一种碳化锆纳米片光热制剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及纳米医药技术领域，具体涉及一种用于光热治疗的碳化锆纳米片光热制剂，本发明还涉及一种碳化锆纳米片光热制剂的制备方法，本发明还涉及前述碳化锆纳米片光热制剂在光热治疗上的应用。

背景技术：

光热治疗是近些年发展起来的一种副作用小、效率高的癌症疗法。它主要是利用光热剂在激光的照射下产生局部高温来杀伤癌细胞。纳米材料尺寸较小，比表面积较大，同时可以通过细胞的内吞作用进入肿瘤细胞内，因此将纳米材料应用于光热剂的前景十分广阔。目前，人们研究较多的光热剂包括金、银、铂等贵金属，石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米棒等碳类材料还有黑磷，碲硒新型二维材料。但是这些光热剂都存在着各自的不足，金等贵金属的光热性质主要来源于表面等离子体共振效应，而这一效应受纳米结构的表面形貌、大小、周围介质的介电常数等的影响很大，导致实际的光热治疗效果不明显。另外，昂贵的价格也限制了贵金属光热剂的市场应用。

专利公开号为cn104606676，专利名称为水溶性feni3纳米合金在光热治疗中的应用公开了一种水溶性feni3纳米合金的光热制剂，该类纳米材料普遍存在着制备功能化条件较为复杂，吸光系数较低等缺点。二维黑磷、碲硒等材料带隙较大，不适合长波长光热治疗，治疗深度有限。开发一种价格便宜、毒性低、制备过程简单、化学稳定性高的新型光热制剂成为目前研究的热点和难点。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种碳化锆纳米片光热制剂，本发明还提供了一种碳化锆纳米片光热制剂的制备方法，本发明还提供了一种碳化锆纳米片光热制剂在制备肿瘤光热制剂上的应用，以解决现有光热制剂存在的光热效果不明显、光热转化率低、制备过程复杂、不适合长波长光热治疗、治疗深度有限等缺陷。

第一方面，本发明提供了一种碳化锆纳米片光热制剂，包括碳化锆纳米片以及包覆所述碳化锆纳米片的聚乙二醇。

本发明碳化锆纳米片光热制剂包括碳化锆纳米片以及包覆所述碳化锆纳米片的聚乙二醇，碳化锆纳米片具有对光的吸收较好、光热转化率高、毒性低、价格便宜、制备过程简单、化学稳定性高等优点。碳化锆是一种窄带隙的材料，这种材料可以用于1064nm波长的光热治疗，可直达组织更深处，在光热治疗领域有很广阔的应用前景。聚乙二醇修饰可以提高zrc纳米片的生物相容性和稳定性，提高其在水中的分散性。

优选的，所述碳化锆纳米片的长宽尺寸为30～100nm，厚度为1～20nm。更优选的，所述碳化锆纳米片的长宽尺寸为40～70nm，厚度为2～8nm。选择适合的尺寸能够保证碳化锆纳米片作为光热剂在肿瘤部位具有较好的被动富集效果。尺寸过大导致光热剂难以进入肿瘤部位，而尺寸过小导致光热剂容易从肿瘤部位泄露。选择较薄的厚度可以增大碳化锆纳米片的比表面积，从而增强其光热效果。

优选的，所述碳化锆纳米片与所述聚乙二醇的质量之比为1:0.5～3。更有选的，所述碳化锆纳米片与所述聚乙二醇的质量之比为1:1～2。聚乙二醇修饰可以提高碳化锆纳米片的生物相容性和稳定性，提高其在水中的分散性。

优选的，所述聚乙二醇分子链两端分别为叶酸和氨基。叶酸通过酰胺键与聚乙二醇结合在一起，能够提升光热制剂的肿瘤的靶向特异性，用于特异性靶向杀伤肿瘤细胞。氨基基团能够显著提升该碳化锆纳米片光热制剂的水溶性和稳定性。

优选的，所述聚乙二醇的重均分子量为2000-30000。合适大小的聚乙二醇既能有效进入肿瘤部位，也避免轻易从肿瘤部位泄露。

第二方面，本发明还提供了一种碳化锆纳米片光热制剂的制备方法，包括以下步骤：

制备碳化锆纳米片：提供碳化锆粉末并分散于去离子水中得到分散液，将分散液转移至10～35℃下水浴超声8～12小时，随后离心收集沉淀，烘干，得到碳化锆纳米片；

制备碳化锆纳米片光热制剂：将所述碳化锆纳米片分散于去离子水中得到碳化锆纳米片的水分散液，再向所述碳化锆纳米片的水分散液中加入聚乙二醇，搅拌10～16小时，离心收集沉淀，得到碳化锆纳米片光热制剂。

本发明第二方面提供的碳化锆纳米片光热制剂的制备方法中，水浴温度过高会导致zrc纳米片降解，因此将水浴超声的温度保持在10-35℃，本发明采用的温度范围能够保证材料的稳定，并且使本发明的制备方法易于实现，操作难度低。当水浴温度升高，也可通过换水或其他降温措施以保证水浴温度在上述范围内。发明碳化锆纳米片光热制剂的制备方法具有步骤简单、成本低、带隙窄、光热效应显著等优点，可用于大规模工业化生产。

优选的，在制备碳化锆纳米片步骤中，水浴超声前将分散液采用探头超声4～8小时，所述探头超声的探头功率为150～600w，所述探头超声过程中的温度为5～20℃。由于探头超声直接作用于碳化锆纳米片，为避免碳化锆纳米片降解，探头超声过程中保持温度为5～20℃，更优选保持为10～15℃。当温度升高时，可使用冰袋进行降温。通过将探头超声与水浴超声结合使用，使得最终得到的碳化锆纳米片尺寸更小，更均一，获得所需尺寸的碳化锆纳米片的产率更高。

优选的，在制备碳化锆纳米片步骤中，所述分散液的浓度为0.5～5mg/ml。合适浓度的分散液既能提升超声的分散效率，也有利于提升后续碳化锆纳米片光热制剂的产量。

优选的，在制备碳化锆纳米片步骤中，所述离心收集沉淀的具体操作为：先以3000～6000转/分钟的转速离心0.5～1h，取上清液，然后将所述上清液以15000～20000转/分钟的转速离心0.5-1h，收集沉淀，得到碳化锆纳米片。第一步的低转速离心是为了分离去除尺寸较大的部分碳化锆纳米片，第二步的高速离心分离即获得所需尺寸的碳化锆纳米片。

优选的，在制备碳化锆纳米片步骤中，所述烘干在真空条件下进行。

优选的，在制备碳化锆纳米片光热制剂步骤中，所述碳化锆纳米片的水分散液的浓度为0.1～2mg/ml。合适的碳化锆纳米片的水分散液的浓度可以确保聚乙二醇与碳化锆纳米片充分混合、包覆，提升碳化锆纳米片光热制剂的水溶性、稳定性以及光热效应。

优选的，所述聚乙二醇为叶酸修饰的聚乙二醇；

其中，叶酸修饰的聚乙二醇采用如下方式制备：将羟基琥珀酰亚胺活化叶酸加入到双氨端聚乙二醇的二甲基亚砜溶液中，再加入三乙胺，得到混合溶液；

将所述混合溶液在室温、避光条件下以300～600rpm的转速搅拌反应16～32小时，反应完成后过滤，得到叶酸修饰的聚乙二醇。三乙胺作为催化剂催化羟基琥珀酰亚胺活化叶酸与双氨端聚乙二醇反应，生成叶酸修饰的聚乙二醇。

优选的，所述羟基琥珀酰亚胺活化叶酸可采用如下方式制备：将叶酸溶解于无水二甲基亚砜中，再加入羟基琥珀酰亚胺和n,n'-二环己基碳酰亚胺得到混合液，所述混合液在室温、避光和三乙胺催化条件下进行搅拌反应16-32小时，反应完成后过滤，得到羟基琥珀酰亚胺活化叶酸。

优选的，在制备碳化锆纳米片光热制剂步骤中，所述离心收集沉淀的具体操作为：15000～20000转/分钟的转速离心0.5～1小时后，收集沉淀。

第三方面，本发明还提供了一种如本发明第一方面所述的碳化锆纳米片光热制剂在制备肿瘤光热制剂上的应用。

本发明碳化锆纳米片光热制剂用于制备碳化锆纳米片光热制剂，具有原料易得、成本低、制备过程简单、易于实现规模化生产等优点，另外，碳化锆纳米片光热制剂相比于其它光热制剂还具有光热效应显著、稳定性高、生物相容性高等优点。

本发明的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。

附图说明

为更清楚地阐述本发明的内容，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

图1为本发明实施例4提供的碳化锆纳米片进行物理化学表征结果；

图2为本发明实施例4提供的碳化锆纳米片进行光热性能测试结果。

具体实施方式

以下所述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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

本发明将通过以下实施例详细介绍碳化锆纳米片光热制剂及其制备方法。

实施例1

一种碳化锆纳米片光热制剂的制备方法，包括以下步骤：

制备碳化锆纳米片：提供碳化锆粉末并分散于去离子水中得到浓度为1mg/ml的分散液，将分散液转移至15℃下水浴超声10小时，随后离心收集沉淀，烘干，得到碳化锆纳米片。

制备碳化锆纳米片光热制剂：将碳化锆纳米片分散于去离子水中得到浓度为0.5mg/ml碳化锆纳米片的水分散液，再向碳化锆纳米片的水分散液中加入聚乙二醇，其中碳化锆纳米片与聚乙二醇的质量之比为1:1，搅拌10小时，以15000转/分钟的转速离心1h，收集沉淀，得到碳化锆纳米片光热制剂。

在具体实施方式中，制备碳化锆纳米片的步骤中，离心收集沉淀的具体操作为：先以4500转/分钟的转速离心1h，取上清液，然后将上清液以15000转/分钟的转速离心1h，收集沉淀，得到碳化锆纳米片。

在具体实施方式中，制备碳化锆纳米片的步骤中，烘干步骤优选为真空条件下进行，保证纳米片功能的前提下实现快速干燥。

实施例2

一种碳化锆纳米片光热制剂的制备方法，包括以下步骤：

制备碳化锆纳米片：提供碳化锆粉末并分散于去离子水中得到浓度为5mg/ml的分散液，将分散液先采用探头超声5小时，探头超声的探头功率为360w，探头超声过程中的温度保持为15℃。超声后的分散液转移至15℃下水浴超声8小时，随后离心收集沉淀，烘干，得到碳化锆纳米片。

制备碳化锆纳米片光热制剂：将碳化锆纳米片分散于去离子水中得到浓度为1mg/ml碳化锆纳米片的水分散液，再向碳化锆纳米片的水分散液中加入聚乙二醇，其中碳化锆纳米片与聚乙二醇的质量之比为1:2，搅拌16小时，以17000转/分钟的转速离心0.8h，收集沉淀，得到碳化锆纳米片光热制剂。

在具体实施方式中，制备碳化锆纳米片的步骤中，离心收集沉淀的具体操作为：先以3000转/分钟的转速离心1h，取上清液，然后将上清液以15000转/分钟的转速离心1h，收集沉淀，得到碳化锆纳米片。

实施例3

一种碳化锆纳米片光热制剂的制备方法，包括以下步骤：

制备碳化锆纳米片：提供碳化锆粉末并分散于去离子水中得到浓度为3mg/ml的分散液，将分散液先采用探头超声8小时，探头超声的探头功率为200w，探头超声过程中的温度保持为20℃。超声后的分散液转移至10℃下水浴超声12小时。先以6000转/分钟的转速离心0.5h，取上清液，然后将上清液以20000转/分钟的转速离心0.5h，收集沉淀，得到碳化锆纳米片。

制备羟基琥珀酰亚胺活化叶酸：将叶酸溶解于无水二甲基亚砜中，再加入羟基琥珀酰亚胺和n,n'-二环己基碳酰亚胺得到混合液，混合液在室温、避光和三乙胺催化条件下进行搅拌反应24小时，反应完成后过滤，得到羟基琥珀酰亚胺活化叶酸。

制备叶酸修饰的聚乙二醇：将羟基琥珀酰亚胺活化叶酸加入到双氨端聚乙二醇的二甲基亚砜溶液中，再加入三乙胺，得到混合溶液。将所述混合溶液在室温、避光条件下以450rpm的转速搅拌反应24小时，反应完成后过滤，得到叶酸修饰的聚乙二醇。

制备碳化锆纳米片光热制剂：将碳化锆纳米片分散于去离子水中得到浓度为1mg/ml碳化锆纳米片的水分散液，再向碳化锆纳米片的水分散液中加入叶酸修饰的聚乙二醇，其中碳化锆纳米片与叶酸修饰的聚乙二醇的质量之比为1:3，搅拌16小时，以17000转/分钟的转速离心0.6h，收集沉淀，得到碳化锆纳米片光热制剂。

实施例4

一种碳化锆纳米片光热制剂的制备方法，包括以下步骤：

制备碳化锆纳米片：将碳化锆粉末分散于去离子水中，得到浓度为1mg/ml的分散液。将上述分散液采用探头超声5小时，探头超声的探头功率为360w，探头超声过程中保持温度为5～20℃(浮动温度)，期间当温度升高时，使用冰袋进行降温。再将分散液于水浴超声10小时，得到经超声后的分散液，水浴超声的温度保持在15～25℃，当水浴温度升高，通过换水以保证水浴温度在15-25℃范围内。将经超声后的分散液离心后，以5000转/分钟的转速离心0.5h，取上清液，然后将上清液以17000转/分钟的转速离心0.5h，收集沉淀，烘干，得到碳化锆纳米片；

制备碳化锆纳米片光热制剂：将碳化锆纳米片分散于去离子水中，再向所得水分散液中加入叶酸修饰的聚乙二醇(fa-peg-nh2)，搅拌12小时后，以17000转/分钟的转速离心0.5h，收集沉淀，得到表面包覆有叶酸修饰的聚乙二醇的碳化锆纳米片光热制剂。

实施例5

一种基于碳化锆纳米片的递药系统的制备方法，包括以下步骤：

制备碳化锆纳米片：将碳化锆粉末分散于异丙醇中，得到浓度为1mg/ml的分散液；将上述分散液采用探头超声6小时，探头超声的探头功率为360w，探头超声过程中保持温度为10-15℃(浮动温度)，期间当温度升高时，使用冰袋进行降温。再将分散液于水浴超声12小时，得到经超声后的分散液，水浴超声的温度保持在15～25℃(浮动温度)，当水浴温度升高，通过换水以保证水浴温度在15～25℃范围内；将经超声后的分散液离心后，以4000转/分钟的转速离心1h，取上清液，然后将上清液以16000转/分钟的转速离心1h，收集沉淀，烘干，得到碳化锆纳米片；

制备碳化锆纳米片光热制剂：将所述碳化锆纳米片分散于去离子水中，再向所得水分散液中加入叶酸修饰的聚乙二醇(fa-peg-nh2)，搅拌16小时后，以16000转/分钟的转速离心1h，收集沉淀，得到表面包覆有叶酸修饰的聚乙二醇的碳化锆纳米片光热制剂。

效果实施例：

(1)将实施例4制备的碳化锆纳米片进行物理化学表征，表征结果如图1所示。碳化锆纳米片(zrcnss)是通过液相剥离法制备的。如图1a所示，zrcnss的形态由透射电子显微镜(tem)和原子力显微镜(afm)表征，tem图像结果显示zrc纳米片的典型横向尺寸约为50nm。如图1b所示，zrc纳米片的晶格是通过高分辨率tem(hrtem)和选区电子衍射(saed)(图1b中插图)研究的，如hrtem图像所示，观察到层间距离为0.22nm的晶格条纹，它们与zrc晶体的(200)平面相对应。晶格的快速傅立叶变换(fft)显示了zrc拥有预期的晶格反射。

如图1c所示，afm图像显示zrc纳米片的厚度在1.1-1.4nm范围内。如图1d所示，zrc和zrc纳米片的拉曼光谱如图1d所示。剥离前后的拉曼峰位对应的很好，说明获得的确实是zrc纳米片。拉曼峰的细微偏移则可以证明剥离成功。如图1e(上方为zrc块体，下方为zrc纳米片)所示，使用x射线光电子能谱(xps)表征了块体zrc和剥离的zrc纳米片的元素。剥离前后峰位一致，说明剥离产物依然是zrc。如图1f(下方为zrc块体，上方为zrc纳米片)所示，块体zrc和zrc纳米片的xrd图谱显示出相似的峰位，代表zrc的fcc结构。xrd的良好对应关系说明在剥离过程中，zrc的晶格状态保持的很好。

尺寸、组成和晶体特征等数据都证实了实施例4的制备方法成功剥离出zrc纳米片。

(2)将实施例4制备的表面包覆有叶酸修饰的聚乙二醇的碳化锆纳米片光热制剂进行光热性能测试，测试结果如图2所示。

zrc纳米片光热制剂用于光热实验，强的光吸收是光热制剂的先决条件。如图2a所示，zrc纳米片分散液清晰的丁达尔效应证明所得纳米片尺寸较小且分散性较好。如图2b所示，zrc纳米片在近红外i(400～808nm)和近红外ii(808～1064nm)生物窗口中均表现出较强的吸收作用，并且在808和1064nm处的消光系数分别估计为8.8和8.3lg^-1cm^-1。这一消光系数代表zrc纳米片可以较好的吸收光能。如图2c所示，光热转换效率是光热剂的最重要属性，并决定其对光热治疗的效率。如图2d(从上往下依次为100ppm、50ppm和25ppm)所示，用暴露在808或1064nm激光下的zrc悬浮液研究了光热性能。随着辐照时间的增加，两种波长辐照下zrc悬浮液的温度在相对较低的浓度(100μgml^-1)下经过10分钟后都从25℃升高到60℃以上。如图2e和2f所示，通过一个光热循环的冷却时间，计算得出zrc纳米片在近红外i和近红外ii窗口处的ptce分别为52.1％和62.1％，表明构建的zrc纳米片可以有效地将近红外i和近红外ii区的光能转换成热量。如图2g所示，实施例4制备的光热制剂的光热转换效率(52.1％)显着高于其他光热制剂，例如au纳米颗粒(21％)，硒化铜(22％)，黑磷量子点(bpqds，28.4％)，锑量子点(amqds，45.5％)和ti3c2nss(30.6％)，具有显著的高效光热转化优势。如图2h和2i所示，在808和1064nm辐射下zrc纳米片悬浮液(25μgml^-1)的六个光热循环，吸收光谱几乎保持不变，表明zrcnss具有出色的光热稳定性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。