一种近红外光控Au@Cu/H-CeO2@BSA-Cy5纳米马达及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种近红外光控中空Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达及其制备方法和应用，其利用二氧化硅SiO2作为模板，硝酸铈、硝酸铜和乌洛托品作为原材料，经煅烧、刻蚀后形成中空铜掺杂氧化铈纳米颗粒Cu/H‑CeO2 NPs，其保留了SiO2球状形貌。然后利用牛血清白蛋白BSA的还原性，将氯金酸HAuCl4在铜掺杂氧化铈表面还原为金纳米颗粒Au NPs。基于Au NPs的不对称分布以及在近红外光的照射下产生高的光热效率所形成的热梯度，实现NIR光控驱动纳米马达，Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达具有在NIR的照射下增强纳米马达的扩散、缩短细胞摄取的时间、缓解肿瘤微环境的氧化应激及高光热转换效率的良好性能，使其在生物医学中发挥着重要的作用。

权利要求

1.一种近红外光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达，其特征在于，通过以下方法制备得到：

（1）中空Cu/H‑CeO2 NPs的制备：将TEOS加入到水‑乙醇混合液中，缓慢滴入氨水，室温下搅拌反应后经离心干燥得二氧化硅模板；二氧化硅模板、硝酸铈、硝酸铜及六亚甲基四胺分散在水中混合，加热反应后经离心、洗涤、干燥得前驱体粉末，煅烧得SiO2@CeO2纳米颗粒，然后加入到NaOH中进行刻蚀反应，反应结束后离心、洗涤、干燥得中空Cu/H‑CeO2 NPs纳米颗粒；

（2）Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达的制备：将Cu/H‑CeO2 NPs和BSA分散到水中，反应一段时间后加入HAuCl4，继续反应后经离心、洗涤、干燥得Au@Cu/H‑CeO2@BSA纳米马达；将Au@Cu/H‑CeO2@BSA纳米马达分散到水中，加入荧光探针Cy5搅拌得NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达。

2.根据权利要求1所述的近红外光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达，其特征在于，步骤（1）中水‑乙醇混合溶液中水和乙醇的体积比为9：1，TEOS、水‑乙醇混合液和氨水的体积比为6：80：2，室温下反应时间为6 10h。

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3.根据权利要求1所述的近红外光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达，其特征在于，步骤（1）中硝酸铈为Ce(NO3)3·6 H2O，硝酸铜为Cu(NO3)2·6 H2O，二氧化硅模板、Ce(NO3)3·6 H2O、Cu(NO3)2·6 H2O和六亚甲基四胺的质量比为1：2.5：0.26：0.9，NaOH浓度为0.5mol/L。

4.根据权利要求1所述的近红外光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达，其特征在于，步骤（1）中加热反应条件为90 ℃、2 h，煅烧条件为600 ℃、3 h，刻蚀反应条件为60 ℃、12 h。

5.根据权利要求1所述的近红外光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达，其特征在于，步骤（2）中Cu/H‑CeO2 NPs和BSA的质量比为3：5，室温下反应8小时，加入HAuCl4后反应12h；Cu/H‑CeO2 NPs与HAuCl4的质量比为30：2.8。

6.根据权利要求1所述的近红外光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达，其特征在于，步骤（2）中Au@Cu/H‑CeO2@BSA纳米马达分散液浓度为1 mg/mL，Au@Cu/H‑CeO2@BSA纳米马达分散液与荧光探针Cy5体积比为1000：1。

7.一种权利要求1~6任一项所述的近红外光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：中空Cu/H‑CeO2NPs的制备：将TEOS加入到水‑乙醇混合液中，然后缓慢滴入氨水，室温下搅拌反应后经离心干燥得二氧化硅模板；二氧化硅模板、硝酸铈、硝酸铜及六亚甲基四胺分散在水中混合，加热反应后经离心、洗涤、干燥得前驱体粉末，煅烧得SiO2@CeO2纳米颗粒，然后加入到NaOH中刻蚀反应，反应结束后离心、洗涤和干燥得中空Cu/H‑CeO2NPs纳米颗粒 ；

NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达的制备：将Cu/H‑CeO2NPs和 BSA分散到水中，反应一段时间后加入HAuCl4，继续反应后经离心、洗涤、干燥得Au@Cu/H‑CeO2@BSA纳米马达；

将Au@Cu/H‑CeO2@BSA纳米马达分散到水中，加入荧光探针Cy5搅拌得Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达。

8.一种权利要求1~6任一项所述的近红外光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达在制备抗肿瘤药物中的应用。

说明书

一种近红外光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达及其制备方

法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于肿瘤治疗技术领域，具体涉及一种近红外光控中空Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 随着高新科技的飞速发展和人们生活水平的日益提高，我国癌症年新增病例和死亡病例均位居世界第一位。因此，对于癌症的治疗引起研究者们广泛的关注。光响应性纳米颗粒的设计利用被动扩散的形式解决了浅层肿瘤部位的治疗，然而对于纳米颗粒在深层肿瘤部位的主动扩散和高效治疗仍不能达到较好的效果。为了解决上述问题，开发更快更准确的主动治疗方法迫在眉睫。

[0003] 人工合成纳米马达通过化学燃料或者外部刺激(光、热、磁和超声)，发生原位催化和氧化还原反应产生气泡、力场梯度、浓度梯度和热梯度驱动纳米马达主动运动。现有研究表明纳米马达在药物靶向运输、细胞识别捕捉、微创手术、吸附毒素和溶解血栓等方面具有重要作用。近红外光作为生物的“第二窗口”，在生物组织内具有较高的穿透深度，并且对正常细胞毒性较低，逐渐被用来作为光驱动纳米马达的动力源。近红外光驱纳米马达的本质在于照射NIR后，纳米马达表面产生了不对称的温度梯度(热梯度)，形成了自热泳驱动机制，推进纳米马达的运动。花氰染料Cyanine5（Cy5）是一种近红外染料，常应用于生物分子标记、荧光成像及其他荧光生物分析。

[0004] 因此，研发一种能够对肿瘤起治疗作用的NIR光控驱动的纳米马达具有重要意义。

发明内容

[0005] 针对现有的癌症治疗方法时间长、副作用较大，对人体造成不可修复伤害的问题，本发明提供了一种近红外光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达及其制备方法和应用，该纳米马达在NIR驱动下可实现自主运动，从而大大缩短细胞摄取时间。此外，该纳米马达在不同的pH条件下还具有较强的类过氧化物酶和类过氧化氢酶性质，可产生羟基自由基等活性物种杀伤癌细胞且有效缓解肿瘤部位的氧化应激状态。

[0006] 本发明通过以下技术方案实现：

[0007] 一种近红外光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达，通过以下方法制备得到：

[0008] （1）中空Cu/H‑CeO2NPs的制备：将TEOS加入到水‑乙醇混合液中，然后缓慢滴入氨水，室温下搅拌反应后经离心干燥得二氧化硅模板；二氧化硅模板、硝酸铈、硝酸铜及六亚甲基四胺分散在水中混合，加热反应后经离心、洗涤、干燥得前驱体粉末，煅烧得SiO2@CeO2纳米颗粒，然后加入到NaOH中刻蚀反应，反应结束后离心、洗涤、干燥得中空Cu/H‑CeO2NPs纳米颗粒；

[0009] （2）Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达的制备：将Cu/H‑CeO2NPs和BSA分散到水中，反应一段时间后加入HAuCl4，继续反应后经离心、洗涤、干燥得Au@Cu/H‑CeO2@BSA纳米马达，Au@Cu/H‑CeO2@BSA纳米马达分散到水中，加入荧光探针Cy5搅拌得NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达。

[0010] 进一步地，步骤（1）中水‑乙醇混合溶液水和乙醇的体积比为9：1，TEOS、水‑乙醇混合液和氨水的体积比为6：80：2，室温下反应时间为6 10h。~

[0011] 进一步地，步骤（1）中硝酸铈为Ce(NO3)3·6 H2O，硝酸铜为Cu(NO3)2·6 H2O，二氧化硅模板、Ce(NO3)3·6 H2O、Cu(NO3)2·6 H2O和六亚甲基四胺的质量比为1：2.5：0.26：0.9，NaOH浓度为0.5mol/L。

[0012] 进一步地，步骤（1）中加热反应条件为90 ℃、2 h，煅烧条件为600 ℃、3 h，刻蚀反应条件为60 ℃、12 h。

[0013] 进一步地，步骤（2）中Cu/H‑CeO2 NPs和BSA的质量比为3：5，室温下反应8小时，加入HAuCl4后反应12h；Cu/H‑CeO2 NPs与HAuCl4的质量比为30：2.8。

[0014] 进一步地，步骤（2）中Au@Cu/H‑CeO2@BSA纳米马达分散液浓度为1 mg/mL，Au@Cu/H‑CeO2@BSA纳米马达分散液与荧光探针Cy5体积比为1000：1。

[0015] 本发明中，所述的近红外光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达的制备方法，包括以下步骤：

[0016] （1）中空Cu/H‑CeO2 NPs的制备：将TEOS加入到水‑乙醇混合液中，然后缓慢滴入氨水，室温下搅拌反应后经离心干燥得二氧化硅模板；二氧化硅模板、硝酸铈、硝酸铜及六亚甲基四胺分散在水中混合，加热反应后经离心、洗涤、干燥得前驱体粉末，煅烧得SiO2@CeO2纳米颗粒，然后加入到NaOH中刻蚀反应，反应结束后离心、洗涤、干燥得中空Cu/H‑CeO2纳米颗粒(Cu/H‑CeO2NPs)；

[0017] （2）NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达的制备：将Cu‑CeO2 NPs 和 BSA分散到水中，反应一段时间后加入HAuCl4，继续反应后经离心、洗涤和干燥得Au@Cu/H‑CeO2@BSA纳米马达；将Au@Cu/H‑CeO2@BSA纳米马达分散到水中，加入荧光探针Cy5搅拌得Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达。

[0018] 本发明中所述的近红外光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达在制备抗肿瘤药物中的应用。

[0019] 本发明NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达利用二氧化硅SiO2作为模板，硝酸铈Ce(NO3)3·6H2O、硝酸铜Cu(NO3)2·6 H2O和乌洛托品作为原材料，经过煅烧、刻蚀后形成中空铜掺杂氧化铈纳米颗粒Cu/H‑CeO2 NPs，其保留了SiO2球状形貌。然后利用牛血清白蛋白BSA的还原性，将氯金酸HAuCl4在铜掺杂氧化铈表面还原为金纳米颗粒Au NPs，同时，对Cu‑CeO2 NPs进行了修饰，改善了水溶性。NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达的制备过程中由于化学组成或结构的不对称产生的不对称合力，对于纳米马达的运动尤为重要。不对称金纳米颗粒团聚体的分布在NIR的照射下能够将光能转化为更多的热能，实现更高的光热转化效率。此外，其不对称生长使其在NIR的照射下产生了不对称的热梯度，形成自热泳，驱动纳米马达的前进，缩短了细胞对纳米马达的摄取时间，提高了肿瘤细胞的消融效率。此外，中空铜掺杂氧化铈Cu/H‑CeO2在H2O2的催化下，使得TMB显色，显示出了优越的过氧化物酶POD的活性，并在此过程分解了H2O2。由于中空结构的铜掺杂氧化铈催化效率更高，在类芬顿过程中产生羟基自由基含量更高。Cu/H‑CeO2 NPs还具有类过氧化氢酶CAT活性，缓慢释放氧气O2，缓解了肿瘤微环境中的氧化应激。

[0020] 有益效果

[0021] 本发明基于Au NPs的不对称分布以及在近红外光的照射下产生高的光热效率所形成的热梯度，实现NIR光控驱动纳米马达，所制备的Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达具有在NIR的照射下增强纳米马达的扩散、缩短细胞摄取的时间、缓解肿瘤微环境的氧化应激及高光热转换效率的良好性能，使其在生物医学中发挥着重要的作用。

附图说明

[0022] 图1为NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达的 (a) TEM 图片和(b) XRD 曲线；

[0023] 图2为NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达在强度为(a) 0 W/cm2, (b) 1 W/2 2 2
cm , (c) 2 W/cm 和(d) 3 W/cm 时的NIR照射下2s内的运动轨迹图、(e) 均方位移MSD和 (f) 速度分析；

[0024] 图3为NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达在(a)不同浓度的H2O2存在下;(b)不同温度下;(c)不同pH条件下产氧性能的分析和(d)随着时间的延长，高草香酸HVA荧光探针对H2O2分解的检测；

[0025] 图4为NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达的过氧化物酶性质的检测；(a)和(c)为不同浓度的双氧水条件下NIR驱动纳米马达的紫外吸收曲线，(b)和(d)为不同温度的条件下NIR驱动纳米马达的紫外吸收曲线；

[0026] 图5 NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达在肿瘤微环境中3s内的运动轨迹图(a)和(b)及(c) NIR照射纳米马达对癌细胞的杀伤作用。

具体实施方式

[0027] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例仅仅是本发明部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0028] 实施例1

[0029] (1) 中空Cu/H‑CeO2 NPs的制备：

[0030] 将6 mL TEOS 加入到80 mL水‑乙醇混合液(V水: V乙醇=9:1)中，随后向混合液中后缓慢滴加2 mL氨水，在室温下搅拌反应8h，经离心干燥后得到二氧化硅模板；

[0031] 取100 mg上述合成的二氧化硅模板、0.25g Ce(NO3)3·6H2O、0.026g Cu(NO3)2·o6H2O及0.09 g六亚甲基四胺依次分散到50 mL去离子水中，90  C下反应2 h后将所得悬浊液o
离心、洗涤、干燥得黄绿色前驱体粉末，然后在600C下煅烧3 h得SiO2@CeO2纳米颗粒，SiO2@o
CeO2纳米颗粒置于0.5M的NaOH中，60  C条件下刻蚀反应12 h，经离心、洗涤、干燥得中空Cu/H‑CeO2 NPs；

[0032] (2) NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达的制备

[0033] 取30 mg Cu/H‑CeO2 NPs 和50 mg BSA分散到30 mL去离子水中，在室温下反应8 h，加入2.8 mg HAuCl4继续反应12 h，经离心、洗涤和干燥得到Au@Cu/H‑CeO2@BSA纳米马达；

[0034] Au@Cu/H‑CeO2@BSA纳米马达分散到20 mL去离子水中形成分散溶液 (1 mg/mL)，并取20 μL荧光探针Cy5加入到分散液中搅拌得到NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达。

[0035] NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达样品表征如图1所示，图1(a)是所制备纳米马达的TEM图片，纳米马达以二氧化硅为模板，煅烧刻蚀后具有球形结构，表面粗糙，证明BSA已经成功修饰，其粒径尺寸大约160‑200 nm，表面由许多不对称分布的Au NPs组成。图1(b)是所制备纳米马达的XRD图谱。由XRD图谱可以看出，2 θ = 28.5°，2 θ = 31.5°，2 θ = 47.5°，2 θ = 58.6°处有四个主峰，它们分别对应CeO2的(111),(200),(220)和(311)晶面(PDF#34‑0394)。此外，2 θ = 38.3°, 44.4°, 64.7°, and 78.0°处有四个衍射峰，它们分别对应Au NPs的(111), (200), (220), 和(311)晶面(PDF#04‑0784)。

[0036] 实施例2

[0037] 对实施例1中制备的NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达在不同NIR功率下（0 2 2 2 2
W/cm、1 W/cm、2 W/cm和3 W/cm）的运动情况进行研究，具体见图2。

[0038] 图 2 是 NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达在强度为(a) 0 W/cm2, (b) 1 2 2 2
W/cm , (c) 2 W/cm 和(d) 3 W/cm的NIR照射下2s内的运动轨迹图、(e) 均方位移MSD和 (f) 速度分析。从运动轨迹图可以看出，随着NIR光的照射强度的增加，纳米马达的运动轨迹也不断增加，运动轨迹呈直线状，这可能是与光的照射方向有关，从而表明NIR光的强度对纳米马达的运动具有可控性。纳米马达能够被驱动，与靠近金壳层的水分子比靠近金壳层的水分子获得更多的热、从而产生更高的热泳力相关。除此之外，由于Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达能够产生轴向不对称的合力，从而导致纳米马达运动。从均方位移MSD和运动速率曲线可以看出，随着 NIR光的强度的逐渐增大，微马达运动速率逐渐增加，从而证明NIR光强度与纳米马达的运动速度呈正相关关系。

[0039] 实施例3

[0040] 对实施例1中制备的NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达进行溶解氧产生、类过氧化物酶的活性和光热杀伤效果探究。采用溶解氧气探针仪器(AR8010+)对纳米马达溶解氧生成进行分析；采用TMB显色实验对纳米马达的类过氧化物酶性质进行分析；采用荧光倒置显微镜观察NIR光控纳米马达对癌细胞的杀伤效果。具体见图3、图4和图5。

[0041] (1) 图3是NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达在(a)不同浓度的H2O2分解下;(b)不同温度下;(c)不同pH条件下产氧性能的分析和(d)随着时间的延长，高草香酸HVA荧光探针对分解后H2O2剩余量荧光检测分析。由图(a)~(c)可以看出，随着H2O2的浓度的增大，产生氧气的含量增加，当温度从25 ℃到37 ℃，pH值从5.0变为7.2时，产生氧气的含量也在增高。由图(d)可以看出，随着时间的增长，HVA的荧光的强度不断地减弱，证明H2O2不断地分解，也间接证明Cu‑CeO2具有良好的过氧化物酶性质。

[0042] (2) 图4是NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达类过氧化物酶性质的检测与分析。由图可以看出，(a)和(c)为不同浓度的双氧水条件下NIR驱动纳米马达的紫外吸收曲线。(b)和(d)不同温度的条件下NIR驱动纳米马达的紫外吸收曲线。由TMB显色程度可以看出，NIR驱动的纳米马达具有较高酶活性的最佳条件：H2O2的浓度是0.5 mM, 温度是45 ℃。

[0043] (3) 图5是NIR光控Au@Cu/H‑CeO2@BSA‑Cy5纳米马达在肿瘤微环境中3s内的运动轨迹图(a)和(b)及NIR照射纳米马达对癌细胞的杀伤作用(c)。由图(a‑b)可以看出，在3s内，纳米马达在NIR光的照射下就可以到达肿瘤细胞膜的表面。大大缩短了癌细胞对纳米马达的摄取时间，从而提高了癌细胞治疗的效率。由图(c)可以看出，随着NIR光强度的增大，NIR光促进纳米马达摄取后协同光热治疗杀伤癌细胞的效果逐渐增强，这可能由于不对称分布的Au NPs将更多的光能转化为热能，提高了光热效率，增强肿瘤细胞的消融和杀伤。