四氧化三铁/壳聚糖/吲哚菁绿复合粒子及其制备与应用的制作方法

本发明属于靶向药物领域技术领域，涉及一种四氧化三铁/壳聚糖/吲哚菁绿复合粒子及其制备与应用。

背景技术：

近年来，由于人们生活方式的变化以及环境污染等方面的影响，癌症病例患者的增速有加快的趋势。现有的癌症治疗方式主要有化学疗法和放射疗法等，而这些方法或多或少存在着弊端。于此同时，纳米技术的发展，尤其是纳米载体在生物医学领域应用中取得的跨越式发展，催生出了“纳米医药”新领域的发展。因此，设计和控制纳米颗粒的结构与性质以及进一步探索其在生物医学中的应用是近年来研究的热点。纳米载体在构造上由于具有1-100nm的尺寸而拥有独特的物理和化学特性。它们的高表面积与体积比以及对它们的性能进行调节的可能性，使纳米载体成为成像、诊断和治疗的有力工具。

在众多的纳米载体中，Fe₃O₄@CS纳米复合粒子研究较为前沿，因为它的合成基于磁性材料(Fe₃O₄)和高分子材料壳聚糖(CS)两者的优点。特别是CS具有无毒无害、生物相容性好、易于表面接枝改性等优点，这为有机-无机材料在纳米尺度的复合提供了全新理念。通过在CS表面负载上具有特定功能的试剂，可以很好的实现癌细胞的有效治疗。

申请号为201510254971.3的中国发明专利公开了一种荧光磁性纳米靶向药物及其制备方法，由磁性Fe₃O₄-壳聚糖-白屈菜红碱载药纳米粒与功能修饰的ZnSe-ZnS核壳量子点自组装，其中磁性Fe₃O₄-壳聚糖-白屈菜红碱载药纳米粒以Fe₃O₄为磁核、壳聚糖为骨架材料载体、白屈菜红碱为靶向药物；其中功能修饰的ZnSe-ZnS核壳量子点是指以ZnSe为内核、ZnS为外壳，经巯基羧酸类化合物修饰后的ZnSe-ZnS核壳量子点。该专利制备的荧光磁性纳米靶向药物荧光性能稳定、生物安全性好，同时具有磁性材料及荧光材料的优势，可同时实现磁性分离、靶向识别、荧光成像及磁共振成像等多功能。

本发明与上述专利的不同点在于：

(1)材料的合成方法和过程不同。上述专利先制备了Fe₃O₄-壳聚糖-白屈菜红碱载药纳米粒，再制备功能修饰的ZnSe-ZnS核壳量子点，最后将两者进行自组装。本发明是制备Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子后经室温条件下，避光搅拌离心得到最终Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子。

(2)材料应用不同。上述专利得到的荧光磁性纳米靶向药物可以实现磁性分离、靶向识别、荧光成像及磁共振成像等多功能。本发明得到的Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子除了可以实现以上功能之外，还可以载药，通过将抗癌药物和光热试剂传输到癌症部位，达到化疗和光热治疗联合应用，进一步提高肿瘤治疗效果。

因此，本发明Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子有着很大的技术优势。本发明方法采用的一步热还原法工艺尤其简单，成本较低，明显缩短了纳米载体的制备周期，具备大规模生产的优势；本发明制备的纳米复合粒子孔径分布均一性好，能够很好地共负载光热试剂(ICG)和抗癌药物阿霉素(DOX)，并且具有pH智能释放的和近红外光可控的药物释放性能，在808nm的激光的安全功率密度(1.0W/cm²)照射下，能有效地将近红外激光的能量转换成热量杀死癌细胞进行光热治疗，实现了化疗和光热治疗协同作用；本发明制备得到的Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子在磁铁的作用下有很好的磁响应性能，是很好的MRI造影剂，实现磁共振成像功能，同时也可实现联合荧光成像的双重成像功能，在肿瘤的诊断治疗方面具有很好的应用前景。

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孔径分布均一性好，经济成本低，制备周期短，兼具核磁成像、荧光成像、光热治疗等多种功能的Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子。

本发明的另一个目的是提供上述Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子的制备方法。

本发明的再一个目的是提供上述Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子的应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

四氧化三铁/壳聚糖/吲哚菁绿复合粒子，该复合粒子为负载有吲哚菁绿的Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子，其中，Fe₃O₄纳米粒子为核，壳聚糖为壳，所述的吲哚菁绿负载在壳聚糖的外表面上。

所述的Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子中Fe₃O₄纳米粒子与壳聚糖的质量比为5:1-1.5。

所述的Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子的直径为160-260nm。

所述的吲哚菁绿的负载量占纳米复合粒子总质量的百分含量为5-14％。

四氧化三铁/壳聚糖/吲哚菁绿复合粒子的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤(1)：通过一步热还原法，制备Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子；

步骤(2)：将步骤(1)制得的Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子分散在吲哚菁绿的水溶液中，并于室温条件下，避光搅拌，后经离心、洗涤，取下层固体分散于去离子水中，即制得所述的Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子。

步骤(1)所述的一步热还原法包括以下步骤：

步骤(1-1)：将FeCl₃·6H₂O加入到乙二醇溶剂中，搅拌至完全溶解，再缓慢加入溶解有壳聚糖的乙二醇溶液A，随后，再逐滴缓慢加入溶解有乙酸钠的乙二醇溶液B，制得反应混合溶液；

步骤(1-2)：将反应混合溶液置于惰性气氛中，剧烈搅拌，慢慢升温至180-190℃，继续搅拌反应36-48小时；

步骤(1-3)：待反应结束后，冷却至室温，将黑色沉淀产物用磁石进行收集，后采用无水乙醇和高纯水洗涤数次，即制得Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子，并保存于去离子水中。

步骤(1-1)中，所述的FeCl₃·6H₂O与乙二醇溶剂的用量关系为：每15-25mL的乙二醇溶剂中加入3.6g的FeCl₃·6H₂O；

所述的乙二醇溶液A中，壳聚糖与乙二醇溶剂的用量关系为：每20mL的乙二醇溶剂中加入1-1.5g的壳聚糖；

所述的乙二醇溶液B中，乙酸钠与乙二醇溶剂的用量关系为：每15-25mL的乙二醇溶剂中加入12g的乙酸钠。

步骤(2)中所述的吲哚菁绿在水溶液中的质量浓度为200-300μg/mL。

四氧化三铁/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子的应用，用作红外光热治疗剂、药物载体、核磁共振成像造影剂或荧光成像造影剂。

本发明Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子在抗癌药物阿霉素(DOX)的负载，具有pH敏感的释放和近红外光可控释放的功能。

本发明中，制备Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子所采用的一步热还原法中，乙酸钠为Fe₃O₄的形成提供氧原子，乙二醇作为还原剂为Fe₃O₄的形成提供一个很好的环境。本发明制得的Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子中，吲哚菁绿的负载率计算公式如下：

本发明的方法采用Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子为基本载体，通过静电作用吸附上抗癌药物DOX和光热试剂ICG分子，在808nm激光照射下，可以实现很好的化疗和光热治疗协同效果。与此同时，由于磁性Fe₃O₄核结构可以作为造影剂和具备优良的磁性能，制备的Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子具备优异的核磁成像以及磁响应效果，并且本发明方法采用一步热还原法制备Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子，工艺步骤简单，成本低廉。

本发明Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子在核磁成像、荧光成像、载药和光热治疗方面具有广大的应用前景，可以将抗癌药物和光热试剂传输到癌症部位，在减小对正常组织和细胞毒副作用同时，有效的杀死癌细胞，进一步提高治疗效果，而且制备方法比较简单(一步溶剂热还原的方法)，具备大规模生产的优势。与现有技术相比，本发明具有以下特点：

(1)本发明方法采用一步热还原法制备Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子，工艺特别简单，成本较低，明显的缩短了纳米载体的制备周期；

(2)本发明Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子孔径分布均一性好，能够很好地共负载光热试剂(ICG)和抗癌药物阿霉素(DOX)，经过计算，其ICG和DOX有高的共负载率，分别为8％和10％，并且具有pH智能释放的和近红外光可控的药物释放性能，在808nm的激光的安全功率密度(1.0W/cm²)照射下，能有效地将近红外激光的能量转换成热量杀死癌细胞进行光热治疗，实现了化疗和光热治疗协同作用；

(3)本发明制备得到的Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子同时也是很好的MRI造影剂，有很好的T₂加权像和r₂弛豫率，同时在磁铁的作用下有很好的磁响应性能，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1中的Fe₃O₄@CS磁性纳米粒子的低倍(a)和高倍(b)TEM图；

图2为本发明实施例1中的Fe₃O₄@CS磁性纳米粒子的光热性能图；

图3为本发明实施例1中的Fe₃O₄@CS磁性纳米粒子的T₂加权像(a)、r₂弛豫率(b)和样品加载磁体效果图(b插图)；

图4为本发明实施例1中的Fe₃O₄@CS磁性纳米粒子药物负载性能图；

图5为本发明实施例1中的Fe₃O₄@CS磁性纳米粒子药物缓释曲线；

图6为本发明实例1中HeLa细胞与不同浓度的Fe₃O₄@CS磁性纳米粒子培育24小时的细胞存活率图。

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：

本实施例Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子的制备方法包括以下步骤：

(1)Fe₃O₄@CS磁性纳米粒子：Fe₃O₄@CS磁性纳米粒子的制备方法采用改性的溶剂热还原的方法,具体如下：往三口烧瓶中加入3.60g的FeCl₃·6H₂O，并加入60mL的乙二醇溶剂使其完全溶解。然后，把20mL溶解有1.2g壳聚糖(CS)的乙二醇溶液在搅拌状态下慢慢加入到上述溶液中，随后，把20mL溶解有12g乙酸钠的乙二醇溶液逐滴慢慢滴加到上述反应溶液中。混合液在氩气氛围下剧烈搅拌60分钟后，慢慢升高温度至185℃，并在搅拌的状态下保持48h。在反应过程中，乙酸钠为Fe₃O₄的形成提供氧原子，乙二醇作为一种还原剂为Fe₃O₄的形成提供一个很好的环境。反应结束后将溶液冷却至室温，将黑色沉淀物用磁石进行收集，并用无水乙醇和高纯水洗涤多次，并最终保存于水溶液中。

(2)磁性纳米粒子(Fe₃O₄@CS-ICG)的制备：4mg Fe₃O₄@CS纳米粒子分散在4mL的ICG(200μg·mL^-1)水溶液中。将混合物在室温下避光搅拌36小时，然后在转速为10000rpm下离心10分钟，收集上层液，下层固体加去离子水后分散，离心洗涤多次，直到上清液变为无色。将收集的所有上层液体合并在一起，通过UV-vis-NIR分光光度计测定780nm的吸光度计算ICG负载率和包封率。下层固体分散于去离子水中，形成Fe₃O₄@CS-ICG纳米复合材料，备用。

计算得出Fe₃O₄@CS-ICG纳米复合材料ICG的最大负载率为14％。

(3)复合纳米材料粒径大小：其低倍和高倍TEM分别见图1，可以看出Fe₃O₄@CS磁性纳米粒子粒径约为180nm，这种粒径对于细胞实验和体内肿瘤治疗是非常合适的。

(4)光热性能：Fe₃O₄@CS-ICG磁性纳米粒子的光热性能见图2，随着不同材料浓度的增加(25、50、100、200及400μg/mL)，溶液温度的升高数值分别为8.5，13.6，19.3，30.4和38.7℃。可见材料浓度超过50μg/mL的温度变化已经足够可以杀死癌细胞。

(5)核磁成像与磁性能：取Fe浓度分别为0、0.0125、0.025、0.05、0.1、0.2和0.4mM的Fe₃O₄@CS-ICG磁性纳米粒子水溶液置于核磁共振分析与成像系统中，最终得到T₂加权成像图和r₂弛豫率，结果分别见图3(a)和图3(b)。结果证明材料具有明暗梯度较为明显的T₂加权像和高达139.3m/(M s)的r₂弛豫率，与此同时图3(b)插图中加载磁铁30秒后的效果图，都很好的说明了制备的复合纳米粒子具备很好的磁性。

(6)光热试剂和药物的共负载：10.0mg Fe₃O₄@CS纳米粒子分散在8mL DOX(200μg·mL-1)和8mL的ICG(200μg·mL-1)水溶液中。将混合物在室温下避光搅拌36小时，然后在转速为10000rpm离心10分钟，收集上层液，下层固体加去离子水后分散，离心洗涤多次，直到上清液变为无色。将收集的所有上层液体合并在一起，通过UV-vis-NIR分光光度计分别测定480nm和780nm的吸光度计算各自的载药率和包封率。下层固体分散于去离子水中，形成Fe₃O₄@CS-ICG/DOX纳米复合材料，图4为共负载下的吸光度变化。

实验结果表明材料对DOX和ICG的共负载效率分别为13.5％和9.0％。

(7)药物释放：分别取4份负载药物的Fe₃O₄@CS-ICG/DOX纳米复合材料，分别分散于5mL pH 7.4和pH 5.0的缓冲液中，搅拌，每隔一定的时间离心，取上层液体测DOX浓度，加入5mL新的缓冲液，分散。为了研究激光照射对药物释放的影响，分别取2份分散于5mL pH 5.0和pH 5.0的缓冲液中样品在每个时段增加一次5分钟的激光照射(808nm，1.0W/cm²)，即pH7.4+NIR和pH5.0+NIR样品，药物释放结果见图5。因为癌细胞和正常细胞周围的酸碱值大概为pH 5.0和pH 7.4，由图可知，pH 5.0(癌细胞周围)条件下在有无激光照射情况下的药物释放量大概在90.1％和72.3％；而pH 7.4(正常细胞周围)条件下在有无激光照射情况下的药物释放量大概在40.7％和32.9％；所以药物能够在特定的癌细胞偏酸性环境周围得到更多的释放。

(8)细胞毒性实验：结果见图6。由图可知，即使在材料浓度很高的情况下，细胞仍有很高的存活率，可见材料对细胞的毒性是可以忽略的。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例的壳聚糖的加入量为1.0g。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例的壳聚糖的加入量为1.5g。

实施例4：

本实施例Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子，该纳米复合粒子为负载有吲哚菁绿的Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子，其中，Fe₃O₄纳米粒子为核，壳聚糖为壳，吲哚菁绿负载在壳聚糖的外表面上。

Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子中Fe₃O₄纳米粒子与壳聚糖的质量比为5:1。Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子的直径为160nm。吲哚菁绿的负载量占纳米复合粒子总质量的百分含量为5％。

本实施例Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)：通过一步热还原法，制备Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子；

步骤(2)：将步骤(1)制得的Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子分散在吲哚菁绿的水溶液中，并于室温条件下，避光搅拌，后经离心、洗涤，取下层固体分散于去离子水中，即制得Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子。

步骤(1)一步热还原法包括以下步骤：

步骤(1-1)：将FeCl₃·6H₂O加入到乙二醇溶剂中，搅拌至完全溶解，再缓慢加入溶解有壳聚糖的乙二醇溶液A，随后，再逐滴缓慢加入溶解有乙酸钠的乙二醇溶液B，制得反应混合溶液；

步骤(1-2)：将反应混合溶液置于惰性气氛中，剧烈搅拌，慢慢升温至180℃，继续搅拌反应48小时；

步骤(1-3)：待反应结束后，冷却至室温，将黑色沉淀产物用磁石进行收集，后采用无水乙醇和高纯水洗涤数次，即制得Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子，并保存于去离子水中。

步骤(1-1)中，FeCl₃·6H₂O与乙二醇溶剂的用量关系为：每15mL的乙二醇溶剂中加入3.6g的FeCl₃·6H₂O；

乙二醇溶液A中，壳聚糖与乙二醇溶剂的用量关系为：每20mL的乙二醇溶剂中加入1g的壳聚糖；

乙二醇溶液B中，乙酸钠与乙二醇溶剂的用量关系为：每15mL的乙二醇溶剂中加入12g的乙酸钠。

步骤(2)中吲哚菁绿在水溶液中的质量浓度为200μg/mL。

本实施例制得的Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子用作红外光热治疗剂、药物载体、核磁共振成像造影剂或荧光成像造影剂。

实施例5：

本实施例Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子，该纳米复合粒子为负载有吲哚菁绿的Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子，其中，Fe₃O₄纳米粒子为核，壳聚糖为壳，吲哚菁绿负载在壳聚糖的外表面上。

Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子中Fe₃O₄纳米粒子与壳聚糖的质量比为5:1.5。Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子的直径为260nm。吲哚菁绿的负载量占纳米复合粒子总质量的百分含量为14％。

本实施例Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)：通过一步热还原法，制备Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子；

步骤(2)：将步骤(1)制得的Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子分散在吲哚菁绿的水溶液中，并于室温条件下，避光搅拌，后经离心、洗涤，取下层固体分散于去离子水中，即制得Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子。

步骤(1)一步热还原法包括以下步骤：

步骤(1-1)：将FeCl₃·6H₂O加入到乙二醇溶剂中，搅拌至完全溶解，再缓慢加入溶解有壳聚糖的乙二醇溶液A，随后，再逐滴缓慢加入溶解有乙酸钠的乙二醇溶液B，制得反应混合溶液；

步骤(1-2)：将反应混合溶液置于惰性气氛中，剧烈搅拌，慢慢升温至190℃，继续搅拌反应36小时；

步骤(1-3)：待反应结束后，冷却至室温，将黑色沉淀产物用磁石进行收集，后采用无水乙醇和高纯水洗涤数次，即制得Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子，并保存于去离子水中。

步骤(1-1)中，FeCl₃·6H₂O与乙二醇溶剂的用量关系为：每25mL的乙二醇溶剂中加入3.6g的FeCl₃·6H₂O；

乙二醇溶液A中，壳聚糖与乙二醇溶剂的用量关系为：每20mL的乙二醇溶剂中加入1.5g的壳聚糖；

乙二醇溶液B中，乙酸钠与乙二醇溶剂的用量关系为：每25mL的乙二醇溶剂中加入12g的乙酸钠。

步骤(2)中吲哚菁绿在水溶液中的质量浓度为300μg/mL。

本实施例制得的Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子用作红外光热治疗剂、药物载体、核磁共振成像造影剂或荧光成像造影剂。

实施例6：

本实施例Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子，该纳米复合粒子为负载有吲哚菁绿的Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子，其中，Fe₃O₄纳米粒子为核，壳聚糖为壳，吲哚菁绿负载在壳聚糖的外表面上。

Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子中Fe₃O₄纳米粒子与壳聚糖的质量比为5:3。Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子的直径为200nm。吲哚菁绿的负载量占纳米复合粒子总质量的百分含量为10％。

本实施例Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)：通过一步热还原法，制备Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子；

步骤(2)：将步骤(1)制得的Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子分散在吲哚菁绿的水溶液中，并于室温条件下，避光搅拌，后经离心、洗涤，取下层固体分散于去离子水中，即制得Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子。

步骤(1)一步热还原法包括以下步骤：

步骤(1-1)：将FeCl₃·6H₂O加入到乙二醇溶剂中，搅拌至完全溶解，再缓慢加入溶解有壳聚糖的乙二醇溶液A，随后，再逐滴缓慢加入溶解有乙酸钠的乙二醇溶液B，制得反应混合溶液；

步骤(1-2)：将反应混合溶液置于惰性气氛中，剧烈搅拌，慢慢升温至185℃，继续搅拌反应42小时；

步骤(1-3)：待反应结束后，冷却至室温，将黑色沉淀产物用磁石进行收集，后采用无水乙醇和高纯水洗涤数次，即制得Fe₃O₄@壳聚糖核壳结构纳米粒子，并保存于去离子水中。

步骤(1-1)中，FeCl₃·6H₂O与乙二醇溶剂的用量关系为：每20mL的乙二醇溶剂中加入3.6g的FeCl₃·6H₂O；

乙二醇溶液A中，壳聚糖与乙二醇溶剂的用量关系为：每20mL的乙二醇溶剂中加入1.2g的壳聚糖；

乙二醇溶液B中，乙酸钠与乙二醇溶剂的用量关系为：每20mL的乙二醇溶剂中加入12g的乙酸钠。

步骤(2)中吲哚菁绿在水溶液中的质量浓度为270μg/mL。

本实施例制得的Fe₃O₄/壳聚糖/吲哚菁绿纳米复合粒子用作红外光热治疗剂、药物载体、核磁共振成像造影剂或荧光成像造影剂。

上述的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。