一种聚乙二醇修饰的钆螯合氧化钨复合材料的制备及应用

1.本发明属于材料制领域，具体涉及一种聚乙二醇修饰的钆螯合氧化钨复合材料的制备及其应用。


背景技术：

2.光热治疗作为新兴的治疗手段具有诸多的优势，通过特定波长激光照射生物体内光热转化剂积聚部位从而产生显著的热效应，可以快速有效的杀死大量癌细胞。热转换剂中的无机材料包含贵金属纳米材料、碳纳米材料、半导体纳米材料和其他二维材料。半导体材料具有制备成本低、细胞毒性低、可以吸收光子通过非辐射衰减而转换为热能的优势。纳米氧化钨材料作为一种半导体光热转换剂具有优异的近红外光吸收能力和高效的光热转换能力而受到广泛的关注。
3.作为氧化钨的经典实例，三氧化钨(wo
x≤3
)晶格缺陷使其晶格中存在相当数量的氧空位，可形成w
6
、w
5
和w
4
三种价态。由于wo
x≤3
的材料具有异常的氧缺陷结构和局部表面等离子体共振(lspr)效应，使其可在近红外光谱区域有很强的光吸收能力。据现有研究发现可以使用peg包覆纳米载体，提高纳米载体亲水性和和生物相容性。肿瘤组织部位的血管丰富，管壁的间隙较宽、组织结构完整性较差、淋巴回流缺失，这会造成大分子类物质和脂质粒子具有epr效应。这种效应使得纳米载体有选择性的积聚在肿瘤组织部位，进而提高药物的有效利用率。ct成像是最为常见的生物成像技术之一。目前，ct造影剂主要为碘基造影剂，碘元素原子序数小，使用时需加大注射计量才能达到理想的成像效果。w元素原子序数是74，且处于氧化态的非化学计量比的氧化钨具有良好的稳定性，是非常有潜力的ct造影剂。
4.wo
3-x
@peg-gd是很有潜力的可视化光热转化剂，因此通过探讨w:gd对样品形貌、生物相容性、ct成像性能和光热转换性能的影响开发出wo
3-x
@peg-gd的良好生物相容性、ct成像功能和优异的体外光热转换能力性能是有必要的。


技术实现要素：

5.本发明是通过探讨w:gd对样品形貌、生物相容性、ct成像性能和光热转换性能的影响，并对其机理进行研究，挖掘wo
3-x
@peg-gd纳米复合材料作为可视化光热转换剂的良好潜力。
6.本发明涉及一种聚乙二醇修饰的钆螯合氧化钨复合材料的制备方法，包括以下步骤：一、称取0.4g的氯化钨，根据w:gd＝15:1，20:1，25:1，30:1分别称取0.03548g，0.0267g，0.0212g，0.01774g的六水硝酸钆；二、将上述混合物溶解于70ml的正丙醇和10ml的peg-400中，磁力搅拌约30min。然后将混合溶液转移至聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中并密封。反应釜放入烘箱中保温温度200℃，保温时间24h，反应完成随炉冷却至室温；
三、取出反应后的产物以8000rpm离心，并用去离子水和无水乙醇各洗涤3次。离心沉淀物置于真空干燥箱中在60℃下干燥8h，得到蓝色固体。
7.本发明的有益效果：(1)本发明采用氯化钨为钨源，六水硝酸钆作为钆源，正丙醇为溶剂，peg-400为表面修饰剂，通过一步溶剂热法制备出类球形、纳米线和不规则形貌的wo
3-x
@peg-gd。(2)红外光谱图表明wo
3-x
基体表面包覆peg。浓度为100mg/ml时样品具有良好的生物体外成像能力。在808nm激光照射下wo
3-x
@peg-gd纳米复合材料展现出优异的体外热转换性能。与lo2人体肝细胞共培养24h后，细胞的存活率均在90％以上具有良好的生物相容性。
附图说明
8.图1为不同掺杂w:gd值的wo
3-x
@peg-gd纳米复合材料的xrd图谱；
9.图2是不同w:gd值的wo
3-x
@peg-gd纳米复合材料sem图。
10.图3-a,b是w:gd＝15:1的wo
3-x
@peg-gd纳米粒子的sem-eds分层图和sem图，测定元素选取不同颜色显示。图3-c是w元素的分布图。w元素的聚集分布区域与图3-b中wo
3-x
@peg-gd纳米粒子的位置相一致。图3-d是gd元素分布图。
11.图4是wo
3-x
@peg-gd和w
18o49
的红外光谱图。
12.图5是wo
3-x
@peg-gd和w
18o49
的光热转换图。
13.图6是不同浓度下wo
3-x
@peg-gd和w
18o49
的水溶液的ct成像图。
14.图7是不同浓度的wo
3-x
@peg-gd和w
18o49
与lo2细胞共培养24h后的mtt图。
具体实施方式
15.本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
16.具体实施方式一：本发明涉及一种聚乙二醇修饰的钆螯合氧化钨复合材料的制备方法，包括以下步骤：一、称取0.4g的氯化钨，根据w:gd＝15:1，20:1，25:1，30:1称取六水硝酸钆；二、将步骤一称取的样品混合溶解于70ml正丙醇和10ml的peg-400中，磁力搅拌20～30分钟。然后将混合溶液转移至聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中并密封。反应釜放入烘箱中保温温度200℃，保温时间24小时，反应完成随炉冷却至室温；三、取出反应后的产物以8000rpm离心，并用去离子水和无水乙醇各洗涤3次。离心沉淀物置于真空干燥箱中在60℃下干燥8小时，得到蓝色固体
17.具体实施方案二：本实施方式与具体实施方式不同的是：步骤一中称取六水硝酸钆0.03548g，其他与具体实施方式一相同。
18.具体实施方案三：本实施方式与具体实施方式不同的是：步骤一中称取六水硝酸钆0.0267g，其他与具体实施方式一相同。
19.具体实施方案四：本实施方式与具体实施方式不同的是：步骤一中称取六水硝酸钆0.0212g，其他与具体实施方式一相同。
20.具体实施方案五：本实施方式与具体实施方式不同的是：步骤一中称取六水硝酸钆0.01774g，其他与具体实施方式一相同。
下面对本发明的实施作详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
21.实施例1：本实施聚乙二醇修饰的钆螯合氧化钨复合材料的制备方法，包括以下步骤：根据w:gd＝15:1称取0.4g的氯化钨和0.03548g的六水硝酸钆混合溶解于70ml的正丙醇和10ml的peg-400中，磁力搅拌约30min。然后将混合溶液转移至聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中并密封。反应釜放入烘箱中保温温度200℃，保温时间24h，反应完成随炉冷却至室温。取出反应后的产物以8000rpm离心，并用去离子水和无水乙醇各洗涤3次。离心沉淀物置于真空干燥箱中在60℃下干燥8h，得到蓝色固体聚乙二醇包覆的钆掺杂氧化钨。
22.实施例2：本实施聚乙二醇修饰的钆螯合氧化钨复合材料的制备方法，包括以下步骤：根据w:gd＝20:1称取0.4g的氯化钨和0.0267g的六水硝酸钆混合溶解于70ml的正丙醇和10ml的peg-400中，磁力搅拌约30min。然后将混合溶液转移至聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中并密封。反应釜放入烘箱中保温温度200℃，保温时间24h，反应完成随炉冷却至室温。取出反应后的产物以8000rpm离心，并用去离子水和无水乙醇各洗涤3次。离心沉淀物置于真空干燥箱中在60℃下干燥8h，得到蓝色固体聚乙二醇包覆的钆掺杂氧化钨。
23.实施例3：本实施聚乙二醇修饰的钆螯合氧化钨复合材料的制备方法，包括以下步骤：根据w:gd＝25:1称取0.4g的氯化钨和0.0212g的六水硝酸钆混合溶解于70ml的正丙醇和10ml的peg-400中，磁力搅拌约30min。然后将混合溶液转移至聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中并密封。反应釜放入烘箱中保温温度200℃，保温时间24h，反应完成随炉冷却至室温。取出反应后的产物以8000rpm离心，并用去离子水和无水乙醇各洗涤3次。离心沉淀物置于真空干燥箱中在60℃下干燥8h，得到蓝色固体聚乙二醇包覆的钆掺杂氧化钨。实施例4：本实施聚乙二醇修饰的钆螯合氧化钨复合材料的制备方法，包括以下步骤：根据w:gd＝30:1称取0.4g的氯化钨和0.01774g的六水硝酸钆混合溶解于70ml的正丙醇和10ml的peg-400中，磁力搅拌约30min。然后将混合溶液转移至聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中并密封。反应釜放入烘箱中保温温度200℃，保温时间24h，反应完成随炉冷却至室温。取出反应后的产物以8000rpm离心，并用去离子水和无水乙醇各洗涤3次。离心沉淀物置于真空干燥箱中在60℃下干燥8h，得到蓝色固体聚乙二醇修饰的钆螯合氧化钨。对以上实施例制备的样品进行以下检测和分析：(一)物相分析
24.图1是不同w:gd值的wo
3-x
@peg-gd纳米复合材料的xrd图谱。wo
3-x
@peg-gd的衍射主峰与w
18o49
标准pdf卡片(jcpds 71-2450)衍射峰位置基本吻合。wo
3-x
@peg-gd在2θ＝13.9
°
、28.1
°
、49.9
°
、55.5
°
、57.5
°
、63.4
°
和72.4
°
处衍射峰位置相对于wo3标准pdf卡片(jcpds 33-1387)的衍射峰位置向小角度偏移，是部分gd
3
进入wo3内导致晶格微膨胀，晶面间距增大[18]。在2θ＝27.8
°
处可以明显观察到衍射峰强度随着gd
3
离子的掺入浓度增大而减小，表明引入gd
3
使wo
3-x
的结晶度下降。以上表明为wo
3-x
@peg-gd是六方相wo3和单斜相w
18o49
共存的纳米复合材料。(二)形貌分析
[0025]
图2是不同w:gd值的wo
3-x
@peg-gd纳米复合材料sem图。图2-a中球形wo
3-x
@peg-gd纳米粒子直径在1μm左右，还存在少量纳米颗粒聚集体和纳米线。球形纳米粒子的分散性较
好，粒子尺寸均一。图2-b是图2-a的局部放大图，纳米粒子表面存在大量凸起，整体是较为完美的球形。图2-c中的wo
3-x
@peg-gd直径在740nm左右，比图2-a中纳米球直径减少，纳米线数量增多。可以发现存在不规则纳米块聚集体，部分不规则纳米块具有明显的生长方向性(红圈部分)。图2-d,e中wo
3-x
@peg-gd主要为纳米球形并存在团聚现象，周围有少量纳米线。图2-f中w
18o49
为梭形。表明加入peg-400和gd(no3)3·
6h2o后改变了纳米粒子的形貌，改变w:gd值对纳米粒子形貌影响较小。图3-a,b是w:gd＝15:1的wo
3-x
@peg-gd纳米粒子的sem-eds分层图和sem图，测定元素选取不同颜色显示。图3-c是w元素的分布图。w元素的聚集分布区域与图3-b中wo
3-x
@peg-gd纳米粒子的位置相一致。图3-d是gd元素分布图。图中gd元素的分布聚集区域与图3-b中纳米粒子位置相吻合，但是其他区域存在较多的gd这很可能是吸附在基体wo
3-x
表面的gd
3
脱落导致的。(三)红外光谱分析
[0026]
图4是wo
3-x
@peg-gd和w
18o49
的红外光谱图。图中在2923cm-1
和2854cm-1
处的吸收峰是因c-h伸缩振动，而纯w
18o49
并不具有这两个吸收峰。wo
3-x
@peg-gd在1071cm-1
处存在c-h变形振动的吸收峰，以上说明基体表面负载有peg。图中653cm-1
、735cm-1
和881cm-1
的主要吸收峰是w-o拉伸和w-o-w桥接拉伸模式导致的。与文献有轻微偏差，这可能是由于引入gd
3
的结果。(四)光热转换性能分析
[0027]
图5是wo
3-x
@peg-gd和w18o49的光热转换图。w
18o49
水溶液在808nm激光照射下，用测温枪每隔1min测试溶液温度并记录测试数据，测试功率为0.85w/cm2，测试时室温约为23℃，在2分钟时温度就可以达到53.8℃。不同w:gd的样品溶液的温度差别较小，其中w:gd＝20:1的样品在激光照射4分钟后升温高于其他样品，说明gd
3
的掺入量对光热性能影响较小。最终10分钟照射后溶液温度可达66.4℃以上，wo
3-x
@peg-gd表现出优异的光热转换性能。采用纯水作为对照组，经过10分钟后水的温度变化范围在21.2-22.6℃。这表明，样品溶液温度的升高几乎全部由wo
3-x
@peg-gd的光热转换提供热量。(五)ct成像性能分析
[0028]
测试时温度为19-23℃。取不同浓度w
18o49
纳米粒子和wo
3-x
@peg-gd纳米粒子的水溶液分别置于2ml离心管中，后放入成像仪器中进行测试，图6是不同浓度下wo
3-x
@peg-gd和w
18o49
的水溶液的ct成像图。图中相同浓度两种样品的水溶液的ct成像亮度差异小。随着样品浓度从1mg/ml增加至100mg/ml时ct成像亮度明显提升。w:gd＝15:1的溶液样品底部(红圈区域)有较高的ct成像亮度，上层溶液区域的ct成像亮度明显下降。加入不同种类peg制备的wo
3-x
@peg-gd纳米复合材料的ct成像亮度几乎没有变化，说明加入peg并不影响wo
3-x
@peg-gd纳米复合材料的ct成像能力，影响成像能力的主要因素是样品的浓度。(六)生物相容性分析
[0029]
首先从培养箱中取出lo2人体肝细胞并观察生长情况和细胞密度。当细胞密度大于80％时为最佳生长状态。而后用pbs清洗细胞，使用1ml的胰酶消化细胞。待消化完成后加入一定量的培养液并用移液器吹打贴壁细胞。最终控制悬浮于培养基中的细胞密度在105/ml。使用75％的酒精对96孔板进行消毒，抽取100μl细胞悬浮液加入到96孔板里，co2培养箱中培养过夜使细胞贴壁。而后小心的向孔中加入含不同浓度(10，20，50，100和200μg/ml)w18o49
纳米粒子或wo
3-x
@peg-gd的培养基溶液，在37℃，5％的co2环境下再培养24h。配制5mg/ml的mtt培养基原液，并在装有不同浓度样品的孔板中分别加入20μl的mtt原液。孔板用铝箔遮盖避免光直接照射，37℃温度下培养4h。每孔加入100μl的dmso取代原培养基。在10min后，采用酶标仪(therom multiskan mk3)读取数据，检测时波长为570nm。
[0030]
图7是不同浓度的wo
3-x
@peg-gd和w18o49与lo2细胞共培养24h后的mtt图。lo2细胞与不同浓度wo
3-x
@peg-gd共培养后细胞的存活率在92.48％以上。与不同浓度w
18o49
共培养后细胞存活率在93.40％以上。这表明，经过peg-400修饰后wo
3-x
基纳米复合材料具有良好的生物相容性。作为对照组未添加样品的细胞存活率在97％以上。加入样品后lo2细胞的生存率有所下降，这可能是样品中部分gd
3
脱离wo
3-x
基体，从而产生一定的生物毒性。但总体上wo
3-x
@peg-gd纳米复合材料仍具有优异的生物相容性，在体内光热治疗中具有很好的应用潜力。
[0031]
综上，wo
3-x
@peg-gd纳米复合材料具有良好的生物相容性、ct成像功能和优异的体外光热转换能力，是很有潜力的可视化光热转换剂。