基于壳聚糖/纳米金复合材料的制备及其光热性能研究

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纳米金在肿瘤光热治疗领域具有潜在的应用价值,但仍存在分散/稳定性差、在病灶富集率低等问题。将水溶性的天然大分子与纳米金复合不仅可以有效改善其生物相容性以及在水中的分散性和稳定性,还可以借助于大分子支架结构维持纳米金在病灶的长时间停留。本文以纳米金为光热剂,与水溶性的天然大分子壳聚糖复合,通过不同的制备技术分别得到具有光热转换能力的复合纳米颗粒和纳米复合水凝胶。着重考察了纳米复合材料在激光照射下的光热转换能力,采用体外人肝癌细胞(HepG2)模型测试了其生物相容性以及对癌细胞的杀伤力,同时以Balb/c裸鼠为模型测试了纳米复合水凝胶对皮下肿瘤的生长抑制性。为了达到较好的治疗效果,设计结合AuNPs光热性能与卟啉基团光敏性的复合纳米载体用于肿瘤的光热和光动力双模式治疗。通过酰胺化反应对季铵化改性的天然大分子壳聚糖(QCS)进行巯基化,得到水溶性的改性大分子QCS-SH。QCS-SH通过配体交换与静电双重作用包覆预先制备的金纳米颗粒(AuNPs),将带有负电荷的光敏剂分子四磺酸基苯基卟啉(TPPS)通过静电作用负载至复合纳米颗粒表面,得TPPS/QCS-SH/AuNPs复合纳米颗粒。通过Zeta电位、纳米粒度仪、透射电镜(TEM)、紫外-可见光分光光谱(UV-Vis)等观察并分析了AuNPs及其复合纳米颗粒的粒径、形貌和物化性能。实验结果表明TPPS和QCS-SH分别成功包覆至AuNPs表面,TPPS的负载效率为85.1%时,与AuNP的摩尔比为~4300:1。光热性能测试表明TPPS/QCS-SH/AuNPs具有良好的光热转换性能,激光(635 nm,0.85 W/cm2)照射6 min时,其温度可升高至56.0 oC。单线态氧(1O2)测试结果表明TPPS/QCS-SH/AuNPs在635 nm波长的激光照射下能够快速产生1O2;且随时间的延长1O2产量逐渐增加。而且,TPPS/QCS-SH/AuNPs复合纳米颗粒具有良好的生物相容性,在激光照射下可引起HepG2细胞的大量死亡,细胞存活率明显低于TPPS或者QCS-SH/AuNPs单独作用的结果。为了实现AuNPs在病变位置的长时间富集,达到“一次注射,多次光热治疗”的效果,设计制备了具有光热性能的壳聚糖/纳米金可注射性水凝胶用于肿瘤的多次光热治疗。选用生物基大分子壳聚糖(CS)原位还原制备了壳聚糖-纳米金(CS-AuNPs)复合物,与β-甘油磷酸钠(β-GP)复合得到相转变温度接近人体体温的温敏性水凝胶(CGP/AuNPs)。实验结果表明:CGP/AuNPs复合水凝胶在室温下为溶胶,具有可注射性,达到人体体温(37 oC)后,快速形成凝胶;具有良好的生物相容性、可降解性能,且AuNPs在凝胶内部分布均匀、稳定。CGP/AuNPs复合水凝胶在激光(635 nm,0.85 W/cm2,6 min)照射下具有良好的光热转换性能,最高温度可达55 oC,且经多次激光照射后仍保持较好的光热转换能力,其表面温度均保持在50?C左右。HepG2细胞模型测试表明CGP/AuNPs复合水凝胶在激光作用下可造成HepG2细胞的大量死亡,细胞存活率随着AuNPs含量增多、激光照射时间延长或照射次数增加而降低。为了使光热治疗的激发波长转移至近红外光(NIR),制备了金纳米棒(AuNRs)掺杂的壳聚糖/多巴胺接枝海藻酸钠可注射性复合水凝胶(CGP/Alg-DA/AuNRs)用于深层肿瘤的多次光热治疗。首先制备了溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)稳定的AuNRs,利用巯基改性的聚乙二醇(PEG-SH)取代CTAB以降低Au NRs的生物毒性、改善其分散稳定性;并利用多巴胺的氧化自聚在AuNRs-PEG表面沉积聚多巴胺层(PDA),得到具有良好生物相容性的AuNRs-PDA复合纳米颗粒。通过TEM、UV-Vis、Zeta电位分别表征了AuNRs及其复合纳米颗粒的粒径、形貌和物化性能。多巴胺改性的海藻酸钠(Alg-DA)与壳聚糖/β-甘油磷酸钠温敏性水凝胶复合,同时向凝胶内部掺杂AuNRs-PDA颗粒,制备得到CGP/Alg-DA/AuNRs复合水凝胶。实验结果表明通过控制Alg-DA与CS的质量比和多巴胺的接枝率可调控得到具有适宜凝胶化时间、力学强度、生物降解速率以及AuNRs分布均匀、稳定的可注射性水凝胶。CGP/Alg-DA/AuNRs复合水凝胶能够快速响应NIR,具有优异的光热转换性能;随着激光照射时间的延长或激光功率增大,其表面的温度逐渐升高,最高可达76.8°C(808 nm,2.0 W/cm2,6 min);且在多次激光照射后仍保持优异的光热转换能力。HepG2细胞模型测试表明CGP/Alg-DA/AuNRs复合水凝胶具有良好的生物相容性,在激光照射下可引起HepG2细胞的大量死亡,细胞存活率随着激光功率增大、照射时间延长或照射次数增加而降低,且经多次光热治疗可明显抑制小鼠皮下肿瘤的生长。
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