一种多功能纳米复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于无机纳米材料和分子影像学技术领域，具体涉及一种多功能纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

近年来，金纳米材料由于其优越的物理和化学性质在癌症的诊断与治疗中展现出了巨大的潜能和优势。金纳米材料能应用于生物医学领域，是基于其引人瞩目的光学性质，尤其是基于等离子体共振而引起的对激发光共振波长的特定散射与吸收。金纳米材料为多种生物医学应用提供了多功能和多层次的平台。近期的研究也证实了金纳米材料确实可以被用于癌症的诊疗技术中。例如，金纳米材料可以被用作光学手段检测痕量生物标记物的基底，也可以被用作多种光学成像的造影剂和药物运输与控制释放的载体，还可以被用作破坏癌细胞的光-热转换器。

金纳米笼(Au nanocage)代表了众多在区域局域表面等离子体共振吸收峰在近红外区域可调的金纳米材料中的一种。这种多功能材料具有空心和超薄多孔壁的结构，并且可以通过相对简单的步骤(通过银纳米立方块Ag nanocube和氯金酸在水中发生离子置换反应)大量获得。金纳米笼在近红外区域的吸收可以通过控制尺寸和壁厚而被精确调节至任意波长。金纳米笼的小尺寸、大吸收截面积(几乎是传统有机染料的五倍)以及其生物惰性和基于金-硫醇化学的表面修饰使其成为可应用于生物医学的非常有趣的材料。

金纳米笼应用于癌症的诊疗还有一些隐藏的优点：(1)单晶结构带来的机械灵活性、稳定性和平整的表面；(2)壁厚在2-10nm范围内的金纳米笼可以大量获得，并且可以保证精度为0.5nm；(3)通过在反应中控制氯金酸的加入量，金纳米笼的局域等离子体共振峰可以在600-1200nm范围内被简单而精确地调控；(4)金纳米笼的空心可被用于包装(其它材料)；(5)金纳米笼的孔壁可被用于药物运输，并通过多种刺激手段控制药物释放；(6)金纳米笼的尺寸20-500nm范围内改变从而得到最优的生物分布，促进其在上皮组织中的渗透或增加药物负载量；(7)金纳米笼的局域等离子体共振峰在不同成像模式下由其吸收和散射决定；(8)在合成过程中可在壁中加入其他贵金属(例如钯和铂)来改变金纳米笼的光学性质。

配位聚合物是指由含氧、氮等多齿有机配体(大多是芳香多酸和多碱)与过渡金属离子通过自组装而形成的杂化材料。这种材料可以应用在光学、催化、生物传感、药物传输、生物成像和气体储存等方面，近些年已成为高分子化学和物理、物理化学和材料科学等多门学科交叉的前沿领域。由于其广泛的应用受到各国科学家的重视。近年来，配位聚合物已经缩小到了纳米尺寸(NCPs)。与传统的纳米药物载体相比，NCPs具有很多的优势，如合成条件比较温和、形貌可调、结构多样、载药量高、自身可降解等。用二氧化硅或者有机聚合物来修饰NCPs，可改善NCPs的稳定性、生物相容性。另外，由于NCPs可含有大量的顺磁性金属离子，所以它们被广泛用于磁共振成像(MRI)的造影剂。

光学成像操作简便、成本低，可以与简单、无损、实时和便携式的操作系统相结合，更好的服务临床，但是灵敏度低、组织穿透性不好、近红外荧光染料易发生淬灭。MRI具有空间时间分辨率高、对比度好、软组织显像好、可同时获得解剖和生理信息等优点，但也具有灵敏度不高的缺点。而光声成像虽然结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性的优点，但分辨率没有MRI高。所以一种可以同时进行多模态成像的探针便成为材料界和医学界的研究热点之一。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多功能纳米复合材料，具有良好的生物相容性，具有优良的光热、光动力学、磁学性质，在生物领域用于成像造影剂，实现诊疗一体化。

本发明的另一个目的是提供一种上述多功能纳米复合材料的制备方法。

本发明是以多元醇为还原剂，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面活性剂，先合成出形貌均一的Ag nanocube，然后以此为模板，通过置换反应，用氯金酸将Ag nanocube刻蚀成具有笼型结构的Au nanocage。由PVP保护的Au nanocage表面带负电荷，用一端带巯基另一端带氨基的聚乙二醇(SH-PEG-NH₂)进行表面配体交换后，表面电荷由负变为正。

另一方面，以一种铱配合物，2-苯基喹啉-3,3’-联吡啶二羧酸铱与醋酸镝为原料，以聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂，在二甲基亚砜中加热反应生成配位聚合物。将表面包裹了SH-PEG-NH₂的Aunanocage与配位聚合物溶液反应，最后经过透析得到表面包裹Ir-Dy配位聚合物的Aunanocage。

本发明的目的可以通过以下方案来实现：

一种多功能纳米复合材料，其特征在于：该复合材料以金纳米笼为核，在核的外表面包裹铱配位聚合物。优选的，该多功能纳米复合材料的铱配位聚合物的厚度为30-40nm；多功能纳米复合材料的粒径为80-100nm。

上述多功能纳米复合材料的制备方法，其步骤包括：

(1)在表面包裹PVP的金纳米笼中加入SH-PEG-NH₂，搅拌8-20小时，离心洗涤后获得表面包裹SH-PEG-NH₂的金纳米笼；

(2)在2-苯基喹啉-3,3’-联吡啶二羧酸铱溶液中加入PVP，加热至100-120℃，保持10-40分钟；然后快速滴入醋酸镝溶液反应4-10小时，获得反应液；

(3)将步骤(1)中获得的SH-PEG-NH₂包裹的金纳米笼与步骤(2)中的反应液混合，透析反应3-7小时，离心洗涤。

所述步骤(1)中，表面包裹PVP的金纳米笼的制备方法为，

(A)二乙二醇在磁力搅拌下加热，分别加入PVP溶液、Na2S溶液、HCl溶液和CF₃COOAg溶液反应1-5小时，获得表面包裹PVP的银纳米立方体；

进一步优选的，所述步骤(A)中，PVP的浓度为0.3-0.4mmol/L，Na₂S溶液的浓度为2-4mmol/L，HCl溶液的浓度为25-35mmol/L，CF₃COOAg溶液的浓度为2.5-3.5mol/L。

(B)在PVP溶液中加入表面包裹PVP的银纳米立方体，加热至80-100℃，然后逐滴加入HAuCl₄溶液，保持5-20分钟即可。优选的，所述HAuCl₄溶液，控制滴加速度为45mL/h。

优选的，所述步骤(B)中，PVP溶液的浓度为0.05-0.15mmol/L，所述HAuCl₄溶液的浓度为0.5-1.5mmol/L。

进一步优选的，所述步骤(B)中，PVP溶液、表面包裹PVP的银纳米立方体及HAuCl₄溶液的加入量配比为3-7mL：1mg：1-5mL。

所述步骤(1)中，表面包裹PVP的金纳米笼与SH-PEG-NH₂的配比为1mL：2-8mg。优选的，所述表面包裹PVP的金纳米笼的浓度为1-2mg/mL。

所述步骤(2)中，2-苯基喹啉-3,3’-联吡啶二羧酸铱溶液的浓度为0.5-1.0mg/mL；醋酸镝溶液的浓度为0.5-1.5mg/mL。

优选的，所述步骤(2)中，2-苯基喹啉-3,3’-联吡啶二羧酸铱溶液和醋酸镝溶液的溶剂为DMSO。

所述步骤(2)，2-苯基喹啉-3,3’-联吡啶二羧酸铱溶液、PVP及醋酸镝溶液的加入了配比为1-5mL：20-30mg：1mL。

所述步骤(3)中，SH-PEG-NH₂包裹的金纳米笼与反应液的体积比为1:1-3。

所述多功能纳米复合材料在成像造影剂中的应用。优选的，该多功能纳米复合材料在光声成像造影剂、光学成像造影剂及核磁共振成像造影剂的应用，并且可以用于光热治疗与光动力学治疗中。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过对Au nanocage进行表面配体交换，改变其表面电荷，并利用静电相互作用，使配位聚合物Ir-Dy-PVP结合在Au nanocage表面，从而得到一种兼具多模态成像与多模式治疗的纳米复合材料。

2、本发明制备得到的多功能纳米复合材料，具有良好的T2成像对比度、升温效果显著，可以作为光声成像/光学成像/磁共振成像造影剂，同时又具备进行光热治疗与光动力学治疗的功能，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为实施例1所制备的Ag nanocube的扫描电镜图。

图2为实施例1所制备的Aunanocage的扫描电镜图。

图3为实施例2所制备的多功能纳米复合材料的扫描电镜图。

图4为实施例2所制备的多功能纳米复合材料的透射电镜图。

图5为实施例2所制备的多功能纳米复合材料的溶液PA图。

图6为实施例2所制备的多功能纳米复合材料的溶液光热升温图。

图7为实施例2所制备的多功能纳米复合材料的细胞LSCM图。

图8为实施例2所制备的多功能纳米复合材料的溶液MRI图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步说明：

实施例1

(1)、Ag nanocube的合成

分别配制如下溶液：

0.36mmol/L PVP溶液(分子量55000，取125mg，溶于6.25mL二乙二醇)；

3mmol/L Na₂S溶液(取10mg，溶于1mL二乙二醇，取出0.1mL，用二乙二醇稀释成1mL)；

30mmol/L的HCl溶液(取25μL 38％的浓HCl，溶于10mL二乙二醇，用之前取出0.25mL，用二乙二醇稀释成0.5mL)；0.28mol/L的CF₃COOAg溶液(取125mg，溶于2mL二乙二醇)。

在100mL圆底烧瓶中，加入25mL二乙二醇，磁力搅拌下，加热至150℃。向150℃的二乙二醇中加入300μL Na₂S溶液。4min后，加入0.5mL HCl溶液和3mL PVP溶液。2min后，加入2mL CF₃COOAg溶液，反应3h。冷却后，离心洗涤得到20-30nm的Ag nanocube，其扫描电镜表征如图1所示，形成了非常均匀的Ag nanocube；

(2)、表面包裹SH-PEG-NH₂的Au nanocage的制备。

配制0.1mmol/L的PVP溶液(分子量55000，取25mg，溶于10mL水中)。配制1mmol/L的HAuCl₄溶液(取39.4mg HAuCl₄·3H₂O，溶于10mL水中，取1mL上述溶液稀释成10mL)。在圆底烧瓶中，加入10mL PVP溶液，然后加入1mL Ag nanocube(浓度为2mg/mL)，加热至90℃，并保持10min。逐滴滴加3mL HAuCl₄溶液，控制滴加速度为45mL/h，并保持10min。冷却后，离心洗涤得到20-35nm的Au nanocage，其扫描电镜表征如图2所示，其粒径均匀。

取2mLAu nanocage，加18mLH₂O，10mg的SH-PEG-NH₂，搅拌过夜，离心洗涤后得到表面包裹SH-PEG-NH₂的Au nanocage。

实施例2

称取3.5mg的2-苯基喹啉-3,3’-联吡啶二羧酸铱，溶于5mL DMSO，制备得到2-苯基喹啉-3,3’-联吡啶二羧酸铱溶液；称取2.1mg醋酸镝，溶于2mL DMSO，制备得到醋酸镝溶液。

向单颈烧瓶中加入5mL 2-苯基喹啉-3,3’-联吡啶二羧酸铱溶液，然后加入PVP(50mg，m.w.＝55000)，加热至110℃，保持20min。快速加入2mL醋酸镝溶液，反应7h。待反应液冷却至室温，取实施例1中获得的SH-PEG-NH₂包裹的Au nanocage 1mL，与2mL反应液相混合，转入透析袋，透析5h，离心洗涤得到多功能纳米复合材料，其扫描电镜表征如图3，粒径为80-100nm。

图4为本发明所制备的多功能纳米复合材料的透射电镜图，从图中可知，配位聚合物Ir-Dy-PVP对Au nanocage形成了有效包裹。

图5为本发明所制备的多功能纳米复合材料的溶液PA图,从图中可知，材料的光声信号强度具有很强的浓度依赖性，这也为进一步的细胞/活体应用提供了依据。

图6为本发明所制备的多功能纳米复合材料的溶液光热升温图,从图中可知，随着浓度升高，材料的升温效果逐渐增强。

图7为本发明所制备的多功能纳米复合材料的细胞LSCM图，从图中可知，材料具有可以被细胞内吞进细胞质并且进行光学成像的效果。

图8为本发明所制备的多功能纳米复合材料的溶液MRI图，从图中可知，随着浓度改变，材料具有良好的T2成像对比度。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。