CN111714636B - 一种光动力和光热协同杀菌的片状四氧化三锰纳米材料及其制备方法 - Google Patents

一种光动力和光热协同杀菌的片状四氧化三锰纳米材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物医药技术领域，具体公开了一种光动力和光热协同杀菌的片状四氧化三锰纳米材料及其制备方法。所述方法包括如下步骤：将水合肼加入KMnO4水溶液中制得前驱体溶液，在高压釜中进行加热反应，反应结束后冷却至室温，收集乳白色沉淀离心洗涤后烘干得棕色产物；取棕色产物、吲哚菁绿和水加入不透光的反应瓶中进行反应，反应结束后离心弃去上清液，将沉淀洗涤离心得到片状四氧化三锰纳米材料ICG@Mn3O4。本发明制得的ICG@Mn3O4具有稳定的光热性能和较高的光动力活性，光热转换效率高达67.5％，在0.33W·cm‑2、808nm的激光辐照下能产生杀死细菌的50℃高温和大量活性氧ROS，且溶血率和凝血率低、细胞存活率高，实现了低功率单激光器可激活的光动力/光热联合杀菌。

Description

一种光动力和光热协同杀菌的片状四氧化三锰纳米材料及其 制备方法
技术领域
本发明涉及生物医药技术领域，特别是涉及一种光动力和光热协同杀菌的片状四氧化三锰纳米材料及其制备方法。
背景技术
生物体内大多数细菌的最高耐热温度为43℃，当温度高于43℃而又不损害生物体组织时，就能杀死有害细菌从而实现生物体的光热治疗。研究发现，Mn3O4具有很强的光热效应，可以替代抗生素来治疗目前难以治愈的多重耐药细菌感染。光热疗法(PTT)是在外部光源的照射下，利用一种光热转化率高的材料，将光能转化为热能，杀死细菌或癌细胞的过程。但是，如果仅仅依靠单一的光热抗菌，所需的功率密度就更大，这将远远大于美国安全使用激光标准(根据ANSI ZI136.1-2014，在808nm激光下，允许连续辐照皮肤的最大功率密度为0.33W/cm2)。此外，由于靶组织的热量分布不均匀而不能完全消灭细菌，可能导致细菌感染复发。因此，目前的PTT研究多采用联合其他疗法来提高疗效，最常用的是协同光动力疗法(PDT)。然而，由于光敏剂与光热剂的吸收不匹配，基于光热偶联剂的PDT/PTT联合疗法通常需要较大功率密度的激光长期辐照或两个不同波长的激光器依次辐照，此疗法不仅治疗过程复杂，还会对受照组织造成损害。因此，需要一种更安全的策略，使用低功率、单波长的近红外激光实现PDT/PTT协同治疗。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光动力和光热协同杀菌的片状四氧化三锰纳米材料及其制备方法，用于解决现有技术中PDT/PTT联合疗法治疗过程复杂、所用激光功率密度过大、治疗所需的辐照时间过长和会对受照组织造成损害等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种光动力和光热协同杀菌的片状四氧化三锰纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将水合肼(N2H4·H2O)加入KMnO4水溶液中制得前驱体溶液，将前驱体溶液置于高压釜中缓慢加热至160～200℃，进行反应，反应结束后冷却至室温，从高压釜底部收集乳白色沉淀，离心洗涤后烘干得棕色产物；
(2)取步骤(1)制得的棕色产物、吲哚菁绿(ICG)和水加入不透光的反应瓶中进行反应，反应结束后离心弃去上清液，将沉淀洗涤离心得到片状四氧化三锰纳米材料ICG@Mn3O4。
进一步，所述步骤(1)中，每毫摩尔KMnO4所需的水合肼的用量为1～4mL，优选为2.5mL。
进一步，所述步骤(1)中，水合肼(N2H4·H2O)为含85％N2H4·H2O的水合肼液体。
进一步，所述步骤(1)中，反应时间为8～16h，优选为12h。
进一步，所述步骤(1)中，烘干温度为80～100℃，优选为80℃；烘干时间为6～12h，优选为12h。
进一步，所述步骤(1)中，一边搅拌一边将水合肼缓慢加入KMnO4水溶液中，以使强还原剂与强氧化剂之间的剧烈反应更加充分。
进一步，所述步骤(1)中，所述高压釜为聚四氟乙烯内衬高压釜。
进一步，所述步骤(2)中，步骤(1)制得的棕色产物、吲哚菁绿(ICG)和水的重量比为35:3:5000～20000，优选为35:3:10000。
进一步，所述步骤(2)中，将步骤(1)制得的棕色产物、吲哚菁绿(ICG)和水加入不透光的反应瓶中混匀后，常温超声处理1～4h，再在常温下搅拌反应1～3天，反应结束后离心弃去上清液，将沉淀洗涤离心得到片状四氧化三锰纳米材料ICG@Mn3O4。
进一步，所述步骤(2)中，常温超声处理时间为2h，常温搅拌反应时间为2天。
进一步，所述步骤(2)中，常温搅拌反应的搅拌速度为600～1000rpm，优选为800rpm。
进一步，所述步骤(1)中得到的乳白色沉淀用超纯水和乙醇进行离心洗涤；所述步骤(2)中得到的沉淀用NaCl水溶液进行洗涤离心。
进一步，所述步骤(2)中所用的NaCl水溶液的浓度为0.9％(wt)。
本发明第二方面提供一种采用如第一方面所述的光动力和光热协同杀菌片状四氧化三锰纳米材料的制备方法制得的片状四氧化三锰纳米材料ICG@Mn3O4。
进一步，所述纳米材料ICG@Mn3O4的结构呈六边形。
如上所述，本发明的光动力和光热协同杀菌的片状四氧化三锰纳米材料及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明合成了一种具有光动力和光热协同杀菌功能、表面粗糙的光敏剂@光热剂——吲哚菁绿@四氧化三锰(ICG@Mn3O4)，实现了低功率单激光器可激活的PDT/PTT联合杀菌，其在0.33W·cm-2、808nm的激光辐照下产生能杀死细菌的50℃高温和大量活性氧ROS(包括单线态氧、超氧阴离子自由基、羟基自由基)，光热转换效率高达67.5％。通过对扫描电镜图(SEM)和透射电镜图(TEM)的统计分析得到六边形四氧化三锰纳米片的尺寸分布，其厚度为29.8±0.6nm，边长为124.8±1.2nm。高分辨TEM图显示，六边形四氧化三锰纳米片的表面存在很多点阵畸变，这为活性氧的产生提供大量活性位点。此外，细胞毒性实验说明了ICG@Mn3O4纳米结构低毒害，可用于体外杀菌和创伤修复。
附图说明
图1显示为本发明实施例1中六边形四氧化三锰纳米片的XRD谱图。
图2显示为本发明实施例1中六边形四氧化三锰纳米片的扫描电镜图(a)、透射电镜图(b)和尺寸分布统计图：边长(c)、厚度(d)。
图3显示为本发明实施例2中激光辐照下产生三种不同活性氧ROS的实验证据(电子自旋共振谱图)。
图4显示为本发明实施例3中不同浓度(0、0.5、1、1.5、2mg/mL)的ICG@Mn3O4在相同的功率密度(0.33W/cm2)激光照射下的光热转化对比图。
图5显示为本发明实施例3中在不同功率密度(0.33、1.0、1.5、2.0W·cm-2)的808nm激光照射下，1.5mg/mL ICG@Mn3O4的光热转化对比图。
图6显示为本发明实施例4中ICG@Mn3O4的细胞毒性评价实验结果图。(a)不同浓度(10、50、200、600、2000、6000μg/mL)ICG@Mn3O4与血液混合后的紫外-可见吸收光谱图；(b)不同浓度ICG@Mn3O4的溶血率结果图；(c)空白对照(0.9％NaCl)及不同浓度ICG@Mn3O4的溶血实验样品照片；(d)不同浓度(0、25、50、600、2000μg/mL)ICG@Mn3O4的MTS实验结果图；(e)1.5mg/mL ICG@Mn3O4的凝血实验结果图。
图7显示为本发明实施例5中针对MRSA(G+：革兰氏阳性菌)的体外抗菌实验结果图。
图8显示为本发明实施例5中广谱抗菌实验测量ICG@Mn3O4对粪肠球菌(G+：革兰氏阳性菌)、大肠杆菌(G-：革兰氏阴性菌)、铜绿假单胞菌(G-)的抗菌实验结果图。
图9显示为本发明实施例6中利用PI染色实验检测MRSA细胞膜通透性的荧光强度变化图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明提供了一种光动力和光热协同杀菌的片状四氧化三锰纳米材料及其制备方法。由于Mn3O4具有良好的生物相容性、光热稳定性、较高的光热转换效率和光动力活性，在PDT/PTT联合杀菌中显示出优异的性能。吲哚菁绿(Indocyanine green,ICG)是一种有效的光敏剂，可产生对细胞有毒性的活性氧(cytotoxic reactive oxygen species,ROS)。同时，ICG的最大光吸收波长位于780nm，且已被FDA批准用于临床，被认为是无毒的光动力治疗试剂。为了在单次低功率近红外激光照射下实现PDT/PPT的同时协作，本发明合成了具有良好生物相容性的ICG@Mn3O4。因为ICG@Mn3O4在波长808nm的激光辐照下可以同时产生满令人意的局部高温和大量活性氧(即PTT和PDT协同作用)，即使功率密度为0.33W·cm-2(符合ANSI Z136.1-2014，美国安全使用激光标准)，ICG@Mn3O4对多种致病菌如金黄色葡萄球菌、粪肠球菌、大肠杆菌、绿脓假单胞菌也具有良好的体外抗菌活性。这就解决了功率密度较大的激光长期照射和不同波长的激光连续照射所引起的毒性问题。
具体实施过程如下：
实施例1
1、制备ICG@Mn3O4片状纳米材料
采用水热法制备ICG@Mn3O4纳米材料，具体方法为：
在含有40mL超纯水的锥形瓶中加入0.316g KMnO4，搅拌均匀后得到KMnO4水溶液，之后在溶液1中加入5mL水合肼液体(N2H4·H2O，85％)，边加边搅拌得前驱体溶液。将获得的前驱体溶液转移到100mL容积的聚四氟乙烯内衬高压釜中，密封后缓慢加热至180℃，并在此温度下保持12h，然后自然冷却至室温。随后，从高压釜底部收集乳白色沉淀，用超纯水和乙醇离心洗涤(11000rpm，6min)多次后在80℃的烘箱中干燥过夜，得到棕色样品。取0.035g棕色样品，0.003g ICG，10mL H2O加入到不透光的棕色瓶里。涡旋2min，常温超声2h，常温800rpm磁力搅拌器2d。转移到10mL EP管中。8000rpm离心机8min，弃去上清液；加0.9％(wt)NaCl摇匀分散，使溶液与细菌的渗透压保持一致，离心弃去上清液；此过程重复4-5次，得到四氧化三锰纳米片ICG@Mn3O4，最后4℃避光保存。
2、采用XRD、SEM、TEM检测采用上述方法制备得到四氧化三锰纳米片，其XRD谱图如图1所示，其扫描电镜图(SEM)(图2a)和透射电镜图(TEM)(图2b)如图2所示；并根据扫描电镜图(图2a)和透射电镜图(图2b)的统计分析得到六边形四氧化三锰纳米片的尺寸分布统计图：边长(图2c)、厚度(图2d)。由图2可知，四氧化三锰纳米片的边长为124.8±1.2nm，厚度为29.8±0.6nm。
实施例2
ICG@Mn3O4的光动力性能评价
1、实验方法
测试(1)，在功率密度为0.33W·cm-1、808nm的激光辐照条件下，用电子顺磁共振仪测试体系：自由基捕获剂TEMP和ICG@Mn3O4混合水溶液中单线态氧分子(1O2)；
测试(2)，在没有激光辐照条件下，用电子顺磁共振仪测试体系：自由基捕获剂TEMP和ICG@Mn3O4混合水溶液中单线态氧分子(1O2)；
测试(3)，在功率密度为0.33W·cm-1、808nm的激光辐照条件下，用电子顺磁共振仪测试体系：自由基捕获剂DMPO和ICG@Mn3O4混合水溶液中超氧自由基(O2 -·)；
测试(4)，在没有激光辐照条件下，用电子顺磁共振仪测试体系：自由基捕获剂DMPO和ICG@Mn3O4混合水溶液中超氧自由基(O2 -·)；
测试(5)，在功率密度为0.33W·cm-1、808nm的激光辐照条件下，用电子顺磁共振仪测试体系：自由基捕获剂DMPO和ICG@Mn3O4混合水溶液中羟基自由基(·OH)；
测试(6)，在没有激光辐照条件下，用电子顺磁共振仪测试体系：自由基捕获剂DMPO和ICG@Mn3O4混合水溶液中羟基自由基(·OH)；
2、实验结果分析
以DMPO作为羟基自由基(·OH)和超氧自由基特异性捕获剂(O2 -·)，以TEMP作为单线态氧分子(1O2)特异性捕获剂，利用电子顺磁共振仪测试对应加和物的特征吸收。测试结果如图3所示，测试(1)、(3)和(5)表明，在光照条件下，电子顺磁共振仪检测到ICG@Mn3O4能产生多种ROS，包括1O2、O2 -·、和·OH；测试(2)、(4)和(6)表明无光照时体系中几乎不产生活性氧。
本实施例中DMPO是指5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物，TEMP是指4-氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶。
实施例3
ICG@Mn3O4的光热性能评价
1、实验方法
取实施例1制得的ICG@Mn3O4，配制成0、0.5、1、1.5、2mg/mL的ICG@Mn3O4，每种浓度分别取300μL置于96孔板中，再分别用功率密度为0.33W·cm-2的808nm激光器辐照15min。
(1)取几个300μL 1.5mg/mL的ICG@Mn3O4置于96孔板中，分别用808nm激光器在0.33、0.97、1.94、2.91W·cm-2四个不同功率密度下辐照15min。
(2)通过ON/OFF循环辐照实验对ICG@Mn3O4的光热稳定性进行评价，具体操作步骤如下：
将300μL 1.5mg/mL的ICG@Mn3O4置于96孔板中，用808nm的激光器在0.33W·cm-2的功率密度下辐照10min，关闭激光器。待温度冷却至室温后，打开激光器，用同样功率密度再次辐照10min，关闭激光器。相同操作重复4次。温度用电子温度计(Lutron TM917)进行检测，每20s记录一次温度。根据roper的改良公式计算光热转换效率。
roper的改良公式如下：
2、实验结果分析
(1)由图4可知，通过测量不同浓度(0、0.5、1、1.5、2mg/mL)的ICG@Mn3O4在相同的功率密度(0.33W/cm2)下的温度变化，发现随着ICG@Mn3O4浓度的增大，温度变化越快，并在10min后趋于稳定。
(2)由图5可知，通过测量1.5mg/mL ICG@Mn3O4在不同功率密度(0.33、1.0、1.5、2.0W·cm-2)下的温度变化，发现ICG@Mn3O4的光热效应与功率密度成正比。
(3)为了测量ICG@Mn3O4的光热稳定性，本实施例采用1.5mg/mL ICG@Mn3O4在功率密度0.33W/cm2下进行了ON/OFF循环辐照实验。经过五次循环辐照，在相同的时间里，能达到的最大温度之间的差值小于5℃，平均每次损失温度小于1℃，说明ICG@Mn3O4的光热稳定性较好。根据roper的改良公式算出1.5mg/mL ICG@Mn3O4的光热转换效率为67.5％。在0.33W/cm2的超低功率密度下，ICG@Mn3O4的光热转换效率已经高于目前的大多数PTT研究。
注：光热转换效率的具体计算方式可参照文献
Roper DK,Ahn W,Hoepfner M.Microscale Heat Transfer Transduced bySurface Plasmon Resonant Gold Nanoparticles.J.Phys.Chem.C 2007,111,3636–3641。
实施例4
ICG@Mn3O4的细胞毒性评价
1、溶血实验
(1)实验方法
取健康人全血，加入10倍体积的0.9％NaCl轻轻混匀，6000rpm离心5min后，除去上清液，用0.9％NaCl重复洗涤3次至上清液无红色。取下层沉淀物-红细胞，加上其4倍体积的0.9％NaCl，制成RBC混悬液。用0.9％NaCl将实施例1制得的ICG@Mn3O4稀释成10、50、200、600、2000、6000μg/mL的稀释液。
样品制备：取数个无菌EP管，每个EP管中加入50uL的RBC混悬液。向实验组的EP加入700uL稀释好的不同浓度的ICG@Mn3O4。阳性对照组的EP管中加入700uL的H2O，阴性对照组的EP管中加入700uL 0.9％NaCl。将所有样品轻轻混匀。
将所有制好的样品放在37℃下孵育2小时，然后6000rpm离心5min后，取上清液，测量其在450～700nm下的紫外吸光度。按照下面的公式计算溶血率：
(2)实验结果分析
由图6a可知，随着ICG@Mn3O4的浓度增加，500-600nm的紫外吸收值逐渐增大。由图6b和6c可知，溶血率与ICG@Mn3O4的浓度呈现正相关的关系，10-2000μg/mL的ICG@Mn3O4的溶血率低于5％；并且，10-2000μg/mL的ICG@Mn3O4都未显示明显的溶血现象，说明10-2000μg/mL的ICG@Mn3O4不会导致严重溶血，是比较安全的。
2、凝血实验
(1)实验方法
取健康人血浆200uL，加入50uL 1.5mg/mL ICG@Mn3O4后，轻轻混匀，静置20min；用全自动血液凝固仪测量加ICG@Mn3O4前后血样的活化部分凝血活酶时间(APTT)，凝血酶原时间(PT)及凝血酶时间(TT)。
(2)实验结果分析
人体血液的凝血活酶时间(APTT)、凝血酶原时间(PT)、凝血酶时间(TT)的正常范围分别为15～34s、10.5～13.7s、14～21s。由图6e可知，在加入ICG@Mn3O4后的血样与未加ICG@Mn3O4之前的血样的凝血酶原时间(PT)、凝血酶时间(TT)几乎不变；加入ICG@Mn3O4后的血样的凝血活酶时间(APTT)略大于未加ICG@Mn3O4之前的血样，但差别小于3s，这些变化都在正常范围内。上述实验结果说明ICG@Mn3O4对正常血液的凝血功能影响较小。
3、MTS实验
(1)实验方法
通过MTS测定法测定细胞活力。在96孔板中接种HUVEC细胞后，于5％CO2下培养24h；在不同的孔中分别加入0、25、50、600及2000μg/mL ICG@Mn3O4，每种浓度设置三组平行实验；孵育24h后，再向每个孔中加入MTS/PMS溶液，然后置于37℃，5％CO2下孵育1小时；用VERS Amax酶标仪测量每个孔的溶液在490nm下的吸光度。
(2)实验结果分析
由图6d可知，测量与0、25、50、600、2000μg/mL的ICG@Mn3O4孵育后的HUVEC细胞的存活率，发现当ICG@Mn3O4的浓度达到2000μg/mL时，细胞存活率还有65％，这说明ICG@Mn3O4对HUVEC细胞的生存力的影响较小。
实施例5
体外抗菌实验
1、针对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA(G+:革兰氏阳性菌)的体外抗菌实验
(1)实验方法
稀释菌液：将接种有MRSA的菌液培养至OD600＝0.5，稀释100倍。
制备样品：将稀释后的菌液分别取100uL置于6个无菌EP管中，1-6号分别依次加入100uL的3mg/mL ICG@Mn3O4、2.0mg/mL ICG@Mn3O4、3mg/mL Mn3O4、3mg/mL ICG@Mn3O4、PBS、PBS。
激光辐照：制好的样品混匀后，分别转移至96孔板中。1-3号、5号样品用808nm近红外激光器(功率密度为0.33W/cm2)辐照15min，4、6号样品不用辐照，静置15min。
涂布平板：1-6号样品经上述处理后，用无菌移液枪分别吸取10uL涂布于无菌培养皿上，放置到37℃的恒温培养箱中培养12h。
(2)实验结果分析
通过测量ICG@Mn3O4针对MRSA(G+：革兰氏阳性菌)的体外抗菌活性，发现ICG@Mn3O4的抗菌活性随着其浓度的增加，逐渐升高。
由图7可知，“1.5mg/mL ICG@Mn3O4+808nm laser”的实验组的菌落数明显少于“1.5mg/mL Mn3O4+808nm laser”组和“1.5mg/mL ICG@Mn3O4”组，这是由于在808nm的近红外辐照下，ICG@Mn3O4能将光热转换为热能，以及产生ROS，从而杀灭细菌。因此，ICG与Mn3O4两者的协同作用大于单独的Mn3O4的杀菌效果，并且对未加辐照的组织不会造成伤害。而“PBS+808nm laser”组的菌落数并未减少，是由于PBS并没有光热效应和光活化效应，即使辐照，也不能杀死细菌。
2、体外广谱抗菌实验
(1)实验方法
稀释菌液：将分别接种有粪肠球菌(G+：革兰氏阳性菌)、大肠杆菌(G-：革兰氏阴性菌)、铜绿假单胞菌(G-：革兰氏阴性菌)的菌液培养至OD600＝0.5，稀释100倍。
制备样品：取9个无菌EP管，将稀释后的粪肠球菌菌液取100uL置于1-3号无菌EP管中，将稀释后的大肠杆菌菌液吸取100uL置于4-6号无菌EP管中，将稀释后的铜绿假单胞菌菌液取100uL置于7-9号无菌EP管中。1、2、4、5、7、8号无菌EP管再分别加入3mg/mL ICG@Mn3O4100uL，3、6、9号无菌EP管分别加入PBS 100uL。
激光辐照：制好的样品混匀后，分别转移至96孔板中。2、5、8号样品不用辐照，静置15min；其余样品用808nm近红外激光器(功率密度为0.33W·cm-2)辐照15min。
涂布平板：1-9号样品经上述处理后，用无菌移液枪分别吸取10uL接种于无菌培养皿上，放置到37℃的固体培养箱中12h。
(2)实验结果分析
图8显示为ICG@Mn3O4对粪肠球菌(G+)、大肠杆菌(G-)、铜绿假单胞菌(G-)的抗菌活性。如图8所示，菌落数排序如下：“1.5mg/mL ICG@Mn3O4+808nm laser”组<“1.5mg/mL ICG@Mn3O4”组<“PBS”组。
“1.5mg/mL ICG@Mn3O4+808nm laser”组的抗菌活性明显大于“1.5mg/mL ICG@Mn3O4”组和“PBS”组的原因在于：在808nm激光器辐照下，ICG@Mn3O4会产生局部高温，并且产生ROS，从而杀灭细菌；没有激光辐照时，ICG@Mn3O4不会发生光热效应和光活化效应，这间接说明其不会对未辐照的皮肤或组织产生毒性。上述结果表明，在808nm近红外辐照下，ICG@Mn3O4对多种致病菌都有不同程度的抗菌活性，只是对不同细菌的最小抑菌浓度不同，这可以通过调节ICG@Mn3O4的浓度达到完全杀菌的目的。
实施例6
ICG@Mn3O4杀菌机制研究
1、实验方法
稀释菌液：将接种有MRSA(G+:革兰氏阳性菌)的菌液培养至OD600＝0.5，稀释100倍。
制备样品：取9个无菌EP管，将稀释后的菌液取150uL置于1-9号无菌EP管中。1-3号无菌Ep管再分别加入3mg/mL ICG@Mn3O4 100uL，4-6号无菌EP管再分别加入3mg/mL Mn3O4100uL，7-9号无菌EP管再分别加入PBS 100uL。
激光辐照：制好的样品混匀后，分别转移至96孔板中。1、4、7号样品用808nm近红外激光器(功率密度为0.33W·cm-2)辐照15min；2、5、8号样品用808nm近红外激光器(功率密度为0.33W·cm-2)辐照5min；3、6、9号样品不用辐照，静置15min。
PI染色：1-9号样品经上述处理后，经处理后，用PI(3μM)染色，用荧光分光光度计测量样品的荧光。
2、实验结果分析
文献中提到局部过热和ROS均会破坏细菌的细胞膜***导致其死亡。(Sun D,LiuY,Yu Q,Qin X,Yang L,Zhou Y,et al.Inhibition of tumor growth and vasculatureand fluorescence imaging using functionalized ruthenium-thiol protectedselenium nanoparticles.Biomaterials 2014,35,1572-1583；Mao C,Xiang Y,Liu X,Zheng Y,Yeung KWK,Cui Z,et al.Local Photothermal/Photodynamic SynergisticTherapy by Disrupting Bacterial Membrane To Accelerate Reactive OxygenSpecies Permeation and Protein Leakage.ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,17902-17914)。
为了验证ICG@Mn3O4的杀菌机制，本实施例通过PI染色检测MRSA细胞膜的通透性，测量ICG@Mn3O4对MRSA细胞膜的破坏性。PI可以通过破损的细胞膜进入细胞内，与细胞内的核酸结合，发出荧光。
实验结果如图9所示，经PI染色后，在无激光辐照时，ICG@Mn3O4组、Mn3O4组、PBS组三者的荧光并无太大差别；但随着激光辐照时间的增加，ICG@Mn3O4组、Mn3O4组的荧光强度显著高于PBS组，且ICG@Mn3O4组的荧光最强，说明ICG@Mn3O4在激光辐照下，可以破坏MRSA的细胞膜，使得PI可以与细胞内的或外泄的核酸结合，发出强荧光，并且其细胞膜破坏力要强于单独的Mn3O4。
综上所述，本发明成功地合成了同时具有光活化效应和光热效应的ICG@Mn3O4纳米材料，克服了传统PDT/PTT的联合治疗需要较大功率密度的长期激光辐照和两个不同波长的激光器依次辐照的缺点。ICG@Mn3O4的光动力性能评价、光热性能评价、细胞毒性评价都表现出令人满意的结论——高光热转换效率、稳定的光热性能、光辐射下能同时产生三种ROS、较低的溶血率和凝血率、较高的细胞存活率。与单一的PDT或PTT方式相比，PDT/PTT联合作用的抗菌活性更强。这种基于ICG@Mn3O4纳米材料的低功率单激光器可激活的PDT/PTT联合策略在临床治疗中具有广阔的前景。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种光动力和光热协同杀菌的片状四氧化三锰纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将水合肼加入KMnO4水溶液中制得前驱体溶液，将前驱体溶液置于高压釜中缓慢加热至160～200℃，进行反应，反应结束后冷却至室温，从高压釜底部收集乳白色沉淀，离心洗涤后烘干得棕色产物；
(2)取步骤(1)制得的棕色产物、吲哚菁绿和水加入不透光的反应瓶中进行反应，反应结束后离心弃去上清液，将沉淀洗涤离心得到片状四氧化三锰纳米材料ICG@Mn3O4。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，每毫摩尔KMnO4所需的水合肼液体溶液的用量为1～4mL。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述水合肼为含85％N2H4·H2O的水合肼液体。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，反应时间为8～16h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，烘干温度为80～100℃，烘干时间为6～12h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，一边搅拌一边将水合肼缓慢加入KMnO4水溶液中。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述高压釜为聚四氟乙烯内衬高压釜。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，步骤(1)制得的棕色产物、吲哚菁绿(ICG)和水的重量比为35:3:5000～20000。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，将步骤(1)制得的棕色产物、吲哚菁绿(ICG)和水加入不透光的反应瓶中混匀后，常温超声处理1～4h，再在常温下搅拌反应1～3天，反应结束后离心弃去上清液，将沉淀洗涤离心得到片状四氧化三锰纳米材料ICG@Mn3O4。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，常温超声处理时间为2h，常温搅拌反应时间为2天。
11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，常温搅拌反应的搅拌速度为600～1000rpm。
12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中得到的乳白色沉淀用超纯水和乙醇进行离心洗涤；所述步骤(2)中得到的沉淀用NaCl水溶液进行洗涤离心。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中所用的NaCl水溶液的浓度为0.9％(wt)。
14.根据权利要求1-13任一项所述的光动力和光热协同杀菌片状四氧化三锰纳米材料的制备方法制得的片状四氧化三锰纳米材料ICG@Mn3O4。
15.根据权利要求14所述的片状四氧化三锰纳米材料ICG@Mn3O4，其特征在于：所述纳米材料ICG@Mn3O4的结构呈六边形。
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