CN114890385B - 一种高效抗氧化二维氢锗烯纳米片及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效抗氧化二维氢锗烯纳米片及其制备方法和应用。所述二维锗纳米片具有超薄层状结构，且表面共价修饰H原子。

Description

一种高效抗氧化二维氢锗烯纳米片及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种具有优异的抗氧化性能，并且尺寸均一，具有高比表面积的表面连接有氢(H)原子的超薄锗纳米片(Germanene)及其制备方法和作为一种高效、低毒的生物医用二维纳米材料的相关应用，属于二维纳米材料技术领域。
背景技术
活性氧(ROS)，包括超氧阴离子(O2 ·-)、过氧化氢(H2O2)、单线态氧(1O2)和羟基自由基(·OH)在内，在调节生物体的各种生理功能中起着至关重要的作用，参与生物体生长、健康或衰老所必需的机制，常作为信号分子发挥着重要作用。但ROS同时也存在一些潜在毒性影响，包括对DNA、RNA、蛋白质和膜的氧化和损伤，这就需要细胞内多种抗氧化***将ROS保持在基本的无毒水平，任何偏离这一平衡都可能带来疾病的发生(Trends inPlantScience,2016,22(1),11-19)。急性肾损伤(AKI)，一种与氧化应激有关的疾病，每年在临床上都造成较高的死亡率(Adv.Funct.Mater.2019,29,1904833)。虽然抑制氧化应激的重要性已经被认识到几十年了，但由于缺乏安全有效的候选药物，抗氧化治疗仍然被大大推迟了。为此广大研究工作者设计了多种功能性的纳米药物，用于AKI的抗氧化治疗，像黑磷(BP)(Nano Lett.2020,20,1447-1454)、Cu5.4O纳米颗粒(Nature Communications,2020,11(1))等。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有优异抗氧化性能的超薄锗纳米片及其制备方法和应用。
一方面，本发明提供了一种二维锗纳米片，所述二维锗纳米片具有超薄层状结构，且表面共价修饰H原子(即Germanene-H，二维GeH纳米片)。
本公开中，具有超薄层状结构的二维GeH纳米片具有优异的抗氧化能力，可以清除一系列代表性的活性氧(ROS)物种，包括过氧化氢(H2O2)、超氧阴离子(O2 ·-)和羟基自由基(·OH)等，可以很好的应用在与ROS相关的AKI疾病治疗上。
较佳的，所述二维锗纳米片的横向尺寸为200～300nm，厚度在0.5～2nm。
较佳的，所述二维锗纳米片具有PH响应的降解行为，在趋向酸性(PH＜7，炎性微环境)的溶液中可以稳定存在较长时间，随着PH的降低，稳定时间增加，二者具有线性关系，而在中性(pH＝7.4，正常组织微环境)则快速降解。这一选择性降解的特性可以实现炎症靶向治疗的目的，具有较好的生物安全性。
较佳的，所述二维锗纳米片还包括修饰在所述二维锗纳米片表面的聚乙烯吡咯烷酮，所述二维锗纳米片和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1：(10～20)。通过PVP的表面修饰，可以更好的实现材料的体内生物应用。
另一方面，本发明还提供了一种二维锗纳米片的制备方法，包括：
(1)将具有层状微观结构的前驱体CaGe2进行急热处理和急冷处理，然后浸入浓盐酸溶液中进行磁力搅拌，得到混合溶液；
(2)将所得混合溶液经过离心处理后移除上清液，采用用无水乙腈或者酸性去离子水溶液清洗沉淀物，得到所述二维锗纳米片。
较佳的，所述急热处理的温度为360～400℃。
较佳的，所述急冷处理的温度为-196℃。
较佳的，所述浓盐酸溶液的浓度为10～13moL/L，优选为12moL/L。
较佳的，所述磁力搅拌的温度为-40℃，转速为500～600转/分钟，时间为6～8天。
较佳的，所述离心处理的转速为18000～20000转/分钟，时间为10～30分钟。优选，所述离心处理的转速为19000转/分钟，时间为15-30min。
再一方面，本发明还提供了一种二维锗纳米片在制备与ROS相关的AKI疾病治疗材料中的应用。
有益效果：
本发明的制备工艺简单，可行性高，成本低，产量高，得到的纳米材料尺寸可控，而且性能优异，可作为一种优异的抗氧化剂用于ROS清除相关生物应用。
本发明的纳米材料体系中，GeH纳米片表面连接的H原子可以实现活性氧(ROS)物质的有效清除，达到缓解急性肾损伤(AKI)的目的。
附图说明
图1为实施例1制备的二维GeH纳米片的流程图；
图2为实施例1中用于二维GeH纳米片合成的前驱体CaGe2的SEM图，可以看出其具有明显的层状结构；
图3为实施例1中二维GeH纳米片的TEM图，纳米片的尺寸均一，分散性良好(比例尺，200nm)；
图4为实施例1中二维GeH纳米片的原子力显微镜(AFM)图，证实了纳米片具有超薄结构，厚度在1nm左右；
图5为实施例1中二维GeH纳米片的红外吸收光谱图，证实了纳米片表面存在共价连接的氢原子；
图6为实施例1中二维GeH纳米片的拉曼光谱图，证实了纳米片表面存在共价连接的氢原子；
图7为实施例1中二维GeH纳米片在水氧环境下与一定条件下生成羟基自由基(·OH)和超氧阴离子(O2 ·-)反应前后的电子自旋共振(ESR)测试结果，证明二维GeH纳米片可以有效清除ROS，有可能应用于治疗ROS相关的炎症疾病；
图8为实施例1中二维GeH纳米片的细胞毒性测试结果，证明了材料对人胚胎肾源293(HEK 293)细胞的无毒性，具有良好的生物应用潜力；
图9为实施例1中二维GeH纳米片对与H2O2共孵育处理的HEK 293细胞的保护结果。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
在本公开中，表面修饰有氢原子的二维GeH纳米片，不仅其表面连接的氢原子可以消耗ROS，而且Ge本身的还原特性也可实现与ROS的反应，达到清除的目的。同时，二维GeH纳米片作为纳米药物载体材料，其高比表面积使得ROS清除的效率大大提升，实现高效，低毒的治疗效果。
本发明中，二维GeH纳米片的制备方法合成工艺简单可行、反应条件可控制精确。图1为本发明实施方式的制备二维GeH纳米片的流程图。以下示例性地说明表面修饰有氢原子的二维GeH纳米片的制备方法。
将Ca块和Ge粉按化学计量比1：2称量后，混匀置入镀有碳膜的石英管中。然后在抽真空的同时，使用氢氧焰进行封管处理。将装有材料的石英管放入马弗炉中，1～2h内升温至900～1200℃，于此条件下退火16～20h，然后自然冷却至室温，即可得到前驱体CaGe2。
将前驱体CaGe2研磨成为粉体，得到粉末状CaGe2。
将粉末状CaGe2经过热膨胀处理(例如加热到380℃)，随后将其浸入液态N2(L-N2)中，直到L-N2完全气化(例如骤冷至-196℃)，得到具有层状微观结构的前驱体CaGe2粉体。
将具有层状微观结构的前驱体CaGe2粉体浸入浓盐酸溶液，在低温条件下磁搅拌，HCl和CaGe2发生反应，生成CaCl2，从而有效刻蚀掉Ca层，而保留下单独的Ge层。
将混合溶液进行高速离心并移除上清液(含有反应副产物CaCl2等)，收集沉淀并无水丙酮或者酸性去离子水溶液清洗多次(例如三次)，可以得到二维GeH纳米片。
本发明中，利用上述简单易行的、环境友好的方法合成出具有良好稳定性，尺寸均一，安全低毒的超薄二维GeH纳米片。GeH纳米片具有超薄结构，横向尺寸为200-300nm，厚度在1nm左右。
本发明中，所得二维GeH纳米片在炎症的弱酸性微环境下可以稳定存在，而在正常组织的中性条件中易于降解。使得炎症治疗具有靶向性，提高了生物安全性，避免***分布带来的全身毒性的可能。同时，由于Ge本身的还原性，可以和ROS反应，降低炎症部位的氧化应激水平，而且其表面连接的氢原子进一步增强了反应活性，达到高效的炎症治疗效果。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
制备二维GeH纳米片：分别称量1.092g Ca块和3.919g Ge粉，混匀后加入镀好碳膜的石英管中。在充分抽真空的条件下，利用氢氧焰进行封管。将封管操作后的石英管放入马弗炉中，以10℃/min的升温速度升温至1000℃，于此条件下退火18h，然后自然冷却至室温，即可得到块状CaGe2。将得到的块状CaGe2进一步研磨成为粉体，称取1g粉末状CaGe2再次经过热膨胀处理(加热到380℃)，随后将其浸入液态N2(L-N2)中，直到L-N2完全气化(骤冷至-196℃)，得到具有层状微观结构的前驱体CaGe2粉体。将具有层状微观结构的前驱体CaGe2粉体浸入100ml浓盐酸溶液(12moL/L)中，在-40℃，600rpm条件下磁搅拌24h。然后高速离心(19000rpm，20min)，收集沉淀并无水丙酮或者酸性去离子水溶液清洗三次，可以得到产物GeH纳米片。进一步将1mg(溶于5mL乙醇)的GeH与10mg PVP(溶于5mL乙醇)混合，然后在50℃水浴下进行搅拌(500rpm，6小时)，最后离心收集沉淀物，可以得到PVP改性的GeH(PVP-GeH)。
图2为实施例1中二维GeH纳米片的前驱体CaGe2的SEM图片，直观地显示了CaGe2具有层状微观结构，说明了前驱体CaGe2是Ca层和Ge层通过紧密的层间作用力交替排列形成的层状化合物。
图3为实施例1中合成的二维GeH纳米片，通过急冷急热处理减少可使图2中前驱体内层与层之间的结合力变弱，进一步的浓盐酸处理可以有效的去除Ca层，从而保留分散性良好，尺寸均一的Ge层。
图4为实施例1中二维GeH纳米片的原子力显微镜(AFM)图，显示其厚度约为1nm，具有超薄结构，符合纳米片的特征。
图5为实施例1中二维GeH纳米片的红外吸收光谱，证实成功实现了纳米片表面氢原子共价修饰，合成了GeH纳米片。
图6为实施例1中二维GeH纳米片的拉曼光谱，证实成功实现了纳米片表面氢原子共价修饰，合成了GeH纳米片。
图7为实施例1中二维GeH纳米片在水氧环境下与一定条件下生成羟基自由基(·OH)和超氧阴离子(O2 ·-)反应前后的电子自旋共振(ESR)测试结果，证明二维GeH纳米片可以有效清除ROS。
本实施例1中GeH纳米片的细胞毒性测试采用经典的CCK-8试剂盒进行评价。在进行CCK-8实验时，首先将细胞以1×104/孔的密度接入到96孔板中，然后在37℃、含5％CO2潮湿空气的CO2培养箱中培养24h让细胞贴壁。接着用含有单纯不同浓度的PVP-GeH(40μg/mL，20μg/mL，10μg/mL，5μg/mL，这里浓度以Ge的质量为定量标准)的新鲜培养液替换掉贴壁细胞中的培养基，再继续孵育24h。待培育结束后，去掉培养液，并用新鲜培养液清洗3次。再在每个孔中加入经培养基稀释十倍的CCK-8溶液，并放入37℃、含5％CO2潮湿空气的CO2培养箱中再共孵育4h。最后在酶标仪上测试吸光度(λ＝450nm)。细胞毒性指标用经过样品处理后的细胞活力相对于未经过处理的空白对照组的细胞活力的百分比表示。图8为本实施例1中磁电纳米材料的细胞毒性结果图，可以看出材料对HEK293细胞的无毒性，其具有良好的生物应用潜力。
图9为实施例1中二维GeH纳米片在细胞层面清除ROS能力的测试。在进行实验时，首先将细胞以1×104/孔的密度接入到96孔板中，然后在37℃、含5％CO2潮湿空气的CO2培养箱中培养24h让细胞贴壁。接着进行细胞给药，将不同浓度PVP-GeH(10μg/mL，5μg/mL，2.5μg/mL，这里浓度以Ge的质量为定量标准)加入每组孔中，并孵育30min。然后，将细胞用250μMH2O2处理，并在37℃下进一步孵育24h。将接种在96孔板中的细胞与CCK-8孵育，以检测细胞活力。未添加H2O2的孔被视为阴性对照。

Claims (8)

1.一种二维锗纳米片在制备与ROS相关的AKI疾病治疗材料中的应用，其特征在于，所述二维锗纳米片具有超薄层状结构，且表面共价修饰H原子；
所述二维锗纳米片的制备方法包括：
（1）将具有层状微观结构的前驱体CaGe2进行急热处理和急冷处理，然后浸入浓盐酸溶液中进行磁力搅拌，得到混合溶液；
（2）将所得混合溶液经过离心处理后移除上清液，采用无水乙腈或者酸性去离子水溶液清洗沉淀物，得到所述二维锗纳米片。
2. 根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述二维锗纳米片的横向尺寸为200～300 nm，厚度在0.5～2 nm。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述二维锗纳米片在酸性条件下稳定存在，在中性条件下降解。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述二维锗纳米片还包括修饰在所述二维锗纳米片表面的聚乙烯吡咯烷酮，所述聚乙烯吡咯烷酮和二维锗纳米片的质量比为1：（10～20）。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述急热处理的温度为360～400℃；所述急冷处理的温度为-196℃；所述浓盐酸溶液的浓度为10～13moL/L。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述浓盐酸溶液的浓度为12moL/L。
7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述磁力搅拌的温度为-40℃，转速为500～600转/分钟，时间为6～8天。
8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述离心处理的转速为18000～20000转/分钟，时间为10～30分钟。
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Hydrogenated Germanene Nanosheets as an Antioxidative Defense Agent for Acute Kidney Injury Treatment;Zhixin Chen，等;Adv. Sci.;全文 *

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