CN114874358B - 一种多核铈纳米材料的合成方法及其应用 - Google Patents

一种多核铈纳米材料的合成方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多核铈纳米材料的合成方法及其应用，属于纳米材料领域。该多核铈纳米材料为铈簇纳米粒子，具有十二个铈和十八个金刚烷，通过其表面的金刚烷与环糊精主客体自组装改性得到水溶性多核铈纳米材料，该水溶性多核铈纳米材料同时含有三价铈和四价铈，可以有效清除多种ROS(如·OH、H2O2、O2‑)以及模拟多种酶活性(如CAT酶、SOD酶)，具有可调节的催化活性、易于制备且低成本、稳定性高、表面易修饰和可长期保存等优势，可用于ROS过量导致的炎症性疾病治疗方面。

Description

一种多核铈纳米材料的合成方法及其应用
技术领域
本发明属于纳米材料领域，具体涉及一种多核铈纳米材料的合成方法及其应用。
背景技术
生物体内存在多种天然抗氧化酶(简称为天然酶)，包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)等，它们通过催化体内自由基反应生成无害的物质抵抗自由基对人体的损伤。然而，天然酶存在许多不足，例如稳定性差、表面不易修饰、造价高、难以大量生产和存储、结构和功能对环境敏感等。为了克服这些缺点，模拟天然酶功能的人造酶如纳米酶因其优异的理化性质和较大的比表面积而受到广泛关注，其中铈纳米酶材料具有可调节的催化活性、易于制备且低成本、稳定性高、表面易修饰等优点，是天然酶在多种应用中有前途的替代品。镧系元素中，铈具有4f轨道，并被5p和4d电子屏蔽，这种特性使其具有良好的催化特性，与其他稀土金属不同，它可以以+3和+4氧化态存在，在生物应用领域展现出强大的潜力，例如氧化铈是有前途的纳米酶材料。
目前，炎症性疾病的主要特性之一是过量ROS的产生，临床治疗主要是基于小分子药物、抗生素和抗体等的治疗，但其并不完全有效，且长期使用甚至可能导致严重的并发症、抗生素耐药性和免疫反应。具有有效清除ROS功能的纳米材料因其良好的渗透性和保留作用以及浸润的炎性吸收作用，可以通过细胞内皮间隙从血液中漏出，靶向积聚在炎症部位以实现更高效治疗。
现有技术中，氧化铈(CeO2)纳米材料可以清除生物体内过量的活性氧物种，用于治疗多种炎症性疾病。二氧化铈纳米粒子(CeO2 NPs)是铈基纳米酶的主要代表且为最早报道的具有SOD模拟活性的纳米酶之一，在CeO2 NPs表面存在许多氧空位，它的催化机理涉及Ce3+和Ce4+两种氧化态之间的氧化还原循环，吸附在氧空位上的O2-与质子(H+)发生反应，导致H2O2和O2从表面逸出。然而，释放出的H2O2同样是造成细胞损伤的ROS。此外，CeO2 NPs还具有CAT模拟性质，可以催化H2O2分解为无毒的H2O和O2。因此，CeO2纳米材料在生物医学中具有广泛应用尤其体现在炎症治疗。炎症是机体对局部受损组织的免疫反应，炎性组织的一个重要特征是ROS含量的增加，因此清除过量表达的ROS可以缓解炎症并抑制相关疾病的发生。由于具有模拟SOD和CAT的特性，基于铈纳米材料独特的自催化能力已成为治疗ROS相关疾病的潜在抗氧化剂。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种多核铈纳米材料的合成方法。
本发明的第二目的是提供上述多核铈纳米材料在活性氧清除方面的应用。
本发明的第三目的是提供上述多核铈纳米材料在制备治疗炎症性疾病的药物中的应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种多核铈纳米材料，其为铈簇纳米粒子，具有十二个铈和十八个金刚烷，结构式如下所示：
Figure BDA0003590120370000021
本发明还提供上述多核铈纳米材料的合成方法，包括以下步骤：
(1)制备Ce6前驱体：称取1.5g(2.7mmol)硝酸铈铵溶解在0.9mL(50mmol)H2O中，再加入0.3g(4mmol)甘氨酸，然后加入10.7g饱和NaCl溶液稀释，封好静置2天，长出黄橙色的晶体；整个溶液在布氏漏斗中过滤，用二次水洗涤三次，得到纯净Ce6晶型，60℃干燥过夜，得到Ce6前驱体装瓶放干燥器；
(2)制备Ce12纳米粒子：称取0.1g Ce6前驱体，加入2mL二次水作为溶解，常温超声10分钟充分溶解；称取1g金刚烷甲酸，加入10mL DMF作为溶剂，充分溶解；再将完全溶解的Ce6前驱体滴加入金刚烷甲酸DMF溶液中；在85℃油浴反应12h，得到Ce12 NPs，反应结束后抽滤反应液，用甲醇洗涤三遍，烘箱干燥；
(3)制备多核铈纳米材料：称取6.3mg Ce12加入16mL DMSO作为溶剂，常温搅拌使之完全溶解，称取10.56mgβ-CD溶于2mL DMSO中，超声充分溶解；将β-CD的DMSO溶液逐滴加到Ce12的DMSO中，室温搅拌48h使两种物质充分混合反应；得到粗产物，透析48h除去DMSO和未成功包裹的β-CD以及Ce12，得到Ce12@CD NPs，即多核铈纳米材料。
本发明还提供一种水溶性多核铈纳米材料，其同时含有三价铈和四价铈，通过所述多核铈纳米材料表面的金刚烷与环糊精主客体自组装改性得到。
本发明还提供上述水溶性多核铈纳米材料在活性氧清除方面的应用。
本发明还提供上述多核铈纳米材料在制备治疗炎症性疾病的药物中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明合成一种新型的多核铈纳米材料，其含有十二个铈和十八个金刚烷，通过其上的金刚烷与环糊精主客体自组装合成具有良好纳米尺度的水溶性多核铈纳米材料，该水溶性多核铈纳米材料同时含有三价铈和四价铈，可以有效清除多种ROS(如·OH、H2O2、O2-)以及模拟多种酶活性(如CAT酶、SOD酶)，可用于ROS过量导致的炎症性疾病治疗。
(2)生物体中存在多种生物酶平衡体内ROS以保证机体正常运行，炎症性疾病等的发生多数与生物酶的失调有关，本发明的水溶性多核铈纳米材料具有多种酶活性效果，具有可调节的催化活性、易于制备且低成本、稳定性高、表面易修饰和可长期保存等优势，是天然酶在各种应用中有前途的替代品。
附图说明
图1是实施例中Ce12@CD NPs簇合物的结构式。
图2是实施例中Ce12@CD NPs的扫描电子显微镜(SEM)图像及其粒径统计。
图3是实施例中Ce12@CD NPs的水合动力学直径及其Zeta电位表征图。
图4是实施例中不同浓度的Ce12@CD NPs清除羟基自由基紫外-可见吸收光谱图(左)和清除羟基自由基评估图(右)。
图5是实施例中不同浓度的Ce12@CD NPs清除超氧阴离子紫外-可见吸收光谱图(左)和清除超氧阴离子评估图(右)。
图6是实施例中不同浓度Ce12@CD NPs清除过氧化氢紫外-可见吸收光谱图(左)和清除过氧化氢评估图(右)。
图7是实施例中不同浓度的Ce12@CD NPs模拟CAT酶活性评估效果图。
图8是实施例中不同浓度的Ce12@CD NPs模拟SOD酶活性紫外-可见吸收光谱图(左)和SOD酶活性评估图(右)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例制备Ce12@CD NPs簇合物，具体步骤为：
(1)Ce6前驱体的制备：称取1.5g(2.7mmol)硝酸铈铵溶解在0.9mL(50mmol)H2O中，再加入0.3g(4mmol)甘氨酸，最后加入10.7g饱和NaCl溶液稀释，封好静置2天，长出黄橙色的晶体。将整个溶液在布氏漏斗中过滤，用二次水洗涤三次，得到纯净Ce6用显微镜观察晶型，60℃烘箱干燥过夜，将烘干的Ce6前驱体装瓶放干燥器。
(2)Ce12纳米粒子的制备：称取0.1g Ce6前驱体，加入2mL二次水作为溶解，常温超声10分钟充分溶解；称取1g金刚烷甲酸，加入10mL DMF作为溶剂，充分溶解；再将完全溶解的Ce6前驱体滴加入金刚烷甲酸DMF溶液中；在85℃油浴反应12h，最终得到Ce12 NPs，反应结束后抽滤反应液，用甲醇洗涤三遍，烘箱干燥。
(3)Ce12@CD NPs的制备：称取6.3mg Ce12加入16mLDMSO作为溶剂，常温搅拌使之完全溶解，称取10.56mgβ-CD溶于2mLDMSO中，超声充分溶解；将β-CD的DMSO溶液逐滴加到Ce12的DMSO中，室温搅拌48h使两种物质充分混合反应；得到粗产物，透析48h，除去DMSO和未成功包裹的β-CD以及Ce12，得到Ce12@CD NPs。
对Ce12@β-CDG NPs进行扫描电子显微镜(SEM)、水合动力学直径和Zeta电位表征，结果如图2和3所示。结合附图可知，Ce12@CD NPs簇合物中含有12个铈和18个金刚烷，说明上述化合物可通过金刚烷与环糊精主客体自主装改善簇合物的水溶性(图1)。通过电子透射显微镜可以看到，Ce12@CD NPs在干燥状态下其粒径为55nm左右，同时可以看到Ce12@CDNPs具有良好的完整的球型形貌，且均一性良好，保证了材料在应用时效果的均匀性(图2)。经动态光散射测试可知，Ce12@CD NPs的水合动力学直径为154.4nm，其Number值为51.04nm，接近SEM统计得到的粒径，其较小的纳米尺寸为本发明中Ce12@CD NPs在纳米酶活性研究奠定良好的基础(图3)。Zeta电位的数据显示，Ce12@CD NPs的表面电势为+20.5mV，这是因为表面有裸露的金刚烷以及环糊精，而+20.5mV的表面电势表明，纳米粒子间的表面电荷排斥较为强烈，由此可以推断纳米粒子具有良好的稳定性(图3)。
实施例2
本实施例验证Ce12@CD NPs水溶液中ROS清除效果，具体为：
(1)羟基自由基(·OH)清除能力。以3，3'，5，5'-四甲基联苯胺(TMB)为检测·OH的指示剂，·OH通过过氧化氢和亚铁离子发生Fenton反应产生。加入1mL FeSO4(1mM)、1mLH2O2(2mM)、1mL不同浓度Ce12@CD(50μg/mL、100μg/mL、150μg/mL、200μg/mL、250μg/mL)、1mLTMB溶液(1mM)，上述溶液总体积为4mL，将其混合均匀后，置于黑暗中孵育5分钟，然后用紫外-可见光谱法检测溶液在658nm处的吸光度。结果可知，当过氧化氢和硫酸亚铁同时存在时，可以产生一定量的·OH，而加入Ce12@CD NPs后，溶液中的·OH量减少，并随着浓度的增加·OH的减少量越多，说明纳米材料的加入可以清除羟基自由基(图4)。
(2)超氧阴离子(O2-·)清除能力。通过超氧阴离子检测试剂盒(南京建成生物工程研究所，中国南京)评估Ce12@CD NPs的O2-·清除能力。模拟机体中黄嘌呤与黄嘌呤氧气化酶反应***，产生超氧阴离子自由基，加入电子传递物质及显色剂，使反应体系呈现***，可利用分光光度计测其吸光度。当被测样本中含有超氧阴离子抑制剂时，测定材料的吸光度低于对照管的吸光度，通过维生素C作为标准，可计算材料对超氧阴离子的影响能力。
根据制造商的说明，将不同浓度的Ce12@CD NPs(2μg/mL、4μg/mL、6μg/mL、8μg/mL、10μg/mL)分别加到工作溶液中，充分混匀，37℃恒温水浴40分钟，然后加入2mL显色剂，混匀后测550nm处溶液的紫外吸光度，根据吸光度数值计算清除率。结果可知，当在过氧化氢中加入Ce12@CD NPs后，紫外吸光值降低，并随着Ce12@CD NPs浓度的增加吸光值降低的越多说明清除的超氧阴离子的量越多，说明纳米材料的加入可以清除超氧阴离子(图5)。
(3)过氧化氢(H2O2)清除能力。通过过氧化氢检测试剂盒(南京建成生物工程研究所，中国南京)评估Ce12@CD NPs的H2O2清除能力，H2O2与钼酸铵反应形成稳定的黄色络合物，在405nm处有一个特殊吸收峰。将不同浓度的Ce12@CD NPs(50μg/mL、100μg/mL、150μg/mL、200μg/mL、250μg/mL)分别与H2O2(2mM)在37℃下孵育5min，体系最终体积为2mL，每个浓度平行三组实验。根据制造商的说明测定剩余H2O2的浓度，根据测定的紫外吸光值计算H2O2清除能力。结果可知，当在工作液中加入Ce12@CD NPs后，紫外吸光值降低，并随着Ce12@CDNPs浓度的增加吸光值降低的越多说明清除的过氧化氢的量越多。这说明纳米材料的加入可以清除过氧化氢(图6)。
实施例3
本实施例中验证Ce12@CD NPs模拟生物酶活性，具体如下：
(1)CAT酶活性。使用溶解氧分析仪来实时测量O2水平。将5mLCe12@CD(50、100、150、200、250μg/mL)倒入一个小的圆底烧瓶中，并用封口膜封闭，待数据稳定后注射1mL10mM H2O2，每10S时间间隔监测所产生溶解的O2的量。结果可知，在过氧化氢中加入Ce12@CD NPs后，会产生溶解氧，并随着Ce12@CD NPs浓度的增加溶解氧的含量就越多，说明Ce12@CD NPs可以通过催化过氧化氢分解产生氧气，这类似于过氧化氢酶(CAT酶)，说明材料具有CAT酶活性，并随着材料浓度的增加溶解氧量也增加，即材料的CAT酶活性随着浓度的增加活性越高(图7)。
(2)SOD酶活性。SOD活性检测试剂盒(上海吉至生化科技有限公司，中国上海)评估Ce12@CD NPs的SOD酶活性，通过黄嘌呤及黄嘌呤氧化酶反应***产生O2-·，O2-·可还原氮蓝四唑生成蓝色甲臜，后者在紫外吸收光谱560nm处有吸收；使用紫外吸收光谱在460nm处测定甲臜浓度。SOD可清除O2-·，从而抑制甲臜的形成；反应液蓝色越深，说明SOD活性愈低，反之活性越高。
根据制造商的说明，将不同浓度的Ce12@CD NPs(1μg/mL、5μg/mL、10μg/mL、15μg/mL、20μg/mL)分别加到工作溶液中，充分混匀，37℃恒温水浴30分钟后测560nm处溶液的紫外吸光度，根据吸光度数值计算清除率。结果可知，通过SOD酶检测试剂盒在***中产生一定量的超氧阴离子，在加入Ce12@CD NPs后，由紫外吸收值的降低可知超氧阴离子量的降低，并随着Ce12@CD NPs浓度的增加超氧阴离子的含量就越少，说明Ce12@CD NPs类似于超氧歧化酶(SOD酶)分解超氧阴离子，即材料具有SOD酶活性，且材料的SOD酶活性随着浓度的增加活性越高(图8)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多核铈纳米材料，其特征在于，其为铈簇纳米粒子，具有十二个铈和十八个金刚烷，结构式如下所示：
Figure FDA0003949296130000011
2.一种水溶性多核铈纳米材料的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备Ce6前驱体：称取2.7mmol硝酸铈铵溶解在50mmol H2O中，再加入4mmol甘氨酸，然后加入10.7g饱和NaCl溶液稀释，封好静置2天，长出黄橙色的晶体；整个溶液在布氏漏斗中过滤，用二次水洗涤三次，得到纯净Ce6晶型，60℃干燥过夜，得到Ce6前驱体装瓶放干燥器；
(2)制备Ce12纳米粒子：称取0.1g Ce6前驱体，加入2mL二次水作为溶解，常温超声10分钟充分溶解；称取1g金刚烷甲酸，加入10mL DMF作为溶剂，充分溶解；再将完全溶解的Ce6前驱体滴加入金刚烷甲酸DMF溶液中；在85℃油浴反应12h，得到Ce12 NPs，反应结束后抽滤反应液，用甲醇洗涤三遍，烘箱干燥；
(3)制备多核铈纳米材料：称取6.3mg Ce12加入16mL DMSO作为溶剂，常温搅拌使之完全溶解，称取10.56mgβ-CD溶于2mL DMSO中，超声充分溶解；将β-CD的DMSO溶液逐滴加到Ce12的DMSO中，室温搅拌48h使两种物质充分混合反应；得到粗产物，透析48h除去DMSO和未成功包裹的β-CD以及Ce12，得到Ce12@CD NPs，即水溶性多核铈纳米材料。
3.一种水溶性多核铈纳米材料，其特征在于，其同时含有三价铈和四价铈，通过权利要求1所述多核铈纳米材料表面的金刚烷与环糊精主客体自组装改性得到。
4.权利要求3所述水溶性多核铈纳米材料在非疾病的诊断和治疗目的的活性氧清除方面的应用。
5.权利要求3所述水溶性多核铈纳米材料在制备治疗炎症性疾病的药物中的应用。
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