CN115944732A - 一种铋基多孔纳米材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铋基多孔纳米材料及其制备方法和应用，具体涉及声动力治疗领域。该铋基多孔纳米材料是以铋纳米球与硒氢化盐为原料反应得到的产物，能够用于制备用于声动力治疗的声敏剂。本发明提供的声敏剂具有优良的生物相容性和生物安全性，毒性低，免疫原性低，在1 W/cm²超声1 min的条件下可大量产生活性氧，使肿瘤细胞大量死亡，具有优异的声动力疗效。本发明提供的声敏剂制备工艺简单，反应条件温和，生产成本低，在声动力治疗方面具有广阔的应用前景和临床转化价值。

Description

一种铋基多孔纳米材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于声动力治疗领域，具体涉及一种铋基多孔纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来癌症发病率和死亡率持续升高，已成为危害人类生命健康的重大公共卫生问题。目前临床上常用的治疗癌症的手段包括手术切除、化疗、放疗及免疫治疗等，但仍存在术后复发转移率高、副作用显著等问题。因此亟需新的治疗方法来克服当前面临的挑战。

声动力疗法是在光动力疗法基础上发展演变而来的一种非侵入性肿瘤治疗方式，通过给予特定强度的超声波辐照，能够诱导细胞凋亡和坏死，从而杀灭肿瘤细胞。声动力疗法的抗肿瘤机制复杂，其中产生活性氧（ROS）是主要机制，当超声经过液态介质时，由超声引起的声能会导致机械压力迅速增加，从而在组织液中产生微泡，并将这些能量储存于微泡内。微泡坍塌瞬间释放大量能量，产生“声致发光现象”，声敏剂吸收能量后被激活，直接与周围的三线态氧反应产生单线态氧（¹O₂），¹O₂可以破坏细胞膜，并影响线粒体的功能，在导致肿瘤细胞G2/M期阻滞的同时，诱导肿瘤细胞凋亡，从而达到治疗癌症的目的。

鉴于声动力疗法的应用和声敏剂密不可分，研究者们已构建了多种声敏剂以增强声动力疗法效果。例如，血卟啉、叶绿素衍生物和原卟啉IX等有机分子，但这些有机声敏剂存在着化学稳定性差、生物利用度低、消退速度快、肿瘤蓄积能力差等问题，严重制约了声动力疗法的疗效。幸运地是，无机声敏剂具有声学稳定性高等优点，但是无机声敏剂的生物安全性和ROS转化效率有待进一步提高。公开号为CN113209290A的中国专利申请公开了一种增强声动力抗肿瘤的铋/钛酸钡异质结，该铋/钛酸钡异质结的制备方法包括以下步骤：首先，通过水热处理合成钛酸钡压电纳米颗粒，然后通过高温高压极化对钛酸钡纳米颗粒进行极化处理，之后利用一步原位沉积法在钛酸钡压电纳米颗粒表面负载铋单质，形成铋/钛酸钡异质结。该铋/钛酸钡异质结通过钛酸钡超声响应下产生的内建电场和铋异质结的耦合促进并调控载流子(电子空穴对)分离，提高活性氧产生含量进而增强声动力疗法的疗效。但是，该铋/钛酸钡异质结的制备工艺复杂，反应条件苛刻，涉及高温高压反应和高温高压极化处理过程，不适合工业化生产。

开发一种制备工艺简单，反应条件温和，生物安全性高，活性氧产量高，声动力疗效好的声敏剂具有重要的临床应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铋基多孔纳米材料及其制备方法和应用。

本发明提供了一种铋基多孔纳米材料，它是以铋纳米球与硒氢化盐为原料反应得到的产物。

进一步地，所述硒氢化盐为硒氢化钠。

进一步地，硒氢化钠的制备方法包括以下步骤：将硼氢化钠与硒粉在水中反应，得到硒氢化钠。

进一步地，所述硼氢化钠与硒粉的质量比为1：（0.9-1.3）。

进一步地，所述硼氢化钠与硒粉的质量比为1：1.1。

进一步地，所述铋纳米球是Bi³⁺盐或其水合物、还原剂、表面活性剂和碱反应后得到的产物。

进一步地，所述Bi³⁺盐为Bi(NO₃)₃，所述Bi³⁺盐的水合物为Bi(NO₃)₃·5H₂O，所述还原剂为乙二醇，所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，所述碱为氢氧化钠；

所述Bi³⁺盐、还原剂、表面活性剂和碱的质量体积比为1mg：（0.1-0.3）mL：（0.5-1.5）mg：（1.0-2.0）mg。

进一步地，所述Bi³⁺盐、还原剂、表面活性剂和碱的质量体积比为1mg：0.2mL：1.1mg：1.5mg。

本发明提供了一种制备上述铋基多孔纳米材料的方法，所述方法包括以下步骤：

（1）硼氢化钠与硒粉在水中反应，得到硒氢化钠的溶液；

（2）Bi³⁺盐或其水合物、还原剂、表面活性剂和碱反应，得到铋纳米球；

（3）将硒氢化盐的溶液与铋纳米球混合，反应，得到铋基多孔纳米材料。

进一步地，所述硒粉、Bi³⁺盐或其水合物的质量比为（1.0-2.0）：1；

步骤（2）中，所述反应的温度为130-170℃，时间为2-4小时；

步骤（3）中，所述反应的条件为常温下搅拌反应20-40min。

进一步地，所述硒粉、Bi³⁺盐或其水合物的质量比为1.4：1；

步骤（2）中，所述反应的温度为150℃，时间为3小时；

步骤（3）中，所述反应的条件为常温下搅拌反应30min。

本发明还提供了上述铋基多孔纳米材料在制备用于声动力治疗的声敏剂中的用途。

与现有技术的声敏剂相比，本发明提供的声敏剂具有以下有益效果：

1.本发明提供的声敏剂BSNs具有优良的生物相容性和生物安全性，毒性低，免疫原性低。

2. 本发明提供的声敏剂BSNs在1 W/cm²超声1 min的条件下可大量产生活性氧，使肿瘤细胞大量死亡，具有优异的声动力疗效。

3. 本发明提供的声敏剂BSNs制备工艺简单，反应条件温和，生产成本低，原料无毒无害，适合工业化生产。

综上，本发明提供的声敏剂在声动力治疗方面具有广阔的应用前景和临床转化价值。

显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

附图说明

图1为实施例1制备的BSNs声敏剂的扫描电镜图像。

图2为实施例1制备的BSNs声敏剂的体外ROS检测结果。

图3为实施例1制备的BSNs的生物安全性测试结果。

图4为实施例1制备的BSNs声敏剂对细胞内ROS的检测结果。

图5为实施例1制备的BSNs声敏剂致细胞凋亡的效果。

具体实施方式

本发明所用原料与设备均为已知产品，通过购买市售产品所得。

如无特别说明，本发明实施例中的操作是在常温（25±5℃）下进行的。

实施例1：制备声敏剂BSNs

步骤1、在600 rpm转速的磁力搅拌下将242 mg Bi(NO₃)₃·5H₂O加入到50 mL乙二醇中，搅拌至溶解。在惰性气体保护下继续加入260 mg聚乙烯吡咯烷酮和363mg NaOH，恒温150°C反应3小时。反应结束后，10000 rpm离心，弃去上清液收集沉淀，洗涤数次得到铋纳米球黑色粉末。

步骤2、在三口烧瓶中加入334 mg硒粉，真空氩气保护。称取304 mg硼氢化钠（NaBH₄）溶解在冰水中，待完全溶解后注射加入到三口烧瓶中，冰浴搅拌至溶液透明，得到NaHSe前驱体溶液。

步骤3、取上述NaHSe前驱体溶液快速加入步骤1的铋纳米球黑色粉末中，剧烈搅拌30 min使材料生长稳定，10000 rpm离心，弃去上清液收集沉淀，使用PBS洗涤6次，并使用超纯水透析，最终分散在PBS中，得到BSNs的PBS溶液。

声敏剂BSNs的扫描电镜图像如图1所示，可以看出BSNs为多孔状纳米结构。

实施例2：制备声敏剂BSNs

步骤1、在300 rpm转速的磁力搅拌下将200 mg Bi(NO₃)₃·5H₂O加入到20 mL乙二醇中，搅拌至溶解。在惰性气体保护下继续加入100 mg聚乙烯吡咯烷酮和300mg NaOH，恒温150°C反应3小时。反应结束后，10000 rpm离心，弃去上清液收集沉淀，洗涤数次得到铋纳米球黑色粉末。

步骤2、在三口烧瓶中加入200 mg硒粉，真空氩气保护。称取200 mg硼氢化钠（NaBH₄）溶解在冰水中，待完全溶解后注射加入到三口烧瓶中，冰浴搅拌至溶液透明，得到NaHSe前驱体溶液。

步骤3、取上述NaHSe前驱体溶液快速加入步骤1的铋纳米球黑色粉末中，剧烈搅拌20 min使材料生长稳定，10000 rpm离心，弃去上清液收集沉淀，使用PBS洗涤6次，并使用超纯水透析，最终分散在PBS中，得到BSNs的PBS溶液。

实施例3：制备声敏剂BSNs

步骤1、在700 rpm转速的磁力搅拌下将400mg Bi(NO₃)₃·5H₂O加入到50 mL乙二醇中，搅拌至溶解。在惰性气体保护下继续加入300 mg聚乙烯吡咯烷酮和400mg NaOH，恒温150°C反应3小时。反应结束后，10000 rpm离心，弃去上清液收集沉淀，洗涤数次得到铋纳米球黑色粉末。

步骤2、在三口烧瓶中加入400 mg硒粉，真空氩气保护。称取400 mg硼氢化钠（NaBH₄）溶解在冰水中，待完全溶解后注射加入到三口烧瓶中，冰浴搅拌至溶液透明，得到NaHSe前驱体溶液。

步骤3、取上述NaHSe前驱体溶液快速加入步骤1的铋纳米球黑色粉末中，剧烈搅拌40 min使材料生长稳定，10000 rpm离心，弃去上清液收集沉淀，使用PBS洗涤6次，并使用超纯水透析，最终分散在PBS中，得到BSNs的PBS溶液。

以下通过实验例证明本发明的有益效果，以下实验中采用的BSNs为实施例1制备得到的。

实验例1：体外ROS检测

1.实验方法

体外¹O₂生成通过1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）试剂检测。将20 μg/mL的BSNs加入DPBF(单线态氧指示荧光探针，60 μM）溶液，DPBF+BSNs组不进行任何处理，DPBF+BSNs+US组使用1 W/cm²的超声（即US）辐照不同时间（20s-160s），通过紫外光谱仪观察各组420 nm处的吸光度。

2.实验结果

实验结果如图2所示。可以看出DPBF与BSNs混合后420 nm处的吸光度随着超声辐照时间的增加呈显著的下降趋势，说明BSNs在超声辐照下产生了大量的单线态氧。

实验例2：生物安全性测试

1.实验方法

在96孔板中，每孔加入100 μL肝癌细胞SMMC-7721（1´10⁴/mL），培养细胞24 h后，每孔添加100 μL不同浓度的BSNs完全培养基，每个浓度梯度分别设置6个复孔。孔板孵育24h后，每孔添加10 μL CCK-8后继续孵育2 h，BSNs组不进行任何处理，BSNs+US组使用1 W/cm²的超声辐照1 min，然后继续孵育30 min。最后使用酶标仪读取450 nm处吸光度。

2.实验结果

实验结果如图3所示。可以看出单独使用本发明提供的BSNs几乎没有细胞毒性，生物安全性高；而在超声辐照下BSNs可以有效杀死肝癌细胞。

实验例3：细胞内ROS的检测

1.实验方法

在24孔板中，每孔加入500 μL SMMC-7721细胞（1´10⁵/mL），培养细胞24 h后，每孔添加500 μL 75 μg/mL的BSNs完全培养基，设置3个复孔。孔板孵育24 h后，洗去未进入细胞的BSNs，添加500 μL的DCFH-DA探针（10 μM）。对照组（即CON组）和BSNs组不进行任何处理，超声组和BSNs+超声组使用1 W/cm²的超声辐照1 min，然后继续孵育30 min，使用倒置荧光显微镜观察绿色荧光。

2.实验结果

实验结果如图4所示。可以看出SMMC-7721肝癌细胞与BSNs共同孵育24 h，超声辐照1min后，能观察到显著的绿色荧光，而单纯的辐照仅有微弱的荧光，这表明BSNs在超声辐照下产生了大量的ROS，并被细胞内的DCFH捕获。

实验例4：致细胞凋亡效果的检测

1.实验方法

在12孔板中，每孔加入1 mL SMMC-7721细胞（1´10⁵/mL），培养细胞24 h后，每孔添加1 mL 75 μg/mL的BSNs完全培养基，设置3个复孔。孔板孵育24 h后，洗去未进入细胞的BSNs，对照组和BSNs组不进行任何处理，超声组和BSNs+超声组使用1 W/cm²的超声辐照1min。按照Annexin-FITC/PI凋亡试剂盒说明书添加5 μL的Annexin-FITC和5 μL的PI，继续孵育30 min，使用流式细胞仪检测细胞凋亡情况。

2.实验结果

实验结果如图5所示。与对照组比较发现，BSNs组细胞凋亡率（早期凋亡+晚期凋亡）为15%，而BSNs+超声组使用1 W/cm²的超声辐照1min后的细胞凋亡率达到了45%。说明本发明提供的声敏剂BSNs在超声条件下可使肿瘤细胞大量死亡，具有优异的声动力疗效。

Claims (10)

1.一种铋基多孔纳米材料，其特征在于：它是以铋纳米球与硒氢化盐为原料反应得到的产物。

2.根据权利要求1所述的铋基多孔纳米材料，其特征在于：所述硒氢化盐为硒氢化钠。

3.根据权利要求2所述的铋基多孔纳米材料，其特征在于：硒氢化钠的制备方法包括以下步骤：将硼氢化钠与硒粉在水中反应，得到硒氢化钠。

4.根据权利要求3所述的铋基多孔纳米材料，其特征在于：所述硼氢化钠与硒粉的质量比为1：（0.9-1.3）。

5.根据权利要求1所述的铋基多孔纳米材料，其特征在于：所述铋纳米球是Bi³⁺盐或其水合物、还原剂、表面活性剂和碱反应后得到的产物。

6.根据权利要求5所述的铋基多孔纳米材料，其特征在于：所述Bi³⁺盐为Bi(NO₃)₃，所述Bi³⁺盐的水合物为Bi(NO₃)₃·5H₂O，所述还原剂为乙二醇，所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，所述碱为氢氧化钠；

所述Bi³⁺盐、还原剂、表面活性剂和碱的质量体积比为1mg：（0.1-0.3）mL：（0.5-1.5）mg：（1.0-2.0）mg。

7.一种制备权利要求1-6任一项所述铋基多孔纳米材料的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

（1）硼氢化钠与硒粉在水中反应，得到硒氢化钠的溶液；

（2）Bi³⁺盐或其水合物、还原剂、表面活性剂和碱反应，得到铋纳米球；

（3）将硒氢化盐的溶液与铋纳米球混合，反应，得到铋基多孔纳米材料。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述硒粉、Bi³⁺盐或其水合物的质量比为（1.0-2.0）：1；

步骤（2）中，所述反应的温度为130-170℃，时间为2-4小时；

步骤（3）中，所述反应的条件为常温下搅拌反应20-40min。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述硒粉、Bi³⁺盐或其水合物的质量比为1.4：1；

步骤（2）中，所述反应的温度为150℃，时间为3小时；

步骤（3）中，所述反应的条件为常温下搅拌反应30min。

10.权利要求1-6任一项所述铋基多孔纳米材料在制备用于声动力治疗的声敏剂中的用途。

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