本發明屬于無機納米材料和分子影像學技術領域，具體涉及一種多功能納米復合材料及其制備方法和應用。

背景技術：

近年來，金納米材料由于其優越的物理和化學性質在癌癥的診斷與治療中展現出了巨大的潛能和優勢。金納米材料能應用于生物醫學領域，是基于其引人矚目的光學性質，尤其是基于等離子體共振而引起的對激發光共振波長的特定散射與吸收。金納米材料為多種生物醫學應用提供了多功能和多層次的平臺。近期的研究也證實了金納米材料確實可以被用于癌癥的診療技術中。例如，金納米材料可以被用作光學手段檢測痕量生物標記物的基底，也可以被用作多種光學成像的造影劑和藥物運輸與控制釋放的載體，還可以被用作破壞癌細胞的光-熱轉換器。

金納米籠(Au nanocage)代表了眾多在區域局域表面等離子體共振吸收峰在近紅外區域可調的金納米材料中的一種。這種多功能材料具有空心和超薄多孔壁的結構，并且可以通過相對簡單的步驟(通過銀納米立方塊Ag nanocube和氯金酸在水中發生離子置換反應)大量獲得。金納米籠在近紅外區域的吸收可以通過控制尺寸和壁厚而被精確調節至任意波長。金納米籠的小尺寸、大吸收截面積(幾乎是傳統有機染料的五倍)以及其生物惰性和基于金-硫醇化學的表面修飾使其成為可應用于生物醫學的非常有趣的材料。

金納米籠應用于癌癥的診療還有一些隱藏的優點：(1)單晶結構帶來的機械靈活性、穩定性和平整的表面；(2)壁厚在2-10nm范圍內的金納米籠可以大量獲得，并且可以保證精度為0.5nm；(3)通過在反應中控制氯金酸的加入量，金納米籠的局域等離子體共振峰可以在600-1200nm范圍內被簡單而精確地調控；(4)金納米籠的空心可被用于包裝(其它材料)；(5)金納米籠的孔壁可被用于藥物運輸，并通過多種刺激手段控制藥物釋放；(6)金納米籠的尺寸20-500nm范圍內改變從而得到最優的生物分布，促進其在上皮組織中的滲透或增加藥物負載量；(7)金納米籠的局域等離子體共振峰在不同成像模式下由其吸收和散射決定；(8)在合成過程中可在壁中加入其他貴金屬(例如鈀和鉑)來改變金納米籠的光學性質。

配位聚合物是指由含氧、氮等多齒有機配體(大多是芳香多酸和多堿)與過渡金屬離子通過自組裝而形成的雜化材料。這種材料可以應用在光學、催化、生物傳感、藥物傳輸、生物成像和氣體儲存等方面，近些年已成為高分子化學和物理、物理化學和材料科學等多門學科交叉的前沿領域。由于其廣泛的應用受到各國科學家的重視。近年來，配位聚合物已經縮小到了納米尺寸(NCPs)。與傳統的納米藥物載體相比，NCPs具有很多的優勢，如合成條件比較溫和、形貌可調、結構多樣、載藥量高、自身可降解等。用二氧化硅或者有機聚合物來修飾NCPs，可改善NCPs的穩定性、生物相容性。另外，由于NCPs可含有大量的順磁性金屬離子，所以它們被廣泛用于磁共振成像(MRI)的造影劑。

光學成像操作簡便、成本低，可以與簡單、無損、實時和便攜式的操作系統相結合，更好的服務臨床，但是靈敏度低、組織穿透性不好、近紅外熒光染料易發生淬滅。MRI具有空間時間分辨率高、對比度好、軟組織顯像好、可同時獲得解剖和生理信息等優點，但也具有靈敏度不高的缺點。而光聲成像雖然結合了純光學成像的高對比度特性和純超聲成像的高穿透深度特性的優點，但分辨率沒有MRI高。所以一種可以同時進行多模態成像的探針便成為材料界和醫學界的研究熱點之一。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種多功能納米復合材料，具有良好的生物相容性，具有優良的光熱、光動力學、磁學性質，在生物領域用于成像造影劑，實現診療一體化。

本發明的另一個目的是提供一種上述多功能納米復合材料的制備方法。

本發明是以多元醇為還原劑，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為表面活性劑，先合成出形貌均一的Ag nanocube，然后以此為模板，通過置換反應，用氯金酸將Ag nanocube刻蝕成具有籠型結構的Au nanocage。由PVP保護的Au nanocage表面帶負電荷，用一端帶巰基另一端帶氨基的聚乙二醇(SH-PEG-NH₂)進行表面配體交換后，表面電荷由負變為正。

另一方面，以一種銥配合物，2-苯基喹啉-3,3’-聯吡啶二羧酸銥與醋酸鏑為原料，以聚乙烯吡咯烷酮為表面活性劑，在二甲基亞砜中加熱反應生成配位聚合物。將表面包裹了SH-PEG-NH₂的Aunanocage與配位聚合物溶液反應，最后經過透析得到表面包裹Ir-Dy配位聚合物的Aunanocage。

本發明的目的可以通過以下方案來實現：

一種多功能納米復合材料，其特征在于：該復合材料以金納米籠為核，在核的外表面包裹銥配位聚合物。優選的，該多功能納米復合材料的銥配位聚合物的厚度為30-40nm；多功能納米復合材料的粒徑為80-100nm。

上述多功能納米復合材料的制備方法，其步驟包括：

(1)在表面包裹PVP的金納米籠中加入SH-PEG-NH₂，攪拌8-20小時，離心洗滌后獲得表面包裹SH-PEG-NH₂的金納米籠；

(2)在2-苯基喹啉-3,3’-聯吡啶二羧酸銥溶液中加入PVP，加熱至100-120℃，保持10-40分鐘；然后快速滴入醋酸鏑溶液反應4-10小時，獲得反應液；

(3)將步驟(1)中獲得的SH-PEG-NH₂包裹的金納米籠與步驟(2)中的反應液混合，透析反應3-7小時，離心洗滌。

所述步驟(1)中，表面包裹PVP的金納米籠的制備方法為，

(A)二乙二醇在磁力攪拌下加熱，分別加入PVP溶液、Na2S溶液、HCl溶液和CF₃COOAg溶液反應1-5小時，獲得表面包裹PVP的銀納米立方體；

進一步優選的，所述步驟(A)中，PVP的濃度為0.3-0.4mmol/L，Na₂S溶液的濃度為2-4mmol/L，HCl溶液的濃度為25-35mmol/L，CF₃COOAg溶液的濃度為2.5-3.5mol/L。

(B)在PVP溶液中加入表面包裹PVP的銀納米立方體，加熱至80-100℃，然后逐滴加入HAuCl₄溶液，保持5-20分鐘即可。優選的，所述HAuCl₄溶液，控制滴加速度為45mL/h。

優選的，所述步驟(B)中，PVP溶液的濃度為0.05-0.15mmol/L，所述HAuCl₄溶液的濃度為0.5-1.5mmol/L。

進一步優選的，所述步驟(B)中，PVP溶液、表面包裹PVP的銀納米立方體及HAuCl₄溶液的加入量配比為3-7mL：1mg：1-5mL。

所述步驟(1)中，表面包裹PVP的金納米籠與SH-PEG-NH₂的配比為1mL：2-8mg。優選的，所述表面包裹PVP的金納米籠的濃度為1-2mg/mL。

所述步驟(2)中，2-苯基喹啉-3,3’-聯吡啶二羧酸銥溶液的濃度為0.5-1.0mg/mL；醋酸鏑溶液的濃度為0.5-1.5mg/mL。

優選的，所述步驟(2)中，2-苯基喹啉-3,3’-聯吡啶二羧酸銥溶液和醋酸鏑溶液的溶劑為DMSO。

所述步驟(2)，2-苯基喹啉-3,3’-聯吡啶二羧酸銥溶液、PVP及醋酸鏑溶液的加入了配比為1-5mL：20-30mg：1mL。

所述步驟(3)中，SH-PEG-NH₂包裹的金納米籠與反應液的體積比為1:1-3。

所述多功能納米復合材料在成像造影劑中的應用。優選的，該多功能納米復合材料在光聲成像造影劑、光學成像造影劑及核磁共振成像造影劑的應用，并且可以用于光熱治療與光動力學治療中。

本發明的有益效果是：

1、本發明通過對Au nanocage進行表面配體交換，改變其表面電荷，并利用靜電相互作用，使配位聚合物Ir-Dy-PVP結合在Au nanocage表面，從而得到一種兼具多模態成像與多模式治療的納米復合材料。

2、本發明制備得到的多功能納米復合材料，具有良好的T2成像對比度、升溫效果顯著，可以作為光聲成像/光學成像/磁共振成像造影劑，同時又具備進行光熱治療與光動力學治療的功能，是一種實現腫瘤診療一體化的納米材料。

3、本發明的合成過程簡單，成本低廉。

附圖說明

圖1為實施例1所制備的Ag nanocube的掃描電鏡圖。

圖2為實施例1所制備的Aunanocage的掃描電鏡圖。

圖3為實施例2所制備的多功能納米復合材料的掃描電鏡圖。

圖4為實施例2所制備的多功能納米復合材料的透射電鏡圖。

圖5為實施例2所制備的多功能納米復合材料的溶液PA圖。

圖6為實施例2所制備的多功能納米復合材料的溶液光熱升溫圖。

圖7為實施例2所制備的多功能納米復合材料的細胞LSCM圖。

圖8為實施例2所制備的多功能納米復合材料的溶液MRI圖。

具體實施方式

下面結合實施例，對本發明作進一步說明：

實施例1

(1)、Ag nanocube的合成

分別配制如下溶液：

0.36mmol/L PVP溶液(分子量55000，取125mg，溶于6.25mL二乙二醇)；

3mmol/L Na₂S溶液(取10mg，溶于1mL二乙二醇，取出0.1mL，用二乙二醇稀釋成1mL)；

30mmol/L的HCl溶液(取25μL 38％的濃HCl，溶于10mL二乙二醇，用之前取出0.25mL，用二乙二醇稀釋成0.5mL)；0.28mol/L的CF₃COOAg溶液(取125mg，溶于2mL二乙二醇)。

在100mL圓底燒瓶中，加入25mL二乙二醇，磁力攪拌下，加熱至150℃。向150℃的二乙二醇中加入300μL Na₂S溶液。4min后，加入0.5mL HCl溶液和3mL PVP溶液。2min后，加入2mL CF₃COOAg溶液，反應3h。冷卻后，離心洗滌得到20-30nm的Ag nanocube，其掃描電鏡表征如圖1所示，形成了非常均勻的Ag nanocube；

(2)、表面包裹SH-PEG-NH₂的Au nanocage的制備。

配制0.1mmol/L的PVP溶液(分子量55000，取25mg，溶于10mL水中)。配制1mmol/L的HAuCl₄溶液(取39.4mg HAuCl₄·3H₂O，溶于10mL水中，取1mL上述溶液稀釋成10mL)。在圓底燒瓶中，加入10mL PVP溶液，然后加入1mL Ag nanocube(濃度為2mg/mL)，加熱至90℃，并保持10min。逐滴滴加3mL HAuCl₄溶液，控制滴加速度為45mL/h，并保持10min。冷卻后，離心洗滌得到20-35nm的Au nanocage，其掃描電鏡表征如圖2所示，其粒徑均勻。

取2mLAu nanocage，加18mLH₂O，10mg的SH-PEG-NH₂，攪拌過夜，離心洗滌后得到表面包裹SH-PEG-NH₂的Au nanocage。

實施例2

稱取3.5mg的2-苯基喹啉-3,3’-聯吡啶二羧酸銥，溶于5mL DMSO，制備得到2-苯基喹啉-3,3’-聯吡啶二羧酸銥溶液；稱取2.1mg醋酸鏑，溶于2mL DMSO，制備得到醋酸鏑溶液。

向單頸燒瓶中加入5mL 2-苯基喹啉-3,3’-聯吡啶二羧酸銥溶液，然后加入PVP(50mg，m.w.＝55000)，加熱至110℃，保持20min。快速加入2mL醋酸鏑溶液，反應7h。待反應液冷卻至室溫，取實施例1中獲得的SH-PEG-NH₂包裹的Au nanocage 1mL，與2mL反應液相混合，轉入透析袋，透析5h，離心洗滌得到多功能納米復合材料，其掃描電鏡表征如圖3，粒徑為80-100nm。

圖4為本發明所制備的多功能納米復合材料的透射電鏡圖，從圖中可知，配位聚合物Ir-Dy-PVP對Au nanocage形成了有效包裹。

圖5為本發明所制備的多功能納米復合材料的溶液PA圖,從圖中可知，材料的光聲信號強度具有很強的濃度依賴性，這也為進一步的細胞/活體應用提供了依據。

圖6為本發明所制備的多功能納米復合材料的溶液光熱升溫圖,從圖中可知，隨著濃度升高，材料的升溫效果逐漸增強。

圖7為本發明所制備的多功能納米復合材料的細胞LSCM圖，從圖中可知，材料具有可以被細胞內吞進細胞質并且進行光學成像的效果。

圖8為本發明所制備的多功能納米復合材料的溶液MRI圖，從圖中可知，隨著濃度改變，材料具有良好的T2成像對比度。

以上所述為本發明的較佳實施例而已，但本發明不應該局限于該實施例所公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保護的范圍。