一种空心Cu7S4纳米立方结构及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种空心Cu7S4纳米立方结构及其制备方法和应用 (Hollow Cu7S4Nano cubic structure and preparation method and application thereof ) 是由 蔡称心 孙宇杰 胡耀娟 乔玲 吴萍 于 2021-03-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种空心Cu-7S-4纳米立方结构及其制备方法和应用,该空心Cu-7S-4纳米立方结构的边长约为70～80nm,形貌为空心纳米立方结构；其制备方法为：将聚乙烯吡咯烷酮溶于水中,然后加入乙酸铜、氢氧化钠、抗坏血酸搅拌,随后油浴加热,加入硫化钠持续反应,待反应完全后将产物离心洗涤分散。本发明制备的空心Cu-7S-4纳米立方结构,具有良好的稳定性和生物相容性,在近红外光区900～1100nm处具有较大的吸收,且光热转换效率高,为肿瘤细胞的光热治疗提供了条件,并且其制备方法简单,条件温和,环境友好,同时本发明材料由于表面存在的大的空穴,可以更加高效地应用在制备治疗癌症的光热治疗试剂中。(The invention discloses a hollow Cu 7 S 4 Nano cubic structure, preparation method and application thereof, and hollow Cu 7 S 4 The side length of the nano cubic structure is about 70-80 nm, and the shape is hollow nanoA cubic structure of rice; the preparation method comprises the following steps: dissolving polyvinylpyrrolidone in water, adding copper acetate, sodium hydroxide and ascorbic acid, stirring, heating in an oil bath, adding sodium sulfide for continuous reaction, and centrifuging, washing and dispersing the product after the reaction is completed. Hollow Cu prepared by the invention 7 S 4 The nano cubic structure has good stability and biocompatibility, has larger absorption at the near infrared region of 900-1100 nm, has high photo-thermal conversion efficiency, provides conditions for photo-thermal treatment of tumor cells, has simple preparation method, mild conditions and environmental friendliness, and can be more efficiently applied to preparation of photo-thermal treatment reagents for treating cancers due to large cavities on the surface of the material.)
技术领域
本发明属于纳米无机材料，具体涉及一种空心Cu7S4纳米立方结构及其制备方法和应用。
背景技术
铜的硫族化合物(Cu2-xS)作为一种具有独特电子，光学和化学性质的重要半导体，是一种很有前景的材料，在传感器，太阳辐射吸收器，催化剂，纳米级开关等许多领域具有潜在的应用价值。目前，已有几种方法，如溶剂热微波法，溶剂热，水热，化学转化和超声处理方法，用于合成Cu2-xS纳米粒子。Cu2-xS纳米粒子(Cu2-xS NPs)，是具有双重诊断和治疗应用的新兴纳米平台，由于其多功能性和适应性，正在这个“癌症战争”时代被广泛研究。Cu2- xS NPs半导体的多功能特性已经被广泛研究。它们的出现，作为癌症治疗学的很有希望的适应性药剂。因为他们具有不同的诊断和治疗潜力，在各种无机材料中，由于生物相容性，低毒性和低成本，这种纳米粒子引起了最大的关注。但该材料在生物代谢方面的能力还有待增强。
发明内容
发明目的：针对现有光热纳米材料的有毒性，稳定性低和靶向性差等问题，本发明提供一种空心Cu7S4纳米立方结构，该空心Cu7S4纳米立方结构具有优异光热转换性能，靶向性好，生物毒性低，成本低；有效解决了细胞毒性及光热转换效率低等问题。
本发明还提供一种空心Cu7S4纳米立方结构的制备方法和应用。
技术方案：为了实现上述目的，本发明所述一种空心Cu7S4纳米立方结构，所述的Cu7S4为空心纳米立方结构，其中铜与硫的摩尔比为7：4，是由前驱体Cu2O经过部分氧化成CuO，并最终与S2-发生阴离子交换后得到最终产物Cu7S4。
其中，所述空心Cu7S4纳米立方结构的边长为70～80nm。
其中，所述空心Cu7S4纳米立方结构的紫外光谱在900～1100nm处存在特征吸收宽峰。
本发明所述的空心Cu7S4纳米立方结构的制备方法，包括如下步骤：将聚乙烯吡咯烷酮溶于去离子水中，依次加入乙酸铜、氢氧化钠溶液、抗坏血酸AA搅拌，随后油浴加热，在搅拌状态下加入硫化钠反应，反应完全后，将产物离心取下层沉淀洗涤，分散到去离子水中，即得空心Cu7S4纳米立方结构。
其中，所述聚乙烯吡咯烷酮按比例2.5～5g溶于400-500mL去离子水中分子量为10000或者24000。
其中，所述氢氧化钠为浓度为1-2mol/L氢氧化钠水溶液，调节溶液的pH值为11.0-12.0，乙酸铜为浓度0.1-0.2mol/L的乙酸铜水溶液、抗坏血酸为浓度为0.1mol/L抗坏血酸水溶液，氢氧化钠水溶液，乙酸铜水溶液，抗坏血酸水溶液的体积比为3～5：3-4：6-8。
作为优选，所述加入氢氧化钠为体积3～5mL浓度为1-2mol/L氢氧化钠水溶液，调节溶液的pH值为11.0-12.0，乙酸铜为体积为3-4mL，浓度0.1-0.2mol/L的乙酸铜水溶液、抗坏血酸为体积6-8mL浓度为0.1-0.2mol/L抗坏血酸水溶液。
其中，所述搅拌为磁力搅拌，搅拌时间为30～40min。
其中，所述油浴加热温度为80～100℃。
其中，加入浓度0.1-0.2mol/L硫化钠水溶液后，反应的时间为1.5～2h，所述硫化钠水溶液与乙酸铜水溶液的体积比为1.5-2.5：3-4。
作为优选，加入1.5-2.5mL浓度0.1-0.2mol/L硫化钠水溶液后反应的时间为1.5～2h。
进一步地，所述称取的乙酸铜溶液的浓度为0.1mol/L，所述称取的硫化钠溶液的浓度为0.1mol/L，二者等摩尔，通过体积来控制比例。
本发明所述的空心Cu7S4纳米立方结构在制备治疗癌症的光热治疗试剂中的应用。
其中，所述空心Cu7S4纳米立方结构装载治疗癌症药物进行光热-药物协同治疗，可以应用在制备癌症药光热-药物协同治疗试剂或者药物中。
其中，所述Cu7S4光热材料在制备治疗肿瘤细胞光热试剂的分散液为去离子水，磷酸缓冲溶液或细胞培养液。所述光热试剂在分散液中都有很好的分散性，放置一周没有明显沉淀现象。
其中，所述Cu7S4光热材料在制备治疗肿瘤细胞光热试剂时分散到分散液中的浓度为50-200μg/mL。
作为优选，所制备的空心立方结构的Cu7S4光热材料在制备肿瘤细胞的光热治疗试剂中的应用时，分散到分散液中的浓度为100μg/mL。
其中，所述Cu7S4光热材料与肿瘤细胞MCF-7在37℃共同孵育12h，在室温下用980nm的激光，以0.7W/cm2的功率密度照射10min。
本发明的Cu7S4光热材料在近红外激光的照射下，都能够促进其释放的光热效应影响肿瘤细胞，使细胞凋亡。
当所述本发明的Cu7S4光热材料分散液浓度小于200μg/mL时，细胞存活率高于75％(不进行照射)；当所述光热试剂分散液的浓度在50μg/mL-200μg/mL时，在波长为980nm的近红外激光照射下5min，温度可由室温升高到40℃-65℃说明具有光热性能，可有效进行光热转换；将所述Cu7S4光热材料分散在细胞培养液中，浓度为50μg/mL-200μg/mL时，980nm激光照射10min后肿瘤抑制率高达86％。
本发明所述的空心立方结构的Cu7S4光热材料具有良好的生物相容性，将其(0～100μg/mL分散液)与肿瘤细胞MCF-7在37℃共同孵育12h，结果表明细胞的活性仍可高达90％以上。将该Cu7S4纳米立方结构(100μg/mL分散液)与MCF-7细胞(～1×106个)共同孵育12h，在室温下用980nm的激光，以0.7W/cm2的功率密度照射10min后，评价细胞的凋亡情况，结果表明95％的MCF-7细胞死亡。
本发明所述的光热-药物协同治疗组合物，包括所述的Cu7S4光热材料并装载药物如抗肿瘤药物阿霉素DOX。本发明制备的空心立方结构的Cu7S4光热材料具有独特的空心立方结构，因此比表面积大，照射后光热转换效率高。其在近红外光区具有很大的宽峰吸收，因此可利用980nm激光进行治疗，光热转换效率也更高。
机理：本发明所述的空心Cu7S4纳米立方结构具有较高的光热转换效率，所述的空心Cu7S4纳米立方结构在近红外区具有强的宽吸收，能将光能转化成热能，细胞毒性低，是一种高效的用于治疗肿瘤细胞光热试剂。并且，本发明所述的空心Cu7S4纳米立方结构由于存在大的空穴，不仅具有更大的表面积，而且可以更加高效的进行装载肿瘤治疗药物如DOX等，可以有效地应用在制备治疗癌症的光热治疗试剂中。
本发明的制备方法是简单的一锅法制备，首先乙酸铜与PVP，AA，NaOH反应生成Cu2O前驱物，之后再在空气下氧化得到最终产物Cu7S4。特别之处在于投料比的设计(使铜硫比接近7：4)，最后形貌结构是特有的空心立方结构。边长约为70～80nm，形状为立方体，元素分布Cu：S＝7：4。
此外，本发明在制备过程中发现，pH值对最后形貌的形成有较大的影响，本发明在制备时加入氢氧化钠溶液调节溶液的pH为11.0-12.0，可以得到空心立方结构，而不调节pH只能得到实心Cu7S4纳米立方结构。
此外，本发明选择使用980nm的激光照射材料进行光热治疗。使用980nm的激光相对于808nm的激光可以在产生更高的吸收，在相同激光功率下，相比于金纳米材料，可以产生更高的光热效率，以及对生物组织更深的穿透深度。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明制备的Cu7S4纳米立方具有独特的空心立方结构，因此比表面积大，照射后光热转换效率高，且存在大的空穴可进行DOX的装载以进行光热-药物协同治疗。其在近红外光区(900～1100nm)具有很大的宽峰吸收，因此可利用980nm激光进行治疗，光热转换效率也更高。
2、本发明制备的空心Cu7S4纳米立方结构细胞毒性低，生物相容性好，适合用于细胞的治疗。
3、本发明制备的空心Cu7S4纳米立方结构制备方法简单，条件温和，环境友好，易于推广并进行大规模生产，且该空心纳米立方结构具有高的光热转换效率，良好的稳定性和生物相容性，为肿瘤细胞的光热治疗提供了好的条件，可以应用在制备治疗癌症的光热试剂中。
附图说明
图1为本发明的空心Cu7S4纳米立方结构的透射电镜图；
图2为本发明的空心Cu7S4纳米立方结构的紫外-可见吸收光谱图；
图3为本发明的空心Cu7S4纳米球壳结构的透射电镜图；
图4为本发明的空心Cu7S4纳米立方结构的XRD图；
图5为本发明的空心Cu7S4纳米立方结构的Cu的XPS图；
图6为本发明的空心Cu7S4纳米立方结构的S的XPS图；
图7为本发明的空心Cu7S4纳米立方结构(100μg/mL)的在0.7W/cm2功率密度下的980nm激光照射下的光热转换效果图；
图8为Cu7S4在0至200μg mL-1范围内时，共孵育的MCF-7细胞的细胞活性图；
图9为MCF-7细胞光热治疗前后的活性评价图；治疗所用的光热试剂为本发明的空心立方结构的Cu7S4光热材料(100μg/mL)，激发波长为980nm，功率密度为0.7W/cm2，光照时间为10min。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
在25℃室温下称取4g分子量为10000的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于400mL去离子水中搅拌，磁力搅拌10min后，加入3.5mL 0.1mol/L乙酸铜溶液继续搅拌，5min后加入3.6mL1mol/L氢氧化钠溶液，调节溶液的pH约为11.0，30s迅速后加入6mL 0.1mol/L抗坏血酸溶液，继续搅拌30min。随后油浴加热升温至92℃，在搅拌状态下加入2mL 0.1mol/L硫化钠溶液反应2h，反应完全后，将产物离心15min取下层沉淀洗涤，重复上述步骤3次，分散到去离子水中(100μg/mL)，即得空心Cu7S4纳米立方结构，立方的边长为70～80nm左右，如图1所示。图2为所得的空心Cu7S4纳米立方结构的UV-Vis图，从图2可以看出，该空心Cu7S4纳米立方结构在900～1100nm处存在特征吸收宽峰。从图4的XRD谱图对照可以看出，该物质正好与Cu7S4的标准卡片JCPDS NO.23-0958相对应，几个明显的特征峰如46.839，31.204和34.061degree。从图5和图6可以看出，该物质的Cu与S元素分别对应的4个和2个XPS峰(Cu2+2p3/2:934.9eV，Cu2+2p1/2:934.9eV，Cu+2p3/2:934.9eV，Cu+2p3/2:934.9eV)和(S2p3/2:934.9eV，S2p1/2:934.9eV)。
实施例2
在25℃室温下称取5g分子量为10000的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于400mL去离子水中搅拌，磁力搅拌10min后，加入3.5mL0.1mol/L乙酸铜溶液继续搅拌，6min后加入4.5mL1mol/L氢氧化钠溶液，调节溶液的pH约为11.0，30s迅速后加入6mL0.1mol/L抗坏血酸溶液，继续搅拌40min。随后油浴加热升温至95℃，在搅拌状态下加入2mL0.1mol/L硫化钠溶液反应2h，反应完全后，将产物离心15min取下层沉淀洗涤，重复上述步骤3次，分散到去离子水中(100μg/mL)，即得空心Cu7S4纳米立方结构。
实施例3
在25℃室温下称取5g分子量为24000的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于400mL去离子水中搅拌，磁力搅拌10min后，加入3.5mL0.1mol/L乙酸铜溶液继续搅拌，5min后加入3.6mL1mol/L氢氧化钠溶液，调节溶液的pH约为11.0，30s迅速后加入6mL0.1mol/L抗坏血酸溶液，继续搅拌40min。随后油浴加热升温至90℃，在搅拌状态下加入2mL0.1mol/L硫化钠溶液反应1.5h，反应完全后，将产物离心15min取下层沉淀洗涤，重复上述步骤3次，分散到去离子水中(100μg/mL)，即得空心Cu7S4纳米立方结构。
实施例4
在25℃室温下称取2.5g分子量为24000的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于400mL去离子水中搅拌，磁力搅拌8min后，加入1.75mL0.1mol/L乙酸铜溶液继续搅拌，5min后加入3mL1mol/L氢氧化钠溶液，调节溶液的pH约为11.0，30s迅速后加入6mL0.1mol/L抗坏血酸溶液，继续搅拌30min。随后油浴加热升温至88℃，在搅拌状态下加入1mL0.1mol/L硫化钠溶液反应1.5h，反应完全后，将产物离心15min取下层沉淀洗涤，重复上述步骤3次，分散到去离子水中(100μg/mL)，即得空心Cu7S4纳米立方结构。
对比例1
在25℃室温下称取4g分子量为10000的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于400mL去离子水中搅拌，磁力搅拌10min后，加入3.5mL0.1mol/L乙酸铜溶液继续搅拌，5min后加入3.6mL1mol/L氢氧化钠溶液，30s迅速后加入6mL0.1mol/L抗坏血酸溶液，静置30min。随后油浴加热升温至92℃，在搅拌状态下加入2mL0.1mol/L硫化钠溶液反应2h，反应完全后，将产物离心15min取下层沉淀洗涤，重复上述步骤3次，分散到去离子水中，得到空心Cu7S4纳米球结构(100μg/mL)，说明该对比例不能得到空心Cu7S4纳米立方结构，只能得到空心Cu7S4纳米球壳结构，而相同尺寸下，球壳结构的比表面积明显小，如图3所示。
对比例2
在25℃室温下称取4g分子量为10000的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于400mL去离子水中搅拌，磁力搅拌10min后，加入3.5mL0.1mol/L乙酸铜溶液继续搅拌，5min后，不加氢氧化钠溶液，测得pH＝5.8，30s迅速后加入6mL0.1mol/L抗坏血酸溶液，搅拌30min。随后油浴加热升温至92℃，在搅拌状态下加入2mL0.1mol/L硫化钠溶液反应2h，反应完全后，将产物离心15min取下层沉淀洗涤，重复上述步骤3次，分散到去离子水中(100μg/mL)，得到实心Cu7S4纳米立方结构，说明该对比例不能得到空心Cu7S4纳米立方结构，只能得到实心Cu7S4纳米立方结构，而实心结构比表面积小，并且无空穴结构装载药物或者载药率极低。
对比例3
在25℃室温下称取4g分子量为10000的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于400mL去离子水中搅拌，磁力搅拌10min后，加入0.5mL0.1mol/L乙酸铜溶液继续搅拌，5min后加入3.6mL1mol/L氢氧化钠溶液，30s迅速后加入6mL0.1mol/L抗坏血酸溶液，搅拌30min。随后油浴加热升温至92℃，在搅拌状态下加入2mL0.1mol/L硫化钠溶液反应2h，反应完全后，将产物离心15min取下层沉淀洗涤，重复上述步骤3次，分散到去离子水中(100μg/mL)，该对比例得到的是纳米小颗粒(大小约为10～20nm)，而纳米小颗粒最大吸收波长在不到900nm处，不能更好地利用980nm激光进行光热转换。
试验例1
在25℃室温下将实施例1中制得的空心Cu7S4纳米立方结构的水分散液(100μg/mL)在室温下用980nm的激光以0.7W/cm2的功率密度光照15min后，关闭光源，让其自然冷却至室温，记录其从持续激光照射15min到自然冷却温度变化，表明本发明的空心Cu7S4纳米立方结构自身的光热效果良好。(如图7所示)，说明该空心Cu7S4纳米立方结构可以有效地将光能转换为热能，在肿瘤细胞光热治疗中具有潜在的应用价值。
试验例2
在25℃室温下将实施例1中制得的空心立方结构的Cu7S4光热材料的分散液与肿瘤细胞MCF-7(～1×106个)在37℃共同孵育12h(材料在培养液中的浓度为0～200μg/mL)，测试当Cu7S4在0至200μg mL-1范围内时，共孵育的MCF-7细胞的细胞活性，结果如图8，结果表明细胞的活性仍可高达80％以上。
试验例3
在25℃室温下将实施例1中制得的空心立方结构的Cu7S4光热材料的分散液与MCF-7细胞(～1×106个)在37℃共同孵育12h(材料在培养液中的浓度为100μg/mL)，在室温下用980nm的激光以0.7W/cm2的功率密度光照10min后，评价细胞的凋亡情况。图9为MCF-7细胞光热治疗前后的活性评价图，a和b线分别为未进行光照(a)和光照(b)10min后的细胞活性统计情况，结果表明光照10min后，细胞凋亡率达到95％，而未照射的没有效果，表明该空心立方结构的Cu7S4光热材料具有显著的杀伤肿瘤细胞的能力。
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