含铜基颗粒的多孔碳复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及复合材料制备技术领域。更具体地，涉及一种含铜基颗粒的多孔碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

癌症是目前世界上致死率最高的疾病之一。由于传统的癌症治疗手段(化疗，手术，放射)存在副作用强、对正常组织伤害大等缺点，抗肿瘤活性强且毒副作用小的新型治疗方法光热治疗吸引了人们极大的关注。目前，用于光热治疗研究的材料多种多样，如有机近红外染料(biomaterials2017,133,208–218)，过渡金属纳米粒子(acsnano2016,10,1355-1362)，贵金属纳米材料(angew.chem.int.ed.2017,56,9029–9033)等等。但是，光稳定性差、光热转换效率低、价格高等因素都限制了它们进一步的应用。

作为一种高效的光热试剂，碳纳米材料有着较强的近红外吸收和光热转换效率(small2017,13,1602592–1602603)。因此，在较低剂量浓度下，碳纳米材料能迅速产生热量杀死癌细胞。此外，多数研究(adv.mater.2016,28,8379–8387)表明碳纳米材料的毒性小，生物相容性好，光稳定性强，可以有效地应用于光热治疗领域。由于高的比表面积，碳纳米材料还可以作为载体，较高程度地吸附或者共价键结合其他材料，实现光热治疗与其他治疗手段结合，显示出更高效的治疗效果。

p型半导体-氧化亚铜由于合适的禁带宽度，光电转化效率高，成本低，环保无毒，资源丰富，制备工艺简单而引起人们的关注，被广泛应用在太阳能光电池、光催化、光电催化等领域。然而，氧化亚铜颗粒应用于癌症治疗领域却几乎没有人关注。已有研究报道氧化亚铜可以在太阳光照射下，产生活性氧物种，催化分解有机染料(j.ind.eng.chem.2017,52,331–337)。这为氧化亚铜应用于光动力治疗提供可能性。目前，传统的氧化亚铜纳米粒子的制备方法主要有自上而下和自下而上两种。其中自上而下是通过机械或者物理外力将大尺寸的材料破碎为小尺寸颗粒，而自下而上是通过化学方法使原子团聚成颗粒。而想要获得氧化亚铜颗粒与碳纳米材料的复合材料以实现光动力、光热协同治疗的常见方法是先分别合成各种材料，再通过自主装的方式组装而成(rscadvances2015,5,19321–19328)，或者先合成一种材料，再在原位生成另一种材料(angew.chem.int.ed.2015,54,8480–8484)。但是，层层逐步的功能化增加了合成的难度和成本，也增加了复合药物的毒性。

因此，有必要提供一种制备铜基颗粒/碳纳米复合材料的简便方法，使得该材料能应用于光动力治疗的同时拥有光热治疗效果。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于提供一种含铜基颗粒的多孔碳复合材料，铜基颗粒均匀地分布在多孔碳上，且该复合材料具有优异的光热转化能力和光动力效果。

本发明的第二个目的在于提供一种如上所述的含铜基颗粒的多孔碳复合材料的制备方法，该制备方法工艺简单，能耗少，设备要求低，环境友好。

本发明的第三个目的在于提供一种如上所述的含铜基颗粒的多孔碳复合材料在制备光动力、光热协同治疗试剂中的应用。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

根据上述第一个目的，本发明提供一种含铜基颗粒的多孔碳复合材料，包括铜基颗粒和多孔碳；所述铜基颗粒包括一价铜和零价铜；所述铜基颗粒的尺寸为40-100nm；所述多孔碳的尺寸为300-1000nm；所述铜基颗粒与多孔碳的质量比例为0.5-2.5；所述铜基颗粒均匀地分布在多孔碳上。

优选地，所述多孔碳的比表面积为100-500m²/g。

根据上述第二个目的，本发明提供一种如上所述的含铜基颗粒的多孔碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将可溶性无机铜盐溶于非水溶剂内，得到铜盐溶液；

向铜盐溶液中加入有机配体溶液，室温下搅拌2-24h，离心，洗涤，干燥，获得前体材料铜基有机金属框架；

将所得的有机金属框架放入管式炉内，在惰性气体下，300-1000℃煅烧0.5-2h，得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。

优选地，所述可溶性无机铜盐选自硝酸铜、硫酸铜、氯化铜、醋酸铜中的任意一种。

优选地，所述铜盐溶液中无机铜盐的质量浓度为1-5％。

优选地，所述铜盐溶液中还包括聚乙烯吡咯烷酮。

优选地，所述有机配体溶液中的有机配体选自均苯三甲酸和对苯二甲酸中的一种或两种；所述非水溶剂选自甲醇、乙醇、甲醇水溶液、乙醇水溶液、二甲基甲酰胺-甲醇水溶液、二甲基甲酰胺-乙醇水溶液中的任意一种。

优选地，所述有机配体溶液中有机配体的质量浓度为0.05-5％；所述可溶性无机铜盐和有机配体的质量比为1:3-3:1。

优选地，所述的惰性气体选自氦气、氖气、氩气和氮气中的任意一种或多种的组合。

根据上述第三个目的，本发明提供一种如上所述的含铜基颗粒的多孔碳复合材料在制备光动力、光热协同治疗试剂中的应用。

本发明的有益效果如下：

本发明以铜基有机金属框架为模板，通过高温煅烧，一步法制备得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料，该制备方法简单，条件可控，能耗少，设备要求低，环境友好。

本发明的铜基颗粒/碳纳米复合材料，铜基颗粒均匀地分布在多孔碳上，具有优异的光热转化能力和光动力效果，能同时实现光动力、光热协同治疗，且毒性小，可用于制备光动力、光热协同治疗试剂。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出实施例1合成的含铜基颗粒的多孔碳复合材料的扫描电子显微成像图。

图2示出实施例1合成的含铜基颗粒的多孔碳复合材料的透射电镜图。

图3示出实施例1合成的含铜基颗粒的多孔碳复合材料的光热转化曲线图。

图4示出实施例1合成的含铜基颗粒的多孔碳复合材料的电子自旋共振图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选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。

现有技术中，氧化亚铜颗粒与碳纳米材料的复合材料制备方法难度和成本高，得到的复合药物具有一定毒性。本发明提供一种含铜基颗粒的多孔碳复合材料，包括铜基颗粒和多孔碳；所述铜基颗粒包括一价铜和零价铜；所述铜基颗粒的尺寸为40-100nm；所述多孔碳的尺寸为300-1000nm；所述铜基颗粒与多孔碳的质量比例为0.5-2.5，所述铜基颗粒均匀地分布在多孔碳上。

优选地，所述多孔碳的比表面积为100-500m²/g。

本发明提供的含铜基颗粒的多孔碳复合材料，包含多孔石墨化碳(即前体材料铜基有机金属框架中的有机配体通过高温煅烧得到的具有部分石墨晶型结构的碳)，可以在近红外光照射下有效地将光能转化为热能，实现近红外，光声成像的同时杀死癌细胞。铜基颗粒中的一价铜和零价铜的相互接触，能在近红外光照射下促进电荷分离，产生活性氧自由基，达到光动力治疗的效果。且该复合材料毒性小，适合用于制备光动力、光热协同治疗制剂。

本发明还提供一种如上所述的含铜基颗粒的多孔碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将可溶性无机铜盐溶于非水溶剂内，得到铜盐溶液；

(2)向铜盐溶液中加入有机配体溶液，室温下搅拌2-24h，离心，洗涤，干燥，获得前体材料铜基有机金属框架；

(3)将所得的有机金属框架放入管式炉内，在惰性气体下，300-1000℃煅烧0.5-2h，得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。

优选地，所述可溶性无机铜盐选自硝酸铜、硫酸铜、氯化铜、醋酸铜中的任意一种，这几种可溶性无机铜盐属于常见试剂，可满足反应要求。本领域技术人员也可以选用其它的可溶性无机铜盐，本发明对此不加以限制。

优选地，所述铜盐溶液中无机铜盐的质量浓度为1-5％，例如，可以为1％，3％，4％，5％。

优选地，所述铜盐溶液中还包括聚甲基吡咯烷酮。进一步优选地，所述聚甲基吡咯烷酮在铜盐溶液中的质量浓度为0.05-8％，例如，可以是0.05％，0.1％，2％，5％，7％，8％。需要说明的是，本发明的试验也可以在不使用聚甲基吡咯烷酮的情况下完成。

聚甲基吡咯烷酮的加入方法可以为：在步骤(1)中将可溶性无机铜盐和聚甲基吡咯烷酮共同溶于非水溶剂内，得到含聚甲基吡咯烷酮的铜盐溶液。此外，也可以将可溶性无机铜盐和聚甲基吡咯烷酮依次溶于非水溶剂内。聚甲基吡咯烷酮的加入方法和顺序不会影响本实验的最终效果。

优选地，所述有机配体溶液中的有机配体选自均苯三甲酸和对苯二甲酸中的一种或两种；

优选地，所述非水溶剂选自甲醇、乙醇、甲醇水溶液、乙醇水溶液、n,n-二甲基甲酰胺-甲醇水溶液、n,n-二甲基甲酰胺-乙醇水溶液中的任意一种。

优选地，所述有机配体溶液中有机配体的质量浓度为0.05-5％，例如，可以是0.05％，0.1％，1％，5％。

优选地，所述可溶性无机铜盐和有机配体的质量比为1:3-3:1，例如，可以为1:3，1:1，2:1，3:1。

优选地，所述的惰性气体选自氦气、氖气、氩气和氮气中的任意一种或多种的组合，惰性气体在此反应中的作用是保护材料在高温煅烧的过程中不被空气中的氧气氧化，从而影响结构和性能。

本发明还提供一种如上所述的含铜基颗粒的多孔碳复合材料在制备光动力、光热协同治疗试剂中的应用，该复合材料合成过程简单，毒性小，使用其制备的试剂可用于动力、光热协同治疗癌症。

下面结合具体的实施例对本发明进行详细说明。本发明中使用的各种原料，如无特殊说明，均可市售购买得到或通过本领域常规手段获得。

实施例1

一种含铜基颗粒的多孔碳复合材料的制备，步骤如下：

1)将4.7g硝酸铜和2.4g聚乙烯吡咯烷酮溶于300ml甲醇内，混合均匀得到铜盐溶液。再向铜盐溶液中加入300ml含有2.6g均苯三甲酸的甲醇溶液。在室温下搅拌4h后，离心，用甲醇洗涤，60℃真空干燥，即可获得前体材料铜基有机金属框架。

2)将步骤1)所得的有机金属框架放入管式炉内，在惰性气体ar下，经800℃高温煅烧0.5h，得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。

本实施例中，制备得到的产物含铜基颗粒的多孔碳复合材料的透射电镜图和扫描电子显微图如图1和图2所示。图1中显示复合材料的尺寸均匀，多孔碳大小为350nm。在碳基底上均匀地分布着的铜基颗粒大小为40nm。图2显示碳基底表面有多孔结构，且颗粒分散性好。通过吸脱附实验可知其比表面积为117m²/g。根据电感耦合等离子体光谱仪分析得知铜基颗粒与多孔碳的质量比例为1.8。将其分散在水中，使用808nm的激光照射，探测光热转换见图3，50μg/ml的溶液能从25℃升温到64℃。复合材料展示优异的光热转化能力，并且随着材料浓度的增加，光热转化温度随之增加。另一方面，其光动力效果使用电子自旋共振图来检测，如图4所示，在808nm光照后，复合材料展示了较强的活性氧物种的产生量。

实施例2

一种含铜基颗粒的多孔碳复合材料的制备，步骤如下：

1)将3.6g醋酸铜和2.4g聚乙烯吡咯烷酮溶于300ml甲醇内，并混合均匀得铜盐溶液。再向铜盐溶液中加入300ml含有5.4g均苯三甲酸的甲醇溶液。在室温下搅拌6h后，离心，用甲醇洗涤，60℃真空干燥，即可获得前体材料铜基有机金属框架。

2)将步骤1)所得的有机金属框架放入管式炉内，在惰性气体ar下，经400℃高温煅烧0.5h，得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。

所得含铜基颗粒的多孔碳复合材料，其多孔碳颗粒大小为540nm。铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为53nm。比表面积为235m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为1.3。将其分散在水中，经808nm的激光照射10分钟后，50μg/ml的溶液能从25℃升温到53℃，且通过电子自旋共振检测能测试出活性氧物种的产生。

实施例3

一种含铜基颗粒的多孔碳复合材料的制备，步骤如下：

1)将2.5g硝酸铜和2.4g聚乙烯吡咯烷酮溶于300mln,n-二甲基甲酰胺-甲醇溶液中，并混合均匀得到通盐溶液。再向铜盐溶液中加入300ml含有3.0g对苯二甲酸的甲醇溶液。在室温下搅拌24h后，离心，用甲醇洗涤，60℃真空干燥，即可获得前体材料铜基有机金属框架。

2)将步骤1)所得的有机金属框架放入管式炉内，在惰性气体n2下，经600℃高温煅烧0.5h，得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。

本实施例中，所得含铜基颗粒的多孔碳复合材料，其多孔碳颗粒大小为860nm。铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为65nm。比表面积为186m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为1.4。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到58.5℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

实施例4

重复实施例1，区别在于，将步骤1)中的“硝酸铜”换成“硫酸铜”，将步骤2)中的“ar”换成“he”，将“0.5h”换成“1h”。其余条件不变，制备得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。得到的多孔碳大小为300nm，铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为42nm。比表面积为103m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为2.0。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到68℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

实施例5

重复实施例1，区别在于，将步骤1)中的“硝酸铜”换成“氯化铜”，将“甲醇”换成“乙醇水溶液”，步骤2)中的“ar”换成“n2”，将“800℃”换成“500℃”。其余条件不变，制备得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。得到的多孔碳大小为490nm，铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为43nm。比表面积为203m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为1.4。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到56℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

实施例6

重复实施例1，区别在于，将步骤1)中的“4h”换成“24h”，将步骤2)中的“ar”换成“ne”，将“800℃”换成“1000℃”。其余条件不变，制备得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。得到的多孔碳大小为780nm，铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为69nm。比表面积为104m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为2.2。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到68.5℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

实施例7

重复实施例2，区别在于，将步骤1)中的“甲醇”换成“乙醇”，将“均苯二甲酸”换成“对苯二甲酸”，将步骤2)中的“0.5h”换成“1h”。其余条件不变，制备得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。得到的多孔碳大小为460nm，铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为48nm。比表面积为210m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为1.5。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到57℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

实施例8

重复实施例2，区别在于，将步骤1)中的“甲醇”换成“乙醇水溶液”，将“6h”变成“8h”。将步骤2)中的“ar”换成“n2”，将“0.5h”换成“2h”。其余条件不变，制备得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。得到的多孔碳大小为450nm，铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为51nm。比表面积为182m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为1.3。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到60℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

实施例9

重复实施例2，区别在于，将步骤1)中的“甲醇”换成“n,n-二甲基甲酰胺-乙醇水溶液”，将“6h”换成“10h”将步骤2)中的“ar”换成“he”，将“0.5h”换成“1h”。其余条件不变，制备得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。得到的多孔碳大小为515nm，铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为53nm。比表面积为223m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为1.4。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到58℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

实施例10

重复实施例2，区别在于，将步骤1)中的“甲醇”换成“n,n-二甲基甲酰胺-乙醇溶液”，将“6h”换成“12h”将步骤2)中的“ar”换成“n2”，其余条件不变，制备得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。得到的多孔碳大小为682nm，铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为87nm。比表面积为287m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为1.1。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到56℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

实施例11

重复实施例2，区别在于，将步骤1)中的“甲醇”换成“n,n-二甲基甲酰胺-甲醇溶液”，将“6h”换成“18h”将步骤2)中的“ar”换成“n2”，其余条件不变，制备得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。得到的多孔碳大小为730nm，铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为92nm。比表面积为291m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为1.1。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到56℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

实施例12

重复实施例3，区别在于，将步骤1)中的“n,n-二甲基甲酰胺-甲醇溶液”换成“甲醇”，将“24h”换成“12h”将步骤2)中的“600℃”换成“800℃”，其余条件不变，制备得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。得到的多孔碳大小为376nm，铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为48nm。比表面积为123m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为1.6。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到64℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

实施例13

重复实施例3，区别在于，将步骤1)中的“n,n-二甲基甲酰胺-甲醇溶液”换成“乙醇”，将“24h”换成“6h”将步骤2)中的“600℃”换成“1000℃”，其余条件不变，制备得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。得到的多孔碳大小为328nm，铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为42nm。比表面积为112m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为2.5。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到65℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

实施例14

重复实施例3，区别在于，将步骤1)中的“n,n-二甲基甲酰胺-甲醇溶液”换成“n,n-二甲基甲酰胺-甲醇水溶液”，将“24h”换成“4h”将步骤2)中的“600℃”换成“400℃”，其余条件不变，制备得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。得到的多孔碳大小为465nm，铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为42nm。比表面积为256m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为0.8。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到54℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

实施例15

重复实施例3，区别在于，将步骤1)中的“硝酸铜”换成“硫酸铜”，将“24h”换成“4h”将步骤2)中的“600℃”换成“300℃”，“0.5h”换成“1h”，其余条件不变，制备得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。得到的多孔碳大小为329nm，铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为47nm。比表面积为298m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为0.5。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到49℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

实施例16

重复实施例3，区别在于，将步骤1)中的“硝酸铜”换成“氯化铜”，将步骤2)中的“600℃”换成“300℃”，“0.5h”换成“2h”，其余条件不变，制备得到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。得到的多孔碳大小为795nm，铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为94nm。比表面积为279m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为0.7。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到52℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

实施例17

重复实施例1，区别在于，步骤1)中铜盐溶液不含聚乙烯吡咯烷酮，即仅将4.7g硝酸铜溶于300ml甲醇内，混合均匀得到铜盐溶液。

得到的多孔碳大小不均，尺寸范围为1.2μm至500nm，铜基颗粒均匀分布在多孔碳上，其大小为250到50nm。比表面积为150m²/g，铜基颗粒与多孔碳的质量比例为1.9。将其分散在水中，在808nm光照下，50μg/ml的复合材料水溶液能从25℃升温到58℃，且通过电子自旋共振能检测出活性氧物种。

对比例1

制备方法基本与实施例1相同，只是将1)中的“甲醇”换成“水”，其余条件不变，得不到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。

对比例2

制备方法基本与实施例1相同，只是将1)中的“聚乙烯吡咯烷酮”换成“聚乙烯醇”，其余条件不变，得不到尺寸均匀的含铜基颗粒的多孔碳复合材料。

对比例3

制备方法基本与实施例1相同，只是将2)中的“惰性气体ar”换成“空气”，其余条件不变，得不到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。

对比例4

制备方法基本与实施例1相同，只是将2)中的“800℃”换成“250℃”，其余条件不变，得不到含铜基颗粒的多孔碳复合材料。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。