一种亲水性实心球形材料、制备方法及其应用与流程

本申请涉及一种亲水性实心球形材料、制备方法及其应用，可用于检测细胞内部压力变化的压力传感器，属于医学材料领域。

背景技术

在过去的十年中，胶体金属纳米粒子被广泛应用于生物和医学研究。一些深入的研究表明，nps功能分子或者具有特殊敏感性的粒子经修饰后可以显示内外部环境的变化。这些修饰后的材料可以是单独的纳米颗粒也可以是纳米复合物，且具有不同的形状。当外部的条件改变时，具有特殊晶体结构的纳米复合物通过物理性质的变化表现出了敏感行为，这些物理性质的变化包括等离子体耦合效应、质子转移、离子吸收或释放和电子跃迁。金属粒子通过用紫外/可见光散射和吸收的光能激发时可以产生表面等离子体共振的现象。根据这一光学性质，改变金属粒子之间的距离是构建灵敏的、有效的传感器的关键。

金属纳米复合物由结构的变化而引起的物理和化学性质的变化已经得到证实，因此这些不同性质的体现可以为其在能源转换、指示剂和病症治疗等领域的应用提供有力的依据。在这种情况下，作为贵金属纳米粒子的一种，金纳米粒子已经在合成、表征、功能化修饰和组装方面有巨大的优势且取得了代表性的成果。金纳米链复合薄膜证明，在对其施加不同压力时，一维链状的线性组装导致了粒子间相互作用和极性变化的长电荷排斥，使得电子等离子体耦合效应可以从uv/vis吸收峰的位移体现出来。

一些研究表明，细胞的死亡可以用细胞形态学来解释，但是这些研究仅仅是细胞外部形态的描述而不是从细胞内部层面。细胞从活着到死亡，它的外部形态则是从不规则变为球形，但是在这一转变过程中，至今没有人能够证明细胞内部的压力是否发生变化。

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供一种3d金属纳米粒子实心球聚合物材料，该材料是可以用于检测细胞内部压力变化的压力传感器，且有望用于光学诊断高血压等心血管疾病、癌症的检测试剂。

所述亲水性实心球形材料，其特征在于，包括：包覆有聚合物i的含金属纳米粒子和聚合物ii；所述聚合物i由含有单体i的原料聚合得到，所述聚合物ii由含有单体ii的原料聚合得到；

所述包覆有聚合物i的含金属纳米粒子分布在所述聚合物ii中；

所述聚合物ii为亲水性聚合物；

所述聚合物i和聚合物ii之间，通过式(1)和/或式(2)中所示结构单元连接：

所述亲水性实心球形材料既可以是聚合物ii包覆在每个包覆有聚合物i的含金属纳米粒子外面形成的球形材料(即，每粒球形材料包括金属纳米粒子的核+聚合物i形成的第一壳层+聚合物ii形成的第ii壳层)；也可以是聚合物ii将多个包覆有聚合物i的含金属纳米粒子包裹在一起形成一个球形的球形材料(即，聚合物ii将多粒包覆有聚合物i的含金属纳米粒子包裹成一粒球形材料)。

优选地，所述亲水性实心球材料的粒径范围为100nm～2μm。

优选地，所述亲水性实心球材料中，所述包覆有聚合物i的含金属纳米粒子的粒径范围为1nm～10nm。

作为一种实施方式，所述含金属纳米粒子是单金属纳米粒子，选自au金属纳米粒子、ag金属纳米粒子、cu金属纳米粒子、ni金属纳米粒子、zn金属纳米粒子、pb金属纳米粒子、fe金属纳米粒子、al金属纳米粒子、mg金属纳米粒子、sn金属纳米粒子、co金属纳米粒子、ca金属纳米粒子、mo金属纳米粒子、pd金属纳米粒子、ta金属纳米粒子、ti金属纳米粒子、bi金属纳米粒子、mn金属纳米粒子、pt金属纳米粒子、cr金属纳米粒子、v金属纳米粒子中的一种。

作为一种实施方式，所述含金属纳米粒子是合金纳米粒子，所述合金由au、ag、cu、ni、zn、pb、fe、al、mg、sn、co、ca、mo、pd、ta、ti、bi、mn、pt、cr、v中的至少两种形成。优选地，所述合金为ag-au合金、ag-sn合金、cu-ni合金、ni-al合金、ni-fe合金、ni-co合金中的至少一种。

作为一种实施方式，所述含金属纳米粒子是金属氧化物纳米粒子，所述金属氧化物纳米粒子选自mfe2o4纳米粒子和/或mn3o4纳米粒子；其中m选自fe、co、ni、zn、mn中的至少一种。

作为一种实施方式，所述含金属纳米粒子是量子点，所述量子点选自zno、cds、pbs、cdse、cuins2中的至少一种。

优选地，所述含金属纳米粒子是au金属纳米粒子。

优选地，所述单体i形成的聚合物i表面含有羧基。

优选地，所述单体ii中含有：

(i)碳碳不饱和键；和

(ii)羟基和/或氨基。

优选地，所述聚合物i为聚异丁烯异丁烯-顺丁烯二酸酸酐。

根据本申请的又一方面，提供制备上述任意亲水性实心球材料的方法，首先，含有羟基和/或氨基的单体ii与包覆有聚合物i的含金属纳米粒子反应，单体ii中的羟基和/或氨基与包覆有聚合物i的含金属纳米粒子表面的羧基形成式(1)和/或式(2)中所示结构单元，单体ii连接于包覆有聚合物i的含金属纳米粒子上；然后，加入自由基引发剂，单体ii中的碳碳不饱和键聚合，形成聚合物ii，从而得到所述亲水性实心球材料。聚合物i和聚合物ii之间，通过式(1)和/或式(2)中所示结构单元连接。

所述制备亲水性实心球材料的方法，其特征在于，至少包含如下步骤：

a)获得包覆有聚合物i的含金属纳米粒子；

b)将包覆有聚合物i的含金属纳米粒子与单体ii在催化剂存在下接触反应，得到前驱体；

c)向前驱体中加入自由基引发剂，经聚合反应形成所述亲水性实心球材料。

其中，包覆有聚合物i的含金属纳米粒子通过制备得到。

作为一种优选的实施方式，所述包覆有聚合物i的含金属纳米粒子选自包覆有聚异丁烯异丁烯-顺丁烯二酸酸酐的含金属纳米粒子。

作为一种优选的实施方式，所述单体ii选自丙烯酸酯类化合物中的至少一种。进一步优选地，所述单体ii选自2-羟基乙基甲基丙烯酸酯、糖基氧乙基甲基丙烯酸酯中的至少一种。

作为一种优选的实施方式，所述催化剂选自偶联剂中的至少一种。进一步优选地，所述催化剂选自1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、二环己基碳二亚胺、n-羟基丁二酰亚胺、4-二甲氨基吡啶中的至少一种。

作为一种优选的实施方式，所述自由基引发剂选自偶氮化合物中的至少一种。进一步优选地，所述自由基引发剂选自偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁酸二甲酯中的至少一种。

本领域技术人员可以根据具体需要，选择步骤b)中包覆有聚合物i的含金属纳米粒子、单体ii和催化剂的用量。优选地，步骤b)中，包覆有聚合物i的含金属纳米粒子、单体ii、催化剂的摩尔比例为：

包覆有聚合物i的含金属纳米粒子：单体ii：催化剂

＝1：1～3000：1～4096000；

其中，包覆有聚合物i的含金属纳米粒子的摩尔数以其中所含金属元素的摩尔数计。

进一步优选地，包覆有聚合物i的含金属纳米粒子、单体ii、催化剂的摩尔比例为：

包覆有聚合物i的含金属纳米粒子：单体ii：催化剂

＝1：500～1500：1000000～1100000；

其中，包覆有聚合物i的含金属纳米粒子的摩尔数以其中所含金属元素的摩尔数计。

优选地，步骤b)中的反应温度为20℃～80℃，反应时间不少于0.5h。

本领域技术人员可以根据具体需要，选择步骤c)中前驱体和自由引发剂的用量。优选地，步骤c)中，前驱体与自由基引发剂的摩尔比例为：

前驱体：自由基引发剂＝1：1～312500；

其中，前驱体的摩尔数以其中所含的金属元素的摩尔数计。

优选地，步骤c)中的聚合反应温度为10℃～60℃，聚合反应时间不超过1h。

所述亲水性实心球材料可以以聚合反应生成物，即亲水性实心球材料水溶胶的形式装入试剂瓶中，放入约4℃的冰箱中保存待用；或者

将聚合反应生成物进行透析，并进行冷冻干燥处理后，得到粉末状产物保存待用；或者

将聚合反应生成物经离心、洗涤和干燥，得到粉末状产物保存待用。

根据本申请的又一方面，提供任意所述亲水性实心球材料和/或根据任意所述方法制备得到的亲水性实心球材料在压力传感器中的应用；

所述压力传感器用于检测和记录细胞内部的压力变化。

通过对所述亲水性实心球材料施加压力的减小，其uv/vis吸收峰发生一定程度的红移，且其sers强度也极有可能发生一定的变化。这种新型的压力传感器可以捕获和纪录细胞内部的压力变化，且有望用于光学诊断高血压等心血管疾病、癌症的检测试剂。

本申请中，所述氨基为—nr1r2，其中r1、r2独立地选自h、碳原子数为1～20的烷基。

本申请中，np是纳米粒子的简写；edc是1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的缩写；dcc是二环己基碳二亚胺的缩写；nhs是n-羟基丁二酰亚胺的缩写；dmap是4-二甲氨基吡啶的缩写；pma是聚异丁烯异丁烯-顺丁烯二酸酸酐的简写；hema是2-羟基乙基甲基丙烯酸酯的缩写；aibn是偶氮二异丁腈的缩写；gema是糖基氧乙基甲基丙烯酸酯的缩写；sbb是硼酸钠缓冲液的缩写。

本申请所述技术方案的有益效果包括但不限于：

(1)本申请所提供的亲水性实心球形材料，是一种3d的实心结构，具有金属纳米粒子间距离相等且受力均匀、水溶性好、生物相容性好等优点。

(2)本申请所提供的亲水性实心球形材料，是一种压力敏感纳米材料，可作为一种纳米级别的压力传感器用于细胞检测，记录和捕获细胞内部的压力变化，可用于由细胞压强变化而引起的心血管疾病方面、光学诊断癌症方面的检测试剂。

(3)本申请所提供的制备方法简单易操作，有利于反应程度和聚合程度的控制，适合规模化生产。

应理解，在本申请披露的技术方案范围内中，本申请的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本申请方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

附图说明

图1是样品1^#的扫描电镜照片。

图2是样品1^#的透射电镜照片。

图3是样品2^#的扫描电镜照片。

图4是样品2^#的透射电镜照片；其中(a)为标尺为150nm的透射电镜照片，(b)为标尺为100nm的透射电镜照片。

图5是不同样品在不同压力下的紫外/可见光谱。

图6是紫外条件下压力敏感测试的实验器材搭建示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特殊说明，本申请所用原料和试剂均来自商业购买，未经处理直接使用，所用仪器设备采用厂家推荐的方案和参数。

实施例1包覆有聚合物i的含金属纳米粒子样品的获得

aunp-pma的制备

取平均粒径为5nm的油相au纳米粒子与两亲性聚合物pma反应，所得的aunp-pma的粒径为4nm～8nm，记为样品aunp-pma。

所述的油相au纳米粒子和两亲性聚合物pma的制备方法参照文献《利用一种两亲性聚合物包裹疏水纳米晶体：合成水溶性纳米晶体的常规途径》(teresapellegrino,liberatomanna,stefankudera,timliedl,dmitrykoktysh,andreyl.rogach,simonkeller,joachimra1dler,giovanninatile,andwolfgangj.parak.hydrophobicnanocrystalscoatedwithanamphiphilicpolymershell:ageneralroutetowatersolublenanocrystals.nanolett.,vol.4,no.4,2004)和《双亲性聚合物的设计及其应用于纳米粒子的包覆和功能化》(cheng-anj.lin,ralpha.sperling,jimmyk.li,ting-yayang,pei-yunli,marcozanella,walterh.chang,andwolfgangj.parak.desginofanamphiphilicpolymerfornanoparticlecoatingandfunctionalization.small2008,4,no.3,334–341)中的方法制备得到。

实施例2单体ii与包覆有聚合物i的含金属纳米粒子的连接样品的制备

单体ii与包覆有聚合物i的含金属纳米粒子的连接

分别取包覆有聚合物i的含金属纳米粒子、单体ii和催化剂，与sbb9(ph＝9)混合形成一定浓度的溶液，形成包覆有聚合物i的含金属纳米粒子的sbb溶液、单体ii的sbb溶液、催化剂的sbb溶液。在包覆有聚合物i的含金属纳米粒子：单体ii：催化剂摩尔比为1：1～3000：1～4096000的范围内作对比试验，具体步骤为：

取包覆有聚合物i的含金属纳米粒子的sbb溶液与单体ii的sbb溶液于1.5ml的离心管中混合均匀，再加入催化剂的sbb溶液，混合均匀后将离心管放在恒温震荡培养箱中震荡反应。反应结束后，将离心管内的液体取出，通过凝胶电泳实验得出优选的反应物配比和最佳的反应物配比。

通过凝胶电泳实验得出最佳的反应物配比的具体步骤，参照文献《凝胶电泳分离具有一定离散数量的官能团的纳米粒子》(ralpha.sperling,teresapellegrino,jimmyk.li,walterh.chang,andwolfgangj.parak.electrophoreticseparationofnanoparticleswithadiscretenumberoffunctionalgroups.adv.funct.mater.2006,16,943–948)中的方法进行。

通过凝胶电泳实验得出优选的反应物配比范围为：包覆有聚合物i的含金属纳米粒子：单体ii：催化剂＝1：500～1500：1000000～1100000。

通过凝胶电泳实验得出最佳反应物配比为：

包覆有聚合物i的含金属纳米粒子：单体ii：催化剂＝1：1000：1024000。

所得单体ii与包覆有聚合物i的含金属纳米粒子的连接样品的编号与反应物种类和配比的关系如表1所示。在表1中的条件下，反应结束后将所得液体取出，离心洗涤后将所得样品的sbb溶液放入约4℃的冰箱保存。

表1

实施例3亲水性实心球形材料样品的制备

取单体ii与包覆有聚合物i的含金属纳米粒子的连接样品与自由基引发剂，在摩尔比单体ii与包覆有聚合物i的含金属纳米粒子的连接样品：自由基引发剂＝1：1～312500的范围内作平行试验，具体步骤为：

取单体ii与包覆有聚合物i的含金属纳米粒子的连接样品的sbb溶液于1.5ml的离心管中，加入自由基引发剂的溶液。混合均匀后，将离心管放入细胞粉碎机中反应，反应结束。经过洗涤、离心分离得到所述亲水性实心球形材料。

通过对比观察样品的形貌，得到引发剂的最佳量。配比越佳，所得生成物的形貌越接近完美球形、粒径越均一。通过对比，得到前驱体与自由基引发剂的优选摩尔比例为前驱体：自由基引发剂＝1：6000～300000。

所得亲水性实心球形材料样品的编号与反应物种类和配比的关系如表2所示。

表2

实施例4样品的形貌表征

采用日本电子株式会社的jsm-7500f型号的扫描电镜和jeoljem3010uhr型号的透射电镜对样品1^#和样品2^#的进行了表征，结果如图1～4所示。其中：

图1和图3分别是样品1^#和样品2^#的扫描电镜照片，由图1和图3可以看出，样品1^#和样品2^#均为粒径分布均匀的球形样品。

图2是样品1^#的透射电镜照片，由图2可以看出，样品1^#中每粒球形颗粒中聚合物hema包裹多个aunp-pma纳米粒子。

图4是样品2^#的透射电镜照片；其中(a)为标尺为150nm的透射电镜照片，(b)为标尺为100nm的透射电镜照片。由图4可以看出，样品2^#中每粒球形颗粒中聚合物gema包裹多个aunp-pma纳米粒子，aunp-pma纳米粒子在球形颗粒中均匀分布。

实施例5样品的紫外/可见光谱及在不同压力下紫外/可见光谱的变化

在美国珀金埃尔默公司的lambda1050型紫外-可见分光光度计上测定了样品aunp-pma、aunp-pma-hema、aunp-pma-gema、样品1^#(对于图中aunp-pma-hemaball)和样品2^#(对应图中aunp-pma-gemaball)的紫外/可见光谱，以及压力改变下各样品紫外/可见光谱的变化，具体测定步骤和条件如下：

(1)准备紫外条件下压力敏感测试的实验器材：一个密封稳定的玻璃比色皿、真空泵、塞子、注射器针头。

(2)常规测试时，不加真空泵，在正常压力(1atm)下测量样品在350nm～800nm的紫外吸收。

(3)压力敏感测试时，用泵将比色皿中抽真空至17mbar后测量样品在350nm～800nm的紫外吸收。

结果显示，采用本申请技术方案的样品1^#和样品2^#，压力变化敏感度高于其他样品。典型代表如样品2^#，其紫外/可见光谱随压力变化与aunp-pma、aunp-pma-hema、aunp-pma-gema紫外/可见光谱随压力变化的对比图如图5所示。

步骤(1)中实验器材搭建示意图如图6所示。

由图5可以看出，在大气压为1atm时，aunp-pma在510nm处呈现强吸收峰，aunps-pma-gema在523nm处有强吸收峰aunps-pma-hema在520nm处有强吸收峰，aunps-pma-gema球于550nm处出现明显的紫外吸收，aunps-pma-hema球于560nm处出现明显的紫外吸收。体系抽真空至17mbar后，aunps-pma-gema球的紫外吸收峰出现在580nm，与正常气压下的结果相比出现了轻微的红移现象。该紫外/可见光谱随压力变化的对比图显示，aunps-pma-gema球对压力敏感，是一种新型压力敏感纳米材料。

本申请所提供的亲水性实心球形材料是一种压力敏感纳米材料，通过对该3d材料施加压力的减小，其uv/vis吸收峰发生一定程度的红移，且其sers强度也极有可能发生一定的变化。这种新颖的压力传感器可以捕获和纪录细胞内部的压力变化，且有望在光学诊断高血压等心血管疾病、癌症的领域发挥巨大的作用。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。