一种磁性石墨烯纳米囊及其制备方法与应用

1.本发明涉及纳米材料的生物医学运用技术领域，尤其涉及一种磁性石墨烯纳米囊及其制备方法与应用。


背景技术：

2.热疗作为一种肿瘤治疗手段，通过改变细胞环境温度，使温度范围维持在42℃到47℃之间，从而诱导癌细胞凋亡，已取得了良好的临床治疗效果，目前广泛应用于治疗乳腺癌、膀胱癌、头颈癌、黑色素瘤和直肠癌等。但胃部相较于其他器官，有其独特的生理特性：1、它深埋于人的腹腔，常规手段难以作用于深层组织；2、胃腔内含有丰富的消化酶和强腐蚀性胃酸，极大限制了常规产热试剂的应用。目前传统的热疗方法如灌注热水、射频、微波、高强度聚焦超声和光热转换等，都难以大规模地从内而外地对胃部进行热疗。磁热疗是一种创伤性极小的热疗手段，它没有穿透深度的限制，使其成为胃部热疗的一种有竞争力的方法。其发热原理是利用超顺磁性纳米颗粒在交变磁场中的弛豫现象，完成磁能向热能的转化。磁热疗在生物医学领域一般使用氧化铁纳米颗粒(化学式为fe3o4)，其用于胃部磁热疗的挑战是：1、磁热转换效率低，其比损耗功率(slp)难以突破100w/g；2、现常用的氧化铁纳米颗粒在酸性条件下不稳定，从而无法达到指定的治疗温度并且可能产生潜在生物毒性。因此，开发能在胃内稳定提供高效热疗效果的磁热疗技术具有重要的科学意义与实际应用价值。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种磁性石墨烯纳米囊及其制备方法与应用，以解决现有磁热疗所用氧化铁纳米颗粒存在的磁热转换效率低，同时在胃腔内不能稳定存在，无法达到指定的治疗温度并且可能产生潜在生物毒性的问题。
4.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.本发明提供了一种磁性石墨烯纳米囊的制备方法，包括如下步骤：
6.(1)将磁性金属盐溶液和气相二氧化硅溶液混合后进行蒸发，之后顺次进行热处理和原位生长得到催化剂；
7.(2)将催化剂与氢氟酸溶液混合进行刻蚀，得到磁性石墨烯纳米囊。
8.作为优选，所述步骤(1)中，磁性金属盐为氯化铁、硝酸铁、氯化钴、硝酸钴、氯化镍或硝酸镍；磁性金属盐溶液的溶剂为甲醇；磁性金属盐和甲醇的摩尔体积比为0.0036mol：10～20ml。
9.作为优选，所述步骤(1)中，气相二氧化硅的粒径为200～500nm；气相二氧化硅和甲醇超声混合，得到气相二氧化硅溶液；气相二氧化硅和甲醇的质量体积比为1～2g：200～500ml；超声混合的频率为40～50khz，超声混合的时间为30～60min。
10.作为优选，所述磁性金属盐溶液和气相二氧化硅溶液中的甲醇的纯度独立的为≥99.8％。
11.作为优选，所述步骤(1)中，蒸发的温度为50～60℃，蒸发的转速为80～100r/min。
12.作为优选，所述步骤(1)中，热处理在还原气体的条件下进行，还原气体的流量为50～100cfm；热处理的温度为810～900℃，热处理的时间为20～30min，升温至热处理温度的升温速率为10～20℃/min；原位生长在甲烷的气氛下进行，甲烷的通入流量为200～300cfm，原位生长的温度为810～900℃，原位生长的时间为5～10min。
13.作为优选，所述步骤(1)中，进行热处理前，对蒸发所得产物进行研磨。
14.作为优选，步骤(1)所述磁性金属盐和步骤(2)中所述氢氟酸溶液的摩尔体积比为0.0012mol：8～15ml；所述氢氟酸溶液为氢氟酸的水溶液，氢氟酸溶液的体积浓度为10～20％。
15.本发明还提供了所述磁性石墨烯纳米囊的制备方法制备得到的磁性石墨烯纳米囊。
16.本发明还提供了所述磁性石墨烯纳米囊在磁热疗中的应用。
17.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
18.(1)本发明通过化学气相沉积法原位生长内核为磁性金属，壳层为石墨烯的磁性石墨烯纳米囊，相较于传统磁性金属氧化物，产热能力和耐酸能力显著增强，能够在胃内提供稳定的热疗条件；
19.(2)本发明原料为金属氯化盐和硝酸盐等廉价易得的原材料，合成条件简单，适合大批量生产；
20.(3)本发明所得磁性石墨烯纳米囊通过口服进入指定部位，这样的给药方式可以避免纳米颗粒进入血液后在肝脏富集会产生副作用等问题，并且使绝大部分磁热试剂富集在胃部，从而可以降低磁热试剂的使用剂量，规避纳米粒子进入人体循环后所产生的潜在毒性。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
22.图1为本发明实施例1、3和5所得磁性石墨烯纳米囊的表面形貌的扫描投射电子显微镜图像，其中，a为实施例1所得fe@g磁性石墨烯纳米囊，b为实施例3所得co@g磁性石墨烯纳米囊，c为实施例5所得ni@g磁性石墨烯纳米囊；
23.图2为本发明实施例1、3和5所得磁性石墨烯纳米囊的元素分布图像和能量色散图谱，其中，a为实施例1、3和5所得磁性石墨烯纳米囊的元素分布图像，b为实施例1、3和5所得磁性石墨烯纳米囊的能量色散图谱；
24.图3为本发明实施例1、3和5所得磁性石墨烯纳米囊的磁滞回线测试曲线；
25.图4为本发明实施例1、3和5所得磁性石墨烯纳米囊在磁场强度为20ka/m、频率为340khz的交变磁场下的产热速率图像和slp值，其中，a对应实施例1所得磁性石墨烯纳米囊，b对应实施例3所得磁性石墨烯纳米囊，c对应实施例5所得磁性石墨烯纳米囊；
26.图5为本发明实施例1所得磁性石墨烯纳米囊灌胃前后小鼠胃部的mri-t2加权成
像图，其中，a为灌胃前小鼠胃部的mri-t2加权成像图，b为灌胃后小鼠胃部的mri-t2加权成像图；
27.图6为小鼠胃部h&e染色切片图，其中，a为未经磁热疗的小鼠胃部h&e染色切片图，b为经实施例1所得磁性石墨烯纳米囊进行磁热疗后小鼠胃部h&e染色切片图；
28.图7为四氧化三铁和本发明实施例1所得磁性石墨烯纳米囊在浓度为1m盐酸溶液中磁热升温情况对比图，其中，在图a、b和c中，右边为本发明实施例1所得磁性石墨烯纳米囊，左边为四氧化三铁；在图d中，左边为本发明实施例1所得磁性石墨烯纳米囊，右边为四氧化三铁；a为处于磁场10min后的热成像图，b为处于磁场20min后的热成像图，c为处于磁场30min后的热成像图，d为处于磁场30min后的明场图。
具体实施方式
29.本发明提供了一种磁性石墨烯纳米囊的制备方法，包括如下步骤：
30.(1)将磁性金属盐溶液和气相二氧化硅溶液混合后进行蒸发，之后顺次进行热处理和原位生长得到催化剂；
31.(2)将催化剂与氢氟酸溶液混合进行刻蚀，得到磁性石墨烯纳米囊。
32.在本发明中，所述步骤(1)中，磁性金属盐优选为氯化铁、硝酸铁、氯化钴、硝酸钴、氯化镍或硝酸镍，进一步优选为硝酸铁、氯化钴或硝酸镍；磁性金属盐溶液的溶剂优选为甲醇；磁性金属盐和甲醇的摩尔体积比优选为0.0036mol：10～20ml，进一步优选为0.0036mol：12～15ml。
33.在本发明中，所述步骤(1)中，气相二氧化硅的粒径优选为200～500nm，进一步优选为250～400nm；气相二氧化硅和甲醇超声混合，得到气相二氧化硅溶液；气相二氧化硅和甲醇的质量体积比优选为1～2g：200～500ml，进一步优选为1.2～1.6g：300～400ml；超声混合的频率优选为40～50khz，进一步优选为42～45khz；超声混合的时间优选为30～60min，进一步优选为40～50min。
34.在本发明中，所述磁性金属盐溶液和气相二氧化硅溶液中的甲醇的纯度独立的优选为≥99.8％，进一步优选为≥99.9％。
35.在本发明中，所述步骤(1)中，蒸发的温度优选为50～60℃，进一步优选为55～58℃；蒸发的转速优选为80～100r/min，进一步优选为85～95r/min；
36.所述蒸发在旋转蒸发仪上进行，蒸发过程中的加热方式为水浴加热。
37.在本发明中，所述步骤(1)中，热处理在还原气体的条件下进行；还原气体优选为氢气；还原气体的流量优选为50～100cfm，进一步优选为60～90cfm；热处理的温度优选为810～900℃，进一步优选为820～880℃；热处理的时间优选为20～30min，进一步优选为25～28min；升温至热处理温度的升温速率优选为10～20℃/min，进一步优选为12～18℃/min；原位生长在甲烷的气氛下进行，甲烷的通入流量优选为200～300cfm，进一步优选为220～260cfm；原位生长的温度优选为810～900℃，进一步优选为850～880℃；原位生长的时间优选为5～10min，进一步优选为6～8min。
38.在本发明中，所述步骤(1)中，进行热处理前，对蒸发所得产物进行研磨；研磨所得产物的粒径优选为10～100μm，进一步优选为20～70μm。
39.在本发明中，所述步骤(1)中，得到催化剂前，对原位生长所得产物进行冷却处理，
冷却的速率优选为20～50℃/min，进一步优选为30～40℃/min。
40.在本发明中，步骤(1)所述磁性金属盐和步骤(2)中所述氢氟酸溶液的摩尔体积比优选为0.0012mol：8～15ml，进一步优选为0.0012mol：9～12ml；所述氢氟酸溶液为氢氟酸的水溶液，氢氟酸溶液的体积浓度优选为10～20％，进一步优选为11～15％。
41.在本发明中，所述步骤(2)中，刻蚀的时间优选为10～14h，进一步优选为11～13h。
42.在本发明中，所述步骤(2)中，氢氟酸溶液的作用为刻蚀气相二氧化硅。
43.在本发明中，所述步骤(2)中，刻蚀结束后，对刻蚀所得产物磁吸回收磁性粉体，将磁性粉体洗涤至中性，再经磁吸回收得到磁性石墨烯纳米囊。
44.本发明通过化学气相沉积法实现磁性石墨纳米囊的制备，以磁性金属盐(铁、钴、镍的氯化盐或硝酸盐)为原料，在管式炉中利用氢气的还原性，形成磁性金属纳米粒子，磁性金属纳米粒子相较于磁性金属氧化物具有更高饱和磁化强度，而饱和磁化强度与slp值成正比关系，所以选择金属纳米粒子比金属氧化物磁热转换效率更好。另外，本发明通过原位生长致密的石墨烯层，形成核壳结构，将磁性金属纳米颗粒与外界腐蚀性酸与酶隔绝开，从而达到保护的目的。
45.本发明还提供了所述磁性石墨烯纳米囊的制备方法制备得到的磁性石墨烯纳米囊。
46.本发明还提供了所述磁性石墨烯纳米囊在磁热疗中的应用。
47.在本发明中，所述磁性石墨烯纳米囊在磁热疗中的应用包括如下步骤：
48.将磁性石墨烯纳米囊灌入胃囊中；将待治疗部分置于磁热线圈中，施加磁场。
49.在本发明中，所述磁性石墨烯纳米囊的灌入体积优选为胃囊容积的50～70％，进一步优选为55～66％；
50.所述磁性石墨烯纳米囊的灌入体积的确定是为了保证其足够充盈胃囊。
51.在本发明中，所述磁场的频率优选为280～370khz，进一步优选为300～350khz；磁场的强度优选为1300～1700a/m，进一步优选为1400～1600a/m；磁场的强度和频率的乘积优选为≤4.85
×
108a/m，进一步优选为≤4.84
×
108a/m；
52.所述磁场的强度和频率的乘积的确定可以避免产生涡流热，保证对生物组织的安全性。
53.在本发明中，所述施加磁场的时间优选为20～40min，进一步优选为25～35min。
54.下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
55.实施例1
56.fe@g磁性石墨烯纳米囊的制备：
57.将0.0036molfe(no3)3·
9h2o加入到10ml纯度为99.8％的甲醇中，溶解得硝酸铁的甲醇溶液。再取1g气相二氧化硅(粒径为250nm)加入到300ml纯度为99.8％的甲醇中，以45khz的频率超声分散30min，使得溶液中无沉淀，得气相二氧化硅甲醇溶液；后将硝酸铁的甲醇溶液加入气相二氧化硅甲醇溶液中混合，随后在50℃下，以80r/min的转速在旋转蒸发仪上蒸干甲醇溶剂，得到粉末。将所得粉末研磨至粒径为10μm后放入管式炉中，在流量为100cfm的氢气保护下，设置升温速率为20℃/min，由常温升温至860℃，保持20min后，通入流量为300cfm的甲烷进行原位生长10min，原位生长的温度为860℃，随后以20℃/min的降
温速率降温至室温，得到催化剂；将所得催化剂加入30ml体积浓度为20％氢氟酸的水溶液中刻蚀12h，反应完成后磁吸回收磁性粉体，用超纯水洗涤至中性，再经磁吸回收得到fe@g磁性石墨烯纳米囊。
58.本实施例所得fe@g磁性石墨烯纳米囊的性能测试结果如下：
59.对制备的fe@g磁性石墨烯纳米囊进行扫描投射电镜的表征，结果如图1a所示。由图1a可知，本发明所得fe@g磁性石墨烯纳米囊可以明显的金属晶格与外层的石墨烯层，说明所得fe@g磁性石墨烯纳米囊为核壳结构；进行元素eds分析，结果如图2所示。由图2可知，所得fe@g磁性石墨烯纳米囊的组成主要为铁元素，纯度高，未产生其它杂质。
60.对制备的fe@g磁性石墨烯纳米囊进行磁滞回线测试，结果如图3所示。由图3可知，本实施例所得fe@g磁性石墨烯纳米囊的饱和磁化强度为104emu/g。
61.用水稀释制备得到的fe@g磁性石墨烯纳米囊至浓度为5mg/ml，放置在交变磁场中(施加的磁场的强度为20ka/m、频率为340khz)，进行体外磁热升温测试，结果如图4所示。由图4可知，通过计算得到fe@g磁性石墨烯纳米囊的slp值为418.2w/g，说明所得fe@g磁性石墨烯纳米囊的磁热性能优异。
62.实施例2
63.本实施例与实施例1的区别为将fe(no3)3·
9h2o替换为fecl3·
6h2o，其它同实施例1。
64.实施例3
65.co@g磁性石墨烯纳米囊的制备：
66.将0.0036molco(no3)2·
6h2o加入到15ml纯度为99.9％的甲醇中，溶解得硝酸钴的甲醇溶液。再取1g气相二氧化硅(粒径为400nm)加入到350ml纯度为99.8％的甲醇中，以46khz的频率超声分散40min，使得溶液中无沉淀，得气相二氧化硅甲醇溶液；后将硝酸钴的甲醇溶液加入气相二氧化硅甲醇溶液中混合，随后在55℃下，以90r/min的转速在旋转蒸发仪上蒸干甲醇溶剂，得到粉末；将所得粉末研磨至粒径为50μm后放入管式炉中，在流量为80cfm的氢气保护下，设置升温速率为19℃/min，由常温升温至850℃，保持25min后，通入流量为250cfm的甲烷进行原位生长15min，原位生长的温度为850℃，随后以35℃/min的降温速率降温至室温，得到催化剂；将所得催化剂加入32ml体积浓度为18％氢氟酸的水溶液中刻蚀12h，反应完成后磁吸回收磁性粉体，用超纯水洗涤至中性，再经磁吸回收得到co@g磁性石墨烯纳米囊。
67.本实施例所得co@g磁性石墨烯纳米囊的性能测试结果如下：
68.对制备的co@g磁性石墨烯纳米囊进行扫描投射电镜的表征，结果如图1b所示。由图1b可知，本发明所得co@g磁性石墨烯纳米囊可以明显的金属晶格与外层的石墨烯层，说明所得co@g磁性石墨烯纳米囊为核壳结构；进行元素eds分析，结果如图2所示。由图2可知，所得co@g磁性石墨烯纳米囊的组成主要为钴元素，纯度高，未产生其它杂质。
69.对制备的co@g磁性石墨烯纳米囊进行磁滞回线测试，结果如图3所示。由图3可知，本实施例所得co@g磁性石墨烯纳米囊的饱和磁化强度为116emu/g。
70.用水稀释制备得到的co@g磁性石墨烯纳米囊至浓度为5mg/ml，放置在交变磁场中(施加的磁场的强度为20ka/m、频率为340khz)，进行体外磁热升温测试，结果如图4所示。由图4可知，通过计算得到co@g磁性石墨烯纳米囊的slp值为398.2w/g，说明所得co@g磁性石
墨烯纳米囊的磁热性能优异。
71.实施例4
72.本实施例与实施例3的区别为将co(no3)2·
6h2o替换为cocl2·
6h2o，其它同实施例3。
73.实施例5
74.ni@g磁性石墨烯纳米囊的制备：
75.将0.0036molni(no3)2·
6h2o加入到13ml纯度为99.8％的甲醇中，溶解得硝酸镍的甲醇溶液。再取1g气相二氧化硅(粒径为500nm)加入到360ml纯度为99.9％的甲醇中，以43khz的频率超声分散50min，使得溶液中无沉淀，得气相二氧化硅甲醇溶液；后将硝酸镍的甲醇溶液加入气相二氧化硅甲醇溶液中混合，随后在60℃下，以100r/min的转速在旋转蒸发仪上蒸干甲醇溶剂，得到粉末；将所得粉末研磨至粒径为80μm后放入管式炉中，在流量为90cfm的氢气保护下，设置升温速率为20℃/min，由常温升温至900℃，保持20min后，通入流量为300cfm的甲烷进行原位生长10min，原位生长的温度为900℃，随后以50℃/min的降温速率降温至室温，得到催化剂；将所得催化剂加入30ml体积浓度为15％氢氟酸的水溶液中刻蚀12h，反应完成后磁吸回收磁性粉体，用超纯水洗涤至中性，再经磁吸回收得到ni@g磁性石墨烯纳米囊。
76.本实施例所得ni@g磁性石墨烯纳米囊的性能测试结果如下：
77.对制备的ni@g磁性石墨烯纳米囊进行扫描投射电镜的表征，结果如图1c所示。由图1c可知，本发明所得ni@g磁性石墨烯纳米囊可以明显的金属晶格与外层的石墨烯层，说明所得ni@g磁性石墨烯纳米囊为核壳结构；进行元素eds分析，结果如图2所示。由图2可知，所得ni@g磁性石墨烯纳米囊的组成主要为镍元素，纯度高，未产生其它杂质。
78.对制备的ni@g磁性石墨烯纳米囊进行磁滞回线测试，结果如图3所示。由图3可知，本实施例所得ni@g磁性石墨烯纳米囊的饱和磁化强度为116emu/g。
79.用水稀释制备得到的ni@g磁性石墨烯纳米囊至浓度为5mg/ml，放置在交变磁场中(施加的磁场的强度为20ka/m、频率为340khz)，进行体外磁热升温测试，结果如图4所示。由图4可知，通过计算得到ni@g磁性石墨烯纳米囊的slp值为223.1w/g，说明所得ni@g磁性石墨烯纳米囊的磁热性能优异。
80.实施例6
81.本实施例与实施例5的区别为将ni(no3)2·
6h2o替换为nicl2·
6h2o，其它同实施例5。
82.对实施例1所得fe@g磁性石墨烯纳米囊进行性能测试，具体如下：
83.1、为验证磁性石墨烯纳米囊作为磁热试剂能通过口服的方式滞留在胃部，对实施例1所得fe@g磁性石墨烯纳米囊通过小鼠灌胃实验进行验证。该验证经湖南大学动物伦理委员会批准。
84.验证方法为：对balb/c小鼠进行灌胃操作(fe@g磁性石墨烯纳米囊的水溶液浓度为0.2mg/ml，灌胃体积为200ul/只)，通过核磁共振成像表征fe@g磁性石墨烯纳米囊的胃部滞留状态，结果如图5所示。
85.由图5可知，图5a为灌胃前小鼠成像图，红圈位置为胃部，此时胃部信号为亮信号。图5b为灌胃后20min小鼠成像图，红圈位置为胃部，此时胃部信号因为磁性石墨烯纳米囊的
存在变成暗信号。表明本发明所得磁性石墨烯纳米囊可以在胃内长时间滞留。
86.2、为验证磁性石墨烯纳米囊在胃部热疗的能力，对实施例1所得fe@g磁性石墨烯纳米囊通过小鼠胃部热疗实验进行验证。该实验经湖南大学动物伦理委员会批准。
87.验证方法为：对balb/c小鼠进行灌胃操作(fe@g磁性石墨烯纳米囊的水溶液浓度为0.2mg/ml，灌胃体积为200ul/只)，等fe@g磁性石墨烯纳米囊滞留在小鼠胃部后，将小鼠放入交变磁场中(施加的磁场强度为20ka/m、频率为340khz)，进行体内磁热升温测试。加热时长为30min。小鼠牺牲后取出小鼠胃部，进行切片和h&e染色，结果如图6所示。
88.由图6可知，图6a是正常小鼠胃切片图，粘膜层胃上皮结构完整，胃小凹结构清晰，上皮细胞排列紧密，固有层胃腺丰富，主细胞、壁细胞形态结构正常。图6b为经磁热疗30min后的切片图，粘膜层可见多处上皮细胞脱落，并混合fe@g磁性石墨烯纳米囊(黑色箭头)。表明本发明所得磁性石墨烯纳米囊能在胃部进行磁热疗，为高性能胃部磁热疗试剂的研发奠定了基础。
89.3、对实施例1所得fe@g磁性石墨烯纳米囊与四氧化三铁的稳定性进行测试。
90.测试方法：将fe@g磁性石墨烯纳米囊和四氧化三铁分别置于20ml浓度为1m的盐酸溶液中，将二者放入交变磁场中(施加的磁场强度为20ka/m、频率为340khz)，进行磁热升温测试。所得结果如图7所示。
91.由图7可知，图7a显示处于磁场10min后，两支试管升到了相同温度。图7b显示处于磁场20min后，左侧装有四氧化三铁的试管温度有所下降，颗粒开始分解，右侧试管无影响。图7c显示处于磁场30min后，左侧装有四氧化三铁的试管温度大幅下降，颗粒分解，右侧试管无影响。图7d显示处于磁场30min后，四氧化三铁已经大部分分解，呈现绿色澄清溶液，而fe@g磁性石墨烯纳米囊维持原样。表明本发明所得磁性石墨烯纳米囊在酸性条件下磁热升温比常用磁热试剂四氧化三铁更加稳定。
92.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。