CN108030932A - 介孔Fe3O4复合材料及其制备方法与在肿瘤MRI造影及光热/化疗协同治疗中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了介孔Fe3O4复合材料及其制备方法与在肿瘤MRI造影及光热/化疗协同治疗中的应用，介孔Fe3O4具有光热/化疗联合治疗性能以及磁共振造影的功能，其结构中为有用于光热/化疗联合治疗的介孔空心结构以及其表面修饰亲水性聚丙烯酰胺，可以作为光热/化疗联合治疗以及磁共振造影，其具有制备简单、价格便宜以及疗效显著的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有造影以及光热/化疗联合治疗性能的介孔Fe3O4纳米复合粒子，其在制备肿瘤等疾病的造影和光热/化疗协同治疗剂中有重要应用，属于生物医药材料以及纳米医学领域。
技术背景
癌症是世界范围内一种主要的死亡原因。不仅严重危害我国人民健康，而且大幅度增加了政府和个人的医疗费用负担。高效治疗不仅对广大患者，乃至整个国家医疗卫生事业的发展和社会和谐稳定，都具有极其重要的意义和十分迫切的需求。在治疗方面，手术、放疗和化疗是恶性肿瘤治疗的三种主要手段。
光热治疗是近年来问世并快速发展起来的治疗方法，在多种疾病治疗中疗效确切，在国内外已经获得政府相关部门的正式审批，成为恶性肿瘤治疗的常规手段，并在国际上获得工人和广泛应用。目前，对于肿瘤的治疗采用单一治疗手段，其效果不明显。任何一种治疗手段均有其优缺点，因而很难根除肿瘤。因此多种手段协同治疗是肿瘤治疗的发展趋势。然而现阶段协同疗法主要集中在放化疗同时进行，侵入性副作用大。虽然已公开了多种光热/化疗的纳米平台的构建，对于二者协同治疗的报道较少，因此，采取联合治疗的方法在癌症领域调节治疗率仍有广泛的前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种具有MRI造影以及热疗/化疗的治疗平台，即一种聚丙烯酰胺包覆介孔Fe3O4纳米粒子，本发明的介孔Fe3O4纳米复合粒子是一种光吸收材料，能够将近红外激光的光能转换成热能，并在肿瘤部位产生局部高温从而杀死肿瘤并且不伤害正常组织，由于近红外光具有良好的组织渗透性以及无侵入性，同时富集在肿瘤部位的光敏材料具有强烈的近红外吸收，所以，聚丙烯酰胺包覆介孔Fe3O4纳米粒子能够对肿瘤组织进行定点清除并且对正常组织具有较低的毒副作用。
本发明采用如下技术方案:
介孔Fe3O4复合材料在制备肿瘤MRI造影以及光热/化疗协同治疗药物中的应用，所述介孔Fe3O4复合材料包括介孔Fe3O4纳米粒子以及位于所述介孔Fe3O4纳米粒子表面的亲水性聚合物。
介孔Fe3O4复合材料在制备肿瘤MRI造影剂或者肿瘤光热药物中的应用；或者介孔Fe3O4复合材料在制备肿瘤光热/化疗协同治疗药物中的应用；或者介孔Fe3O4复合材料作为抗肿瘤药物载体的应用，所述介孔Fe3O4复合材料包括介孔Fe3O4纳米粒子以及位于所述介孔Fe3O4纳米粒子表面的亲水性聚合物。
本发明所述介孔Fe3O4纳米粒子为介孔中空结构；所述介孔Fe3O4纳米粒子粒径为250～270纳米；所述亲水性聚合物为聚丙烯酰胺；所述聚丙烯酰胺的分子量为1×106～3×106。
本发明中，将铁化合物、聚丙烯酰胺、柠檬酸钠、尿素混合后进行水热反应，制备介孔Fe3O4复合材料。
本发明还公开了一种肿瘤MRI造影以及光热/化疗协同治疗药物，所述肿瘤MRI造影以及光热/化疗协同治疗药物包括介孔Fe3O4复合材料以及抗肿瘤药；所述介孔Fe3O4复合材料包括介孔Fe3O4纳米粒子以及位于所述介孔Fe3O4纳米粒子表面的亲水性聚合物。
本发明还公开了一种肿瘤MRI造影剂或者肿瘤光热药物，所述肿瘤MRI造影剂或者肿瘤光热药物包括介孔Fe3O4复合材料；所述介孔Fe3O4复合材料包括介孔Fe3O4纳米粒子以及位于所述介孔Fe3O4纳米粒子表面的亲水性聚合物。
本发明还公开了一种肿瘤光热/化疗协同治疗药物，所述肿瘤光热/化疗协同治疗药物包括介孔Fe3O4复合材料以及抗肿瘤药；所述介孔Fe3O4复合材料包括介孔Fe3O4纳米粒子以及位于所述介孔Fe3O4纳米粒子表面的亲水性聚合物。
本发明还公开了介孔Fe3O4复合材料的制备方法，将铁化合物、聚丙烯酰胺、柠檬酸钠、尿素混合后进行水热反应，制备介孔Fe3O4复合材料。
本发明还公开了一种肿瘤MRI造影以及光热/化疗协同治疗药物的制备方法，将铁化合物、聚丙烯酰胺、柠檬酸钠、尿素混合后进行水热反应，制备介孔Fe3O4复合材料；然后将介孔Fe3O4复合材料装载抗肿瘤药，得到肿瘤MRI造影以及光热/化疗协同治疗药物。
上述技术方案中，所述铁化合物为FeCl3•6H2O；所述柠檬酸钠为二水合柠檬酸三钠；所述水热反应的温度为200℃，时间为12h。
本发明的介孔Fe3O4纳米粒子是一种介孔中空结构；优选聚丙烯酰胺为阴离子聚丙烯酰胺，分子量为1×106～3×106，介孔Fe3O4纳米粒子粒径为250～270纳米，可以更好的得到介孔中空结构从而具有优良的性能。
上述技术方案中，介孔Fe3O4复合材料的制备步骤具体优选为， FeCl3•6H2O、二水合柠檬酸三钠和尿素依次加入到蒸馏水中，搅拌20min得到澄清的溶液，随后缓慢加入聚丙烯酰胺(PAM)，5min左右加完，剧烈搅拌直至完全溶解，然后转移到水热釜中，在200℃反应12h；后加入PAM可以避免实心粒子副产物，同时限定加入速率，避免PAM加入过快导致溶解不充分、不利于介孔空心结构的生成。
本发明公开的介孔Fe3O4纳米粒子复合材料在近红外区域有良好的光吸收能力，在808nm波长的激光的吸光度为1.575，可以用于肿瘤的光热疗法，介孔Fe3O4纳米粒子具有中空介孔结构，可以用于阿霉素盐酸盐(DOX)的负载，DOX的负载量为1mg介孔Fe3O4复合材料可以负载66μg DOX。
本发明公开的介孔Fe3O4纳米粒子复合材料比表面积为40m2/g，在小功率下比如在激光功率为1 W/cm2照射时间为10分钟后温度可升高至57℃，促进负载的DOX释放。
本发明的有益效果：
本发明公开的介孔Fe3O4复合材料中，介孔中空的的Fe3O4纳米结构比尺寸相近Fe3O4纳米团簇具有更高的近红外光吸收能力，可以将更多的光能转换成热能进而更有效的杀死肿瘤；而且，介孔中空的Fe3O4可以用来负载阿霉素盐酸盐用于化疗杀死肿瘤细胞，并提高肿瘤的治疗效果；另外，介孔Fe3O4可以用作磁共振造影剂用于肿瘤的成像，聚丙烯酰胺的引入赋予了介孔Fe3O4纳米材料良好的光热稳定性；对癌症的治疗具有重要意义。
本发明公开的介孔Fe3O4纳米粒子复合材料中，Fe3O4纳米材料具有良好的生物相容性，且易于表面修饰和功能化；介孔Fe3O4具有强的近红外光吸收能力以及可用于负载DOX，能够实现对肿瘤的光热治疗及化疗治疗：光热治疗是利用介孔Fe3O4纳米粒子的SPR效应，在近红外光的照射下，能快速将光能转化为热能，使局部蛋白质受热变性，破坏肿瘤细胞；化疗则是在药物的的作用下，直接杀死肿瘤。
附图说明
图1为介孔Fe3O4纳米粒子的TEM图；
图2为介孔Fe3O4纳米粒子的BET图；
图3为介孔Fe3O4纳米粒子的UV-vis-NIR吸收图；
图4为浓度相同的介孔Fe3O4纳米粒子和Fe3O4纳米团簇的UV-vis-NIR吸收图；
图5为介孔Fe3O4纳米粒子的光热效应效果图；
图6为介孔Fe3O4纳米粒子释药曲线图；
图7为介孔Fe3O4纳米粒子的细胞毒性效果图；
图8为介孔Fe3O4纳米粒子的光热治疗细胞效果图；
图9为介孔Fe3O4纳米粒子的光热/化疗联合治疗效果图；
图10为介孔Fe3O4纳米粒子的磁共振造影效果图。
具体实施方式
以下合称步骤中的所使用的化学物质为市售商品，培养基为10%血清，0.5%的酸抗，其余为营养液。
实施例一
2.16g FeCl3•6H2O、4.7g二水合柠檬酸三钠和1.44g尿素依次加入到160mL蒸馏水中，搅拌20min得到澄清的溶液，随后5min左右 加入1.2g聚丙烯酰胺(PAM)，剧烈搅拌直至完全溶解；然后转移到200mL的水热釜中，在200℃反应12h；然后在磁场的作用下，用乙醇和水洗三遍，得介孔Fe3O4复合材料，分散在水中，置于4℃冰箱中保存。
以现有Fe3O4纳米团簇为比较，在Fe浓度相同的条件下，分别测试两种Fe3O4的近红外吸收能力，介孔氧化铁具有更为优异的吸光能力；在Fe浓度相同的条件下，分别测试两种Fe3O4的光热转换能力，当Fe浓度为200μg/mL时，介孔Fe3O4 10min中可以升高到57℃，而同等浓度下，Fe3O4纳米团簇只能升介孔高至44℃左右，体现了介孔Fe3O4良好的光热转换效果，温度达到45℃以上才能杀死肿瘤细胞，57℃可以显著的杀死肿瘤细胞；在Fe浓度为200μg/mL时，进行5次光热和降温循环，每次升温和降温各10min，介孔Fe3O4都可以升高到56℃左右，体现了Fe3O4良好的光热热稳定性。
以表面为小分子的氧化铁为比较，在Fe浓度相同条件下，分别测试其光热效果，介孔Fe3O4可以升高到较高的温度（温差超过8℃），放置五分钟后，表面为小分子的氧化铁的光热效果显著降低，仅略高于基础温度2℃，而本发明介孔Fe3O4几乎无变化，即使十五分钟后下降也小于5℃，特别是现有Fe3O4纳米团簇两分钟内就下降至基础温度；说明聚丙烯酰胺的引入赋予了介孔Fe3O4纳米材料良好的光热稳定性。
将5mg DOX溶解到2mL的DMSO中，随后加入10mg的介孔Fe3O4复合材料，超声10min，然后在37℃振荡12h，使用磷酸盐缓冲生理盐水(PBS)冲洗2次去除附着在材料表面的DOX，并收集上清液，得到负载DOX的介孔Fe3O4复合材料，载药量为1mg介孔Fe3O4复合材料可以负载66μg DOX。
实施例二
4T1细胞种在96孔板中在37℃、5%O2和95%CO2的条件下培养24h，然后将100μL不同浓度(25, 50, 100, 150, 200μg/mL) 介孔Fe3O4复合材料的培养基溶液加到细胞中并培养6h；然后使用1w/cm2激光照射10min后再培养8h，200μg/mL Fe3O4细胞的存活率较高。
4T1细胞种在96孔板中在37℃、5%O2和95%CO2的条件下培养24h，然后将100μL不同浓度(25, 50, 100, 150, 200μg/mL) 介孔Fe3O4复合材料的培养基溶液加到细胞中并培养6h；然后使用1.5w/cm2激光照射10min后再培养8h，200μg/mL Fe3O4细胞的存活率低于20%。
4T1细胞种在96孔板中在37℃、5%O2和95%CO2的条件下培养24h，然后将100μL不同浓度(25, 50, 100, 150, 200μg/mL) 负载DOX的介孔Fe3O4复合材料的培养基溶液加入到细胞中并培养12h，细胞的存活率较高。
4T1细胞种在96孔板中在37℃、5%O2和95%CO2的条件下培养24h，然后将100μL浓度为150μg/mL负载DOX的介孔Fe3O4复合材料的培养基溶液加入到细胞中并培养6h，使用功率密度为1w/cm2的激光照射10min后再培养8h，细胞的存活率较高。
4T1细胞种在96孔板中在37℃、5%O2和95%CO2的条件下培养24h，然后将100μL浓度为150μg/mL负载DOX的介孔Fe3O4复合材料的培养基溶液加入到细胞中并培养6h，使用功率密度为1.5w/cm2的激光照射10min后再培养8h，细胞的存活率低于20%。
制备的介孔Fe3O4纳米粒子物理学性能表征：
应用透射电镜对实施例一中得到的介孔Fe3O4复合材料进行形貌表征，如图1电镜所示，介孔Fe3O4复合材料在水相溶剂中可单一分散，粒度大小较为均匀（260nm左右）；如图2BET图谱所示，介孔Fe3O4复合材料的比表面积为40 m2/g，孔径为10 nm，孔体积为0.27 g/cm3；紫外可见光谱显示介孔Fe3O4复合材料从675 nm到975 nm都有连续的吸收峰，且吸收随浓度增加而增强（图3）。
图4为现有粒径250nm的Fe3O4纳米团簇和介孔Fe3O4在近红外区域的吸收光谱，可以发现介孔Fe3O4的吸收能力明显高于Fe3O4纳米团簇，说明本发明的介孔Fe3O4复合材料有利于近红外光的吸收。
1 W/cm2的近红外激光（808 nm）照射不同浓度(0,25, 50, 100, 150, 200 μg/mL)的介孔Fe3O4复合材料，介孔Fe3O4独特的结构特征赋予其良好的近红外光吸收能力，从而具有较为优异的光热性能，此外合理的尺寸也使其光热性能提高，从而导致溶液的温度迅速上升，在10分钟左右达到稳定状态，温度与Fe3O4粒子的浓度呈正相关（图5）。
图6为阿霉素盐酸盐在pH=7.4和pH=5.0条件下的释放曲线，可以发现酸性条件有利于DOX 的释放，这是由于在酸性条件下DOX上的氨基可以重新质子化，进而导致DOX的溶解度增大，另外光照10 min可以显著的提高阿霉素盐酸盐的释放，是因为激光照射后使得温度升高导致分子运动加剧从而使得DOX释放量增加。
采用CTG法，分别测量不同浓度(0,25, 50, 100, 150, 200 μg/mL)的介孔Fe3O4复合材料对癌细胞4T1细胞的毒性，结果表明即使在较高浓度（大于200ug/ml），细胞仍有大于80%的活性，证明毒性较小；图7介孔Fe3O4复合材料细胞毒性效果图，显示介孔Fe3O4复合材料具有良好的生物相容性。
细胞光热实验表明，使用介孔Fe3O4复合材料处理的细胞，经过808nm激光照射，其存活率相对于没有经过照射的有显著下降，证明Fe3O4粒子有光热治疗效果；图8为光热治疗图，显示光照可以有效的杀死肿瘤细胞，其中对照为加了相同浓度Fe3O4的培养基体系。
使用负载有DOX的介孔Fe3O4复合材料处理的细胞，经过808nm激光照射，其存活率比只单纯经过激光照射或者阿霉素盐酸盐处理的显著下降，甚至比理论计算值还要低，证明介孔Fe3O4复合材料具有较好联合治疗增强效果；图9为化疗/热疗联合治疗图，显示了良好的协同效应。
使用不同浓度的介孔Fe3O4复合材料，利用磁感应强度为3.0 T的核磁共振成像仪，可以发现随着Fe浓度的升高，颜色逐渐由白色逐渐变成黑色，表明信号强度逐渐变弱，弛豫时间（T2）和Fe浓度之间具有良好的线性关系，证明介孔Fe3O4具有良好的磁共振造影效果；图10为T2磁共振成像图，显示了良好的造影效果。
本发明公开的介孔Fe3O4复合材料用于磁共振造影和光热/化疗联合治疗抗癌，与现有纳米Fe3O4相比，介孔Fe3O4纳米结构具有更高的近红外吸收能力，可以将更多的光能转换成热能进而更有效的杀死肿瘤；而且，介孔中空的Fe3O4可以用来负载阿霉素盐酸盐用于化疗杀死肿瘤细胞，并提高肿瘤的治疗效果；另外，介孔Fe3O4复合材料可以用作磁共振造影剂用于肿瘤的成像，聚丙烯酰胺的引入赋予了介孔Fe3O4纳米材料良好的光热稳定性。因此，本发明的介孔Fe3O4复合材料具有磁共振造影和光热/化疗联合治疗的效果，对癌症的治疗具有重要意义。
Claims (10)
1.介孔Fe3O4复合材料在制备肿瘤MRI造影以及光热/化疗协同治疗药物中的应用，其特征在于，所述介孔Fe3O4复合材料包括介孔Fe3O4纳米粒子以及位于所述介孔Fe3O4纳米粒子表面的亲水性聚合物。
2.介孔Fe3O4复合材料在制备肿瘤MRI造影剂或者肿瘤光热药物中的应用；或者介孔Fe3O4复合材料在制备肿瘤光热/化疗协同治疗药物中的应用；或者介孔Fe3O4复合材料作为抗肿瘤药物载体的应用，其特征在于，所述介孔Fe3O4复合材料包括介孔Fe3O4纳米粒子以及位于所述介孔Fe3O4纳米粒子表面的亲水性聚合物。
3.如权利要求1或者2所述的应用，其特征在于，所述介孔Fe3O4纳米粒子为介孔中空结构；所述介孔Fe3O4纳米粒子粒径为250～270纳米；所述亲水性聚合物为聚丙烯酰胺；所述聚丙烯酰胺的分子量为1×106～3×106。
4.如权利要求1或者2所述的应用，其特征在于，将铁化合物、聚丙烯酰胺、柠檬酸钠、尿素混合后进行水热反应，制备介孔Fe3O4复合材料。
5.一种肿瘤MRI造影以及光热/化疗协同治疗药物，其特征在于，所述肿瘤MRI造影以及光热/化疗协同治疗药物包括介孔Fe3O4复合材料以及抗肿瘤药；所述介孔Fe3O4复合材料包括介孔Fe3O4纳米粒子以及位于所述介孔Fe3O4纳米粒子表面的亲水性聚合物。
6.一种肿瘤MRI造影剂或者肿瘤光热药物，其特征在于，所述肿瘤MRI造影剂或者肿瘤光热药物包括介孔Fe3O4复合材料；所述介孔Fe3O4复合材料包括介孔Fe3O4纳米粒子以及位于所述介孔Fe3O4纳米粒子表面的亲水性聚合物。
7.一种肿瘤光热/化疗协同治疗药物，其特征在于，所述肿瘤光热/化疗协同治疗药物包括介孔Fe3O4复合材料以及抗肿瘤药；所述介孔Fe3O4复合材料包括介孔Fe3O4纳米粒子以及位于所述介孔Fe3O4纳米粒子表面的亲水性聚合物。
8.介孔Fe3O4复合材料的制备方法，其特征在于，将铁化合物、聚丙烯酰胺、柠檬酸钠、尿素混合后进行水热反应，制备介孔Fe3O4复合材料。
9.根据权利要求8所述介孔Fe3O4复合材料的制备方法，其特征在于，所述铁化合物为FeCl3•6H2O；所述柠檬酸钠为二水合柠檬酸三钠；所述水热反应的温度为200℃，时间为12h。
10.一种肿瘤MRI造影以及光热/化疗协同治疗药物的制备方法，其特征在于，将铁化合物、聚丙烯酰胺、柠檬酸钠、尿素混合后进行水热反应，制备介孔Fe3O4复合材料；然后将介孔Fe3O4复合材料装载抗肿瘤药，得到肿瘤MRI造影以及光热/化疗协同治疗药物。
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