氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料及其製備的製作方法
2023-05-19 01:22:02 2
本發明屬於生物無機納米材料技術領域，涉及一種氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料及其製備。
背景技術：
石墨烯(graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。在2004年由英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在實驗中成功地從石墨中分離出石墨烯，從而使得他們獲得2010年諾貝爾物理學獎。在最近幾年，基於納米氧化石墨烯的功能雜化物在生物醫學領域的應用引起廣泛的關注。
由於納米氧化石墨烯具有很大的比表面積，因此可作為各種生物分子載體。納米氧化石墨烯及其雜化材料不僅可用於腫瘤的光熱治療和作為載體進行藥物和基因輸送，還可被用作造影劑應用在生物多模式成像中，包括ct成像、磁共振成像以及光聲成像。目前，己經報導了關於go及其衍生物在生物醫學方面的廣泛應用，通過良好的表面修飾可以提高go在生物體內的穩定性以及控制其在體內的行為。無機納米顆粒可以通過原位生長或吸附到氧化石墨烯表面，從而獲得基於納米氧化石墨烯的功能雜化材料。
光熱治療是利用光吸收物質在光照射下產生熱量，導致腫瘤細胞局部高溫，從而殺死腫瘤細胞。在過去的幾年間，很多種具有強近紅外吸收的納米材料包括各種各樣金納米顆粒、碳納米材料、鈀片、硫化銅納米顆粒甚至還有一些有機納米顆粒都可以作為光熱試劑用於腫瘤光熱治療。
計算機斷層掃描成像(ct)是通過計算物質對x射線的衰減來成像，利用x射線對機體進行照射。ct成像圖的解析度高，掃描時間短，但是由於某些病變與周圍組織間的密度差異不大，ct診斷也具有一定困難，如血管畸形、早期癌症、轉移瘤等。此外，常規的ct掃描靈敏度較低。為了提高病變的顯示率、確定病灶範圍、降低臨床誤診風險，使用ct增強掃描造影劑，彌補普通掃描的不足，從而使用造影劑。
核磁共振成像儀於1980年就已被正式用於醫學檢測。核磁共振成像(mri)又稱磁共振成像。核磁共振成像的原理是機體在外加磁場作用下，機體內的質子會發生共振，產生共振信號。由於機體內不同組織和器官含有效質子量不同，病灶部位和正常部位有效質子量也有差異，加權擬合可得到黑白階度不同的機體二維成像分布圖，進而使機體病灶部位可視化。
申請號為201610045703.5的中國發明專利公開了一種基於納米氧化石墨烯的磁共振成像造影劑及其製備方法，該造影劑是釓離子(gd3+)型磁共振成像mri納米造影劑pgo-gd，所述的造影劑由gd3+與支鏈型聚乙二醇功能化納米氧化石墨烯(pgo)製成mri造影劑pgo-gd，其中不引入螯合劑。其製備方法包括以下步驟：1)以天然石墨粉為原料，先後加入一定量的氯化鈉、濃硫酸、硝酸鈉，磁力攪拌後，加入高錳酸鉀，繼續攪拌，溫度控制室溫；攪拌下，使反應溫度序列地升至95℃；加入h2o2終止反應，並用稀鹽酸、去離子水洗滌、離心數次，得納米氧化石墨烯；2)將製得的納米氧化石墨烯分散在水中，調節濃度，先後加入nhs、edc，攪拌，並調節溶液的ph值至4～7，最後加入末端為氨基的支鏈型聚乙二醇，常溫下攪拌反應；經去離子水稀釋、超濾離心洗滌數次，其中離心管膜截留分子量mwco為10～100kda，得功能化納米氧化石墨烯pgo；3)將製得的功能化納米氧化石墨烯pgo分散在水中，調節濃度，再將釓離子溶液緩慢加入，常溫攪拌過夜；經去離子水稀釋、超濾離心洗滌數次，其中離心管膜截留分子量mwco為10～100kda，最終根據所需濃度分散在水中，製得mri造影劑pgo-gd。與上述專利相比，本發明製備的材料氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇與pgo-gd在材料組成和製備方法上完全不同。本發明最終材料的製備方法採用一鍋法即可完成納米粒子修飾和雜化材料的改性，後續的提純步驟則更加精簡，而且製得的納米材料，由於在氧化石墨烯表面原位生長了mnwo4納米粒子，在對腫瘤的治療手段和診斷方法上被賦予了更多可能。本發明氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料具有腫瘤mri/ct/pa多模造影和光熱治療增敏的潛在價值。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種具有良好的生物相容性和穩定性，可應用於生物mri/ct/pa成像和光熱治療的氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料。
本發明的另一個目的就是提供上述氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料的製備方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料的製備方法，該方法具體包括以下步驟：
步驟(1)：分別配製二價錳鹽的醇溶液、納米氧化石墨烯的醇溶液，並將上述兩醇溶液混合攪拌，調節ph值為4-6，製得混合溶液；
步驟(2)：按照mn2+、wo42-兩種離子的摩爾比為1:1，稱取鎢酸鹽並溶於去離子水中，製得鎢酸鹽水溶液；
步驟(3)：將步驟(2)製得的鎢酸鹽水溶液緩慢加入到步驟(1)的混合溶液中，再加入氨基己酸，攪拌，加熱至180-220℃，再加入聚乙二醇，持續反應3-5小時，自然冷卻至室溫，後經離心、洗滌，將固體產物分散在去離子水中，經超聲處理，即製得所述的氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料。
步驟(1)所述的二價錳鹽在醇溶液中的質量濃度為1-2.5mg/ml，所述的氧化石墨烯在醇溶液中的質量濃度為1-2.5mg/ml。
所述的二價錳鹽為mn(no3)2·4h2o，所述的醇為三甘醇。
所述的納米氧化石墨烯的製備方法具體包括以下步驟：
步驟(1)：取1g的天然石墨粉、0.5g的硝酸鈉、23ml濃硫酸於230ml燒瓶中冰水浴攪拌0.5～1h，製得混合溶液；
步驟(2)：向步驟(1)製得的混合溶液中緩慢加入4～6g的高錳酸鉀，加入速度為0.1g/min，將混合溶液的溫度保持在15℃以下反應12～48h；
步驟(3)：將步驟(2)反應後的體系升溫至35～40℃，保溫反應0.5～1h，再將體系升溫至80～95℃，保溫反應0.5～1h，體系繼續升溫至100℃，保溫加入46ml去離子水後，繼續反應0.5～1h；
步驟(4)：向步驟(3)反應後的體系中加入140ml的去離子水和10～20ml的過氧化氫，體系自然冷卻至室溫；
步驟(5)：用5％的hcl水溶液和去離子水依次洗滌產物至中性，超聲處理後，即可。
步驟(2)中所述的鎢酸鹽水溶液的體積與混合溶液的體積之比為1-5:40。
作為優選的技術方案，所述的鎢酸鹽為na2wo4·2h2o。
步驟(3)中所述的氨基己酸與納米氧化石墨烯的質量比為5-10:3-7。
步驟(3)中所述的聚乙二醇與納米氧化石墨烯的質量比為6-8:1，所述的聚乙二醇的相對分子量為1500-3000。
步驟(3)中所述的離心、洗滌的處理條件為：採用乙醇和超純水進行離心洗滌，每次離心的轉速為8000-15000轉/分鐘，時間為10-15分鐘。
步驟(3)中所述的超聲處理採用超聲粉碎機，溫度不能過高，必須保持在30℃以下。
採用上述方法製備而成的氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料。
所述的氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料為二維片狀，片層較薄，寬度約為100～400nm。
所述的氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料用於mri成像、pa成像、ct成像或光熱治療。
本發明方法的設計思路為：通過一鍋法在加熱的高沸點親水溶劑中直接製得peg非共價修飾的具有良好生物相容性go/mnwo4/peg納米多功能材料，無需後續的表面改性步驟。
鎢酸錳納米粒子在氧化石墨烯表面的生長時，氨基己酸作為表面活性劑，其一端的氨基作為封端劑控制納米粒子的大小和結構，另一端的羧基增加納米粒子表面的親水性。同時，由於納米粒子被氨基己酸包裹，其生物相容性也得到大幅度的提升。
與現有技術相比，本發明具有以下特點：
(1)製得的氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料為二維片狀，片層較薄，分散性和生物相容性優異；
(2)製得的氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料的光熱效果優異，成像效果明顯，在近紅外有較強吸收，驗證後證明其在808nm雷射照射下有良好的光熱效果；
(3)可應用於mri/pa/ct成像和光熱治療，製備工藝簡單，原料易得，經濟實用性好，是一種集多種優點於一體可用於生物醫藥的多功能無機納米材料。
附圖說明
圖1為實施例1中使用的go的tem圖
圖2為實施例1中go/mnwo4/peg材料的xrd圖；
圖3為實施例1中go、peg、go/mnwo4/peg材料的紅外光譜圖(ir)；
圖4為實施例1中go/mnwo4/peg材料的tem圖；
圖5為實施例2中go/mnwo4/peg不同濃度材料的可見近紅外圖；
圖6為實施例2中go/mnwo4/peg不同濃度材料在雷射照射下的升溫曲線圖；
圖7為實施例2中go/mnwo4/peg不同濃度材料在雷射照射後的可見近紅外圖；
圖8為實施例2中go/mnwo4/peg材料的光熱穩定曲線圖；
圖9為實施例3中go/mnwo4/peg材料分散在水中的t1加權成像圖；
圖10為實施例4中go/mnwo4/peg分散在水中測得的pa強度圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
實施例1：
go/mnwo4/peg納米多功能材料的製備包括如下步驟。
(1)稱取50mgmn(no3)2·4h2o溶解在20ml三甘醇中，再將70mggo分散在20ml三甘醇中，將上述溶液攪拌混合後調節ph值為6；
(2)稱取66mgna2wo4·2h2o溶於5ml去離子水中，緩慢加入步驟(1)中的混合溶液,攪拌30min後，向(1)(2)步驟的混合液中加入2ml含有113mg氨基己酸的水溶液；
(3)將上述得到的溶液在高速攪拌下加熱至220℃,反應2h後，加入10ml溶解了500mgpeg(1500)的三甘醇，繼續反應1h，後將反應體系自然冷卻至室溫；
(4)將上述步驟中最後得到的反應溶液用乙醇和超純水10000rpm/15min各離心洗滌三次後分散在超純水中，使用超聲粉碎機在，300w的功率下超聲處理1h，即得到分散性、水溶性良好的go/mnwo4/peg多功能納米雜化材料。
圖1為本實施例的反應過程中所使用的go的tem圖，可觀察到go納米片的大小在150nm左右。
圖2為本實施例中製備得到的go/mnwo4/peg材料的xrd圖，從xrd的對比中圖中可以看出mnwo4納米粒子在納米材料中單純存在。
圖3為本實施例中製備使用及得到的go、peg、mnwo4、go/mnwo4/peg材料的紅外光譜圖(ir)，與單純的go的紅外圖相比，可以從圖中歸納出peg對go/mnwo4納米材料的成功修飾而得到了go/mnwo4/peg。
圖4為本實施例製備得到的go/mnwo4/peg納米材料的tem圖，從圖中可以清晰地觀察到納米粒子在go納米片上生長。
實施例2：
將實施例1中所製備的go/mnwo4/peg納米材料水溶液配製為0、25、50、75、100、150、200μg/ml的溶液，在808nm的雷射照射下，測試溶液的升溫性能和光熱循環穩定性。
圖5為本實施例中go/mnwo4/peg不同濃度材料的可見近紅外譜圖，可觀察到隨著濃度的增大，納米材料在近紅外的吸光度增加。
圖6為本實施例中go/mnwo4/peg不同濃度材料在808nm，1.2w/cm2雷射照射10min的升溫曲線圖，驗證了go/mnwo4/peg可以在近紅外雷射照射下產生光熱效果。
圖7為本實施例中go/mnwo4/peg不同濃度材料在808nm，1.2w/cm2雷射照射10min後的可見近紅外圖，材料的可見近紅外吸收無明顯變化，說明材料具有一定的光熱穩定性。
圖8為本實施例中200μg/mlgo/mnwo4/peg的808nm，1.2w/cm2雷射照射10min的光熱穩定曲線圖，八個循環中材料升高溫度基本一致，說明材料具有優秀的光熱穩定性。
實施例3：
將實施例1中所製備的go/mnwo4/peg納米材料水配製為不同濃度的水溶液，在0.5t的磁場強度下，得到其mri成像性質。
圖9為實施例3中go/mnwo4/peg材料分散在水中的t1加權成像圖，隨著溶液濃度增大，mn元素的含量增多，t1加權成像效果越明顯，材料的r1值為11.34mm-1s-1r2為24.06mm-1s-1,r2/r1＝2.12,適合作為t1造影劑。這些數據也說明go/mnwo4/peg納米材料可以作為很好的t1造影劑。
實施例4：
將實施例1中所製備的go/mnwo4/peg納米材料水配製為不同濃度的水溶液，得到其光聲強度隨濃度變化的趨勢圖。
圖10為實施例4中go/mnwo4/peg分散在水中測得的pa強度，同樣的，隨著溶液濃度增大，pa強度越大，材料的成像效果會更強。說明go/mnwo4/peg納米材料可以作為很好的pa成像造影劑。
實施例5：
本實施例氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料的製備方法，具體包括以下步驟：
步驟(1)：分別配製二價錳鹽的醇溶液、納米氧化石墨烯的醇溶液，並將上述兩醇溶液混合攪拌，調節ph值為4，製得混合溶液；
步驟(2)：按照mn2+、wo42-兩種離子的摩爾比為1:1，稱取鎢酸鹽並溶於去離子水中，製得鎢酸鹽水溶液；
步驟(3)：將步驟(2)製得的鎢酸鹽水溶液緩慢加入到步驟(1)的混合溶液中，再加入氨基己酸，攪拌，加熱至180℃，再加入聚乙二醇，持續反應5小時，自然冷卻至室溫，後經離心、洗滌，將固體產物分散在去離子水中，經超聲處理，即製得所述的氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料。
步驟(1)中，二價錳鹽在醇溶液中的質量濃度為1mg/ml，氧化石墨烯在醇溶液中的質量濃度為1mg/ml。二價錳鹽為mn(no3)2·4h2o，醇為三甘醇。
步驟(2)中，鎢酸鹽水溶液的體積與混合溶液的體積之比為1:40。
步驟(3)中，氨基己酸與納米氧化石墨烯的質量比為5:3。
步驟(3)中，聚乙二醇與納米氧化石墨烯的質量比為6:1，聚乙二醇的相對分子量為1500。
步驟(3)中，離心、洗滌的處理條件為：採用乙醇和超純水進行離心洗滌，每次離心的轉速為8000轉/分鐘，時間為15分鐘。
步驟(3)中，超聲處理採用超聲粉碎機，溫度不能過高，必須保持在30℃以下。
本實施例中，納米氧化石墨烯的製備方法具體包括以下步驟：
步驟(1)：取1g的天然石墨粉、0.5g的硝酸鈉、23ml濃硫酸於230ml燒瓶中冰水浴攪拌0.5h，製得混合溶液；
步驟(2)：向步驟(1)製得的混合溶液中緩慢加入4g的高錳酸鉀，加入速度為0.1g/min，將混合溶液的溫度保持在15℃以下反應12h；
步驟(3)：將步驟(2)反應後的體系升溫至35℃，保溫反應0.5h，再將體系升溫至80℃，保溫反應0.5h，體系繼續升溫至100℃，保溫加入46ml去離子水後，繼續反應0.5h；
步驟(4)：向步驟(3)反應後的體系中加入140ml的去離子水和10ml的過氧化氫，體系自然冷卻至室溫；
步驟(5)：用5％的hcl水溶液和去離子水依次洗滌產物至中性，超聲處理後，即可。
本實施例製備而成的氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料為二維片狀，片層較薄，寬度約為100nm，用於mri成像、pa成像、ct成像或光熱治療。
實施例6：
本實施例氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料的製備方法，具體包括以下步驟：
步驟(1)：分別配製二價錳鹽的醇溶液、納米氧化石墨烯的醇溶液，並將上述兩醇溶液混合攪拌，調節ph值為6，製得混合溶液；
步驟(2)：按照mn2+、wo42-兩種離子的摩爾比為1:1，稱取鎢酸鹽並溶於去離子水中，製得鎢酸鹽水溶液；
步驟(3)：將步驟(2)製得的鎢酸鹽水溶液緩慢加入到步驟(1)的混合溶液中，再加入氨基己酸，攪拌，加熱至220℃，再加入聚乙二醇，持續反應3小時，自然冷卻至室溫，後經離心、洗滌，將固體產物分散在去離子水中，經超聲處理，即製得所述的氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料。
步驟(1)中，二價錳鹽在醇溶液中的質量濃度為2.5mg/ml，氧化石墨烯在醇溶液中的質量濃度為2.5mg/ml。二價錳鹽為mn(no3)2·4h2o，醇為三甘醇。
步驟(2)中，鎢酸鹽水溶液的體積與混合溶液的體積之比為5:40。
步驟(3)中，氨基己酸與納米氧化石墨烯的質量比為10:7。
步驟(3)中，聚乙二醇與納米氧化石墨烯的質量比為8:1，聚乙二醇的相對分子量為3000。
步驟(3)中，離心、洗滌的處理條件為：採用乙醇和超純水進行離心洗滌，每次離心的轉速為15000轉/分鐘，時間為10分鐘。
步驟(3)中，超聲處理採用超聲粉碎機，溫度不能過高，必須保持在30℃以下。
本實施例中，納米氧化石墨烯的製備方法具體包括以下步驟：
步驟(1)：取1g的天然石墨粉、0.5g的硝酸鈉、23ml濃硫酸於230ml燒瓶中冰水浴攪拌1h，製得混合溶液；
步驟(2)：向步驟(1)製得的混合溶液中緩慢加入6g的高錳酸鉀，加入速度為0.1g/min，將混合溶液的溫度保持在15℃以下反應48h；
步驟(3)：將步驟(2)反應後的體系升溫至40℃，保溫反應1h，再將體系升溫至95℃，保溫反應1h，體系繼續升溫至100℃，保溫加入46ml去離子水後，繼續反應1h；
步驟(4)：向步驟(3)反應後的體系中加入140ml的去離子水和20ml的過氧化氫，體系自然冷卻至室溫；
步驟(5)：用5％的hcl水溶液和去離子水依次洗滌產物至中性，超聲處理後，即可。
本實施例製備而成的氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料為二維片狀，片層較薄，寬度約為400nm，用於mri成像、pa成像、ct成像或光熱治療。
實施例7：
本實施例氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料的製備方法，具體包括以下步驟：
步驟(1)：分別配製二價錳鹽的醇溶液、納米氧化石墨烯的醇溶液，並將上述兩醇溶液混合攪拌，調節ph值為5，製得混合溶液；
步驟(2)：按照mn2+、wo42-兩種離子的摩爾比為1:1，稱取鎢酸鹽並溶於去離子水中，製得鎢酸鹽水溶液；
步驟(3)：將步驟(2)製得的鎢酸鹽水溶液緩慢加入到步驟(1)的混合溶液中，再加入氨基己酸，攪拌，加熱至200℃，再加入聚乙二醇，持續反應4小時，自然冷卻至室溫，後經離心、洗滌，將固體產物分散在去離子水中，經超聲處理，即製得所述的氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料。
步驟(1)中，二價錳鹽在醇溶液中的質量濃度為1.8mg/ml，氧化石墨烯在醇溶液中的質量濃度為2.0mg/ml。二價錳鹽為mn(no3)2·4h2o，醇為三甘醇。
步驟(2)中，鎢酸鹽水溶液的體積與混合溶液的體積之比為3:40。
步驟(3)中，氨基己酸與納米氧化石墨烯的質量比為6:4。
步驟(3)中，聚乙二醇與納米氧化石墨烯的質量比為7:1，聚乙二醇的相對分子量為2000。
步驟(3)中，離心、洗滌的處理條件為：採用乙醇和超純水進行離心洗滌，每次離心的轉速為10000轉/分鐘，時間為12分鐘。
步驟(3)中，超聲處理採用超聲粉碎機，溫度不能過高，必須保持在30℃以下。
本實施例中，納米氧化石墨烯的製備方法具體包括以下步驟：
步驟(1)：取1g的天然石墨粉、0.5g的硝酸鈉、23ml濃硫酸於230ml燒瓶中冰水浴攪拌1h，製得混合溶液；
步驟(2)：向步驟(1)製得的混合溶液中緩慢加入5g的高錳酸鉀，加入速度為0.1g/min，將混合溶液的溫度保持在15℃以下反應24h；
步驟(3)：將步驟(2)反應後的體系升溫至38℃，保溫反應1h，再將體系升溫至90℃，保溫反應1h，體系繼續升溫至100℃，保溫加入46ml去離子水後，繼續反應1h；
步驟(4)：向步驟(3)反應後的體系中加入140ml的去離子水和15ml的過氧化氫，體系自然冷卻至室溫；
步驟(5)：用5％的hcl水溶液和去離子水依次洗滌產物至中性，超聲處理後，即可。
本實施例製備而成的氧化石墨烯/鎢酸錳/聚乙二醇納米雜化材料為二維片狀，片層較薄，寬度約為200nm，用於mri成像、pa成像、ct成像或光熱治療。
上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明範疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。