基于上转换材料的光引发剂复合物及其制备方法和应用与流程

本发明涉及纳米材料及3d打印技术领域，具体涉及一种基于上转换材料的光引发剂复合物及其制备方法和应用。

背景技术：

由于光引发聚合反应能实现材料时间和空间上可控，是原位水凝胶形成的重要手段。光聚合反应也是装载细胞的重要方法，无需高温和苛刻的ph条件，也能够引发聚合反应。光聚合反应用于装载活细胞已经是研究三维细胞行为重要工具，在生物医学3d打印方面有广泛应用。一般自由基光聚合反应是由引发剂或共引发剂吸收特定波长(一般为紫外光，波长为400nm以下)的光，降解形成自由基后引发聚合反应。常用的光引发剂有2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)和苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰亚膦酸锂盐(lap)。

目前所有已挖掘的光聚合反应均需要高能量的紫外光(uv)或可见光，由于二者的穿透能力差且紫外光对细胞组织有不可逆的损伤，因此在生物医学尤其是在细胞水平或活体组织水平上应用受限。长波长的近红外(nir)光有较深的组织穿透能力并且对正常细胞损害较少。镧系金属元素(ln³⁺)掺杂的上转换纳米粒(ucnps)由于其特有的上转换荧光属性，广泛地应用于彩色显示器、生物成像和多电子设备等领域。上转换纳米粒能吸收长波长的近红外光并且转换成具有更高能量的uv、可见光和nir。通常铥元素(tm³⁺)掺杂的纳米粒或核壳结构的纳米粒在第二近红外980nm波长光的激发下能发射出345nm和361nm波长的光。该激发光可用于在此波长范围内有特定吸收的光引发剂产生自由基进而引发低聚物或聚合物单体进行链式聚合反应形成高度交联的网状结构聚合物如水凝胶。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于上转换材料的光引发剂复合物。该光引发剂复合物能用作3d打印光引发剂，在3d打印聚合时，可用红外光引发。本发明所制备的光引发剂复合物为制备水凝胶提供新的技术和手段，因此在基于水凝胶的药物递送系统和在体3d打印研究领域有潜在的应用价值。

基于上转换材料的光引发剂复合物，包括掺杂有tm³⁺和yb³⁺的上转换纳米材料和光引发剂为原料制备而成。

进一步的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物，由掺杂有tm³⁺和yb³⁺的上转换纳米材料和光引发剂为原料制备而成。

更进一步的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物，由掺杂的上转换纳米材料和光引发剂组成，所述掺杂为掺有tm³⁺和yb³⁺。

进一步的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物，掺杂的上转换纳米材料为内层，光引发剂为外层。

再进一步的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物，所述掺杂的上转换纳米材料外部还包覆有一层保护层，即掺杂的上转换纳米材料为内层，保护层为中间层，光引发剂为外层。所述保护层为nayf4或nagdf4。所述保护层能够降低上转换纳米材料表面的配体、溶剂或不纯物质引起的发光淬灭，提高纳米材料的发光强度。

优选的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物中，所述上转换纳米材料还掺杂有er³⁺、pr³⁺、sm³⁺、tb³⁺、gd³⁺、ho³⁺、nd³⁺、dy³⁺中的至少一种。

优选的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物中，所述掺杂的上转换纳米材料中yb³⁺的摩尔含量为5～40％，tm³⁺的摩尔含量为0.01～3％。总量为阳离子摩尔总量。当上转化材料为氧化物或氟化物时，例如为gd2o3、lu2o3、caf2、laf3、znf2、y2o3或yf3时，所述阳离子摩尔总量为化合物中的阳离子和掺杂的阳离子的摩尔总量；当上转换材料为gdyf4、nayf4、liyf4、kyf4、baf2、bayf5或ba2yf7时，所述的阳离子摩尔总量为化合物中的y离子和掺杂的阳离子的摩尔总量。

进一步的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物中，所述掺杂的上转换纳米材料中yb³⁺的摩尔含量为20～40％，tm³⁺的摩尔含量为0.1～1.5％。

优选的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物中，所述掺杂的上转换纳米材料中er³⁺、pr³⁺、sm³⁺、tb³⁺、gd³⁺、ho³⁺、nd³⁺、dy³⁺中的至少一种的摩尔含量为0.01～5％。总量为阳离子摩尔总量。当上转化材料为氧化物或氟化物时，例如为gd2o3、lu2o3、caf2、laf3、znf2、y2o3或yf3时，所述阳离子摩尔总量为化合物中的阳离子和掺杂的阳离子的摩尔总量；当上转换材料为gdyf4、nayf4、liyf4、kyf4、baf2、bayf5或ba2yf7时，所述的阳离子摩尔总量为化合物中的y离子和掺杂的阳离子的摩尔总量。

优选的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物中，按质量比计，掺杂的上转换纳米材料与光引发剂的质量比为10︰1～1︰10。

进一步的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物中，按质量比计，掺杂的上转换纳米材料与光引发剂的质量比为2︰1～1︰2。

进一步的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物中，所述掺杂的上转换纳米材料中的阳离子摩尔总量与保护层中的阳离子摩尔比为10︰1～1︰10。优选为2︰1～1︰2。例如nayf4掺杂yb³⁺，tm³⁺时，保护层为nayf4时，则核中y³⁺、yb³⁺、tm³⁺摩尔总量与保护层的阳离子y³⁺的摩尔比为10︰1～1︰10。优选为2︰1～1︰2。例如nayf4掺杂yb³⁺，tm³⁺时，保护层为nagdf4时，则核中y³⁺、yb³⁺、tm³⁺摩尔总量与保护层的阳离子gd³⁺的摩尔比为10︰1～1︰10。优选为2︰1～1︰2。

具体的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物中，所述上转换纳米材料为gd2o3、gdyf4、lu2o3、caf2、laf3、znf2、y2o3、yf3、nayf4、liyf4、kyf4、baf2、bayf5或ba2yf7中至少一种。

具体的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物中，所述光引发剂为苯偶姻及衍生物、苯偶酰类化合物、烷基苯酮类化合物、酰基磷氧化物、二苯甲酮类化合物或硫杂蒽酮类化合物中至少一种。

优选的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物中，所述苯偶姻及衍生物为安息香、安息香双甲醚、安息香乙醚、安息香异丙醚或安息香丁醚中至少一种。

优选的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物中，所述苯偶酰类化合物为二苯基乙酮或α，α-二甲氧基-α-苯基苯乙酮。

优选的，上述光引发剂复合物中，所述烷基苯酮类化合物为α，α-二乙氧基苯乙酮、α-羟乙基苯酮或α-胺乙基苯酮中至少一种。

优选的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物中，所述酰基磷氧化物为2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦或苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰亚膦酸锂盐。

优选的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物中，所述二苯甲酮类化合物为二苯甲酮、2,4-二羟基二苯甲酮、米蚩酮或2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮中至少一种。

优选的，上述光引发剂复合物中，所述硫杂蒽酮类化合物为硫代丙氧基硫杂蒽酮或异丙基硫杂蒽酮。

本发明还提供了上述基于上转换材料的光引发剂复合物的制备方法，包括以下步骤：将上转换纳米材料进行掺杂，得到掺杂的上转换纳米材料，将掺杂的上转换纳米材料分散在溶剂中形成均一的纳米材料溶液；光引发剂溶解在溶剂中，滴加掺杂的上转换纳米材料溶液，搅拌充分反应，离心、洗涤得固体，即为基于上转换材料的光引发剂复合物。所述反应温度为0～200℃。优选为室温。

优选的，上述制备方法中，所述溶剂为环己烷、正己烷、正戊烷、二氯甲烷、氯仿、乙腈、n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或水中至少一种。

本发明将掺杂的上转换纳米材料和光引发剂简单地混合均匀，也即得到基于上转换材料的光引发剂复合物。

本发明还提供了一种生物材料，包括光敏聚合物单体和上述基于上转换材料的光引发剂复合物为原料制备而成。

具体的，上述生物材料，包括光敏聚合物单体水溶液和基于上转换材料的光引发剂复合物水溶液混合而成。

优选的，上述生物材料，所述混合而成的溶液中光敏聚合物单体浓度为5～50％。所述混合而成的溶液中基于上转换材料的光引发剂复合物浓度为0.1～10％。所述的光敏聚合物单体浓度为5～50％表示每100μl混合溶液中含有5～50mg光敏聚合物单体。所述的光引发剂复合物浓度为0.1～10％表示每100μl混合溶液中含有1～10mg光引发剂复合物。

具体的，上述生物材料，所述光敏聚合物单体选自甲基丙烯酰化的透明质酸、甲基丙烯酰化的明胶、甲基丙烯酰化的聚乙二醇、甲基丙烯酰化壳聚糖、甲基丙烯酰化白蛋白、甲基丙烯化海藻酸或甲基丙烯化葡聚糖中至少一种。

本发明还提供了上述基于上转换材料的光引发剂复合物作为3d打印光引发剂的用途。

本发明还提供了近红外激光辅助基于dlp原理的在体3d打印方法，包括如下步骤：

a、在计算机上建立待打印样品的数字模型；

b、将上述生物材料或含有细胞的上述生物材料注射到生物体的指定部位，最后置于打印机内部的平台上；

c、近红外激光通过由数字微镜元件dmd投影到指定部位进行打印即可。

优选的，所述近红外激光的最大发射波长为980nm，曝光时间范围为1～60s。

优选的，所述细胞的量为每1ml生物材料中有细胞1×10⁵～1×10⁸个。所述的细胞为根据生物体部位，来添加与其相同或匹配的细胞组织。

本发明的有益效果是：本发明将掺杂的上转换纳米材料与常规光引发剂组合在一起，上转换材料中所掺杂的yb³⁺能够吸收有较深组织穿透能力并且对正常细胞损害较少980nm的光而激发tm³⁺释放出345nm和361纳米波长的紫外光，上转换纳米粒能够吸收进而被吸附在纳米粒表面或分布在其周围的光引发剂所吸收形成自由基，从而可用于引发聚合物单体聚合制备水凝胶和激光直写技术3d生物打印，在基于水凝胶的药物递送系统和在体3d打印研究领域有潜在的应用价值。本发明光引发剂复合物以红外光触发上转换纳米材料产生紫外光进而引起光引发剂分解产生自由基，从而用于引发聚合反应。

本发明在体3d打印技术优势在于一方面不需要繁琐的外科手术植入的方式，只需要将生物材料与细胞注射到体内的指定部位即可实现体内制造组织或器官，另一方面无需体外生物反应器，所制造的组织或器官可利用人体作为一种天然的生物反应器培养成熟而发挥其功能。

附图说明

图1基于上转换材料的光引发剂复合物的制备示意图，上转换纳米粒子经修饰后带电荷，而带相反电荷的引发剂可通过静电作用吸附在粒子的表面形成复合物；

图2基于上转换材料的光引发剂复合物引发示意图，上转换纳米粒材料在980nm波长光的激发下能发射紫外光(uv)，进而引发光引发剂(以lap为例)形成自由基；

图3基于上转换材料的光引发剂复合物红外图谱，图中曲线依次从上到下分别表示油酸包裹的上转换纳米材料，无油酸包裹的上转换纳米材料以及lap包裹的光引发剂复合物；

图4上转换纳米材料的激发与光引发剂的吸收图谱，图中实线表示上转换纳米材料的激发图谱，虚线表示引发剂lap的吸收图谱；

图5一种非侵入的近红外激光辅助数字光处理在体3d打印技术示意图，首先在计算机上建立待打印样品的数字模型，由无数个小镜片阵列组成的数字微镜元件dmd投影到载有生物材料和细胞的小鼠体内，生物材料中的上转换纳米材料的光引发剂复合物被引发形成自由基，进而引发聚合物单体聚合形成水凝胶，所混合的细胞镶嵌在聚合物水凝胶的网络中；

图6为利用本发明技术在裸鼠体内打印成型。

具体实施方式

本发明基于上转换材料的光引发剂复合物，包括掺杂的上转换纳米材料和光引发剂为原料制备而成，所述掺杂为掺有tm³⁺和yb³⁺。其中tm³⁺作为激化剂，yb³⁺作为敏化剂。

进一步的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物，由掺杂有tm³⁺和yb³⁺的上转换纳米材料和光引发剂为原料制备而成。

更进一步的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物，由掺杂的上转换纳米材料和光引发剂组成，所述掺杂为掺有tm³⁺和yb³⁺。

进一步的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物，掺杂的上转换纳米材料为内层，光引发剂为外层。

再进一步的，上述基于上转换材料的光引发剂复合物中，所述掺杂的上转换纳米材料外部还包覆有一层保护层，即基于上转换材料的光引发剂复合物中，掺杂的上转换纳米材料为内层，保护层为中间层，光引发剂为外层。所述保护层为nayf4或nagdf4。所述保护层能够降低上转换纳米材料表面的配体、溶剂或不纯物质引起的发光淬灭，提高纳米材料的发光强度。

进一步的，掺杂er³⁺、pr³⁺、sm³⁺、tb³⁺、gd³⁺、ho³⁺、nd³⁺、dy³⁺中的至少一种作为激发剂掺杂到上转换纳米材料中。

进一步的，当光引发剂加入过多时，则掺杂的上转换纳米材料则相对较少，则释放出的光较弱，不足以使完全光引发剂分解，从而使后续的聚合效果不好。所以优选掺杂的上转换纳米材料与光引发剂的质量比为10︰1～1︰10。更优选2︰1～1︰2。

本发明基于上转换材料的光引发剂复合物中，所述上转换纳米材料经掺杂修饰后带电荷，再与带相反电荷的光引发剂可通过静电作用吸附在粒子的表面形成复合物；如光引发剂不带电荷，分散在掺杂的上转换纳米材料的周围。

本发明中，采用常规方法对上转换纳米材料进行掺杂，得到掺杂的上转换纳米材料；采用常规方法制备光引发剂。例如：

本发明中，掺杂的上转换纳米材料制备方法，包括以下步骤：稀土元素氯化物(y，yb，tm)，按照一定的摩尔浓度与油酸和1-十八烯混合，加热形成均一的油酸混合物溶液，随后加入氟化铵和氢氧化钠的甲醇溶液制成前驱体，随后在高温加热的条件下通过奥斯特瓦尔德熟化即得nayf4:tm,yb上转换纳米材料，后处理酸化除去油酸即可。

进一步的，采用上述类似的方法下形成核壳结构纳米粒子nayf4:tm,yb@nayf4，即nayf4:tm,yb的纳米粒外围由nayf4保护层包裹，然后酸化除去油酸制备得到带有正电且水溶性的带有nayf4核壳的nayf4:tm,yb上转换纳米材料。

本发明中，光引发剂苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰亚膦酸锂盐制备方法如下：二甲基苯基膦酸盐和2,4,6-三甲基苯甲酰氯混合发生米歇尔-阿尔布佐夫反应得到苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰亚膦酸甲酯，加入溴化锂的丁酮溶液制备得到带有负电的苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰亚膦酸锂盐。

实施例1

1、nayf4:tm,yb上转换材料的合成，即掺杂的上转换纳米材料的合成：

100ml的圆底烧瓶中加入氯化钇(108.3mg，0.556mmol)、氯化镱(67.0mg，0.24mmol),和氯化铥(1.1mg，0.004mmol)并加入6ml油酸和14ml十八烯，真空条件下缓慢升温至140℃并维持30min直至形成透明的溶液，然后氮气保护下降温至50℃，缓慢加入氟化铵(118.4mg，3.2mmol)和氢氧化钠(80mg，2mmol)的甲醇溶液10ml并于50℃下搅拌30min，升至70℃减压除去甲醇，随后快速升温至300℃并维持1.5h，降至室温后加入10ml乙醇沉淀，6500rpm离心5min收集沉淀，弃上清，加入2ml环己烷再分散，再加入18ml乙醇沉淀，6000rpm离心3min收集沉淀，如此重复洗涤三次，最终产物分散在4ml环己烷中。

2、nayf4:tm,yb@nayf4核壳结构上转换材料的合成，@表示的是nayf4:tm,yb外面包裹有一层nayf4保护层，即带有核壳的掺杂的上转换纳米材料的合成：

50ml的圆底烧瓶中加入氯化钇(78mg，0.4mmol)并加入3ml油酸和7ml十八烯，真空条件下缓慢升温至140℃并维持30min直至形成透明的溶液，然后氮气保护下降温至50℃，加入2ml新制的nayf4:tm,yb，缓慢加入氟化铵(59.2mg，1.6mmol)和氢氧化钠(40mg，1mmol)的甲醇溶液5ml并于50℃下搅拌30min，升至70℃减压除去甲醇和环己烷，随后快速升温至300℃并维持1.5h，降至室温后加入10ml乙醇沉淀，6500rpm离心5min收集沉淀，弃上清，加入2ml环己烷再分散，再加入18ml乙醇沉淀，6000rpm离心3min收集沉淀，如此重复洗涤三次，最终产物分散在4ml环己烷中。

3、无油酸包裹的nayf4:tm,yb@nayf4的合成

油酸包裹的ucnps与0.1n盐酸溶液混合，45℃超声1h，反应过程中ucnps表面的油酸配体被质子化产生油酸，然后高速离心，弃上清，加入乙醇洗涤，高速离心，如此重复三次，最终无油酸包裹的纳米粒子分散在去离子水中。

4、苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰亚膦酸锂盐的合成

于室温下氮气的保护条件下，250ml的圆底烧瓶中加入2,4,6-三甲基苯甲酰氯(3.2g,18mmol)，逐滴加入二甲基苯基膦酸盐(3.0g，18mol)，室温下搅拌18h。把反应液加热到50℃，加入100ml溴化锂(6.1g，72mmol)的丁酮溶液，10min后可以得到白色沉淀，冷却到室温后静置4h，过滤，用丁酮洗涤3次，清除未反应完全的溴化锂。收集白色固体，抽干。

5、基于上转换纳米材料的光引发剂复合物的制备

一定量的无油酸包裹的nayf4:tm,yb@nayf4分散在水中，搅拌条件下苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰亚膦酸锂盐的水溶液，室温下搅拌过夜，离心收集固体得基于上转换材料光引发剂复合物。

6.体内打印

a、在计算机上建立待打印样品的数字模型如矩形；

b、8周左右的裸鼠腹腔注射60μl10％水合氯醛水溶液进行麻醉，然后将20μl含有25％聚乙二醇二丙烯酸酯pegda(购自sigma)、2.5％基于上转换纳米材料的光引发剂复合物和5×10⁵个细胞的混合溶液注射到小鼠皮下，然后置于打印机内部的平台上；

c、980nm近红外激光通过由无数个小镜片阵列组成的数字微镜元件dmd投影到步骤b中所述的指定部位15s；

d、解剖观察并拍照。