3)
3 5h2o：锑盐为sbcl3：碲盐为na2teo3。
22.优选地，所述步骤(2)中，铋氧化物、碲氧化物和锡氧化物中铋、碲、锡元素的摩尔比为(9～11)∶(12～16)∶1；
23.优选地，所述铋氧化物为bi2o3：碲氧化物为teo2：硒氧化物为seo2；
24.优选地，所述步骤(1)中的铋盐与步骤(2)中的铋氧化物中铋元素的摩尔比为1∶(0.8～1.2)；
25.优选地，所述步骤(1)和(2)中，反应时间分别为6～10h；
26.优选地，所述步骤(1)和(2)中，含有氢氧化钠的乙二醇中氢氧化钠的浓度为2～3mol/l。
27.本发明第三方面提供一种上述制备方法制得的热电异质结纳米材料。
28.本发明第四方面提供一种上述制备方法制得的热电异质结纳米材料在制备联合手术治疗癌症的药物中的应用。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
30.本发明热电异质结纳米材料利用界面内电场介导高效激发电子与空穴分离并聚集到不同材料的导带与价带，实现了最大程度的激发电子与空穴的有效分离，保障了后期催化活性氧的生产效率；本发明热电异质结纳米材料可代替光热制剂或光敏剂，无需任何体外激光照射，仅利用环境与体温之间的温度差高效产生大量的活性氧，包括超氧负离子(
·o2-)与羟基自由基(
·
oh)，在不增加任何手术设备、时长、复杂度的情况下，实现对残留肿瘤细胞与感染细菌的高效清除，有效降低肿瘤复发和手术感染风险；此外，本发明热电异质结纳米材料成本低廉，制备程序简单。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
32.图1为本发明实施例4的bst/bts纳米片的催化生成氧负离子(
·o2-)与羟基自由基(
·
oh)的原理图；
33.图2为本发明实施例1的bst纳米片的tem图；
34.图3为本发明实施例2的bts纳米片的tem图；
35.图4为本发明实施例4的bst/bts纳米片的tem图；
36.图5为本发明bst、bts、bst/bts纳米片的xps扫描图谱；
37.图6为本发明bst、bts、bst/bts纳米片的xrd扫描图谱；
38.图7为本发明bst和bts的热电转化效率图；
39.图8为本发明bst、bts、bst/bts催化产生羟基自由基效率图；
40.图9为本发明bst、bts、bst/bts催化产生超氧阴离子效率图；
41.图10为本发明bst、bts、bst/bts在25度-37度温度差催化肿瘤细胞凋亡情况；
42.图11为本发明bst/bts联合手术治疗的肿瘤生长曲线图；
43.图12为本发明bst/bts联合手术治疗的伤口愈合图；
44.图13为本发明bst/bts联合手术治疗的伤口愈合he染色图；
45.图14为本发明bst/bts联合手术治疗的伤口愈合姬姆萨染色图。
具体实施方式
46.下面将结合实施例对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
47.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
48.实施例1
49.本实施例为一种p型热电材料(bst纳米片)的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
50.称取1.5mmol的sbcl3、0.5mmol的bi(no3)
3 5h2o、3mmol的na2teo3、2ml naoh(5mol/l)溶液依次加入到40ml的乙二醇中，置于800rpm的磁力搅拌器中剧烈搅拌30min，然后将上述溶液密封于100ml的聚四氟乙烯罐中，在马弗炉230℃反应8h，反应结束后，取出上述反应溶液，水浴超声30min，5000rpm离心5min，收集上清去除沉淀，然后将上清用15000rpm离心10min，去除上清收集沉淀，再用10ml的超纯水重新超声悬浮沉淀，再利用15000rpm离心10min，去除上清收集沉淀，连续洗涤三次，收集沉淀，即得bst纳米片；将上述收集的bst纳米片置于真空干燥箱中，60℃干燥12h后，置于4℃冰箱保存备用。
51.实施例2
52.本实施例为一种n型热电材料(bts纳米片)的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
53.称取0.5mmol的bi2o3、1.35mmol的teo2、0.15mmol的seo2、2ml naoh(5mol/l)溶液依次加入到40ml的乙二醇中，置于800rpm的磁力搅拌器中剧烈搅拌30min，然后将上述溶液密封于100ml的聚四氟乙烯罐中，在马弗炉200℃反应8h，反应结束后，取出上述反应溶液，水浴超声30min，5000rpm离心5min，收集上清去除沉淀，然后将上清用15000rpm离心10min，去除上清收集沉淀，再用10ml的超纯水重新超声悬浮沉淀，再利用15000rpm离心10min，去除上清收集沉淀，连续洗涤三次，收集沉淀，即得bts纳米片；将上述收集的bts纳米片置于真空干燥箱中，60℃干燥12h后，置于4℃冰箱保存备用。
54.实施例3
55.本实施例为一种pn型热电异质结纳米材料(bst/bts纳米片)的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
56.按照bst纳米片和bts纳米片中铋元素摩尔比为1∶1，称取实施例1中制得的bst纳米片与实施例2中制得的bts纳米片依次加入到20ml超纯水中，置于水浴持续超声处理30min，然后转移到800rpm的磁力搅拌器中剧烈搅拌12h，反应结束后，取出上述反应溶液，水浴超声30min，10000rpm离心5min，收集沉淀去除上清，即得bst/bts纳米片；将上述收集的bst/bts纳米片置于真空干燥箱中，60℃干燥12h后，置于4℃冰箱保存备用。
57.实施例4
58.本实施例为一种pn型热电异质结纳米材料(bst/bts纳米片)的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
59.按照bst纳米片与氧化铋中铋元素摩尔比为1∶1，称取实施例1中制得的bst纳米片、0.5mmol的bi2o3、1.35mmol的teo2、0.15mmol的seo2、2ml naoh(5mol/l)溶液依次加入到40ml的乙二醇中，置于800rpm的磁力搅拌器中剧烈搅拌30min，然后将上述溶液密封于100ml的聚四氟乙烯罐中，在马弗炉200℃反应8h，反应结束后，取出上述反应溶液，水浴超声30min，5000rpm离心5min，收集上清去除沉淀，然后将上清用15000rpm离心10min，去除上清收集沉淀，再用10ml的超纯水重新超声悬浮沉淀，再利用15000rpm离心10min，去除上清收集沉淀，连续洗涤三次，收集沉淀，即得bst/bts纳米片；将上述收集的bst/bts纳米片置于真空干燥箱中，60℃干燥12h后，置于4℃冰箱保存备用。
60.上述制备得到的bst/bts纳米片催化生成氧负离子(
·o2-)与羟基自由基(
·
oh)的原理如图1所示。
61.实验例
62.1、对实施例1制得bst纳米片、实施例2制得的bts纳米片以及实施例4制得的bst/bts纳米片的理化性质进行检测；
63.对实施例1制得bst纳米片、实施例2制得的bts纳米片以及实施例4制得的bst/bts纳米片进行透射电镜(tem)表征分析，结果如图2～4所示，
64.图2为bst纳米片的tem图，图3为bts纳米片的tem图，图4为bst/bts纳米片的tem图；图2～4的标尺均为100nm；
65.由图2～4可知，实施例1制得bst纳米片、实施例2制得的bts纳米片以及实施例4制得的bst/bts纳米片粒径大小在150～200nm之间，粒径均一，分散性好。
66.对实施例1制得bst纳米片、实施例2制得的bts纳米片以及实施例4制得的bst/bts纳米片进行x射线光电子能谱(xps)表征分析，结果如图5所示，
67.由图5可知，实施例1所得的bst纳米片包含bi、sb、te等特征元素；实施例2所得的bts纳米片包含bi、te、se等特征元素；实施例4所得的bst/bts纳米片包含bi、sb、te、se等特征元素；证明上述实施例1、2、4成功制得bst纳米片、bts纳米片、bst/bts纳米片。
68.对实施例1制得bst纳米片、实施例2制得的bts纳米片以及实施例4制得的bst/bts纳米片进行晶体结构x射线衍射(xrd)表征分析，结果如图6所示，
69.由图6可知，实施例1所得的bst纳米片为斜方六面体bst结构(jcpds 49-1713)；实施例2所得的bts纳米片为斜方六面体bts结构(jcpds 50-0954)；实施例4所得的bst/bts纳米片同时包含斜方六面体bst结构(jcpds 49-1713)和斜方六面体bts结构(jcpds 50-0954)；表明具有较高晶体纯度的bst纳米片与bts纳米片的成功制备，以及bst/bts异质结的成功合成。
70.2、对实施例1制得bst纳米片、实施例2制得的bts纳米片的热电转化效率测定；
71.为了评价热电性能，首先在真空气氛下，在50mpa压力下，在523k下压制块状试样；导热系数(κ)的计算公式为:κ＝dcpd，其中d为热扩散系数，cp为热容，d为密度。用linseis xfa 457在高纯度氦气氛下检测了热扩散率(d)。然后，将样品切成直径8毫米，厚度2毫米的薄圆盘。密度(d)用阿基米德排水法测定。利用杜隆-佩蒂定律得到了热容(cp)。样品的电导率和塞贝克系数随温度变化而变化，在低压he气氛下使用商用zem3,ulvacriko,inc.仪器同时测量。最终热电转化效率如图7所示；
72.由图7可知，bst纳米片、bts纳米片都具有较高的热电转化效率。
73.3、对实施例1制得bst纳米片、实施例2制得的bts纳米片以及实施例4制得的bst/bts纳米片的热电催化性能测定；
74.对实施例1所得的bst纳米片、实施例2所得的bts纳米片、实施例4所得的bst/bts纳米片进行催化水氧化生产
·
oh性能与效率测试，测试方法为：将15l的亚甲基蓝(mb，1mg/ml)和150l的过氧化氢(h2o2，1mm)溶解于3ml的pbs缓冲液中搅拌混合均匀，向上述反应液加入终浓度为50g/ml的实施例1所得的bst纳米片或实施例2所得的bts纳米片或实施例4所得的bst/bts纳米片，然后将上述反应液置于室温下搅拌1小时；然后将上述反应液置于循环加热制冷设备中(gc-100,hangzhou youning instrument co.,ltd)25摄氏度-37摄氏度循环加热冷却3个循环，并于每个循环结束后利用紫外可见分光光度计检测反应体系中mb浓度来衡量催化水氧化产生
·
oh能力。结果如图8所示；
75.由图8可知，bst纳米片与bts纳米片都具有很好的热电催化水氧化产生
·
oh性能，而且bst/bts异质结显示出最高的热电催化水氧化产生
·
oh性能，进一步证明了bst/bts异质结通过抑制激发电子与空穴分离大大提高了热电材料的热电催化效率。
76.对实施例1所得的bst纳米片、实施例2所得的bts纳米片、实施例4所得的bst/bts纳米片进行催化氧气还原生产
·o2-性能与效率测试，测试方法为：将1l的二氢罗丹明(dhr123，1mm)溶解于3ml的pbs缓冲液中搅拌混合均匀，向上述反应液加入终浓度为50g/ml的实施例1所得的bst纳米片或实施例2所得的bts纳米片或实施例4所得的bst/bts纳米片，然后将上述反应液置于室温下搅拌1小时。然后将上述反应液置于循环加热制冷设备中(gc-100,hangzhou youning instrument co.,ltd)25摄氏度-37摄氏度循环加热冷却3个循环，并于每个循环结束后利用荧光光度计检测反应体系中dhr123浓度来衡量催化氧气还原生产
·o2-能力；结果如图9所示。
77.由图9可知，bst纳米片与bts纳米片都具有很好的热电催化氧气还原生产
·o2-性能，而且bst/bts异质结显示出最高的热电催化氧气还原生产
·o2-性能，进一步证明了bst/bts异质结通过抑制激发电子与空穴分离大大提高了热电材料的热电催化效率。
78.4、对实施例1的bst纳米片、实施例2的bts纳米片、实施例4的bst/bts纳米片热电催化诱导肿瘤细胞凋亡性能测定；
79.对实施例1所得的bst纳米片、实施例2所得的bts纳米片、实施例4所得的bst/bts纳米片进行热电催化诱导人乳腺癌细胞mcf-7凋亡性能测试，测试方法为：将mcf-7细胞以每孔8
×
103个细胞的密度接种于96孔板并培养12小时。用pbs洗涤一次后，将细胞与梯度浓度(0、25、50、100g/ml)的bst纳米片或bts纳米片或bst/bts纳米片分别孵育5小时。用pbs洗涤后，将上述细胞置于循环加热制冷设备中(gc-100,hangzhou youning instrument co.,ltd)25摄氏度-37摄氏度循环加热冷却1个循环，最后使用cell counting kit-8(cck-8)孵育2小时，在450nm波长处测量吸光度，进行标准细胞活力测定以确定相对细胞活力，结果如图10所示。
80.由图10可知，实施例1所得的bst纳米片、实施例2所得的bts纳米片利用自身热电转化性能产生的活性氧能够有效诱导肿瘤细胞凋亡，而且由于异质结介导的高效的激发电子与空穴分离效率使得相同浓度下的bst/bts纳米片具有最高的肿瘤细胞杀伤性能。
81.5、bst/bts纳米片动物体内联合手术治疗性能测定
82.对实施例4所得的bst/bts纳米片进行动物体内联合手术治疗性能测试，测试方法为：通过皮下注射1
×
106mcf-7细胞，在实验小鼠中建立了人乳腺癌模型。当肿瘤体积长至100mm3之后，根据双盲原理，将小鼠随机分为3组(n＝5)：(1)手术切除组(surgery)，(2)手术切除后喷涂水凝胶组(surgery+hydrogel)，(3)手术切除后喷涂含有bst/bts纳米片的水凝胶组(surgery+bst/bts@hydrogel)。每隔一天记录小鼠的肿瘤复发情况。根据以下公式计算肿瘤体积：体积＝长度
×
(宽度)2/2；结果如图11所示。
83.由图11可知，单纯的手术切除之后，虽然尽可能的切除了肿瘤组织，但是残留的肿瘤细胞会在短时间内迅速复发，且呈现快速增长模式，即使对切除伤口进行水凝胶喷涂处理也不能很好的抑制肿瘤的复发。但是当在手术切除之后，在手术切口处喷涂含有bst/bts异质结的水凝胶可以有效阻止肿瘤的复发，其主要原因在于bst/bts水凝胶自身温度与动物体温存在温度差，此温度差能够激发热电材料bst和bts的电子空穴分离，并分别催化氧气还原与水氧化，产生大量的活性氧自由基，从而诱导肿瘤细胞凋亡，而且在bst/bts异质结加强的激发电子与空穴分离效率的作用下，进一步增强了bst/bts异质结杀伤残存肿瘤细胞和抑制肿瘤复发的能力。
84.6、bst/bts纳米片动物体内手术伤口抗感染和促愈合性能测定：
85.对实施例4所得的bst/bts纳米片进行动物体内手术伤口抗感染和促愈合性能测试，测试方法为：首先在balb/c小鼠背部利用手术剪建立一个直径在10mm的伤口模型，并在伤口处滴加20ml的金黄色葡萄球菌溶液(1x108cfu)建立伤口感染模型。根据双盲原理，将小鼠随机分为3组(n＝5)：(1)对照组(contro)，(2)水凝胶组(hydrogel)，(3)含有bst/bts纳米片的水凝胶组(bst/bts@hydrogel)。每隔一天记录小鼠的伤口愈合情况，结果如图12所示；
86.由图12可知，与对照组相比，水凝胶能够保持伤口含水量以及微弱的杀菌性能能
够微弱的促进伤口愈合。含有bst/bts异质结的水凝胶处理组实现了最快速的伤口愈合，其主要原因在于bst/bts水凝胶自身温度与动物体温存在温度差，此温度差能够激发热电材料bst和bts的电子空穴分离，并分别催化氧气还原与水氧化，产生大量的活性氧自由基，从而有效杀伤金黄色葡萄球菌，而且在bst/bts异质结加强的激发电子与空穴分离效率的作用下，进一步增强了bst/bts异质结杀伤金黄色葡萄球菌和促进伤口抗感染与愈合的能力。
87.此外，通过一定时间对伤口的he染色和姬姆萨染色，he染色结果如图13所示，姬姆萨染色如图14所示，粉红箭头代表细菌；
88.由图13可知，染色结果进一步证明了bst/bts水凝胶快速促进伤口愈合；
89.由图14可知，姬姆萨染色也证明了bst/bts水凝胶通过异质结增强的热电催化性能能够有效杀伤伤口感染细菌，加快伤口愈合。
90.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。