一种基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了一种基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料及其制备方法与应用，其采用柱芳烃和上转换纳米晶自组装而成，所述上转换纳米晶的表面包裹有惰性NaGdF4层或惰性NaNdF4层，并且惰性NaGdF4层或惰性NaNdF4层表面还经过羧基改性的十六烷基三甲基溴化铵改性，制备方法简单，可重复性高。该纳米材料具有诊疗一体化的功能，可应用与制备荧光成像或磁共振成像的成像剂，且具有药物输送和pH响应释放的功能，可用作制备药物载体。

说明书

技术领域

本发明属于纳米生物材料技术领域，涉及一种纳米材料及其制备方法与应用，具体涉及一种自组装的纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术

近些年来，荧光成像已经成为光学成像技术中的研究热点之一，这是由于荧光成像具有灵敏度高、对细胞到生物组织无损伤等优点。而在其中，稀土掺杂上转换发光纳米材料作为一种新兴荧光材料引起了人们的广泛关注，这是因为它通常是采用低能光激发(通常是近红外光980nm)，发射出高能光(红光、绿光、近红外光800nm)，这些优点可以消除生物背景荧光干扰以及低的信噪比，使其可以广泛运用在一系列生物成像领域，如细胞成像、小动物活体成像、磁共振成像(MRI)等。

在药物输送系统(DDS)的研究中，主要集中在新型介孔纳米材料，但是这类纳米材料重复性差、结构可控性差、药物负载率低、稳定性不好等，从而限制了其在生物领域的应用。目前，基于水溶性柱芳烃自组装结构的纳米胶束和纳米囊泡，具有重复性好、结构可控和稳定性良好等优点，但它作为抗癌药物输送系统的巨大应用前景不容忽视。

针对目前临床上癌症诊断和治疗相互独立，治疗周期长，费用高，化学治疗、放射治疗、手术治疗等治疗手段副作用大等问题，为提高治疗的精准度，缩短治疗周期，减少对正常组织的损伤，将成像与治疗相结合，制备具有诊疗一体化功能的新型纳米材料，成为癌症治疗的新方向。

因此发展多模态诊断、治疗一体化的基于水溶性柱芳烃和上转换纳米粒子自组装的纳米体系是非常有必要的。但是现有技术，存在着制备工艺、组份、结构及应用性能等多方面的限制，难以获得纳米级的结构和性能，并难以实现产业化，以及难以满足临床荧光成像、磁共振成像和抗癌药物输送的诊疗一体化需要。

发明内容

本发明是针对现有技术中的不足，而提供一种基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料及其制备方法与应用，满足临床诊疗一体化即荧光成像、磁共振成像和抗癌药物输送的一体化需要。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将表面包裹有惰性NaGdF₄层或惰性NaNdF₄层的油溶性稀土上转换发光纳米晶分散在环己烷中，加入等体积水和少量稀盐酸调节pH>4层或惰性NaNdF₄层的水溶性纳米晶；然后，将配体15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)溶于水，并在50～70℃加热条件下使其充分溶解，待冷却到室温后加入到上述改性后的水溶性纳米晶中，并在25～35℃下搅拌反应10～16h，生成该配体功能化的表面包裹有惰性NaGdF₄或惰性NaNdF₄层的水溶性纳米晶，离心、洗涤，取固体溶于水中，形成第一分散液；

(2)将柱芳烃溶于水中，并在搅拌的同时加入到第一分散液中，在25～35℃下充分搅拌后离心、洗涤，取固体，即得到基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(1)中的表面包裹有惰性NaGdF₄层或惰性NaNdF₄层的水溶性稀土上转换发光纳米晶、15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)与柱芳烃之间的质量比为：(10～15mg):(0.4～0.5g):(0.05～0.10g)。

作为本发明的进一步改进，优选地，所述步骤(1)中的配体15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)与表面包裹有惰性NaGdF₄层或惰性NaNdF₄层的水溶性纳米晶的最佳质量比为20：1。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(1)中表面包裹有惰性NaGdF₄层的油溶性稀土上转换发光纳米晶包括：NaYF₄:Yb,Er@NaGdF₄、NaYF₄:Yb,Tm@NaGdF₄、以及NaYF₄:Yb,Ho@NaGdF₄、表面包裹有惰性NaNdF₄层的油溶性稀土上转换发光纳米晶包括：NaGdF₄:Yb,Er@NaNdF₄。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(2)中的柱芳烃为水溶性柱芳烃，优选地，其为柱[5,6]芳烃磷酸盐或柱[5,6]芳烃铵盐。

一种基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料，其采用柱芳烃和上转换纳米晶自组装而成，所述上转换纳米晶的表面包裹有惰性NaGdF₄层或惰性NaNdF₄层，并且惰性NaGdF₄层或惰性NaNdF₄层表面还要经过15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)改性。

作为本发明的进一步改进，所述表面包裹有惰性NaGdF₄层或惰性NaNdF₄层上转换纳米晶包括：NaYF₄:Yb,Er@NaGdF₄、NaYF₄:Yb,Tm@NaGdF₄、以及NaYF₄:Yb,Ho@NaGdF₄、NaGdF₄:Yb,Er@NaNdF₄。

作为本发明的进一步改进，所述柱芳烃为水溶性柱芳烃，优选地，其为柱[5,6]芳烃磷酸盐或柱[5,6]芳烃铵盐。

一种基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料的应用，将其用作制备荧光成像或磁共振成像的造影剂。

一种基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料的应用，将其用作制备基于pH响应释放的药物载体。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料的制备方法，采用改性材料包覆法，步骤少、材料组装效率高，可重复性高，制得的材料一致性好、均匀性好，品质稳定，易于产业化；

(2)本发明提供的基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料，采用独特的步骤及组份制成，突破了同类产品的工艺限制，能够实现纳米级结构，尺寸大小均匀、品质稳定，单分散性好、生物相容性好；

(3)基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料，由于其具备的独特的组份和纳米结构，具有荧光/磁共振多模式成像、抗癌药物输送和pH响应的药物释放所需的尺寸和结构特点，突破了同类产品的应用限制，可广泛应用于靶向诊断和靶向给药领域，能够满足荧光成像、磁共振成像和抗癌药物输送的临床诊疗一体化需要。

下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例1基于水溶性柱芳烃和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铒掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料的TEM照片；

图2为本发明实施例7不同浓度的基于水溶性柱芳烃和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铒掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料荧光光谱图；

图3为本发明实施例8不同浓度的基于水溶性柱芳烃和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土钬掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料的磁共振成像图；

图4为本发明实施例9基于柱芳烃与上转换纳米晶自组装的纳米材料的pH值响应药物释放率曲线图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供的一种基于水溶性柱[5]芳烃铵盐和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铒掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料及其制备方法，包括以下步骤：

(1)预备10mg粒径为30～35nm油溶性NaYF₄:Yb,Er@NaGdF₄分散在环己烷中，加入等体积水和少量稀盐酸调节pH>4层的水溶性纳米晶；然后，将0.5g的15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)溶于10mL水并在50℃加热条件下使其充分溶解，待冷却到室温后加入到上述改性后的水溶性纳米晶中，在25℃下搅拌反应10h，生成功能化的表面包裹有惰性NaGdF₄层的水溶性纳米晶，离心、洗涤取固体溶于水中，形成第一分散液；

(2)将0.1g水溶性柱芳烃溶解在5mL水中并在搅拌的同时加入到第一分散液中，在25℃下充分搅拌后，离心取固体洗涤，即得到基于柱芳烃和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铒掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料

一种采用上述方法制备而得的基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料，其采用柱芳烃和上转换纳米晶自组装而成，所述上转换纳米晶为NaYF₄:Yb,Er@NaGdF₄，所述柱芳烃为柱[5,6]芳烃铵盐，并且惰性NaGdF₄层经过15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)改性。

上述基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料的应用，将其用作制备荧光成像或磁共振成像的造影剂。

上述基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料的应用，将其用作制备基于pH响应释放的药物载体。

图1为本实施例制得的基于水溶性柱芳烃和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铒掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料的TEM照片，可见纳米粒子粒径分布均匀，说明该方法能得到形貌良好、单分散性好的纳米材料，并且功能化后的纳米材料平均粒径约为40～50nm，因为球形、小尺寸纳米粒子更容易被细胞内吞，这对于其用作生物探针在生物体内循环具有重要意义，能够满足荧光成像、磁共振成像和抗癌药物输送的临床诊疗一体化需要。

实施例2

本实施例提供的一种基于水溶性柱[5,6]芳烃铵盐和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铥掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料、制备方法及其应用，其与实施例1基本相同，其不同之处在于，其包括以下步骤：

(1)预备15mg粒径为30～35nm油溶性NaYF₄:Yb,Tm@NaGdF₄分散在环己烷中，加入等体积水和少量稀盐酸调节pH>4层的水溶性纳米晶；然后，将0.4g的15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)溶于12mL水并在70℃加热条件下使其充分溶解，待冷却到室温后加入到上述改性后的水溶性纳米晶中，在25℃下搅拌反应12h，生成功能化的表面包裹有惰性NaGdF₄层的水溶性纳米晶，离心、洗涤取固体溶于水中，形成第一分散液；

(2)将0.05g柱[5,6]芳烃铵盐溶解在5mL水中并在搅拌的同时加入到第一分散液中，在25℃下充分搅拌后，离心取固体洗涤，即得到基于柱芳烃和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铥掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料。

采用上述方法制备而得的基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料，其采用柱芳烃和上转换纳米晶自组装而成，所述上转换纳米晶为NaYF₄:Yb,Tm@NaGdF₄，所述柱芳烃为柱[5,6]芳烃铵盐，并且惰性NaGdF₄层经过15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)改性。

实施例3

本实施例提供的一种基于水溶性柱[5,6]芳烃铵盐和表面包裹有惰性NaNdF₄层的稀土铥掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料、制备方法及其应用，其与实施例1、2均基本相同，其不同之处在于，包括以下步骤：

(1)预备13mg粒径为30～35nm油溶性NaYF₄:Yb,Tm@NaNdF₄分散在环己烷中，加入等体积水和少量稀盐酸调节pH>4:Yb,Tm@NaNdF₄改性为水溶性NaYF₄:Yb,Tm@NaNdF₄，然后，将0.5g的15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)溶于10mL水并在50℃加热条件下使其充分溶解，待冷却到室温后加入到上述改性后的水溶性纳米晶中，在25℃下搅拌反应12h，生成功能化的表面包裹有惰性NaNdF₄层的水溶性纳米晶，离心、洗涤取固体溶于水中，形成第一分散液；

(2)将0.10g水溶性柱[5,6]芳烃铵盐溶解在5mL水中并在搅拌的同时加入到第一分散液中，在25℃下充分搅拌后，离心取固体洗涤，即得到基于柱芳烃和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铥掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料。

采用上述方法制备而得的基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料，其采用柱芳烃和上转换纳米晶自组装而成，所述上转换纳米晶为NaYF₄:Yb,Tm@NaNdF₄，所述柱芳烃为柱[5,6]芳烃铵盐，并且惰性NaNdF₄层经过15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)改性。

实施例4

本实施例提供的一种基于水溶性柱[5,6]芳烃铵盐和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土钬掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料、制备方法及其应用，其与实施例1-3均基本相同，其不同之处在于，其包括以下步骤：

(1)预备12mg粒径为30～35nm油溶性NaYF₄:Yb,Ho@NaGdF₄分散在环己烷中，加入等体积水和少量稀盐酸调节pH>4层的水溶性纳米晶；然后，将0.4g的15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)溶于10mL水并在60℃加热条件下使其充分溶解，待冷却到室温后加入到上述改性后的水溶性纳米晶中，在25℃下搅拌反应14h，生成功能化的表面包裹有惰性NaGdF₄层的水溶性纳米晶，离心、洗涤取固体溶于水中，形成第一分散液；

(2)将0.05g水溶性柱[5,6]芳烃铵盐溶解在5mL水中并在搅拌的同时加入到第一分散液中，在25℃下充分搅拌后，离心取固体洗涤，即得到基于柱芳烃和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土钬掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料。

一种采用上述方法制备而得的基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料，其采用柱芳烃和上转换纳米晶自组装而成，所述上转换纳米晶为NaYF₄:Yb,Ho@NaGdF₄，所述柱芳烃为柱[5,6]芳烃铵盐，并且惰性NaGdF₄层经过15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)改性。

实施例5

本实施例提供的一种基于柱[5,6]芳烃磷酸盐和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铒掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料、制备方法及其应用，其与实施例1-4均基本相同，其不同之处在于，其包括以下步骤：

(1)预备10mg粒径为30～35nm油溶性NaYF₄:Yb,Er@NaGdF₄分散在环己烷中，加入等体积水和少量稀盐酸调节pH>4层的水溶性纳米晶；然后，将0.5g的15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)溶于10mL水并在50℃加热条件下使其充分溶解，待冷却到室温后加入到上述改性后的水溶性纳米晶中，在25℃下搅拌反应10h，生成功能化的表面包裹有惰性NaGdF₄层的水溶性纳米晶，离心、洗涤取固体溶于水中，形成第一分散液；

(2)将0.10g水溶性柱芳烃溶解在5mL水中并在搅拌的同时加入到第一分散液中，在25℃下充分搅拌后，离心取固体洗涤，即得到基于柱[5,6]芳烃磷酸盐和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铒掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料。

采用上述方法制备而得的基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料，其采用柱芳烃和上转换纳米晶自组装而成，所述上转换纳米晶为NaYF₄:Yb,Er@NaGdF₄，所述柱芳烃为柱[5,6]芳烃磷酸盐，并且惰性NaGdF₄层经过15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)改性。

实施例6

本实施例提供的一种基于柱[5,6]芳烃铵盐和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铒掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料、制备方法及其应用，其与实施例1-5均基本相同，其不同之处在于，其包括以下步骤：

(1)预备10mg粒径为30～35nm油溶性NaYF₄:Yb,Er@NaGdF₄分散在环己烷中，加入等体积水和少量稀盐酸调节pH>4层的水溶性纳米晶；然后，将0.5g的15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)溶于10mL水并在50℃加热条件下使其充分溶解，待冷却到室温后加入到上述改性后的水溶性纳米晶中，在25℃下搅拌反应10h，生成功能化的表面包裹有惰性NaGdF₄层的水溶性纳米晶，离心、洗涤取固体溶于水中，形成第一分散液；

(2)将0.1g水溶性柱芳烃溶解在5mL水中并在搅拌的同时加入到第一分散液中，在25℃下充分搅拌后，离心取固体洗涤，即得到基于柱[5,6]芳烃铵盐和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铒掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料。

采用上述方法制备而得的基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料，其采用柱芳烃和上转换纳米晶自组装而成，所述上转换纳米晶为NaYF₄:Yb,Er@NaGdF₄，所述柱芳烃为柱[5,6]芳烃铵盐，并且惰性NaGdF₄层经过15-羧基-N,N,N-三甲基十五烷-1-溴化铵(C₁₆H₃₀O₂NBr)改性。

实施例7

本实施例提供一种将实施例1制得的基于水溶性柱芳烃和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铒掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料用于细胞荧光成像的方法，包括以下步骤：

(1)预备10～15mg基于水溶性柱芳烃和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铒掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料，30mL培养基，96孔板培养的Hela细胞；

(2)将预备的纳米材料用培养基配制成3～4mg/mL，超声5分钟分散，形成第二分散液；

(3)取不同浓度的第五分散液加入96孔板中，随后置于恒温恒湿机箱中培养2小时，在激光共聚焦显微镜下观察。

图2是本发明实施例1制得的基于水溶性柱[5,6]芳烃铵盐和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铒掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料在980nm激光激发下的荧光光谱图，从图中可以观察到位于540nm和654nm处的发射峰，对应于Er³⁺的⁴S_3/2/²H_11/2→⁴H_15/2和⁴F_9/2→⁴I_15/2跃迁，而980nm刚好位于生物组织的“光学窗口”，表明柱芳烃功能化的上转换纳米晶仍然保持良好的上转换荧光性能，非常适合于细胞和小动物活体成像。

实施例8

本实施例提供的一种将实施例4制得的基于水溶性柱[5,6]芳烃铵盐和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土钬掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料应用于磁共振成像的方法，包括以下步骤：

(1)预备10～15mg基于水溶性柱芳烃和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土钬掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料，用磷酸盐缓冲溶液(PBS)将其配制成1～2mg/mL，超声5分钟分散，形成第三分散液；

(2)取不同浓度的第三分散液，在磁共振仪上分别测其磁共振成像。

图3是本发明实施例4制得的基于水溶性柱芳烃和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土钬掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料的磁共振成像图，通过Gd³⁺浓度对1/T₁作图并直线拟合后的到得到弛豫常数R₁，证实了该纳米材料可用于磁共振成像。

实施例9

本实施例提供的一种将实施例6制得的基于柱[5,6]芳烃铵盐和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铒掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料用于pH响应的药物释放的方法，其包括以下步骤：

(1)预备10～15mg负载了抗癌药物阿霉素(DOX)的基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料，不同pH值的磷酸盐缓冲溶液(PBS)，3只透析管；

(2)将预备负载了DOX的纳米体系用PBS配成3～4mg/mL，超声5分钟分散，形成第四分散液；

(3)取相同浓度的第四分散液等量加入到3只透析管中，并置于不同pH的PBS缓冲溶液中，透析24小时，每隔2h取样，通过检测DOX在480nm处的吸收值计算出药物释放量。

图4为基于柱[5,6]芳烃铵盐和表面包裹有惰性NaGdF₄层的稀土铒掺杂上转换纳米晶自组装的纳米材料，用于pH响应的药物释放时的释放率曲线，从图中可以看出正常生理条件下，阿霉素(DOX)释放率较低；当环境趋于酸性条件时，DOX释放率显著提高，证实了本发明提供的复合纳米材料适用于抗癌药物运送及pH响应释放。

本发明的重点在于，本发明基于柱芳烃和上转换纳米晶自组装的纳米材料，根据诊疗一体化的组份及结构特性需求，采用独特的组份及制备方法，使材料具有上转换荧光成像、磁共振成像、抗癌药物输送及释放的功能，且制备方法步骤少，操作方便，过程易控，可重复性高，一致性好，易于产业化。

本发明并不限于上述实施方式，采用与其相同或相似方法所得到的其它基于水溶性柱芳烃和上转换纳米粒子自组装的纳米体系的方法，如不同稀土离子掺的上转换纳米晶(NaYF₄:Yb,Er；NaGdF₄:Yb,Er,Tm；NaYF₄:Yb,Ho等)、用于自组装结构的不同柱芳烃、不同的有机配体等均在本发明保护范围内。