一种碳包覆钛酸钡压电异质结及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于纳米材料和生物医学应用领域，具体涉及一种碳包覆钛酸钡压电异质结及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的一种碳包覆钛酸钡压电异质结，包括四方相钛酸钡纳米颗粒以及包覆在四方相钛酸钡纳米颗粒表面的碳壳，所述碳壳厚度为1~5纳米；本发明专利技术的碳包覆钛酸钡压电异质结，与单一的钛酸钡纳米颗粒相比，具有导电性的碳壳作为良好的电子受体，电子可快速转移到碳壳上，碳包覆钛酸钡的带隙更窄，在超声刺激下，其电子和空穴更易分离，因此具有更强的声压电催化效果，从而产生更多的活性氧自由基，能够更有效地杀死肿瘤细胞，实现肿瘤高效治疗的效果。治疗的效果。治疗的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆钛酸钡压电异质结及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及功能纳米材料和生物医学应用领域，具体而言，涉及一种碳包覆钛酸钡压电异质结及其制备方法和应用。
[0002]
技术介绍

[0003]癌症严重危害人类身体健康，癌症治疗也已经成为最具挑战性的医疗任务之一。手术切除治疗、化学治疗和放射治疗是目前癌症治疗的主要方式，但是这些方法具有严重的副作用，给患者带来极大的痛苦。临床上一直致力于寻求一种无创高效的方法抑制肿瘤细胞的生长和转移。
[0004]功能纳米材料可以通过产生过量有毒的活性氧（reactive oxygen species，ROS）触发肿瘤细胞的死亡，对癌症治疗具有非侵入性和高选择性的显著优势。ROS的产生主要有三种方法：1、依靠光敏剂和光照产生单线态氧的光动力疗法（photodynamic therapy，PDT），但其有限的组织穿透深度限制了其在深部肿瘤和大体积肿瘤中的应用。2、化学动力学治疗（chemodynamic therapy, CDT），利用肿瘤微环境中内源性H2O2，通过纳米材料的芬顿或类芬顿催化反应产生羟基自由基（
•
OH）。然而肿瘤微环境中的H2O2不足限制了芬顿反应的反应速率和治疗效率。3、声动力治疗（sonodynamic therapy, SDT），与光动力治疗相比，超声的组织穿透深度更深、对正常组织的损伤更小和能量衰减性小。声动力治疗已经应用于临床疾病的诊断和治疗，然而高效声敏剂的缺乏限制了SDT的进一步应用。
[0005]压电材料具有非中心对称结构，它可以在机械应力作用下产生晶格畸变，诱导内部产生内置电场，同时在两端表面上出现正负相反的电荷，通过电子（e
−
）和空穴（h
+
）的连续分离催化氧化还原反应产生ROS。得益于压电效应，一些压电半导体，如BaTiO3、Bi2MoO6和黑磷已经被应用于声动力治疗，但是这些无机压电声敏剂在催化的过程中电子和空穴容易重新结合在一起导致催化效率下降，如何提高纳米催化剂的催化效率是目前研究的热点之一。
[0006]
技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提出一种碳包覆钛酸钡压电异质结的制备方法以及其在超声介导的声压电治疗中的应用，该碳包覆钛酸钡压电纳米异质结作为声敏剂可以在超声的刺激下产生大量有毒的ROS，从而实现肿瘤治疗的效果，用于解决现有肿瘤治疗方法副作用强、对患者身体伤害高等问题。
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种碳包覆钛酸钡压电异质结，具有核壳结构，包括四方相（T相）钛酸钡纳米颗粒以及包覆在四方相钛酸钡纳米颗粒表面的碳壳；具有导电性的碳壳作为良好的电子受体，使电子快速转移到碳壳，四方相钛酸钡与碳壳形成的异质结构缩窄了钛酸钡的带隙值，使其电子
‑
空穴对更容易分离，提高了压电催化性能，将超声机械能
转化为化学能，能够产生更多的活性氧自由基，有效杀伤肿瘤细胞。
[0009]具体地，本专利技术技术人员发现碳壳厚度越厚，钛酸钡的带隙值越小，但是过厚的碳壳同时会阻碍钛酸钡对超声刺激的响应，从而降低超声诱导的电子和空穴的分离速率，增加电子转移的路径；因此，最佳的碳壳厚度可以促进碳酸钡对超声的刺激响应，促进电子和空穴的分离。所述碳壳厚度优选为1~5纳米，进一步优选为1~4纳米，更进一步优选为1~3纳米；示例性的，所述碳壳厚度为1纳米、1.4纳米、1.8纳米、2.2纳米、2.6纳米、3.4纳米、3.8纳米、4.2纳米或4.8纳米。
[0010]本专利技术的碳包覆钛酸钡压电异质结，具有良好的生物相容性和高效的声压电催化性能，可作为声敏剂，在超声波作用下可产生大量有毒的活性氧，从而用于肿瘤的高效声压电治疗。
[0011]具体地，本专利技术的碳包覆钛酸钡压电异质结在体外生理环境中具有较好的尺寸稳定性。相比于大尺寸的纳米颗粒，本专利技术所采用的超小尺寸碳包覆四方相钛酸钡压电异质结具有更大的比表面积；所述碳包覆钛酸钡压电异质结的平均粒径优选为≤200 纳米，进一步优选为50~200 纳米。
[0012]第二方面，本专利技术提供了上述碳包覆钛酸钡压电异质结的制备方法，包括如下步骤：步骤1、通过水热法合成立方相（C相）钛酸钡纳米颗粒；步骤2、通过热退火法将立方相钛酸钡纳米颗粒转化为四方相钛酸钡纳米颗粒；步骤3、通过葡萄糖水热法给四方相钛酸钡纳米颗粒包裹上不同厚度的碳壳，形成碳包覆钛酸钡压电异质结。
[0013]具体地，所述步骤1中，立方相钛酸钡纳米颗粒的水热合成方法为：以钛酸四丁酯（Ti[O(CH2)3CH3]4）为钛源，水合氢氧化钡（Ba(OH)2·
H2O）为钡源，将Ti[O(CH2)3CH3]4、乙醇和氢氧化铵溶液按照比例混合得到溶液A；将Ba(OH)2·
H2O溶解在去离子水中得到溶液B；将溶液B加入到溶液A中混合，并转移到高温反应釜中，在180~220℃下加热46~50小时，反应结束后，用去离子水和无水乙醇洗涤数次，在80℃的真空干燥箱中干燥24小时得到立方相钛酸钡。
[0014]具体地，所述步骤2中，使钛酸钡纳米颗粒实现相转变的热退火法为：将立方相钛酸钡放在氧化铝坩埚中，在600~900℃的管式炉中加热8~15小时，然后自然冷却至室温，退火后将团聚的粉末研磨得到超小尺寸的四方相钛酸钡。
[0015]具体地，所述步骤3中，碳包覆钛酸钡压电异质结的制备以葡萄糖中的碳作为碳壳来源，将不同浓度的葡萄糖水溶液转移到四氟乙烯内衬中，剧烈搅拌下加入四方相钛酸钡纳米颗粒，搅拌30分钟后，放入高温反应釜中，然后置于预热的、连续搅拌的油浴锅中，160~200℃下加热4~10小时。然后冷却至室温，用去离子水和无水乙醇洗涤数次，在80摄氏度下真空干燥过夜，得到最终产物碳包覆钛酸钡压电异质结。
[0016]具体地，所述步骤3中，葡萄糖水溶液中葡萄糖的浓度为0.005~0.05 M，葡萄糖与四方相钛酸钡纳米颗粒的混合质量比例为0.015~0.155。
[0017]第三方面，本专利技术还提供上述碳包覆钛酸钡压电异质结作为高效声敏剂在制备肿瘤治疗药物中的应用。
[0018]具体地，在肿瘤治疗过程中，所述碳包覆四方相钛酸钡用于声动力治疗和压电催
化协同抗肿瘤，通过对肿瘤细胞处进行超声处理，使得材料产生大量有毒的ROS。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术提供的碳包覆钛酸钡压电异质结，与传统的四方相钛酸钡压电材料相比，尺寸更小，比表面积更大，更容易进入肿瘤细胞内发挥声压电治疗作用，而且与单一的钛酸钡纳米颗粒相比，具有导电性的碳壳作为良好的电子受体，电子可快速转移到碳壳上，碳包覆四方相钛酸钡压电异质结的带隙更窄，在超声刺激下，其电子和空穴更易分离，因此具有更强的声压电催化效果，从而产生更多的活性氧自由基，能够有效地杀死肿瘤细胞。
[0020]（2）本专利技术提供的碳包覆钛酸钡压电异质结的制备方法，通过水热法合成四方相钛酸钡纳米颗粒，然后通过葡萄糖水热法碳化葡萄糖，能够在四方相钛酸钡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆钛酸钡压电异质结，其特征在于，包括四方相钛酸钡纳米颗粒以及包覆在四方相钛酸钡纳米颗粒表面的碳壳；所述碳壳厚度为1~5纳米。2.根据权利要求1所述的碳包覆钛酸钡压电异质结，其特征在于，所述碳包覆钛酸钡压电异质结的平均粒径为50~200纳米。3.根据权利要求1所述的碳包覆钛酸钡压电异质结，其特征在于，所述碳包覆钛酸钡压电异质结作为声敏剂，在超声波作用下产生活性氧。4.一种如权利要求1~3中任一项所述碳包覆钛酸钡压电异质结的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、通过水热法合成立方相钛酸钡纳米颗粒；步骤2、通过热退火法将立方相钛酸钡纳米颗粒转化为具有压电性能的四方相钛酸钡纳米颗粒；步骤3、通过葡萄糖水热法碳化葡萄糖，在四方相钛酸钡纳米颗粒表面包覆一层碳壳，得到碳包覆钛酸钡压电异质结。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1合成立方相钛酸钡纳米颗粒过程中，使用Ti[O(CH2)3CH3]4为钛源，使用Ba(OH)2·
H2O为钡源。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，立方相钛酸钡纳米颗粒的制备过程具体为：将Ti[O(CH2)3CH3]4、乙醇和氢氧化铵溶液混合得到溶液A；将Ba...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雪，代新月，冯炜，谢雨洁，陈良，陈雨，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：