水分散性碳纳米洋葱的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种水分散性碳纳米洋葱的制备方法，以蜡烛灰为原料，结合在强氧化性酸溶液中超声处理将原本不分散于水的蜡烛灰变为水分散性的碳纳米颗粒。该碳纳米洋葱具有较高的光热转化效率，并具有生物相容性好、稳定性好、制备简单、成本低等优势，可以用于肿瘤光热治疗等领域。同时，因为碳纳米洋葱表面带有羧基，因此可用带氨基的分子对其进行修饰，从而构建出基于碳纳米洋葱的多功能光热试剂。

Method for preparing water dispersed carbon nano onion and application thereof

The invention discloses a preparation method of water dispersible carbon nano onions, with candle ash as raw material, with strong oxidation treatment of ultrasonic acid solution will not originally dispersed in water candle into ash carbon nanoparticles water dispersion. The carbon nano onion has high light and thermal conversion efficiency, and has the advantages of good biocompatibility, good stability, simple preparation, low cost, etc., and can be used in the fields of tumor photothermal therapy, etc.. At the same time, because the carbon nano onion surface has carboxyl group, so it can be modified with amino molecules, so as to build a carbon based nano onion multifunctional thermal reagents.

【技术实现步骤摘要】
水分散性碳纳米洋葱的制备方法及其应用
本专利技术属于纳米材料领域，尤其涉及一种水分散性良好且具有高光热转换率的碳纳米洋葱的制备方法及其在肿瘤光热治疗中的应用。
技术介绍
2012年世界范围内与癌症相关的死亡人数有约800万，新增癌症患者1400万。目前癌症的主要治疗方法有手术、放疗和化疗三种，但是手术治疗不能彻底清除癌细胞，放疗、化疗在治疗过程中会引起严重的副作用。光热疗法是一种新兴的癌症治疗方法，它具有副作用小、清除肿瘤能力强等优势。光热治疗肿瘤的基本原理为：多数生物组织对波长位于700–1100nm的近红外光吸收很弱，而光热试剂对有此波段强烈的吸收并将之转化为热，首先使光热试剂在肿瘤区域富集，然后利用近红外光照射肿瘤区域，光热试剂产生的热量会将该区域的细胞杀死。目前生物医学领域已开发的光热试剂主要有金属基材料、碳基材料、聚合物纳米材料、有机小分子等。金属基材料包括：金纳米棒、钯片、金属硫化物(硫化铜、硫化铋、硫化钼)等；碳基材料包括：碳纳米管(单壁碳纳米管、复壁碳纳米管)、石墨烯类材料(氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯)等；聚合物纳米材料包括：聚多巴胺、聚吡咯等；有机小分子包括吲哚菁绿、IR825等。然而上述材料多存在毒性较大、价格高昂、制备复杂、生理条件下分散不稳定或热不稳定等缺点。碳纳米洋葱是碳材料家族的新成员，它于1980年被Iijima发现(J.Cryst.Growth1980,50,675.)，在1992年首次被Ugarte描述形貌(Nature1992,359,707.)。目前碳纳米洋葱主要被用于电化学储能领域(J.Mater.Chem.A2015,4,3172.)，而其在生物医学领域的应用鲜有报道。2007年Liu等人首次将蜡烛灰制备为碳量子点，用于细胞成像(Angew.Chem.Int.Ed.2007,46,6473.)。2009年Ray等用与本文不同方法将蜡烛灰制成碳量子点和可溶性碳纳米颗粒(J.Phys.Chem.C2009,113,18546.)，并做了较为详细的表征。但上述碳量子点在近红外区吸收很弱，不具备成为光热试剂的条件。考虑到碳材料通常具有较好的生物相容性，因此制备具有优异近红外光热转换性能的碳纳米材料在生物医学领域具有重要的应用前景。但是目前利用活性炭(J.Mater.Chem.B2014,2,2184.)和竹炭(Adv.Healthc.Mater.2016,1627.)等其他无定型碳制备的碳纳米材料的光热转化率均不高，不能得到有效利用。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在的碳纳米洋葱制备复杂，无定形碳制备所得碳纳米材料光热转化率较低等问题，本专利技术提供了一种以蜡烛灰为原料，用简单的方法制备水分散性碳纳米洋葱的方法，还提供了制备所得性能优异、光热转化率较高的水分散性碳纳米洋葱的应用。技术方案：本专利技术所述的一种水分散性碳纳米洋葱的制备方法，包括以下步骤：(1)制备蜡烛灰：将载玻片在燃烧的蜡烛外焰中往复移动，待载玻片表面覆盖一层均匀的蜡烛灰之后移除火焰，将载玻片冷却至室温，收集蜡烛灰；(2)氧化反应：将步骤(1)收集的蜡烛灰加入到强酸溶液中，超声处理获得碳纳米洋葱溶液；(3)纯化并保存：向步骤(2)制备所得碳纳米洋葱溶液加水进行离心洗涤，洗涤后超声分散于水中得水分散性碳纳米洋葱，保存即可。步骤(2)中，所述强酸溶液为体积比为1：1–3：1的浓硫酸与浓硝酸混合溶液。优选的，步骤(2)中，所述强酸溶液为体积比为2：1的浓硫酸与浓硝酸混合溶液。步骤(2)中，所述蜡烛灰在强酸溶液中的浓度为0.1–10mg/mL。优选的，步骤(2)中，所述蜡烛灰在强酸溶液中的最优浓度为0.5–2mg/mL。步骤(2)中，所述超声处理是指在50℃以上处理2–6小时。优选的，步骤(2)中，所述超声处理是指在50℃处理4小时。步骤(3)中，加水在10000–30000转/分钟的转速下离心清洗3次以上，离心时间为5–20分钟。其中，随着洗涤时分散液酸性的减弱，离心转速应逐渐提高，离心时间应逐渐加长。优选的，离心转速为15000转/分钟，离心洗涤4次，第一次离心时间为5分钟，后三次离心时间为20分钟。步骤(3)中，洗涤后超声分散于水中得水分散性碳纳米洋葱是指，加水并超声重悬碳纳米洋葱，以转速6000转/分钟离心5分钟后弃沉淀取上层分散液，于室温或4℃保存。离心优选转速6000转/分钟、时间5分钟以除去较大颗粒。根据上述制备方法制备所得水分散性碳纳米洋葱在肿瘤光热治疗中的应用也在本专利技术的保护范围内。另外，本专利技术制备所得水分散性碳纳米洋葱表面富含亲水性的基团，包括羧基、羟基等，可利用其中的羧基等活性基团与带氨基的分子进行接枝，使之进一步功能化。使得该碳纳米洋葱具有广泛用途，包括但不局限于：(1)肿瘤的光热治疗；(2)光声成像；(3)共价接枝药物分子、作为药物载体，实现协同治疗。有益效果：本专利技术将蜡烛灰应用于碳纳米洋葱的制备中，制得的碳纳米洋葱具有纯净度高、水溶液中分散稳定、高光热转化率、光热稳定性佳、细胞毒性低、可表面修饰、合成快速简单、以及成本低廉等优点。具体而言，本专利技术方法相比于现有的光热试剂具有以下突出的优势：(1)高光热转化率：该碳纳米洋葱在波长为808nm的近红外激光照射下，光热转化率达57.5％；(2)细胞毒性低：该碳纳米洋葱在200μg/mL的浓度下，对鼠源宫颈癌细胞(U14)和人源乳腺癌细胞(MCF-7)均无明显毒性；(3)稳定性佳：该碳纳米洋葱可在水中稳定分散6个月以上；无需经聚乙二醇(PEG)表面修饰即可在磷酸盐缓冲液(PBS)、DMEM培养基、RPMI1640培养基中长时间稳定分散；(4)光热稳定性高：该碳纳米洋葱经过多轮近红外光照射后仍可升温至第一轮最高温度；(5)合成快速简单：从蜡烛灰到最终的碳纳米洋葱，制备过程只需数小时；(6)可表面修饰：该碳纳米洋葱表面富含亲水性的基团，包括羧基、羟基等，可利用其中的羧基等活性基团与带氨基的分子进行接枝，使之进一步功能化，使得该碳纳米洋葱具有广泛用途，包括但不局限于：肿瘤的光热治疗、光声成像、共价接枝药物分子、作为药物载体，实现协同治疗等。附图说明图1为本专利技术制备的碳纳米洋葱分散于磷酸盐缓冲液(PBS)、RPMI1640培养基、DMEM培养基的照片；图2为本专利技术制得的碳纳米洋葱的扫描电子显微镜(SEM)图；图3为本专利技术制得的碳纳米洋葱的透射电子显微镜(TEM)图；图4为本专利技术制得的碳纳米洋葱的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图；图5为本专利技术制得的碳纳米洋葱水溶液的紫外-可见(UV-vis)吸收光谱图；图6为本专利技术制得的碳纳米洋葱对小鼠宫颈癌细胞(U14)和人乳腺癌细胞(MCF-7)的毒性；图7为本专利技术制得的碳纳米洋葱在不同浓度下的升温效果；图8为本专利技术制得的碳纳米洋葱经过多轮光照的升温降温曲线；图9为本专利技术制得的碳纳米洋葱对人乳腺癌细胞(MCF-7)的光热杀伤效果；图10为本专利技术制得的碳纳米洋葱经过聚乙烯亚胺(PEI)、二氢卟吩e6(Ce6)、聚乙二醇(PEG)共价修饰后产物的紫外-可见(UV-vis)吸收光谱图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作出详细说明。实施例1一种水分散性碳纳米洋葱的制备方法，包括以下步骤：(1)制备蜡烛灰本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水分散性碳纳米洋葱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备蜡烛灰：将载玻片在燃烧的蜡烛外焰中往复移动，待载玻片表面覆盖一层均匀的蜡烛灰之后移除火焰，将载玻片冷却至室温，收集蜡烛灰；(2)氧化反应：将步骤(1)收集的蜡烛灰加入到强酸溶液中，超声处理获得碳纳米洋葱溶液；(3)纯化并保存：向步骤(2)制备所得碳纳米洋葱溶液加水进行离心洗涤，然后超声分散于水中得水分散性碳纳米洋葱，保存即可。

【技术特征摘要】
1.一种水分散性碳纳米洋葱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备蜡烛灰：将载玻片在燃烧的蜡烛外焰中往复移动，待载玻片表面覆盖一层均匀的蜡烛灰之后移除火焰，将载玻片冷却至室温，收集蜡烛灰；(2)氧化反应：将步骤(1)收集的蜡烛灰加入到强酸溶液中，超声处理获得碳纳米洋葱溶液；(3)纯化并保存：向步骤(2)制备所得碳纳米洋葱溶液加水进行离心洗涤，然后超声分散于水中得水分散性碳纳米洋葱，保存即可。2.根据权利要求1所述的水分散性碳纳米洋葱的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述强酸溶液为体积比为1：1–3：1的浓硫酸与浓硝酸混合溶液。3.根据权利要求1所述的水分散性碳纳米洋葱的制备方法，其特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴富根，孙炜，张晓东，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32