一种生物可降解的硅纳米针注射器及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种生物可降解的硅纳米针注射器及其应用。本发明专利技术提供的硅纳米针注射器是负载有生物分子的硅纳米针，所述负载有生物分子的硅纳米针的制备方法包括如下步骤：采用静电吸附或EDC偶联羧基氨基的方法，通过生物分子所带的羧基与硅纳米针表面的氨基进行偶联，或通过核酸分子表面所带的负电荷与硅纳米针表面的正电荷进行静电吸附，使所述生物分子负载在所述硅纳米针的介孔中和/或表面上。本发明专利技术的硅纳米针注射器是一种高效、灵敏、安全、可降解的复合纳米材料，可用于活细胞内多靶标检测和基因治疗，能很好地实现诊疗一体化，具有快速诊断和高效治疗肿瘤的潜力，在生物医学研究和临床诊断中具有很大应用价值。

A biodegradable silicon nanoneedle syringe and its application

The invention discloses a biodegradable silicon nanoneedle syringe and its application. The silicon nanoneedle syringe provided by the invention is a silicon nanoneedle loaded with biological molecule. The preparation method of the silicon nanoneedle loaded with biological molecule includes the following steps: electrostatic adsorption or EDC coupling of carboxyl amino groups, coupling of carboxyl groups carried by biological molecule with amino groups on the surface of silicon nanoneedle, or negative charge on the surface of nucleic acid molecule with silicon nanoneedle. The positive charge on the surface of the needle is electrostatically adsorbed so that the biological molecule is loaded on the mesoporous neutralization/surface of the silicon nanoneedle. The silicon nanoneedle syringe of the invention is an efficient, sensitive, safe and biodegradable composite nanomaterial, which can be used for multi-target detection and gene therapy in living cells, can well realize the integration of diagnosis and treatment, has the potential of rapid diagnosis and efficient treatment of tumors, and has great application value in biomedical research and clinical diagnosis.

【技术实现步骤摘要】
一种生物可降解的硅纳米针注射器及其应用
本专利技术涉及一种复合纳米材料。具体地，本专利技术涉及一种可实现恶性肿瘤的诊断和治疗，特别是实现细胞内核酸等温扩增，协同化学药物载带的肿瘤诊断、治疗的复合纳米材料及其制备方法与应用。
技术介绍
早期癌症快速、高效的筛查、诊断和治疗，以及癌症的转移和并发症的发生，使得肿瘤细胞中多种肿瘤靶标标志物的同时的高灵敏检测比单个靶标标志物的检测更为重要。随着纳米材料在癌症诊断学或治疗学中的应用，有效地将生物诊断试剂和肿瘤治疗分子导入细胞逐渐成为癌症诊断和治疗的根本挑战。例如，将核酸或生物酶传递到细胞内且保持其生物活性是基于扩增的高灵敏性检测mRNA靶标或调节基因表达用于治疗的关键点。但是，由于转染效率低、毒性和降解问题、靶标位点可及性有限以及在递送过程中的复杂修饰，仍然限制了基于纳米颗粒的诊断和治疗的进一步发展。因此，复杂的纳米颗粒，能够有效地将核酸和酶传递到细胞中进行灵敏的多重诊断，筛选和治疗，目前仍然是诊疗很受欢迎的手段。硅纳米针由于具有可以穿透细胞膜的刚性锥形结构，且硅纳米材料有良好的生物相容性、低毒性和高承载能力，正在发展成为最受欢迎的体内传递工具。由于硅基微阵列制备或硅纳米针的规模较大，传统的细胞内给药方式主要是在基质上垂直阵列注射。然而这很难完全进入活细胞，阻碍了其在生物系统中的进一步应用。最近，有游离的硅纳米线通过超声脱离硅片，长度从4μm缩短为500nm，进一步的通过负载药物进入细胞。但此方法的产率低，且纳米材料的长度不易受控制。因此，寻找尺寸合适的多功能化的硅纳米针材料，将生物诊断试剂和肿瘤治疗分子导入细胞，对于生物过程中的高效诊断和治疗具有重要意义。细胞内扩增是检测细胞内microRNA肿瘤标志物的一种灵敏方法。传统的等温扩增方法由于步骤复杂、灵敏度较低、背景自荧光较差，不适合在活细胞中检测多种肿瘤标志物。最近，有研究报道了活细胞内“一步法”反转录-依赖解旋酶的等温扩增技术(HDA)。虽然成像是基于荧光(FL)染料结合在dsDNA的双螺旋小沟区域的信号，但可通过引入荧光探针进行选择性多重检测的进一步改进，这对于肿瘤细胞的灵敏检测是非常重要的。滚环扩增(Rollingcircleamplification，RCA)技术是活细胞内靶标mRNA灵敏检测成像的另一种有效途径，由于其进入细胞前依赖繁琐复杂的体外成环等步骤，其在细胞内的应用过程尚需改进。近年来，有报道称，在不借助纳米颗粒的情况下，利用SplintR连接酶催化靶标RNA在细胞内形成环状结构，在固定细胞中检测mRNA。因此，利用独立的硅纳米针材料高效、稳定地递送生物试剂，改进细胞内RCA技术，从而有效地检测活细胞(而不仅仅是固定后的细胞)中多重肿瘤标志物具有重大的意义，在生物技术和医药
具有重要的科研和临床应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在生物环境下稳定性好，负载能力强，功能性强，且具有生物应用价值的肿瘤诊断与治疗材料，该材料可实现肿瘤细胞内多靶标的检测以及肿瘤治疗。为了实现上述目的，本专利技术首先提供了一种硅纳米针。本专利技术提供的硅纳米针为表面具有介孔，底部直径为50-100nm、长度为1-2μm，由硅制成的锥形结构。在本专利技术的一个实施例中，所述硅纳米针为表面具有介孔，底部直径为100nm、长度为1μm，由硅制成的锥形结构。所述长度为锥形结构的最顶端到底部中心的距离。为了实现上述目的，本专利技术又提供了一种硅纳米针注射器。本专利技术提供的硅纳米针注射器包括上述硅纳米针和生物分子；其中的生物分子，可以是用于诊断和/或用于治疗的生物分子，比如DNA、蛋白质、RNA。所述生物分子负载在所述硅纳米针的介孔中和/或表面上。进一步的，所述生物分子包括核酸扩增所需的酶和/或核酸分子；所述核酸扩增所需的酶可为如下至少一种：DNA聚合酶、DNA解旋酶、DNA连接酶、DNA切刻酶；所述核酸分子可为核酸探针和/或核酸链；所述核酸探针可为锁式探针和/或荧光探针；所述核酸链可为如下至少一种：单链DNA、双链DNA、单链RNA、双链RNA。所述生物分子(酶)通过表面所带的羧基与硅纳米针表面的氨基进行偶联，或所述生物分子(核酸分子)通过表面所带的负电荷与硅纳米针表面的正电荷进行静电吸附，从而使其负载在所述硅纳米针的介孔中和/或表面上。更进一步的，所述生物分子还可包括用于提高核酸扩增效率的物质，如牛血清白蛋白(BSA)。在本专利技术的一个具体实施例中，所述生物分子由DNA聚合酶、DNA连接酶、核酸探针和BSA组成。其中，所述DNA聚合酶为phi29DNA聚合酶；所述DNA连接酶为splintR连接酶；所述核酸探针为锁式探针，所述锁式探针序列具体如下：5’-CTACTACCTCATTTCCCGGTACCCACCCAGTCCACCCCCACATTTTAACTATACAAC-3’。在本专利技术的另一个具体实施例中，所述生物分子由DNA聚合酶、DNA连接酶、核酸探针、核酸链和BSA组成。其中，所述DNA聚合酶为phi29DNA聚合酶；所述DNA连接酶为splintR连接酶；所述核酸探针为锁式探针，所述锁式探针序列具体如下：5’-CTACTACCTCATTTCCCGGTACCCACCCAGTCCACCCCCACATTTTAACTATACAAC-3’；所述核酸链为siRNA，所述siRNA为用于干扰VEGF基因表达的siRNA，其正义链序列具体如下：5’-GGAGUACCCUGAUGAGAUC-dTdT-3’；反义链为其反向互补链。上述锁式探针的5’端和3’端分别有11个碱基可通过碱基互补原则特异性识别Let-7a部分序列，与靶标序列完全匹配时，在连接酶的作用下，锁式探针连接成闭合的圆环，并以此为模板，在DNA聚合酶的作用下进行滚环扩增(RCA)，生成具有成百上千个重复单元的DNA单链。为了实现上述目的，本专利技术还提供了上述硅纳米针的制备方法。本专利技术提供的硅纳米针的制备方法包括如下步骤：采用湿法刻蚀的方法制备硅纳米线阵列，然后利用氢氧化钾刻蚀阵列尖端，再从阵列上剥离得到上述硅纳米针。进一步的，上述硅纳米针的制备方法可包括如下步骤：1)将单晶硅片浸入HF溶液中活化，使其表面生成硅氢键；2)将步骤1)得到的硅片浸入混合溶液中，避光缓慢震荡，使硅片表面均匀的镀上一层纳米Ag颗粒层；所述混合溶液由溶质和溶剂组成，所述溶剂为水，所述溶质为HF和AgNO3；3)将步骤2)得到的硅片浸入刻蚀液中避光刻蚀，使其形成一层硅纳米线阵列；所述刻蚀液由溶质和溶剂组成，所述溶剂为水，所述溶质为HF和H2O2；4)将步骤3)得到的硅片浸入KOH溶液中，以刻蚀阵列尖端，得到具有针尖结构的硅片；5)将步骤4)得到的硅片浸入浓HNO3溶液中，以去除Ag催化剂；6)将步骤5)得到的硅片进行剥离处理，得到硅纳米针。更进一步的，所述1)前还包括如下步骤：将单晶硅片切成面积约为1cm×1cm的小块，依次经过丙酮溶液、无水乙醇溶液和piranha清洗液超声清洗，得到超声清洗后的硅片；然后用去离子水将所述超声清洗后的硅片清洗后再用氮气吹干；所述无水丙酮溶液超声清洗10min；所述乙醇溶液(分析纯)超声清洗10min；所述piranha清洗液(30％的H2O2溶液与98％的浓H2SO4溶液的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅纳米针，其为表面具有介孔，底部直径为50‑100nm、长度为1‑2μm，由硅制成的锥形结构。

【技术特征摘要】
1.一种硅纳米针，其为表面具有介孔，底部直径为50-100nm、长度为1-2μm，由硅制成的锥形结构。2.一种硅纳米针注射器，其包括权利要求1所述的硅纳米针和生物分子；所述生物分子负载在所述硅纳米针的介孔中和/或表面上。3.根据权利要求2所示的硅纳米针注射器，其特征在于：所述生物分子包括核酸扩增所需的酶和/或核酸分子；或，所述核酸扩增所需的酶为如下至少一种：DNA聚合酶、DNA解旋酶、DNA连接酶、DNA切刻酶；或，所述核酸分子为核酸探针和/或核酸链；或，所述核酸探针为锁式探针和/或荧光探针；或，所述核酸链为如下至少一种：单链DNA、双链DNA、单链RNA、双链RNA。或，所述生物分子还包括用于提高核酸扩增效率的物质；或，所述用于提高核酸扩增效率的物质为牛血清白蛋白；或，所述生物分子由DNA聚合酶、DNA连接酶、核酸探针和牛血清白蛋白组成；或，所述生物分子由DNA聚合酶、DNA连接酶、核酸探针、核酸链和牛血清白蛋白组成。4.权利要求1所述的硅纳米针的制备方法，包括如下步骤：采用湿法刻蚀的方法制备硅纳米线阵列，然后利用氢氧化钾刻蚀阵列尖端，再从阵列上剥离得到权利要求1所述的硅纳米针。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：1)将单晶硅片浸入HF溶液中活化，使其表面生成硅氢键；2)将步骤1)得到的硅片浸入混合溶液中，避光缓慢震荡，使硅片表面均匀的镀上一层纳米Ag颗粒层；所述混合溶液由溶质和溶剂组成，所述溶剂为水，所述溶质为HF和AgNO3；3)将步骤2)得到的硅片浸入刻蚀液中避光刻蚀，使其形成一层硅纳米线阵列；所述刻蚀液由溶质和溶剂组成，所述溶剂为水，所述溶质为HF和H2O2；4)将步骤3)得到的硅片浸入KOH溶液中，以刻蚀阵列尖端，得到具有针尖结构的硅片；5)将步骤4)得到的硅片浸入浓HNO3溶液中，以去除Ag催化剂；6)将步骤5)得到的硅片进行剥离处理，得到硅纳米针。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述1)前还包括如下步骤：将单晶硅片切成面积约为1cm×1cm的小块，依次经过丙酮溶液、无水乙醇溶液和piranha清洗液超声清洗，得到超声清洗后的硅片；然后用去离子水将所述超声清洗后的硅片清洗后再用氮气吹干；或，所述丙酮溶液超声清洗10min；所述乙醇溶液超声清洗10min；所述piranha清洗液超声清洗30min；或，所述1)中，所述HF溶液的质量分数为5％，所述活化的时间为30min；或，所述1)和所述2)之间还包括如下步骤：将硅片用去离子水清洗后再用氮气吹干；或，所述2)中，所述HF和所述AgNO3在所述混合溶液中的浓度分别为10％和0.02mol/L；所述震荡的时间为2min；或，所述2)和所述3)之间还包括如下步骤：将硅片用去离子水进行清洗；或，所述3)中，所述HF和所述H2O2在所述刻蚀液中的溶度分别为4.8mol/L和0.6mol/L；所述刻蚀的时间为30min；或，所述3)和所述4)之间还包括如下步骤：将硅片用去离子水清洗后再用氮气吹干；或，所述4)中，用质量分数为10％的KOH溶液处理2min；或，所述5)中，用质量分数为65-68％的浓HNO3溶液处理2...

【专利技术属性】
技术研发人员：那娜，沈晓彤，欧阳津，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京,11