一种金属掺杂的光热碳纳米材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种金属掺杂的光热碳纳米材料及其制备方法和生物医学应用，属于纳米材料和纳米医学领域。

背景技术：

光热治疗是一种新兴的用于治疗癌症的高选择性和微创技术。在光热治疗中，光热材料首先通过实体瘤的高通透性和滞留效应被输送到肿瘤部位。之后这些在肿瘤部位的光热材料通过吸收具有较强组织穿透能力的近红外光并有效地将其转换成热，导致肿瘤部位的升温并进而诱导癌细胞中的各种生物酶功能紊乱，最终导致癌细胞死亡。理想的光热材料不仅在近红外区具有较强的光吸收和较高光热转化效率，也需要具有较低的生物毒性、较好的光稳定性、较高生理环境稳定性和利于靶向输送的小尺寸等特点。目前报导的光热材料主要包括有机化合物(如吲哚菁绿ICG、IR825和Cypate等)、聚合物(如聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等)、金属纳米材料(如金纳米棒、金纳米刺、钯纳米片、硫化铜纳米片、硫化钼纳米片和氧化钨纳米线等)和碳纳米材料(如碳纳米管和氧化石墨烯)等。然而，这些光热材料常常因成本昂贵、合成复杂、光稳定性较差、光热转化效率和消光系数较低、水分散性不佳、生物相容性较差和生物可降解性差等因素，无法在癌症治疗方面获得较好的应用。因此发展一种制备方法简单且通用、光热转换效率高且生物相容性好的光热纳米材料具有重要的现实意义。

技术实现要素：

发明目的：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种金属掺杂的光热碳纳米材料及其制备新方法，并通过在该材料表面的修饰提高其水中稳定性和分散性，最终获得光热性能优异、细胞毒性低、肿瘤靶向性好的新型光热纳米材料，以用于肿瘤的光热治疗。

技术方案：为了实现上述目的，本发明公开了一种金属掺杂的光热碳纳米材料，其主要是由苯二胺或其衍生物与金属离子化合物进行合成，然后利用稳定剂进行表面修饰，所得的光热碳纳米材料。

优选，所述衍生物包括对苯二胺、间苯二胺、邻苯二胺、4-甲基邻苯二胺或N,N-二乙基邻苯二胺等。

优选，所述金属离子化合物所含金属元素为Ni、Cu、Pd、Pt、Ag、Au、Fe、Co或Mn等。

优选，所述金属离子化合物包括氯化镍、硝酸镍、氯化铜、硝酸铜、氯钯酸钠、氯钯酸钾、氯铂酸钠、氯铂酸钾、硝酸银、氯金酸、氯化铁、硝酸铁、氯化钴、硝酸钴或高锰酸钾等。

优选，所述苯二胺或其衍生物与金属离子化合物的摩尔比为1:0.01～1:1，更优选优选1:0.1。

优选，所述稳定剂为巯基-聚乙二醇-甲氧基分子(HS-PEG-OMe)、N-羟基琥珀酰亚胺-聚乙二醇-甲氧基分子(NHS-PEG-OMe)、牛血清白蛋白、人血清白蛋白或巯基葡萄糖中的至少一种，或者是上述几种分子的组合，更优选NHS-PEG5k-OMe。

本发明还提供了所述的金属掺杂的光热碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将苯二胺或其衍生物与金属离子化合物在水中溶解后混合，于120～200℃水热反应0.5～24h，反应结束后室温冷却，得到分散性较好的金属掺杂的光热碳纳米材料的水溶液；

(2)将上述金属掺杂的光热碳纳米材料的水溶液经透析或离心得到纯净的金属掺杂的光热碳纳米材料的水溶液，通过冷冻干燥法确定溶液的质量浓度；

(3)向上述纯化后的金属掺杂的光热碳纳米材料的水溶液中加入稳定剂进行表面修饰，经透析或离心得到具有生物医学应用潜力的金属掺杂的光热碳纳米材料。

优选，所述步骤(3)中，金属掺杂的光热碳纳米材料与稳定剂的质量比为1:0.1～1:10，更优选1:5。

本发明最后还提供了所述金属掺杂的光热碳纳米材料在制备光热材料中的应用。

优选，所述光热材料为应用于肿瘤光热治疗的光热材料。

本发明创新性地将金属离子引入简单的一步水热合成中，制得金属掺杂的碳纳米材料。该金属掺杂的碳纳米材料的合成原料价廉易得、合成简单、水分散性好、易于修饰、修饰后生理环境稳定性好、并在近红外区域具有较大的消光系数(其消光系数为5～35Lg^-1cm^-1。其他已报导的光热材料的消光系数为：金纳米棒3.9Lg^-1cm^-1；氧化石墨烯纳米片3.6Lg^-1cm^-1；黑磷量子点14.8Lg^-1cm^-1)和较高的光热转换效率(其光热转换效率为30～55％。其他已报导的光热材料的光热转换效率为：金纳米壳13.0％；碳点38.5％；金纳米棒21.0％；黑磷量子点28.4％)。

技术效果：相对于现有技术，本发明提供的金属掺杂的光热碳纳米材料的方法具有以下突出优势：水热合成原料成本低、来源广、可大量制备，其中金属离子化合物用量很少且仅需具有水溶性的特点即可用于反应；制备方法极为简单省时、纯化方便；合成产物经简单的表面修饰后即可在各种水溶液中分散并稳定；制得的金属掺杂的光热碳纳米材料光热性质优异、细胞毒性低和光热抗癌效果好，具有很好的肿瘤光热治疗的应用前景。

附图说明

图1为本发明制备金属掺杂的光热碳纳米材料的示意图。

图2和图3分别为本发明制备得到的镍掺杂的光热碳纳米材料的透射电子显微镜(TEM)图和动态光散射(DLS)粒径分布图。

图4和图5为镍掺杂的光热碳纳米材料的在不同浓度下的紫外–可见吸收光谱图和消光系数拟合图。

图6和图7为镍掺杂的光热碳纳米材料在808nm激光照射下的升温及激光关闭后的降温曲线和降温时间对–ln(θ)的拟合直线图。

图8为不同浓度的镍掺杂的光热碳纳米材料在808nm激光照射下的升温结果。

图9为不同浓度的镍掺杂的光热碳纳米材料对乳腺癌细胞(MCF-7)的光热处理结果。

图10为不同浓度的镍掺杂的光热碳纳米材料对乳腺癌细胞(MCF-7)的毒性评价结果。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术解决方案。

实施例1

金属掺杂的光热碳纳米材料的制备方法(见图1)，包括以下步骤：

(1)分别称取对苯二胺和氯化镍，使其摩尔比为1:0.1，分别溶于超纯水；

(2)将两种溶液均匀混合后，定体积为30mL，转移至50mL水热反应釜中；

(3)于160℃反应1.5h，反应结束室温冷却后，离心或透析纯化，得到分散性较好的镍掺杂的碳纳米材料的水溶液，通过冷冻干燥法确定该溶液的质量浓度。用TEM和DLS分别对合成材料进行表征，结果分别见图2和图3；

(4)向镍掺杂的碳纳米材料的水溶液中加入稳定剂NHS-PEG5k-OMe，以镍掺杂的光热碳纳米材料与NHS-PEG5k-OMe的质量比为1:5进行表面修饰，室温搅拌反应过夜；

(5)反应后溶液进行离心或于透析袋(截留分子量优选为10k)中透析后，得到纯净且稳定的镍掺杂的碳纳米材料。

实施例2

与实施例1类似，区别是步骤(1)中的对苯二胺换成间苯二胺；将氯化镍换成硝酸镍；步骤(4)中稳定剂NHS-PEG5k-OMe换成HS-PEG5k-OMe；

间苯二胺与硝酸镍的摩尔比为1:0.01；步骤(3)中，于120℃水热反应24h；步骤(4)中的金属掺杂的光热碳纳米材料与稳定剂的质量比为1:0.1。

实施例3

与实施例1类似，区别是步骤(1)中的对苯二胺换成邻苯二胺；将氯化镍换成氯化铜；步骤(4)中稳定剂NHS-PEG5k-OMe换成HS-PEG2k-OMe；

邻苯二胺与氯化铜的摩尔比为1:1；步骤(3)中，于200℃水热反应0.5h；步骤(4)中的金属掺杂的光热碳纳米材料与稳定剂的质量比为1:10。

实施例4

与实施例1类似，区别是步骤(1)中的对苯二胺换成4-甲基邻苯二胺；将氯化镍换成氯钯酸钠；步骤(4)中稳定剂NHS-PEG5k-OMe换成NHS-PEG2k-OMe；

4-甲基邻苯二胺与氯钯酸钠的摩尔比为1:0.1；步骤(3)中，于160℃水热反应12h；步骤(4)中的金属掺杂的光热碳纳米材料与稳定剂的质量比为1:5。

实施例5

与实施例1类似，区别是步骤(1)中的对苯二胺换成N,N-二乙基邻苯二胺；将氯化镍换成氯钯酸钾；步骤(4)中稳定剂NHS-PEG5k-OMe换成牛血清白蛋白；

N,N-二乙基邻苯二胺与氯钯酸钾的摩尔比为1:0.05；步骤(3)中，于140℃水热反应20h；步骤(4)中的金属掺杂的光热碳纳米材料与稳定剂的质量比为1:1。

实施例6

与实施例1类似，区别是步骤(1)中将氯化镍换成硝酸银；步骤(4)中稳定剂NHS-PEG5k-OMe换成人血清白蛋白；

苯二胺与硝酸银的摩尔比为1:0.5；步骤(3)中，于180℃水热反应2h；步骤(4)中的金属掺杂的光热碳纳米材料与稳定剂的质量比为1:8。

实施例7

与实施例1类似，区别是步骤(1)将氯化镍换成氯金酸；步骤(4)中稳定剂NHS-PEG5k-OMe换成巯基葡萄糖；

对苯二胺与氯金酸的摩尔比为1:0.2；步骤(3)中，于130℃水热反应5h；步骤(4)中的金属掺杂的光热碳纳米材料与稳定剂的质量比为1:2。

实施例8

与实施例1类似，区别是步骤(1)中的对苯二胺换成间苯二胺；将氯化镍换成氯化铁；

间苯二胺与氯化铁的摩尔比为1:0.5；步骤(3)中，于150℃水热反应10h；步骤(4)中的金属掺杂的光热碳纳米材料与稳定剂的质量比为1:3。

实施例9

与实施例1类似，区别是步骤(1)中的对苯二胺换成邻苯二胺；将氯化镍换成氯化钴；步骤(4)中稳定剂NHS-PEG5k-OMe换成HS-PEG5k-OMe和HS-PEG2k-OMe；

邻苯二胺与氯化钴的摩尔比为1:0.1；步骤(3)中，于170℃水热反应15h；步骤(4)中的金属掺杂的光热碳纳米材料与稳定剂的质量比为1:7。

实施例10

与实施例1类似，区别是步骤(1)中将氯化镍换成高锰酸钾；步骤(4)中稳定剂NHS-PEG5k-OMe换成HS-PEG5k-OMe、HS-PEG2k-OMe和人血清白蛋白；

对苯二胺与高锰酸钾的摩尔比为1:0.08；步骤(3)中，于190℃水热反应18h；步骤(4)中的金属掺杂的光热碳纳米材料与稳定剂的质量比为1:4。

实施例11

测定实施例1的镍掺杂的碳纳米材料的紫外–可见光谱和消光系数，步骤如下：

将实施例1的镍金属掺杂的碳纳米材料用纯水稀释使其质量浓度分别为5、10、20、40和80μg/mL，并用紫外–可见光谱仪分别测定其紫外–可见光吸收光谱，结果见图4。以镍掺杂的碳纳米材料的质量浓度为横坐标，溶液在808nm的吸收值为纵坐标拟合直线，其斜率即为镍掺杂的碳纳米材料的消光系数，结果见图5，测得其消光系数为32.7Lg^-1cm^-1。

实施例12

测定实施例1的镍掺杂的碳纳米材料的光热转换效率，步骤如下：

用热成像仪实时记录特定浓度的镍掺杂的碳纳米材料水溶液在808nm激光下的升温及激光关闭后的降温曲线，并作出降温时间对–ln(θ)的拟合直线图(图6和图7)。根据公式：

其中，hS由拟合直线得到，T、Q都是由热成像仪记录光热材料及纯水的升温得到，I为激光能量，A₈₀₈为实验浓度下镍掺杂的碳纳米材料水溶液在808nm处的紫外吸收值。根据上述公式计算，得其光热转换效率为30.4％。

实施例13

测定实施例1的镍掺杂的碳纳米材料的升温效果，步骤如下：

实施例1的镍掺杂的碳纳米材料，分别配制含镍掺杂的碳纳米材料质量浓度为0、2、5、10、20和30μg/mL的水溶液，用808nm的激光器以1W/cm²功率强度进行照射，每15s记录溶液温度，持续监测10min。结果见图8。由图可知，在808nm激光器的照射下，含镍掺杂的碳纳米材料的水溶液能够有效吸收光能并且快速升温：在质量浓度较高时(10～50μg/mL)，溶液在10min内能够升温25℃以上；即使在很低质量浓度(2μg/mL)时，溶液也能够升温约12℃，表明该纳米颗粒较高的光热转换效率使其适合作为一种新型的光热材料。

实施例14

测试实施例1的镍掺杂的碳纳米材料在体外对乳腺癌细胞(MCF-7)的光热效果，步骤如下：

选择乳腺癌细胞(MCF-7)，以5×10⁴个/mL细胞分别与含镍掺杂的碳纳米材料质量浓度为0、2、5、10、20、30和40μg/mL的完全培养基孵育4h后，用808nm的激光器以1W/cm²功率强度照射10min，并且同时设计不光照的对照组。接着继续放入培养箱孵育12h后利用酶标仪采用MTT检测法测定细胞存活率。结果见图9。实验结果表明经激光照射后的细胞其存活率远低于未光照细胞的存活率，如在浓度为20μg/mL时光照组细胞存活率下降了90％以上，说明该镍金属掺杂的碳纳米材料在20μg/mL时就有显著的光热抗癌效果。

实施例15

测试实施例1的镍金属掺杂的碳纳米材料的细胞毒性，步骤如下：选择乳腺癌细胞(MCF-7)为实验对象，以5×10⁴个/mL细胞分别与含镍掺杂的碳纳米材料质量浓度为0、2、5、10、20、30、40、50、70和100μg/mL的完全培养基孵育24h后，利用酶标仪采用MTT检测法测定镍金属掺杂的碳纳米材料对MCF-7细胞的毒性。结果见图10。实验结果表明镍金属掺杂的碳纳米材料在0～50μg/mL的孵育浓度时，对细胞基本没有毒性(90％以上的细胞存活率)。即使以高浓度(70～100μg/mL，远大于光热治疗时的浓度)与细胞孵育后，MCF-7细胞也有～80％的存活率，说明该镍金属掺杂的碳纳米材料具有很好的生物相容性。

实施例2–10所得材料，按照上述实施例11–15方法进行检测，结果与实施例1所得材料的测试结果基本相同。

总之，本发明发展了一种将金属离子引入碳纳米材料的简单、通用的水热制备新方法。所制得的金属掺杂的碳纳米材料光热性质优异、水分散性好、易于修饰、并可以实现很好的光热抗癌效果，将在肿瘤光热治疗等生物医学领域具有重要的应用前景。