一種正交上轉換髮光納米複合材料、其製備方法及套用

《一種正交上轉換髮光納米複合材料、其製備方法及套用》是華中科技大學於2023年04月13日申請的發明專利，該專利的公布號為：CN116515485A，專利公布日：2023年08月18日，發明人：陳紅波;呂文昌;胡靜涵;彭海炎;解孝林;周興平。

基本介紹

• 中文名：一種正交上轉換髮光納米複合材料、其製備方法及套用
• 申請人：華中科技大學
• 申請號：CN202310390784.2
• 地 址：430074 湖北省武漢市洪山區珞喻路1037號
• 發明人：陳紅波;呂文昌;胡靜涵;彭海炎;解孝林;周興平
• 專利代理機構：華中科技大學專利中心
• 代理人：華中科技大學專利中心
• 申請日：2023年04月13日
• 授權日：2024月05月14日
• 類 別：發明專利
• 公告號：CN116515485B
• 專輯：工程科技Ⅰ輯
• 專題：材料科學
• 主分類號：C09K11/77 

專利背景

瘢痕疙瘩是人類所特有的一類增殖性疾病，其病理特徵是成纖維細胞過度增殖和細胞外基質過度沉積。瘢痕疙瘩患者通常會伴有瘙癢和疼痛等症狀，位於關節附近的瘢痕疙瘩攣縮可能導致嚴重的功能障礙和關節畸形，嚴重影響患者的生理和心理健康。然而，由於缺乏客觀精準的瘢痕疙瘩手術前診斷策略，現有臨床一線治療方法(手術切除結合局部放療)效果不盡如人意且復發率居高不下。因此，發展診療一體化納米複合材料，對於瘢痕疙瘩的術前精確診斷、術中實時成像及術後病理髮展跟蹤對於瘢痕疙瘩的綜合醫治具有重要意義。

鑭系離子摻雜上轉換納米粒子(UCNPs)具有獨特的物理化學性質，比如擁有豐富能級結構、較長壽命的光譜發射、較窄的發射頻寬以及有較大的穿透深度、對生物組織幾乎無損傷等，被當作一種很有發展前景的光學探針而受到廣泛研究。正交上轉換髮光是一種激發波長依賴型發光，通過改變外部激發光，可激發納米粒子內部的不同鑭系敏化劑，並將能量傳遞給激活劑，產生不同的可見光。由於可以設計、合成出多種多層核殼結構，UCNPs可在不同的激發條件下激活兩種或兩種以上的不同能量傳遞途徑，從而產生從紫外光到可見光範圍內的多種顏色發光。

然而，多數核殼型上轉換納米粒子在合成後都被疏水配體所覆蓋，嚴重限制了其在水性生物醫學體系中的套用。因此，將上轉換納米粒子表面疏水性配體轉換為親水性配體以便後續生物套用成為亟待解決的問題。通過配體交換法，本發明將上轉換納米粒子表面疏水性配體轉換為親水性配體，實現了上轉換納米粒子的生物學套用，使其廣泛套用於細胞轉染實驗和某些體內基因治療。基因治療的關鍵是藉助載體將治療基因高效導入目的靶細胞以便於成功地實現基因療法在臨床上的套用。本發明合成的正交上轉換髮光納米複合材料具備良好水溶性，且容易製備、大小可控、表面易修飾、細胞毒性小，可以用來構建基因載體用於基因治療。

光動力治療(photodynamic therapy；PDT)是新興起的疾病治療模式，光動力治療的三要素包括光敏劑、激發光和氧氣。在激發光的照射下，被激活的光敏劑將能量轉移給周圍的氧分子，產生活性氧(如單線態氧或者活性氧自由基)，從而對病變的細胞或組織產生不可逆的破壞，最終達到治療疾病的目的。值得注意的是，本發明選擇的光敏劑的光譜吸收峰與UCNPs所發射波長重疊，引發螢光共振能量轉移，在病變內產生活性氧實現PDT，同時，近紅外波長能明顯增加穿透深度，將UCNPs與光敏劑聯合克服了PDT的穿透深度不足的缺點。

然而，現有技術中，由於製備工藝及材料組成的限制，諸多醫學檢測實例中仍使用結構簡單、光譜發射顏色單一的上轉換納米粒子，面臨機體複雜代謝微環境和小分子物質的螢光信號干擾，難以實現精準成像。針對該難點，本發明製備出一種正交上轉換髮光納米粒子，從而產生從紫外到可見光範圍內的多種顏色發光，交叉比對消除背景干擾，實現瘢痕疙瘩病灶部位的精準成像。此外，現階段臨床基因治療難點在於缺乏安全、高效、經濟、穩定的基因載體將遺傳物質特異性遞送至病灶部位。基於上轉換髮光納米複合材料的設計理念將上轉換納米粒子和其他的無機或有機材料組合，形成協同診斷、治療和檢測的納米平台。為獲得高效的藥物釋放體系，首先需要合成高質量的(純相，均勻，單分散)的上轉換納米粒子。其次，複合材料應該提供合適的結構或者連線位點用來搭載遺傳物質。本發明通過水性高分子來包覆無機上轉換納米粒子，對於構築安全高效的藥物輸運體系具有重要貢獻。

發明內容

本發明針對現有臨床中缺乏增殖性疾病(瘢痕疙瘩)手術前診斷，術中實時精準成像，光動力治療和基因治療的可靠技術，提供一種具備診斷、治療一體化正交上轉換髮光納米複合材料。所述納米複合材料具備正交發光成像功能以用於增殖性疾病(瘢痕疙瘩)病灶術前診斷和術中實時精準成像。所述納米複合材料採用核殼結構，選用親水性且毒性小光敏劑，以產生具有細胞毒性活性氧對病變細胞或組織產生不可逆破壞，滿足PDT需要。親水性高分子修飾的納米複合材料可搭載DNA，實現基因治療。此外，本發明還提供正交上轉換髮光納米複合材料的製備方法，該方法步驟簡潔，製備過程高效、穩定、易於控制、可重複性高；納米複合材料原材料價格低廉、容易獲取、有利於產業化；製得的產品性能穩定、一致性好，方便臨床推廣。

根據本發明第一方面，提供了一種正交上轉換髮光納米複合材料，所述正交上轉換髮光納米複合材料包括正交發光的上轉換納米粒子及包覆在其表面的水性光敏高分子，所述水性光敏高分子為光敏劑修飾的水性高分子；所述光敏劑的吸收光譜與所述正交發光的上轉換納米粒子的光譜至少部分重疊。

優選地，所述正交發光的上轉換納米粒子為核殼結構，具體為以摻雜Er和Tm的NaF4納米顆粒為核心，以摻雜Yb的NaF4為外殼。

優選地，所述水性高分子為聚乙烯醇、聚乙烯亞胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯醯胺或透明質酸；所述光敏劑為玫瑰紅、替莫泊芬、葉綠素a、脫鎂葉綠酸a、二氫卟吩e6、焦脫鎂葉綠酸a或焦脫鎂葉綠酸a。

優選地，所述正交上轉換髮光納米複合材料還搭載有遺傳物質。

根據本發明另一方面，提供了任意一項正交上轉換髮光納米複合材料的製備方法，包括以下步驟：

(1)通過水熱反應製得表面為親水配體的正交發光的上轉換納米粒子；

(2)在步驟(1)得到的表面為親水配體的正交發光的上轉換納米粒子表面修飾親水性高分子，然後加入光敏劑，所述光敏劑的吸收光譜與所述正交發光的上轉換納米粒子的光譜至少部分重疊，所述光敏劑與親水性高分子連線，得到水性光敏高分子包覆正交發光的上轉換納米粒子，即得到正交上轉換髮光納米複合材料；

或者將親水性高分子與光敏劑連線，所述光敏劑的吸收光譜與所述正交發光的上轉換納米粒子的光譜至少部分重疊，得到水性光敏高分子，然後將該水性光敏高分子加入到步驟(1)得到的表面為親水配體的正交發光的上轉換納米粒子中，得到水性光敏高分子包覆正交發光的上轉換納米粒子，即得到正交上轉換髮光納米複合材料。

優選地，所述表面為親水配體的正交發光的上轉換納米粒子的製備方法具體為：

S1：將含有Er(CH3CO2)3和Tm(CH3CO2)3的水溶液加入到有油酸和十八烯的混合溶液中，然後加熱，形成鑭系油酸絡合物；再加入NaOH和NH4F的醇溶液，然後加熱，得到摻雜Er和Tm的NaF4納米顆粒核心；

S2：將含有Yb(CH3CO2)3的水溶液加入到有油酸和十八烯的混合溶液中，然後加熱，再加入步驟S1得到的雜Er和Tm的NaF4納米顆粒核心，以及NH4F和NaOH的醇溶液，然後加熱，得到表面油酸配體的正交發光的上轉換納米粒子；

S3：將步驟S2得到的表面油酸配體的正交發光的上轉換納米粒子表面油酸配體替換為親水性配體，即得到表面為親水配體的正交發光的上轉換納米粒子。

優選地，將所述正交上轉換髮光納米複合材料與遺傳物質孵育，使遺傳物質與所述水性光敏高分子連線。

根據本發明另一方面，提供了所述的正交上轉換髮光納米複合材料作為造影劑的套用。

根據本發明另一方面，提供了所述的正交上轉換髮光納米複合材料用於製備光動力治療藥物的套用。

根據本發明另一方面，提供了所述的正交上轉換髮光納米複合材料用於製備基因治療藥物的套用。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，主要具備以下的技術優點：

(1)本發明製備的稀土上轉換納米粒子材料形貌規則、粒徑均一、邊緣清晰、比表面高、分散性好、發光強度高。

(2)本發明製備的正交上轉換髮光納米複合材料在水中分散性好，不沉降；穩定性好，不解離；與細胞和生物組織相容性好，不團聚。

(3)本發明製備的正交上轉換髮光納米複合材料能夠正交發光成像，從而實現增殖性疾病(瘢痕疙瘩)部位的精準成像，實時造影，排除機體自有螢光信號干擾。可以實現將正交螢光成像用於增殖性疾病(瘢痕疙瘩)術前診斷和術中實時成像指導手術切除。

(4)本發明製備的正交上轉換髮光診療一體化納米複合材料，選用的光敏劑的光譜吸收峰與UCNPs所發射波長至少部分重疊，在病變內產生活性氧實現PDT。

(5)本發明優選地，製備的正交上轉換髮光診療一體化納米複合材料表面可搭載DNA，用來構建基因載體用於基因治療。

附圖說明

圖1為實施例1的正交上轉換納米粒子的透射電子顯微鏡照片，該圖表明合成的上轉換納米粒子粒徑均一，具有較好的分散性，直徑約為17nm。

圖2為實施例1的複合材料的透射電子顯微鏡照片，該圖表明合成的複合材料具有較好的分散性，並且PEI-RB成功修飾在上轉換納米粒子表面。

圖3為實施例1不同濃度納米複合物對細胞損傷實驗結果。該圖表明納米複合物濃度分別為0,50,100,200μg/mL時，不會對成纖維細胞造成損傷。當納米複合物濃度分別為400μg/mL和600μg/mL時，對成纖維細胞有輕微損傷。

圖4為實施例1納米複合材料的正交螢光圖像。該圖表明980nm激發下，瘢痕疙瘩成纖維細胞發出明亮紅色螢光；808nm激發下，瘢痕疙瘩成纖維細胞發出明亮綠色螢光。正交成像可顯著提高成像精準性。

圖5為實施例1納米複合材料的光動力治療效果評價。該圖表明808nm雷射的照射下，細胞的存活率要明顯低於沒有808nm光照的細胞。說明在808nm光照下，細胞的死亡主要是上轉換納米粒子發射光540nm激活光敏劑與周圍的氧分子作用，產生單態氧殺死了瘢痕疙瘩成纖維細胞，證實光動力治療效果顯著。

實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

本發一種正交上轉換髮光納米複合材料、其製備方法及套用，具體為，所述正交上轉換髮光納米複合材料是通過在正交發光的上轉換納米粒子(UCNPs)表面包覆親水性光敏高分子製得，可搭載DNA、RNA等遺傳物質及靶向多肽以實現診療一體化套用。所述正交上轉換髮光是指UCNPs在不同波長近紅外光激發下能夠發射顏色截然不同的可見光，用於細胞或生物組織成像時可實現交叉比對，消除背景干擾。所述水性光敏高分子是通過光敏劑修飾水性高分子製得，通過包覆在UCNPs表面實現UCNPs在水相體系的均勻分散及與生物組織相容。所述光敏劑能夠與UCNPs發生螢光共振能量轉移作用，從而在近紅外光激發下產生活性氧，以滿足光動力治療需求。所述水性高分子除了負載光敏劑外，還能夠同時搭載DNA、RNA等遺傳物質及靶向多肽，可定向特異性識別病灶組織，並在病灶部位通過調控基因表達來干擾缺陷基因的複製，從而實現基因治療。所述正交上轉換髮光納米複合材料尺寸均一、穩定性好、生物相容性好，可用於瘢痕疙瘩等增殖性病灶的實時成像、光動力治療和基因治療，具有重要的診療一體化套用價值。

本發明優選地，提供一種用於近紅外光激發下同時發揮正交成像，PDT和基因治療和的複合材料，是由正交發光上轉換納米粒子，通過親水性高分子修飾在上轉換納米粒子表面的光敏劑及搭載的DNA組成。該複合材料中正交發光上轉換納米材料可在兩種不同近紅外光激發下，產生從紫外到可見光範圍內的多種發光。光敏劑光譜吸收峰正好與UCNPs所發射的波長重疊，引發螢光共振能量轉移，在病變內產生活性氧實現PDT。該複合材料搭載的DNA進入組織細胞後，可影響靶標基因表達實現基因治療。在製備過程中，首先以稀土氯化物作為前驅體，用油酸和十八烯為溶劑，並通過溶劑熱法製備了NaErF4:Tm(0.5mol％)@NaYbF4核殼上轉換納米材料。接著，採用配體交換法在所得納米粒子的表面進行親水性高分子修飾用於搭載光敏劑和DNA。該發明對合成過程進行了最佳化，獲得最外層為親水性高分子的納米粒子具有一定的緩衝能力及於生理條件下穩定性好之優點。此外，親水性高分子修飾後上轉換納米粒子可搭載DNA，構建成新型的非病毒基因載體。該基因載體在生理條件下，有較好的穩定性，且在瘢痕疙瘩成纖維細胞中，毒性小。有望用於瘢痕疙瘩基因治療。

本發明優選地，一種正交上轉換髮光診療一體化納米複合材料，其是將正交發光UCNPs作為載體，通過親水性高分子在表面修飾光敏劑並搭載DNA實現診療一體化套用。正交發光UCNPs在兩種不同近紅外光激發下，產生從紫外到可見光範圍內的多種發光，實現增殖性疾病(瘢痕疙瘩)病灶術前診斷和術中實時精準成像。選擇能夠與UCNPs在近紅外光激發產生的上轉換髮射發生螢光共振能量轉移的光敏劑，產生足夠活性氧，以達到光動力療法的需求。親水性高分子修飾後的納米複合材料可搭載DNA，實現基因治療。

本發明一種正交上轉換髮光納米複合材料，所述正交上轉換髮光納米複合材料由正交發光的上轉換納米粒子及包覆在其表面的水性光敏高分子組成，在不同波長近紅外光激發下可發射顏色截然不同的可見光。

所述正交上轉換髮光納米複合材料的近紅外光激發波長為808納米、980納米或1530納米。

所述水性光敏高分子與上轉換納米粒子的質量比為1:2～1:10：所述正交上轉換髮光納米複合材料在水中分散性好，不沉降；穩定性好，不解離；與細胞和生物組織相容性好，不團聚。

所述水性光敏高分子為光敏劑修飾的水性高分子；所述水性高分子為聚乙烯醇、聚乙烯亞胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯醯胺、透明質酸中的至少一種；所述光敏劑為玫瑰紅、替莫泊芬、葉綠素a、脫鎂葉綠酸a、二氫卟吩e6、焦脫鎂葉綠酸a、焦脫鎂葉綠酸a中的至少一種；光敏劑與水性高分子的質量比為1:5～1:1000。

所述光敏劑的吸收光譜與正交上轉換髮光納米粒子的光譜重疊，使上轉換納米粒子與光敏劑之間能夠發生螢光共振能量轉移。

所述水性光敏高分子還可以搭載DNA、RNA等遺傳物質，以及靶向多肽。