一种钝化的黑磷材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及黑磷材料领域，具体涉及一种钝化的黑磷材料及该黑磷材料的制备方法和应用。
背景技术：
：黑磷是磷的同素异形体中最为稳定的一种，是一种具有直接能带结构的二维材料，其带隙可随层厚由0.3ev调节至2ev。黑磷也是一种半导体材料，拥有超出过渡金属的电子迁移率，可达1000cm2v-1s-1以上。黑磷独特的褶皱架构又赋予了它比其他二维材料都要大的比表面积，再加上黑磷具有良好的光热性能、在生理环境中可降解、且低生物毒性等优点，这使得黑磷在生物医药领域，如药物递送，光热治疗等领域引起了广泛关注。虽然黑磷具有诸多优点，但因为黑磷材料中的每个磷原子都有一对孤对电子，使其非常容易被空气中的氧气氧化。尤其是在潮湿环境中，黑磷在水分及氧气的共同作用下，形成磷氧化合物，快速发生降解。因而，黑磷的有效保存一直是其在实际应用中面临的一个巨大障碍。现阶段研究人员提出并使用的黑磷钝化方法主要包括：表面覆盖层保护、金属离子修饰、配体共价修饰等。但是，将这些钝化剂引入到黑磷中，极有可能会降低黑磷材料的生物相容性，这对于黑磷在生物领域尤其是生物医药领域的应用是非常不利的。因此，现阶段亟需一种具有良好生物相容性的黑磷钝化材料。技术实现要素：本发明的目的是为了克服现有钝化黑磷方法中引入钝化剂存在降低黑磷材料的生物相容性的问题，而提供了一种钝化效果好且具有良好生物相容性的钝化的黑磷材料及其制备方法和该钝化的黑磷材料在药物递送或光热治疗中的应用。本发明的发明人经过深入研究发现：采用特定的肽链结构作为钝化试剂钝化黑磷的过程中，由于采用的肽链无生物毒性，从而提高了钝化黑磷的生物安全性，且经过肽链修饰后的黑磷不仅不易被降解、稳定性得到提高，而且生物相容性不受损，其荧光性和光热效应等优良性能得到保留的同时还具有良好的细胞穿透能力，由此完成了本发明。本发明提供了一种钝化的黑磷材料，其中，所述钝化的黑磷材料为具有肽链修饰的黑磷，所述肽链至少包括一个赖氨酸和/或苯丙氨酸。优选地，以肽链中全部氨基酸的个数计，所述赖氨酸与苯丙氨酸的总含量为30-100％。优选地，所述赖氨酸与苯丙氨酸的数量比为1：10-10：1。优选地，所述黑磷为黑磷纳米片或黑磷纳米颗粒。优选地，所述黑磷与所述肽链的质量比为1：30-200；更优选地，所述黑磷与所述肽链的质量比为1：50-150。优选地，所述肽链为二肽和/或多肽。本发明还提供了一种钝化的黑磷材料的制备方法，其中，该方法包括将所述黑磷与所述肽链进行接触，使得所述肽链修饰到所述黑磷上。优选地，将含有所述黑磷与肽链的溶液进行超声处理后，分离得到所述钝化的黑磷材料。优选地，所述溶液的溶剂为n-甲基吡咯烷酮、n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜和六甲基磷酰三胺中的一种或多种；更优选地，所述溶液的溶剂为n-甲基吡咯烷酮。优选地，所述溶液中的黑磷浓度为0.1-3mg/ml，所述肽链与所述黑磷的质量比为1：10-200；更优选地，所述溶液中的黑磷的浓度为0.5-2.5mg/ml，所述肽链与所述黑磷的质量比为1：50-150。优选地，所述超声条件包括：超声功率为80-150w，超声温度为1-10℃，超声时间为1-5h；更优选地，所述超声条件包括：超声功率为90-110w，超声温度为2-5℃，超声时间为2-4h。此外，本发明还提供了本发明的钝化的黑磷材料在药物递送或光热治疗中的应用。根据本发明的钝化的黑磷材料，以肽链作为钝化剂钝化的黑磷，在提高黑磷稳定性的同时，不增加其生物毒性，还能够提高钝化黑磷的穿膜能力，使黑磷更容易进入到细胞当中，为黑磷在生物医学领域特别是在药物递送或光热治疗中的应用提供了基础。本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明图1为实施例1中的bp@10fkk溶液与对比例1的bp溶液透射电子显微镜照片；图2为本发明的钝化的黑磷材料的紫外-可见光吸收光谱图；图3为本发明的钝化的黑磷材料的拉曼光谱图；图4为未经钝化的纯黑磷的x射线光电子能谱分析谱图；图5为本发明的钝化的黑磷材料的x射线光电子能谱分析谱图；图6本发明的钝化的黑磷材料的光热性能测试谱图；图7为未经钝化的纯黑磷材料的光热性能测试谱图；图8为本发明的钝化的黑磷材料的生物安全性测试谱图。具体实施方式以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。本发明中，肽链是α-氨基酸以肽键彼此连接而形成的化合物，是蛋白质的二级结构。本发明提供了一种钝化的黑磷材料，其中，所述钝化的黑磷材料为具有肽链修饰的黑磷，所述肽链至少包括一个赖氨酸和/或苯丙氨酸。在本发明中，通过采用无生物毒性肽链作为钝化剂，提高了钝化黑磷的生物安全性，又由于采用的肽链序列中至少包括一个赖氨酸和/或苯丙氨酸，通过赖氨酸带有的正电荷与带负电的黑磷发生静电相互作用，或者通过苯丙氨酸中的苯环与黑磷的孤对电子之间发生π-n相互作用，从而使得肽链修饰到黑磷材料上，保护住每个磷原子的孤对电子，从而进一步提高黑磷稳定性，同时利用肽链的修饰能够提升黑磷的穿膜能力，使得钝化的黑磷更容易进入到细胞当中，为钝化的黑磷在生物医学领域中的应用提供基础。在本发明中，以肽链中全部氨基酸的个数计，所述赖氨酸的含量可以为0-100％，优选为40-80％。通过赖氨酸带有的正电荷与带负电的黑磷发生静电相互作用，从而实现对黑磷材料的钝化。以肽链中全部氨基酸的个数计，所述赖氨酸的含量的具体例子例如可以举出：0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％等。在本发明中，以肽链中全部氨基酸的个数计，所述苯丙氨酸的含量可以为0-100％，优选为20-60％。通过苯丙氨酸中的苯环与黑磷的孤对电子之间发生π-n相互作用，从而实现对黑磷材料的钝化。以肽链中全部氨基酸的个数计，所述苯丙氨酸的含量的具体例子例如可以举出：0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％等。为了提高钝化的黑磷材料的稳定性，优选地，以肽链中全部氨基酸的个数计，所述赖氨酸与苯丙氨酸的总含量为30-100％；进一步优选地，所述赖氨酸与苯丙氨酸的总含量为40-100％，更进一步优选地，所述赖氨酸与苯丙氨酸的总含量为50-100％；更进一步优选地，所述赖氨酸与苯丙氨酸的总含量为80-100％。以肽链中全部氨基酸的个数计，所述赖氨酸与苯丙氨酸的总含量的具体例子例如可以举出：0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％等。为了进一步提高钝化的黑磷材料的稳定性，优选地，所述赖氨酸与苯丙氨酸的数量比为1：10-10：1。在本发明中，所述黑磷为黑磷纳米片或黑磷纳米颗粒。为了提高钝化的黑磷材料的稳定性，优选地，所述黑磷与所述肽链的质量比为1：30-200；更优选地，所述黑磷与所述肽链的质量比为1：50-150。所述黑磷与所述肽链的质量比的具体例子例如可以举出：1：30、1：40、1：50、1：60、1：70、1：80、1：90、1：100、1：110、1：130、1：180、1：180或1：200等。为了提高钝化的黑磷材料的生物安全性及穿膜能力，所述肽链为二肽和/或多肽。其中，由两个氨基酸分子脱水缩合而成的化合物叫做二肽，由三个或三个以上氨基酸分子脱水缩合而成的化合物称为多肽。从成本以及容易得到的方面来考虑，所述多肽中氨基酸的个数可以为3-50个，优选为3-25个，更优选为3-10个，进一步优选为3-5个。在本发明的一个特别优选的实施方式中，所述肽链为多肽苯丙氨酸-赖氨酸-赖氨酸。本发明还提供了上述钝化的黑磷材料的制备方法，其中，该方法包括将所述黑磷与所述肽链进行接触，使得所述肽链修饰到所述黑磷上。在本发明的方法中，通过采用包括赖氨酸和/或苯丙氨酸肽链序列中，通过赖氨酸带有的正电荷与带负电的黑磷发生静电相互作用，或者通过苯丙氨酸中的苯环与黑磷的孤对电子之间发生π-n相互作用，将肽链修饰到黑磷材料上，保护住每个磷原子的孤对电子，提高黑磷材料的稳定性。根据本发明的方法，将含有所述黑磷与肽链的溶液进行超声处理后，分离得到所述钝化的黑磷材料。对于上述溶液中的溶剂没有特别的限定，可以为常用的强极性非质子溶剂，优选地，所述溶液的溶剂为n-甲基吡咯烷酮、n，n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜和六甲基磷酰三胺中的一种或多种；更优选为n-甲基吡咯烷酮。为了进一步提高钝化的黑磷材料的稳定性，优选地，所述溶液中的黑磷浓度为0.1-3mg/ml，所述肽链与所述黑磷的质量比为1：10-200；更优选地，所述溶液中的黑磷的浓度为0.5-2.5mg/ml，所述肽链与所述黑磷的质量比为1：50-150。对上述超声的条件没有特别的限定，优选地，所述超声条件包括：超声功率为80-150w，超声温度为1-10℃，超声时间为1-5h；更优选地，所述超声条件包括：超声功率为90-110w，超声温度为2-5℃，超声时间为2-4h。另外，本发明还提供了上述钝化的黑磷材料在生物医药领域中的应用，特别是在药物递送或光热治疗中的应用。本发明提供的钝化的黑磷材料本发明提供的制备方法操作简单，并且钝化的黑磷材料稳定性好、生物相容性好，荧光性和光热效应优良，同时还具有良好的细胞穿透能力，具有应用到光热治疗及药物载体等生物医药领域的潜能。以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明并不仅限于下述实施例。实施例1-4及对比例1制备钝化的黑磷材料：将纳米级黑磷片或黑磷量子点(bp)(先丰纳米材料科技有限公司，型号：101927)分散在n-甲基吡咯烷酮(nmp)中得到分散均匀的溶液，将冻干多肽苯丙氨酸-赖氨酸-赖氨酸(fkk)加入到黑磷纳米片nmp溶液中，超声处理(超声功率100w，温度为5℃，时间为2h)使得fkk有效修饰到bp表面上，通过离心(转速为12000rpm离心15min)除去剩余的游离多肽，分离得到的沉淀物通过2h超声重悬，得到所需的钝化的黑磷材料(bp@fkk)的均匀混合溶液。具体地，以上述方法按照下述表1记载的组成进行实施例1-4及对比例1(没有加入多肽)的制备，分别得到钝化的黑磷材料的均匀混合溶液bp@10fkk(实施例1)、钝化的黑磷材料bp@20fkk(实施例2)、钝化的黑磷材料bp@150fkk(实施例3)、钝化的黑磷材料bp@100fkk(实施例4)和bp(对比例1)。表1序号黑磷溶液的浓度(mg/ml)fkk与bp的用量质量比实施例10.210实施例20.220实施例30.250实施例40.2100对比例10.2—测试例1：钝化效果实验通过透射电子显微镜表征fkk钝化后黑磷的形貌，具体是将bp@fkk溶液(实施例1-4)和纯bp溶液(对比例1)分别放置于空气中，2天之后将(实施例1-4)和对比例1分别滴适量到tem专用载样铜网上，在惰性气体环境(如手套箱)中自然晾干，完全除去多余溶剂进行观察。图1为实施例1中的bp@10fkk溶液与对比例1的bp溶液透射电子显微镜照片。图1中a和c为对比例1的bp溶液的tem照片，b和d为实施例1中的bp@10fkk溶液的tem照片。由图1可知，对比例1的bp表面形成了许多孔洞，而被fkk修饰之后的bp表面则仍旧完整；高分辨率图像和选取晶体衍射图像表明，经过fkk修饰后的bp仍旧保持了完整的晶体结构。实施例2-4制备得到的bp@20fkk、bp@150fkk、bp@100fkk也同样表现出上述特性。测试例2：结构稳定性实验1)紫外-可见光吸收光谱测试将对比例1的bp与经多肽修饰的黑磷fkk@bp进行紫外-可见光吸收光谱表征。图2为本发明的钝化的黑磷材料的紫外-可见光吸收光谱图，谱线由下到上依次对应bp，bp@10fkk，bp@20fkk，bp@50fkk，bp@100fkk，fkk。由图2可知，对比例1的bp的最强吸收峰发生在200-220nm。而经fkk修饰的黑磷的光谱特征与fkk相似，最强吸收范围是200-300nm。这表明fkk成功的修饰到了黑磷表面，并且当fkk与黑磷的用量质量比为100时，bp表面修饰的fkk量达到饱和。2)拉曼光谱测试图3为本发明的钝化的黑磷材料的拉曼光谱图，谱线由下到上依次对应于bp，bp@10fkk，bp@100fkk。由图3可知，在对比例1的bp的拉曼光谱中，360.9cm-1、438.4cm-1和466.5cm-1三处峰分别对应黑磷原子的三种典型形态a1g，b2g和a2g，而经过fkk修饰后的黑磷的拉曼光谱中相应的三个峰的位置发生了红移。这表明fkk成功的修饰到了黑磷表面，并且当fkk与黑磷的用量质量比为100时，红移量最多。3)x射线光电子能谱分析测试分别测试暴露在空气中72h后的对比例1的bp与fkk@bp进行xps检测，受试溶液分别滴到硅片上，在惰性气体环境中晾干。图4为对比例1中的纯黑磷材料的x射线光电子能谱分析谱图，谱线由下到上依次对应基线、p2p1/2、p2p3/2、pox以及总谱。由图4可知，对比例1的纯黑磷纳米片的xps光谱存在p2p3/2和p2p1/2两个黑磷晶体的特征峰，分别对应130.1ev和130.9ev。除此之外，还存在磷氧化合物特征峰134.0ev。这表明纯黑磷经过一段时间空气暴露之后，发生了降解。相比较，图5中的实施例1的fkk@10bp的xps光谱不存在磷氧化合物的光谱，p2p3/2和p2p1/2的结合能在131.7ev和132.5ev处，这种变化可归因于fkk与bp之间的作用。同时fkk@bp不存在磷氧化合物的结合能特征峰，说明fkk@10bp中的bp被钝化，稳定性得到提高。实施例2-4制备得到的bp@20fkk、bp@50fkk、bp@100fkk中也同样地bp被钝化，稳定性得到提高。测试例3：光热性能测试为了证明被稳定后的黑磷纳米材料能够用于光热治疗，检验其光热性能。将fkk修饰后的黑磷溶液(实施例1)和纯bp溶液(对比例1)离心除去溶剂nmp，再用水超声重悬形成均一的水溶液。将实验组和对比例1分别暴露在空气中，暴露0h，12h，48h和96h后，分别利用红外激光器照射受试溶液30min后测量受试溶液的温度。图6为本发明的钝化的黑磷材料的光热性能测试谱图，图7为未经钝化的纯黑磷材料的光热性能测试谱图。由图7可知，纯bp溶液在空气中暴露一段时间后，发生降解，光热性能受损。而实施例1的黑磷溶液(fkk@10bp)在经过一段时间与空气接触后，仍能保持良好的光热性能。这即证明了黑磷在修饰fkk后稳定性得到了提高，也证明了经钝化的黑磷有良好的光热性能，有用于光热治疗的潜能。测试例4：生物安全性测试将hela细胞分别于相同浓度的fkk，bp和fkk@10bp(实施例1)的pbs溶液中在37℃下培养72h后加入mtt试剂，检测细胞活性。图8为本发明的钝化的黑磷材料的生物安全性测试谱图。由图8可知，这三种溶液的加入并不会影响细胞的活性。另外为了验证fkk@10bp在细胞内仍能保持光热性能，对另外一组与fkk@10bp共培养细胞进行红外光照射，检测细胞升温情况。实验结果表明，fkk@10bp在细胞内也能保持稳定的光热性能。测试例5：进入细胞的能力测试将hela细胞分别于相同浓度的fkk，bp和fkk@10bp(实施例1)的pbs溶液在37℃下培养4h后采用激光共聚焦显微镜观察。结果表明添加了fkk@10bp的实验组细胞能够在激光照射下发出蓝色的荧光，而只与纯黑磷共培养的细胞在激光激发下并未能在细胞内观察到明显荧光。这就证明，fkk@10bp能够穿过细胞膜进入细胞，甚至能够经过细胞核膜进入细胞核。因此，fkk@10bp具有作为药物载体的潜能。本发明利用序列中包含赖氨酸和苯丙氨酸的生物多肽对黑磷纳米材料进行修饰，使黑磷钝化，保护其在实际应用中不被降解。多肽作为钝化试剂有很高的生物安全性，经过多肽修饰后的黑磷不仅稳定性得到提高，生物相容性不受损，荧光性能和光热效应等优良性能得到保留，且具有良好的细胞穿透能力。据此，本发明证实了利用简单的操作方法便能将多肽修饰到黑磷纳米材料表面，使黑磷的稳定性大大提高。以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。当前第1页12