多层级NaHoF4纳米核壳颗粒的制备及其抗癌诊疗.pdf

。6 4 。 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 2 0 年第12 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 2 0 ．1 2 ．0 1 2 多层级N a H o F 4 纳米核壳颗粒的制备及其抗癌诊疗 王辰，刘海洲，宁淑芳，唐艳萍，张力图 广西医科大学肿瘤医学院，南宁5 3 0 0 2 1 摘要为能够在无C e 掺杂时增强N a H o F 。的荧光发射能力，没计制备了Y b ”浓度梯度多层级纳米核壳 颗粒，并对其微观形貌、荧光发射能力、相结构及抗癌诊疗效果进行了测试。结果表明，合成的六边形 N a H o F 颗粒结晶度良好，尺寸约为2 0F I I T I ；多层级包覆壳层薄且均匀，该结构的荧光发射强度高于无／ 单一壳层包覆。9 8 0n I n 激光照射下，表面修饰C e 6 的多层级N a H o F ．纳米核壳颗粒在H 。I 。。癌细胞中 具有良好的抗癌诊疗作用。 关键词核壳结构；N a H o F 。；发射强度；上转换；抗癌诊疗 中图分类号T B 3 4 文献标志码A 文章编号1 0 0 77 5 4 5 2 0 2 0 1 20 0 6 4 0 5 P r e p a r a t i o na n dA n t i c a n c e rT h e r a n o s t i c so fM u l t i l a y e r N a H o F 4C o r e S h e l lN a n o p a r t i c l e s W A N GC h e n ，L I UH a i z h o u ，N I N GS h u f a n g ，T A N ] Y a n p i n g ，Z H A N GL i t u O n c o l o g yM e d i c a lC o l l e g e ，G u a n g x iM e d i c a lU n i v e r s i t y ，N a n n i n g5 3 0 0 2 1 ．C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oe n h a n c ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o na b i l i t yo fN a H o F 【w i t h e u tC ed o p i n g ， m u l t i l a v e rc o r e s h e l ln a n o p a r t i c l e sw i t hY b 抖c o n c e n t r a t i o n g r a d i e n tw e r ed e s i g n e da n dp r e p a r e d ，w t l o s em i c r o s t r u c t u r e s 。 f l u o r e s c e n c ee m i s s i o na b i l i t i e s ，p h a s es t r u c t u r e sa n da n t i c a n c c r t h e r a n o s t i c sc f f e c t sw c r em c a s u r e d ．T h c 。e s u h ss h o wt h a tp r e p a r e dh e x a g o n a lN a H o F dp a r t i c l e sh a v eg o o dc r y s t a l l i n i t yw i t h p a r t i c l es i z e 。fa b o u t 2 0n n l T h en m h i l a y e rc o a t i n gs h e l li st h i na n du n i f o r m ， f l u o r e s c e n c ee m i s s i o ni n t c n s i t vo ft h i ss t r u c t u r ci s h i g h e rt h a nt h a to fn oo r s i n g l ec o a t i n gs h e l l ．U n d e r9 8 0n ml a s e ri r r a d i a t i o n ，m u l t i l a v e rN a H o F ． n a n o p a r t i c l e sw i t hC e 6s u r f a c em o d i f i c a t i o nh a x ，eg o o da n t i c a n c e rt h e r a n o s t i c se f f c c ti nH c I ．ac a n c e rc e l l s ． K e yw o r d s c o r es h e l ls t r u c t u r e ； N a H o F 4 ； e m i s s i o ni n t e n s i t y ； u p c o n v e r s i o n ； a n t i c a n c e rt h e r a n o s t i c s 稀土基上转换纳米颗粒 U C N P s 因其具有良 好的光学及生物学特性，在生物荧光成像及光学治 疗领域被寄予厚望口。2 1 。为获得更理想的成像和治 疗效果，U C N P s 的荧光强度需进一步提高，主要手 段包括基质结构调变、壳层包覆、掺杂优化及高功率 激发。4 。与常见的E r 、T m 作为发光中心不同，H e 的上转换发光强度一般比较低，且调变十分困难，这 主要是受其跃迁能级的限制。通常仅能通过向基质 中掺杂一定量的C e ”，与H o ”发生交叉弛豫，调整 其荧光强度及红绿荧光比值‘5 。该方式虽简单，但 是C e3 I 的掺杂会影响H o3 I 良好的电子弛豫和较高 的磁矩性能，不利于H o 基荧光材料作为造影剂在 计算机断层扫描 C T 及核磁共振成像 M R I 等生 物医学领域开展应用‘⋯。此外，由于生物体往往不 收稿日期2 0 2 00 9 0 3 基金项目广西自然科学基金资助项目 2 0 1 7 G X N S F A A l 9 8 l j 5 ；南宁市青秀区科学研究与技术开发计划项目 2 0 1 6 0 5 1 ， 2 0 1 7 0 3 6 作者简介王辰 1 9 8 8 ，男，辽宁清原人，博士，i g , J Ⅱi ；通信作者张力图 1 9 6 6 ，男，广西南宁人，主任技师 万方数据 2 0 2 0 年第12 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 6 5 能采用高密度激光辐照，高功率激发同样不适用于 H o 。。荧光强度的提高“。因此相对于基质结构调 变，采用多层级核壳包覆设计U C N P s 可以较为简 单地提高H o 抖的荧光强度，且不引人C e 抖及高功 率激光，有效解决生物体内外诊疗时荧光强度低的 问题‘⋯。 本研究以N a H o F ，为内核，且包覆含不同浓度 Y b ”的N a G d F 。多级壳层促进其荧光增强，从而得 到多层级纳米N a H o F 。 N a G d F 。Y b 蚪 N a G d F 。Y b ”颗粒。利用X r a y 衍射 X R D 、透射 电镜 T E M 、上转换荧光 U C I 。 等检测方法，对纳 米颗粒的显微结构及光学性能进行了表征；将其与 H e I 。a 癌细胞共培养，测试了经C e 6 表面修饰后该 多层级纳米颗粒的抗癌诊疗效果。 1试验 1 ．1 试验原料及合成 所有药品均为分析纯化学试剂。将稀土氧化物 R E 2O 。 粉末H 0 2O 。、G d 2O 。、Y b 2O 。溶于浓盐酸 中，经过1 2 0 ℃蒸发排酸后分别制得H o C l 。、G d C I 。、 Y b C l 3 溶液∽J 。取1 0m m o lR E C l 。、3 0m m o l 油酸 钠、1 5m I ．去离子水、2 0m I ．乙醇和3 5m I 。正己烷 置于同一烧杯内7 0 ℃水浴搅拌4h ，分液清洗后得 R E O A 3 备用。将lm m o lH o C l 。、1 5m I 。油酸及 1 5m I 。1 - 十八烯加入1 0 0m I 。i 口瓶中，9 0 ℃除水 3 0r a i n 后升至1 5 6 。C 再加热3 0r a i n 。断电降至室 温后加入l om I 。甲醇、2 ．5m m o l 氢氧化钠和4m m o l 氟化铵，在2 8 0 ℃流动氮气保护下加热4 5r a i n 。用 环己烷和酒精清洗N a H o F 【样品，通过R E O A 。 的高温热解反应在粉体颗粒外层包覆N a G d F ． Y b 。，最终获得多层级纳米N a H o F 。 N a G d F ． Y b 3 N a G d F ．Y b 汁颗粒。 1 ．2 试验样品表征及测试 分别用X R D 、T E M 、U C I 。对样品的晶体结构、 微观形貌及荧光性质进行表征。随后，将5m I ．样 品溶液与0 ．1g 聚醚酰亚胺进行搅拌，清洗后溶于 二甲基亚砜。加入0 ．5m I ．卜 3 二甲基氨基丙基 3 一乙基碳化二亚胺盐酸盐／N 一羟基丁二酰亚胺溶液 及2m g 二氢卟吩e 6 C e 6 继续搅拌2h ，经P B S 溶 液清洗后，配制不同浓度样品溶液加入9 6 孔板与 H e I 。a 细胞共培养口⋯。再经有／无9 8 0n m 激光照射 1 0r a i n 对照处理，培养2 4h 后进行标准M T T 测试 其体外细胞毒性。此外，利用上转换荧光成像显微 镜观察样品在癌细胞内荧光成像效果。 2 结果与讨论 2 ．1 多层级N a H o G 纳米核壳颗粒的显微组织形貌 图1 a 为纳米N a H o F 。颗粒样品的T E M 照片。 图中颗粒形状近似六边形，以蜂窝状排列，尺寸约为 2 0n m ，其粒度存在大小不一的现象。图1 b 和图1c 分别为N a H o F ，颗粒被N a G d F Y b ”一次、二次包 覆后样品的T E M 图像。由于在包覆过程中纳米颗 粒被多次离心、涤洗，其尺寸均一性得到了明显改 善。图1 d 为多层级N a H o F 。纳米核壳颗粒经C e 6 表面修饰后的样品显微照片。从上述照片中可以看 出，包覆及表面修饰并未对纳米N a H o F ，样品颗粒 尺寸、形貌与分布情况造成明显影响，说明多层级包 覆壳层薄且均匀，这十分有利于保持N a H o F ．内核 的医用造影能力E l l z 2 ] 。 2 ．2 多层级N a H o F 。纳米核壳颗粒的荧光性能 图2 a 为多层级N a H o F 。纳米核壳颗粒的上转 换荧光发射光谱。相较于元核壳结构的纳米 N a H o F ，Y b ”，经多层包覆后的N a H o F 。纳米核壳 颗粒，其荧光发射强度有了明显提高，说明核壳结构 设计可以有效提升其可见光区的上转换荧光发射能 力。此外，双壳层包覆比单一壳层包覆的荧光强度 有较大幅度的提高，这是因为双壳层中的Y b 3 。采用 浓度梯度设计，可以将激发光的能量尽可能多地向 内核传导，使发光中心H o 抖得到更多的激发能，进 而使荧光发射强度提高。由于C e 6 在可见光区尤 其是红光区有较强吸收，所以多层级核壳颗粒包覆 C e 6 以后，荧光强度会有小幅下降，但仍优于无壳层 或单一壳层颗粒，不影响其上转换荧光成像效果。 图2 b 为多层级N a H o F ，纳米核壳颗粒的荧光寿命 拟合曲线。通过分析图2 b 中数据可知，此纳米颗粒 的荧光寿命不低于5 0 0f f s ，能够满足上转换荧光成 像的需要。 2 ．3 多层级N a H o F 。纳米核壳颗粒的晶体结构 为了分析多层级N a H o F 。纳米核壳颗粒的晶 体结构，并进一步了解多层级核壳颗粒的结构组成， 选取代表性样品N a H o F 。 N a G d F 。4 0 ％Y b 抖 N a G d F 2 0 ％Y b 抖 C e 6 进行X R D 测试。通过谱 图分析可知 图3 ，该纳米颗粒具有清晰的衍射锐 峰，说明其结晶度良好。此外，衍射峰位置主要和 N a H 。F 。的P D F 卡片相符，壳层中的N a G d F ．与 N a Y b F 。对衍射峰位置无明湿影响。以上现象进一 步说明N a H o F 。表面包覆的N a G d F 。Y b 3 。壳层很 薄，与T E M 检测结果吻合。 万方数据 。6 6 。 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 2 0 年第12 期 a N a I l o F t ； b N a I I o i l N a G d F l Y b 。； c N a l I o F } N a G d I 1 Y b “ N a C - [ I F l Y b 。、； d N a H o F t N a G d F l Y b ” N a G d F l Y b ” C e 6 图1 N a H o F ．内核及多层包覆后纳米颗粒的显微形貌 F i g 1 M i c r o s t r u c t u r e so fN a H o F 4c o r e sa n dn a n o p a r t i c l e sw i t hm u l t i l a y e rc o a t e d l H o 2 一H o G d 2 0 Y h 3 - H o ； 1 4 0 Y l ， 刊2 0 Ⅵ， 4 一H o G d 4 0 Y b G d 2 0 Y h C e 6 5 0 05 5 0 6 0 06 5 0 7 0 0 波长 m a 上转换荧光发射光谱 02 0 04 0 06 0 08 0 0l0 0 0 12 0 014 0 016 0 0 时I 、日』／№ h 荧光寿命及拟合曲线 图2 多层级N a H o F 。纳米核壳颗粒的稳态／瞬态荧光测试 F i g 2S t e a d y ／t r a n s i e n tf l u o r e s c e n c em e a s u r e m e n to fm u l t i l a y e rN a H o F 4c o r e s h e l ln a n o p a r t i c l e s 万方数据 2 0 2 0 年第12 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 6 7 1 02 03 0 4 05 06 07 08 0 2 0 ／ 。1 图3多层级N a H o F ．纳米核壳颗粒的X R D 谱 F i g ．3 X R Dp a t t e r n so fm u l t i l a y e r N a H o F 4c o r e s h e l ln a n o p a r t i c l e s 2 0 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 O 01 5 ．6 3 3 l2 56 251 2 52 5 0 浓度／ I I t g m l ，。1 1 曲细胞毒性试验 2 ．4 多层级N a H o F 。纳米核壳颗粒的抗癌诊疗 利用标准M T T 试验对多层级N a H o F 。纳米核 壳颗粒的抗癌效果进行测试，结果见图4 。分析图 4 a 后可知，没有9 8 0n m 激光照射处理时，随着纳米 颗粒浓度的不断增加，细胞存活率并未明品降低，说 明该纳米核壳颗粒具有较好的生物相容性。当有 9 8 0n m 激光照射处理时，纳米颗粒发出的上转换荧 光能够使C e 6 产生单线态氧，从而起到杀伤癌细胞 的作用。随着纳米颗粒浓度的增加，H e I ．a 癌细胞 的存活率均值从9 9 ％降至1 5 ％，说明9 8 0n n l 激光 辐照后多层级N a H o F 。纳米核壳颗粒具有良好的抗 癌效果。取与样品共培养的H e I 。a 细胞制片，经上转 换荧光冠微镜观察后可以发现 如图4 b ，多层级 N a H o F t 纳米核壳颗粒在癌细胞中具有荧光显像能 力，且在红、绿通道均可实现荧光成像效果，有利于荧 光成像时进行多色调变，使检测过程更加灵活可靠。 h 上转换荧光成像 图4 C e 6 修饰多层级N a H o F ．纳米核壳颗粒在H e L a 癌细胞内的诊疗效果 F i g 4 T h e r a n o s t i ee f f e c to fC e 6m o d i f i e dm u l t i l a y e rN a H o F 4c o v e s h e l ln a n o p a r t i c l e si nH e L ac a n c e rc e l l s 3结论 1 利用R E O A 。的高温热解反应能够在 N a H o F 。外多层包覆N a G d F 。Y b ”，合成高结晶度 六边形纳米核壳颗粒，颗粒尺寸约为2 0n m 。 2 多层级包覆比无包覆或单层包覆的N a H o F 。 纳米颗粒荧光强度更高，在癌细胞内可实现上转换 荧光成像。 3 9 8 0n m 激光辐照下，表面修饰C e 6 的多层级 N a H o F 。纳米核壳颗粒具有良好的体外抗癌效果。 其与癌细胞共培养浓度2 5 0f f g ／m I 。时，癌细胞存活 率均值降至1 5 ％。 参考文献 喊c 牝 ～ ∞ 娃㈣m M l 怫 雎Ⅻ 峪叩叫 ～叭 黼 一～ 一一～ m 汕强籼 M 蹦 蜥一执 ～一一一吼一一 一一一 ～ 一㈣砒呲一Ⅲ 砍Ⅲ_ 薹 m哦氓H恢讹 m 叫| 耄 一一一一～～～ 一一～ 一一一一一～一一一一一 一～一一一一～一一～一 万方数据 6 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 2 0 年第1 2 期 E 4 2Z H UYS ，X UW ，C U ISB ，e ta 1 ．Ap r o t e c t e d [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] e x c i t a t i o ne n e r g yr e s e r v o i rf o re f f i c i e n tu p c o n v e r s i o n l u m i n e s c e n c e [ J ] ．N a n o s c a l e ，2 0 1 8 ，1 0 1 2 5 02 5 9 ． G A ISI ．，I ．ICX ，Y A N GPP ，e ta 1 ．R e c e n tp r o g r e s si n r a r ee a r t hm i c r o ／n a n o c r y s t a l s S o f tc h e m i c a ls y n t h e s i s ， l u m i n e s c e n tp r o p e r t i e s ，a n db i o m e d i c a la p p l i c a t i o n s [ J ] ． C h e m i c a lS o c i e t yR e v i e w s ，2 0 l3 ，1 1 4 4 2 3 4 32 3 8 9 ． j A W ，Z H E N GHR ，H A NQY ，e ta 1 ．E n h a n c e dr e d u p c o n v e r s i o nl u m i n e s c e n c eb yc o d o p i n gC e ”i npN a Y G d 。1 F | Y b ⋯／H o ⋯n a n o c r y s t a l s [ J ] ．J o u r n a lo f M a t e r i a l sC h e m i s t r yC ，2 0 1 4 ，2 2 7 5 3 2 7 - 5 3 3 4 ． ZHENGW ，H U A N GP ，T UDT 。c ta 1 ．I 。a n t h a n i d e d o p e du p c o n v e r s i o nn a n o b i o p r o h e s e l e c t r o n i c s t r u c t u r e s ，o p t i c a lp r o p e r t i e s ，a n db i o d e t e c t i o n [ J ] ． C h e m i c a lS o c i d yR e v i e w s ，2 0 1 5 ，4 4 6 1 3 7 91 4 1 5 ． K U 人N GY ，X UJT ，W A N GC ，e ta 1 ．F i n et u n i n gh e b a s e dr e du p c o n v e r s i o nl u m i n e s c e n c e b ya l t e r i n g N a H o F Ic o r es i z ea n dN a Y b F Is h e l lt h i c k n e s s [ J ] ． C h e m i s t r yo fM a t e r i a l s ，2 0 1 9 ，3 1 1 9 7 8 9 87 9 0 9 ． 王辰，匡野，曲波，等．共沉淀法制备多孔纳米氟氧钇粉 [ 1 0 ] [ 1 1 ] 体及其性能研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 9 5 5 65 9 ． W A N GC ，K U A N GY ，Q UB ，e ta 1 ．P r e p a r a t i o na n d p r o p e r t i e so fp o r o u sn a n o Y t t r i u mo x y f l u o r i d ep o w d e r b yc o f r c c i I i t a t i o nm e t h o d [ J ] ． N o n f e r r o u sM e t a l s E x t r a c t i v eM e l a l l u r g y ，2 0 1 9 5 5 65 9 ． Y A N GD ，Y A N GGX 。G A ISI 。，c ta 1 ．M u l t i f u n c t i o n a l t h e r a n o s t i c sf o rd u a lm o d a lp h o t o d y n a m i cs y n e r g i s t i c t h e r a p yv i as t e p w i s ew a t e rs p l i t t i n g [ J ] ．A C SA p p l i e d M a t e r i a l s ＆I n t e r f a c e s ，2 0 1 7 ，9 8 6 8 2 96 8 3 8 ． S U NI ．Z ，P A NJF ，Z H A N GXB ，e ta 1 ．S i n g l eH e 。 一 d o p e du p c o n v e r s i o nn a n o p a r t i c l c sf o rh i g hp e r f o r m a n c e T 2 一w e i g h t e db r a i nt u m o rd i a g n o s i sa n dM R ／U C I 。／C T m u h i m o d a li m a g i n g [ J ] ．A d v a n c e dF u n c t i o n a lM a t e r i a l s ， 2 0 1 4 ，2 4 4 2 6 6 1 36 6 2 0 ． [ 12 ] F E N GYM ，X I A OQB ，Z H A N GYH ，e ta 1 ． N e o d y m i u md o p e dN a H o E ln a n o p a r t i c l e s a sn e a r i n f r a r e d l u m i n e s c e n t ／T 2 一w e i g h t e d M Rd u a l m o d a l i m a g i n ga g e n t si nv i v o [ J ] ．J o u r n a lo fM a t e r i a l sC h e m i s t r y B ，2 0 1 7 ，5 3 5 0 4 5 1 0 ． 上接第4 l 页 [ 1 5 ] K A N GJ ．S E N A N A Y A K E j ，s H NJ ，e la 1 ．R e c o v e r y [ 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 8 ] o fc o b a hs u l f a t ef r o ms p e n tl i t h i u mi o nb a t t e r i e s b y r e d u c t i v el e a c h i n ga n ds o l v e n te x l r a c t i o nw i t hC y a n e x 2 7 2 [ J ] ．H y d r o m e t a l l u r g y ，2 0 1 0 ，1 0 0 3 ／4 1 6 817 1 ． 满伯乾．萃取法从废『日锂离子电池回收钴[ J ] ．应用科 学，2 0 1 9 9 1 3 0 一1 3 1 ． M A NBQ ．R e c o v e rc o b a l tf r o ms p e n tl i t h i u mi o n b a t t e r yb ys o l v e n te x t r a c t i o n [ J ] ．T e c h n o l o g ya n dL i f e ， 2 0 1 9 9 1 3 01 3 1 ． 杨振宁，陈志传，高大明，等．电镀污泥中铜镍回收方法 及工艺的研究[ J ] ．环境污染与防治，2 0 0 8 ，3 0 7 5 86 1 ． Y A N GZN ，C H E NZC ，G A DM ，e ta 1 ．R e c o v e r yo c o p p e ra n dn i c k e lf r o me l e c t r o p l a t i n gs l u d g e [ J ] ． E n v i r o n m e n t a lP o l l u t i o n ＆C e n t r e l ．2 0 0 8 ．3 0 7 5 8 6 1 ． s P E I G H TJG ．I 。a n g e ’sH a n d b o o ko rC h e m i s t r y [ M ] ． 6 t he d ．N e wY o r k M c G r a wH i l l ，2 0 0 5 ． [ 1 9 ] 肖超，曾理，李义兵，等．磷酸盐沉淀法除铬热力学研 究[ J ] ．有色金属科学与工程，2 0 l7 ，8 5 10 31 0 8 ． E 2 0 ] [ 2 1 ] X I A 【 C ，Z E N 【jL ，L IYB ，e ta 1 ．T h e r m o d y n a m i c a n a l y s i so nr e m o v i n gC r 『『I b yp h o s p h a t ep r e c i p i t a t i o n [ J ] ． N o n f e r r o u sM e t a l sS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g ，2 0 1 7 ， 8 5 1 0 3 1 0 8 ． 孙放，赵中伟．磷酸钙体系热力学分析E J ] ．稀有金属与 硬质合金，2 0 0 6 ，3 4 2 3 5 3 9 ． S U NF ，Z H A OZW ．T h e r m o d y n a m i c a n a l y s i s on c a l c i u m p h o s p h a t es y s t e m [ J ] ．R a r e M e t a l sa n d C e m e n t e dC a r b i d e s ，2 0 0 6 ，3 4 2 3 53 9 ． 肖超，曾理，李义兵，等．磷酸盐沉淀法除铁过程热力学 分析E J ] ．中国有色金属学报，2 0 1 8 ，2 8 3 6 3 7 6 4 3 ． X I A C ，Z E N GI ．，I 。IYB ，e ta 1 ．T h e r m o d y n a m i c a n a l y s i sonr e m o v i n gi r o nb yp h o s p h a t ep r e c i p i t a t i O n [ J ] ． T h eC h i n e s eJ o u r n a lo fN o n f e r r o u sM e t a l s ，2 0 1 8 ，2 8 3 6 3 7 6 4 3 万方数据