具有载药和杀伤癌细胞的纳米复合纤维薄膜的制备方法与流程

本发明涉及纳米功能材料技术领域，具体涉及一种具有载药和杀伤癌细胞的纳米复合纤维薄膜及其制备方法。

背景技术：

癌症是人类健康与生命最大的威胁之一，攻克癌症一直是全人类的梦想。随着纳米技术的飞速发展，科学家们设计制备出一系列基于纳米材料的药物控释体系，并用于肿瘤细胞的杀伤和癌症治疗。肿瘤最致命的不是那些处于“静态”的肿瘤细胞，而是能够“流动”的、“可扩散”的循环肿瘤细胞(CTCs)。有报道显示，超过90％的癌症死亡病例都是由肿瘤细胞从初始肿瘤位置向全身组织、器官的扩散导致的。由此可见，设计制备能够靶向杀伤循环肿瘤细胞的药物控释体系在临床治疗癌症方面具有深远的意义。

静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”)，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。静电纺丝以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一，而且是目前唯一一种可以制备连续纳米纤维技术。目前，利用静电纺丝技术不仅能实现多种纳米纤维材料包括聚合物、无机物、聚合物/聚合物复合物、聚合物/无机物复合物以及无机物/无机物复合物等的构筑，而且可以实现纤维多级粗糙结构、堆积密度、纤维直径、比表面积、连通性等结构特性的精细调控。静电纺丝纳米纤维应用范围非常广泛，如环保环境、新能源、医疗、生物组织工程、个人防护防卫、建筑家庭、净化过滤、传感等领域。

循环肿瘤细胞(CTCs)是指在进入人体血液循环系统中的肿瘤细胞。最新研究证明，除了从已形成的实体肿瘤病灶(原发灶，转移灶)脱落于血液外，肿瘤细胞在形成实体瘤病灶之前便有可能进入血液系统中。循环肿瘤细胞的数量和形态都可作为患者病情发展预判依据，如病情的确诊、术后监测、病理学研究等。因此早期发现血液中的CTC，对于患者预后判断、疗效评价和个体化治疗都有着重要的指导作用。然而要从外周血样中获取肿瘤细胞却是非常困难的。主要原因有两个：数量稀少、表面特异分子异构。此外，现有的技术都集中在捕获循环肿瘤细胞，王小章课题组利用三维仿生材料用于捕获循环肿瘤细胞(201610102092.3)，马兰课题组制备出一种水下透明二氧化硅纳米纤维基底的材料用于捕获循环肿瘤细胞(201510252929.4)，这些技术都集中在用不同基底的材料捕获循环肿瘤细胞，然而本发明旨在利用载有药物的纳米复合纤维薄膜捕获并杀死循环肿瘤细胞，把危害人体的循环肿瘤细胞有效的杀死。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是制备一种用于捕获并杀死循环肿瘤细胞的材料的制备方法，所述材料为复合纳米纤维材料，修饰后的复合纳米纤维材料具有能够捕获并杀死循环肿瘤细胞的能力。该复合材料具备载药系统，作为载药系统可以根据不同的PH值进行释放药物，最终促进了肿瘤细胞的失活，还能减少对正常组织的细胞毒性。

本发明的技术方案是：具有载药和杀伤癌细胞的纳米复合纤维薄膜的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一、将抗肿瘤药物修饰在金纳米颗粒表面上；

步骤二、将抗肿瘤药物与聚合物共纺纳米复合纤维薄膜；

步骤三、对纳米纤维薄膜进行改性，再修饰anti-EpCAM；

进一步的，所述步骤一具体为：在金纳米粒子胶体溶液加入巯基乙酸甲酯(MTG)，避光反应，将巯基乙酸甲酯修饰到金纳米粒子表面(AuNPs-MTG)。然后再向上述金溶液加入水合肼，然后在50℃搅拌，然后透析，冷冻干燥得到金纳米粒子粉末(AuNPs-NH-NH2)，分散在含有抗肿瘤药物的二甲基亚砜中，加入三乙胺，在氮气的保护下反应，然后透析、冷冻干燥得到修饰有抗肿瘤药物的金纳米粒子。

进一步的，所述步骤二具体为：将载有抗肿瘤药物的金纳米粒子粉末均匀分散在聚合物溶液中，聚合物溶液放入静电纺丝设备中，设置合适的电纺参数进行纺丝，得到具有一定厚度的纳米复合纳米纤维薄膜

进一步的，所述步骤三具体为：将纳米复合纤维薄膜表面接枝羧基官能团，将羧基功能化官能化的复合纳米纤维膜浸入含有N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)的1,4-二氧六环/水混合溶液中，室温孵育1小时。之后，将薄膜从溶液中取出，置于一张干净的盖玻片上，在薄膜上滴加5-10μL含有抗人上皮细胞粘附分子免疫球蛋白G(anti-EpCAM)的磷酸缓冲溶液，再用另一张干净的盖玻片盖好并轻轻挤压，使5-10μL溶液在膜上充分展开，之后将纤维膜于一定温度潮湿环境下储存24小时，制得抗体anti-EpCAM修饰的复合纳米纤维薄膜。

进一步的，所述步骤一中，所述的抗肿瘤药物可以是阿霉素、紫杉醇、卡莫斯汀、表柔比星。

进一步的，所述步骤二中，所述的聚合物溶液可为聚-甲基丙烯酸二甲胺基乙酯、壳聚糖、聚丙烯腈等。

本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明具有以下特点：

1.所制备的纳米复合纤维体系具有同时能够把循环肿瘤细胞捕获并杀死双重功能的优点；

2.制备载有抗肿瘤药物的纳米复合纤维体系具有特异性特定捕获循环肿瘤的特性；

3.纳米复合纤维体系借助肿瘤细胞自身周围环境的PH值可以自动释放抗肿瘤药物，达到杀死循环肿瘤细胞的目的。

附图说明

图1为本发明的复合纳米纤维抓捕循环肿瘤细胞示意图。

图2为本发明复合纳米纤维材料载药系统的TEM图。

图3为本发明复合纳米纤维材料载药系统的SEM图。

图中：

1.纳米复合纤维薄膜、2.癌细胞。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明一种具有载药和杀伤癌细胞双功能的纳米复合纤维薄膜的制备方法，该方法采用电纺技术制备出载有抗肿瘤药物的纳米复合纤维薄膜，并对纳米复合纤维薄膜进行羧基改性，然后表面上修饰抗-上皮细胞粘附分子蛋白，具体包括如下步骤：

步骤一、制备载有抗肿瘤药物的金纳米颗粒；

步骤二、将步骤一制备的金纳米颗粒与聚合物溶液混合后电纺制备纳米复合纤维薄膜；

步骤三、对步骤二、得到的纳米复合纤维薄膜进行羧基改性，再修饰anti-EpCAM，即得到具有载药和杀伤癌细胞双功能的纳米复合纤维薄膜。

所述步骤一具体为：在20-40mL金纳米粒子胶体溶液加入0.02-0.04μl巯基乙酸甲酯，避光反应20-26小时，将巯基乙酸甲酯修饰到金纳米粒子表面，然后再加入0.05-0.1μL水合肼，然后在50℃搅拌，然后透析，冷冻干燥得到金纳米粒子粉末，将1-2mg AuNPs-NH-NH₂分散4-8mL含有抗肿瘤药物浓度为1μg/mL的二甲基亚砜中，加入1-2μ了三乙胺，在氮气的保护下反应，然后透析、冷冻干燥得到修饰有抗肿瘤药物的金纳米粒子。

所述步骤二具体为：将0.25-1.0mg的载有抗肿瘤药物的金纳米粒子粉末均匀分散在100mg的聚合物溶液中，聚合物溶液放入静电纺丝设备中，设置电纺参数进行纺丝，得到纳米复合纤维薄膜。

所述步骤三具体为：将纳米复合纤维薄膜表面接枝羧基官能团，得到羧基功能化的纳米复合纤维膜，将羧基功能化的复合纳米纤维膜浸入含有N-羟基琥珀酰亚胺、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的1,4-二氧六环/水混合溶液中，室温孵育1小时，之后，将薄膜从溶液中取出，置于一张干净的盖玻片上，在薄膜上滴加5-10μL含有抗人上皮细胞粘附分子免疫球蛋白的磷酸缓冲溶液，再用另一张干净的盖玻片盖好并轻轻挤压，使5-10μL溶液在膜上充分展开，之后将纤维膜于4℃潮湿环境下储存24小时，制得抗体anti-EpCAM修饰的复合纤维薄膜。

所述步骤一中，所述的抗肿瘤药物包括阿霉素、紫杉醇、卡莫斯汀、表柔比星。

所述步骤二中，所述的聚合物溶液包括聚-甲基丙烯酸二甲胺基乙酯、壳聚糖、聚丙烯腈。所用的纳米纤维是含有羧基或通过改性连有羧基的聚合物，将抗-上皮细胞粘附分子蛋白上的氨基与纳米纤维上的羧基或改性后的羧基连接。

所述具有载药和杀伤癌细胞双功能的纳米复合纤维薄膜有效捕获循环肿瘤细胞，捕获效率达30-40％。所述具有载药和杀伤癌细胞双功能的纳米复合纤维薄膜在PH值为3.5-4.5的条件下会发生化学键的断裂，从而释放出抗肿瘤药物，并杀死捕获的循环肿瘤细胞。

实施例1：

(1)金纳米粒子的制备

将100mL含有0.01％HAuCl₄·3H₂O的水溶液加热并剧烈搅拌直至沸腾。向已沸腾的溶液内加入4mL 1％的柠檬酸钠。观察到溶液的颜色由深蓝变为酒红色后，使溶液再沸腾并搅拌。然后去掉加热源，并继续搅拌，这样就制得了直径为10-20nm左右的金纳米粒子的胶体溶液(AuNPs)。

(2)阿霉素修饰到金纳米粒子上

用上述金纳米粒子胶体溶液40mL，加入0.04μL巯基乙酸甲酯(methylthioglycolate,MTG)，避光反应。继续上述胶体金溶液里注入0.1μL的水合肼溶液，在50℃条件下搅拌，在纯水中透析3天，然后将溶液冷冻干燥，得到水合肼修饰的金纳米粒子粉末(AuNPs-NH-NH2)。取1mg制得的AuNPs-NH-NH2，分散在4mL含有阿霉素的二甲基亚砜(DMSO)中，加入1μL的三乙胺，在氮气保护下，50℃反应24小时。在纯水中透析3天(每6小时换水一次)，去除多余的没修饰上的阿霉素和溶剂DMSO，之后将溶液冷冻干燥得到了修饰有阿霉素的金纳米粒子(AuNPs-DOX)。

(3)包覆AuNPs-DOX的聚甲基丙烯酸二甲胺基乙酯纳米纤维(复合纳米纤维)的制备

取聚甲基丙烯酸二甲胺基乙酯(PDMAEMA)溶于丙酮，并将质量1.0mg的AuNPs-DOX粉末均匀分散在该聚合物溶液中。将聚合物溶液放入静电纺丝设备中，设置合适的电纺参数进行纺丝(注液速度:1mL/h；电压:15kV；纺丝距离:15cm；)。得到具有粉色的复合纳米纤维薄膜，命名为纳米复合纤维。

(4)复合纳米纤维的功能化

首先在纤维薄膜表面接枝羧基功能团，将复合纳米纤维薄膜剪碎与3-氯丙酸反应，使得复合纳米纤维羧基功能化。将羧基功能化的复合纳米纤维膜浸入含有N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)的1,4-二氧六环/水的混合溶液中，进行羧基的活化，室温孵育1小时。在薄膜上滴加10μL含有抗人上皮细胞粘附分子免疫球蛋白G(anti-EpCAM，100μg/mL)的磷酸缓冲溶液，再用干净的盖玻片盖好并轻轻挤压，使10μL溶液在膜上充分展开，之后将纤维膜于4℃、潮湿环境下储存24小时，制得抗体anti-EpCAM修饰的复合纳米纤维薄膜。

捕获及杀死MCF-7

将抗体修饰的复合纳米纤维薄膜放入24孔板中，肿瘤细胞MCF-7均匀分散在磷酸缓冲液中，然后依次取2mL细胞悬浮液加入到每个孔中。静置培养30分钟后，弃去细胞悬浮液并用磷酸缓冲溶液反复清洗3次，洗去未被捕捉到的肿瘤细胞后，在荧光共聚焦显微镜下计数。然后，将纤维膜浸没在细胞培养液中，继续对捕捉到的MCF-7在5％CO2、37℃再培养，24小时后，在荧光共聚焦显微镜下进行观察，并用MTT法检测MCF-7的存活率。可以观察到捕获的细胞已经死亡。

实施例2

(1)将修饰在Au纳米粒子上的阿霉素(Au-DOX)均匀分在聚丙烯腈溶液中进行共纺，得到包裹着Au-DOX的聚丙烯腈纳米纤维。称为复合纳米纤维。

(2)复合纳米纤维羧基化改性：将聚丙烯腈(PAN)纳米纤维，浸润在质量分数为20％的浓NaOH溶液中，50℃下水解。水解后的纳米纤维表面变成橘红色，并散发出刺激性气味。然后再将水解氧化后的纳米纤维膜放入质量分数为4％的盐酸溶液中，37℃下质子化12h，纳米纤维表面的橘红色褪去，重新变成白色。最后，将反应后的纳米纤维膜用大量的水清洗，放入真空干燥箱中使其彻底干燥，得到羧基功能化的聚丙烯腈复合纳米纤维。

(3)复合纳米纤维接枝anti-EpCAM：将羧基功能化的复合纳米纤维膜浸入含有N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)的1,4-二氧六环/水的混合溶液中，进行羧基的活化，室温孵育1小时。在薄膜上滴加10μL含有抗人上皮细胞粘附分子免疫球蛋白G(anti-EpCAM，100μg/mL)的磷酸缓冲溶液，再用干净的盖玻片盖好并轻轻挤压，使10μL溶液在膜上充分展开，之后将纤维膜于4℃、潮湿环境下储存24小时，制得抗体anti-EpCAM修饰的复合纳米纤维薄膜。

捕获及杀死MCF-7

将抗体修饰的复合纳米纤维薄膜放入24孔板中，肿瘤细胞MCF-7均匀分散在磷酸缓冲液中，然后依次取2mL细胞悬浮液加入到每个孔中。静置培养30分钟后，弃去细胞悬浮液并用磷酸缓冲溶液反复清洗3次，洗去未被捕捉到的肿瘤细胞后，在荧光共聚焦显微镜下计数。然后，将纤维膜浸没在细胞培养液中，继续对捕捉到的MCF-7在5％CO2、37℃再培养，24小时后，在荧光共聚焦显微镜下进行观察，并用MTT法检测MCF-7的存活率。可以观察到捕获的细胞已经死亡。