二硫化钛纳米片材料用于光声成像指导下的肿瘤光热治疗研究

二硫化钛纳米片材料用于光声成像指导下的肿瘤光热

治疗研究

二硫化钛纳米片材料用于光声成像指导下的肿瘤光热治疗 第一章

中文摘要

最近，有着不寻常物理化学性质的二维纳米材料在材料科学与工程领域被广泛的研究。石墨烯是一种由碳原子组成呈蜂巢晶格的二维层状材料，显示出特殊的电子，光学，热力学，和机械性能。作为一种石墨烯类似物，过渡族金属二维硫化物如MoS2, MoSe2, WS2, WSe2和Bi2Se3，都是由六边形的金属原子夹在两层硫族元素之间组成三明治结构。近些年这些过渡金属二维硫化物已经发展成为材料科学领域的明星材料，并在包括纳米医药在内的诸多领域有着潜在的应用。

二硫化钛是一种典型的过渡族金属二维硫化物材料，其在电子器件领域或作为一种储氢材料在最近被广泛研究。在此篇工作中，我们用自下而上的液相合成方法合成了二硫化钛纳米片，然后用聚乙二醇（PEG）修饰，在各种生理溶液中获得很好的稳定性，以及在体外没有明显的毒性。由于在近红外区有很强的吸收，TiS2-PEG能够被用作光声成像的造影剂。在对携带肿瘤的小鼠进行全身给药后发现材料能够在肿瘤部位实现很高的富集。然后我们将TiS2-PEG纳米片用于体内肿瘤光热治疗，在尾静脉注射纳米材料以及外加近红外激光照射的情况下能够实现肿瘤的完全消融。我们的工作表明，在经过良好的表面修饰后，TiS2纳米片能够作为一种新的光热制剂用于成像指导下的肿瘤治疗。

关键词：二硫化钛 光声成像 光热治疗

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第一章 二硫化钛纳米片材料用于光声成像指导下的肿瘤光热治疗

Two-Dimensional TiS2 Nanosheets for in vivo Photoacoustic Imaging and Photothermal Cancer Therapy

Abstract

Recently, two-dimensional (2D) nanomaterials with unusual physical and chemical properties have been extensively explored in materials science and engineering. Graphene, a 2D single layer of carbon atoms of honeycomb lattice structure, as a typical example, has shown exceptional electronic, optical, thermal, and mechanical properties. As the analogues of graphene, transition-metal dichalcogenides (TMDCs) such as MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 and Bi2Se3, consisting of hexagonal layers of metal atoms sandwiched between two layers of chalcogen atoms, have also become a star in materials science in recent years, showing promising applications in many different areas including nanomedicine.

Titanium dichalcogenides (TiS2) is a typical class of TMDC materials and has also been studied recently in electronic devices or as a hydrogen-storage material. In this study, TiS2 nanosheets, are synthesized by a bottom-up solution-phase method and then modified with polyethylene glycol (PEG), obtaining TiS2-PEG with high stability in physiological solutions and no appreciable in vitro toxicity. Due to their high absorbance in the near-infrared (NIR) region, TiS2-PEG nanosheets could offer strong contrast in photoacoustic imaging, which uncovers the high tumor uptake and retention of those nanosheets after systemic administration into tumor-bearing mice. We further apply TiS2-PEG nanosheets for in vivo photothermal therapy, which is able to completely eradicate the tumors on mice upon intravenous injection of TiS2-PEG and the followed NIR laser irradiation. Our work indicates that TiS2 nanosheets with appropriate surface coating (e.g. PEGylation) would be promising new class of

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二硫化钛纳米片材料用于光声成像指导下的肿瘤光热治疗 第一章

photothermal agent for imaging-guided cancer therapy.

Keywords: TiS2 photoacoustic imaging photothermal therapy

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第二章 二硫化钛纳米片材料用于光声成像指导下的肿瘤光热治疗

第二章 TiS2纳米薄片的制备和表面修饰

2.1 引言

有着不寻常物理化学性质的二维纳米材料在材料科学与工程领域被广泛的研究1。石墨烯是一种由碳原子组成呈蜂巢晶格的二维层状材料，显示出特殊的电子，光学，热力学，和机械性能2。作为一种石墨烯类似物，过渡族金属二硫属化物如MoS2, MoSe2, WS2, WSe2和Bi2Se3，都是由六边形的金属原子夹在两层硫族元素之间组成三明治结构3。近些年这些过渡族金属二硫属化物已经发展成为材料科学领域的明星材料，并在包括纳米医药在内的诸多领域有着潜在的应用

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。基于过渡

族金属二硫属化物的生物传感技术在最近的很多报道中被阐明8。多个课题组包括我们课题组已经探索着使用过渡族金属二硫属化物作为一种新的近红外吸光材料用作肿瘤的光热治疗9。因为过渡金属硫化物的大比表面积，过渡金属硫化物纳米薄片也能作为载药平台用作肿瘤的联合治疗10, 11。

TiS2是一种典型的拓扑绝缘体材料，其在电子器件领域或作为一种储氢材料在最近被广泛研究12, 13。传统的二硫化钛薄片是通过化学气相沉积法制备的。这种方式需要在基底上温度超过500度时分解不同的钛和硫前驱体，相对比较复杂而且昂贵。

在本篇工作中，我们用自下而上溶液法大规模高质量地合成了TiS2纳米薄片。然后用亲水性的高分子—C18PMH-PEG（聚马来酸酐-十八烯—聚乙二醇）修饰，合成TiS2-PEG。经过修饰后的TiS2薄片获得良好的水溶性和生理稳定性，以其进行后续的细胞和动物实验。

2.2 实验部分

2.2.1实验试剂和器材

所有化学试剂通过商业渠道购买，未再经过处理或者纯化。所有实验用水均为去离子水。聚乙二醇（mPEG-NH2，MW=5000）购买自浙江嘉兴博美公司。油

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胺（OM）、碳十八烯（ODE）、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）、聚马来酸酐-1-十八烯（C18PMH）从Sigma-Aldrich公司购买。乙醇、四氯化钛（TiCl4）、硫粉、三乙胺（TEA）、二氯甲烷（CH2Cl2）、氯仿（CH3Cl）等从国药集团上海化学试剂公司购买。实验所需耗材购自苏州科益特生物有限公司。

2.2.2实验步骤

2.2.2.1 TiS2纳米薄片的合成

标准的步骤描述如下：1mmol 四氯化钛在室温下加入到20ml 油胺（OM）和10ml 碳十八烯（ODE）混合液的三颈烧瓶中。在氩气保护的环境中，溶液被加热到140 oC并且磁力搅拌约30分钟，去除水分和氧气。然后，溶液的温度被迅速加热到300 oC并在氮气的环境中保持30分钟。将2 mmol 的硫粉末溶于5ml的油胺溶液，然后在300 oC时10分钟内加入到烧瓶中。反应在300 oC保持1小时。然后降低到室温，加入过量的乙醇后，二硫化钛纳米薄片能够被沉淀出来，经过离心收集，并用乙醇反复清洗。

2.2.2.2 C18PMH-PEG的合成

为了制备C18PMH-PEG，分别称取10mg C18PMH和143mg mPEG-NH2（5K）溶解在5ml 二氯甲烷中，然后向溶液中加入6μl 三乙胺，称取11mg EDC加入混合溶液中，血清瓶瓶口用封口膜封好，磁力搅拌反应24h。反应结束后，用氮气将二氯甲烷吹干，加水溶解产物后，将其用移液枪吸入事先准备好的透析袋中，将两端封口的透析袋放入满是双蒸水的大烧杯中进行透析，期间换水5次。透析完后将液体取出进行冻干。得到的产物为白色海绵状。

2.2.2.3 TiS2纳米薄片的表面修饰

2ml的TiS2储存液（5 mg/ml）经过14800rpm离心5min后去除上清收集沉淀。向沉淀中加入乙醇清洗两遍后，离心收集沉淀溶于氯仿。将20mg的C18PMH-PEG溶于2ml 氯仿后加入到TiS2溶液中。搅拌反应4小时后用氮气吹干氯仿，残余物能够非常容易地溶于水中。离心除去大颗粒从而获得TiS2-PEG。 2.2.2.4 TiS2纳米薄片的表征

高分辨透射电子显微镜（HRTEM，加速电压200kV）：美国FEI公司，Tecnai

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F20。

X-射线粉末衍射仪（XRD）：荷兰PANalytical公司，Empyrean，Cu靶。 动态光散射仪：英国Malvern公司，ZEN3690。

紫外可见近红外分光光度计（UV-vis-NIR）：HORIBA公司，LAMBDA 750。

2.3 结果与讨论

2.3.1 TiS2纳米薄片的合成与表征

TiS2的合成: 在油胺（OM）和十八碳烯（ODE）的混合溶液中加入TiCl4前驱体，整个过程通以氮气并进行加热。在此过程中，钛前驱体溶液逐渐变成深红色，可能是由于TiCl4和OM反应生成了TiCl4-OM复合物。当温度达到300 oC时，溶于OM的硫粉加入到反应溶液中。溶液颜色立刻变成了棕褐色，表明了TiS2快速的形成。

对形成的产物用XRD进行分析。图中峰位与资料卡片相一致，并且结果表明合成的TiS2为立方晶相(图2-1a)。TEM图片显示合成的TiS2为二维层状结构，尺寸均一，直径在100nm左右(图2-1b)。高分辨率TEM表明TiS2有着0.254nm 的晶格间隔(图2-1c)。除了C,O,Cu等基底上的元素，只有Ti和S的峰能够在EDS波谱中检测到(图2-1d)。

图2-1.(a) TiS2的XRD分析。(b) TiS2的TEM图。(c)TiS2的HRTEM图。(d) TiS2

的X射线能量色散光谱。

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2.3.2 TiS2纳米薄片的表面修饰与表征

由于疏水性的油胺包裹在TiS2表面，基于疏水作用，两亲性的高分子如C18PMH-PEG能被用来修饰TiS2，使其获得良好的水溶性。动态光散射数据表明TiS2-PEG最后的尺寸在大概100nm(图2-2a)。经过表面修饰后，TiS2-PEG在包括生理盐水，细胞培养液，牛血清等多种溶液中表现出很好的稳定性(图2-2b inset)。

图2-2. (a)PEG修饰的TiS2纳米薄片在水中的动态光散射数据。(b) TiS2纳米薄片的UV-vis-NIR吸收光谱。插图: TiS2-PEG在水、PBS、培养基、牛血清等溶液中的稳

定性。

2.3.3 TiS2纳米薄片的光热稳定性

TiS2纳米薄片的UV-vis-NIR光谱显示出其在紫外到近红外区有着很宽的吸收(图2-2b)。在808nm处TiS2-PEG的消光系数被测定为26.8 Lg-1cm-1，和之前报道的过渡金属二维硫化物如WS2和MoS2等相似。TiS2-PEG在近红外区的强吸收表明它能够作为一种优良的光吸收试剂用于光热治疗。为了检测TiS2-PEG的光热稳定性，我们用0.8W/cm2的808nm激光照射0.1mg/ml的TiS2-PEG溶液，然后测其吸收光谱，光谱未发生明显变化，表明TiS2-PEG纳米薄片在照射近红外激光期间非常稳定(图2-3)。

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图2-3.经过808nm激光照射不同的时间后，TiS2-PEG的吸收光谱。

2.4 本章小结

我们成功地用自下而上的方法合成了TiS2纳米薄片，并对其形貌与性质进行了初步表征。

实验合成的TiS2纳米薄片呈圆盘状，尺寸均一，直径在100nm左右。 经过C18PMH-PEG修饰后，TiS2纳米薄片表现出良好的水溶性，在各种生理溶液中亦有很高的稳定性。从UV-vis-NIR光谱可以看出，TiS2-PEG在近红外区有很强的光吸收。TiS2-PEG经过808nm激光长时间照射后，吸收光谱仍然不变，表现出良好的光热稳定性，具有应用于光热治疗的潜力。

参考文献

1. Butler, S. Z.; Hollen, S. M.; Cao, L.; Cui, Y.; Gupta, J. A.; Gutierrez, H. R.; Heinz,

T. F.; Hong, S. S.; Huang, J.; Ismach, A. F., Progress, challenges, and opportunities in two-dimensional materials beyond graphene. ACS nano 2013, 7, 2898-2926. 2. Geim, A. K.; Novoselov, K. S., The rise of graphene. Nature materials 2007, 6,

183-191.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dqj3.html