Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料的制備及研究

＊王國薇 韓麗君 潘思文 張洪光 張英博

（1.齊齊哈爾醫學院病理學院 黑龍江 161006 2.齊齊哈爾醫學院藥學院 黑龍江 161006）

惡性腫瘤的治療是當今世界醫學界公認的難題之一。傳統的手術切除療法存在腫瘤切除不徹底，手術創傷大等缺點，導致患者出現并發癥及腫瘤復發的概率很大[1]。因此，開發新技術來改進現有的腫瘤治療手段非常迫切。光動力療法（PDT）是目前新興的一種能有效治療各種類型癌癥的方法[2]。它具有副作用小、腫瘤細胞靶向精準及成本低的優勢。然而，傳統的光敏劑通常表現出較差的穩定性和較低的量子產率[3]。

納米醫學是近年來醫學領域研究的熱點[4-6]。氧化镥（Lu2O3）是一種具有良好穩定性的稀土氧化物發光材料。由于鑭系收縮效應，稀土離子的半徑相近。因此，可以容易地將Yb3+、Tm3+等離子摻雜進Lu2O3晶格中，進而在光照射下產生上轉換發光效應，產生的可見光就可作為光敏劑的激發光源在腫瘤部位產生良好的光動力治療效果[7]。由此可見，使用Lu2O3作為上轉換發光的基質材料極具應用前景。

基于以上的結論，我們設計并制備了稀土Yb3+、Tm3+摻雜的Lu2O3納米材料。這個納米材料可以作為光敏劑的載體，解決其穩定性較差的問題。同時，因為其上轉換發光特性，其發出的可見光可有效地激活光敏劑產生活性氧物種，解決光敏劑量子產率低下的缺點。我們通過攪拌吸附過程將部花青（MC540）成功負載后得到了Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料。在光照下，此材料對肺癌A-549細胞顯示出良好的光動力殺傷活性。

1.實驗部分

(1)原料與試劑

氧化鐿（Yb2O3）、氧化镥（Lu2O3）、氧化銩（Tm2O3）均購自贛州廣利稀土責任有限公司，純度均為99.99%；濃硝酸、尿素、NaOH、乙醇和部花青MC540購自于阿拉丁化學試劑有限責任公司，均為分析純試劑；胰蛋白酶購自碧云天生物技術有限公司；去離子水為自制；肺癌A-549細胞來自于齊齊哈爾醫學院藥學實驗中心。

(2)稀土硝酸鹽的配制

用電子天平分別稱取1.9897g的Lu2O3、1.9704g的Yb2O3和0.9647g的Tm2O3放入三個潔凈的50mL燒杯中，用膠頭滴管向三個燒杯分別加入適量的濃硝酸，在250r/min的加熱磁力攪拌下將固體粉末充分溶解（保證此時的濃HNO3過量）。待燒杯中過量的濃HNO3蒸干后停止加熱，再加入一定量的去離子水，使其溶解，繼續進行加熱蒸發，如此反復多次，用pH試紙監測溶液的pH值到4～5（否則繼續加水進行加熱蒸發），然后轉移到25mL的容量瓶定容待用。此時配制的Lu(NO3)3濃度為1mol·L-1，Yb(NO3)3濃度為1mol·L-1，Tm(NO3)3的濃度為0.5mol·L-1。

(3)Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料的制備

取1.476mL Lu(NO3)3、0.6mL Yb(NO3)3、0.03mL Tm(NO3)3溶液（按上一實驗步驟配制）加入到燒杯中，攪拌10min。然后加入38mL水和3g尿素，并用2mol·L-1NaOH調節溶液的pH為8～9，攪拌3h后將其轉至50mL的反應釜中，于85℃反應3h。冷卻后用去離子水和乙醇溶液洗滌3次。最后將產物在60℃烘箱中干燥一夜。對所得產物于馬弗爐中700℃煅燒2h，即得Lu2O3:Yb,Tm納米材料。負載光敏劑時，首先稱取0.01g Lu2O3:Yb,Tm置于燒杯中，加入0.001g MC540和10mL水，超聲分散15min，然后置于暗室中攪拌24h。最后，將所得溶液離心并水洗三次，即得Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料。

(4)抗腫瘤活性測試

將實驗分為4組：空白對照組、Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料對照組、紅光對照組、（Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料+紅光光照）實驗組。將肺癌A-549細胞復蘇，加入適量培養基，并在37℃的5% CO2培養箱中培養48h。用胰蛋白酶消化后，輕輕吹打成細胞懸液，調整為適宜濃度，然后加入一定量Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料（質量濃度為0.83μg/μL）處理細胞2h，然后用650nm的紅光（光功率為33W）照射20min。光照完成后，將細胞置于培養箱中繼續孵育24h。最后用熒光倒置顯微鏡觀察細胞活性。

2.結果與討論

(1)晶體結構分析

圖1（a）給出了樣品的X R D 圖。圖中除了在2θ=29.9°發現一個較尖銳的特征衍射峰外，還能觀察到另外三個相對尖銳的特征衍射峰，這四個峰與Lu2O3的標準卡片特征峰（JCPDS No.86-2475）一致，說明成功制備了Lu2O3:Yb,Tm材料。此外，由于摻入的Yb3+、Tm3+的含量較少，因此未觀測到明顯的與Yb、Tm有關的特征衍射峰。

圖1 Lu2O3:Yb,Tm納米材料的（a）XRD圖；（b）FT-IR圖

圖1（b）是樣品的紅外光譜圖。中心位于3500cm-1的吸收帶是羥基基團的伸縮振動峰，中心在1600cm-1左右的吸收帶是羥基基團的彎曲振動峰，它們來源于樣品吸附的水分子。而中心位于575cm-1處的吸收帶是Lu-O的特征吸收峰，這證明了Lu2O3結構的形成。

(2)形貌分析

圖2給出了制備的Lu2O3:Yb,Tm納米材料的掃描電鏡圖。從圖中可以看到納米粒子由不規則的球體和納米棒組成，粒子的粒徑大小相對均一，尺寸范圍大約在50～100nm，且具有良好的分散性及粒度分布。相對較小的粒徑尺寸有利于其進入腫瘤細胞中發揮進一步的殺滅腫瘤作用。

(3)光吸收效果分析

圖3（a）為將Lu2O3:Yb,Tm、Lu2O3:Yb,Tm/MC540、MC540分別溶于PBS溶液中在自然光下顯示的圖片。從圖中可以看出，單純的PBS溶液呈澄清透明狀態，Lu2O3:Yb,Tm溶液呈現出較為混濁的白色，說明納米顆粒分散后得到了懸濁液。部花青負載后的Lu2O3:Yb,Tm/MC540溶液能夠呈現出粉紅色，而只含有MC540的PBS溶液呈現出明顯的紅色。因此，可以說明部花青經過攪拌吸附過程已經負載到Lu2O3:Yb,Tm樣品表面上。

圖3 （a）四種溶液照片：1.PBS溶液；2.Lu2O3:Yb,Tm納米材料+PBS；3.Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料+PBS；4.MC540+PBS；（b）溶解于PBS溶液中的Lu2O3:Yb,Tm、MC540和Lu2O3:Yb,Tm/MC540的紫外-可見吸收光譜圖

圖3（b）給出了Lu2O3:Yb,Tm、MC540和Lu2O3:Yb,Tm/MC540的紫外-可見吸收光譜圖。從部花青的吸收光譜圖可以看出，部花青在450～570nm有明顯的光吸收。Lu2O3:Yb,Tm納米材料沒有固定的吸收峰。此外，為了驗證光敏劑能夠成功進行負載，從圖中可以看出，部花青負載后的Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料吸收峰的范圍與負載前的部花青的吸收光譜類似，但在大約550nm處出現一個尖銳的最大吸收峰。這進一步表明了所得到的產物為Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料。

(4)抗腫瘤活性分析

為了證實紅光光照（650nm）下Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料對肺癌A-549細胞的凋亡作用，用熒光倒置顯微鏡對紅光光照下Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料對細胞形態的影響進行了研究。

觀察加藥光照前后肺癌A-549細胞形態的變化（圖4）。空白對照組的肺癌A-549細胞排列緊密，輪廓較為清楚，貼壁生長，呈梭形和多邊形（圖4a）；單獨紅光照射肺癌A-549細胞后，細胞形態幾乎未發生變化（圖4b）；僅加入Lu2O3:Yb,Tm/MC540的對照組細胞有少部分形態模糊，細胞破裂形成碎片，呈現壞死特征（圖4c）；而紅光照射Lu2O3:Yb,Tm/MC540實驗組中部分細胞變成圓形，細胞核皺縮，細胞核及細胞質內呈空泡狀，呈凋亡特征（圖4d）。由此可知，在650nm波長的紅光光照下，Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料對肺癌A-549有最佳的殺滅效果。

圖4 倒置顯微鏡下觀察紅光照射Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料對肺癌A-549細胞形態的影響

3.結論

通過簡單的水熱法及高溫煅燒過程，制備了Lu2O3:Yb,Tm納米材料。隨后在暗室攪拌下，將光敏劑部花青成功的負載于所得納米材料上即得Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料。抗腫瘤實驗表明，在650nm波長的紅光光照下，Lu2O3:Yb,Tm/MC540納米材料對肺癌A-549有良好的殺滅效果。這被歸因于Yb3+、Tm3+摻雜的Lu2O3納米材料可以有效利用650nm波長光的能量，通過稀土離子間的上轉換發光特性產生波長大約為550nm的可見光，而這部分光可以有效的被部花青吸收，激發其產生活性氧（ROS）物種，從而有效殺滅腫瘤細胞。開發的Lu2O3:Yb,Tm納米材料在光動力抗癌領域展示了潛在的應用前景。