雙親性硅烷包覆的水溶性復(fù)合納米材料及其應(yīng)用
【專利摘要】一種雙親性硅烷包覆的水溶性復(fù)合納米材料及其在氧氣傳感、熒光標(biāo)記、光動(dòng)力治療等方面的應(yīng)用，屬于生物材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明以油性納米粒子作為內(nèi)核，使用雙親性硅烷進(jìn)行包覆，使油性納米粒子變?yōu)樗苄裕⑶冶Ａ袅藘?nèi)核的性質(zhì)，譬如磁性納米材料的超順磁性。本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)油性納米粒子變成水溶性的同時(shí)，將不同的功能性油性分子(譬如具有氧氣傳感功能的鉑(Ⅱ)meso?四(五氟苯)卟吩、具有熒光標(biāo)記功能的香豆素6、具有光動(dòng)力治療功能的二氫卟吩e6等的一種以上)載入到硅烷與油性納米粒子形成的夾層中，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)合納米材料的多功能。功能性油性分子與油性納米粒子的質(zhì)量比例不宜超過0.3：1。
【專利說明】
雙親性硅烷包覆的水溶性復(fù)合納米材料及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于生物材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙親性硅烷包覆的水溶性復(fù)合納米材料及其在氧氣傳感、熒光標(biāo)記、光動(dòng)力治療等方面的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]多功能復(fù)合納米材料受到了廣泛的關(guān)注，由于它們的小尺寸優(yōu)勢，以及多功能特點(diǎn)，開發(fā)新型復(fù)合納米材料將對(duì)癌癥診斷與治療提供很大的幫助。為了能將復(fù)合納米材料應(yīng)用于生物體內(nèi)，首先就要保證其良好的水溶性以及生物相容性，這樣才能最大程度降低材料對(duì)細(xì)胞活性的影響。并且盡可能使材料具有多種不同的功能，譬如熒光標(biāo)記，載藥，傳感，光熱治療及光動(dòng)力治療。
[0003]但是，一些尺寸均勻的納米材料往往是在油相條件下合成的，這些材料的表面就會(huì)有很多親油性基團(tuán)，使得整個(gè)納米材料不易在水中穩(wěn)定存在，這樣便很大程度上限制了它們?cè)谏镱I(lǐng)域上的應(yīng)用。一些傳統(tǒng)的包覆方法，如二氧化硅包覆，其操作步驟繁瑣，并且形成水溶性納米顆粒尺寸較大。而較大尺寸的納米材料，不易被細(xì)胞內(nèi)吞，這就給其生物應(yīng)用造成了一定困難。為此，尋求一種簡單的包覆方法，使其在幾乎不增加納米材料尺寸的前提下，使得油性納米粒子具有親水性，同時(shí)可以載入其他功能性分子，就顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種雙親性硅烷包覆的水溶性復(fù)合納米材料及其生物應(yīng)用。
[0005]雙親性硅烷，指的是同時(shí)含有疏水的烷基和親水的甲氧基構(gòu)成硅烷，譬如正丙基三甲氧基硅烷、正己基三甲氧基硅烷、正辛基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷，它們可以與極性溶劑和非極性溶劑互溶。在這里，我們采用雙親性硅烷來包覆油性納米粒子的原因是，雙親性硅烷一端的疏水烷基鏈可以和油性納米粒子表面的疏水基團(tuán)作用，而另一端的親水性甲氧基，可以露在外面，使復(fù)合納米材料可以穩(wěn)定地存在于水中。
[0006]本發(fā)明以油性納米粒子作為內(nèi)核，使用雙親性硅烷進(jìn)行包覆，使油性納米粒子變?yōu)樗苄?，并且保留了?nèi)核的性質(zhì)，譬如磁性納米材料的超順磁性。本發(fā)明同時(shí)將不同的功能性油性分子(譬如具有氧氣傳感功能的鉑(Π )meS0-四(五氟苯)撲吩、具有熒光標(biāo)記功能的香豆素6、具有光動(dòng)力治療功能的二氫卟吩e6等的一種以上)載入到硅烷與納米粒子之間的夾層中，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合納米材料的多功能。
[0007]本發(fā)明所述的一種雙親性硅烷包覆的水溶性復(fù)合納米材料，是由如下步驟制備:
[0008](I)將油性納米粒子、雙親性硅烷分別配置成濃度為I?10mg/mL的四氫呋喃溶液，之后將兩種溶液按I: 0.2?5的體積比例進(jìn)行混合;再向該混合溶液中加入功能性油性分子的四氫呋喃溶液;其中，功能性油性分子與油性納米粒子的質(zhì)量比為O?0.3:1 ；
[0009](2)將I?5mL步驟(I)得到的混合溶液超聲5?30分鐘使其混合均勻，然后注入到5?20mL的氨水溶液(pH=8?1)中，水解反應(yīng)I?5小時(shí)；
[0010](3)將步驟(2)得到的混合溶液裝入截留分子量為8000?14000的透析袋中，透析24?48小時(shí)以除去四氫呋喃，從而得到本發(fā)明所述的雙親性硅烷包覆的水溶性復(fù)合納米材料。
[0011]需注意的是，雙親性硅烷與油性納米粒子之間形成的疏水層空間有限，載入的功能性油性分子與油性納米粒子的質(zhì)量比例不宜超過0.3:1。過多的話，就會(huì)破壞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致油性納米粒子和功能性油性分子聚集而產(chǎn)生沉淀。
[0012]油性納米粒子包括但不限于四氧化三鐵納米粒子，硫化銅納米粒子，鎢酸銫納米粒子。功能性油性分子包括但不限于鉑(II)meso-四(五氟苯)Π卜吩、香豆素6、二氫卟吩e6、紫杉醇。
【附圖說明】
[0013]圖1:為實(shí)施例1制備的水溶性磁性復(fù)合納米材料的透射電鏡照片，其尺寸約為10nm0
[0014]圖2:為實(shí)施例1制備的水溶性磁性復(fù)合納米材料對(duì)T2弛豫時(shí)間的磁共振成像照片，說明合成的磁性復(fù)合納米材料具有很好的超順磁性。
[0015]圖3:為實(shí)施例1制備的水溶性磁性復(fù)合納米材料與測試單線態(tài)氧探針(9，10_蒽基-雙(亞甲基)二丙二酸作，ADMA)混合后，探針在260nm處的吸收值，會(huì)隨著紅光輻照時(shí)間增長而降低。說明在紅光輻照下，有單線態(tài)氧不斷產(chǎn)生，破壞了單線態(tài)氧探針的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其在260nm處的吸收值降低。
[0016]圖4:A549細(xì)胞在光動(dòng)力治療前后的共聚焦成像照片。左圖(下圖為上圖的局部放大圖)為治療前，細(xì)胞被磁性復(fù)合納米材料所標(biāo)記，可以清楚地看到細(xì)胞質(zhì)發(fā)出綠光(起源于熒光染料香豆素6)，右圖(下圖為上圖的局部放大圖)為使用635nm激光照射I分鐘后，向其中加入溴化乙錠染料對(duì)死細(xì)胞進(jìn)行染色，染色時(shí)間為15分鐘?？梢钥吹奖徽丈溥^的細(xì)胞，其細(xì)胞核可以被溴化乙錠染成紅色，而周圍沒有被照射過的細(xì)胞，其細(xì)胞核不會(huì)被染色。
[0017]圖5:消化后的A549細(xì)胞在外加磁場的作用下，在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡照片。該圖表示了當(dāng)(a)T = 0，(b)T = 2s, (c)T = 4s, (d)T = 6s, (e)T = 8s，和(f )T= 1s時(shí)，細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0018]圖6:為實(shí)施例2制備的水溶性磁性復(fù)合納米材料，在392nm激發(fā)光的激發(fā)下的發(fā)射光譜圖；其發(fā)射光譜在650nm處的強(qiáng)度值會(huì)隨著氧氣含量的增多而降低。
[0019]圖7:為Stern-Volmer曲線，表明該磁性復(fù)合納米材料具有很好的氧氣傳感性能。
[0020]圖8:為實(shí)施例3制備的水溶性硫化銅復(fù)合納米材料的透射電鏡圖，其尺寸約為1nm0
[0021]圖9:為實(shí)施例4制備的水溶性鎢酸銫復(fù)合納米材料的透射電鏡圖，其尺寸為6?15nm0
【具體實(shí)施方式】
[0022]為更好地理解本發(fā)明，下面將通過具體的實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的方案，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，但不限于此。
[0023]實(shí)施例1
[0024]首先，按照共沉淀法合成了四氧化三鐵納米粒子，為了增加其穩(wěn)定性，對(duì)其表面進(jìn)行了油酉愛包覆(Wang，J.，et al.Remote manipulat1n of micronanomachinescontaining magnetic nanoparticles.0ptics Letters 34,581-583(2009))。
[0025]將制備好的油性四氧化三鐵納米粒子和正辛基三甲氧基硅烷(購買于sigma公司)分別配置成5mg/mL的四氫呋喃溶液，之后分別取ImL上述兩種溶液進(jìn)行混合。
[0026]向上述混合溶液中滴入0.02mL、濃度為lmg/mL的香豆素6(購買于sigma公司)的四氫呋喃溶液和0.2mL、濃度為lmg/mL的二氫卩卜吩e6(購買于sigma公司)四氫呋喃溶液。
[0027]將上述混合溶液超聲10分鐘，使其混合均勻，之后將其注入到1mL的氨水溶液(pH值為9)中，進(jìn)行水解反應(yīng)，持續(xù)3h。
[0028]將上述混合溶液裝入透析袋(參數(shù):截留分子量為8000?14000)中，進(jìn)行24小時(shí)的透析，將四氫呋喃除去，從而得到本發(fā)明所述的雙親性硅烷包覆的水溶性磁性復(fù)合納米材料，產(chǎn)物濃度是0.836mg/mL0
[0029]該磁性復(fù)合納米材料不僅具有超順磁性，可以進(jìn)行細(xì)胞移動(dòng)和分離，并且具有熒光標(biāo)記和光動(dòng)力治療的功能。
[0030]參見圖1，該磁性復(fù)合納米材料的尺寸約為10nm，類似球形，可以看到其由很多小的四氧化三鐵納米粒子構(gòu)成。這是由于四氧化三鐵納米粒子會(huì)相互吸引，發(fā)生團(tuán)聚。
[0031 ]參見圖2，探索了磁性復(fù)合納米材料的順磁性。通過對(duì)磁性復(fù)合納米材料的T2弛豫時(shí)間進(jìn)行磁共振成像，可以看出隨著復(fù)合納米材料濃度的不斷增加，其成像不斷變暗，對(duì)比度不斷提高。圖2(1)?(6)分別是磁性復(fù)合納米材料濃度為0.9、0.45、0.225、0.1125、
0.056、0.028mg/mL時(shí)的磁共振成像圖片，說明了該磁性復(fù)合納米材料可以作為磁共振成像的造影劑。
[0032]參見圖3，探索了磁性復(fù)合納米材料的光動(dòng)力治療功能。首先，取3mL本實(shí)施例制備的磁性復(fù)合納米材料的水溶液(其濃度是0.836mg/mL)，將其濃度稀釋到0.45mg/mL。將9，10-蒽基-雙(亞甲基)二丙二酸(單線態(tài)氧檢測探針，購買于sigma公司)加入到磁性復(fù)合納米材料中，其濃度為lOppm。由于光敏劑在紅光(波長范圍620?630nm)福照下，會(huì)產(chǎn)生單線態(tài)氧。而單線態(tài)氧具有很強(qiáng)的氧化性，會(huì)對(duì)9，10-蒽基-雙(亞甲基)二丙二酸這種單線態(tài)氧檢測探針造成結(jié)構(gòu)上的破壞。加入這種探針后，探針的吸收峰會(huì)隨著紅光輻照磁性復(fù)合納米材料時(shí)間的增加而降低，說明有單線態(tài)氧產(chǎn)生，破壞了探針的結(jié)構(gòu)。
[0033]參見圖4，我們進(jìn)一步探究了磁性復(fù)合納米材料在細(xì)胞內(nèi)部的熒光標(biāo)記功能和光動(dòng)力治療功能。首先將1*106個(gè)A549細(xì)胞(懸浮在2mL培養(yǎng)基中)，接種在共聚焦培養(yǎng)皿上，之后將其放在孵育箱中孵育24h，加入含有本實(shí)施例制備的磁性復(fù)合納米材料(100yg/mL)的培養(yǎng)基(HyClone RPMI Medium Modif ied)，再次孵育24h。之后使用磷酸緩沖鹽溶液將細(xì)胞反復(fù)沖洗三次，并將其放在共聚焦顯微鏡下進(jìn)行共聚焦熒光成像。在405nm的激發(fā)下，可以看到細(xì)胞質(zhì)發(fā)出明亮的綠光，該發(fā)射光來源于磁性復(fù)合納米材料中香豆素6的發(fā)光。之后，使用635nm激光器進(jìn)行輻照，持續(xù)時(shí)間為lmin，再使用溴化乙錠染料對(duì)其進(jìn)行染色，染色時(shí)間為15min。使用共聚焦系統(tǒng)配有的488nm激光器來激發(fā)溴化乙錠染料，可以明顯看出被635nm激光輻照過的地方，其細(xì)胞核會(huì)被溴化乙錠染色，進(jìn)而發(fā)出明亮的紅光，而周圍的活細(xì)胞則發(fā)出明亮的綠光(香豆素6的發(fā)光)。由此證明，通過選用合適的激發(fā)光，可以激活光敏劑，使其產(chǎn)生單線態(tài)氧。由于單線態(tài)氧具有很強(qiáng)的氧化性，可以對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生很大傷害，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡(MacDonald, I.J.&Dougherty ,T.J.Basic principles of photodynamictherapy.Journal Of Porphyrins And Phthalocyanines 5，105-129(2001))。
[0034]參見圖5，將貼壁的A549細(xì)胞使用胰酶溶液(購買于Solarb1公司)進(jìn)行消化，并使用培養(yǎng)基將細(xì)胞吹散，置于共聚焦顯微鏡下觀察。隨后加上外加磁場，并記錄不同時(shí)刻的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)圖像，并將圖像進(jìn)行疊加后，可以清楚地看到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0035]實(shí)施例2
[0036]重復(fù)實(shí)施例1，其不同之處在于，這次載入的功能性油性分子為具有氧氣傳感功能的鈾(Π )meso-四(五氟苯)卩卜吩(購買于sigma公司)。將其配成lmg/mL的四氫呋喃溶液，取0.1mL加入到與實(shí)施例1中相同條件的油性四氧化三鐵納米粒子和雙親性硅烷混合液中，其余步驟與實(shí)施例1相同。所得產(chǎn)物濃度是0.835mg/mLo
[0037]參見圖6，當(dāng)使用392nm激發(fā)光激發(fā)磁性復(fù)合納米材料時(shí)，由于其含有鉑(Π)meso-四(五氟苯)P卜吩，會(huì)在發(fā)射紅光，其峰值位置在650nm處。并且該處發(fā)射光的強(qiáng)度值隨著周圍的氧含量變化而發(fā)生改變。當(dāng)使用氣體混配器配置不同含氧量的混合氣體時(shí)，(氧氣的體積分?jǐn)?shù)分別為O、20、40、60、80、100 % )，將其通入到密封的比色皿中，每次持續(xù)30分鐘，使得比色皿內(nèi)的氣體達(dá)到平衡狀態(tài)。后將比色皿中的磁性復(fù)合納米材料進(jìn)行熒光發(fā)射光譜的測試。在392nm激發(fā)光的激發(fā)下，其發(fā)射光譜在650nm處的強(qiáng)度值會(huì)隨著氧含量的增加而逐漸降低。
[0038]參見圖7，可以繪制相應(yīng)的Stern-Volmer曲線，表明該雙親性硅烷包覆的磁性復(fù)合納米材料具有很好的氧氣傳感性能。這種簡單的包覆方法，不僅可以使油溶性納米粒子變?yōu)樗苄?，而且可以載入其他功能性油性分子，合成多功能納米復(fù)合材料。
[0039]實(shí)施例3
[0040]重復(fù)實(shí)施例1，將實(shí)施例1中的油性四氧化三鐵納米粒子換成油性硫化銅納米粒子，這里硫化銅納米粒子的合成步驟是參照該文獻(xiàn)進(jìn)行合成的(Liu，L.，etal.Controllable Transformat1n from Rhombohedral Cul.8S Nanocrystals toHexagonal CuS Clusters:Phase_and Composit1n-Dependent PlasmonicProperties.Chemistry of Materials 25，4828_4834(2013)) D在這里，只對(duì)油性硫化銅納米粒子完成了水溶性的修飾，并沒有向硅烷與硫化銅納米粒子的夾層中加入功能性油性分子。所得產(chǎn)物濃度是0.833mg/mL。
[0041]參見圖8，為合成后雙親性硅烷包覆的水溶性硫化銅復(fù)合納米材料的透射電鏡圖，其尺寸約為I Onm O
[0042]實(shí)施例4
[0043]重復(fù)實(shí)施例3，將實(shí)施例3中的油性硫化銅納米粒子換成油性鎢酸銫納米粒子，這里媽酸銫納米粒子的合成步驟是參照該文獻(xiàn)進(jìn)行合成的(Mattox，T.M.，Bergerud，A.，Agrawal,A.&Milliron,D.J.1nfluence of Shape on the Surface Plasmon Resonanceof Tungsten Bronze Nanocrystals.Chemistry of Materials26，1779-1784(2014))。在這里，只對(duì)油性鎢酸銫納米粒子完成了水溶性的修飾，并沒有向硅烷與鎢酸銫納米粒子的夾層中加入功能性油性分子。所得產(chǎn)物濃度是0.833mg/mL。
[0044]參見圖9，為合成后雙親性硅烷包覆的水溶性鎢酸銫復(fù)合納米材料的透射電鏡圖，其尺寸為6?15nm。
[0045]本發(fā)明的上述實(shí)施例是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上可以做出一些變動(dòng)，都可以達(dá)到一定效果。但凡是與本發(fā)明的技術(shù)方案有相關(guān)性的，仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙親性硅烷包覆的水溶性復(fù)合納米材料，其特征在于:是由如下步驟制備: (1)將油性納米粒子、雙親性硅烷分別配置成濃度為I?10mg/mL的四氫呋喃溶液，之后將兩種溶液按1:0.2?5的體積比例進(jìn)行混合;再向該混合溶液中加入含有功能性油性分子的四氫呋喃溶液;其中，功能性油性分子與油性納米粒子的質(zhì)量比為O?0.3:1 ； (2)將I?5mL步驟(I)得到的混合溶液超聲5?30分鐘使其混合均勻，然后注入到5?20mL、pH=8?1的氨水溶液中，水解反應(yīng)I?5小時(shí)； (3)將步驟(2)得到的混合溶液裝入截留分子量為8000?14000的透析袋中，透析24?48小時(shí)以除去四氫呋喃，從而得到雙親性硅烷包覆的水溶性復(fù)合納米材料。2.如權(quán)利要求1所述的一種雙親性硅烷包覆的水溶性復(fù)合納米材料，其特征在于:油性納米粒子為四氧化三鐵納米粒子、硫化銅納米粒子或媽酸銫納米粒子。3.如權(quán)利要求1所述的一種雙親性娃燒包覆的水溶性復(fù)合納米材料，其特征在于:功能性油性分子為鈾(n)meS0-四(五氟苯)Π卜吩、香豆素6、二氫Π卜吩e6或紫杉醇。4.權(quán)利要求1?3任何一項(xiàng)所述的一種雙親性硅烷包覆的水溶性復(fù)合納米材料在氧氣傳感、熒光標(biāo)記或光動(dòng)力治療方面的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C09K11/02GK105950132SQ201610247372
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月20日
【發(fā)明人】董彪, 徐詩函, 許紅威, 宋宏偉, 白雪, 徐琳, 孫雪珂
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)