具有高光热转换效率的水溶性酞菁纳米材料的制备方法及应用

摘要

本发明公开了一种新型高光热转换效率的水溶性酞菁纳米材料及其制备方法和应用，所述酞菁纳米材料是由不同四氨基酞菁化合物与多羧酸化合物通过分子自组装和水热法制备得到。相对于现有的光热材料，其具有高光热转换效率、制备方法简单、省时且提纯简便等特点。水热法所需的原料来源广，四氨基酞菁化合物合成简单，制备得到的酞菁纳米材料光热性质优异，用于肿瘤细胞的光热治疗效果明显，作为肿瘤光热治疗剂很有应用潜力。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料及医用材料技术领域，具体涉及一种具有高光热转换效率的水溶性酞菁纳米材料及其制备方法和在医疗方面的应用。

背景技术

光热治疗是一种新兴的癌症治疗方法，该方法具有选择性高、微创等优点。光热治疗时，纳米材料通过EPR效应(enhanced permeability and retention effect，高通透性和滞留效应)到达肿瘤细胞或者肿瘤组织，在近红外光的照射下纳米材料高效地产生热效应，使肿瘤组织温度升高而诱导癌细胞各种生物酶功能紊乱，最终导致癌细胞死亡。优良的光热纳米材料不仅在近红外光区有很强的吸收，而且光热转换效率较高，还必须具备生物毒性低、光稳定性好、生理环境稳定性高等优点。

目前已经报道的光热材料主要包括有机物(吲哚菁绿)、贵金属纳米颗粒(Au、Ag、Pt)、普鲁士蓝、碳类材料(石墨烯、碳纳米棒)等。这些材料常常因为价格昂贵、合成方法复杂、毒性大、光稳定性差、光热转换效率低以及生物相容性差等原因，在肿瘤光热治疗应用中受到较大的限制。

酞菁类化合物由于在近红外区有较好的吸收，因此被视为一种很有潜力的光热材料，但是其溶解性很差并且容易发生聚集，对酞菁进行化学修饰合成可溶于水的酞菁化合物成为了当前的研究热点。目前已经公开的文献中(如CN102675625A、CN103539799A、CN104311566A、CN105294707A等)，针对酞菁的水溶性改性过程往往涉及复杂的化学反应和合成步骤，并且产物提纯较为困难，最终得到的酞菁类材料的光热效果依然不够理想。因此开发一种制备方法简单、光热转换效率高、生物相容性好的酞菁纳米光热材料具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有酞菁类光热材料存在的上述问题，提供一种新型高光热转换效率的水溶性酞菁纳米材料及其制备方法和在医药方面的应用。本发明通过分子自组装技术，使柠檬酸等多羧酸化合物包裹在四氨基酞菁化合物表面并溶解在水中，然后通过高温水热反应将有机酸缓慢分解，最终得到具有良好水溶性和光热转换效率的新型酞菁纳米材料。上述过程具体包括以下步骤：

(a)将四氨基酞菁化合物溶于有机溶剂中得到混合溶液A，将多羧酸化合物溶于水中得到混合溶液B，将混合溶液A滴加到混合溶液B中得到混合溶液C；

(b)加热使混合溶液C升温，保温反应一段时间后继续加热至多羧酸化合物的分解温度，待溶剂蒸干后得到混合物D；

(c)用适量水溶解混合物D，再次加热至多羧酸化合物的分解温度并蒸干，重复溶解-蒸干多次，最后用水溶解所得固体得到混合溶液E，调节混合溶液E的pH后固液分离，上清液经透析、干燥即为高光热转换效率的水溶性酞菁纳米材料。

进一步的，所述四氨基酞菁化合物选自四氨基锌酞菁(ZnPc)、四氨基锰酞菁(MnPc)、四氨基钴酞菁(CoPc)、四氨基镍酞菁(NiPc)、四氨基铜酞菁(CuPc)、四氨基酞菁(H₂Pc)、四氨基铁酞菁(FePcs)、四氨基钯酞菁(PdPc)、四氨基铂酞菁(PtPc)中的一种，优选为ZnPc、MnPc、CoPc、NiPc、CuPc或H₂Pc。

进一步的，所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、乙腈、四氢呋喃、正丙醇、异丙醇中的一种，优选为乙醇。

进一步的，所述多羧酸化合物选自分解温度在150-200℃的二元有机酸或三元有机酸。

更进一步的，所述多羧酸化合物选自柠檬酸、酒石酸、草酸中的一种，优选为柠檬酸。

进一步的，混合溶液A与混合溶液B通过滴加方式进行混合时四氨基酞菁化合物与多羧酸化合物的质量比为1:10-50。

进一步的，将混合溶液A滴加到混合溶液B的过程持续时间为10-50min，滴加期间对混合溶液B进行超声。

进一步的，混合溶液A的浓度为1.25mg/mL-2.5mg/mL，优选1.67mg/mL-2mg/mL；混合溶液B的浓度为25mg/mL-50mg/mL，优选为33.3mg/mL-40mg/mL。

进一步的，混合溶液C首先加热升温至90-140℃反应1-2h，然后升温至180-240℃，直至溶剂被蒸干。

进一步的，混合物D溶解-蒸干重复次数为2-10次。

进一步的，采用碱性试剂调节混合溶液E的pH至6.8-7.4，离心分离，所得上清液用截留分子量为3500Da的透析袋透析1-7天，透析袋内水溶液冻干即可。

上述酞菁纳米材料作为肿瘤光热治疗剂的应用。

本发明将难溶于大部分有机溶剂的四氨基酞菁化合物通过分子自组装和水热法，用可溶于水的有机酸对其进行包裹，制备出水溶性的酞菁纳米材料，该制备过程具有反应原料易得、合成工艺简单、产物易于提纯分离等有益效果，制得的酞菁纳米材料生物相容性好，在近红外区吸收强、光稳定性强、光热转换效率高、水溶性良好，针对肿瘤细胞的光热治疗效果明显，可作为潜在的肿瘤光热治疗剂。

附图说明

图1为本发明水溶性酞菁纳米材料制备过程示意图。

图2为本发明实施例1制备的ZnPc-NPs的TEM图像。

图3为本发明实施例1制备的ZnPc-NPs的HRTEM图像。

图4为本发明实施例1制备的ZnPc-NPs与原料ZnPc的XRD图谱。

图5为本发明实施例1制备的ZnPc-NPs的XPS全图谱。

图6为本发明实施例1制备的ZnPc-NPs中Zn的高分辨XPS图谱。

图7为本发明实施例1制备的ZnPc-NPs在水溶液中以及原料ZnPc在DMSO中的紫外吸光光谱。

图8为本发明实施例1制备的ZnPc-NPs在水溶液以及原料ZnPc在DMSO中的荧光发射光谱。

图9为本发明实施例1制备的ZnPc-NPs在808nm激光器照射下的升温及降温曲线图。

图10为本发明实施例1制备的ZnPc-NPs水溶液降温时间对-ln(θ)的拟合直线图。

图11为相同激光功率下不同样品浓度的ZnPc-NPs的升温曲线图。

图12为相同样品浓度的ZnPc-NPs在不同激光功率下的升温曲线图。

图13为不同样品浓度下ZnPc-NPs对肿瘤细胞的暗毒性和光毒性结果。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例和附图进行进一步说明。

如图1所示，酞菁纳米材料的制备过程可分为两个阶段：

①自组装阶段：由于四氨基酞菁化合物含有四个氨基，其可通过静电作用被含有多个羧基的有机酸包裹，在超声作用下酞菁分子相互堆积，通过分子间的自组装形成聚合物；

②碳化阶段：当水热温度升高到180℃以上，聚合物外围包裹的有机酸逐渐分解碳化，而中间的酞菁化合物由于具有较高的分解温度，其分子骨架会保留其中，最终形成水溶性的酞菁纳米颗粒，该颗粒表面含有较多羧基、羟基等含氧基团。

实施例1

称取100mgZnPc，在超声作用下将其分散于50mL乙醇中，得到ZnPc的乙醇溶液。称取2.0g柠檬酸，将其溶解在50mL纯化水中，得到柠檬酸水溶液。将ZnPc的乙醇溶液缓慢滴加到柠檬酸水溶液中，边滴加边超声，滴加过程持续30min。然后将装有混合溶液的烧杯放入油浴锅中加热，升温至120℃反应约1h，接着将混合溶液升温至220℃将溶剂蒸干。向蒸干所得固体中加入约1mL纯化水使其完全溶解，然后加热至同样温度蒸干，反复加水-蒸干8-10次，该过程持续3h左右。待蒸干所得产物冷却后用10mL纯化水将其溶解，加入饱和碳酸钠溶液调节溶液pH至7，离心分离后收集上清液，用截留分子量为3500Da的透析袋透析3-5天，最后将透析袋内的水溶液冻干，所得固体即为四氨基锌酞菁纳米材料(ZnPc-NPs)。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，区别在于：将ZnPc替换成MnPc。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，区别在于：将ZnPc替换成CoPc。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，区别在于：将ZnPc替换成NiPc。

实施例5

本实施例与实施例1基本相同，区别在于：将ZnPc替换成CuPc。

实施例6

本实施例与实施例1基本相同，区别在于：将ZnPc替换成H₂Pc。

实施例7

本实施例与实施例1基本相同，区别在于：将柠檬酸替换成酒石酸。

实施例8

本实施例与实施例1基本相同，区别在于：将柠檬酸替换成草酸。

对实施例1制得的ZnPc-NPs纳米材料进行了相关测试分析，具体如下：

(1)结构/成分表征及分析

实施例1制得的ZnPc-NPs的透射电子显微镜(TEM和HRTEM)图像分别如图2和图3所示，由图中可以看出：ZnPc-NPs纳米材料具有很好的分散性，纳米颗粒呈球形，其粒径在80nm左右。

ZnPc-NPs和原料ZnPc的XRD图谱如图4所示，由图中可以看出：ZnPc-NPs纳米材料只在22°左右出现一个很宽的衍射峰，说明该纳米材料由一系列高度无序的碳原子组成；对比ZnPc的XRD图谱可知，酞菁有机分子变成纳米颗粒后，其晶型消失。

ZnPc-NPs的XPS图谱如图5和图6所示，由图中可以看出：该纳米材料主要由C、N、O和Zn元素组成；285.2eV、400.8eV和532.7eV的峰分别归因于C 1s、N 1s和O 1s；此外，Zn的高分辨XPS裂分为1023.7eV和1046.5eV两个峰，分别对应于Zn>3/2和Zn>1/2，这进一步证实了金属锌的存在。

(2)紫外吸收光谱和荧光光谱分析

将实施例1制备的ZnPc-NPs固体溶于水中，并与溶于DMSO的ZnPc进行对比，测定两者(溶液浓度均为100μg/mL)的紫外-可见光吸收光谱，结果如图7-8所示。

由图7紫外-可见光吸收光谱可知，有机分子形成纳米颗粒后，依然表现出酞菁典型的特征吸收峰，如350nm处的Soret带和700nm附近的Q带；与ZnPc相比，ZnPc-NPs的吸收光谱变宽，最大吸收边明显红移，这可能是由于酞菁分子自组装形成多聚体造成的。

通过图8荧光发射光谱可知：ZnPc制备成纳米颗粒ZnPc-NPs后，荧光完全猝灭，这是因为酞菁分子自组装形成多聚体后，分子内转换和振动弛豫的发生概率大大增加，受激分子的能量更多地转变成热量，这为ZnPc-NPs具备高的光热转换效率提供了理论依据。

(3)光转换效率实验

通过下列实验测定实施例1制得的ZnPc-NPs的光热转换效率：

用热像仪每隔30s记录一次浓度为300μg/mL的ZnPc-NPs水溶液在808nm激光照射下的升温以及激光关闭后的降温曲线，作出时间对-ln(θ)的拟合直线图(参见图9和图10)，根据公式：

其中T是由热像仪直接测得，I为激光能量，A808为实验浓度下ZnPc-NPs水溶液在808nm处的吸光度，Q_Dis由水的降温曲线根据下列公式求得

其中m_D为待测物(水)的质量，c_D为水的比热容。

hA由拟合曲线求得τ_s，再根据下列公式求得：

其中m_D为待测物的质量，c_D为水的比热容。

根据上述公式，最终求得ZnPc-NPs的光热转换效率η为45.7％。

(4)升温效果测试

实施例1制得的ZnPc-NPs的升温效果测试方法如下：

分别配制浓度为50μg/mL、100μg/mL、200μg/mL、300μg/mL的ZnPc-NPs水溶液，用808nm的激光器以1.98W/cm²的强度进行照射，每10s记录一次溶液的温度，测试10min，结果如图11所示。

用水配制300μg/mL的ZnPc-NPs水溶液，用808nm的激光器分别在0.8W/cm²、1.37W/cm²、1.98W/cm²和2.56W/cm²的功率强度下进行照射，每10s记录一次溶液的温度，测试10min，结果如图12所示。

由图11和12可知：ZnPc-NPs在808nm激光照射下，温度明显升高；样品浓度越大，溶液温度升高的越快、越高；激光功率密度越大，溶液温度升高的越快、越高。

(5)细胞暗毒性和光毒性测试

在0-100μg/mL样品浓度范围内测试了实施例1制得的ZnPc-NPs对HeLa细胞的毒性，结果如图13所示。从图中可知，在808nm激光照射下，随着纳米药物浓度的增加，细胞的存活率逐渐下降。当ZnPc-NPs的浓度为100μg/mL时，HeLa细胞的存活率仅为15％，表明其强的光毒性。相反在黑暗条件下，与100μg/mL的ZnPc-NPs相同培养条件下，HeLa细胞的存活率超过了90％，表明酞菁纳米材料本身对肿瘤细胞表现出较弱的毒性。