Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料的制备及研究

＊王国薇 韩丽君 潘思文 张洪光 张英博

（1.齐齐哈尔医学院病理学院 黑龙江 161006 2.齐齐哈尔医学院药学院 黑龙江 161006）

恶性肿瘤的治疗是当今世界医学界公认的难题之一。传统的手术切除疗法存在肿瘤切除不彻底，手术创伤大等缺点，导致患者出现并发症及肿瘤复发的概率很大[1]。因此，开发新技术来改进现有的肿瘤治疗手段非常迫切。光动力疗法（PDT）是目前新兴的一种能有效治疗各种类型癌症的方法[2]。它具有副作用小、肿瘤细胞靶向精准及成本低的优势。然而，传统的光敏剂通常表现出较差的稳定性和较低的量子产率[3]。

纳米医学是近年来医学领域研究的热点[4-6]。氧化镥（Lu2O3）是一种具有良好稳定性的稀土氧化物发光材料。由于镧系收缩效应，稀土离子的半径相近。因此，可以容易地将Yb3+、Tm3+等离子掺杂进Lu2O3晶格中，进而在光照射下产生上转换发光效应，产生的可见光就可作为光敏剂的激发光源在肿瘤部位产生良好的光动力治疗效果[7]。由此可见，使用Lu2O3作为上转换发光的基质材料极具应用前景。

基于以上的结论，我们设计并制备了稀土Yb3+、Tm3+掺杂的Lu2O3纳米材料。这个纳米材料可以作为光敏剂的载体，解决其稳定性较差的问题。同时，因为其上转换发光特性，其发出的可见光可有效地激活光敏剂产生活性氧物种，解决光敏剂量子产率低下的缺点。我们通过搅拌吸附过程将部花青（MC540）成功负载后得到了Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料。在光照下，此材料对肺癌A-549细胞显示出良好的光动力杀伤活性。

1.实验部分

(1)原料与试剂

氧化镱（Yb2O3）、氧化镥（Lu2O3）、氧化铥（Tm2O3）均购自赣州广利稀土责任有限公司，纯度均为99.99%；浓硝酸、尿素、NaOH、乙醇和部花青MC540购自于阿拉丁化学试剂有限责任公司，均为分析纯试剂；胰蛋白酶购自碧云天生物技术有限公司；去离子水为自制；肺癌A-549细胞来自于齐齐哈尔医学院药学实验中心。

(2)稀土硝酸盐的配制

用电子天平分别称取1.9897g的Lu2O3、1.9704g的Yb2O3和0.9647g的Tm2O3放入三个洁净的50mL烧杯中，用胶头滴管向三个烧杯分别加入适量的浓硝酸，在250r/min的加热磁力搅拌下将固体粉末充分溶解（保证此时的浓HNO3过量）。待烧杯中过量的浓HNO3蒸干后停止加热，再加入一定量的去离子水，使其溶解，继续进行加热蒸发，如此反复多次，用pH试纸监测溶液的pH值到4～5（否则继续加水进行加热蒸发），然后转移到25mL的容量瓶定容待用。此时配制的Lu(NO3)3浓度为1mol·L-1，Yb(NO3)3浓度为1mol·L-1，Tm(NO3)3的浓度为0.5mol·L-1。

(3)Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料的制备

取1.476mL Lu(NO3)3、0.6mL Yb(NO3)3、0.03mL Tm(NO3)3溶液（按上一实验步骤配制）加入到烧杯中，搅拌10min。然后加入38mL水和3g尿素，并用2mol·L-1NaOH调节溶液的pH为8～9，搅拌3h后将其转至50mL的反应釜中，于85℃反应3h。冷却后用去离子水和乙醇溶液洗涤3次。最后将产物在60℃烘箱中干燥一夜。对所得产物于马弗炉中700℃煅烧2h，即得Lu2O3:Yb,Tm纳米材料。负载光敏剂时，首先称取0.01g Lu2O3:Yb,Tm置于烧杯中，加入0.001g MC540和10mL水，超声分散15min，然后置于暗室中搅拌24h。最后，将所得溶液离心并水洗三次，即得Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料。

(4)抗肿瘤活性测试

将实验分为4组：空白对照组、Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料对照组、红光对照组、（Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料+红光光照）实验组。将肺癌A-549细胞复苏，加入适量培养基，并在37℃的5% CO2培养箱中培养48h。用胰蛋白酶消化后，轻轻吹打成细胞悬液，调整为适宜浓度，然后加入一定量Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料（质量浓度为0.83μg/μL）处理细胞2h，然后用650nm的红光（光功率为33W）照射20min。光照完成后，将细胞置于培养箱中继续孵育24h。最后用荧光倒置显微镜观察细胞活性。

2.结果与讨论

(1)晶体结构分析

图1（a）给出了样品的X R D 图。图中除了在2θ=29.9°发现一个较尖锐的特征衍射峰外，还能观察到另外三个相对尖锐的特征衍射峰，这四个峰与Lu2O3的标准卡片特征峰（JCPDS No.86-2475）一致，说明成功制备了Lu2O3:Yb,Tm材料。此外，由于掺入的Yb3+、Tm3+的含量较少，因此未观测到明显的与Yb、Tm有关的特征衍射峰。

图1 Lu2O3:Yb,Tm纳米材料的（a）XRD图；（b）FT-IR图

图1（b）是样品的红外光谱图。中心位于3500cm-1的吸收带是羟基基团的伸缩振动峰，中心在1600cm-1左右的吸收带是羟基基团的弯曲振动峰，它们来源于样品吸附的水分子。而中心位于575cm-1处的吸收带是Lu-O的特征吸收峰，这证明了Lu2O3结构的形成。

(2)形貌分析

图2给出了制备的Lu2O3:Yb,Tm纳米材料的扫描电镜图。从图中可以看到纳米粒子由不规则的球体和纳米棒组成，粒子的粒径大小相对均一，尺寸范围大约在50～100nm，且具有良好的分散性及粒度分布。相对较小的粒径尺寸有利于其进入肿瘤细胞中发挥进一步的杀灭肿瘤作用。

(3)光吸收效果分析

图3（a）为将Lu2O3:Yb,Tm、Lu2O3:Yb,Tm/MC540、MC540分别溶于PBS溶液中在自然光下显示的图片。从图中可以看出，单纯的PBS溶液呈澄清透明状态，Lu2O3:Yb,Tm溶液呈现出较为混浊的白色，说明纳米颗粒分散后得到了悬浊液。部花青负载后的Lu2O3:Yb,Tm/MC540溶液能够呈现出粉红色，而只含有MC540的PBS溶液呈现出明显的红色。因此，可以说明部花青经过搅拌吸附过程已经负载到Lu2O3:Yb,Tm样品表面上。

图3 （a）四种溶液照片：1.PBS溶液；2.Lu2O3:Yb,Tm纳米材料+PBS；3.Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料+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-可见吸收光谱图

图3（b）给出了Lu2O3:Yb,Tm、MC540和Lu2O3:Yb,Tm/MC540的紫外-可见吸收光谱图。从部花青的吸收光谱图可以看出，部花青在450～570nm有明显的光吸收。Lu2O3:Yb,Tm纳米材料没有固定的吸收峰。此外，为了验证光敏剂能够成功进行负载，从图中可以看出，部花青负载后的Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料吸收峰的范围与负载前的部花青的吸收光谱类似，但在大约550nm处出现一个尖锐的最大吸收峰。这进一步表明了所得到的产物为Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料。

(4)抗肿瘤活性分析

为了证实红光光照（650nm）下Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料对肺癌A-549细胞的凋亡作用，用荧光倒置显微镜对红光光照下Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料对细胞形态的影响进行了研究。

观察加药光照前后肺癌A-549细胞形态的变化（图4）。空白对照组的肺癌A-549细胞排列紧密，轮廓较为清楚，贴壁生长，呈梭形和多边形（图4a）；单独红光照射肺癌A-549细胞后，细胞形态几乎未发生变化（图4b）；仅加入Lu2O3:Yb,Tm/MC540的对照组细胞有少部分形态模糊，细胞破裂形成碎片，呈现坏死特征（图4c）；而红光照射Lu2O3:Yb,Tm/MC540实验组中部分细胞变成圆形，细胞核皱缩，细胞核及细胞质内呈空泡状，呈凋亡特征（图4d）。由此可知，在650nm波长的红光光照下，Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料对肺癌A-549有最佳的杀灭效果。

图4 倒置显微镜下观察红光照射Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料对肺癌A-549细胞形态的影响

3.结论

通过简单的水热法及高温煅烧过程，制备了Lu2O3:Yb,Tm纳米材料。随后在暗室搅拌下，将光敏剂部花青成功的负载于所得纳米材料上即得Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料。抗肿瘤实验表明，在650nm波长的红光光照下，Lu2O3:Yb,Tm/MC540纳米材料对肺癌A-549有良好的杀灭效果。这被归因于Yb3+、Tm3+掺杂的Lu2O3纳米材料可以有效利用650nm波长光的能量，通过稀土离子间的上转换发光特性产生波长大约为550nm的可见光，而这部分光可以有效的被部花青吸收，激发其产生活性氧（ROS）物种，从而有效杀灭肿瘤细胞。开发的Lu2O3:Yb,Tm纳米材料在光动力抗癌领域展示了潜在的应用前景。