一种单层二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及新型纳米复合材料领域，特别涉及一种单层二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

磁共振成像具有无辐射损伤的生物安全性，可向任意方位断层扫描的技术灵活性，加以涵盖质子密度、弛豫、化学位移等多参数特征以及高空间分辨率和高对比度的技术优势，已经成为当代临床诊断中最有力的检测手段之一。磁共振成像主要是通过空间位置依赖性的梯度磁场实现对人体组织中氢质子的空间定位，再通过对氢质子磁共振信号的采集、处理及图像重建实现人体成像。人体组织之间的信号强度差异形成了成像对比度，为了突出显示不同组织之间的差异，尤其是正常组织与病变组织之间的差别，除了设计特殊的脉冲序列外，使用被称为“造影剂”的试剂被认为是一种有效提高磁共振成像对比度和清晰度的方法。铁酸锌纳米粒子具有独特的超顺磁性、低的细胞毒性和磁共振信号敏感性等优点，在磁共振成像造影剂方面表现出良好的应用前景。

自2010年andregeim和konstantinnovoselov因石墨烯的研究获得诺贝尔物理学奖以来，类石墨烯过渡金属硫化物ms2(m＝mo、w、nb和ta等)因其独特的物理化学性质受到了人们的广泛关注。其中，单层二硫化钼具有大的比表面积和显著的电子特性，在催化剂、 场效应晶体管和锂离子电池方面表现出广阔的应用空间，但在生物医学领域的研究报道还比较少见。二硫化钼具有和石墨烯类似的密排六方结构，层与层间通过弱的范德华力连接，并且可以通过简单的液相剥离法、超声辅助剥离法或锂离子插层剥离法制备出稳定的单层或少层的二硫化钼分散液，这为二硫化钼纳米片应用于生物医学领域奠定了重要基础。此外，teo等人采用wst-8法和mtt法研究了二硫化钼纳米片对人肺泡上皮细胞(a549)的毒性效果。结果表明，a549细胞在样品最大浓度400μg/ml时培育24h后仍保持80％以上的细胞存活率，证实单层二硫化钼在高样品浓度下对a549细胞仍表现出低的细胞毒性。重要的是，二硫化钼具有大的比表面积，结合良好的水溶液分散性和低的细胞毒性使其在高效药物载体方面呈现出良好的应用前景，这一观点已被2014年advancedmaterials期刊上刘庄课题组首次报道的聚乙二醇功能化二硫化钼纳米片应用于肿瘤的光疗和化疗的研究工作所证实。

现代生物医学要求对疾病进行影像诊断的同时施加治疗，而铁酸锌纳米粒子用作药物载体还需要在提高载药能力、改善药物治疗效果和延长体内滞留时间等方面做进一步的研究和发展。设计和构建新型二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料能够联合单层二硫化钼良好的载药能力和铁酸锌纳米粒子显著的磁共振成像效果。制备的纳米复合材料不仅可以负载高剂量的抗癌药物，而且可以实时追踪药物在体内的运输和分布以及评估药物对疾病的诊疗效果，这对于癌症和其它重大疾病的早期诊断和及时治疗具有重要的理论意义和临床价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种单层二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料，通过在单层二硫化钼纳米片表面均匀修饰粒径为4-15nm的磁性铁酸锌纳米粒子，制得的纳米复合材料具有良好的水溶液分散性、合适的饱和磁化强度和可控的横向弛豫效率，并可同时作为磁共振成像造影剂和可控药物载体，实现磁共振成像指导下的药物靶向释放和疗效实时评估。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种单层二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料，其特征在于：由二硫化钼纳米片和铁酸锌纳米粒子组成，其中，所述铁酸锌纳米粒子均匀修饰在二硫化钼纳米片表面，所述二硫化钼纳米片为层状剥离结构。

进一步的技术在于，所述铁酸锌纳米粒子的直径为4-15nm，其形状为球形或六面体状，所述二硫化钼纳米片厚度为0.3-50nm，其尺寸为0.5-5μm，其质量百分含量为0.5-90％。

进一步的技术在于，所述的一种单层二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料在较宽的浓度范围内具有较小的细胞毒性。

进一步的技术在于，包括以下步骤：

(1)氨基化二硫化钼的制备

将二硫化钼粉末加入去离子水中，超声振荡0.5-12h；其反应产物用去离子水洗涤三遍，离心收集，然后置于真空干燥箱中干燥24h，得到二硫化钼纳米片；取真空干燥的二硫化钼纳米片再分散于去离子水中，加入与二硫化钼纳米片成比例计量的氨基改性剂，机械搅拌或 超声振荡1-4h后离心分离，其反应产物用无水乙醇醇洗三次，置于真空干燥箱中干燥24h，得到氨基化二硫化钼；

(2)羧基化铁酸锌纳米粒子的制备

将成比例计量的三价铁盐和二价锌盐溶解于去离子水中，用氮气鼓泡法将其搅拌均匀后升温至60℃，逐渐滴加碱性调节剂使反应体系ph值为10-14，反应0.5-2h后加热至90℃，继续反应1-4h，其反应产物用去离子水和乙醇分别冲洗三遍，置于真空干燥箱中干燥24h，得到铁酸锌纳米粒子，取真空干燥的铁酸锌纳米粒子分散于去离子水中，然后加入与铁酸锌纳米粒子成比例计量的羧基改性剂，机械搅拌或超声振荡1-4h，其反应产物用无水乙醇醇洗三次，置于真空干燥箱中干燥24h，得到羧基化铁酸锌纳米粒子；

(3)单层二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料的制备

将成比例计量的氨基化二硫化钼和羧基化铁酸锌纳米粒子分散于乙醇/水混合溶剂中，加入与二硫化钼纳米片成比例计量的催化剂后机械搅拌或超声振荡2-12h，其反应产物用无水乙醇醇洗三次，真空干燥24h即得单层二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料。

进一步的技术在于，所述步骤(1)中所使用的氨基改性剂为γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷、l-半胱氨酸、聚甲烯酰胺、聚乙亚胺或聚天冬酰胺中的一种，其中二硫化钼纳米片和氨基改性剂的质量比为1-20:1。

进一步的技术在于，所述步骤(2)中所使用的三价铁盐为铁的硝酸盐、氯化物、硫酸盐、草酸盐、醋酸盐、硝酸盐水合物、氯化物水 合物、硫酸盐水合物、草酸盐水合物、醋酸盐水合物中的一种，所使用的二价锌盐为锌的硝酸盐、氯化物、硫酸盐、草酸盐、醋酸盐、硝酸盐水合物、氯化物水合物、硫酸盐水合物、草酸盐水合物、醋酸盐水合物中的一种，其中三价铁盐和二价锌盐的摩尔比为1:0.5-1.9

进一步的技术在于，所述步骤(2)中所使用的碱性调节剂是氨水、乙醇胺水溶液、氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液中的一种。

进一步的技术在于，所述步骤(2)中所使用的羧基改性剂为聚丙烯酸、二巯基琥珀酸、羧甲基纤维素、羧甲基甲壳素、羧甲基壳聚糖、海藻酸钠、丁香酸中的一种，其中铁酸锌纳米粒子和羧基改性剂的质量比为1-20:1。

进一步的技术在于，所述步骤(3)中所使用的催化剂为n,n'-二环己基碳酰亚胺、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/n-羟基丁二酰亚胺、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/4-二甲氨基吡啶中的一种，其中二硫化钼纳米片和催化剂的质量比为1-10:1。

进一步的技术还在于，所述的一种单层二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料可同时作为磁共振成像造影剂和可控药物载体，并可实现在磁共振成像指导下的药物智能释放和疗效实时评估，同时基于该纳米复合材料的药物传输体系可在磁场引导下到达并富集在病灶部位，从而提高病变部位的药物浓度和改善诊疗效果。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明具有能耗小、成本低和产率高的优点；利用氨基改性剂和羧基改性剂分别对二硫化 钼和铁酸锌进行表面功能化改性，通过氨基和羧基形成酰胺键的反应将铁酸锌纳米粒子可控组装在二硫化钼纳米片表面，二硫化钼纳米片在复合体系中呈单层剥离结构，无严重堆砌和层叠现象的发生；纳米复合材料可同时作为磁共振成像造影剂和可控药物载体，实现在磁共振成像指导下的药物智能释放和疗效实时评估，并可通过改变复合材料中二硫化钼和铁酸锌的相对含量实现磁共振成像效果和药物负载能力的可控调节；同时基于该纳米复合材料的药物传输体系可在磁场引导下到达并富集在病灶部位，从而达到提高病变部位的药物浓度和改善诊疗效果的目的。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例一中复合材料的透射电镜图；

图2是本发明实施例一中复合材料的x-射线衍射图；

图3是本发明实施例一中复合材料的室温磁滞回线；

图4-a是本发明实施例一中复合材料的载药量；

图4-b是本发明实施例一中复合材料的药物释放曲线图；

图5是本发明实施例一中复合材料的磁共振成像图及t2弛豫率与铁离子浓度关系图；

图6是本发明实施例一中复合材料的mtt细胞毒性数据图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

(1)氨基化二硫化钼的制备

将1000ml的三口烧瓶中加入10g商用二硫化钼粉末，750ml去离子水，置于低功率超声槽中，超声振荡6h；其反应产物用去离子水洗涤三遍，离心收集，然后置于真空干燥箱中干燥24h，得到二硫化钼纳米片；取0.25g真空干燥的二硫化钼纳米片再分散于200ml去离子水中，加入0.25gγ-氨基丙基三乙氧基硅烷，超声振荡2h后离心分离，无水乙醇醇洗三次，置于真空干燥箱中干燥24h，得到氨基化二硫化钼；

(2)羧基化铁酸锌纳米粒子的制备

在1000ml的三口烧瓶中将12.12gfe(no3)3·9h2o和4.46gzn(no3)2·6h2o溶解于750ml去离子水，用氮气鼓泡30min将其搅拌均匀后升温至60℃，逐渐滴加150ml2.5m的氢氧化钠溶液使反应体系ph值为12，反应1h后加热至90℃，继续反应2h，反应完成后，通过磁铁将黑色悬浮液分离，其产物用去离子水和乙醇分别冲洗三遍，置于真空 干燥箱中干燥24h，得到铁酸锌纳米粒子；取0.25g真空干燥的铁酸锌纳米粒子分散于100ml去离子水中，然后加入0.25g聚丙烯酸，超声振荡2h后磁铁分离，无水乙醇醇洗三次，置于真空干燥箱中干燥24h，得到羧基化铁酸锌纳米粒子；

(3)二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料的制备

将上述步骤所得氨基化二硫化钼和羧基化铁酸锌纳米粒子分散于200ml乙醇/水混合溶剂中，加入0.5gn,n'-二环己基碳酰亚胺后机械搅拌6h，磁铁分离，无水乙醇醇洗三次，真空干燥24h即得二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料。其中二硫化钼在复合材料中所占的质量百分比分数为50％。

实施例2

(1)氨基化二硫化钼的制备

将1000ml的三口烧瓶中加入5.0g商用二硫化钼粉末，750ml去离子水，置于低功率超声槽中，超声振荡6h；其反应产物用去离子水洗涤三遍，离心收集，然后置于真空干燥箱中干燥24h，得到二硫化钼纳米片；取0.25g真空干燥的二硫化钼纳米片再分散于200ml去离子水中，加入0.25gγ-氨基丙基三乙氧基硅烷，超声振荡2h后离心分离，无水乙醇醇洗三次，置于真空干燥箱中干燥24h，得到氨基化二硫化钼；

(2)羧基化铁酸锌纳米粒子的制备

在1000ml的三口烧瓶中将12.12gfe(no3)3·9h2o和4.46gzn(no3)2·6h2o溶解于750ml去离子水，用氮气鼓泡30min将其搅拌均匀后升 温至60℃，逐渐滴加150ml2.5m的氢氧化钠溶液使反应体系ph值为12，反应1h后加热至90℃，继续反应2h，反应完成后，通过磁铁将黑色悬浮液分离，其产物用去离子水和乙醇分别冲洗三遍，置于真空干燥箱中干燥24h，得到铁酸锌纳米粒子；取0.5g真空干燥的铁酸锌纳米粒子分散于1000ml去离子水中，然后加入0.5g聚丙烯酸，超声振荡2h后磁铁分离，无水乙醇醇洗三次，置于真空干燥箱中干燥24h，得到羧基化铁酸锌纳米粒子；

(3)二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料的制备

将上述步骤所得氨基化二硫化钼和羧基化铁酸锌纳米粒子分散于300ml乙醇/水混合溶剂中，加入0.75gn,n'-二环己基碳酰亚胺后机械搅拌4h，磁铁分离，无水乙醇醇洗三次，真空干燥24h即得二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料。其中二硫化钼在复合材料中所占的质量分数为33.3％。

实施例3

(1)氨基化二硫化钼的制备

将1000ml的三口烧瓶中加入5g商用二硫化钼粉末，750ml去离子水，置于低功率超声槽中，超声振荡6h；其反应产物用去离子水洗涤三遍，离心收集，然后置于真空干燥箱中干燥24h，得到二硫化钼纳米片；取0.25g真空干燥的二硫化钼纳米片再分散于200ml去离子水中，加入0.25gγ-氨基丙基三乙氧基硅烷，超声振荡2h后离心分离，无水乙醇醇洗三次，置于真空干燥箱中干燥24h，得到氨基化二硫化钼；

(2)羧基化铁酸锌纳米粒子的制备

在1000ml的三口烧瓶中将12.12gfe(no3)3·9h2o和4.46gzn(no3)2·6h2o溶解于750ml去离子水，用氮气鼓泡30min将其搅拌均匀后升温至60℃，逐渐滴加150ml2.5m的氢氧化钠溶液使反应体系ph值为12，反应1h后加热至90℃，继续反应2h，反应完成后，通过磁铁将黑色悬浮液分离，产物用去离子水和乙醇分别冲洗三遍，置于真空干燥箱中干燥24h，得到铁酸锌纳米粒子；取2.25g真空干燥的铁酸锌纳米粒子分散于450ml去离子水中，然后加入2.25g聚丙烯酸，超声振荡2h后磁铁分离，无水乙醇醇洗三次，置于真空干燥箱中干燥24h，得到羧基化铁酸锌纳米粒子；

(3)二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料的制备

将上述步骤所得氨基化二硫化钼和羧基化铁酸锌纳米粒子分散于400ml乙醇/水混合溶剂中，加入0.5gn,n'-二环己基碳酰亚胺后机械搅拌6h，磁铁分离，无水乙醇醇洗三次，真空干燥24h即得二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料。其中二硫化钼在复合材料中所占的质量分数为10％。

实施例4

(1)氨基化二硫化钼的制备

将1000ml的三口烧瓶中加入5g商用二硫化钼粉末，750ml去离子水，置于低功率超声槽中，超声振荡6h；其反应产物用去离子水洗涤三遍，离心收集，然后置于真空干燥箱中干燥24h，得到二硫化钼纳米片；取0.25g真空干燥的二硫化钼纳米片再分散于200ml去离 子水中，加入0.25gγ-氨基丙基三乙氧基硅烷，机械搅拌2h后离心分离，无水乙醇醇洗三次，置于真空干燥箱中干燥24h，得到氨基化二硫化钼；

(2)羧基化铁酸锌纳米粒子的制备

在1000ml的三口烧瓶中将12.12gfe(no3)3·9h2o和4.46gzn(no3)2·6h2o溶解于750ml去离子水，用氮气鼓泡30min将其搅拌均匀后升温至60℃，逐渐滴加150ml2.5m的氢氧化钠溶液使反应体系ph值为12，反应1h后加热至90℃，继续反应2h，反应完成后，通过磁铁将黑色悬浮液分离，产物用去离子水和乙醇分别冲洗三遍，置于真空干燥箱中干燥24h，得到铁酸锌纳米粒子；取5g真空干燥的铁酸锌纳米粒子分散于1000ml去离子水中，然后加入5.25g聚丙烯酸，超声振荡2h后磁铁分离，无水乙醇醇洗三次，置于真空干燥箱中干燥24h，得到羧基化铁酸锌纳米粒子；

(3)二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料的制备

将上述步骤所得氨基化二硫化钼和羧基化铁酸锌纳米粒子分散于500ml乙醇/水混合溶剂中，加入5.25gn,n'-二环己基碳酰亚胺后机械搅拌6h，磁铁分离，无水乙醇醇洗三次，真空干燥24h即得二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料。其中二硫化钼在复合材料中所占的质量分数为4.76％。

二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料的性能表征：

图1为实施例1中单层二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料的透射电镜照片。从图中可见，几近透明的二硫化钼纳米片完全剥离，没有自 由堆砌和层叠现象的发生。铁酸锌纳米粒子的平均尺寸在4-15nm之间，铁酸锌纳米粒子均匀地修饰在二硫化钼纳米片的表面，未见到严重团聚和自由散落粒子。

图2为实施例1中单层二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料的x-射线衍射图谱。从图中可观察到，在2θ＝30.1°、35.0°、42.6°、53.9°、56.8°和62.7°处出现强烈的特征衍射峰，分别对应铁酸锌标准数据(jcpdsno.22-1012)中的(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)晶面。此外，二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料基本显现出铁酸锌的特征衍射峰而未观察到二硫化钼的衍射峰，这主要是因为在化学自组装的过程中，铁酸锌纳米粒子在二硫化钼纳米片表面的附着和生长破坏了二硫化钼纳米片层的有序堆叠，导致二硫化钼纳米片在复合体系中呈无序剥离状态。

图3为实施例1中单层二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料的室温磁滞回线图。从图中可见，制备的纳米复合材料的磁化曲线上未出现明显的磁滞回线，剩磁和矫顽力基本为零，表明二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料在室温下具有超顺磁性，饱和磁化强度为38.9emu/g。

图4-a及4-b为实施例1中单层二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料的载药量和药物释放曲线图。从图中可知，制备的纳米复合材料的载药量具有浓度依赖性，饱和载药量达到了1.18mg/mg。此外，制备的纳米复合材料的药物释放行为呈现突释和缓释两个阶段，并且具有典型的ph敏感性，表明制备的二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料是一种良好的智能药物载体。

图5为实施案例1中单层二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料的磁共振成像照片以及相应的弛豫率与铁离子浓度关系图。从图中可知，制备的纳米复合材料的磁共振成像效果与铁离子的浓度有关，随着溶液中铁离子浓度的逐渐增大，样品的磁共振成像能力逐渐变强。样品的横向弛豫率r2达到了69.36femm^-1s^-1，证明制备的纳米复合材料是一种良好的t2造影剂。

图6为实施案例1中单层二硫化钼-铁酸锌纳米复合材料的细胞毒性图。从图中可知，mg-63细胞在最大浓度为150μg/ml的样品分散液中孵育24h后，它的细胞存活率仍在80％以上，证实制备的复合材料具有较小的细胞毒性和良好的生物相容性，为进一步的临床应用提供理论参考。