一种碳纳米球基诊疗一体化复合材料、制备方法及其应用

1.本发明涉及纳米生物材料技术领域，具体涉及一种碳纳米球基诊疗一体化复合材料、制备方法及其应用。


背景技术：

2.癌症是全球第二大致命疾病。癌症的检测和治疗一直是当今医学界的重点和难点。对于癌症成像而言，x射线激发的荧光成像具有检测信号强、无背景荧光、穿透深度深的优点。x射线激发的荧光成像基于纳米晶闪烁体实现下转移发光，即x射线照射后，纳米晶闪烁体与x射线发生光电效应吸收射线能量，部分电子吸收射线能量后变成激发电子，激发电子跃迁到纳米晶闪烁体的荧光中心时会释放可见光或近红外光。和近红外光激发的荧光成像相比，x射线激发的荧光成像具有更高的分辨率和灵敏度，因此具有巨大的应用潜力。
3.对于癌症治疗而言，光热治疗是一种无创、有效的物理疗法，它使用具有出色光热转换能力的光热治疗剂将近红外光的能量转换为热量，以消融癌症细胞。具有激光剂量可调节、降低治疗成本、减少患者痛苦、副作用小的优点。
4.目前针对癌症诊断和治疗独立、治疗周期长、费用高等问题，将癌症的治疗和诊断相结合，是值得努力的新方向，不仅需要相关仪器设备的研发，更需要具有能同时实现诊疗一体化的纳米材料。因此，研究能同时实现x射线激发的荧光成像诊断和光热治疗于一体的纳米复合材料具有非常重要的意义。但是，由于x射线激发的荧光成像材料和光热治疗的材料之间，其工作机理存在着巨大的不同，材料之间的相容性较差，因此，难以将二者的功能合二为一。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提供一种碳纳米球基诊疗一体化复合材料，通过对材料组分及键合结构的独特设计，解决了材料之间相容性差的问题；本发明还提供其制备方法，使制备过程简便高效、可重复性高，有利于产业化；本发明还提供该复合材料在癌症诊疗一体化方面的应用。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种碳纳米球基诊疗一体化复合材料，其特征在于，其是一种在碳纳米球的表面，键合稀土掺杂纳米晶闪烁体形成的复合材料，其中的稀土掺杂纳米晶闪烁体为镧系元素掺杂的氟化物基纳米粒子，所述的碳纳米球与稀土掺杂纳米晶闪烁体之间通过酰胺键结合；该复合材料在x射线激发下具有发光性能，同时在近红外光照射下具有光热效应。
8.所述的稀土掺杂纳米晶闪烁体为：nagdf4:eu、nagdf4:tb、nagdf4:eu,tb、nacef4:gd,tb或nacef4:gd,eu中的一种。
9.一种前述碳纳米球基诊疗一体化复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.(1)采用高温共沉淀法合成油溶性的稀土掺杂纳米晶闪烁体，并分散在三氯甲烷
中；预备聚乙烯亚胺三氯甲烷溶液，在常温下与上述稀土掺杂纳米晶闪烁体三氯甲烷分散液搅拌，待三氯甲烷挥发完全后，加入去离子水继续搅拌，得到的产物用去离子水进行洗涤后，分散在去离子水中，形成第一分散液；预备葡萄糖原料，溶于去离子水中，在室温下强力搅拌后，将其转移至聚四氟乙烯内衬中进行水热反应。得到的产物用乙醇和去离子水进行多次洗涤后，分散在去离子水中，形成第二分散液；
11.(2)在第二分散液中加入用于酰胺合成中的羧基活化试剂1
‑
(3
‑
二甲氨基丙基)
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐(edc
·
hcl)，搅拌后加入n
‑
羟基琥珀酰亚胺(nhs)以提高偶联反应效率，之后再滴加第一分散液，继续搅拌，得到的产物用去离子水洗涤后分散在去离子水中，得到碳纳米球表面键合稀土掺杂纳米晶闪烁体的复合材料，即碳纳米球基诊疗一体化复合材料。
12.所述步骤(1)具体为：
13.取3ml油溶性的稀土掺杂纳米晶闪烁体三氯甲烷分散液加入到2.5
‑
3.5ml聚乙烯亚胺三氯甲烷溶液中，室温下搅拌4
‑
6小时，待三氯甲烷溶剂挥发完全后，再加入10
‑
15ml去离子水，继续搅拌1
‑
2小时；得到的产物用去离子水洗涤后，分散在去离子水中，形成第一分散液；预备4克葡萄糖原料，溶于25
‑
35ml去离子水中，在室温下强力搅拌1
‑
2小时后，将其转移到至50ml聚四氟乙烯内衬中，在180摄氏度下水热反应2
‑
4小时；将产物用乙醇和去离子水进行多次洗涤后，分散在去离子水中，形成第二分散液。
14.所述步骤(2)具体为：
15.取10
‑
15mg edc
·
hcl加入至2ml第二分散液中，搅拌10
‑
25min后，继续加入5
‑
10mg nhs和2ml第一分散液，搅拌6
‑
8小时，将得到的产物用去离子水洗涤，最后分散在去离子水中，即得到碳纳米球表面键合稀土掺杂纳米晶闪烁体的复合材料。
16.一种前述碳纳米球基诊疗一体化复合材料的应用，其特征在于，将其作为原材料，用作制备x射线激发的荧光成像的成像剂。
17.一种前述碳纳米球基诊疗一体化复合材料的应用，其特征在于，将其作为原材料，用作制备近红外光光热治疗的治疗剂。
18.一种前述碳纳米球基诊疗一体化复合材料的应用，其特征在于，将其作为原材料，制备用于x射线激发的荧光成像诊断和近红外光热治疗的一体化诊疗剂。
19.本发明的优点在于：
20.(1)本发明提供的碳纳米球基诊疗一体化复合材料，其是一种碳纳米球表面键合稀土掺杂纳米晶闪烁体的复合材料，其具有独特的材料结构和特性，同时具备x射线激发的发光性能和近红外光照射的光热效应，且其具有成像分辨率高、无背景荧光、光热稳定性好、光热效果显著的特点。
21.(2)本发明提供的碳纳米球基诊疗一体化复合材料，利用酰胺键将碳纳米球光热治疗剂和稀土掺杂纳米晶闪烁体结合得到纳米复合材料，结合后的材料在x射线激发下具有较好的发光性能，对于肿瘤的成像具有无背景荧光干扰的优点和可进行组织深处成像的潜力。
22.(3)本发明提供的碳纳米球基诊疗一体化复合材料的制备方法，其制备过程简便高效、可重复性高，有利于产业化；所得复合材料生物相容性好，另外碳纳米球与稀土掺杂纳米晶闪烁体之间采用酰胺键结合的方式比单纯的物理吸附更为牢固与稳定；
23.(4)本发明碳纳米球基诊疗一体化复合材料所采用的光热治疗剂是碳纳米球，具有绿色、简单的合成方式，尺寸大小均一，亲水性的表面，良好的生物相容性和良好的光热效果。本发明采用的稀土掺杂纳米晶闪烁体是镧系元素掺杂的氟化物基纳米粒子。具有良好的稳定性、尺寸均一、声子能量低的优点。
24.(5)本发明利用酰胺键将碳纳米球光热治疗剂和稀土掺杂纳米晶闪烁体结合得到纳米复合材料，该材料具有良好荧光成像和光热效果，可应用于癌症的x射线激发的荧光成像诊断与近红外光热治疗的一体化实施，减少患者的治疗费用和痛苦。
25.为更清楚地阐述本发明的结构特征和效果，下面结合附图与具体实施例来对本发明进一步详细说明。
附图说明
26.图1为本发明实施例复合材料的透射电镜(tem)照片；
27.图2为本发明实施例复合材料的x射线激发的荧光光谱图；
28.图3为本发明实施例复合材料在808nm近红外光(功率密度1.5w/cm2)照射0
‑
600秒的光热曲线图。
具体实施方式
29.为更进一步阐述本发明为达到预定目的所采取的技术手段及功效，下面将结合本发明的附图，对本发明的具体实施方式做详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.参见附图1～3，本发明是通过高温共沉淀法制备油溶性的稀土掺杂纳米晶闪烁体，利用聚乙烯亚胺对其进行水溶性改性，得到氨基功能化的稀土掺杂纳米晶闪烁体；然后，通过葡萄糖水热法得到具有羧基官能团的碳纳米球；最后，用1
‑
(3
‑
二甲氨基丙基)
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐(edc
·
hcl)和n
‑
羟基琥珀酰亚胺(nhs)对碳纳米球进行羧基活化后，加入上述氨基功能化的稀土掺杂纳米晶闪烁体，在常温条件下进行搅拌，得到碳纳米球表面键合稀土掺杂纳米晶闪烁体的复合材料。该复合材料具有稳定性好、生物相容性好，制备方法简单、可重复性高等优点，且其在x射线激发下具有较好的发光性能，在近红外光照射下具有良好的光热效应。该复合材料可以广泛用于实现x射线激发的荧光成像和近红外光热治疗一体化。
31.本发明实施例提供的碳纳米球基诊疗一体化复合材料，其是一种在碳纳米球的表面，键合稀土掺杂纳米晶闪烁体形成的复合材料，其中的稀土掺杂纳米晶闪烁体为镧系元素掺杂的氟化物基纳米粒子，所述的碳纳米球与稀土掺杂纳米晶闪烁体之间通过酰胺键结合；该复合材料在x射线激发下具有发光性能，同时在近红外光照射下具有光热效应。
32.所述的稀土掺杂纳米晶闪烁体为：nagdf4:eu、nagdf4:tb、nagdf4:eu,tb、nacef4:gd,tb或nacef4:gd,eu中的一种。
33.一种前述碳纳米球基诊疗一体化复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
34.(1)采用高温共沉淀法合成油溶性的稀土掺杂纳米晶闪烁体，并分散在三氯甲烷中；预备聚乙烯亚胺三氯甲烷溶液，在常温下与上述稀土掺杂纳米晶闪烁体三氯甲烷分散
液搅拌，待三氯甲烷挥发完全后，加入去离子水继续搅拌，得到的产物用去离子水进行洗涤后，分散在去离子水中，形成第一分散液；预备葡萄糖原料，溶于去离子水中，在室温下强力搅拌后，将其转移至聚四氟乙烯内衬中进行水热反应。得到的产物用乙醇和去离子水进行多次洗涤后，分散在去离子水中，形成第二分散液；
35.(2)在第二分散液中加入用于酰胺合成中的羧基活化试剂1
‑
(3
‑
二甲氨基丙基)
‑3‑
乙基碳二亚胺盐酸盐(edc
·
hcl)，搅拌后加入n
‑
羟基琥珀酰亚胺(nhs)以提高偶联反应效率，之后再滴加第一分散液，继续搅拌，得到的产物用去离子水洗涤后分散在去离子水中，得到碳纳米球表面键合稀土掺杂纳米晶闪烁体的复合材料，即碳纳米球基诊疗一体化复合材料。
36.所述步骤(1)具体为：
37.取3ml油溶性的稀土掺杂纳米晶闪烁体三氯甲烷分散液加入到2.5
‑
3.5ml聚乙烯亚胺三氯甲烷溶液中，室温下搅拌4
‑
6小时，待三氯甲烷溶剂挥发完全后，再加入10
‑
15ml去离子水，继续搅拌1
‑
2小时；得到的产物用去离子水洗涤后，分散在去离子水中，形成第一分散液；预备4克葡萄糖原料，溶于25
‑
35ml去离子水中，在室温下强力搅拌1
‑
2小时后，将其转移到至50ml聚四氟乙烯内衬中，在180摄氏度下水热反应2
‑
4小时；将产物用乙醇和去离子水进行多次洗涤后，分散在去离子水中，形成第二分散液。
38.所述步骤(2)具体为：
39.取10
‑
15mg edc
·
hcl加入至2ml第二分散液中，搅拌10
‑
25min后，继续加入5
‑
10mg nhs和2ml第一分散液，搅拌6
‑
8小时，将得到的产物用去离子水洗涤，最后分散在去离子水中，即得到碳纳米球表面键合稀土掺杂纳米晶闪烁体的复合材料。
40.一种前述碳纳米球基诊疗一体化复合材料的应用，将其作为原材料，用作制备x射线激发的荧光成像的成像剂。
41.一种前述碳纳米球基诊疗一体化复合材料的应用，将其作为原材料，用作制备近红外光光热治疗的治疗剂。
42.一种前述碳纳米球基诊疗一体化复合材料的应用，将其作为原材料，制备用于x射线激发的荧光成像诊断和近红外光热治疗的一体化诊疗剂。
43.具体实施例1
44.本发明实施例提供的碳纳米球基诊疗一体化复合材料，具体为一种碳纳米球表面键合稀土钆/铕掺杂的纳米晶闪烁体复合材料，其制备方法包括以下步骤：
45.(1)取3ml油溶性的稀土钆/铕掺杂纳米晶闪烁体三氯甲烷分散液加入到2.5
‑
3.5ml聚乙烯亚胺三氯甲烷溶液中，室温下搅拌4
‑
6小时，待三氯甲烷溶剂挥发完全后，再加入10
‑
15ml去离子水，继续搅拌1
‑
2小时。得到的产物用去离子水洗涤后，分散在去离子水中，形成第一分散液。预备4克葡萄糖原料，溶于25
‑
35ml去离子水中，在室温下强力搅拌1
‑
2小时后，将其转移到至50ml聚四氟乙烯内衬中，在180摄氏度下水热反应2
‑
4小时。产物用乙醇和去离子水进行多次洗涤后，分散在去离子水中，形成第二分散液。
46.(2)取10
‑
15mg edc
·
hcl加入至2ml第二分散液中，搅拌10
‑
25min后，继续加入5
‑
10mg nhs和2ml第一分散液，搅拌6
‑
8小时。得到的产物用去离子水洗涤，最后分散在去离子水中，得到碳纳米球表面键合稀土钆/铕掺杂的纳米晶闪烁体复合材料(cs@scnps)，即碳纳米球基诊疗一体化复合材料。
47.参见图1，本发明实施例1中所得产物的tem照片，从图中可以看出稀土钆/铕掺杂的纳米晶闪烁体以单颗粒分散无团聚的形式紧密附着在碳纳米球光热治疗剂上，说明该方法能得到形貌良好的产物，平均粒径约为220nm左右。球形纳米粒子更易于被细胞内吞，这对于其用作生物诊疗剂在生物体内循环具有重要意义。
48.具体实施例2
49.本发明实施例提供的碳纳米球基诊疗一体化复合材料，具体是一种碳纳米球表面键合稀土钆/铽掺杂的纳米晶闪烁体复合材料，其与实施例1基本相同，其不同之处在于，其制备方法包括以下步骤：
50.(1)取3ml油溶性的稀土钆/铽掺杂纳米晶闪烁体三氯甲烷分散液加入到2.5
‑
3.5ml聚乙烯亚胺三氯甲烷溶液中，室温下搅拌4
‑
6小时，待三氯甲烷溶剂挥发完全后，再加入10
‑
15ml去离子水，继续搅拌1
‑
2小时。得到的产物用去离子水洗涤后，分散在去离子水中，形成第一分散液。预备4克葡萄糖原料，溶于25
‑
35ml去离子水中，在室温下强力搅拌1
‑
2小时后，将其转移到至50ml聚四氟乙烯内衬中，在180摄氏度下水热反应2
‑
4小时。产物用乙醇和去离子水进行多次洗涤后，分散在去离子水中，形成第二分散液；
51.(2)取10
‑
15mg edc
·
hcl加入至2ml第二分散液中，搅拌10
‑
25min后，继续加入5
‑
10mg nhs和2ml第一分散液，搅拌6
‑
8小时。得到的产物用去离子水洗涤，最后分散在去离子水中，即得到碳纳米球表面键合稀土钆/铽掺杂的纳米晶闪烁体复合材料。
52.实施例3
53.本发明实施例提供的碳纳米球基诊疗一体化复合材料，具体是一种碳纳米球表面键合稀土钆/铽/铕掺杂的纳米晶闪烁体复合材料，其与实施例1、2基本相同，其不同之处在于，其制备方法包括以下步骤：
54.(1)取3ml油溶性的稀土钆/铽/铕掺杂纳米晶闪烁体三氯甲烷分散液加入到2.5
‑
3.5ml聚乙烯亚胺三氯甲烷溶液中，室温下搅拌4
‑
6小时，待三氯甲烷溶剂挥发完全后，再加入10
‑
15ml去离子水，继续搅拌1
‑
2小时。得到的产物用去离子水洗涤后，分散在去离子水中，形成第一分散液。预备4克葡萄糖原料，溶于25
‑
35ml去离子水中，在室温下强力搅拌1
‑
2小时后，将其转移到至50ml聚四氟乙烯内衬中，在180摄氏度下水热反应2
‑
4小时。产物用乙醇和去离子水进行多次洗涤后，分散在去离子水中，形成第二分散液。
55.(2)取10
‑
15mg edc
·
hcl加入至2ml第二分散液中，搅拌10
‑
25min后，继续加入5
‑
10mg nhs和2ml第一分散液，搅拌6
‑
8小时。得到的产物用去离子水洗涤，最后分散在去离子水中，即得到碳纳米球表面键合稀土钆/铽/铕掺杂的纳米晶闪烁体复合材料。
56.实施例4
57.本发明实施例提供的碳纳米球基诊疗一体化复合材料，具体是一种碳纳米球表面键合稀土铈/钆/铕掺杂的纳米晶闪烁体复合材料，其与实施例1、2、3均基本相同，其不同之处在于，其制备方法包括以下步骤：
58.(1)取3ml油溶性的稀土铈/钆/铕掺杂纳米晶闪烁体三氯甲烷分散液加入到2.5
‑
3.5ml聚乙烯亚胺三氯甲烷溶液中，室温下搅拌4
‑
6小时，待三氯甲烷溶剂挥发完全后，再加入10
‑
15ml去离子水，继续搅拌1
‑
2小时。得到的产物用去离子水洗涤后，分散在去离子水中，形成第一分散液。预备4克葡萄糖原料，溶于25
‑
35ml去离子水中，在室温下强力搅拌1
‑
2小时后，将其转移到至50ml聚四氟乙烯内衬中，在180摄氏度下水热反应2
‑
4小时。产物用乙
醇和去离子水进行多次洗涤后，分散在去离子水中，形成第二分散液。
59.(2)取10
‑
15mg edc
·
hcl加入至2ml第二分散液中，搅拌10
‑
25min后，继续加入5
‑
10mg nhs和2ml第一分散液，搅拌6
‑
8小时。得到的产物用去离子水洗涤，最后分散在去离子水中，即得到碳纳米球表面键合稀土铈/钆/铕掺杂的纳米晶闪烁体复合材料。
60.实施例5
61.本发明实施例提供的碳纳米球基诊疗一体化复合材料，具体为一种碳纳米球表面键合稀土铈/钆/铽掺杂的纳米晶闪烁体复合材料，其与实施例1、2、3、4基本相同，其不同之处在于，其制备方法包括以下步骤：
62.(1)取3ml油溶性的稀土铈/钆/铽掺杂纳米晶闪烁体三氯甲烷分散液加入到2.5
‑
3.5ml聚乙烯亚胺三氯甲烷溶液中，室温下搅拌4
‑
6小时，待三氯甲烷溶剂挥发完全后，再加入10
‑
15ml去离子水，继续搅拌1
‑
2小时。得到的产物用去离子水洗涤后，分散在去离子水中，形成第一分散液。预备4克葡萄糖原料，溶于25
‑
35ml去离子水中，在室温下强力搅拌1
‑
2小时后，将其转移到至50ml聚四氟乙烯内衬中，在180摄氏度下水热反应2
‑
4小时。产物用乙醇和去离子水进行多次洗涤后，分散在去离子水中，形成第二分散液。
63.(2)取10
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15mg edc
·
hcl加入至2ml第二分散液中，搅拌10
‑
25min后，继续加入5
‑
10mg nhs和2ml第一分散液，搅拌6
‑
8小时。得到的产物用去离子水洗涤，最后分散在去离子水中，即得到碳纳米球表面键合稀土铈/钆/铽掺杂的纳米晶闪烁体复合材料。
64.应用实施例1
65.本实施例提供的碳纳米球基诊疗一体化复合材料的应用，具体是将采用上述实施例1方法制备的，碳纳米球表面键合稀土钆/铕掺杂的纳米晶闪烁体复合材料，作为原材料，用于x射线激发的荧光成像，包括以下步骤：
66.(1)根据实施例1制得碳纳米球表面键合稀土钆/铕掺杂的纳米晶闪烁体复合材料的粉末；
67.(2)在x射线激发的荧光成像系统仪器上测得x射线激发的荧光光谱图。
68.图2是本发明实施例1中所得产物的x射线激发的荧光光谱图，在x射线(75kv，1.5ma)激发下，从图中可以观察到铕的特征发射峰，分别位于590nm，615nm，695nm，分别对应于铕的5d0→7f1，5d0→7f2，5d0→7f4跃迁。和近红外光激发源相比，x射线具有较强的生物组织穿透能力，有利于在活体内进行深度光学成像。
69.应用实施例2
70.本实施例提供的一种采用上述实施例方法制备的碳纳米球表面键合稀土钆/铕掺杂的纳米晶闪烁体复合材料，将作为原材料，其用于光热效应实验，具体包括以下步骤：
71.(1)配置不同浓度的纳米复合材料，分别为0、50、100、200、400μg/ml；
72.(2)用功率密度为1.5w/cm2的808nm近红外光分别照射10min；
73.(3)每隔20秒记录温度值。
74.图3是本发明实施例1中的纳米复合材料的光热曲线图。随着激光照射时间的增加，样品的温度也逐渐升高，最大浓度的样品可在600秒内达到26摄氏度左右的升温，该纳米材料具有良好的光热效应，光稳定性良好。
75.在上述两个应用实施例的基础上，该碳纳米球基诊疗一体化复合材料的应用，还可以将其作为原材料，制备用于x射线激发的荧光成像诊断和近红外光热治疗的一体化诊
疗剂，应用于癌症等患者的x射线激发的荧光成像诊断和近红外光热治疗的一体化诊疗。
76.本发明提供的复合材料及制备方法，通过独特的组分、结构及工艺设计，使各组分在合成过程中，利用酰胺键将具有良好光热效果的碳纳米球和稀土掺杂纳米晶闪烁体进行键合，从而得到具有x射线激发的较好的发光性能和光热效果的纳米复合材料。本发明提供的纳米复合材料具有生物相容性好、稳定性好，其合成方法具备简洁、可重复性高的优点，在肿瘤的成像和治疗等生物医药领域具有广泛的应用前景。
77.本发明的重点在于，将碳纳米球和稀土掺杂纳米晶闪烁体之间通过酰胺键进行连接，制备过程易控，可重复性高，得到的产品结构稳定，生物相容性较好。
78.本发明不限于上述实施方式，采用与其相同或相似方法得到的碳纳米球键合稀土掺杂纳米晶闪烁体的方法，如不同稀土离子掺杂的纳米晶闪烁体(nagdf4:eu、nagdf4:tb；、nagdf4:eu,tb、nacef4:gd,tb、nacef4:gd,eu)以及类似的应用，均在本发明保护范围内。