一种诊疗一体的中空碳纳米复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及功能纳米材料技术领域，具体涉及一种诊疗一体的中空碳纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着纳米新材料技术的不断发展，将肿瘤治疗技术(包括：化学药物治疗、基因治疗、光动力治疗、光热治疗、免疫疗法等)与肿瘤诊断方法(包括：核磁共振成像、光声成像、正电子发射断层扫描、计算机断层扫描等)通过现代纳米合成技术方法集成到一种材料中，实现功能的整合，不仅有利于患者分层及个性化医疗，而且能够有利于实时监控纳米药物治疗过程并及时反馈治疗效果，因此，诊疗一体纳米材料的开发是精准医疗的发展方向之一。

中空碳纳米球是尺寸在纳米范畴且具有中空结构的一类纳米碳材料。相对于实心碳纳米小球，其具有更低的密度、更好的可渗透性以及独特的空腔结构，可作为递送药物的纳米载体。同时，中空碳特殊的中空结构，不仅可以通过光热转化或超声波(如高能聚焦超声)等方法促进药物的定点释放，如：Wang等报道了中空碳的载药以及高能聚焦超声药物缓释的性质(J.Am.Chem.Soc.2015,137,1947-1955)，不仅如此，中空碳可以作为光声造影成像试剂。因此，围绕中空碳纳米球的复合功能化开发是诊疗一体研究的重要内容。

核磁共振造影成像技术相对于正电子发射断层扫描技术、计算机断层扫描等成像技术而言是一种无损伤检查技术，即可实现二维横断面成像也可做三维空间成像，尤其对软组织分辨力高。因此，将具有核磁共振成像功能的造影剂集成到中空碳纳米小球中，构建诊疗一体中空碳复合纳米材料，实现光声成像与核磁共振成像及药物递送功能的集成，不仅能够实现诊断技术方面的优势互补，而且在定向给药方面可以实现磁介导给药和光热释药的结合，是理想的诊疗一体纳米医药新材料。

专利CN 111494627 A公开了一种基于中空碳球的光、热、磁复合材料，基于中空碳壳包覆的空心纳米粒子UCNPs/Fe

发明内容

本发明的目的是提供一种诊疗一体的中空碳纳米复合材料，该纳米复合材料的碳壳层中集成有顺磁性的磷酸钆纳米粒子和超顺磁性的伽马氧化铁纳米粒子，实现了核磁共振T

本发明的另一目的在于提供一种诊疗一体的中空碳纳米复合材料的制备方法，本发明提供的制备方法以预制的氧化硅为核，从而易于中空结构的调控，以酚醛树脂为碳源，从而易于碳壳层厚度的调控，以简单易行的浸渍法负载核磁共振造影剂前驱体，采用一步碳化原位制备技术结合常规蚀刻技术，从而易于中空碳纳米复合材料的规模化生产和质量控制。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：

一种诊疗一体的中空碳纳米复合材料，该复合材料为球形中空核壳结构，其包括碳壳层，中空碳纳米小球的尺寸在100～300nm范围可调，中空碳的壳层厚度在10～70nm范围可调，碳壳层中同时含有具有顺磁性的磷酸钆和具有超顺磁性的伽马氧化铁纳米粒子，磷酸钆和伽马氧化铁在碳壳层中的摩尔比是1:0.5，尺寸大小在2～10nm范围内。

为了获得上述的中空碳纳米复合材料，其制备技术方案的具体步骤为：

步骤一：将溶解有酚醛树脂(RF)的溶液加入到分散有预制氧化硅(SiO

步骤二：采用浸渍法将铁及钆的前驱体负载到SiO

步骤三：一步碳化法制备复合功能型核壳材料，具体为：将步骤二所得复合纳米材料置于管式炉中，惰性气氛下，一定温度下焙烧一段时间，获得以氧化硅为核，伽马氧化铁和磷酸钆功能化碳材料为壳层的核壳型纳米复合材料。

步骤四：选择性刻蚀除去氧化硅核，具体为：配置一定浓度的刻蚀氧化硅的溶液，将步骤三制备所得复合材料加入到该蚀刻液中，浸渍一定时间后，离心分离，洗涤、干燥，获得该诊疗一体中空碳纳米复合材料。

上述技术方案的步骤一中，溶解酚醛树脂的溶液是乙醇、四氢呋喃、丙酮中的一种或两种组合，其中：采用甲阶酚醛树脂，以乙醇作为溶剂，浓度是100～200mg/L，较佳的150～170mg/L时，所制备的酚醛树脂包裹的氧化硅的核壳结构材料的均一性最佳。

上述技术方案的步骤一中，预制的氧化硅可以从商业途径直接获得，氧化硅表面未做任何化学修饰，尺寸大小由目标产物中空碳复合材料的空腔大小的需求决定。

上述技术方案的步骤一中，制备获得的SiO

上述技术方案的步骤二中，铁的前驱体是硝酸铁、氯化铁、醋酸铁或乙酰丙酮铁中的一种，钆的前驱体是磷酸钆、苯基磷酸钆中的一种。较佳的，以乙酰丙酮铁作为铁源，以乙醇作为溶剂，采用浸渍负载的方法首先负载铁源，然后采用浸渍负载的方法负载苯基膦酸，最后在负载硝酸钆。

上述技术方案的步骤二中，铁-钆的前驱体可以是同时含有两者的分子簇合物，较佳的，以[Fe

上述技术方案的步骤二中，超声浸渍负载的环境温度以控制在10～25℃为佳。

上述技术方案的步骤二中，去除溶剂，可采用加热常温蒸发、减压旋转蒸发、冷冻干燥蒸发以及喷雾干燥的方法，其中：喷雾干燥效率高、冷冻干燥质量较好、减压旋转蒸发普适性较好。

上述技术方案的步骤三中，惰性气氛可以是任何一种不具有氧化性、还原性以及与材料反应的气体，其中：以高纯氮气或氩气为佳，高纯氮最经济。

上述技术方案的步骤三中，碳化温度在500～800℃之间，温度低于500℃相关纳米金属化合物未达到晶化程度，温度高于800℃，纳米金属化合物发生严重的团结且伴随氧化铁的氧化还原反应。碳化温度以550～650℃最佳。

上述技术方案的步骤三中，碳化时间在0.5～1.5小时之间，以1小时较佳，气体流量在50～150mL·min

上述技术方案的步骤三中，碳化设备可以是管式炉、窑炉、转炉中的任意一种，以管式炉较佳。

上述技术方案的步骤四中，刻蚀除去氧化硅的蚀刻液是氢氟酸或氢氧化钠或氢氧化钾中的一种，以氢氧化钠效果较佳；浓度在1～3mol/L之间，以2mol/L最佳，刻蚀时间在30～180分钟之间，具体时间长短与蚀刻液浓度有关，即：若蚀刻液浓度增大，相应的，需要减小刻蚀时间。

本发明提供的一种诊疗一体的中空碳纳米复合材料，兼有核磁共振造影成像性能、光声成像性能和药物载运性能。

本发明提供的一种诊疗一体的中空碳纳米复合材料，其核磁共振造影成像性能，具体表现是，在外场场强是3.0T时，T

本发明提供的一种诊疗一体的中空碳纳米复合材料，其光声成像性能，具体表现是皮下瘤内注入复合材料后，光声信号增强，图像亮度增加。

本发明提供的一种诊疗一体的中空碳纳米复合材料，其药物载运性能，具体表现是，以抗肿瘤药物阿霉素为例，本发明提供的材料能够负载的量是190～390mg/g，具体数值受样品的中空大小、壳层厚度以及壳层中磷酸钆和伽马氧化铁的量影响。

本发明提供的一种诊疗一体的中空碳纳米复合材料，具有较低的体外细胞毒性和良好的体内生物兼容性和可代谢性。

本发明提供的一种诊疗一体的中空碳纳米复合材料的有益效果，或与现有技术相比的主要优点是：

(1)本发明首次提供一种中空碳纳米的复合材料，实现了核磁成像与光声成像以及载药功能的结合。

(2)本发明提供一种中空碳纳米复合材料，造影剂纳米颗粒是顺磁性的磷酸钆和超顺磁性的伽马氧化铁，它们被均匀嵌入在中空碳壳层中，具有良好的生物安全性。

(3)本发明提供一种中空碳纳米复合材料，空腔大小、碳层厚度以及核磁成像试剂的负责量易于通过所提供的制备方法实现调控，为诊疗一体概念中的患者分层及个性化医疗提供了可能。

附图说明

图1为实施例1-5制备的五种尺寸的中空碳纳米复合材料扫描电镜和透射电镜图。

图2为制备的一种空腔大小是120nm，壳层厚度是34nm的中空碳纳米复合材料的元素分布图。

图3为制备的一种空腔大小是70nm，壳层厚度是12nm的中空碳纳米复合材料的高分辨透射电镜图。

图4为实施例1-3制备的三种不同尺寸的中空碳纳米复合材料的体外核磁成像图。

图5为一种空腔大小是70nm，壳层厚度是12nm的中空碳纳米复合材料的瘤内光声成像图。

图6为一种空腔大小是70nm，壳层厚度是12nm的中空碳纳米复合材料的载药量。

图7为一种空腔大小是70nm，壳层厚度是12nm的中空碳纳米复合材料的体外细胞毒性。

图8为一种空腔大小是200nm，壳层厚度是60nm的中空碳纳米复合材料的体内脏器切片与空白样对比图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

实施例1

1)具体过程如下：将购置的商品化SiO

2)将6mg{Fe

3)将上述所得材料置于管式炉中，600℃焙烧1h，氮气流量为90mL·min

4)然后将上述所得材料置于在2M的NaOH溶液中刻蚀除去SiO

以下具体实施例2-11，制备过程同实施例1，其具体的工艺参数见表1。

表1实施例2-6具体工艺参数

表2实施例7-11具体工艺参数

以下对制得的产品进行测试和检测：

图1为实施例1-5样品的电镜照片，可知一种空腔大小是70-80nm，壁厚是12-15nm的中空碳纳米复合材料；一种空腔大小是120-130nm，壁厚是30-35nm的中空碳纳米复合材料；一种空腔大小是200-210nm，壁厚是60-70nm的中空碳纳米复合材料；一种空腔大小是120-130nm，壁厚是10-15nm的中空碳纳米复合材料；一种空腔大小是120-130nm，壁厚是60-70nm的中空碳纳米复合材料。

图2为实施例2的样品的电镜照片在Tecnai G2 F20 S-Twin型场发射透射电子显微镜。样品的制备是将材料在乙醇溶液中超声分散10分钟，然后滴加到铜网或镍网上烘干供测试。由测试可得元素分布面扫描图(EDS-mapping)。

图3为实施例1的样品的中空碳纳米复合材料的高分辨透射电镜图。样品的制备是将材料在乙醇溶液中超声分散10分钟，然后滴加到铜网或镍网上烘干供测试。在电镜下高衬度的区域内通过对样品进行聚焦和倾斜可得高分辨透射电镜图。

图4为实施例1，2，3的样品弛豫时间T

此外，实施例1的样品体内光声成像的测定是在商业的Vevo LAZR PA成像仪器(Fujifilm Visualsonics Inc.,Toronto,Canada)，通过皮下瘤内注射纳米复合材料，在不同的时间点(pre，0，1，4，和24小时)连续采集覆盖皮下肿瘤区域PA图像，如图5所示。

实施例1的样品的细胞毒性测试采用CCK-8法，方法如下：用胰酶消化HeLa细胞，接种在96孔板中，在37℃，5％CO

实施例1的样品在负载药物盐酸阿霉素(DOX)之前，在200℃下真空活化10h，将吸附在孔道中的物质除去。将30mg得到的活化后样品分散到2mL(1mg·ml

实施例3的样品的活体实验组织切片测试，方法如下：取注射完纳米复合材料24h后裸鼠组织脏器，用生理盐水或者PBS冲洗干净后放入4％的多聚甲醛中固定，进行脱水透明，浸蜡，包埋，修块，切片，贴片，捞片，烤片，脱蜡至水，染色，脱水，封固后拍照获得，如图8所示。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。