一种磁性等离子体纳米材料及其制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种磁性等离子体纳米材料及其制备方法与应用 (Magnetic plasma nano material and preparation method and application thereof ) 是由 吴爱国 高昊 卫珍妮 祖柏儿 于 2020-05-20 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种磁性等离子体纳米材料及其制备方法与应用,所述磁性等离子体纳米材料包括中心颗粒和包覆在所述中心颗粒外的金属氧化物,所述中心颗粒为金属纳米颗粒,所述金属纳米颗粒中的金属及所述金属氧化物中的金属中至少有一种为磁性金属。该材料具有磁性和光学活性,具有同时进行磁性和光学检测的潜力。此外,磁性等离子体纳米体系具有良好的T1弛豫性能,还具有较强的近红外吸收峰和良好的光热加热能力。(The application discloses a magnetic plasma nano material and a preparation method and application thereof, wherein the magnetic plasma nano material comprises a central particle and a metal oxide coated outside the central particle, the central particle is a metal nano particle, and at least one of metal in the metal nano particle and metal in the metal oxide is magnetic metal. The material has magnetic and optical activity and has the potential of carrying out magnetic and optical detection simultaneously. In addition, the magnetic plasma nano system has good T1 relaxation performance, and also has a strong near infrared absorption peak and good photo-thermal heating capacity.)
技术领域
本申请涉及一种磁性等离子体纳米材料及其制备方法与应用，属于医用材料领域。
背景技术
多功能杂化纳米材料因其在异质结部分产生的优异性能，在现代科学技术发展中显示出广阔的研究前景。在纳米尺度上，与单个材料相比，杂化材料的电学、磁学和光学性能表现出显著的特点。通过纳米尺度的结构改变和杂化材料之间的相互作用，可以揭露一些隐藏的理化信息，使其在多相催化、同步生物标记、蛋白质检测和分离、多模态成像和癌症治疗等方面有着广阔的应用前景。然而，很好地控制两种不同纳米材料之间的胶连或异质结仍然是一项具有挑战性的课题。在生物医学研究中，设计生物相容性较好的胶体纳米复合材料的工作还有待进一步探索。
在癌症诊断中，磁共振成像(MRI)作为一种非侵入性的成像手段，因其分辨率高而具有其他技术无法比拟的优势。细胞外造影剂有助于进一步增强肿瘤病变部位的成像效果。目前临床上使用的造影剂主要以钆螯合物作为阳性造影剂。然而，离子形式的钆(Gd3+)在某些情况下会引发严重的并发症。在治疗方面，光热疗法(PTT)联合化疗与传统治疗方法相比有显著的改善效果，是一种很有前景的肿瘤消融技术。在传统的治疗方法中，放射疗法和化学疗法对正常细胞和组织可能有毒性，会导致严重的副作用。近年来，金纳米颗粒由于具有良好的生物相容性和光学性质，在热疗和药物递送等方面有巨大的临床应用潜力。但是，如果没有诊断信息参考，单独的药物治疗提供的信息就不太准确。因此，将造影剂和治疗剂结合到同一体系中，是精准医疗的发展趋势。然而，在不改变单个材料性能的情况下，将两个单独的组分组合成形状和尺寸可控的异质结构，是一个巨大的挑战。
发明内容
根据本申请的第一个方面，提供一种磁性等离子体纳米材料，该材料具有磁性和光学活性，具有同时进行磁性和光学检测的潜力。此外，磁性等离子体纳米体系具有良好的T1弛豫性能，还具有较强的近红外吸收峰和良好的光热加热能力。
所述磁性等离子体纳米材料包括中心颗粒和包覆在所述中心颗粒外的金属氧化物，所述中心颗粒为金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒中的金属及所述金属氧化物中的金属中至少有一种为磁性金属。
可选地，所述金属纳米颗粒选自Gd、Dy、Co、Mn、Fe、Ni、Pt、Ag、Cu、Pd、Au中的至少一种；
所述金属氧化物选自Fe3O4、Fe2O3、Gd2O3、Mn3O4、CoO、Co2O3和NiO中的至少一种。
可选地，所述的磁性等离子体纳米材料，还包括包覆在所述金属氧化物外的聚合物层；
所述聚合物层选自泊洛沙姆(F-127)、聚醚、聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物中的至少一种。
优选地，所述中心颗粒为Au纳米颗粒，所述金属氧化物为Mn3O4。
可选地，所述锰离子源自锰盐及其衍生物中的至少一种。所述锰离子源自锰的氯化物及其衍生物中的至少一种。所述锰离子源自MnCl3·4H2O。
可选地，所述中心颗粒的直径为1～100nm，优选1～50nm，更优选1～20nm，所述磁性等离子体纳米材料的直径为20～150nm，优选20～100nm，更优选20～50nm。
可选地，纵向弛豫率r1≥4s-1mM-1。
可选地，所述磁性等离子体纳米材料呈花型、哑铃型、星型等。
本申请的第二个方面，提供了上述任一项所述磁性等离子体纳米材料的制备方法，至少包括以下步骤：
(1)制备金属纳米颗粒；
(2)制备金属氧化物前驱体，所述金属氧化物前驱体为金属油酸盐；
(3)对含有所述金属纳米颗粒、金属氧化物前驱体、表面活性剂的混合液进行反应，得到磁性等离子体纳米材料。
该步骤利用热分解方法在金属纳米颗粒上进行了异质外延金属氧化物的生长，即得到磁性等离子体纳米材料。优选地，磁性等离子体纳米材料是单分散的，形状大小均匀。
可选地，步骤(1)通过一步合成法制备所述的磁性过渡金属纳米颗粒。具体可以根据所选中心颗粒金属属性及实际需要选择一步合成法的具体反应条件。所述金属纳米颗粒呈单分散。
在一具体实施例中，金属纳米颗粒的制备方法，具体包括：
对含有金属源、有机溶剂、还原剂的混合液进行反应，得到金属纳米颗粒。
可选地，所述金属源选自金属盐、金属氧化物中的至少一种；优选地，所述金属源选自HAuCl4·3H2O、Fe3O4、Gd2O3、Mn3O4、GdO、CoO、Co2O3和NiO中的至少一种；
可选地，所述有机溶剂选自油胺、正己烷、环己烷、三氯化碳中的至少一种；
优选地，所述有机溶剂为油胺和正己烷按体积比1:1～1.5比例混合形成的混合溶剂。
所述还原剂选自柠檬酸、抗坏血酸、四丁基溴化铵的至少一种；
可选地，所述金属源在所述混合液中的含量为0.02％～0.8％；所述还原剂与所述金属源的质量比为0.05～0.5：1。
可选地，在搅拌、绝氧条件下进行反应，反应温度为10～30℃、反应时间为0.2～2h。
可选地，步骤(2)所述的金属油酸盐的制备方法，具体包括：
对含有金属源、油酸盐的水溶液进行反应，得到金属氧化物前驱体。
可选地，所述金属源选自金属的可溶性盐；
所述金属的可溶性盐选自Fe的氯化物、Fe的硝酸盐、Fe的硫酸盐、Gd的氯化物、Gd的硝酸盐、Mn的氯化物、Mn的硝酸盐、Mn的硫酸盐、Co的氯化物、Co的硝酸盐、Co的硫酸盐、Ni的氯化物、Ni的硝酸盐、Ni的硫酸盐中的至少一种；
可选地，所述油酸盐选自油酸钠、油酸钾、油酸镁中的至少一种。
可选地，所述金属源与所述油酸盐的质量比为1:10～4:5。
可选地，步骤(2)中反应温度为10℃～40℃；
反应时间为0.1～2h。
可选地，步骤(3)中所述的表面活性剂选自油酸、油胺中的至少一种；
步骤(3)所述混合液中溶剂为1-十八烯中的至少一种。
可选地，步骤(3)中所述金属纳米颗粒、金属氧化物前驱体、表面活性剂的质量比为0.08～0.8：0.03～0.3：1。
可选地，步骤(3)中所述反应的反应温度为60～180℃，反应时间为0.1～3h。焙烧温度为300～350℃，焙烧时间为1～3h。
可选地，步骤(3)所述对含有所述金属纳米颗粒、金属氧化物前驱体、表面活性剂的混合液进行反应，具体包括：
先对金属氧化物前驱体、表面活性剂的混合液进行热分解反应，然后加入所述金属纳米颗粒继续反应；所述热分解反应的反应温度为60～180℃，反应时间为0.1～2h，继续反应的温度为60～180℃，反应时间为0.5～2h。
可选地，步骤(3)反应结束后还包括：
(4)将步骤(3)得到的材料分散到聚合物的分散液中，得到金属氧化物外包覆聚合物层的磁性等离子体纳米材料。
可选地，所述聚合物与步骤(3)得到的材料的质量比为1：0.5～4。
在一具体实施例中，所述制备方法包括：
(S1)将金属盐溶液加入油胺(OAM)和正己烷溶液中，隔绝氧气，搅拌一段时间。将还原溶液倒入上述前体溶液中，沉淀所述单分散的金属纳米颗粒，得到单分散的金属纳米颗粒；
(S2)将水合金属氯化物和油酸钠混合反应，得到金属油酸盐；
(S3)将(S1)中制备的单分散的金属纳米颗粒加入到步骤(S1)中所述的金属油酸盐的分散液中，反应，得到所述磁性等离子体纳米材料。
(S4)使用美国食品药品监督局(FDA)批准的药品F-127将所述磁性等离子体纳米体系从油相转为水相。
本申请的第三方面，提供了上述任一项所述磁性等离子体纳米材料、上述任一项所述制备方法制备的磁性等离子体纳米材料在造影、肿瘤诊断、肿瘤消融中的应用。
具体地，本申请提供的材料作为造影剂使用，本申请中所述造影剂包括各种医学造影剂，例如核磁共振成像(MRI)造影剂、电子计算机断层扫描(CT)造影剂或正电子发射型计算机断层显像(PET)造影剂。
优选地，所述造影剂为磁共振成像造影剂，特别是磁共振成像T1造影剂。
本申请能产生的有益效果包括：
本发明的磁性等离子体纳米材料具有磁性和光学活性，具有同时进行磁性和光学检测的潜力。此外，磁性等离子体纳米体系具有良好的T1弛豫性能，还具有较强的近红外吸收峰和良好的光热加热能力。
附图说明
图1为实施例1中所制备的[email protected]3O4花型纳米材料的透射电镜表征图片，a图是在比例尺为50nm下的透射电镜图，b图为高分辨透射电镜表征图片；
图2为实施例1中所制备的[email protected]3O4花型纳米材料的元素分布彩色视觉图像，其中a图为Au和Mn分布黑白图，b图为Au和Mn分布彩色图，c图为Au分布彩色图，d图为Mn分布彩色图；
图3为实施例1中所制备的[email protected]3O4花型纳米材料的元素分布EDS图像；
图4为实施例1中所制备的[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料的T1弛豫定量图；
图5为实施例1中所制备的[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料的T1弛豫效果图；
图6为实施例1中所制备的[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料注射入4T1小鼠体内的MRI图像，其中图a是注射纳米材料之前的4T1小鼠MRI图像，图b是注射[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料20分钟之后的4T1小鼠MRI图像，图c是注射[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料120分钟之后的4T1小鼠MRI图像；
图7为不同浓度的实施例1中所制备的纳米材料的在功率密度为1.2W/cm2的808nm激光照射下的升温曲线图，其中a图为[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料的升温曲线图，b图为[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料在不同波段激光下的升温曲线图；
图8为不同浓度的实施例1中所制备的[email protected]@Mn3O4花型纳米材料的在功率密度为1.2W/cm2的808nm激光照射下的升温曲线图像；
图9为在808nm激光(1.2W/cm2)下，瘤内注射实施例1中所制备的[email protected]@Mn3O4花型纳米材料后，4T1荷瘤裸鼠的热红外图像；
图10为实施例1中所获得的[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料治疗小鼠肿瘤时，在肿瘤治疗不同阶段的代表性照片。
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。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。
实施例1
(1)金纳米粒子的合成
采用一步法合成单分散金纳米颗粒：
将HAuCl4·3H2O(0.1g)加入由OAM(10mL)和正己烷(10mL)组成的混合溶剂中，得到橙色溶液。橙色溶液在通氮气的条件下在15℃恒温水浴中搅拌30min。
将四丁基溴化铵TBAB(0.167mmol)(0.008g)溶于由正己烷(1mL)和OAm(1mL)形成的混合溶剂中，得到还原液。然后，立即将所述还原液倒入上述橙色溶液中。还原反应(HAuCl4·3H2O)在5s内瞬间引发，溶液变为深紫色。反应混合物在15℃下放置1h，然后向反应混合物中加入适量乙醇以沉淀金纳米颗粒。收集金纳米颗粒，离心最终产物溶液，用乙醇洗涤。
(2)油酸锰的合成
四水合氯化锰(3g)和油酸钠(10g)溶解在水中，充分超声分散10min后，向混合溶液中加入正己烷(40mL)和乙醇(24mL)，磁力搅拌4h，然后用蒸馏水洗涤3次。
(3)[email protected]3O4纳米花型材料的合成
利用热分解方法在金纳米颗粒上进行了异质外延氧化锰的生长。具体地，将步骤(2)制备得到的油酸锰(0.5mmol)、油胺(8mmol)与油酸(8mmol)在1-十八烯(30mL)中120℃分解20min，将制备的金纳米粒子(1g)注入上述溶液中，在通氮气的条件下，在相同温度下再保持1h，制得花型[email protected]3O4纳米材料。1h后，以5℃/min的升温速率逐渐升温至320℃，并保持该温度90分钟。通过去除热源，使反应混合物冷却至室温。然后，离心产物，用乙醇和丙酮反复洗涤除去多余的成分，分散在环己烷中进一步使用。
最后，为了提高合成的磁性等离子体纳米材料的生物相容性，采用美国食品和药物管理局(FDA)批准的三嵌段共聚物F-127将磁性等离子体纳米材料从有机相转变为水相。具体步骤为：将F-127加入100mL CHCl3中，超声磁力搅拌20min，得到清澈的溶液。随后，将1mL浓度为1g/mL的[email protected]3O4纳米材料分散液逐渐加入上述溶液中，再磁力搅拌4h，然后在溶液中加入7mL的水，进行超声处理，然后在40℃下使用旋转蒸发器逐渐蒸发三氯甲烷，然后用乙醇通过旋转蒸发器洗涤纳米粒子，然后积累纳米粒子[email protected]3O4@PF-127以供进一步研究。
实施例2
制备方法与实施例相同，唯一不同的是将实施例1步骤(1)中HAuCl4·3H2O分别替换成为Fe3O4、GdO、NiO、Dy O、MnO、PtO2、CoO、Ag2O、CuO、PdO，对应制得[email protected]3O4、[email protected]3O4、[email protected]3O4、[email protected]3O4、[email protected]3O4、[email protected]3O4、[email protected]3O4、[email protected]3O4、[email protected]3O4、[email protected]3O4。
实施例3
制备方法与实施例相同，唯一不同的是将实施例1步骤(2)中四水合氯化锰分别替换为氯化铁、氯化钆、氯化锰、氯化镍、氯化钴，对应制得[email protected]3O4、[email protected]、[email protected]、[email protected]、[email protected]。
性能测试与表征
对实施例1至实施例3中得到的包埋的磁性等离子体纳米材料进行形貌、性能表征。
下面以实施例1制备的[email protected]3O4为例说明各项形貌、性能表征的结果。其他实施例得到的相应产品具有类似性能。
图1为实施例1中所制备的花型[email protected]3O4纳米材料的透射电镜照片。
本发明中，透射电镜型号Talos F200x，购自中国赛默飞仪器有限公司，实验条件为200kV。
从图1中可以看出，透射图像清楚地显示了整个样品形成均匀的花朵状形貌。图b清晰显示了中心的小颗粒为尺寸约为10nm的Au纳米颗粒，核心边缘的花瓣为尺寸为18nm的Mn3O4纳米花瓣。
图2为实施例1中所制备的花型[email protected]3O4纳米材料的元素分布彩色视觉图像，其中a图为Au和Mn分布黑白图，b图为Au和Mn分布彩色图，c图为Au分布彩色图，d图为Mn分布彩色图。
本发明中，透射电镜型号Talos F200x，购自中国赛默飞仪器有限公司，实验条件为200kV。
图2证实了Mn3O4花瓣生长在Au核纳米颗粒上。
图3为实施例1中所制备的花型[email protected]3O4纳米材料的元素分布EDS图像。
本发明中，透射电镜型号Talos F200x，购自中国赛默飞仪器有限公司，实验条件为200kV。
图3的EDS分析显示了所合成花型纳米材料的物相纯度，表明所制备的花型纳米材料最终由Au、Mn和O组成。因此，结构分析结果证实了通过自组装生长过程成功地形成了排列规则的[email protected]3O4花型纳米材料。
图4为实施例1中所制备的花型[email protected]3O4@PF-127纳米材料的T1弛豫定量图。
本发明中，MRI扫描仪型号0.55T MeoMR60，购自上海纽迈有限公司，实验重复自旋回波(SE)序列和回波时间分别为TR＝300ms和TE＝18ms。
从图4中可以看出，[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料的r1值为5.74s-1mM-1，是一种很有前景的T1加权MR造影剂。
图5为实施例1中所制备的[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料的T1弛豫效果图。
本发明中，MRI扫描仪型号0.55T MeoMR60，购自上海纽迈有限公司，实验重复自旋回波(SE)序列和回波时间分别为TR＝300ms和TE＝18ms。
图5的MRI实验结果明显，随着锰浓度的增加，成像效果增强。
图6为实施例1中所制备的[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料注射入4T1小鼠体内的MRI图像，其中图a是注射纳米材料之前的4T1小鼠MRI图像，图b是注射[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料20分钟之后的4T1小鼠MRI图像，图c是注射[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料120分钟之后的4T1小鼠MRI图像。
本发明中，MRI扫描仪型号0.55T MeoMR60，购自上海纽迈有限公司，实验重复自旋回波(SE)序列和回波时间分别为TR＝300ms和TE＝18ms。
图6的小鼠体内MRI图像表明[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料能显著增强T1弛豫效果，是有前景的T1加权MRI造影剂。
测试磁性等离子体纳米材料的光热性能：
测试方法为：在材料的光热效应方面，本发明用小鼠4T1细胞对[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料进行了体外光热测试。方法如下：在含10％胎牛血清的RPMI培养基的96孔板中培养4T1细胞24h，然后，用不同Au浓度(0、50、100、150、200μg/mL)的[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料处理细胞24h，温度37℃，5％CO2，此时相应的Mn的浓度分别为0、140、210、280、350μg/mL。培养4h后，更换新鲜培养基，采用波长为808nm、强度为1.2W/cm2的激光照射10min。再孵育24h，24h后每孔加入10μL MTT溶液，再孵育4h。最后，去除培养基后，在每孔中加入二甲基亚砜(100μL)以去除沉淀物。然后，利用美国Bio-Rad公司的iMark168-1130型微孔板阅读器测量每个孔的紫外吸收(λ＝550nm)，并计算光热效率。
图7为不同浓度的实施例1中所制备的纳米材料的在功率密度为1.2W/cm2的808nm激光照射下的升温曲线图，其中：
a图为[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料的升温曲线图，b图为[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料在不同波段激光下的升温曲线图。
图7a表明随着[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料浓度从25μg/mL增加到200μg/mL，激光照射10分钟后，温度从～27℃上升到～77℃。然而，对照水样观察到的温度并没有升高。由于Au的浓度为200μg/mL时温度最高，图7b显示了在此浓度下使用不同的激光功率来评估热性能的结果。表明在相同的功率密度1.2W/cm2下，观察到在相同的时间间隔内，随着[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料浓度的增加，温度升高。
图8为不同浓度的实施例1中所制备的[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料的在功率密度为1.2W/cm2的808nm激光照射下的升温曲线图像。
图8展示了由热像仪在不同的时间间隔(最长为10分钟)拍摄的温度升高图像。
测试磁性等离子体纳米材料的光热治疗效果：
测试方法为：
将小鼠分为三组，其中第一组采用注射150μL剂量的[email protected]3O4@PF-127(Mn:242μg/mL，Au:92μg/mL)后激光局部照射治疗，第二组只注射150μL剂量的[email protected]3O4@PF-127(Mn:242μg/mL，Au:92μg/mL)进行治疗，第三组只采用激光局部照射治疗。
图9为在808nm激光(1.2W/cm2)下，瘤内注射实施例1中所制备的[email protected]@Mn3O4花型纳米材料后，4T1荷瘤裸鼠的热红外图像。
图9表明升温的结果最长可达8分钟，时间间隔为每2分钟。
[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料加激光组的温度增量变化为～35℃，足以消融癌细胞(消融肿瘤部位的癌细胞所需的温度应超过42℃)。
[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料组未见明显的温升现象，而仅有激光组出现了～12℃的温升，尚不足以消融肿瘤。
图10为实施例1中所获得的[email protected]3O4@PF-127花型纳米材料治疗小鼠肿瘤时，在肿瘤治疗不同阶段的代表性照片。
图10表明注射[email protected]3O4@PF127花型纳米材料和激光照射后，肿瘤的抑制率和消融率均显著提高。该图显示了制备的[email protected]3O4@PF-127在体内有有效的光热治疗性能。
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。