CN115040650A - 一种具有聚集增强光热特性的喹啉菁光热纳米粒子的制备和应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有“聚集增强光热”特性的喹啉菁光热纳米粒子的制备和应用方法。本发明使用2‑甲基喹啉为原料，合成一系列含有不同取代基团的平面型近红外喹啉菁分子，并通过自组装发制备光热纳米粒子。由于合成的喹啉菁分子具有良好的平面刚性，分子容易自组装形成规则排列的H聚集体，光热效应随之大幅增强；通过调节分子的取代基团，可以控制喹啉菁形成自组装体的粒径、聚集程度及吸收波长。本发明提供的喹啉菁光热纳米粒子具有近红外吸收、均一的尺寸、高光热效率及良好的稳定性，且制备方法简单、高效，在生物光声成像、肿瘤光热治疗等领域具有良好的应用前景。

Description

一种具有聚集增强光热特性的喹啉菁光热纳米粒子的制备和 应用方法

技术领域

本发明属于化学合成、分子自组装及生物诊疗技术领域，特别涉及一类具有“聚集增强光热”特性的喹啉菁分子的合成、其光热纳米粒子的制备方法、及在癌症光声成像和光热治疗方面的应用。

背景技术

癌症是严重威胁人类健康。目前针对癌症的治疗主要还是采用手术治疗、放射治疗、化学治疗等传统治疗手段，然而上述治疗方法创伤大、毒副作用强、靶向性差，难以实现肿瘤的根除。光热疗法是一种利用光热试剂，在近红外光等外部光源的照射下，将光能转化为热能从而杀伤癌细胞的新型治疗方法。基于有机染料的光热材料的制备成本低，结构可设计性强，具有良好的生物安全性和生物降解性，在光热治疗中应用潜力巨大。有机光热材料近年来发展迅速，其功能性也不断扩展。基于有机光热材料构建的多功能平台可以结合化疗、放疗、光动力疗法、化动力疗法、基因疗法和免疫疗法，实现联合治疗，在耐药性肿瘤、转移肿瘤治疗、预防肿瘤复发中取得良好效果。尽管人们对有机光热纳米材料的构筑及其抗肿瘤方法研究广泛，然而，对于有机染料本身的光热性能还需要进一步关注。大多数有机染料由于自身分子结构的限制，通常光热转化效率不高，因此使用时需要使用增加剂量或激光照射强度，从而引起潜在的副作用。寻找简便、高效方法提升有机材料的光热转化效率具有重要意义。

H聚集是一种染料聚集的特殊组装方式，由于分子之间强的π-π相互作用，分子可实现紧密平行排列。 H聚集体受到光激发后，在电子回迁过程中，会产生更多的转换及振动弛豫，使荧光大幅度猝灭，同时大量能量以热的形式释放。因此，染料的H聚集有望成为构筑高性能光热试剂的一种有效手段。目前，有机染料H聚集体主要应用于光电领域，在光热治疗领域的研究很少。以下原因限制了其应用：1)有机分子H 聚集程度低、容易解聚，使光热效率难以提升；2)H聚集会导致染料吸收大幅蓝移，进一步制约了其生物应用。

为了解决上述问题，本项目发明提出了一种构建平面性、近红外喹啉菁染料的策略，分子可以在水中发生自组装形成稳定的H聚集体，通过具有“聚集增强光热”效应使光热转化效率大幅提升。

发明内容

本发明提供了一种具有“聚集增强光热”特性的喹啉菁光热纳米粒子的制备和应用方法。

本发明使用2-甲基喹啉为原料，合成一系列含有不同取代基团的平面型近红外喹啉菁染料，并通过自组装发制备光热纳米粒子。由于合成的喹啉菁染料具有良好的平面刚性，分子容易自组装形成规则排列的H聚集体，光热效应随之增强；通过调节分子的取代基团，可以控制喹啉菁形成自组装体的粒径、聚集程度及吸收波长。另外，喹啉菁形成H聚集体后仍然具有近红外吸收，保证其在生物成像、肿瘤治疗领域的应用。构成光热纳米粒子的喹啉菁染料的结构式为：

其中，R₁为甲基、乙基、丙基、丙磺酸基；R₂为氯、苯硫基、苯硒基。

进一步的，具有“聚集增强光热”特性的喹啉菁光热纳米粒子的制备方法包括以下步骤：1)喹啉菁分子的合成，2)通过自组装法，使喹啉分子形成光热纳米粒子。

进一步的，步骤1)所述的喹啉菁分子的合成方法为：

S1、将2-甲基喹啉及季胺化试剂溶解于适量乙腈中，在氮气保护下回流反应12小时，其中2-甲基喹啉与季胺化试剂的摩尔比为1：2-5。将混合物冷却至室温后用甲基叔丁基醚沉淀并洗涤多次、干燥，得到季胺化喹啉衍生物。

S2、将季胺化喹啉衍生物与等摩尔量的2-氯-3-(羟基亚甲基)-1-环己烯-1-甲醛溶解于甲苯和正丁醇的混合溶剂中，其中甲苯和正丁醇的体积比为2:1-1.5，在氮气保护下回流反应8小时。随后，再次将季胺化喹啉衍生物及少量吡啶加入反应液，继续回流反应8小时。反应结束后，将反应液冷却、过滤，并将所得粗产物固体用甲基叔丁醚洗涤。进一步将粗产物用柱层析色谱进行分离得到喹啉菁化合物QCy1。

S3、将QCy1与中位取代试剂按摩尔比1:2-6溶于N,N-二甲基甲酰胺中，加入催化量的三乙胺，氮气保护、85℃下反应3-5小时。随后，在反应液中加入适量二氯甲烷并用水萃取，旋干有机相后将所得粗产物用柱层析色谱进行分离得到喹啉菁化合物QCy2。

进一步的，步骤S1中所述的季胺化试剂包括碘甲烷、碘乙烷、碘丙烷、磺酸己内酯等。

进一步的，步骤S2中所述的季胺化喹啉衍生物分两次加入反应液，两次加入的摩尔量相同。

进一步的，步骤S3中所述的中位取代试剂为苯硫酚、苯硒酚等。

进一步的，步骤2)所述的自组装法为：将喹啉菁化合物溶于DMSO中(1-5×10^-3M)，取一定体积的染料溶液滴入水中，快速搅拌5-10分钟，随后通过透析法除去DMSO。其中，所用DMSO溶液与水的体积比例为1：20-200。

上述喹啉菁形成纳米粒子后，其光热转化效率比单分子态提升2-3倍。

上述具有“聚集增强光热”特性的喹啉菁光热纳米粒子在癌症光声成像中的应用。

上述具有“聚集增强光热”特性的喹啉菁光热纳米粒子在癌症光热治疗中的应用。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明设计合成的平面型近红外喹啉菁分子具有“聚集增强光热”效应，即喹啉菁分子通过上述方法自组装后，可以形成H聚集体，并伴随光热效率显著提升；

2.本发明制备的喹啉菁光热纳米粒子，在形成H聚集体后仍然具有近红外吸收特性，其吸收波长大于650 nm，有利于生物应用；

3.本发明制备的喹啉菁光热纳米粒子形貌稳定、粒径均一；

4.本发明制备的喹啉菁光热纳米粒子具有良好的光稳定性，激光多次照射后光热性能无明显衰减；

5.本发明制备的喹啉菁光热纳米粒子可用于光声成像指导的癌症光热治疗，肿瘤抑制率高；

6.本发明提供的光热纳米粒子制备工艺成熟，简便，生物安全性高。

附图说明

图1合成喹啉菁分子的反应流程图。

图2实施例1中产物的核磁氢谱。

图3实施例1中产物的质谱。

图4实施例4中光热纳米粒子的扫描及透射(插图)电子显微镜图像。

图5实施例1中喹啉菁分子(溶剂为DMSO)和实施例4中光热纳米粒子(溶剂为水)的吸收光谱对比。

图6实施例4中光热纳米粒子的光热升温曲线(660nm,1W/cm²)。

图7实施例4中光热纳米粒子的光照稳定性测试，对照分子为吲哚菁绿(ICG)。

图8“聚集增强光热”效应：随聚集程度增加，QCy的光热转化效率增加。

图9实施例5中，不同时间点下荷瘤小鼠的光声成像照片及光声信号强度。

图10实施例6中，不同治疗组的荷瘤小鼠肿瘤体积随治疗时间的变化曲线。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步阐述。本发明不限于这些具体的实施例。

实施例1：中位氯取代的喹啉菁分子QCy1的合成

(1)将0.5g(3.5mmol)的2-甲基喹啉及乙腈中，加入1.5g(7mmol)碘甲烷试剂溶解于10mL 乙腈中，在氮气保护下回流反应8小时。将混合物冷却至室温后用甲基叔丁基醚沉淀并洗涤多次、干燥，得到季胺化喹啉衍生物。

(2)将250mg(0.92mmol)季胺化喹啉衍生物与144mg(0.92mmol)的2-氯-3-(羟基亚甲基) -1-环己烯-1-甲醛溶解于10mL甲苯和正丁醇的混合溶剂中(其中含有甲苯7mL、正丁醇3mL)，在氮气保护下回流反应8小时。随后，再将250mg(0.92mmol)季胺化喹啉衍生物及2mL吡啶加入反应液，继续回流反应8小时。反应结束后，将反应液冷却、过滤，并将所得粗产物固体用甲基叔丁醚洗涤3次。进一步将粗产物用柱层析色谱进行分离得到喹啉菁化合物QCy1。

实施例2：中位苯硫基取代的喹啉菁分子合成

将50mg(0.087mmol)QCy1与54mg(0.346mmol)苯硫酚，溶于5mL N,N-二甲基甲酰胺中，加入催化量的三乙胺，氮气保护下，85℃下反应3小时。在反应液中加入适量二氯甲烷并用水萃取3次后，进一步将粗产物用柱层析色谱进行分离得到中位苯硫基取代的喹啉菁分子。

实施例3：中位苯硒基取代的喹啉菁分子合成

将50mg(0.087mmol)QCy1与52mg(0.346mmol)苯硒酚，溶于5mL N,N-二甲基甲酰胺中，加入催化量的三乙胺，氮气保护下，85℃下反应5小时。在反应液中加入适量二氯甲烷并用水萃取3次后，进一步将粗产物用柱层析色谱进行分离得到中位苯硒基取代的喹啉菁分子。

实施例4：基于QCy1制备光热纳米粒子QCy NPs

将喹啉菁染料QCy1分子溶于DMSO中(4×10^-3M)，将0.1mL的染料溶液滴入2-10mL水中，快速搅拌5-10分钟，随后通过透析法除去DMSO，即得到光热纳米粒子QCy NPs的水溶液。

实施例5：QCy NPs在癌症光声成像中的应用

选用雌性BALB/c小鼠(3-5周龄)，建立4T1(小鼠乳腺癌细胞)皮下肿瘤模型。肿瘤体积约为100mm³时，通过尾静脉对小鼠注射QCy NPs水溶液(40μM,100μL)，随后利用多光谱学断层扫描***进行光声成像。采集图像的时间点为0、2、4、6、8、12小时。其中，注射QCyNPs 6小时后，肿瘤部位的光声信号强度达到最大值，说明此时QCy NPs在肿瘤处富集量最大。

实施例6：QCy NPs在癌症光热治疗中的应用

选用雌性BALB/c小鼠(3-5周龄)，建立4T1(小鼠乳腺癌细胞)皮下肿瘤模型。肿瘤体积约为100mm³时，通过尾静脉对小鼠注射不同试剂，分组如下：(1)PBS对照组，(2)PBS+光照组，(3)QCy NPs组，(4)QCy NPs+光照组，其中QCy NPs剂量为(40μM,100μL)，光照10min(660nm，1.0W/cm²)。每两天使用游标卡尺测试肿瘤的尺寸并计算其体积，得到肿瘤体积随时间的变化曲线。与其他对照组相比， QCy NPs+光照组中小鼠的肿瘤生长明显受到抑制，说明QCy NPs可用于肿瘤的光热治疗。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种具有“聚集增强光热”特性的喹啉菁光热纳米粒子，其特征在于，构成光热纳米粒子的喹啉菁染料的结构式为：

其中，R₁为甲基、乙基、丙基、丙磺酸基；R₂为氯、苯硫基、苯硒基。

2.一种具有“聚集增强光热”特性的喹啉菁光热纳米粒子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)喹啉菁分子的合成，2)通过自组装法，使喹啉分子形成光热纳米粒子。

3.根据权利要求2所述的具有“聚集增强光热”特性的喹啉菁光热纳米粒子的制备方法，其特征在于，步骤1)所述的喹啉菁分子可通过步骤S1-S2或S1-S3所述方法合成：

S1、将摩尔比为1：2-5的2-甲基喹啉及季胺化试剂溶解于适量乙腈中，在氮气保护下回流反应12小时，用甲基叔丁基醚沉淀并洗涤多次并干燥，得到季胺化喹啉衍生物；

S2、将季胺化喹啉衍生物与等摩尔量的2-氯-3-(羟基亚甲基)-1-环己烯-1-甲醛溶解于甲苯和正丁醇体积比为2:1-1.5的混合溶剂中，在氮气保护下回流反应8小时，随后再次将季胺化喹啉衍生物及少量吡啶加入反应液，继续回流反应8小时，将反应液冷却、过滤，并将所得固体用甲基叔丁醚洗涤，用柱层析色谱进行分离得到喹啉菁化合物QCy1；

S3、将QCy1与中位取代试剂按摩尔比1:2-6溶于N,N-二甲基甲酰胺中，加入催化量的三乙胺，在氮气保护、85℃下反应3-5小时，在反应液中加入适量二氯甲烷并用水萃取，旋干有机相后将所得粗产物用柱层析色谱进行分离，得到喹啉菁化合物QCy2。

4.根据权利要求3中所述的喹啉菁分子的合成方法，其特征在于，步骤S1中所述的季胺化试剂包括碘甲烷、碘乙烷、碘丙烷、磺酸己内酯等。

5.根据权利要求3中所述的喹啉菁分子的合成方法，其特征在于，步骤S2中所述的季胺化喹啉衍生物分两次加入反应液，两次加入的摩尔量相同。

6.根据权利要求3中所述的喹啉菁分子的合成方法，其特征在于，步骤S3中所述的中位取代试剂为苯硫酚、苯硒酚等。

7.根据权利要求2所述的具有“聚集增强光热”特性的喹啉菁光热纳米粒子的制备方法，其特征在于，步骤2)所述的自组装法为：将喹啉菁化合物配置成1-5×10^-3M的DMSO溶液，取一定体积的染料溶液滴入体积为20-200倍的水中，快速搅拌5-10分钟，随后通过透析法除去DMSO。

8.根据权利要求1所述的具有“聚集增强光热”特性的喹啉菁光热纳米粒子，其特征在于，所述喹啉菁形成纳米粒子后，其光热转化效率比单分子态提升2-3倍。

9.根据权利要求1所述的具有“聚集增强光热”特性的喹啉菁光热纳米粒子在癌症光声成像中的应用。

10.根据权利要求1所述的具有“聚集增强光热”特性的喹啉菁光热纳米粒子在癌症光热治疗中的应用。

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