一种金/氮掺杂的空心碳纳米球核壳材料的制备方法与流程

本发明属于生物医学材料领域，特别涉及微创肿瘤的光热治疗技术。

背景技术：

癌症（恶性肿瘤）对人类健康的威胁越来越大，并且其发病率每年都在增加，死亡率居高不下。虽然很多诊疗和治疗手段被开发用于治疗癌症，但是癌症病人的存活率依然很低。如今治疗癌症的临床方法主要是通过手术、化疗和放疗等方法，然而由于癌症的转移性和侵染性，所以在癌症晚期，普通手术已经无法治愈癌症，化疗和放疗是比较可行的方法。但是化疗和放疗对肿瘤组织的特异性较差，使得治疗效果不佳并且有一定的毒副作用。因此提高癌症患者的治愈效率以及降低癌症治疗手段的毒副作用是目前癌症治疗过程中迫切需要解决的问题。

光热治疗（Photothermal therapy，PTT）是近年来发展的一种微创肿瘤治疗

技术，主要是通过将一定波长的光直接照射到肿瘤部位，使其肿瘤部位温度升高来达到杀死肿瘤细胞的目的。光热治疗可以使用长波长的光，由于其能量较低，所以对健康组织和细胞的损害比较小，还极大的降低了全身系统的毒性，因此光热治疗成为现今非常有潜力替代手术治疗肿瘤的技术之一。因此开发具有良好生物相容性，合成方法简单并且具有较高的光热转换效率以及光热稳定性的光热治疗剂非常重要。

现有的治疗肿瘤的近红外光热治疗剂的材料组成主要是贵金属纳米颗粒、碳类材料、有机染料物质。贵金属纳米颗粒光热转换效率高，近红外区吸收能力强，但是价格昂贵；碳材料光热转换面积较大，光热转换效率较高，虽然近红外区吸收能力一般但是成本低廉；因此贵金属与碳材料的复合不仅成本低廉，光热转换效率高，而且近红外吸收能力较强。

金纳米粒子的吸收和散射强度较好，使得它们在光热治疗方面具有很大的应用潜力。金纳米颗粒同时也具有生物安全性较高、制备简单、表面性质稳定、光学性质可调等优点。碳材料生物相容性较好，在光热治疗方面也表现出一定的应用潜力，因此将碳材料与金纳米粒子相结合，发挥它们的协同功效，有望建立效果良好的多功能光热治疗平台。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明目的在于提出一种可作为治疗肿瘤的近红外光热治疗剂的金/氮掺杂的空心碳纳米球核壳材料的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将沸腾的水与HAuCl₄水溶液、柠檬酸三钠水溶液混合，搅拌回流后冷却，然后再与PVP水溶液混合进行修饰反应，反应结束后离心，取固相分散到水中，即得金溶胶；

2）将金溶胶、乙醇、去离子水、氨水混合搅拌后，在混合溶液里滴加TEOS室温搅拌后离心，取固体物质以水和醇洗涤后烘干，得Au@SiO₂球；

3）将Au@SiO₂球溶于浓度为0.01～0.02 M 、pH值为8.0～8.5的Tris水溶液中，超声后加入盐酸多巴胺水溶液，室温搅拌后经离心，取固相洗涤、烘干，得Au@SiO₂@PDA球固体粉末；

4）在N₂保护下，将Au@SiO₂@PDA球固体粉末置于管式炉中煅烧，取得炭化物；再将炭化物置于浓度为1 M的NaOH水溶液中浸泡，经离心，取得固相洗涤至中性，烘干，得金/氮掺杂的空心碳纳米球核壳材料(Au@N-HCNs)。

本发明首先通过溶胶凝胶法制备金溶胶，其次通过改进的stober法在金粒子的表面包裹SiO₂，再在弱碱性含水环境下通过多巴胺的自聚合形成Au@SiO₂@PDA球，最后经高温煅烧，NaOH蚀刻之后得到金/氮掺杂的空心碳纳米球核壳材料。

特别是本发明采用浓度为0.01～0.02 M 、pH值为8.0～8.5的Tris水溶液，此环境有利于多巴胺的聚合，多巴胺会均匀地自聚黏附于Au@SiO₂球表面。

本发明不仅设计方法简单、温和、环保，也不会增加额外毒性。本发明制备的金/氮掺杂的空心碳纳米球核壳材料粒径约为165～175 nm，本发明产品作为治疗肿瘤的近红外光热治疗剂不仅具有良好的生物相容性以及光热稳定性，而且具有内部为空心结构的特点，增大了粒子交换的速率，提高了光热转换效率。

进一步地，本发明步骤1）中，HAuCl₄水溶液中AuCl₃、柠檬酸三钠水溶液中柠檬酸三钠和PVP水溶液中PVP的混合摩尔比为1∶6∶2。严格控制HAuCl₄和柠檬酸三钠的摩尔比为1∶6，滴加完柠檬酸钠会明显的看到溶液颜色由黄色到无色到黑色到紫色，最后变成酒红色。如此氯金酸经柠檬酸三钠还原之后金粒子的粒径约为15 nm。反应半小时以后待溶液冷却至室温，用PVP修饰搅拌过夜，柠檬酸三钠和PVP的摩尔比为3∶1。反应完成后离心，将得到的用PVP修饰的金溶胶溶于H₂O中，便于后期包覆SiO₂使用。

本发明所述步骤1）中，所述搅拌速度均为600～700 r/min，该转速下形成的金纳米粒子比较均一。

本发明所述步骤1）中，所述离心转速为11800 r/min，该转速下能最大限度的减少金粒子的损失。如果转速太大则会出现离心管破损的情况；转速太小将则金粒子损失太多。离心1～2次，若离心次数太多，金纳米粒子比较容易团聚。

本发明步骤2）中，所述TEOS、氨水、金溶胶、去离子水和乙醇的混合体积比为1∶2∶4∶12∶20，该比例下金纳米粒子负载的SiO₂粒径比较均一。

所述步骤2）中，所述室温搅拌的速度为600～700 r/min，所述离心转速为10000 r/min。以此形成的Au@SiO₂球比较均一，粒径在150 nm左右，如此不仅产量较多，而且小粒径的样品更适合光热转换。

所述步骤3）中，所述Au@SiO₂球与盐酸多巴胺的混合质量比为1∶1～3，该比例下包裹的聚多巴胺比较均一，光热效果较好。超声功率为80 W ，超声时间为0.5 h。如果超声时间太短，会使样品在Tris水溶液中分散不均匀，影响聚多巴胺的包覆；如过时间过长，虽然样品分散均匀，但是耗时耗能。所述室温搅拌速度为600～700 r/min；所述离心转速为10000 r/min。在该反应条件下，聚多巴胺层附着均匀，厚度适中。

所述步骤4）中，所述煅烧时以5 ℃/min的升温速率升温至800 ℃后保持2 h。本发明在温度为800 ℃条件下煅烧时，炭化程度最好。炭化温度过高，会使碳和氮元素损失严重；炭化温度过低，碳材料中会有较多杂质，炭化程度低，导致石墨化程度也较低。以5 ℃/min为升温速率时，既能保证聚多巴胺在热解过程中缩聚炭化生成碳材料，同时也可以降低热解中碳材料的损失量。

所述步骤4）中，所述浸泡温度为75 ℃，时间为3 h。NaOH的加入是为刻蚀除去SiO₂，低浓度的NaOH溶液即可。提高温度可缩短刻蚀时间，75 ℃温度较为适宜。反应时间为3 h是为确保SiO₂被完全刻蚀除去。

所述步骤4）中，所述离心转速为10000 r/min。若离心转速太小，则样品会有太多损失；若离心转速太大，耗时耗能。

附图说明

图1为本发明制备的Au@SiO₂球的TEM图。

图2为本发明制备的Au@SiO₂@PDA球的TEM图。

图3为本发明制备的Au@SiO₂@N-CNs的TEM图。

图4为本发明制备的Au@N-HCNs核壳材料的TEM图。

图5为本发明制备的Au@N-HCNs核壳材料的X-射线衍射图。

图6为本发明制备的Au@N-HCNs核壳材料的拉曼光谱图。

图7为本发明制备的Au@N-HCNs核壳材料在近红外照射下的升温曲线图。

图8为本发明制备的Au@N-HCNs核壳材料的在近红外照射下升温曲线的循环率。

具体实施方式

一、制备工艺：

1、实施例1：

（1）PVP修饰金溶胶的制备：取30 mL水置于100mL单口圆底烧瓶中加热至沸腾，分别加入150 mM的HAuCl₄水溶液100 μL和34 mM的柠檬酸三钠水溶液74 μL，在700 r/min的搅拌速度下回流0.5 h。待溶液冷却至室温，加入1.28 mM的PVP水溶液5.86 mL，搅拌过夜。

将反应好的溶液置于离心管中以11800 r/min离心1～2次，将上层液用滴管取出，剩下的固相金溶胶分散在8 mL 去离子水中，得金溶胶，备用。

（2）Au@SiO₂球的制备：取2 mL金溶胶在功率为 80 W的条件下超声处理3～5 min后和1 mL氨水、6 mL去离子水、10 mL乙醇置于50 mL单口圆底烧瓶中，室温下以700 r/min搅拌0.5 h。最后加入0.5 mL TEOS，室温下以700 r/min搅拌6 h，再经1000 r/min离心取得固相，以水洗、醇洗各3次，置于60℃的烘箱中烘干，得Au@SiO₂球。

（3）Au@SiO₂@PDA球的制备：称取Au@SiO₂球50 mg加入到100 mL Tris水溶液（pH=8.5，0.01 M）中，在功率为80 W 的条件下超声处理0.5 h，然后在加入50 mg盐酸多巴胺，室温下以700 r/min搅拌10h，再经1000 r/min离心取得固相，以水洗、醇洗各3次，置于60 ℃的烘箱中烘干，得Au@SiO₂@PDA球固体粉末。

（4）Au @N-HCNs的制备：将Au@SiO₂@PDA球固体粉末置于管式炉中，预先通入10～20 min的N₂以排尽石英管中的空气，再以5 ℃/min的升温速率升至800 ℃炭化2 h得到炭化物Au@SiO₂@N-CNs。将炭化物置于75 ℃的0.1 M的NaOH水溶液中水浴浸泡3 h，经1000 r/min离心，取固相用去离子水洗至中性，置于60 ℃的烘箱中烘干，得金/氮掺杂的空心碳纳米球核壳材料Au @N-HCNs。

2、实施例2：

（1）PVP修饰金溶胶的制备：取30 mL水置于100mL单口圆底烧瓶中加热至沸腾，分别加入150 mM的HAuCl₄水溶液100 μL和34 mM的柠檬酸三钠水溶液74 μL，在700 r/min的搅拌速度下回流0.5 h。待溶液冷却至室温，加入1.28 mM的PVP水溶液5.86 mL，搅拌过夜。

将反应好的溶液置于离心管中以11800 r/min离心1~2次，将上层液用滴管取出，剩下的固相金溶胶分散在8 mL 去离子水中，得金溶胶，备用。

（2）Au@SiO₂球的制备：取2 mL金溶胶在功率80 W的条件下超声处理3～5 min后和1 mL氨水、6 mL去离子水、10 mL乙醇置于50 mL单口圆底烧瓶中，室温下以700 r/min搅拌0.5 h。最后加入0.5 mL TEOS，室温下以700 r/min搅拌6 h，再经1000 r/min离心取得固相，以水洗、醇洗各3次，置于60 ℃的烘箱中烘干，得Au@SiO₂球。

（3）Au@SiO₂@PDA球的制备：称取Au@SiO₂球50 mg加入到100 mL Tris水溶液（pH=8.5，0.01 M）中，在功率为80 W的条件下超声处理0.5 h，然后在加入100mg盐酸多巴胺，室温下以700 r/min搅拌10h，再经1000 r/min离心取得固相，以水洗、醇洗各3次，置于60 ℃的烘箱中烘干，得Au@SiO₂@PDA球固体粉末。

（4）Au @N-HCNs的制备：将Au@SiO₂@PDA球固体粉末置于管式炉中，预先通入10～20 min的N₂以排尽石英管中的空气，再以5 ℃/min的升温速率升至800 ℃炭化2 h得到炭化物Au@SiO₂@N-CNs。将炭化物置于75 ℃的0.1M的NaOH水溶液中水浴浸泡3 h，经1000 r/min离心，取固相用去离子水洗至中性，置于60 ℃的烘箱中烘干，得金/氮掺杂的空心碳纳米球核壳材料Au @N-HCNs。

3、实施例3：

（1）PVP修饰金溶胶的制备：取30 mL水置于100mL单口圆底烧瓶中加热至沸腾，分别加入150 mM的HAuCl₄水溶液100 μL和34 mM的柠檬酸三钠水溶液74 μL，在600 r/min的搅拌速度下回流0.5 h。待溶液冷却至室温，加入1.28 mM的PVP水溶液5.86 mL，搅拌过夜。

将反应好的溶液置于离心管中以11800 r/min离心1~2次，将上层液用滴管取出，剩下的固相金溶胶分散在8 mL 去离子水中，得金溶胶，备用。

（2）Au@SiO₂球的制备：取2 mL金溶胶在功率为80 W的条件下超声处理3～5 min后和1 mL氨水、6 mL去离子水、10 mL乙醇置于50 mL单口圆底烧瓶中，室温下以600 r/min搅拌0.5 h。最后加入0.5 mL TEOS，室温下以700 r/min搅拌6 h，再经1000 r/min离心取得固相，以水洗、醇洗各3次，置于60 ℃的烘箱中烘干，得Au@SiO₂球。

（3）Au@SiO₂@PDA球的制备：称取Au@SiO₂球50 mg加入到100 mL Tris水溶液（pH=8.5，0.01 M）中，在功率为80 W的条件下超声处理0.5 h，然后在加入150 mg盐酸多巴胺，室温下以600 r/min搅拌10 h，再经1000 r/min离心取得固相，以水洗、醇洗各3次，置于60 ℃的烘箱中烘干，得Au@SiO₂@PDA球固体粉末。

（4）Au @N-HCNs的制备：将Au@SiO₂@PDA球固体粉末置于管式炉中，预先通入10～20 min的N₂以排尽石英管中的空气，再以5 ℃/min的升温速率升至800 ℃炭化2 h得到炭化物Au@SiO₂@N-CNs。将炭化物置于75 ℃的0.1 M的NaOH水溶液中水浴浸泡3 h，经1000 r/min离心，取固相用去离子水洗至中性，置于60 ℃的烘箱中烘干，得金/氮掺杂的空心碳纳米球核壳材料Au @N-HCNs。

二、产物特性：

以上各实施例的步骤2制备的Au@SiO₂球的TEM图如图1所示，从图1中明显的看出金粒子的粒径在15 nm左右，而Au@SiO₂的粒径在145～155 nm。

以上各实施例的步骤3制备的Au@SiO₂@PDA球的TEM图如图2所示，从图2中可以看出PDA均匀地包覆在Au@SiO₂球的表面，Au@SiO₂@PDA球的粒径约165～175 nm。

以上各实施例的步骤4制备的Au@SiO₂@N-CNs球的TEM图如图3所示，从图3可以明显的看出炭化后的材料粒径有所缩小，这说明PDA被炭化时有所收缩，Au@SiO₂@N-CNs球的粒径在160～170 nm。

以上各实施例的步骤4制备的Au@SiO₂@N-HCNs球的TEM图如图4所示，从图4中可以清晰的看出SiO₂被除尽，碳层厚度在10～15 nm。

以上各实施例的步骤4制备的Au@N-HCNs核壳材料的X-射线衍射图如图5所示。根据X-射线衍射结果可知，（111）、（200）、（220）、（311）晶面衍射峰与Au标准衍射峰基本吻合，(002)、（110）晶面衍射峰与C的无定形衍射峰基本吻合。本发明制备得到的Au@N-HCNs核壳材料，与标准卡对比基本符合，基本证明了所得材料的成分及结构。

以上各实施例的步骤4）制备的Au@N-HCNs核壳材料的拉曼光谱图如图6所示。从图中可以看出D峰与G峰的比值即I_D/I_G=0.916，说明Au@N-HCNs核壳材料具有较好的石墨化程度。

以上各实施例的步骤4）制备的Au@N-HCNs核壳材料在近红外照射下的升温曲线图如图7所示。入射波长为808 nm，激光强度为2 W/cm² 。由于人体温在37 ℃左右，癌细胞在45-50 ℃的高温下，坚持40 min，就可以阻断癌细胞DNA的合成，造成癌细胞凋亡。从图中可以看出不同浓度的材料经过光照后的升温曲线，含有 50 μg/mL、100 μg/mL、150 μg/mL、200 μg/mL的Au@N-HCNs核壳材料的悬液经过808 nm的激光照射10 min后，悬液的温度分别提高了9.5 ℃，15.2 ℃，15.9 ℃，17.2 ℃。该结果说明Au@N-HCNs核壳材料是比较有效的用来治疗肿瘤的近红外光热治疗剂。

各实施例步骤4）制备的Au@N-HCNs核壳材料在近红外照射下的升温曲线的循环率如图8所示。从图中可以看出150 μg/mL的悬液三次升温的温度分别提高了15.9 ℃，15.2 ℃，14.5 ℃，温度有所降低的原因是在测量过程中由于悬液保持静止，Au@N-HCNs核壳材料会有所沉降，使得粒子碰撞速度有所降低。但是总的来看，Au@N-HCNs核壳材料是较稳定的用来治疗肿瘤的近红外光热治疗剂。