一种有机NIR-Ⅱ光热转换膜及其制备方法和应用转让专利
申请号 : CN202010974648.4
文献号 : CN112336856B
文献日 : 2021-09-17
发明人 : 陈卓 , 许洁琼 , 尹志威 , 张良 , 董倩
申请人 : 湖南大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种有机NIR‑II光热转换膜,其特征在于,为3,3’,5,5’‑四甲基联苯胺氧化物与琼脂糖之间的氢键相互作用形成的氢键聚集体;所述3,3’,5,5’‑四甲基联苯胺氧化物为3,
3’,5,5’‑四甲基联苯胺母液在纳米酶作用和缓冲液存在下进行氧化反应制得;所述纳米酶为石墨烯包裹的复合纳米材料,所述复合纳米材料是以石墨烯为壳、钴铂合金为核组成的核壳结构。
2.如权利要求1所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)3,3’,5,5’‑四甲基联苯胺母液在纳米酶催化作用和缓冲液存在下进行氧化反应,得到纳米酶/3,3’,5,5’‑四甲基联苯胺氧化物复合溶液;所述纳米酶为石墨烯包裹的复合纳米材料,所述复合纳米材料是以石墨烯为壳、钴铂合金为核组成的核壳结构;
2)将步骤1)得到的纳米酶/3,3’,5,5’‑四甲基联苯胺氧化物复合溶液与琼脂糖混合并加热,得到溶胶;
3)将步骤2)得到的溶胶进行制膜:
31)所述溶胶经冷却得到第一水凝胶;
32)所述第一水凝胶继续进行催化氧化反应,得到第二水凝胶;
33)将所述第二水凝胶进行干燥,得到所述有机NIR‑II光热转换膜。
3.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,步骤1)中,所述3,3’,5,5’‑四甲基联苯胺母液包括3,3’,5,5’‑四甲基联苯胺和有机溶剂。
4.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,步骤1)中,所述3,3’,5,5’‑四甲基联苯胺母液中3,3’,5,5’‑四甲基联苯胺的浓度为5~20mmol/L。
5.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,步骤1)中,以
3,3’,5,5’‑四甲基联苯胺母液和缓冲液总体积计,3,3’,5,5’‑四甲基联苯胺的浓度为0.01~0.04mmol/L。
6.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,步骤1)中,3,
3’,5,5’‑四甲基联苯胺与所述纳米酶的质量比为0.24024:1~0.96136:1。
7.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,步骤1)中,所述缓冲液选自磷酸缓冲液、醋酸缓冲液和碳酸缓冲液中的至少一种。
8.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,步骤1)中,所述缓冲液的pH为3.5~5.5。
9.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,步骤1)中,所述氧化反应的反应温度为16~25℃。
10.如权利要求3所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,所述有机溶剂选自乙醇和二甲基亚砜中的至少一种。
11.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,所述复合纳米材料的粒径为5~7nm。
12.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,钴铂合金表面的石墨烯的层数为3~4层。
13.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,钴铂合金的中钴与铂的摩尔比为1:1.5~1:2。
14.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,步骤2)中,3,
3’,5,5’‑四甲基联苯胺与所述琼脂糖的质量比为0.00072:1~0.00288:1。
15.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,步骤2)中,琼脂糖与步骤1)得到的纳米酶/3,3’,5,5’‑四甲基联苯胺氧化物复合溶液的质量比为1:100~3:100。
16.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,步骤2)中,加热温度为90~120℃。
17.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,步骤31)中,冷却温度为10~25℃。
18.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,步骤32)中,催化氧化反应温度为16~25℃。
19.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,步骤33)中,干燥温度为16~25℃。
20.如权利要求2所述的有机NIR‑II光热转换膜的制备方法,其特征在于,步骤33)中,干燥湿度为20~30%。
21.如权利要求1所述的有机NIR‑Ⅱ光热转换膜在制备肿瘤光热治疗材料中的应用。
说明书 :
一种有机NIR‑Ⅱ光热转换膜及其制备方法和应用
技术领域
背景技术
是一 种能够将近红外光能转换为热能的材料,因其利用近红外光能方便、高效而备受关
注。最近 人们对第二个近红外光学窗口(NIR‑Ⅱ,1000‑1700nm)的光热转换越来越关注,由
于它的组 织穿透深度和对激光的最大允许照射量NIR‑Ⅱ的明显优势。利用NIR‑Ⅱ光在治
疗深层组织埋 藏疾病或为皮下可植入生物电子设备提供能量方面具有广阔的应用前景。
因此,开发NIR‑Ⅱ 光热材料具有重要的临床意义。
机材 料相比,有机材料普遍具有易改性、良好的生物相容性和潜在的生物降解性等压倒性
优势。 然而,对有机NIR‑Ⅱ光热材料的开发仍处于起步阶段,尤其是高效NIR‑Ⅱ光热转换
材料严重 匮乏。因此,开发高效有机NIR‑Ⅱ光热材料是生物应用的迫切需要。张等人利用
2+
N,N‑二甲 基二吡啶噻唑并噻唑(MPT )与葫芦脲自组装形成2:1主客体复合物,通过光还
2+ ·+
原、电还原 和化学还原等方法均可将MPT 还原生成自由基阳离子MPT ,进而构筑超分子
·+ ·+
自由基二聚 体2MPT ‑CB,由于主体增强的电荷转移相互作用,2MPT ‑CB具有较强的NIR‑
Ⅱ吸收,因 而实现较高的光热转换效率。遗憾的是,其制备过程复杂,成本较高,不适合用
于大规模制 备。王和他的研究团队以噻吩熔融苯并二呋喃二酮基低聚物(对苯基乙烯基)
为受体部分, 以2,2’—联二噻吩为供体部分,合成一种窄带隙的供体—受体共轭聚合物,
具有增强的光热 转换效率。然而,合成这种材料的高成本及复杂性限制了其进一步应用。
发明内容
均匀性 好,性质稳定,具有优异的NIR‑Ⅱ光热转换效率,初始升温速率高达30℃/s。
++
双阳离子结构TMB 组成的电荷转移复合物,结构式如图1b),由于CoPt@G强稳定的催化 活
性,可以在酸性和高温处理后催化活性不变,以及TMB与oxTMB之间的相互转换,使得 CoPt@
G/TMB体系在弱酸性条件下通过温度控制可实现显色—褪色—显色的循环现象。
用(氢 键)形成H‑聚集体(图1d),且具有极高的光热转换效率,在1064nm激光(1W/cm)照射
下, 十几秒可升高130℃。
溶 液混合后,得溶液B,将30~40体积份的溶液A和1体积份的溶液B混合后进行超声处理1
~2h, 再除去甲醇,将得到的混合物烘干。
体,即 为石墨烯包裹的CoPt复合纳米颗粒。
在多 种领域中都具有很好的应用价值。
附图说明
具体实施方式
骤之间还可 以插入其他方法步骤;还应理解,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。 而且,除非另有说明,各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具,
而非为限制各方 法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调
整,在无实质变更技 术内容的情况下,当亦视为本发明可实施的范畴。
7nm,钴 铂合金表面的石墨烯的层数为3~4层,钴铂合金的中钴与铂的摩尔比为1:1.5,通
过包括如下 步骤的制备方法获得:
得溶液B,将40体积份的溶液A和1体积份的溶液B混合后进行超声处理1h,超声波处理 的功
率为200w,再除去甲醇,将得到的混合物烘干。优选地,
包 裹的CoPt复合纳米颗粒,其中,粉末与HF溶液的质量体积比为0.85:30,质量单位为g,体
积单位为mL,HF溶液的质量分数为40.0%。
复合溶液A;在A溶液中加入称量好的0.5g琼脂糖粉末(即琼脂糖的浓度为1%,该浓 度=琼
脂糖的质量/蓝色复合溶液A的质量*100%),混合均匀,得到溶液B;将B溶液放在 微波炉中
加热100℃80秒,加热结束后趁热取出,得到褪色的溶胶C;趁热将C溶胶用移液 枪吸取3mL
至小号细胞培养皿的皿盖中,在20℃的空气环境中冷却,几分钟之内就会形成 凝胶D,颜色
稍微恢复浅蓝色。注意,从烧杯中移取溶胶过程要快,否则C溶胶直接在烧杯 中冷却形成凝
胶。
干 燥24小时,水凝胶质量越来越轻,期间颜色一直为蓝色,直到失重率达到临界值,蓝色在
较 短时间内(约0.5小时)变成紫色,待其充分形成均匀的紫色膜后,失重率约达98.5%,紫
膜 自然从皿盖脱落,即得到一张质量约为0.03g,厚度约为32μm,表面光滑无褶皱的紫膜。
整 个制膜过程可参见图3a),同时,根据上述步骤制备空白琼脂糖膜(AG film),TMB琼脂糖
膜(TAG film),CoPt@G琼脂糖膜(CAG film)。
水凝胶中相对于溶液来说蓝移程度不大,而在膜中相对溶液来说蓝移程度较大,说明oxTMB
是逐渐形成H‑聚集的。由图2b可知,溶液与膜的拉曼光谱几乎一致,证明溶液中的蓝色物
质与膜中的紫色物质成分是一样的,可能堆积方式不同,结合紫外吸收光谱图,更加证明了
CTAG复合膜的紫色就是来源于oxTMB的H‑聚集。
激 光照射下(激光功率密度为1.0W/cm),可在14秒内由25℃快速升温至160℃,初始升温
速率甚至可达30℃/s。为了排除CoPt@G造成的如此高效光热转换,我们比较了AG film,TAG
film,CAG film和CTAG film(AG film为琼脂糖膜;TAG film为TMB琼脂糖膜;CAG film为
2
CoPt@G琼脂糖膜;CTAG film为CoPt@G/TMB琼脂糖膜)在0.5W/cm 1064nm激光 照射下的升
温效果,图4b,只有CTAG膜才具有优异的升温效果。另外,CTAG膜的光热效 应也与激光功率
相关,功率越大,升温越高(图4c)。最后,我们考察了CTAG膜长期光热 稳定性,在一个月内
分四次对同一张膜进行光热转换测试(图4d),结果证明该膜具有优异 的稳定性,非常有潜
力应用到临床领域。
法测定C3H/10T1/2细胞的相对存活率。如图5a所示,与不做任何处理的对照组相比,CAG 与
CTAG膜的共孵育并没有造成细胞毒性,表明微量CoPt@G的掺入和oxTMB的生成均不 会影响
琼脂糖膜的生物相容性。
CTAG膜的长期毒性研究是有必要的。对植入CAG和CTAG膜的小鼠进行仔细监测,30天 内未
观察到死亡,通过体重记录也可以看出没有明显毒性(图5b)。植入30天后,牺牲小 鼠,取
心、肝、脾、肺、肾和皮肤伤口处切片并进行H&E染色用于组织分析。如图5c所示, 各脏器未
见损伤或炎性病变,两组的组织病理异常或病变均可忽略不计,这预示CAG和CTAG 膜可以
良好的应用到体内。
film,组 4:CAG film+laser,组5:CTAG film,组6:CTAG film+laser,其中CTAG film为上
述制备 获得的CTAG膜(CoPt@G/TMB琼脂糖膜)。小鼠肿瘤边缘的皮肤被划开,在肿瘤表面覆
盖 上CAG或CTAG膜,在1064nm激光照射十分钟,并利用常规伤口缝合和抗生素。作为比较,
伤口不使用任何膜但也同样进行采划开缝合作为对照。用红外光热相机记录肿瘤区域的实
时 温度和原位热图像。在1064nm激光照射下,使用CTAG膜的肿瘤部位的温度在初始20秒
内从33℃急剧升高到52℃,并保持在60℃10分钟,而使用CAG膜和对照组的小鼠肿瘤温 度
升高可以忽略不计(图6a,b)。所有组的小鼠体重与肿瘤体积每两天被监测。所有组的小 鼠
体重没有出现明显的波动(图6d),说明各组的治疗对小鼠的健康几乎没有不利的影响。 更
重要的是,CTAG+Laser组肿瘤逐渐消失,无复发,在10天内原始创面愈合(图6c)。六 组老鼠
经不同的治疗10天后,肿瘤的重量和照片如图6e,f所示,平均肿瘤最小的组是 CTAG+Laser
组,进一步确认CTAG膜在近红外激光的照射下能有效的抑制肿瘤生长。
的温度和湿度范围内,对所形成的CTAG膜结构的影响很大,温度高湿度低,干燥速度快,
oxTMB几乎完全形成聚集;温度高湿度高,干燥速度慢,oxTMB长期在高温中会分解,不 能形
成聚集体膜;温度低湿度低,干燥速度稍慢,但可以形成均匀的高质量的聚集体膜;温 度低
湿度高,干燥速度非常慢,因此会有oxTMB析出形成oxTMB结晶,不利于形成聚集。 最后优选
的干燥条件是温度低湿度低,即(16℃,30%湿度)。
没有 发生蓝移,即没有形成oxTMB H‑聚集体;而海藻酸钠制备的额复合膜中间部分呈现浅
紫色, 边缘深蓝色,明显的咖啡环现象,652nm处的吸收峰蓝移到599nm,即形成了小程度的
H‑ 聚集;而琼脂糖制备的复合膜整张膜颜色均匀,紫色透明,652nm处的吸收峰蓝移到
556nm 处,H‑聚集程度大。因此,我们推测oxTMB与琼脂糖线性分子之间可能存在氢键这样
的相 互作用(如图1d)。最后,优选琼脂糖作为本发明的成膜基底。
们发现 琼脂糖的浓度越大,652nm处吸收峰蓝移程度越大,可见oxTMB与琼脂糖分子之间有
明显 的相互作用。琼脂糖浓度越低,越容易形成oxTMB结晶,因为两者之间相互作用弱;而
当 琼脂糖浓度达到1.0%时,可以避免结晶的析出,得到高纯度的oxTMB H‑聚集体的膜;考
虑 到1.0~3.0%琼脂糖浓度制备的复合膜的光热转换效果都很优异,优选1.0~3.0%琼
脂糖作为本 发明所使用的膜的质量分数。注:琼脂糖浓度=琼脂糖的质量/蓝色复合溶液A
的质量*100%。
围 内(16~25℃),对所形成的膜的光热性能影响并不大,最优选的干燥温度为16℃。
相对 湿度范围(20%RH~30%RH)内,对所形成的膜的光热性能影响并不大,最优选的相对
湿度 为30%。
出若干 改进和补充,这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人
员,在不 脱离本发明的精神和范围的情况下,当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些
许更动、修 饰与演变的等同变化,均为本发明的等效实施例;同时,凡依据本发明的实质技
术对上述实 施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变,均仍属于本发明的技术方案的
范围内。