一种有机NIR-Ⅱ光热转换膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，具体涉及一种有机NIR-Ⅱ光热转换膜及其制备方法 和应用。

背景技术

近红外(NIR)光因其在“生物窗口”中具有远程操控、最小入侵、高透明度等无可比拟的 优势，被广泛用于传感、成像、生物诊断和治疗等领域。在近红外吸收材料中，光热剂是一 种能够将近红外光能转换为热能的材料，因其利用近红外光能方便、高效而备受关注。最近 人们对第二个近红外光学窗口(NIR-Ⅱ，1000-1700nm)的光热转换越来越关注，由于它的组 织穿透深度和对激光的最大允许照射量NIR-Ⅱ的明显优势。利用NIR-Ⅱ光在治疗深层组织埋 藏疾病或为皮下可植入生物电子设备提供能量方面具有广阔的应用前景。因此，开发NIR-Ⅱ 光热材料具有重要的临床意义。

然而，目前只有少数的NIR-Ⅱ光热材料已被证明，包括一些无机光热材料，如不几何形 状的金纳米粒子和混合纳米系统，Fe

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种有机NIR-Ⅱ光热转换膜及其制备方法和 应用，该制备方法简单，成本低，可大规模生产，制备获得的有机NIR-Ⅱ光热转换膜均匀性 好，性质稳定，具有优异的NIR-Ⅱ光热转换效率，初始升温速率高达30℃/s。

本发明技术解决方案通过以下技术方案实现：

本发明第一方面提供一种有机NIR-II光热转换膜，为3,3’,5,5’-四甲基联苯胺氧化物与琼 脂糖之间的氢键相互作用形成的氢键聚集体。

本发明第二方面提供上述有机NIR-II光热转换膜的制备方法，包括如下步骤：

1)3,3’,5,5’-四甲基联苯胺母液在纳米酶催化作用和缓冲液存在下进行氧化反应，得到纳 米酶/3,3’,5,5’-四甲基联苯胺氧化物复合溶液；

选择一种具有类氧化酶性质的纳米酶如CoPt@G，用于催化3,3’,5,5’-四甲基联苯胺 (TMB，结构式如图1a)氧化生成3,3’,5,5’-四甲基联苯胺氧化物(oxTMB，由TMB和它的双阳离子结构TMB

2)将步骤1)得到的纳米酶/3,3’,5,5’-四甲基联苯胺氧化物复合溶液与琼脂糖混合并加热， 得到溶胶；

3)将步骤2)得到的溶胶进行制膜：

31)所述溶胶经冷却得到第一水凝胶；

32)所述第一水凝胶继续进行催化氧化反应，得到第二水凝胶；

33)将所述第二水凝胶进行干燥，得到所述有机NIR-II光热转换膜。

所述有机NIR-II光热转换膜主要是由于oxTMB与琼脂糖分子(图1c)之间的相互作用(氢 键)形成H-聚集体(图1d)，且具有极高的光热转换效率，在1064nm激光(1W/cm

优选地，步骤1)中，还包括如下技术特征中的至少一项：

11)所述3,3’,5,5’-四甲基联苯胺母液包括3,3’,5,5’-四甲基联苯胺和有机溶剂；

12)所述3,3’,5,5’-四甲基联苯胺母液中3,3’,5,5’-四甲基联苯胺的浓度为5～20mmol/L，如 5～10mmol/L或10～20mmol/L；

13)以3,3’,5,5’-四甲基联苯胺母液和缓冲液总体积计，3,3’,5,5’-四甲基联苯胺的浓度为 0.01～0.04mmol/L；

14)所述纳米酶为石墨烯包裹的复合纳米材料，所述复合纳米材料是以石墨烯为壳、钴 铂合金为核组成的核壳结构；

15)3,3’,5,5’-四甲基联苯胺与所述纳米酶的质量比为0.24024：1～0.96136：1；

16)所述缓冲液选自磷酸缓冲液、醋酸缓冲液和碳酸缓冲液中的至少一种；

17)所述缓冲液的pH为3.5～5.5，如3.5～5或5～5.5；

18)催化氧化反应温度为16～25℃。

更优选地，还包括如下技术特征中的至少一项：

111)特征11)中，所述有机溶剂选自乙醇和二甲基亚砜中的至少一种；

141)特征14)中，所述复合纳米材料的粒径为5～7nm；

142)特征14)中，钴铂合金表面的石墨烯的层数为3～4层

143)特征14)中，钴铂合金的中钴与铂的摩尔比为1:1.5～1:2。

上述纳米酶通过包括如下步骤的制备方法获得：

a)将SiO

b)将步骤a)烘干的混合物研磨成粉末，然后与CH

优选地，步骤a)中所述超声波处理的功率为170～200w。

优选地，步骤a)中，溶液B中钴与铂的摩尔比为1:1.5～1:2。

优选地，步骤b)中，粉末与HF溶液的质量体积比为0.75～0.85:25～30，质量单位为g， 体积单位为mL，HF溶液的质量分数≥40.0％。

优选地，步骤2)中，还包括如下技术特征中的至少一项：

21)3,3’,5,5’-四甲基联苯胺与所述琼脂糖的质量比为0.00072：1～0.00288：1；

22)琼脂糖与步骤1)得到的纳米酶/3,3’,5,5’-四甲基联苯胺氧化物复合溶液的质量比为1： 100～3：100，如1：100～2：100或2：100～3：100；

23)加热温度为90～120℃，如90～100℃或100～120℃。

优选地，步骤31)中，冷却温度为10～25℃，如10～20℃或20～25℃。

优选地，步骤32)中，催化氧化反应温度为16～25℃，如16～20℃或20～25℃。

优选地，步骤33)中，干燥温度为16～25℃，如16～20℃或20～25℃。

优选地，步骤33)中，干燥湿度为20～30％，如20～25％或25～30％。

本发明第三方面提供上述有机NIR-Ⅱ光热转换膜的用途，在肿瘤光热治疗材料中的应用。

本发明相对现有技术具有以下有益效果中的至少一项：

a)本发明制备方法简单，成本低，可大规模生产。

b)本发明有机NIR-Ⅱ光热转换膜均匀性好，性质稳定，并且具有优异的NIR-Ⅱ光热转换 效率，初始升温速率可高达30℃/s，这在有机光热材料中是无可比拟的。

c)本发明选用稳定的纳米酶实现在水凝胶中的再催化。

d)本发明选用生物相容性好、价格低的琼脂糖作为基底材料，从结构上帮助3,3’,5,5’-四 甲基联苯胺氧化物即oxTMB形成H-聚集体(氢键聚集体)，而且使材料更稳定，使其在多 种领域中都具有很好的应用价值。

附图说明

图1为本发明所用的原料结构式。

其中，a)为TMB结构式；

b)为oxTMB结构式；

c)为线性琼脂糖结构式；

d)为oxTMB与琼脂糖分子之间的相互作用(氢键)形成H-聚集体的结构式。

图2为本发明制备的有机NIR-II光热转换膜即CTAG复膜表征图。

其中，a)为oxTMB在不同状态下的紫外吸收光谱图；

b)为oxTMB在溶液和膜中的拉曼光谱图；

c)为oxTMB与不同浓度琼脂糖的相互作用图。

图3为实施例制备的不同膜的图片。

其中，a)为制备CTAG复合膜的流程图；

b)为不同膜基底制备的膜的明场图；

c)为不同膜基底制备的膜的紫外吸收光谱图；

d)为不同干燥条件制备的膜的光学显微图。

图4为实施例制备的膜的光热性能图。

其中，a)为CTAG复合膜光热升温的近红外成像图；

b)四种膜的光热升温曲线图；

c)CTAG复合膜在不同激光功率下的升温曲线图；

d)CTAG复合膜的长期光热稳定性能图。

图5为实施例1制备的膜的生物相容性图。

其中，a)为CAG和CTAG膜对成纤维母细胞的细胞毒性图；

b)为膜在小鼠体内30天小鼠的体重统计图；

c)为植膜30天后小鼠的脏器和皮肤的H&E染色图。

图6为实施例1制备的膜的治疗效果图。

其中，a)为膜在小鼠体内的近红外热像图；

b)为膜在小鼠体内的光热升温曲线图；

c)为植瘤小鼠在光热治疗前后的明场图片；

d)为小鼠治疗后十天内的体重变化图；

e)为小鼠治疗后的肿瘤体积变化图；

f)为小鼠治疗十天后的肿瘤明场图。

图7为考察干燥温度(16℃，20℃，25℃)和干燥的相对湿度(20％RH、25％RH、30％RH) 对所形成的膜的光热效果的影响图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的技术方案。应理解，本发明提到的一个或多个方 法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可 以插入其他方法步骤；还应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。 而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方 法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技 术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

CoPt@G/TMB琼脂糖复合膜材料的制备方法包括如下步骤：

(1)利用磷酸二氢钠与磷酸氢二钠配制25mM pH 5的磷酸缓冲液(PBS)；

以乙醇为溶剂，配制10mM的TMB母液，4℃保存；

将处理且定量好的CoPt@G纳米颗粒稀释至500μg/mL。

其中，CoPt@G纳米颗粒为纳米酶催化剂，为石墨烯包裹的复合纳米材料，所述复合纳 米材料是以石墨烯为壳、钴铂合金为核组成的核壳结构，复合纳米材料的粒径为5～7nm，钴 铂合金表面的石墨烯的层数为3～4层，钴铂合金的中钴与铂的摩尔比为1:1.5，通过包括如下 步骤的制备方法获得：

a)将SiO

b)将步骤a)烘干的混合物研磨成粉末，然后与CH

在200mL的烧杯中，加入48.5mL pH 5PBS，再加入1mL 10mM TMB母液，0.5mL 500μg/mL CoPt@G，在20℃的空气环境中搅拌均匀，溶液从无色逐渐变蓝，得到CoPt@G/TMB 蓝色复合溶液A；在A溶液中加入称量好的0.5g琼脂糖粉末(即琼脂糖的浓度为1％，该浓 度＝琼脂糖的质量/蓝色复合溶液A的质量*100％)，混合均匀，得到溶液B；将B溶液放在 微波炉中加热100℃80秒，加热结束后趁热取出，得到褪色的溶胶C；趁热将C溶胶用移液 枪吸取3mL至小号细胞培养皿的皿盖中，在20℃的空气环境中冷却，几分钟之内就会形成 凝胶D，颜色稍微恢复浅蓝色。注意，从烧杯中移取溶胶过程要快，否则C溶胶直接在烧杯 中冷却形成凝胶。

(2)将步骤(1)中制好的D凝胶放在温度为20℃的空气环境中继续进行催化反应，D凝胶 颜色逐渐变蓝，24小时后，变成深蓝，伴随着约45％的失重率。再在16℃湿度为30％下干 燥24小时，水凝胶质量越来越轻，期间颜色一直为蓝色，直到失重率达到临界值，蓝色在较 短时间内(约0.5小时)变成紫色，待其充分形成均匀的紫色膜后，失重率约达98.5％，紫膜 自然从皿盖脱落，即得到一张质量约为0.03g，厚度约为32μm，表面光滑无褶皱的紫膜。整 个制膜过程可参见图3a)，同时，根据上述步骤制备空白琼脂糖膜(AG film)，TMB琼脂糖膜(TAG film)，CoPt@G琼脂糖膜(CAG film)。

由图2a可知，oxTMB在溶液(即蓝色复合溶液A)、水凝胶(即在16℃湿度为30％下干燥24小时前获得的水凝胶)和膜(即干燥后得到的紫色膜)中紫外吸收光谱是不同的，在水凝胶中相对于溶液来说蓝移程度不大，而在膜中相对溶液来说蓝移程度较大，说明oxTMB是逐渐形成H-聚集的。由图2b可知，溶液与膜的拉曼光谱几乎一致，证明溶液中的蓝色物质与膜中的紫色物质成分是一样的，可能堆积方式不同，结合紫外吸收光谱图，更加证明了CTAG复合膜的紫色就是来源于oxTMB的H-聚集。

本发明制备的CTAG复合膜具有优异的光热效率，如图4a所示，该复合膜在1064nm激 光照射下(激光功率密度为1.0W/cm

体外和体内生物相容性

上述制备获得的CTAG膜(CoPt@G/TMB琼脂糖膜)对正常细胞潜在的细胞毒性，每个膜与相同数量的C3H/10T1/2(小鼠胚胎成纤维细胞)正常细胞共孵育1，3，和5天，用cck-8法测定C3H/10T1/2细胞的相对存活率。如图5a所示，与不做任何处理的对照组相比，CAG 与CTAG膜的共孵育并没有造成细胞毒性，表明微量CoPt@G的掺入和oxTMB的生成均不 会影响琼脂糖膜的生物相容性。

为了进一步评估体内CTAG膜可能的毒性，CAG和CTAG两种膜在皮下植入雌性Balb/c 小鼠后被系统研究。由于琼脂糖的降解可能导致CoPt@G和oxTMB的释放，因此对CAG和CTAG膜的长期毒性研究是有必要的。对植入CAG和CTAG膜的小鼠进行仔细监测，30天 内未观察到死亡，通过体重记录也可以看出没有明显毒性(图5b)。植入30天后，牺牲小 鼠，取心、肝、脾、肺、肾和皮肤伤口处切片并进行H&E染色用于组织分析。如图5c所示， 各脏器未见损伤或炎性病变，两组的组织病理异常或病变均可忽略不计，这预示CAG和CTAG 膜可以良好的应用到体内。

体内光热癌症治疗

受到CTAG膜优异的生物相容性以及超高效的光热转换，对体内光热治疗效果进行验证。 4T1荷瘤小鼠被随机分成6组，包括组1：control，组2：control+laser，组3：CAGfilm，组 4：CAG film+laser，组5：CTAG film，组6：CTAG film+laser，其中CTAG film为上述制备 获得的CTAG膜(CoPt@G/TMB琼脂糖膜)。小鼠肿瘤边缘的皮肤被划开，在肿瘤表面覆盖 上CAG或CTAG膜,在1064nm激光照射十分钟，并利用常规伤口缝合和抗生素。作为比较，伤口不使用任何膜但也同样进行采划开缝合作为对照。用红外光热相机记录肿瘤区域的实时 温度和原位热图像。在1064nm激光照射下，使用CTAG膜的肿瘤部位的温度在初始20秒内从33℃急剧升高到52℃，并保持在60℃10分钟，而使用CAG膜和对照组的小鼠肿瘤温 度升高可以忽略不计(图6a,b)。所有组的小鼠体重与肿瘤体积每两天被监测。所有组的小 鼠体重没有出现明显的波动(图6d)，说明各组的治疗对小鼠的健康几乎没有不利的影响。 更重要的是，CTAG+Laser组肿瘤逐渐消失，无复发，在10天内原始创面愈合(图6c)。六 组老鼠经不同的治疗10天后，肿瘤的重量和照片如图6e,f所示，平均肿瘤最小的组是 CTAG+Laser组，进一步确认CTAG膜在近红外激光的照射下能有效的抑制肿瘤生长。

实施例2

实验步骤与实施例1相同，区别在于考察了干燥条件(温度：16℃,30℃,45℃,60℃；湿 度：30％RH，90％RH)对所形成CTAG膜结构的影响，由实验结果可知(图3d)，在考察的温度和湿度范围内，对所形成的CTAG膜结构的影响很大，温度高湿度低，干燥速度快，oxTMB几乎完全形成聚集；温度高湿度高，干燥速度慢，oxTMB长期在高温中会分解，不 能形成聚集体膜；温度低湿度低，干燥速度稍慢，但可以形成均匀的高质量的聚集体膜；温 度低湿度高，干燥速度非常慢，因此会有oxTMB析出形成oxTMB结晶，不利于形成聚集。 最后优选的干燥条件是温度低湿度低，即(16℃，30％湿度)。

实施例3

实施步骤与实施例1相同，区别在于考察了不同成膜基底对所形成的聚集体的影响，包 括海藻酸钠和明胶。由实验结果可知(图3b,c)，明胶制备的复合膜呈蓝色，其吸收峰没有 发生蓝移，即没有形成oxTMB H-聚集体；而海藻酸钠制备的额复合膜中间部分呈现浅紫色， 边缘深蓝色，明显的咖啡环现象，652nm处的吸收峰蓝移到599nm，即形成了小程度的H- 聚集；而琼脂糖制备的复合膜整张膜颜色均匀，紫色透明，652nm处的吸收峰蓝移到556nm 处，H-聚集程度大。因此，我们推测oxTMB与琼脂糖线性分子之间可能存在氢键这样的相 互作用(如图1d)。最后，优选琼脂糖作为本发明的成膜基底。

实施例4

实施步骤与实施例1相同，区别在于考察了不同琼脂糖浓度(0.2％，0.5％，0.7％，1.0％， 2.0％和3.0％)对成膜结构的影响。由实验结果可知(图2c)，在形成水凝胶之后，我们发现 琼脂糖的浓度越大，652nm处吸收峰蓝移程度越大，可见oxTMB与琼脂糖分子之间有明显 的相互作用。琼脂糖浓度越低，越容易形成oxTMB结晶，因为两者之间相互作用弱；而当 琼脂糖浓度达到1.0％时，可以避免结晶的析出，得到高纯度的oxTMB H-聚集体的膜；考虑 到1.0～3.0％琼脂糖浓度制备的复合膜的光热转换效果都很优异，优选1.0～3.0％琼脂糖作为本 发明所使用的膜的质量分数。注：琼脂糖浓度＝琼脂糖的质量/蓝色复合溶液A的质量*100％。

实施例5

实施步骤与实施例1相同，区别在于考察干燥温度(16℃，20℃，25℃)对所形成的膜 的光热效果的影响，由实验结果可知(图7a)，相对湿度为30％时，在考察的干燥温度范围 内(16～25℃)，对所形成的膜的光热性能影响并不大，最优选的干燥温度为16℃。

实施例6

实施步骤与实施例1相同，区别在于考察干燥的相对湿度(20％RH、25％RH、30％RH) 对所形成膜的光热效果的影响，由实验结果可知(图7b)，干燥温度为16℃时，在考察的相对 湿度范围(20％RH～30％RH)内，对所形成的膜的光热性能影响并不大，最优选的相对湿度 为30％。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当 指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干 改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不 脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修 饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实 施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。