一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片及其制备方法

本发明属于功能化氮化碳的开发，涉及一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片及其制备方法。

背景技术：

1、神经胶质瘤是最常见的神经系统恶性肿瘤，尽管手术、化疗和放疗等临床治疗方法取得了重大进展，但胶质瘤仍然容易复发，副作用几乎不可逆。虽然近年来已经做出了很大的努力，但在改善胶质瘤的预后方面仍然存在局限性。随着纳米科学的发展，纳米材料和纳米技术在生物学、医学等相关领域得到了广泛的应用，推动了纳米医学的发展，为癌症治疗提供了新的前景。纳米医学的一个关键方面为使用纳米技术设计多功能药物递送载体来开发新的药物配方和治疗方法。光动力治疗(photodynamic therapy，pdt)是一种利用光动力效应进行疾病诊断和治疗的新技术。光动力治疗的主要原理是光化学反应，其基本要素包括氧、光敏剂和可见光(常用激光)。首先，光敏剂被选择性摄取并储存于病灶组织内，随后，在适当波长光线的局部照射下，光敏剂被激活，产生光敏效应，激活的光敏剂将能量传递给周围的氧，生成活性很强的单态氧。单态氧与相邻的生物大分子发生氧化反应，产生细胞毒性作用，进而导致细胞受损乃至死亡，达到治疗目的。pdt使用光敏剂(photosensitizer，ps)作为pdt药物，与常规治疗相比，可以选择性地破坏肿瘤细胞，而对正常组织的损伤较小，副作用较小，同时具有微创和高空间精度的优势，使其成为治疗胶质瘤的一种有前途的方式。

2、光敏剂可通过i型或ii型pdt反应有效产生细胞毒性活性氧(ros)，直接或间接诱导肿瘤细胞死亡。在ii型pdt中，光敏剂主要基于产生高毒性的单线态氧(1o2)杀死肿瘤细胞。当光敏剂被特定波长的光照射后，会吸收光能并转化为化学能，然后释放出能量与周围的氧气发生反应，生成单线态氧。然而，ii型pdt高度依赖于肿瘤部位的氧气浓度，而肿瘤往往存在缺氧的固有性质，因此治疗效果可能不尽如人意。相比之下，i型pdt则是通过光敏剂与底物(如还原性辅酶、氨基酸、维生素和含氮碱基等)之间的电子转移产生超氧化物阴离子(o2-)、过氧化物(h2o2)和羟基自由基(oh·)等活性氧物种。这些活性氧物种也具有细胞毒性，能够破坏细胞内的生物分子，导致细胞损伤和死亡。与ii型pdt相比，i型pdt不需要高浓度的氧气，因此在乏氧环境下也能发挥治疗作用。此外，i型pdt中的羟基自由基(oh·)是生物反应活性最高的一种活性氧物种，它几乎对所有的生物分子都具有破坏性，因此被认为具有更好的耐乏氧特性。目前的i型pdt反应的ps主要包括卟啉衍生物以及金属基ps，但是卟啉衍生物通常具有平面和扩展的疏水共轭π-π结构，导致荧光信号减弱，在水介质中产生ros的能力较弱。而金属基ps虽然具有较强的光吸收能力和ros生产能力，但其生物安全性较差，影响其广泛的使用，因此寻找生物安全性强、ros生成率高的ps势在必行。

3、近年来，g-c3n4(cn)纳米片作为二维(2d)半导体材料受到了广泛关注。cn已被开发为靶向药物递送载体，并表现出优异的光化学和电催化性能。目前正逐步探索作为肿瘤治疗的光敏剂。然而，其较差的亲水性和较低的ros生成限制了其在pdt中应用的有效性。因此，研究人员探索了各种方法以提高cn的性能，包括改性、掺杂和复合。例如，wei等人利用钌掺杂cn通过缓解肿瘤细胞的缺氧环境来增加ros的生成。feng等人在cn中掺杂fe单原子，通过fenton反应提高过氧化氢产率，进而进一步增加ros的产生。fe-o键的引入增强了cn的亲水性，同时降低了反应前的吸附能，从而提高了其治疗肿瘤的效果。ju等利用cu的变价金属性质，将cu掺杂到cn中，成功抑制了还原性谷胱甘肽对肿瘤细胞的负面影响，这显著增强了pdt治疗效果。此外，基于cn的杂化材料表现出良好的生物相容性，并能诱导生物体内产生ros。由于其独特的石墨状结构，cn可以穿过血脑屏障(bbb)，通过高渗透性和长滞留效应(epr)在癌细胞内积累，特别适合治疗脑胶质瘤。因此，cn作为治疗脑胶质瘤的光敏剂具有重要的潜力。然而，cn的亲水性弱、分散性差、细胞内吞性差、反应位点有限以及大尺寸，严重阻碍了其在肿瘤细胞中活性氧(ros)的生成，从而阻碍了其在光动力治疗领域的发展。因此，必须解决与cn亲水性不足、反应位点受限和大尺寸有关的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片及其制备方法，从而解决现有技术中石墨相氮化碳亲水性差、细胞内吞性差以及光催化性能较差导致其在pdt应用过程中性能较差的技术问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片的制备方法，包括：

4、s1：将三聚氰酸和三聚氰胺加入乙醇中，搅拌分散均匀，得到混合悬浮液；

5、s2：将nas2o3和聚乙二醇加入所述混合悬浮液中，水热反应后，得到前驱体；

6、s3：对所述前驱体依次进行两次热处理，第二次热处理的温度高于第一次热处理的温度，得到石墨相氮化碳；

7、s4：对所述石墨相氮化碳进行剥离处理，制得所述富羟基的石墨相氮化碳纳米片。

8、优选的，步骤s1中，所述三聚氰酸和三聚氰胺的质量比为(1～2):(2～1)。

9、优选的，所述三聚氰酸和三聚氰胺的总量与nas2o3以及聚乙二醇的比例为1g:25ml:25ml。

10、优选的，步骤s2中，所述水热反应的反应温度180～200℃，反应时间为10～12h。

11、优选的，步骤s3中，所述第一次热处理的温度为300～350℃，处理时间为2～4h。

12、优选的，步骤s3中，所述第二次热处理的温度为500～550℃，处理时间为4～6h。

13、优选的，步骤s4中，在液氮气氛中对所述石墨相氮化碳进行剥离处理。

14、优选的，步骤s4中，所述剥离处理的时间为10～12h。

15、一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片，通过上述的方法制得。

16、上述的一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片，所述富羟基的石墨相氮化碳纳米片的厚度为0.1-0.2nm。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

18、本发明公开一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片，利用三聚氰酸和三聚氰胺作为原料，其中三聚氰酸上含有丰富的亲水性羟基，通过在原料中加入三聚氰酸，可有效改善产物cn表面亲水性基团的数量，另外，在合成过程中，加入聚乙二醇，有效避免了三聚氰酸基团上的羟基在反应过程中被取代，确保了产物上羟基基团的数量，在反应过程中加入nas2o3，有效提高了三聚氰酸和三聚氰胺在聚乙二醇中的分散性，使得反应过程中，三聚氰胺表面的氨基被活化，能提升后续反应中π-π共轭面的形成。在反应过程中，对前驱体进行了两次热处理，且第二次热处理的温度高于第一次热处理的温度，其中，第一次热处理使得前驱体有效转变为富羟基的中间产物，并通过第二次更高温度的热处理，使得富羟基的中间产物充分转变为富羟基的石墨相氮化碳，然后对其进行剥离后，得到富羟基的石墨相氮化碳纳米片。因此，本发明以三聚氰胺和三聚尿酸为前体，通过自上而下的合成方法精确控制表面羟基密度，同时通过peg修饰增强材料的亲水性，得到的产物具有良好的亲水性。多层的石墨相氮化碳在剥离过程中，层间的范德华力和堆积作用力被破坏，形成薄层结构，极大程度减小了体积，使肿瘤细胞的epr作用增强，更容易在肿瘤细胞内富集。羟基含量的增强提高了材料的亲水性、分散性以及细胞内吞性，增强了靶向作用的能力，另外，cn表面羟基含量的增加使得在光激发过程中促进共轭三嗪环内n→π*跃迁，这增加了电子和空穴的分离效率，从而显著提高了多重ros(h2o2、·oh、1o2和·o2-)的产率，提高了pdt治疗肿瘤的效果，并且得到的产物具有良好的生物相容性，无明显毒性，可通过正常代谢从细胞排出，具有良好的应用潜能。

19、进一步的，步骤s1中，所述三聚氰酸和三聚氰胺的质量比为(1～2):(2～1)，可有效调控产物表面的羟基浓度，使产物表面的羟基浓度适中，当产物表面的羟基浓度太低时，在液体中分散性降低，难以通过epr效应在肿瘤细胞内富集，而当产物表面的羟基浓度太高时，难以穿透bbb达到肿瘤细胞附近。

20、进一步的，所述三聚氰酸和三聚氰胺的总量与nas2o3以及聚乙二醇的比例为1g:25ml:25ml，可使得三聚氰胺表面有效被氨基活化，以及三聚氰酸表面羟基固定。

21、进一步的，步骤s2中，所述水热反应的反应温度180～200℃，反应时间为10～12h，可使得三聚氰酸和三聚氰胺充分接触，以及表面基团活化。

22、进一步的，步骤s3中，所述第一次热处理的温度为300～350℃，处理时间为2～4h，可使得生成中间产物蜜勒胺，原料充分接触反应。

23、进一步的，步骤s3中，所述第二次热处理的温度为500～550℃，处理时间为4～6h，可使得中间产物蜜勒胺进一步缩合成石墨相氮化碳。

24、进一步的，步骤s4中，在液氮气氛中对所述石墨相氮化碳进行剥离处理，可使得石墨相氮化碳层间的弱作用力和堆积作用力减弱，将多层结构剥落成薄层结构。

25、进一步的，步骤s4中，所述剥离处理的时间为10～12h，可使得剥落更加充分，且在一定时间范围内不会破坏石墨相氮化碳的表面结构。

技术特征：

1.一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述三聚氰酸和三聚氰胺的质量比为(1～2):(2～1)。

3.根据权利要求1所述的一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述三聚氰酸和三聚氰胺的总量与nas2o3以及聚乙二醇的比例为1g:25ml:25ml。

4.根据权利要求1所述的一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述水热反应的反应温度180～200℃，反应时间为10～12h。

5.根据权利要求1所述的一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述第一次热处理的温度为300～350℃，处理时间为2～4h。

6.根据权利要求1所述的一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述第二次热处理的温度为500～550℃，处理时间为4～6h。

7.根据权利要求1所述的一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s4中，在液氮气氛中对所述石墨相氮化碳进行剥离处理。

8.根据权利要求1所述的一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述剥离处理的时间为10～12h。

9.一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片，其特征在于，通过权利要求1～8中任意一项所述的方法制得。

10.根据权利要求9所述的一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片，其特征在于，所述富羟基的石墨相氮化碳纳米片的厚度为0.1-0.2nm。

技术总结
本发明公开了一种富羟基的石墨相氮化碳纳米片及其制备方法，该方法将三聚氰酸和三聚氰胺加入乙醇中，搅拌分散均匀，得到混合悬浮液；将NaS<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;和聚乙二醇加入所述混合悬浮液中，水热反应后，得到前驱体；对所述前驱体依次进行两次热处理，第二次热处理的温度高于第一次热处理的温度，得到石墨相氮化碳；对所述石墨相氮化碳进行剥离处理，制得所述富羟基的石墨相氮化碳纳米片。该方法有效得到表面富含羟基的石墨相氮化碳纳米片，有效提升了石墨相氮化碳的亲水性、分散性以及细胞内吞性，增强了靶向作用的能力，提高了其PDT治疗肿瘤的效果，具有良好的生物相容性。

技术研发人员：罗鹏,齐开,路子涵,高翔宇,张卓媛,刘丹
受保护的技术使用者：中国人民解放军空军军医大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23