一种细胞衍生荧光碳纳米片及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于化学纳米材料领域，具体涉及一种细胞衍生荧光碳纳米片及其制备方法和在细胞成像及肿瘤治疗中的应用。


背景技术：

2.近年来，非金属碳基纳米材料如石墨烯、碳纳米管、石墨烯量子点、碳点等由于具有毒性低、水溶性好、化学活性低和荧光性质稳定等优势而在癌症诊断和治疗领域展现出了广阔的应用前景。其中二维结构的碳纳米材料如石墨烯是一种由单层碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型蜂巢状平面薄膜，其价带和导带相交于费米能级处，是能隙为零的半导体。然而，微米级以上尺寸石墨烯的载流子作为无质量的狄拉克粒子无法通过简单的静电势调节进行限制，不具有发光性。而当石墨烯的二维侧向尺寸缩小至100nm以内后便具有量子约束电子状态，称之为石墨烯量子点(graphene quantum dots,gqds)。gqds的荧光性质是其最重要的性质之一。其次，由于具有良好的水溶性、较低的细胞毒性、较大的比表面积，且可以通过π-π堆积作用、疏水-疏水作用、氢键作用以及范德华作用力与多种化合物结合，二维的碳纳米材料可有效负载和输送药物分子的载体。另外，由于具有宽吸收，这些二维的碳纳米材料还可用于肿瘤的光热治疗。目前，二维荧光碳纳米材料的制备方法大体上可归为两类：自上而下法和自下而上法。自上而下法是将石墨烯、碳纳米管或富勒烯等碳材料通过化学或物理方法切割成具有有荧光性质的石墨烯量子点。主要包括强酸氧化法、水热/溶剂热法、电化学氧化法和超声/微波辅助氧化法等。自下而上的方法是指以有机小分子化合物为原料，通过缩聚或碳化等化学反应合成出二维荧光碳纳米材料，具体包括聚苯前驱体环化脱氢法和有机小分子的碳化法。但这些方法制备的二维荧光碳纳米材料在进行生物应用时都会引入外源性的碳纳米材料，其毒性以及对生物体长期的影响仍然影响着这些二维荧光碳纳米材料的进一步应用。因此，需要发展更多的方法来制备内源非毒性的二维碳纳米材料。


技术实现要素：

3.发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明以内源性的细胞为原料制备了一种细胞衍生荧光碳纳米片，该细胞衍生荧光碳纳米片具有高的荧光量子产率，良好的荧光稳定性，无毒性，制备成本低，方法简易，并且此二维碳纳米材料可以用于肿瘤光热治疗。
4.本发明还提供一种细胞衍生荧光碳纳米片的制备方法和应用。
5.技术方案：为了实现上述目的，本发明所述的一种细胞衍生荧光碳纳米片，由肿瘤细胞与去离子水水热反应，使得肿瘤细胞的细胞膜的磷脂双分子层经过高温碳化而形成。。
6.其中，所述肿瘤细胞包括hela、mcf-7、4t1、hepg2等癌细胞。
7.其中，肿瘤细胞为在dmem培养基中生长至对数阶段的肿瘤细胞。
8.本发明所述细胞衍生荧光碳纳米片为二维结构的纳米片状物，直径100-120nm；厚度在3-5nm；且掺杂n、p元素。
9.其中，所述细胞衍生荧光碳纳米片具有荧光性能，在450nm-500nm波长附近具有强的荧光发射峰。
10.本发明所述的荧光碳纳米片的制备方法，包括如下步骤：
11.(1)将培养的肿瘤细胞溶于去离子水中，经过水热反应，然后停止加热，冷却，取出反应溶液，抽滤得到细胞衍生荧光碳纳米片水溶液；
12.(2)将步骤(1)中细胞衍生荧光碳纳米片水溶液冷冻干燥获得的固体粉末为细胞衍生荧光碳纳米片。
13.其中，步骤(1)中肿瘤细胞与适量去离子水混合，其质量比为1：5-10，细胞充分分散在去离子水中；优先比例为1：5。
14.其中，步骤(1)所述水热反应的反应温度160-200℃，时间为20-24小时。
15.作为优选，水热反应的反应温度180℃，时间为22小时。
16.本发明所述的荧光碳纳米片在制备细胞成像的试剂中的应用。
17.本发明所述的荧光碳纳米片在制备肿瘤治疗的药物或者试剂中的应用。
18.其中，所述应用包括细胞衍生荧光碳纳米片制备成生物荧光探针或制备成载体应用于ptt。
19.本发明的利用肿瘤细胞与去离子水混合，在水热反应釜中高温进行反应。制得了细胞衍生荧光碳纳米片，合成的纳米片的荧光波长发射波长有大幅红移；同时，合成的荧光碳纳米片具有极好的生物相容性、良好的化学成分、可调的荧光发射、容易进行功能化和卓越的物理化学和光化学稳定性，可应用于生物成像领域，尤其是细胞成像领域。
20.本发明是肿瘤细胞与去离子水直接与在高温下通过水热反应合成纳米片，形成的纳米片由于是细胞与去离子水直接反应所得，无其他任何化学试剂，肿瘤细胞不仅生长速度快，并且其细胞膜的磷脂双分子层经高温碳化后形成n/p共掺杂的碳纳米片，同时，由于这类纳米片具有极好的光热效应，相比于普通金属纳米光热试剂，具有更好的生物相容性。
21.本发明制备的是一种二维结构的荧光碳纳米片，是由肿瘤细胞膜磷脂双分子层经高温碳化形成，由于细胞膜含有n/p，因此所制备的材料是由n/p共掺杂的荧光碳纳米片。在各种光热试剂(pta)中，本发明的细胞衍生二维纳米片材料因具有极好的生物相容性、高的荧光效应以及良好的光热转化能力而有望成为新型的肿瘤诊疗一体化材料。本发明制备合成的荧光碳纳米片是一种二维碳纳米片，具有无毒性，荧光量子产率高，荧光稳定性好，制备成本较低，方法简易等优势，另外，此二维纳米材料可用于肿瘤光热治疗，在小鼠模型中取得了良好的疗效。并且，二维结构的碳纳米片有望成为化疗药物的优良载体，用于肿瘤的光热疗与化疗协同治疗。
22.本发明首次提出一种基于肿瘤细胞的细胞衍生荧光碳纳米片，其原材料选择简单自生物体，取自于细胞，无毒性，有利于生物应用，制备方法简单，与去离子水水热反应即可，通过细胞膜磷脂双分子层高温碳化，得到掺杂有n/p的荧光碳纳米片，具有荧光性质及光热疗效果。
23.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
24.1、本发明直接利用肿瘤细胞和水通过一步水热法制备生成纳米荧光材料，是由细胞膜磷脂双分子层高温碳化所得，由于细胞膜含有n/p元素，因此制备的材料是由n/p共掺杂，其荧光效果强，量子产率高，且形貌较均一，荧光稳定性好，有利于生物应用，并且制备
方法简单方便，具有良好的生物相容性、光热性能和安全性，并且成本低。
25.2、本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片展现出较强的荧光和良好的水溶性，其荧光光谱最大发射峰可从430nm红移至550nm，并且在450-500nm波长附近具有强的荧光发射峰，可发生明显的红移，展现出良好的荧光光谱性能，由于其独特的光学性质可以有效进行细胞或肿瘤荧光成像。
26.3、在现有技术中都是比较复杂的化学试剂或者一些其他原料的制成的细胞成像材料或者肿瘤治疗材料，可能会含有较高的生物毒性。本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片以内源性的细胞为碳源，具有内源非毒性，良好的荧光成像能力及光热转化能力，可用于机体或细胞的光热治疗，对于肿瘤诊疗方面是一种优良选择。此纳米材料表面改性后，有望用于递送协同治疗的客体分子，例如化学治疗药物，光敏剂和免疫佐剂，在药物递送及ptt协同化疗上具有广阔的应用前景。
附图说明
27.图1为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片合成前后的照片，其中细胞衍生荧光碳纳米片合成前(左)与合成后(右)；
28.图2为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片在日光和紫外灯下获得的荧光对比图，从左至右分别为日光下和紫外灯光下获得的荧光对比图；
29.图3为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片的紫外吸收图谱；
30.图4为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片的荧光吸收图谱；
31.图5为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片的xrd图谱；
32.图6为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片的tem图谱；
33.图7为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片的afm图谱；
34.图8为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片的红外图谱；
35.图9中1-4为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片的xps图谱及分峰拟合图谱，其中，图9-1为荧光碳纳米片xps图谱，图9-2为荧光碳纳米片c
1s
拟合图，图9-3为荧光碳纳米片n
1s
拟合图，图9-4为荧光碳纳米片o
1s
拟合图；
36.图10为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片荧光红移现象研究图；
37.图11中1-2为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片在不同功率激光照射下的光热效率图，其中，图11-1为荧光碳纳米片的光热效率，图11-2为荧光碳纳米片与水对比的光热效率；
38.图12为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片的荧光稳定性实验；
39.图13为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片负载dox的紫外吸收图；
40.图14为细胞衍生荧光碳纳米片体外药物释放dox曲线图；
41.图15中1-3为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片用于细胞荧光成像图，其中，图15-1为细胞明场，图15-2为荧光碳纳米片在细胞中荧光成像，图15-3明场与纳米片成像结合；
42.图16为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片与细胞孵育探究纳米片毒性图；
43.图17为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片体外光热治疗细胞存活率图；
44.图18为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片在活体实验中对照组与治疗组活体
小鼠对比；
45.图19为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片在活体实验中解剖小鼠后取出的肿瘤的对照组与治疗组肿瘤大小对比；
46.图20为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片对小鼠肿瘤部位注射后21天内小鼠体重变化图；
47.图21为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片对小鼠肿瘤部位注射后21天内肿瘤体积变化图；
48.图22为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片对小鼠肿瘤部位注射后进行光热治疗抑瘤率对比图；
49.图23为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片活体动物组织切片分析图，从左到右依次为小鼠组织心、肝、脾、肺、肾切片分析；
50.图24为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片对小鼠的肿瘤tunel与肿瘤h&e图，其中，小鼠肿瘤tunel(上)与肿瘤h&e(下)，从左到右依次为control组，nanosheet组及nanosheet laser组；
51.图25为本发明制备的细胞衍生荧光碳纳米片对活体动物肿瘤荧光成像图。
具体实施方式
52.以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
53.下述实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂家建议的条件。
54.实施例1
55.(1)将dmem培养基中培养的对数阶段生长的贴壁hela肿瘤细胞吸去培养基，用pbs(ph7.2)清洗三次后加入胰蛋白酶-edta静置5min，显微镜下观察细胞慢慢变圆解除贴壁状态后加入与胰蛋白酶-edta等量的dmem培养基充分混匀，混匀后1000rpm离心5分钟，去除上清液后沉淀与去离子水按质量比1：5混合均匀。
56.(2)将上述溶液转移到反应釜中后，放入高温烘箱中，在180℃下反应22h，停止反应，待反应釜缓慢冷却到室温，从反应釜中取出溶液进行抽滤，去除滤渣，得到荧光碳纳米片水溶液。
57.(3)将步骤(2)得到的荧光碳纳米片水溶液冷冻干燥得到固体粉末细胞衍生荧光碳纳米片。
58.实施例2
59.(1)将培养基中培养的对数阶段生长的贴壁mcf-7肿瘤细胞吸去培养基，用pbs(ph7.2)清洗三次后加入胰蛋白酶-edta静置5min，显微镜下观察细胞慢慢变圆解除贴壁状态后加入与胰蛋白酶-edta等量的dmem培养基充分混匀，混匀后1000rpm离心5分钟，去除上清液后沉淀与去离子水按质量比1：10均匀。
60.(2)将上述溶液转移到反应釜中后，放入高温烘箱中，在160℃下反应24h，停止反应，待反应釜缓慢冷却到室温，从反应釜中取出溶液进行抽滤，去除滤渣，得到荧光碳纳米片水溶液。
61.(3)将步骤(2)得到的荧光碳纳米片水溶液冷冻干燥得到固体粉末细胞衍生荧光
碳纳米片。
62.实施例3
63.(1)将培养基中培养的对数阶段生长的贴壁hepg2肿瘤细胞吸去培养基，用pbs(ph7.2)清洗三次后加入胰蛋白酶-edta静置5min，显微镜下观察细胞慢慢变圆解除贴壁状态后加入与胰蛋白酶-edta等量的dmem培养基充分混匀，混匀后1000rpm离心5分钟，去除上清液后沉淀与去离子水按质量比1：10均匀。
64.(2)将上述溶液转移到反应釜中后，放入高温烘箱中，在200℃下反应20h，停止反应，待反应釜缓慢冷却到室温，从反应釜中取出溶液进行抽滤，去除滤渣，得到荧光碳纳米片水溶液。
65.(3)将步骤(2)得到的荧光碳纳米片水溶液冷冻干燥得到固体粉末细胞衍生荧光碳纳米片。
66.实施例4
67.对本发明实施例1制备的荧光碳纳米片进行测试，包括荧光、紫外吸收、afm、xrd、xps、tem、hr-tem、红外等等。
68.图1表明反应前后细胞衍生荧光碳纳米片的照片。采用实施例1的方法，水热反应后的细胞衍生荧光碳纳米片溶液颜色明显加深呈现暗黄色，说明经过加热之后发生了反应，左边是反应前(即实施例1的步骤1的混合溶液)，右边是反应后。图2为实施例1中制备的细胞衍生荧光碳纳米片水溶液在日光和365nm紫外光激发下获得的荧光对比图，可以发现在紫外灯照射下具有非常强的荧光。图3为荧光碳纳米片的紫外吸收图谱，从图3中可知，实施例1制备的细胞衍生荧光碳纳米片水溶液在220nm处具有强的吸收峰。图4为细胞衍生荧光碳纳米片的荧光图谱，从图4中可知，实施例1制备细胞衍生荧光碳纳米片溶液在波长为460nm有强荧光发射峰。图5为细胞衍生荧光碳纳米片的xrd粉末衍射图谱，由图5可知，实施例1最后制备的荧光碳纳米片具有无定形晶型。图6为细胞衍生荧光碳纳米片的tem图谱，实施例1最终制备的纳米片尺寸在100-120nm。图7为细胞衍生荧光碳纳米片的afm图谱，实施例1最终制备的纳米片厚度在4nm左右。图8为细胞衍生荧光碳纳米片的红外图谱，图8中分别标明了各自的特征峰，表明了荧光碳纳米片上存在的官能团。图9为细胞衍生荧光碳纳米片的xps图谱，图谱同样表明实施例1制备的细胞衍生荧光碳纳米片主要含有c、o元素，同时掺杂有n、p元素。
69.图10为实施例1制备的细胞衍生荧光碳纳米片荧光检测的方法用不同激发光(318nm-488nm)下的发射荧光光谱，随激发光波长的增加，纳米片最大发射峰出现红移，表现出较强的激发波长依赖性。
70.图11为实施例1制备的细胞衍生荧光碳纳米片水溶液通过不同功率的808nm激发光照射后记录不同时间下的溶液的温度，表明该材料在不同功率密度激光照射下的升温情况，说明荧光碳纳米片有显著的光热效果。
71.图12为实施例1制备的细胞衍生荧光碳纳米片经过荧光检测的方法检测纳米盘溶液经过不同时间的荧光变化图，可知，在210min后，荧光强度衰减幅度不大，说明荧光碳纳米片具有很好的荧光稳定性。
72.图13为实施例1制备的细胞衍生荧光碳纳米片重新分散在水中形成水溶液(2mg/ml)与dox水溶液(2mg/ml)按1：2的体积比混合，在室温下搅拌24h后，离心后除去上清液得
到ns/dox沉淀，去离子水溶解后测得其紫外吸收，ns/dox曲线在500nm处有dox特征峰，说明纳米片已经成功负载dox。
73.图14为已负载上dox的纳米片分别在ph为5.0、6.5、7.4下的pbs溶液中的释放情况，ns/dox溶解在pbs中在摇床中振荡不同时间离心后测上清液的荧光强度，曲线情况说明在相同时间情况下ph为5.0的pbs溶液中dox释放效果最好。
74.实施例5
75.预先在共聚焦皿中铺好hela细胞(密度约1
×
105个)，在37℃含5％co2培养箱中培养过夜，即取实施例1冻干后的纳米片粉末与去离子水溶解成纳米片水溶液，与500μl培养基混匀，使得培养基中加入纳米片的最终浓度为100μg/ml，在与细胞37℃共同孵育6h后，吸去上清液，用pbs清洗细胞3次后加入1ml pbs进行荧光共聚焦成像。图15-1为细胞明场图，图15-2为细胞衍生荧光碳纳米片在细胞内的荧光成像图，15-3为明场与荧光结合图，说明材料可以透过细胞膜进入细胞，进而在细胞内成像。
76.实施例6
77.将hela细胞在96孔板中过夜培养，每孔细胞密度约为1
×
104个，将施例1制备的细胞衍生荧光碳纳米片(细胞衍生荧光碳纳米片分散在去离子水中配制不同的浓度)按终浓度为0-1000μg/ml与hela细胞37℃共同孵育24小时和48小时后用mtt法检测细胞毒性，从图16可知荧光碳纳米片基本没有细胞毒性。
78.将终浓度0-1000μg/ml的实施例1制备的细胞衍生荧光碳纳米片与hela细胞共同孵育24小时和48小时后，1w/cm2，808nm激光照射5min，图17为荧光碳纳米片对细胞的光热毒性，由图17可知，纳米片对细胞的光热毒性随浓度升高而增大。
79.实施例7
80.首先选用小鼠均为balb/c nude小鼠，将小鼠分为3组，每组4只，3组分别为control组(pbs组)，nanosheet(实施例1制备细胞衍生荧光碳纳米片)组及nanosheet laser(实施例1制备细胞衍生荧光碳纳米片 激光)组，将悬浮在20μl pbs中的约1
×
106个hela细胞通过皮下注射到小鼠右腋窝，待肿瘤长成体积200-400mm3，分别对nanosheet组及nanosheet laser组瘤内注射浓度为1mg/ml，10μl荧光碳纳米片水溶液，control组(pbs组)注射等量的pbs，对于nanosheet laser组，在注射完材料后用1w/cm2，808nm激光对肿瘤部位照射5min(每照射5s，停止5s，共持续5min)。对于所有组，每隔两天记录一次肿瘤体积，每隔三天记录一次小鼠体重，共21天，之后解剖小鼠，取出实体瘤进行肿瘤大小对比，分别取出心、肝、脾、肺、肾进行切片分析，并对肿瘤进行tunel与h&e分析。
81.图18为pbs组、nanosheet组与nanosheet laser组活体小鼠对比，治疗组(nanosheet laser组)的肿瘤大小明显小于另外两组，说明细胞衍生荧光碳纳米片在激光照射条件下对小鼠肿瘤有明显的治疗效果，ptt效果明显。
82.图19为解剖小鼠后三组肿瘤大小对比，nanosheet laser组肿瘤大小明显小于control组(pbs组)与nanosheet组，甚至消失，说明细胞衍生荧光碳纳米片在激光照射下对小鼠肿瘤有明显的治疗效果。
83.图20为小鼠体重变化图，21天内所有小鼠体重变化不明显，说明细胞衍生荧光碳纳米片对小鼠无副作用。
84.图21为小鼠21天肿瘤体积变化，nanosheet laser组小鼠肿瘤大小几乎不发生改
变，甚至消失，而另两组小鼠肿瘤大小明显增加，说明细胞衍生荧光碳纳米片对小鼠肿瘤区域的光热治疗效果显著。
85.实施例8
86.将实施例7中的小鼠解剖后取出肿瘤块，分别记录每只小鼠肿瘤的重量，将nanosheet组及nanosheet laser组分别与control组(pbs组)作对比，分别计算出抑瘤率。图22为肿瘤光热治疗抑瘤率对比，说明细胞衍生荧光碳纳米片对小鼠肿瘤区域的光热治疗效果突出。
87.实施例9
88.h&e染色：解剖实施例7中处理后的小鼠，取下心、肝、脾、肺、肾、肿瘤等组织块投入预先配好的固定液中(10％福尔马林)，固定成功后需要修剪成25px
×
25px
×
5px，放入包埋盒中，流水冲洗(去除组织中的固定液)30min。用由低浓度到高浓度酒精作脱水剂，逐渐脱去组织块中的水份。再将组织块置于既溶于酒精，又溶于石蜡的透明剂二甲苯中透明，以二甲苯替换出组织块的中酒精。将已透明的组织块置于已溶化的石蜡中，放入溶蜡箱保温。待石蜡完全浸入组织块后进行包埋，冷却凝固成块即成。包埋好的组织块变硬后在切片机上切成很薄的切片(5-8μm)。切下的薄片放到热水中烫平，再贴到载玻片上，放45℃恒温箱中烘干。染色前，用二甲苯脱去切片中的石蜡，再经由高浓度到低浓度酒精，将放入蒸馏水后放入苏木精水溶液中染色数分钟，后放入酸水及氨水中分色，各数秒钟，流水冲洗1小时后入蒸馏水片刻，加入入70％和90％酒精中脱水各10min。最后加入酒精伊红染色液染色2-3分钟。染色后的切片经纯酒精脱水，再经二甲苯使切片透明。将已透明的切片滴上树胶，盖上盖玻片封固。待树胶略干后，贴上标笺，切片标本就可在显微镜下观察。
89.tunel染色：将每个样本加入100μl tunel equilibration buffer，室温孵育5min。预先配制tunel反应混合液：每50μl tunel reaction buffer中加入1μl tdt酶。弃去tunel equilibration buffer，每个样本加入50μl tunel反应混合液。用盖玻片使缓冲液均匀覆盖样本。将样本平放于湿盒内，37℃恒温箱孵育2h(湿盒底部铺一张含少量水的纸巾保持湿度)，而后去掉反应液，在1
×
pbs的染色缸中浸泡润洗2次，每次5min。再使用适量配制于pbs中的0.1％triton x-100，其中含5mg/ml bsa的缓冲液清洗样本3次，每次5min，以降低背景，用荧光显微镜或流式细胞仪观察。
90.图23为小鼠组织切片分析，分别是心、肝、脾、肺、肾(从左到右)的组织切片，上下分别为control组(pbs组)与治疗组(nanosheet laser组)的对比，表明本发明实施例1制备的细胞衍生荧光碳纳米片未对小鼠的心、肝、脾、肺、肾有影响。
91.图24为小鼠的肿瘤tunel与肿瘤h&e图，表明nanosheet laser组对肿瘤的抑制效果明显。
92.图25为细胞衍生荧光碳纳米片对活体小鼠的肿瘤成像，由于纳米片的荧光特性，可通过ivis动物成像仪对小鼠肿瘤部位进行荧光成像。