一种新型多功能化的超小铁碳纳米颗粒及其制备方法和应用

本发明属于纳米药物生物医学领域，涉及一种新型具有多功能包括类超氧化物歧化酶(sod)、类过氧化物酶(pod)和光热性能的超小铁碳纳米颗粒及其制备方法和应用。

背景技术：

1、铁碳纳米颗粒因其优异的磁学性能、力学性能、催化性能和生物兼容性，在生物医药、电子工业、化学工业等领域具有广泛的应用前景。作为一种典型的磁性纳米材料，在过去的几十年里，铁碳纳米颗粒在理论和实践上都引起了人们的广泛兴趣。在1993年，碳包覆结构的发现更是引起了人们的兴趣，如碳包铁碳纳米颗粒，内部的铁碳能够提供优良的磁性能，可以用作核磁共振的造影剂和磁控药物载体，而外层的碳能很好地阻止铁碳的氧化和泄露，并能与一些药物、特异性识别抗原连接，同时能产生碳量子点的荧光现象，在生物医学方面有着更好的应用前景。2012年提出先进合成方案以来，相关研究已蓬勃发展。因为具有比铁或氧化铁纳米颗粒更优越的性能，如高饱和磁化(～140emu/g)、耐腐蚀强、稳定性好和优异的催化活性，铁碳纳米颗粒在各种学科中有重要应用。作为铁基金属间化合物，铁碳纳米颗粒具有饱和磁化强度，使其具有更高的磁响应性，已经在磁分离、磁靶向、磁共振成像、磁热疗等领域得到了探索和应用。

2、值得注意的是，由于其固有的磁性能和近红外光(nir)响应性能，铁碳纳米颗粒被认为是生物医学领域，特别是肿瘤治疗领域的一种新兴材料。它们已经在一些与肿瘤相关的生物医学领域被广泛探索，如磁靶向、磁共振成像、磁热疗、光声断层扫描和光热治疗等。铁碳纳米颗粒还可以作为类fenton药物产生有毒的羟基自由基用于肿瘤化学动力学治疗(cdt)。碳的存在不仅提高了机械强度和化学稳定性，而且赋予了它们nir响应性能。在nir的照射下，铁碳纳米颗粒可以将吸收的光能转化为热能或超声波，扩大其在光热治疗(ptt)和光声成像(pat)中的应用。结合铁和碳的特点，铁碳纳米颗粒是具备肿瘤治疗应用前景的候选材料。此外，铁碳纳米颗粒可以与其他纳米结构结合，形成改进的铁碳基纳米复合材料，满足了对肿瘤治疗学日益增长的要求。这些新型复合材料促进了铁碳纳米颗粒在一些未探索领域的应用范围，有望发现新的生物功能。

3、在对铁碳纳米颗粒的长期研究中，众多学者提出了许多不同的制备方法，主要包括气体还原法、热分解法、溶胶凝胶法、电弧法、激光法等。但目前报道的文献中，制备的铁碳纳米颗粒的尺寸都比较大，并且尺寸分布不均匀，导致其在体内不容易被代谢，从而可能造成长期毒性。粒径小于5nm的超小铁碳纳米材料鲜有合成，相关性能未见报道。

技术实现思路

1、本发明提供了一种新型多功能化的超小铁碳纳米颗粒及其制备方法和应用。所制备的铁碳纳米颗粒尺寸小(<5nm)，粒径分布均匀，同时具有类超氧化物歧化酶(sod)活性、类过氧化物酶(pod)活性和光热性能，可有效杀伤肿瘤细胞，且生物安全性好，在肿瘤治疗领域具有重要的意义和广阔的应用前景。

2、本发明为了解决上述的技术问题，所采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供了一种新型多功能化的超小铁碳纳米颗粒制备方法，该方法通过介孔二氧化硅作为模板，采用有机、无机双铁源，经过水热反应、高温煅烧、刻蚀等步骤制备出尺寸小于5nm的铁碳纳米颗粒，具体是：

4、(1)将十六烷基三甲基溴化铵(ctab)、三乙醇胺(tea)溶于去离子水中，水浴保温，缓慢滴加硅酸四乙脂(teos)，继续水浴保温反应。样品经离心、烘干、研磨等处理后放入管式炉内烧，去除有机物，最终获得介孔二氧化硅粉末。

5、(2)将有机铁溶于去离子水或乙醇(a溶液)，无机铁溶于去离子水(b溶液)。将a、b溶液混合均匀后加入步骤(1)制得的介孔二氧化硅，并充分混合均匀，放入反应釜中水热反应。样品经离心、烘干、研磨等处理后放入管式炉内煅烧，达到碳化的目的。有机铁包含但不限于葡萄糖酸亚铁、乙二酸四乙酸铁钠、二乙烯三胺五乙酸铁钠、柠檬酸铁、乙酰丙酮铁、二茂铁、羰基铁、富马酸亚铁、枸橼酸铁；无机铁包含但不限于氯化铁、硝酸铁、硫酸铁。

6、(3)将表面修饰剂溶于碱性水溶液中，制得刻蚀液。将步骤(2)中制得的粉末加入刻蚀液中，搅拌或震荡反应。产物透析处理后冷冻干燥成粉末。表面修饰剂包含但不限于柠檬酸、多巴胺、二巯基丁二酸、原儿茶酸、儿茶酚、柠檬酸三钠、聚乙二醇。碱性溶液包含但不限于氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾。

7、作为优选，步骤(1)中ctab与tea质量比为5:1-10:1，tea与teos质量比为1:70-1:100，水浴温度为70-90℃，管式炉温度为400-800℃，水浴时长为2h以上，煅烧时间4h以上。

8、作为优选，步骤(2)中有机铁与无机铁的物质的量比为1:2-1:5，无机铁与介孔二氧化硅的质量比为1:1-2:1，水热反应温度为160-200℃，反应时间8h以上；煅烧温度为600-1000℃，煅烧时间2h以上。

9、作为优选，步骤(3)中刻蚀液的ph值控制在10以上，其中表面修饰剂浓度控制在0.05mol/l以上，搅拌(震荡)反应时间12h以上。

10、第二方面，本发明提供了一种上述方法制备得到的超小铁碳纳米颗粒在肿瘤治疗中的应用。

11、本发明由于采用了上述的技术方案，与现有的技术相比，取得的技术进步和有益效果是：

12、(1)本发明以介孔二氧化硅作为模板，采用有机、无机双铁源，经过水热反应、高温煅烧、刻蚀等步骤制备出铁碳纳米颗粒尺寸小(<5nm)，粒径分布均匀，且可以在水中保持稳定分散1个月以上。

13、(2)本发明获得的超小铁碳纳米颗粒同时具有类sod酶活性、类pod酶活性，并且能够在近红外光(波长800-1200nm)的照射下产热。三者之间的协同作用能够提高对肿瘤细胞的有效杀伤。

14、(3)本发明超小铁碳纳米颗粒对正常细胞没有明显的杀伤效果，具有良好的生物安全性。

技术特征：

1.一种新型多功能化的超小铁碳纳米颗粒制备方法，其特征在于：所述的超小铁碳纳米颗粒是通过模板法来控制纳米颗粒的尺寸、形貌，制备出超小尺寸的铁碳纳米颗粒，具体是：

2.根据权利要求1所述的超小铁碳纳米颗粒的制备方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)烘干后研磨成粉后，还包括在管式炉内烧若干小时，管式炉温度为600℃，用于去除有机物。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中十六烷基三甲基溴化铵、三乙醇胺、硅酸四乙脂、去离子水的物质的量比为0.004：0.001：0.07：5.56，水浴温度为70-90℃，水浴时长为2h以上。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中有机铁源、无水乙醇、无机铁源、去离子水的物质的量比为0.0005：0.217：0.001：0.556，无机铁与介孔二氧化硅的质量比为1:1-2:1，水热反应温度为160-200℃，管式炉温度为600-1000℃。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述有机铁源包含葡萄糖酸亚铁、乙二酸四乙酸铁钠、二乙烯三胺五乙酸铁钠、柠檬酸铁、乙酰丙酮铁、二茂铁、羰基铁、富马酸亚铁、枸橼酸铁；所述无机铁源包含氯化铁、硝酸铁、硫酸铁。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中刻蚀液的ph值控制在10以上，其中表面修饰剂浓度控制在0.05mol/l以上，搅拌并震荡反应时间12h以上，刻蚀液为10-20ml。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述表面修饰剂包含柠檬酸、多巴胺、二巯基丁二酸、原儿茶酸、儿茶酚、柠檬酸三钠、聚乙二醇；所述碱性溶液包含氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾。

9.一种权利要求1至8中任一项所制备得到的超小铁碳纳米颗粒在肿瘤治疗中的应用。

技术总结
本发明公开了一种新型多功能化的超小铁碳纳米颗粒及其制备方法和应用。这种铁碳纳米颗粒尺寸小于5nm，粒径分布均匀，可以在水中保持稳定分散1个月以上；同时具有类超氧化物歧化酶(SOD)和类过氧化物酶(POD)活性，并且能够在近红外光(波长800‑1200nm)的照射下产热。所述超小铁碳纳米颗粒通过模板法制备，以介孔二氧化硅为模板，采用有机、无机双铁源，经过水热反应、高温煅烧、刻蚀等步骤获得。类SOD酶、类POD酶和光热性能三者之间的协同作用能够提高对肿瘤细胞的有效杀伤。

技术研发人员：余靓,朱洵,车声雷,赵帆,李涓,应耀,李旺昌,乔梁,郑精武,蔡伟
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24