本发明涉及一种SnS纳米晶体，还涉及上述SnS纳米晶体的制备方法及其用于制备癌细胞光热治疗材料中的应用，属于纳米材料技术领域。
背景技术：
SnS由于在近红外区具有较强的消光系数和地球上丰富的Sn和S蕴藏量，具有廉价、高效、无毒三大特点，成为癌细胞光热疗法的首选材料。
利用溶液法制备超薄的半导体SnS纳米片是材料科学中最重要的研究前沿之一，国内外对此进行了大量的研究。目前采用的方法大多为油相法，油相法需要用到很多有毒的有机溶剂。水热法，作为一种以水为反应介质的方法，应用于合成多种无机半导体纳米材料，目前为止，很多具有特殊形貌结构的SnS纳米/微米晶体都已经被国内外科学家合成出来，但是尚没有文献关于具有菱形十二面体SnS纳米晶体的报道。
技术实现要素：
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种SnS纳米晶体，该SnS纳米晶体具有棱形十二面体结构。
本发明还要解决的技术问题是提供上述SnS纳米晶体的制备方法，该制备方法能够制备出具有棱形十二面体结构的SnS纳米晶体，且制备工艺简单、成本低，能够适用于工业化大规模生产。
本发明最后要解决的技术问题是提供上述SnS纳米晶体用于制备癌细胞光热治疗材料中的应用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：
一种SnS纳米晶体，所述SnS纳米晶体具有棱形十二面体结构。
上述SnS纳米晶体的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将所需量的含锡前驱体、含硫前驱体和表面活性剂溶于水中，混合均匀后，于180～220℃下反应100～120min，优选110min；
步骤2，收集反应产物，洗涤后即可得到具有棱形十二面体结构的SnS晶体。
其中，步骤1中，所述含锡前驱体为二氯亚锡、四氯化锡或硫酸亚锡中的至少一种，优选氯化亚锡。
其中，步骤1中，所述含硫前驱体为硫脲、硫代乙酰胺、硫化钠、L-半胱氨酸或还原型谷胱甘肽中的至少一种，优选L-半胱氨酸。
其中，步骤1中，所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮。
其中，所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为1300000。
其中，步骤1中，所述含锡前驱体与含硫前驱体的混合摩尔比为1：1～12，优选1:1；所述含锡前躯体与表面活性剂的混合摩尔比为1：0.1～1.2，优选1:0.4。
上述SnS纳米晶体在制备癌细胞光热治疗材料中的应用。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
本发明制备方法能够制备出具有棱形十二面体结构的SnS纳米晶体，且制备工艺简单、成本低，能够适用于工业化大规模生产；具有棱形十二面体结构的SnS纳米晶体具有良好的光热效应和生物相容性，以及低的细胞毒性，因此能够将其应用于制备癌细胞光热治疗的材料。
附图说明
图1为本发明中实施例1制备的棱形十二面体SnS纳米晶体的扫描电镜照片(标尺长度为0.5μm)；
图2为本发明中实施例1制备的棱形十二面体SnS纳米晶体的扫描电镜照片(标尺长度为0.2μm)；
图3为本发明中实施例1制备的棱形十二面体SnS纳米晶体低放大率的透射电镜照片；
图4为本发明中实施例1制备的棱形十二面体SnS纳米晶体的高分辨率透射电镜照片；
图5为本发明中实施例1制备的棱形十二面体SnS纳米晶体的扫描透射电镜照片；
图6为Sn，3d的高分辨率X射线光电子能谱；
图7为本发明中实施例1制备的棱形十二面体SnS纳米晶体的高分辨率X射线光电子能谱；
图8为本发明中实施例1制备的棱形十二面体SnS纳米晶体的XRD图谱；
图9为本发明中实施例1制备的棱形十二面体SnS纳米晶体和实施例2制备的棱形十二面体SnS纳米晶体的紫外-可见光-近红外光谱对比；
图10本发明中实施例1制备的RD SnS NC在不同浓度时的紫外-可见光-近红外光谱；
图11为本发明中实施例1制备的RD SnS NC在785nm的激光下浓度和吸光度的关系；
图12为在785nm的激光照射下，纯水和不同浓度的RD SnS NCs水悬浮液的光热加热曲线；
图13为在785nm的激光辐照10min后，纯水和不同浓度的RD SnS NCs水悬浮液的光照图像；
图14为785nm激光照射RD SnS NCs水悬浮液(0.5mg·mL-1)10min然后自然冷却的热曲线；
图15为785nm激光照射RD SnS NCs水悬浮液的热转换的热平衡时间常数；
图16为785nm激光照射RD SnS NCs水悬浮液(0.5mg·mL-1)然后自然冷却，循环五次的热曲线，785nm的激光功率是0.8W·cm-2；
图17为未经785nm激光照射时的RD SnS NCs对HeLa和3T3细胞的细胞毒性；
图18为在不同功率密度的785nm激光照射培养后，0.3mg·mL-1的RD SnS NCs悬浮液对HeLa的细胞存活率；
图19为0.3mg·mL-1的RD SnS NCs悬浮液的Calcein AM/PI进行共焦celling成像；
图20为在HeLa细胞荷瘤小鼠瘤内注射25μL PBS溶液和RD SNS NCS水悬浮液(2mg·mL-1)2小时后，785nm激光照射下(1W·cm-2)的红外热图像；
图21为785nm激光照射6分钟后小鼠肿瘤的温度变化曲线；
图22分别用PBS,RD SnS NCs,PBS+光照以及RD SnS NCs+光照处理的老鼠相对肿瘤体积的变化；
图23为分别用PBS,RD SnS NCs,PBS+光照以及RD SnS NCs+光照处理的老鼠体重的变化；
图24为经过不同处理后14天荷瘤小鼠的代表性照片(上方)和经过不同处理后1天小鼠肿瘤切片图像(下方)；
图25为无785nm激光照射下，从小鼠腹腔注射25μL PBS(pH＝7.4,10mM)或RD SNS NCS水悬浮液(2mg·mL-1)1天的苏木精-伊红染色的组织切片，所有图片的放大倍数均为200倍；
图26为无785nm激光照射下，从小鼠腹腔注射25μL PBS(pH＝7.4,10mM)或RD SNS NCS水悬浮液(2mg·mL-1)7天的苏木精-伊红染色的组织切片，所有图片的放大倍数均为200倍；
图27为本发明实施例2制备的棱形十二面体SnS晶体的粒径分布曲线；
图28为本发明实施例2制备的棱形十二面体SnS晶体的扫描电镜照片；
图29为本发明对比实施例1制备的棱形十二面体SnS晶体的粒径分布曲线；
图30为本发明对比实施例1制备的棱形十二面体SnS晶体的扫描电镜照片；
图31为本发明对比实施例2制备的棱形十二面体SnS晶体的扫描电镜照片；
图32为本发明对比实施例3制备的棱形十二面体SnS晶体的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
本发明具有菱形十二面体结构的SnS纳米晶体的制备方法，具体采用如下方法制备而成：
将1mmol氯化亚锡、1mmolL-半胱氨酸和0.4mmol聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，溶于75mL水中制得混合溶液，其中，聚乙烯吡咯烷酮的分子量为1300000；将混合溶液转移至反应釜中加热，控制反应温度为200℃，反应110min后，将得到的产物离心处理，再用水和酒精洗样品，制得具有棱形十二面体结构的SnS纳米晶体，简称RD SnS NC。产率超过了95％。
RD SnS NC的形貌和成分分别通过扫描电镜、透射电镜、高分辨率透射电镜和能谱进行表征。扫描电镜照片和透射电镜照片分别如图1～3所示，反应时间为110min后得到的RD SnS NC的平均粒径为202～288nm，粒径高度均一和分散，由图中可以观察到，晶体具有典型的菱形十二面体结构。如图4所示，高分辨率透射电镜照片显示在晶体晶面间距为0.338nm，可归属于立方SnS纳米晶体的(222)晶面。图5中的EDS元素分析表明，Sn和S元素在RD SnS NCs中是均匀分布的，且制备的RD SnS NCs中的元素比例为1:1。
图6和图7进一步确认了RD SnS NCs的形成。图6显示与Sn2+(3d5/2)对应的486.1eV和与Sn2+(3d3/2)对应的494.6eV的结合能，图7显示了161.0和162.0eVS的2p光谱上的结合能，分别可归因于S 2p3/2和S 2p1/2。
本实施例1制备的RD SnS NCs的XRD图谱如图8所示，RD SnS NC的晶格常数可归属于立方相的SnS。
将本实施例1制备的RD SnS NC进行消光系数ε的测量，消光系数可通过式(I)所示的朗博-比尔定律进行计算，式I中，A为在785nm处的RD SnS NCs水悬浮液的吸光度，L为石英试管的长度，单位是cm，C为RD SnS NC的浓度，单位为g·L-1，
将本实施例1制备的RD SnS NC进行光热特性的测定，分别配制不同浓度(0、0.1、0.3、0.1、0.3mg·mL-1)的RD SnS NC水悬浮液，各取100μL添加到PCR管内，利用波长为785nm、功率为0.8W·cm-2的激光进行辐照，用红外热成像照相机对样品进行实时热成像记录和量化。光热稳定性测试：利用波长为785nm、功率为0.8W·cm-2的激光照射100微升的RD SnS NCs水悬浮液(0.7mg·mL-1)6分钟，然后关闭激光自然冷却，如此重复测试5次。
将本实施例1制备的RD SnS NC进行光热转换效率的检测，RD SnS NC的光热转换效率可通过式(II)进行计算：
其中，TMax是RD SnS NC水悬浮液的最高温度，TSurr是周围环境的温度，(TMax-Tsurr)＝44，Q0为样品管(PCR管)所吸收的能量，可以通过只含100μL去离子水的PCR管的光热吸收来测定，(Q0＝16mW)，I是0.8W·cm-2(在光辐射面积为0.385cm2的情况下)，A为785nm波长处的RD SnS nc水悬浮液的吸光度值(A＝2.1)，h为热转换系数，S为样品管的表面积，hS可通过式(III)计算得到，为3.1mW/℃，
式(III)中，τs是系统的热转换时间常数，mD为水的质量，cD为水的比热容(4.2J/g·℃)。最后计算得知，RD SnS NC的光热转换效率的39.4％。
采用紫外-可见光-近红外光谱(UV-Vis-NIR)光谱法测量了RD SnS NC的光学性能，结果如图9所示，RD SnS NC在近红外区域具有很强的吸收能力，平均尺寸为202～288nm的RD SnS NC在705nm处具有吸收峰，可选择RD SnS NC作为光热治疗癌症的光热剂。由图10和图11可知，RD SnS NCs在近红外区域表现出很强的吸光度，在785nm处有36.8L·g-1·cm-1的消光系数。该消光系数远高于已报道的金纳米棒(3.9L·g-1·cm-1)，纳米氧化石墨烯(3.6L·g-1·cm-1)，纳米还原氧化石墨烯(24.6L·g-1·cm-1)，以及很多半导体材料，如黑磷量子点(14.8L·g-1·cm-1)、MoS2(29.2L·g-1·cm-1)、WS2(14.8L·g-1·cm-1)、Cu2-xSe(8.5L·g-1·cm-1)等。
通过监控RD SnS NC水悬浮液在波长为785nm、能量密度为0.8W·cm-2的激光下辐照的温度变化研究RD SnS NC的光热特性，结果如图12和13所示，在785nm激光辐照后，RD SnS NC水悬浮液的温度明显高于纯水，表明了RD SnS NCs具有良好的光热效应。由于光热效应的存在，更高的SnS NCs的浓度可以使溶液温度升高更多。当NCs水悬浮液浓度达到0.7mg·mL-1时，在785nm激光照射5分钟后，NCs水悬浮液的温度可以迅速增加到70℃。从785nm激光照射RD SnS NCs悬浮液10分钟然后关闭激光，检测该过程的RD SnS NCs悬浮液的温度变化，计算求得热平衡时间常数为135.9s、光热转换效率为39.4％(如图14和15所示)。RD SnS NC的光热转换效率远高于很多已报道的光热剂，如Cu2-xSe(22％)、Cu9S5(25.7％)、黑磷量子点(28.4％)和TixTa1-xSyOz(39.2％)。为了测试可重现性，研究了NCs水悬浮液的5个周期的激光开/关过程，结果如图16所示，相邻峰值温度无差异，表明长时间重复激光照射的RD SnS NCs具有良好的光热稳定性。
纳米材料的良好生物相容性对其生物医学应用至关重要。在此，利用HeLa和3T3细胞作为模型，用3-(4,5-二甲基噻唑-2-yl)-2,5-二苯四唑溴胺(MTT)测定了RD SnS NCs的生物毒性。如图17所示，当RD SnS NCs的浓度低于0.3mg·mL-1时，HeLa和3T3细胞在无激光照射下孵育24小时的存活率超过87％，表明RD SnS nc具有低的细胞毒性。研究了在785纳米激光照射下体外培养的HeLa细胞与NCs的体外培养，测定了NCs的PTT效应。HeLa细胞与RD SnS NCs(0.3mg·mL-1)一起孵育过夜，并在785nm激光照射下10min。从图18中可以看出，只有785nm的激光辐照对细胞存活率没有显著影响，而RD SnS NCs(0.3mg·mL-1)的加入导致HeLa细胞在785激光照射下的细胞存活率急剧下降。利用Calcein-AM/PI双染色试剂盒进行共焦细胞成像，进一步证实了RD SnS NCs的光热效应。只有死细胞才能被PI染色。从图19中，RD SnS NCs在785nm激光照射下对HeLa细胞具有很强的杀伤作用，说明RD SnS NCs可能是肿瘤治疗的潜在PTT药剂。Calcein AM staining发出绿色荧光，指示细胞存活，而PI染色则发出红色荧光，表示细胞死亡。
本实施例1得到的RD SnS NC在小鼠HeLa肿瘤PTT中的应用。当小鼠肿瘤体积增大到～60mm3时，在动物实验中使用的小鼠随机分为4组，每组5只。每组小鼠在肿瘤中心区域注射PBS溶液或RD SnS NCs水悬浮液，用785nm激光(1W·cm-2)照射10分钟。同时，用PBS或RD SnS NCs溶液注射小鼠，但没有激光照射，进行可控实验。用红外热相机记录辐照期间小鼠的体温变化情况。如图20和21所示，在785nm激光照射下，NCs悬浮液注入的肿瘤温度在6min内，从30℃增加到54℃。与此相反，用PBS溶液注入的肿瘤的温度和用785纳米激光照射的温度仅略有增加。通过对肿瘤体积变化的监测，研究了NCs在体内的光热治疗效果。治疗后两周内的肿瘤的长度和宽度每两天记录一次。如图22所示，用RD SnS NCs和785nm激光治疗的小鼠肿瘤完全消融。然而，其他三个对照组的肿瘤生长迅速，肿瘤体积比初始大小增加8～15倍。这些小鼠的体重在PTT时间内略有增加，表明PTT过程没有严重的副作用(图23)。为了进一步证实光热治疗效果，每组两只小鼠在一天的各种治疗后被处死，然后用苏木素和伊红染色(H&E)对相应的肿瘤进行组织学分析。图24显示肿瘤的代表性组织病理学图像。可以观察到，使用RD SnS NCs和785nm激光治疗的肿瘤细胞遭受了严重的破坏，如更多的液泡、萎缩的细胞和凝结核。然而，其他三个对照组没有明显的异常。这些结果表明，RD SnS NCs在医学应用中确实是一种有效的肿瘤PTT药剂。
在生物医学应用中，还评估了RD SnS NCs在体内的生物相容性。静脉注射1天或7天的RD SnS NCs后，将小鼠处死，并对主要器官进行组织学检查。同时，从小鼠的眼底提取血液用于全血分析。如图25和26所示，未见明显的器官损伤和关节内病变，表明RD SnS NCs无严重副作用。另一方面，在健康的Balbc小鼠中，对1天内注射RD SnS NCs进行全血计数。结果表明，从全血分析中测得的所有参数几乎正常，且在正常范围内(如表1所示)。这些分析结果表明，RD SnS NCs在体内具有较好的PTT生物相容性，无毒副作用。
表1静脉注射25μL 2mg·mL-1的SnS NCs溶液1天后的小鼠全血细胞计数
实施例2
实施例2制备具有菱形十二面体结构的SnS纳米晶体的方法，具体步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于反应时间为120min，实施例2制备的具有菱形十二面体结构的SnS纳米晶体记为RD SnS NC-2。
实施例2制备具有菱形十二面体结构的SnS纳米晶体的粒径分布曲线和SEM照片分别如图27和28所示，在反应120min后，SnS晶体的粒径为463～531nm。紫外-可见光-近红外光谱显示，在745nm处出现强吸收峰。
对比实施例1
对比实施例制备SnS晶体的方法，具体步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于反应时间为140min。
对比实施例1制备的SnS晶体的粒径分布曲线和SEM照片分别如图29和30所示，在反应140min后，SnS晶体的粒径为1.41～2.31μm。
由实施例1、实施例2和对比实施例1的对比可知，反应时间能够控制产品形态的形成。
对比实施例2
对比实施例2制备SnS晶体的方法，具体步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于PVP的分子量为400000。对比实施例2制备的SnS晶体的SEM照片分别如图31所示。
对比实施例3
对比实施例3制备SnS晶体的方法，具体步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于PVP的分子量为360000。对比实施例3制备的SnS晶体的SEM照片分别如图32所示。
通过实施例1、对比实施例2和对比实施例3的对比可知，当PVP的分子量为400000时，SnS晶体不能形成菱形十二面体结构，当PVP的分子量为360000时，SnS晶体中有少量形成了菱形十二面体结构，当PVP的分子量为1300000时，SnS晶体可大量形成菱形十二面体结构，而只有具有菱形十二面体结构SnS晶体才具有良好的光热效应和生物相容性以及低的细胞毒性。