硫化铜/介孔二氧化硅核壳纳米材料及其制备方法和应用

摘要

本发明涉及一种硫化铜/介孔二氧化硅核壳纳米材料及其制备方法和应用，核壳纳米材料的化学式为Cu9S5/mSiO2-PEG。制备方法，包括：（1）油胺在氮气保护，升温，加入二乙基二硫代胺基甲酸铜和油胺的混合液，分散在氯仿中配制成D溶液；（2）表面活性剂溶解在水中，升温，加入D溶液后配制成E溶液；（3）取E溶液，加乙醇升温加入NaOH溶液后，立即加TEOS，反应，然后加入PEG-silane，继续反应，进行水热反应，加入洗涤液中离心、洗涤，即得。应用于近红外光热治疗，抗癌药物，肿瘤的化疗和红外热成像。本发明的纳米材料具有很低的细胞毒性与很高的血液相容性；所产生的热疗与化疗的联合效果好。

说明书

技术领域

本发明属于核壳纳米材料及其制备和应用领域，特别涉及一种硫化铜/介孔二氧化硅核壳 纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

光热治疗作为一种微创治疗技术，利用光热试剂将激光的光能转化为热能，杀死癌细胞。 光热治疗所使用的近红外激光的波长范围在700-1100nm，具有几厘米的组织穿透能力。光热 治疗作为癌症传统治疗方法的补充，已经引起了极大的关注。

最近多种具有强的光吸收的材料，已经显现出惊人的光热治疗效果。其中，贵金属纳米 材料是最广泛探索的纳米材料，包括Au纳米棒、Au纳米笼子、Au纳米壳、Pd纳米片。但 是贵金属纳米材的高成本限制了其广泛的生物应用。碳材料包括碳纳米管和石墨烯以及有机 化合物包括PEDOT:PSS、聚苯胺和聚吡咯，也表现出优异的光热杀死癌细胞的效果。最近， 硫属铜基光热转换材料作为一种有前景的光热试剂，具有成本低，光热转换效率高，制备方 法简便等优点(ACS Nano 2011,5,9761-9771;Adv.Mater.2011,23,3542-3547;J.Am.Chem. Soc.2010,132,15351-15358;Nano Lett.2011,11,2560-2566)。我们先前报道了：CuS花装超结 构(Adv.Mater.2011,23,3542-3547)，以及Cu₉S₅纳米盘(ACS Nano 2011,5,9761-9771)，是 一种能在980nm驱动，有效杀死癌细胞的光热转换试剂。众所周知，光热材料作为一种理想 的平台应用于肿瘤的治疗上，需满足以下几个方面：近红外吸收强，光热转换效率高，生物 相容性好。然而通过热解法制备的硫属铜基纳米晶通常是疏水的(ACS Nano 2011,5, 9761-9771;Nano Lett.2011,11,2560-2566)，并且其生物相容性较差。即使能通过配体交换(ACS  Nano 2011,5,9761-9771)和聚合物包覆（Nano Lett.2011,11,2560-2566)改善其亲水性，但 是依然具有较大的生物毒性，限制了其在生物领域的广泛应用。因此，探索和开发能进一步 降低硫属铜基光热试剂毒性的表面修饰新技术，具有重要的应用价值。在硫属铜基纳米材料 表面包裹一层二氧化硅壳，可以提高其生物相容性和稳定性，降低其生物毒性。将介孔二氧 化硅壳包裹在硫属铜基纳米材料上，则形成硫属铜基纳米材料/介孔二氧化硅核壳纳米结构。 其中，硫属铜基纳米材料能有效地将近红外光能转化为热能杀死癌细胞，同时具有红外热成 像功能；介孔的二氧化硅壳能够负载抗癌药物，具有药物传输与缓释的功能，可应用于肿瘤 细胞的化疗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种硫化铜/介孔二氧化硅核壳纳米材料及其制备方 法和应用，这种Cu₉S₅/mSiO₂-PEG核壳纳米结构的尺寸在5-500nm之间，具有很低的细胞 毒性与很高的血液相容性，不仅能够有效地光热烧蚀癌细胞和红外热成像，而且能有效地将 抗癌药物DOX传输到细胞内，并具有pH敏感的药物缓释性能。更重要的是，其所产生的 热疗与化疗的联合效果要优于单独的热疗或化疗。

本发明的一种硫化铜/介孔二氧化硅核壳纳米材料，其特征在于：所述核壳纳米材料的化 学式为Cu₉S₅/mSiO₂-PEG，其中m：介孔。

本发明的一种硫化铜/介孔二氧化硅核壳纳米材料的制备方法，包括：

（1）将二乙基二硫代胺基甲酸钠溶于水，配成A溶液，将CuCl₂溶解在水中，配成B 溶液，然后将A逐滴滴加到B中，搅拌，抽滤，水洗，真空干燥，得到二乙基二 硫代胺基甲酸铜；其中二乙基二硫代胺基甲酸钠和CuCl₂的物质的量比为2:1；

（2）将二乙基二硫代胺基甲酸铜分散在油胺中，配成C溶液，容器中加入油胺，氮气 保护，除去水和氧，升温稳定在150~350℃，然后加入C溶液，反应1~60min、冷 却、离心、洗涤后分散在氯仿中，配制成D溶液；其中二乙基二硫代胺基甲酸铜 物质的量和油胺的体积比为0.01~1mmol:1ml；

（3）将表面活性剂溶解在水中，升温并稳定在30~80℃，搅拌，逐滴加入上述D溶液 后，搅拌、蒸馏、过滤、稀释后配制成E溶液；

（4）取上述E溶液，加入乙醇，搅拌，升温并保持在30~80°C，加入NaOH溶液后， 立即加入TEOS，60℃反应1~2h后，加入聚乙二醇-硅烷偶联剂，继续反应1~1.5h， 然后进行水热反应，冷却后，离心，洗涤，然后加入洗涤液中，搅拌、离心、洗 涤，即得到Cu₉S₅/mSiO₂-PEG核壳纳米结构，其中溶液E和乙醇的体积比为 10~100:1~10，NaOH溶液、TEOS和聚乙二醇-硅烷偶联剂的体积比为1:0.5~5:0.5~5。

所述步骤（2）中所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵CTAB。

所述步骤（2）中过滤方法是用0.22微米的微孔滤膜抽滤。

所述步骤（3）中NaOH溶液的浓度为10~100mg/mL。

所述步骤（3）中水热反应温度为80~160℃，水热反应时间为6~24h。

所述步骤（3）中洗涤液为硝酸胺的乙醇溶液，浓度为1~15mg/mL。

所述步骤（3）中加入洗涤液后，搅拌温度为60℃，搅拌时间为1~2h。

所述核壳纳米材料应用于近红外光热治疗，抗癌药物负载、转运、缓释，肿瘤的化疗和 红外热成像。

本发明的一种硫化铜/介孔二氧化硅核壳纳米材料的应用，核壳纳米材料应用于近红外光 热治疗，抗癌药物负载、转运、缓释，肿瘤的化疗和红外热成像。

本发明首先制备Cu₉S₅纳米晶，然后通过表面活性剂将疏水性的Cu₉S₅纳米晶转移到水相 中，再通过溶胶凝胶法以表面活性剂为模板在其表面生长一层介孔二氧化硅，最后通过表面 修饰偶联上聚乙二醇，获得尺寸在5~500nm的Cu₉S₅/mSiO₂-PEG核壳纳米结构。其中获 得稳定的介孔二氧化硅壳，关键在于使用水热法进行后处理。

本发明用洗涤液移除有毒的有机模板CTAB获得低毒性的Cu₉S₅mSiO₂-PEG核壳纳米 结构；通过介孔二氧化硅的包覆降低硫化铜光热试剂的细胞毒性，通过介孔二氧化硅的包覆 以及表面的PEG修饰提高硫化铜光热试剂的血液相容性。

有益效果

（1）本发明的Cu₉S₅/mSiO₂-PEG核壳纳米结构的尺寸在5~500nm之间，具有很低的细胞 毒性与很高的血液相容性，不仅能够有效地光热烧蚀癌细胞和红外热成像，而且能有 效地将抗癌药物DOX传输到细胞内，并具有pH敏感的药物缓释性能；

（2）本发明中硫属铜基光热试剂具有成本低，光热转换效率高，制备方法简便等优点，然 而通过热解法制备的硫属铜基纳米晶通常是疏水的，其毒性较大、生物相容性较差， 将介孔二氧化硅壳包覆在硫属铜基纳米材料表面，不仅能提高其生物相容性，而且能 够负载抗癌药物，应用于肿瘤细胞的化疗；

（3）本发明制备的Cu₉S₅/mSiO₂-PEG核壳纳米结构，其所产生的热疗与化疗的联合效果要 优于单独的热疗或化疗。

附图说明

图1.是实施例1中所制备的硫化铜/介孔二氧化硅核壳纳米结构的低倍TEM图（a）和高倍 TEM图（b）；

图2.是实施例1中所制备的硫化铜/介孔二氧化硅核壳纳米结构的XRD图谱（a），紫外可见 近红外光吸收谱图（b），光热转换图（c），药物缓释图（d）。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不 用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可 以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

（1）二乙基二硫代胺基甲酸铜的合成：将20mmol的二乙基二硫代胺基甲酸钠溶于40mL 的水中，配成A溶液。将10mmol的CuCl₂溶解在40mL水中，配成B溶液。然后将A逐 滴滴加到B中，搅拌4小时。抽滤，水洗三次，60°C真空干燥备用。

（2）合成尺寸小于50nm的Cu₉S₅纳米晶：将1mmol的二乙基二硫代胺基甲酸铜溶解在5mL 油胺中，配成C溶液；在三口烧瓶中，加入15mL油胺，氮气保护，80℃稳定半个小时，除 水和除氧，然后继续升温并稳定在300℃，快速注入C溶液，反应10分钟。冷却后，加入 乙醇离心，正己烷洗涤，最后分散在10ml氯仿中，配成D溶液，待用。

（3）制备CTAB稳定的水溶性的Cu₉S₅纳米晶：2g的CTAB溶解在80mL水中，升温并 稳定在40°C，剧烈搅拌下，逐滴加入D溶液，继续搅拌48小时。之后通过旋转蒸发蒸馏 出残留的氯仿，再用0.22微米的微孔滤膜过滤，最后稀释至100mL，配成透明的墨绿色的E 溶液。

（4）制备表面修饰PEG的Cu₉S₅/mSiO₂核壳纳米结构：取50mL的E溶液，加入3mL的 乙醇，超声搅拌之后，升温并保持在60°C。首先在加入100μL的NaOH溶液(30mg/mL) 之后，立即加入100μL的TEOS，60°C下反应一小时后，再加入100μL的聚乙二醇-硅 烷偶联剂（PEG-silane），继续反应1.5小时，之后转移至水热反应釜中，90°C下水热反应12 小时。冷却后，离心，乙醇洗涤一下，加入到50mL的硝酸铵的乙醇溶液中（6mg/mL），60 °C下搅拌一小时。之后离心，乙醇洗三次，移除介孔SiO₂中的CTAB，即得到Cu₉S₅/mSiO₂-PEG 核壳纳米结构。

得到的Cu₉S₅/mSiO₂-PEG核壳纳米结构，应用于近红外光热治疗，抗癌药物负载、转运、 缓释，肿瘤的化疗和红外热成像。

实施例2

（1）二乙基二硫代胺基甲酸铜的合成：将20mmol的二乙基二硫代胺基甲酸钠溶于40mL 的水中，配成A溶液。将10mmol的CuCl₂溶解在40mL水中，配成B溶液。然后将A逐 滴滴加到B中，搅拌4小时。抽滤，水洗三次，60°C真空干燥备用。

（2）合成尺寸小于50nm的Cu₉S₅纳米晶：将0.5mmol的二乙基二硫代胺基甲酸铜溶解在 5mL油胺中，配成C溶液；在三口烧瓶中，加入15mL油胺，氮气保护，80℃稳定半个小时， 除水和除氧，然后继续升温并稳定在280℃，快速注入C溶液，反应10分钟。冷却后，加 入乙醇离心，正己烷洗涤，最后分散在10ml氯仿中，配成D溶液，待用。

（3）制备CTAB稳定的水溶性的Cu₉S₅纳米晶：2g的CTAB溶解在80mL水中，升温并 稳定在80°C，剧烈搅拌下，逐滴加入D溶液，继续搅拌5小时。之后通过旋转蒸发蒸馏出 残留的氯仿，再用0.22微米的微孔滤膜过滤，最后稀释至100mL，配成透明的墨绿色的E 溶液。

（4）制备表面修饰PEG的Cu₉S₅/mSiO₂核壳纳米结构：取40mL的E溶液，加入1mL的 乙醇，超声搅拌之后，升温并保持在40°C。首先在加入100μL的NaOH溶液(30mg/mL) 之后，立即加入100μL的TEOS，60°C下反应一小时后，再加入150μL的聚乙二醇-硅 烷偶联剂（PEG-silane），继续反应1.5小时，之后转移至水热反应釜中，80°C下水热反应12 小时。冷却后，离心，乙醇洗涤一下，加入到50mL的硝酸铵的乙醇溶液中（6mg/mL），60 °C下搅拌一小时。之后离心，乙醇洗三次，移除介孔SiO2中的CTAB，即得到 Cu₉S₅/mSiO₂-PEG核壳纳米结构。