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铜掺杂聚多巴胺包裹改性普鲁士蓝的制备及性能研究

2024-06-17 90 上传者：管理员

摘要：本文以改性普鲁士蓝(PB-NO)为基体，制备出一种铜离子掺杂聚多巴胺包裹PB-NO的材料(PNPC)。研究了材料的光热性能、化学动力学反应能力、一氧化氮(NO)释放水平与细胞毒性(MTT)。结果表明，在相同条件下，PNPC较PB-NO有着更好的光热能力与更强的一氧化氮(NO)释放水平，并且聚多巴胺中的铜离子赋予了材料消耗还原性谷胱甘肽、催化过氧化氢生成活性氧的化学动力学反应能力。PNPC施加5 min的808 nm(1 W/cm2)激光照射后，与其共孵育的4T1细胞的存活率明显下降，表明其具有一定的癌细胞毒性。总的来说，PNPC是一种具备光热、化学动力学反应、释放NO能力的材料，有治疗肿瘤的潜力。

关键词：
化学动力学
改性普鲁士蓝
癌症
聚多巴胺
金属掺杂
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据国家癌症中心统计，2020年全球新发癌症病例1929万例，我国占23.7%，约457万。2020年全球癌症死亡病例996万，我国占据30%，约300万。在全球范围内，预计2040年较2020年癌症负担将增加50%，新发癌症病例将达3000万左右[1]。从以上数据可以看出，癌症是威胁人类健康的一大因素，是致病和致死的主要原因之一，因此，如何治疗癌症是一个永不过时的话题。相较于传统治疗手段，利用实体肿瘤的高通透性和滞留性既EPR效应，与肿瘤微环境的特点，衍生出了很多新兴治疗方法，如光热、芬顿、气体、饥饿治疗等[2,3,4]。但癌细胞存在一定的耐药性，单一疗法很难保证在较长的时间内对肿瘤具有等同的杀伤效果。在实际应用中，常采取多种疗法联合的治疗手段，这种方法的优势在于降低药物的用量，缩短治疗周期，与单一疗法相比，联合治疗更能达到预期的治疗效果[5,6]。

普鲁士蓝常用于光热治疗，一氧化氮供体硝普钠（SNP）可以额外赋予普鲁士蓝一氧化氮气体治疗的能力，且材料的光热性能影响着NO释放水平[7]。基于此，在PB-NO外层包裹聚多巴胺（PDA）并利用PDA表面的邻苯二酚结构螯合Cu2+，增加了材料在808 nm处的吸光度和光热能力，使得其相较于单一的PB-NO拥有更高的NO释放水平与更好的光热治疗效果。此外，Cu2+能消耗还原性谷胱甘肽（GSH），并与癌细胞中的内源性物质反应生成活性氧（ROS），破坏肿瘤内部氧化还原平衡，进一步增强肿瘤治疗效果，最终制备出的材料是一种集光热、NO治疗、化学动力学于一体的联合治疗平台。

1、实验部分

1.1主要原料

铁氰化钾（99%）、硝普钠（99%）、盐酸多巴胺（98%）、无水氯化铜（99.99%）、聚乙烯吡咯烷酮（M.W.～58,000,K29-32）、谷胱甘肽（98%）、5,5’-二硫代双（2-硝基苯甲酸）（98%）：均购于阿拉丁。亚甲基蓝，三水、30%过氧化氢、盐酸（37.5%）：均购于国药。三羟甲基氨基甲烷(Tris)，购于Bio Froxx。

1.2普鲁士蓝的制备（PB)

普鲁士蓝依据文献来制备[8]。将263.5 mg的铁氰化钾，3 g聚乙烯基吡咯烷酮，溶于40 m L去离子水中，室温搅拌20 min，待溶液澄清后加入35μL浓盐酸，在将溶液转移至100 m L圆底烧瓶内，于80℃反应12 h，通过离心（11000 rpm,10 min）收集，用去离子水洗涤3次。

1.3改性普鲁士蓝的制备（PB-NO)

改性普鲁士蓝依据文献来制备[7]。将488.7 mg硝普钠，60 mg铁氰化钾，3 g聚乙烯基吡咯烷酮溶于40 m L去离子水中，室温搅拌，待溶液澄清透明后加入335μL浓盐酸，将溶液置于100 m L圆底烧瓶中，在80℃的条件下搅拌反应12 h后离心收集（11000 rpm,10 min），用去离子水洗涤3次。

1.4铜掺杂聚多巴胺包裹改性普鲁士蓝的制备（PNPC)

将15 mg盐酸多巴胺，10 mg PB-NO加入到30 m L浓度为10 m M的Tris-HCl 8.5溶液中，超声分散20 min，接着在室温条件下，避光搅拌1 h，后加入22.5 mg的无水氯化铜，接着搅拌2 h，所得产物离心（11000 rpm,10 min）分离并用水洗涤3次，得到最终产物。

1.5测试与表征

傅里叶红外光谱仪（FT-IR):IR Prestige-21型，日本国岛津有限公司；粒径与Z电位分析仪：ZS90型，英国MALVERN;X射线光电子能谱分析仪（XPS):Escalab250Xi型，美国thermo；紫外/可见分光光度仪（UV-vis):UV-1800PC，上海美普达有限公司；红外热成像仪（FOTRIC323ProL25）；酶标仪：i Mark TM型，上海BIO-RAD。

2、结果与讨论

2.1材料的表征与性能测试

图1硝普钠改性普鲁士蓝的红外吸收光谱图

使用傅里叶红外光谱仪对普鲁士蓝、硝普钠改性的普鲁士蓝、硝普钠进行分析，结果如图1所示。硝普钠内部的亚硝基结构在1944 cm-1处有吸收峰，仅使用铁氰化钾制备的普鲁士蓝PB在此处并没有观察到特征吸收，而使用硝普钠和铁氰化钾共同制备的改性普鲁士蓝在1944 cm-1处展现出了特征吸收，表明可以通过硝普钠的改性，制备出内部含有一氧化氮供体的普鲁士蓝PB-NO。

粒径的测试结果如图2 (a)所示，PB-NO的水合粒径为142 nm,PNPC的水合粒径为190 nm，后者与前者相比水合粒径明显变大。在图2(b)中，PB-NO的电位为-24.35 m V,PNPC的电位为-12.3 m V，二者相差约12 m V。PNPC的X射线光电子能谱（图3c）在930～970 e V的范围内，明显可以观察到Cu2P轨道的峰，结合粒径与Zeta电位的测试结果表明，PB-NO的外层成功包裹了铜掺杂聚多巴胺。紫外分析结果如图2(d）所示，改性普鲁士蓝PB-NO的吸收峰为720 nm，包裹铜掺杂聚多巴胺后，材料的紫外吸收峰红移至740 nm，且材料在700～900 nm范围内的吸光强度也明显上升，这表明铜掺杂聚多巴胺可以增强PB-NO在700～900 nm的吸光能力。

图2 a PB-NO,PNPC的水合粒径图；b PB-NO,PNPC的Zeta电位图；c PNPC的X射线光电子能谱；d PB-NO,PNPC紫外吸收光谱图

2.2光热性能测试

材料光热性能测试如图3所示。不同材料均取100μg/m L浓度的水分散液在808 nm(1 W/cm2)激光照射15 min后，PB-NO、PNPC温度分别上升35.3℃、39.6℃。后者较前者温度提升4.3℃，这是铜掺杂聚多巴胺的引入导致材料紫外吸收红移、吸光范围变宽，进而增强了其在808nm处吸光度的结果，与图2(d）的分析一致，表明铜掺杂聚多巴胺层可以有效地提升PB-NO的光热能力。

图3 PNPC,PB-NO的光热曲线

2.3体外NO释放检测

材料NO释放能力使用Griess测试方法检测。PB-NO在激光照射下产生热，破坏Fe-NO之间的配位键，从而释放NO，释放水平与光热能力相关[7]。不同材料均取1 mg/m L浓度的水分散液，使用808 nm(2.0 W/cm2)的激光照射不同时间，测试结果如图4所示。在5 min内，PNPC组释放了约2.5μM的NO,PB-NO组释放了约1.02μM的NO,PNPC组的释放量约为PB-NO组的2.5倍。照射10 min、15 min、20 min后，PNPC组的NO释放水平也高于PB-NO组，结合2.2节的分析可知，这是因为PNPC较PB-NO有更好的光热能力，所以在相同条件下的NO释放水平要更高。

图4 PNPC,PB-NO的NO释放曲线

2.4化学动力学治疗能力的体外研究

在图5(a）中，5,5’-二硫代双（2-硝基苯甲酸）即DTNB，可以与GSH反应生成显色物二硫巴比妥酸，其在412 nm处有吸收峰，不加材料时，显色物明显存在，随着加入材料浓度的提高，显色物在412 nm处的吸收峰逐渐下降，当材料浓度为100μg/m L时，体系内几乎检测不出GSH，紫外吸收光谱与DTNB几乎拥有一样的趋势，这表明制备的聚多巴胺壳层内的铜离子具有消耗GSH的能力。图5(b)中，亚甲基蓝（MB）是一种能被ROS降解的染料，可以用来检测ROS的生成。使用不同浓度的PNPC与GSH、H2O2、MB共孵育，可以看出，随着材料的加入，MB于664 nm处的吸收峰明显下降，表明MB在被生成的ROS降解，并且随着材料用量的提升，MB的峰值越来越低，说明体系生成了更多的ROS。所以，PNPC可以消耗GSH、催化H2O2生成ROS，是一种具备化学动力学治疗能力的材料。

图5 a PNPC消耗GSH的紫外吸收光谱；b PNPC催化H2O2产生ROS的紫外吸收光谱

2.5细胞毒性实验

图6材料对4T1细胞的毒性研究

以4T1细胞为模型，使用MTT法来探究材料的毒性。结果如图6所示，PB-NO几乎没有对4T1细胞产生毒性，材料浓度最高的组，细胞存活率也保持在85%以上，包裹铜掺杂聚多巴胺后，细胞存活率有所下降，在材料浓度最高的组，4T1细胞存活率为64%，这是铜离子破坏细胞内氧化还原平衡的结果，与2.4节的讨论相吻合。在对上述组施加5 min的808 nm的激光照射（1 W/cm2）后，各组的细胞存活率均有所下降，PNPC+Laser组的存活率最低，约为33%，这是化学动力学、光热治疗、NO治疗共同发挥作用的结果,表明PNPC可对癌细胞造成一定的杀伤，有治疗肿瘤的潜力。

3、结论

本研究以硝普钠改性的普鲁士蓝为主体，制备了铜离子掺杂聚多巴胺包裹改性普鲁士蓝。铜离子掺杂的聚多巴胺层有效地提升了PB-NO光热能力和NO释放水平，此外还可以破坏肿瘤细胞中的氧化还原平衡，使得大量ROS富集在细胞内部，从而对肿瘤细胞造成杀伤。所以最终制备的材料PNPC是一种集光热、化学动力学、NO治疗于一体的高效联合治疗平台，有治疗肿瘤的潜力。

文章来源:陈佳豪,李草.铜掺杂聚多巴胺包裹改性普鲁士蓝的制备及性能研究[J].胶体与聚合物,2024,42(02):57-60.