CN116519116B - 一种掺杂型锌铜压电声敏剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种掺杂型锌铜压电声敏剂及其制备方法与应用，属于压电声敏剂技术领域。本发明所述的掺杂型锌铜压电声敏剂具有Jahn‑Teller效应，结构为层状双金属氢氧化物，尺寸为50nm‑200nm，化学组成为[(Zn_(1‑x‑a)Cu_a)_1‑xM_x(OH)₂]^x+A^n‑ _x/n·yH₂O；其中，M为Al³⁺、Fe³⁺或Cr³⁺；x为1/1‑1/4；a为0.5‑3；A^n‑为Cl^‑、CO₃ ^2‑或NO₃ ^‑；y为0‑10。本发明所述的掺杂型锌铜压电声敏剂基于具有压电性能的锌基纳米材料，通过引入能引起Jahn‑Teller效应的典型铜金属离子，强化了压电性能提高了超声波的利用度。

Description

一种掺杂型锌铜压电声敏剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于压电声敏剂技术领域，尤其涉及一种掺杂型锌铜压电声敏剂及其制备方法与应用。

背景技术

现如今，癌症是世界上的第二大死亡原因，研究者们一直致力于寻找治疗癌症的有效方法。现阶段临床应用的癌症治疗方法主要有手术、化疗、放疗和免疫治疗，而这些治疗方法在取得一定治疗效果的同时，也会引起一些副作用以及不良反应。随着纳米技术的肿瘤治疗策略蓬勃发展，如光热治疗、光动力治疗、声动力治疗和磁热治疗等多种新型非侵入性治疗方式涌现，推动着癌症治疗向着精准、有效、安全和低成本的方式不断发展进步。

其中，声动力疗法(Sonodynamic therapy，SDT)是一种利用低强度超声激发声敏剂产生高细胞毒性的活性氧(ROS)，从而杀死肿瘤细胞的新型治疗方法。超声可以穿透深层组织，精准聚焦于肿瘤区域，激活声敏剂，从而选择性杀伤肿瘤细胞而不损伤周围正常器官和组织，对深部肿瘤具有良好的治疗效果。

广泛接受的SDT机制是声学惯性空化理论，主要是超声波在液体中传播中，利用声敏化剂作为成核位点，从而促进许多空化气泡的形成、快速膨胀和内爆坍缩。气泡坍塌进一步诱发极端条件(高温、高压和声致激发等)。声致激发诱导的ROS产生过程与光动力疗法相似，但是实际研究过程中，由气泡坍塌引起的高压(≈1×10⁸Pa)这一重要因素总是被忽略。有效利用压力的方法是使用压电材料作为声敏化剂。压电材料是一种具有非中心对称晶体结构的介电材料，包括ZnO、钙钛矿结构材料、二维超薄材料和层状铋基材料。在声波振动下，压电材料极化形成内置电场。压电电势作为强大的驱动力，促进声波产生的电荷分离并抑制复合。分离的电子和空穴迁移到相反的表面并继续进行氧化还原反应。然而，压电声敏剂在SDT中的应用很少有报道。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种掺杂型锌铜压电声敏剂及其制备方法与应用。本发明的掺杂型锌铜压电声敏剂可用于肿瘤的声动力治疗，既对肿瘤具有良好杀伤作用，又有效抑制肿瘤转移。使用压电材料作为声敏剂有效利用压力以提高超声波的利用度。此外，压电性归因于结构畸变引起的极化，在过渡金属和具有立体活性的孤对阳离子中发生畸变的Jahn-Teller效应，也为设计压电材料的组成以及提高性能提供可能性。

本发明的第一个目的是提供一种所述的方法制备的掺杂型锌铜压电声敏剂，所述掺杂型锌铜压电声敏剂的结构为层状双金属氢氧化物，尺寸为50nm-200nm，化学组成为[(Zn_(1-x-a)Cu_a)_1-xM_x(OH)₂]^x+A^n- _x/n·yH₂O；

其中，M为掺杂的带正电的三价金属离子，为Al³⁺、Fe³⁺或Cr³⁺；

x为M/(Zn+Cu)的摩尔比，范围为1/1-1/4；

a为Zn/Cu的摩尔比，范围为0.5-3；

A^n-为层间的阴离子，为Cl^-、CO₃ ^2-或NO₃ ^-；

y为结晶水的数量，范围为0-10。

在本发明的一个实施例中，所述掺杂型锌铜压电声敏剂具有Jahn-Teller效应。

在本发明的一个实施例中，所述掺杂型锌铜压电声敏剂相较于Zn基压电材料，由于具有Jahn-Teller效应因此展现出更好的压电性。

在本发明的一个实施例中，所述掺杂型锌铜压电声敏剂铜比例过高其结构不稳定，铜比例过小Jahn-Teller效应不明显。

本发明的第二个目的是提供一种掺杂型锌铜压电声敏剂的制备方法，包括以下步骤，混合金属盐溶液和碱液于溶剂中反应，得到所述掺杂型锌铜压电声敏剂；所述混合金属盐溶液为锌盐、铜盐、掺杂金属盐和水的混合液。

在本发明的一个实施例中，所述铜盐为二价铜盐。

在本发明的一个实施例中，所述碱液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液和尿素溶液中的一种或多种。

在本发明的一个实施例中，所述金属盐为硝酸盐和/或氯化盐。

在本发明的一个实施例中，所述锌盐、铜盐和掺杂金属盐中的金属的摩尔比为0.5-3：1：1。该比例下合成的掺杂型锌铜压电声敏剂不仅可以进行声动力治疗，同时可以诱导较强的铜死亡，还能调节肿瘤免疫微环境，既能促进肿瘤内DC细胞的成熟，还能下调髓源性抑制细胞(MDSC)和调节性T细胞(Treg)，进而更高效的根除肿瘤。

在本发明的一个实施例中，反应过程中调节pH为9-10；反应的温度为10℃-30℃；反应的时间为22h-26h。

在本发明的一个实施例中，所述溶剂为水。

在本发明的一个实施例中，反应结束后，还包括从反应液中分离所述的掺杂型锌铜压电声敏剂的步骤：通过离心取沉淀并洗涤，得到所述掺杂型锌铜压电声敏剂。

在本发明的一个实施例中，所述离心的转速为7800r/min-8200r/min。

本发明的第三个目的是提供一种所述的掺杂型锌铜压电声敏剂在肿瘤的声动力治疗中的应用。

在本发明的一个实施例中，所述肿瘤为结肠癌、乳腺癌、前列腺癌或黑色素瘤。

在本发明的一个实施例中，所述声动力治疗的超声功率为2W/cm²-10W/cm²，频率为10kHz-50kHz，作用时间为10min-30min。

在本发明的一个实施例中，在超声作用下，压电声敏剂在超声波振动产生的局部高压下极化，形成内置电场，压电电势作为一个大的驱动力，使价带(VB)中的电子被激发到导带(CB)中，在价带上形成空穴。为了成为自由电子或空穴，束缚电子必须获得足够的能量从价带过渡到导带。这个能量的最小值是带隙。带隙越小，电子跃迁越容易。

本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的掺杂型锌铜压电声敏剂基于具有压电性能的锌基纳米材料，通过引入能引起Jahn-Teller效应的典型铜金属离子，强化了压电性能提高了超声波的利用度。

(2)本发明所述的掺杂型锌铜压电声敏剂中锌和铜的原子半径和电负性均相近，在外界能量激发下的带隙较小，因此具有较高的声敏化效率。

(3)本发明所述的掺杂型锌铜压电声敏剂对肿瘤具有良好杀伤作用，可有效抑制肿瘤转移，通过注射到达病灶部位后，在超声辐照下，激发压电效应诱导声动力，具有良好的声动力学效应，能够显著抑制肿瘤生长，在癌症的治疗方面展现了巨大的应用价值。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明测试例1中掺杂型锌铜压电声敏剂的透射电子显微镜图。

图2为本发明用DPBF探针检测实施例1的掺杂型锌铜压电声敏剂在超声辐照下的ROS释放。

图3为本发明用DPBF探针检测对比例1的锌压电声敏剂在超声辐照下的ROS释放。

图4为本发明用DPBF探针检测对比例2的纳米材料在超声辐照下的ROS释放。

图5为本发明实施例1的掺杂型锌铜压电声敏剂的压电催化机理图。

图6为本发明测试例2中用ESR和TEMPO探针检测掺杂型锌铜压电声敏剂在超声辐照下产生的单线态氧。

图7为本发明测试例3中不同浓度掺杂型锌铜压电声敏剂在超声辐照下对小鼠结肠癌细胞的杀伤作用。

图8为本发明测试例4中不同浓度掺杂型锌铜压电声敏剂对DC细胞成熟的促进作用。

图9为本发明测试例5中小鼠的肿瘤生长曲线。

图10为本发明测试例5中小鼠肺结节的数量。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

一种掺杂型锌铜压电声敏剂及其制备方法，具体包括以下步骤：

(1)称取硝酸锌、硝酸铜、硝酸铝三者摩尔比为2：1：1，共同溶于去离子水中，配置成金属盐溶液；称取氢氧化钠，溶于去离子水中，配置成2M的氢氧化钠溶液；

(2)常温下将金属盐溶液与氢氧化钠溶液同时缓慢滴加至水相，搅拌，控制pH约为9.5，滴加完后室温反应24h；

(3)反应完全后，8000r/min离心，用乙醇洗涤2次，去离子水洗涤2次，最后分散于水中，得到掺杂型锌铜压电声敏剂(ZCA)，ZCA结构为层状双金属氢氧化物，尺寸为50nm-200nm，化学组成为[(Zn_(1-x-a)Cu_a)_1-xM_x(OH)₂]^x+A^n- _x/n·yH₂O；

其中：M为Al³⁺；a为2/1；x为1/3；A^n-为NO₃ ^-；y为0-10。

实施例2

一种掺杂型锌铜压电声敏剂及其制备方法，具体包括以下步骤：

(1)称取硝酸锌、硝酸铜、硝酸铝三者摩尔比为1：1：1，共同溶于去离子水中，配置成金属盐溶液；称取氢氧化钠，溶于去离子水中，配置成2M的氢氧化钠溶液；

(2)常温下将金属盐溶液与氢氧化钠溶液同时缓慢滴加至水相，搅拌，控制pH约为9.5，滴加完后室温反应24h；

(3)反应完全后，8000r/min离心，用乙醇洗涤2次，去离子水洗涤2次，最后分散于水中，得到掺杂型锌铜压电声敏剂(ZCA)。ZCA的结构为层状双金属氢氧化物，尺寸为50nm-200nm，化学组成为[(Zn_(1-x-a)Cu_a)_1-xM_x(OH)₂]^x+A^n- _x/n·yH₂O；

其中：M为Al³⁺；a为1/1；x为1/2；A^n-为NO₃ ^-；y为0-10。

实施例3

一种掺杂型锌铜压电声敏剂及其制备方法，具体包括以下步骤：

(1)称取氯化锌、氯化铜、氯化铝三者摩尔比为2：1：1，共同溶于去离子水中，配置成金属盐溶液；称取氢氧化钠，溶于去离子水中，配置成2M的氢氧化钠溶液；

(2)常温下将金属盐溶液与氢氧化钠溶液同时缓慢滴加至水相，搅拌，控制pH约为9.5，滴加完后室温反应24h；

(3)反应完全后，8000r/min离心，用乙醇洗涤2次，去离子水洗涤2次，最后分散于水中，得到掺杂型锌铜压电声敏剂(ZCA)。ZCA的结构为层状双金属氢氧化物，尺寸为50nm-200nm，化学组成为[(Zn_(1-x-a)Cu_a)_1-xM_x(OH)₂]^x+A^n- _x/n·yH₂O；

其中：M为Al³⁺；a为2/1；x为1/3；A^n-为Cl^-；y为0-10。

对比例1

(1)称取氯化锌、氯化铝二者摩尔比为2：1，共同溶于去离子水中，配置成金属盐溶液；称取氢氧化钠，溶于去离子水中，配置成2M的氢氧化钠溶液；

(2)常温下将金属盐溶液与氢氧化钠溶液同时缓慢滴加至水相，搅拌，控制pH约为9.5，滴加完后室温反应24h；

(3)反应完全后，8000r/min离心，用乙醇洗涤2次，去离子水洗涤2次，最后分散于水中，得到锌基压电声敏剂，锌基压电声敏剂的结构为层状双金属氢氧化物，尺寸为50nm-200nm，化学组成为[(Zn_1-xM_x(OH)₂]^x+A^n- _x/n·yH₂O；

其中：M为Al³⁺；x为1/2；A^n-为Cl^-；y为0-10。

对比例2

(1)称取硝酸镁、硝酸铝二者摩尔比为2：1，共同溶于去离子水中，配置成金属盐溶液；称取氢氧化钠，溶于去离子水中，配置成2M的氢氧化钠溶液；

(2)常温下将金属盐溶液与氢氧化钠溶液同时缓慢滴加至水相，搅拌，控制pH约为9.5，滴加完后室温反应24h；

(3)反应完全后，8000r/min离心，用乙醇洗涤2次，去离子水洗涤2次，最后分散于水中，得到纳米材料。纳米材料的结构为层状双金属氢氧化物，尺寸为50nm-200nm，化学组成为[Mg_1-xM_x(OH)₂]^x+A^n- _x/n·yH₂O；

其中：M为Al³⁺；x为1/2；A^n-为NO₃ ^-；y为0-10。

测试例1

对实施例1的掺杂型锌铜压电声敏剂进行表征，透射电子显微镜图如图1所示，掺杂型锌铜压电声敏剂为二维纳米片层结构。

测试例2

(1)采用1,3-二苯基异苯并呋喃(DPBF)检测实施例1和对比例1-2制备的材料在超声辐照下产生ROS，其中超声辐照条件为40kHz，3W/cm²，声敏剂的浓度为50μg/mL，结果如图2-4所示。从图2可以看出，在超声辐照下，实施例1的掺杂型锌铜压电声敏剂可以产生单线态氧，使DPBF在416nm处的紫外吸收特征峰降低，随着超声辐照的时间延长DPBF被明显降解。从图3可以看出，在超声辐照下，对比例1的锌基压电声敏剂可以产生单线态氧，使DPBF在416nm处的紫外吸收特征峰降低，随着超声辐照的时间延长DPBF有微降解。相较于实施例1，其ROS产生效果较弱。从图4可以看出，在超声辐照下，对比例2的纳米材料可以产生单线态氧，使DPBF在416nm处的紫外吸收特征峰降低，随着超声辐照的时间延长DPBF无明显降解。相较于实施例1，无ROS产生。这是因为实施例1的掺杂型锌铜压电声敏剂作为成核位点，促进空化气泡的形成、快速膨胀和内爆坍缩。气泡坍塌进一步诱发高压(≈1×10⁸Pa)，掺杂型锌铜压电声敏剂利用高压极化形成内置电场。压电电势作为强大的驱动力，促进声波产生的电荷分离并抑制复合。分离的电子和空穴迁移到相反的表面并继续进行氧化还原反应，进而产生了大量的ROS，实现声动力性能的提高(如图5所示)。

(2)采用ESR以及TEMPO作为单线态氧捕获剂，检测掺杂型锌铜压电声敏剂在超声辐照下产生的单线态氧，如图6所示，掺杂型锌铜压电声敏剂在超声辐照后表现出了较强的单线态氧信号。

测试例3

基于实施例1的掺杂型锌铜压电声敏剂，将不同浓度的掺杂型锌铜压电声敏剂与小鼠结肠癌细胞(CT26)共孵育12h，结果如图7所示，掺杂型锌铜压电声敏剂对CT26细胞有中度细胞毒性，然而将孵育12h后的CT26细胞暴露在功率为4.5W/cm²超声探头辐照2min(ZCA+US组)，掺杂型锌铜压电声敏剂产生了较强的细胞杀伤效果，表明掺杂型锌铜压电声敏剂作为声敏剂可以产生ROS杀伤肿瘤细胞。

测试例4

用C57小鼠的股骨提取骨髓源树突状细胞(BMDC)，分别与对照组(Control组)、25ppm和50ppm浓度的掺杂型锌铜压电声敏剂共孵育12h，然后使用流式细胞分析仪对DC细胞成熟度进行检测，CD80⁺、CD86⁺的为成熟DC细胞，结果如图8所示，对照组DC细胞成熟度为17.3％，而与掺杂型锌铜压电声敏剂共孵育后DC成熟度显著增加，且具有浓度依赖，25ppm和50ppm浓度的掺杂型锌铜压电声敏剂组的DC成熟率分别达到了53.4％和64.5％，表明掺杂型锌铜压电声敏剂可以促进DC细胞进而增强抗肿瘤免疫效果。

测试例5

设置四组实验组，分别为对照组(Control组)、US组(只进行超声辐照)、ZCA组和ZCA+US组(掺杂型锌铜压电声敏剂联合超声辐照处理)。当小鼠肿瘤体积到达100mm³时，开始治疗，肿瘤体积到达1000mm³时，小鼠视作死亡，停止记录肿瘤体积。ZCA组和ZCA+US组是将实施例1的掺杂型锌铜压电声敏剂水溶液瘤内注射到小鼠皮下结肠癌中，声敏剂浓度为2mg/mL，注射剂量为50μL，ZCA+US组另外在40kHz，6W/cm²条件下进行辐照10min。US组也在相同的条件下辐照10min。在不同时间点使用游标卡尺测量不同实验组小鼠的肿瘤体积，小鼠的肿瘤生长曲线如图9所示，相对于Control组，US组对肿瘤几乎没有抑制作用；ZCA组对肿瘤生长有一定的抑制作用；然而ZCA+US组对肿瘤的生长表现出明显的抑制作用，表明掺杂型锌铜压电声敏剂在超声辐照下对肿瘤具有较强杀伤作用。

随后建立了小鼠皮下乳腺癌模型来观测掺杂型锌铜压电声敏剂对肿瘤转移的影响，如图10所示，Control组和US组肺结节数量加多，仅注射掺杂型锌铜压电声敏剂治疗组的结节数比对照组少约40％，对肿瘤肺转移有一定的抑制作用。而ZCA+US组则对肿瘤肺转移有完全的抑制作用，再次证实掺杂型锌铜压电声敏剂在肿瘤治疗和预后应用中展现出的应用潜力。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种掺杂型锌铜压电声敏剂，其特征在于，所述掺杂型锌铜压电声敏剂的结构为层状双金属氢氧化物，尺寸为50nm-200nm，化学组成为[(Zn_(1-x-a)Cu_a)_1-xM_x(OH)₂]^x+A^n- _x/n·yH₂O；

其中，M为掺杂的带正电的三价金属离子，为Al³⁺、Fe³⁺或Cr³⁺；

x为M/(Zn+Cu)的摩尔比，范围为1/1-1/4；

a为Zn/Cu的摩尔比，范围为0.5-3；

A^n-为层间的阴离子，为Cl^-、CO₃ ^2-或NO₃ ^-；

y为结晶水的数量，范围为0-10。

2.一种权利要求1所述的掺杂型锌铜压电声敏剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，混合金属盐溶液和碱液于溶剂中反应，得到所述掺杂型锌铜压电声敏剂；所述混合金属盐溶液为锌盐、铜盐、掺杂金属盐和水的混合液。

3.根据权利要求2所述的掺杂型锌铜压电声敏剂的制备方法，其特征在于，所述铜盐为二价铜盐。

4.根据权利要求2所述的掺杂型锌铜压电声敏剂的制备方法，其特征在于，所述碱液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液和尿素溶液中的一种或多种。

5.根据权利要求2所述的掺杂型锌铜压电声敏剂的制备方法，其特征在于，所述金属盐为硝酸盐和/或氯化盐。

6.根据权利要求2所述的掺杂型锌铜压电声敏剂的制备方法，其特征在于，所述锌盐、铜盐和掺杂金属盐中的金属的摩尔比为0.5-3：1：1。

7.根据权利要求2所述的掺杂型锌铜压电声敏剂的制备方法，其特征在于，反应过程中调节pH为9-10。