具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料及其制备与应用方法与流程

本发明涉及生物医学材料的领域，特别涉及生物医学用铜锌锡硫四元纳米复合材料的领域。

背景技术：

癌症的高发病率和持续上升的死亡率严重威胁到全球公众健康安全。传统的癌症治疗方法如手术、化疗和放疗等将不可避免地对人体产生较大的毒副作用，如伤害正常的细胞、组织，破坏免疫系统等。

作为一种新型的治疗手段，光疗法（光动力疗法）通过患者体内的光敏剂吸收光能，其后被激发产生过量的活性氧或者产生高温，与癌细胞反应使其死亡的方式进行。因其本能的选择性和特异性，可以有效避免上述传统治疗方法中所述问题的发生，成为癌症治疗的较佳方法。但现有技术中，光疗穿透深度有限，极大地限制了其在临床中的应用。

微波的频率为300~3000mhz，其波长比近红外波长更长，具有更强的有效穿透深度。近年来，基于限域效应的强化微波热疗研究取得一定进展，如使用海藻酸钠微胶囊负载生理盐水作为一种增强体内肿瘤微波热疗的增敏剂；使用中空纳米离子二氧化锆和多巴胺负载离子液体后拥有高极性及显著的微波吸收特性，可作为微波热疗增敏剂等。这些新的纳米复合材料的进一步应用仍受到如下原因的限制：中空纳米离子对离子液体的装载率低、复合材料中离子液体意外泄漏可引起潜在毒性并降低治疗效率、纳米离子作为离子液体的载体以及在肿瘤治疗中的内在理化性质没有被揭示等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种可将微波热疗及微波诱导的光动力疗法结合在一起的、具有微波增敏及核磁成像功能的新材料，本发明的进一步目的在于公开该新材料的制备与应用方法。

本发明的技术方案如下：

一种具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料，其包含纳米铜锌锡硫化合物与该化合物表面的生物相容性分子。

优选的是：所述纳米铜锌锡硫化合物的粒径为2~20nm。

另外优选的是：所述生物相容性分子为选自聚乙二醇、牛血清白蛋白、壳聚糖、明胶中的一种或多种。

其进一步优选的是：所述聚乙二醇分子量为0.3~10万；优选的，所述聚乙二醇分子量为0.5万。

本发明进一步公开了上述具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料的制备方法，其包括以下步骤：

将分别含有铜、锌、锡元素的铜的前驱体、锌的前驱体、锡的前驱体共同溶于第一溶剂中，得到前驱体溶液a；

将含有硫元素的硫的前驱体溶于第二溶剂中，得到前驱体溶液b；

将所述前驱体溶液a加热至150~230℃后,快速注入所述前驱体溶液b，其后两者相互反应0.5~5h；待两者组成的混合溶液冷却至室温后，加入第三溶剂后离心分离，得到固体物质为基础纳米铜锌锡硫化合物；

将该基础纳米铜锌锡硫化合物与生物相容性分子混合，其后超声10~120min，其后震荡6~24h，震荡结束后离心分离，所得固体物质即为所述的具有微波增敏和核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料。

所述第一溶剂优选为乙二醇。

所述第二溶剂优选自甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇中的一种或多种。

所述第三溶剂优选为乙醇。

所述生物相容性分子与所述基础纳米铜锌锡硫化合物的质量比优选为0.2:1~2:1。

所述生物相容性分子优选自聚乙二醇、牛血清白蛋白、壳聚糖、明胶中的一种或多种。

其进一步优选为所述聚乙二醇分子量为0.3~10万；更优选的为所述聚乙二醇分子量为0.5万。

所述铜的前驱体优选自氯化铜、氯化亚铜、醋酸铜水溶液中的一种或多种；所述锌的前驱体优选自氯化锌、醋酸锌水溶液中的一种或多种；所述锡的前驱体优选自氯化锡、硝酸锡水溶液中的一种或多种；所述硫的前驱体优选自硫化钠、硫脲水溶液中的一种或多种。

所述铜的前驱体的浓度优选为40~60mm、更优选为50mm，锌的前驱体的浓度优选为20~40mm、更优选为30mm，锡的前驱体的浓度优选为20~40mm、更优选为30mm。

本发明进一步公开了所述的具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料或所述的制备方法制备得到的具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料的应用方法，为将所述具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料应用于癌症治疗和/或核磁成像中。

具体的为：在其应用于癌症治疗中时，将其作为癌症的微波热疗中的增敏剂和/或癌症的光动力治疗中的光敏剂，和/或将其进一步作为癌症治疗中进行核磁成像时的造影剂。

所述具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料也可单独作为核磁成像时的造影剂应用与核磁成像中。

本发明的铜锌锡硫四元纳米复合材料在临床中因其在微波设备频段的微波吸收特性，可作为微波热疗中的增敏剂，从而产生微波热疗效果；同时其在近红外或微波辐照下可在肿瘤处产生单线态氧，具有微波诱导的光动力治疗效果；这两种作用的结合，使其具有对肿瘤的高效精准的治疗效果。

此外，该复合材料中的纳米铜锌锡硫化合物具有特殊的磁学性质，在本发明中由其得到的复合材料，被检测出仍具有核磁共振成像功能，因此可进一步在癌症治疗中起到造影的效果，这也使其在成为癌症治疗的纳米药物时具有更显著优势。

本发明具备以下有益效果：

（1）本发明的具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料在肿瘤治疗时，可同时将微波热疗与微波诱导的光动力治疗结合；

（2）本发明的具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料在肿瘤治疗时，在具有治疗效果的同时，能进行核磁成像；

（3）本发明的具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料在治疗时具有穿透力强、指向性好、聚焦性好、创伤性小、低毒、适用范围广、治疗程度彻底等优点，同时可协同放化疗完善癌症治疗效果；

（4）本发明的具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料在治疗中时，可结合动态的核磁成像观察，对患者病情进行严密的监控，对治疗效果进行持续的分析；

（5）本发明的具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料无须负载离子液体或生理盐水等极性分子，材料本身即具有非常好的微波升温特性；在微波通过传输作用进入肿瘤组织后，其使病灶部位升温快，组织内外温差明显，由此导致明显的生理反应，如肿瘤细胞内的离子浓度发生变化、蛋白质合成受到抑制、细胞丧失增殖能力等；

（6）本发明的具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料在微波辐照下可在病灶处产生单线态氧，单线态氧可直接杀死肿瘤细胞，同时破坏肿瘤细胞周围的毛细血管内壁，阻塞肿瘤血管，切断组织的营养供给，从而达到在不伤害正常组织的情况下对肿瘤进行杀灭的目的；

（7）本发明的具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料由于其独特的四元组分和结构，具有良好的核磁成像t1增强的功能；

（8）本发明的制备方法过程简单，操作简便，不需要特殊设备，同时反应原料易得，反应温度温和，生产成本相对较低；

（9）本发明的制备方法中使用的全部为环境友好型溶剂，健康环保。

附图说明

图1为本发明实施例1所得到的铜锌锡硫四元纳米复合材料的透射电子显微镜照片；

图2为本发明实施例1所得到的铜锌锡硫四元纳米复合材料的微波升温图；

图3为本发明实施例1所得的铜锌锡硫四元纳米复合材料的核磁成像t1增强图。

具体实施方式

本发明所述的具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料包含铜锌锡硫四元纳米复合材料包含纳米铜锌锡硫化合物与该化合物表面的生物相容性分子。

所述纳米铜锌锡硫化合物的粒径优选为2~20nm。

所述生物相容性分子为选自聚乙二醇、牛血清白蛋白、壳聚糖、明胶中的一种或多种。

可以理解的是，所述生物相容性分子并不仅限于上述分子，也可为其它能与该纳米铜锌锡硫化合物复合并具有生物相容性的分子。

制备所述具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料方法，可包括以下步骤：

将分别含有铜、锌、锡元素的铜的前驱体、锌的前驱体、锡的前驱体共同溶于第一溶剂中，得到前驱体溶液a；

将含有硫元素的硫的前驱体溶于第二溶剂中，得到前驱体溶液b；

将所述前驱体溶液a加热至150~230℃后,快速注入所述前驱体溶液b，其后两者相互反应0.5~5h；待两者组成的混合溶液冷却至室温后，加入第三溶剂后离心分离，得到固体物质为基础纳米铜锌锡硫化合物；

将该基础纳米铜锌锡硫化合物与生物相容性分子混合，其后超声10~120min，其后震荡6~24h，震荡结束后离心分离，所得固体物质即为所述的具有微波增敏和核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料。

其中前驱体溶液a及前驱体溶液b的获得先后可根据实际情形进行调整。

所述快速注入可以在小于30±10s的时间内，将前驱体溶液b全部注入为标准。

所述超声的频率为30~50khz，优选为40khz，所述的震荡优选采用电热恒温震荡水槽进行，其震荡频率为40~60time/min，优选为50time/min。

可以理解的是，在实际操作中，在上述制备的基础上，实施者可增加其它一些强化制备效果的步骤，如纯化、烘干、多次分离、优化混合效果等。

所述生物相容性分子与所述基础纳米铜锌锡硫化合物的质量比优选为0.2:1~2:1。

所述铜的前驱体优选为选自氯化铜、氯化亚铜、醋酸铜水溶液中的一种或多种；所述锌的前驱体为选自氯化锌、醋酸锌水溶液中的一种或多种；所述锡的前驱体为选自氯化锡、硝酸锡水溶液中的一种或多种；所述硫的前驱体为硫化钠、硫脲水溶液中的一种或多种。

所述第二溶剂优选为选自甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇中的一种或多种。

所述前驱体溶液a中铜的前驱体的浓度优选为40~60mm、更优选为50mm，锌的前驱体的浓度优选为20~40mm、更优选为30mm，锡的前驱体的浓度优选为20~40mm、更优选为30mm。

在本发明的具有微波增敏及核磁成像功能的铜锌锡硫四元纳米复合材料应用于癌症治疗中时，可将其作为癌症的微波热疗中的增敏剂和/或癌症的光动力治疗中的光敏剂，和/或将其进一步作为癌症治疗中进行核磁成像时的造影剂，其也可单独作为核磁成像时的造影剂应用。

其也可用在其它符合其作用原理的治疗和应用中。

为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

以下实施例中使用到的化学试剂全部为分析纯级；使用的水均为去离子水。

实施例1

(1)将浓度为50mm的醋酸铜水溶液、浓度为30mm的醋酸锌水溶液、浓度为30mm的氯化锡水溶液共同溶于50ml乙二醇中，搅拌均匀，得到前驱体溶液a；

(2)将浓度为10mm的硫化钠水溶液溶解于10ml甲醇中，得到前驱体溶液b；

(3)将前驱体溶液a加热至180℃后，快速注入前驱体溶液b，继续反应2h，待反应溶液冷却至室温后，加入乙醇进行离心，收集离心后的下层沉淀并烘干，得到基础纳米铜锌锡硫化合物；

(4)取分子量为0.5万的聚乙二醇与上述基础纳米铜锌锡硫化合物混合，在40khz的频率下超声10min，之后常温震荡12小时，震荡频率为50time/min，所用聚乙二醇与基础纳米铜锌锡硫化合物的质量比为1:1，震荡结束后离心水洗，将得到的固体物质烘干，得到产物；

所得产物为粒径为12±2.3nm的聚乙二醇分子修饰的铜锌锡硫四元纳米材料，其透射电子显微镜（jeoljem-2100）如附图1所示，其中铜锌锡硫化合物的粒径为5±0.6nm；

将所得产物配制成不同的浓度（0.1mg/ml、0.6mg/ml、1.2mg/ml），并以生理盐水进行对比，利用微波治疗仪（型号：mh-1y功率：1.8w频率：2450mhz）进行升温实验，其升温效果如附图2所示，说明其具有良好的微波升温效果；

进一步将所得产物配制成不同的浓度（0~2.0mm），利用核磁成像仪（3.0t,ge,usa）进行t1成像测试，其结果如附图3所示，说明具有明显的t1成像增强功能。

实施例2

(1)将氯化铜（50mm）、氯化锌（30mm）、氯化锡（30mm）前驱体溶于50ml乙二醇中，搅拌均匀，得到前驱体溶液a；

(2)将硫化钠（10mm）溶解于10ml无水乙醇中，得到前驱体溶液b；

(3)将前驱体溶液a加热至160℃，快速注入前驱体溶液b，继续反应1h，待反应溶液冷却至室温，加入乙醇，离心，收集下层沉淀并烘干，得到基础纳米铜锌锡硫化合物；

(4)取分子量为0.3万的聚乙二醇与上述基础纳米铜锌锡硫化合物混合，在30khz下超声60min，其后常温震荡8小时，震荡频率为40time/min，所用聚乙二醇与基础纳米铜锌锡硫化合物的质量比为0.2:1，震荡结束后离心水洗，将得到的固体物质烘干，得到产物；

将产物按实施例1的方式进行透射电镜观察、微波升温实验及t1成像测试，可知产物中铜锌锡硫化合物的粒径为2~20nm，具有良好的微波升温效果和明显的t1成像增强功能。

实施例3

（1）将氯化亚铜（50mm）、氯化锌（30mm）、硝酸锡（30mm）前驱体溶于50ml乙二醇中，搅拌均匀，得到前驱体溶液a；

(2)将硫脲（10mm）溶解于10ml甲醇中，得到前驱体溶液b；

(3)将前驱体溶液a加热至150℃，快速注入前驱体溶液b，继续反应3h，待反应溶液冷却至室温，加入乙醇，离心，收集下层沉淀并烘干，得到基础纳米铜锌锡硫化合物；

(4)取分子量为10万的聚乙二醇与上述基础纳米铜锌锡硫化合物混合，在50hz下超声80min，其后常温震荡6小时，震荡频率为60time/min，所用聚乙二醇与基础纳米铜锌锡硫化合物的质量比为0.5:1，震荡结束后离心水洗，将得到的固体物质烘干，得到产物；

将产物按实施例1的方式进行透射电镜观察、微波升温实验及t1成像测试，可知产物中铜锌锡硫化合物的粒径为2~20nm，具有良好的微波升温效果和明显的t1成像增强功能。

实施例4

（1）将醋酸铜（50mm）、醋酸锌（30mm）、硝酸锡（30mm）前驱体溶于50ml乙二醇中，搅拌均匀，得到前驱体溶液a；

(2)将硫脲（10mm）溶解于10ml异丙醇中，得到前驱体溶液b；

(3)将前驱体溶液a加热至200℃，快速注入前驱体溶液b，继续反应4h，待反应溶液冷却至室温，加入乙醇，离心，收集下层沉淀并烘干，得到基础纳米铜锌锡硫化合物；

(4)取牛血清白蛋白与上述基础纳米铜锌锡硫化合物混合，在30khz下超声90min，其后冰水浴震荡3h，震荡频率为50time/min，所用牛血清白蛋白与基础纳米铜锌锡硫化合物的质量比为1.5:1，震荡结束后离心水洗，将得到的固体物质烘干，得到产物；

将产物按实施例1的方式进行透射电镜观察、微波升温实验及t1成像测试，可知产物中铜锌锡硫化合物的粒径为2~20nm，具有良好的微波升温效果和明显的t1成像增强功能。

实施例5

（1）将氯化亚铜（50mm）、醋酸锌（30mm）、硝酸锡（30mm）前驱体溶于50ml乙二醇中，搅拌均匀，得到前驱体溶液a；

(2)将硫化钠（10mm）溶解于10ml无水乙醇中，得到前驱体溶液b；

(3)将前驱体溶液a加热至210℃，快速注入前驱体溶液b，继续反应5h，待反应溶液冷却至室温，加入乙醇，离心，收集下层沉淀并烘干，得到基础纳米铜锌锡硫化合物；

(4)取牛血清白蛋白与上述基础纳米铜锌锡硫化合物混合，40khz下超声120min，其后冰水浴震荡16h，震荡频率为50time/min，所用牛血清白蛋白与基础纳米铜锌锡硫化合物的质量比为2:1，震荡结束后离心水洗，将得到的固体物质烘干，得到产物；

将产物按实施例1的方式进行透射电镜观察、微波升温实验及t1成像测试，可知产物中铜锌锡硫化合物的粒径为2~20nm，具有良好的微波升温效果和明显的t1成像增强功能。

实施例6

（1）将醋酸铜（50mm）、氯化锌（30mm）、氯化锡（30mm）前驱体溶于50ml乙二醇中，搅拌均匀，得到前驱体溶液a；

(2)将硫化钠（10mm）溶解于10ml乙二醇中，得到前驱体溶液b；

(3)将前驱体溶液a加热至170℃，快速注入前驱体溶液b，继续反应0.5h，待反应溶液冷却至室温，加入乙醇，离心，收集下层沉淀并烘干，得到基础纳米铜锌锡硫化合物；

(4)取壳聚糖与上述基础纳米铜锌锡硫化合物混合，超声100min，其后常温震荡18h，所用壳聚糖与基础纳米铜锌锡硫化合物的质量比为0.8:1，震荡结束后离心水洗，将得到的固体物质烘干，得到产物；

将产物按实施例1的方式进行透射电镜观察、微波升温实验及t1成像测试，可知产物中铜锌锡硫化合物的粒径为2~20nm，具有良好的微波升温效果和明显的t1成像增强功能。

实施例7

（1）将醋酸铜（50mm）、氯化锌（30mm）、硝酸锡（30mm）前驱体溶于50ml乙二醇中，搅拌均匀，得到前驱体溶液a；

(2)将硫脲（10mm）溶解于10ml无水甲醇中，得到前驱体溶液b；

(3)将前驱体溶液a加热至230℃，快速注入前驱体溶液b，继续反应2.5h，待反应溶液冷却至室温，加入乙醇，离心，收集下层沉淀并烘干，得到基础纳米铜锌锡硫化合物；

(4)取明胶与上述基础纳米铜锌锡硫化合物混合，超声90min，其后常温震荡20h，所用明胶与基础纳米铜锌锡硫化合物的质量比为0.4:1，震荡结束后离心水洗，将得到的固体物质烘干，得到产物；

将产物按实施例1的方式进行透射电镜观察、微波升温实验及t1成像测试，可知产物中铜锌锡硫化合物的粒径为2~20nm，具有良好的微波升温效果和明显的t1成像增强功能。

实施例8

（1）将氯化铜（50mm）、醋酸锌（30mm）、硝酸锡（30mm）前驱体溶于50ml乙二醇中，搅拌均匀，得到前驱体溶液a；

(2)将硫化钠（10mm）溶解于10ml异丙醇中，得到前驱体溶液b；

(3)将前驱体溶液a加热至190℃，快速注入前驱体溶液b，继续反应1h，待反应溶液冷却至室温，加入乙醇，离心，收集下层沉淀并烘干，得到基础纳米铜锌锡硫化合物；

(4)取壳聚糖与上述基础纳米铜锌锡硫化合物混合，超声30min，其后震荡20h，所用壳聚糖与基础纳米铜锌锡硫化合物的质量比为1.6:1，震荡结束后离心水洗，将得到的固体物质烘干，得到产物；

将产物按实施例1的方式进行透射电镜观察、微波升温实验及t1成像测试，可知产物中铜锌锡硫化合物的粒径为2~20nm，具有良好的微波升温效果和明显的t1成像增强功能。

实施例9

（1）将氯化铜（50mm）、醋酸锌（30mm）、氯化锡（30mm）前驱体溶于50ml乙二醇中，搅拌均匀，得到前驱体溶液a；

(2)将硫脲（10mm）溶解于10ml乙二醇中，得到前驱体溶液b；

(3)将前驱体溶液a加热至220℃，快速注入前驱体溶液b，继续反应4.5h，待反应溶液冷却至室温，加入乙醇，离心，收集下层沉淀并烘干，得到基础纳米铜锌锡硫化合物；

(4)取明胶与上述基础纳米铜锌锡硫化合物混合，超声20min，其后温水震荡24h，所用明胶与基础纳米铜锌锡硫化合物的质量比为1.8:1，震荡结束后离心水洗，将得到的固体物质烘干，得到产物；

将产物按实施例1的方式进行透射电镜观察、微波升温实验及t1成像测试，可知产物中铜锌锡硫化合物的粒径为2~20nm，具有良好的微波升温效果和明显的t1成像增强功能。

实施例10

（1）将氯化亚铜（50mm）、氯化锌（30mm）、氯化锡（30mm）前驱体溶于50ml乙二醇中，搅拌均匀，得到前驱体溶液a；

(2)将硫化钠（10mm）溶解于10ml甲醇中，得到前驱体溶液b；

(3)将前驱体溶液a加热至195℃，快速注入前驱体溶液b，继续反应5h，待反应溶液冷却至室温，加入乙醇，离心，收集下层沉淀并烘干，得到基础纳米铜锌锡硫化合物；

(4)取牛血清白蛋白与上述基础纳米铜锌锡硫化合物混合，超声30min，其后冰水浴震荡12h，所用牛血清白蛋白与基础纳米铜锌锡硫化合物的质量比为0.4:1，震荡结束后离心水洗，将得到的固体物质烘干，得到产物；

将产物按实施例1的方式进行透射电镜观察、微波升温实验及t1成像测试，可知产物中铜锌锡硫化合物的粒径为2~20nm，具有良好的微波升温效果和明显的t1成像增强功能。

实施例11

（1）按实施例10（1）~（3）的步骤制备对比物铜锌锡硫化合物（czts）；

（2）将所述铜锌锡硫化合物与实施例10制得的产物（czts-bsa）进行细胞实验，包括体外细胞毒性测试、细胞光热治疗实验；体外溶血实验；小鼠肿瘤治疗实验、小鼠毒性实验及活性物质测试；

实验结果表明，按hepg-2细胞进行的标准mtt法和活死细胞染色，czts与czts-bsa均具有较低的细胞毒性；两者在近红外激光辐照下对癌细胞均具有高效光热杀伤能力；不同浓度的czts-bsa的溶血率均低于5%，证明其有良好的血液相容性，而对比的是，czts对红细胞膜有一定的破坏性影响；对小鼠采用的ptt-cdt疗法显示，czts-bsa在激光辐照下，肿瘤表面温度在5min内迅速增加至60℃，肿瘤生长受到明显的抑制，其体积持续减小，并且在观察期内无复发现象，而不经任何治疗的对比组、及单独在无辐照情况下使用czts的对比组，及只使用激光辐照的对比组，其肿瘤表面均无明显温度变化，且肿瘤体积持续增大，说明czts-bsa作为一种良好的体内光热增敏剂，可协同光动力联合进行肿瘤治疗；而通过尾静脉注射方式进行的小鼠毒性实验发现czts注射量为50mg/kg时，小鼠开始死亡，其剂量达200mg/kg时，死亡率达到100%，而同样的剂量及更多的其它剂量测试下，czts-bsa的注射均不会导致小鼠发生一例死亡；通过组织细胞培养4h后使用dcfh-da探针检测细胞内活性氧簇的方式进行活性物质测试显示，近红外激光辐照可诱导czts或czts-bsa产生活性氧簇（ros），导致组织细胞出现严重损伤，包括线粒体功能紊乱及ros生成障碍，引起强大的癌细胞杀伤作用，电子顺磁共振（erp）测试发现两者在辐照下均可产生丰富的羟基自由基，有效用于肿瘤治疗。