本發明屬于生物醫學工程與納米材料，具體涉及一種適用于乏氧腫瘤的納米異質結放射增敏劑及其制備方法；本發明利用晶格氧遷移機制實現非氧依賴性活性氧生成的納米異質結放射增敏劑，以及該增敏劑的制備方法和在乏氧腫瘤放射治療中的應用。
背景技術：
1、放射治療是目前臨床治療惡性實體腫瘤的三大主流手段之一，其利用高能電離輻射直接破壞dna結構，或電離細胞內的水分子產生羥基自由基等活性氧進行間接殺傷，且氧氣在其中起著固定dna損傷的關鍵作用。然而，實體腫瘤由于細胞增殖迅速且血管生成異常，內部往往形成嚴重的乏氧微環境，氧分壓遠低于正常組織。乏氧直接導致放射治療的療效受限，乏氧環境誘導缺氧誘導因子-1α（hif-1α）過表達，激活下游血管生成及代謝重編程通路，使腫瘤細胞產生獲得性耐輻射性，導致放療在晚期及大體積腫瘤中的治療失敗。
2、為了克服乏氧限制，研究人員開發了多種半導體異質結納米材料作為放射增敏劑，試圖通過促進電子-空穴分離來增強活性氧的催化效率。然而，傳統的異質結材料在機制上仍存在嚴重缺陷。在x射線的激發下其電荷分離生成的空穴利用水分子生成羥基自由基，但導帶上的電子必須依賴環境中的氧氣作為受體才能生成超氧陰離子或單線態氧。在腫瘤乏氧條件下，由于缺乏氧氣捕獲電子，電子與空穴的復合率急劇增加，導致增敏效果失效。盡管目前存在利用全氟碳化合物輸氧或利用過氧化氫酶分解內源性過氧化氫產氧的策略，但受限于輸送效率低、腫瘤深部滲透差以及內源性過氧化氫濃度有限等問題，單純改善供氧的手段難以從根本上解決大體積腫瘤的放療抵抗難題。
3、高價態金屬化合物通常具有極強的氧化性和電子親和力，例如鉍酸鈉中的五價鉍具有高達1.59?v的氧化還原電位，遠高于氧氣的0.695?v。理論上，若能利用高價鉍化合物作為“內源性電子清除劑”替代氧氣優先消耗電子，并利用其晶格結構中豐富的氧原子作為“晶格氧儲存庫”，通過輻射觸發晶格氧的遷移與釋放來參與反應，將有望構建一種不需要消耗環境氧氣即可產生活性氧的放射增敏劑，從而徹底突破乏氧微環境對放射治療的限制。
技術實現思路
1、鑒于現有技術的上述缺陷，本發明公開了一種適用于乏氧腫瘤的納米異質結放射增敏劑及其制備方法。本發明所要解決的核心技術問題是傳統半導體異質結放射增敏劑在產生活性氧時高度依賴腫瘤微環境中的溶解氧作為電子受體，導致其在嚴重乏氧的實體腫瘤內部催化效率低下、治療效果受限。本發明旨在開發一種不依賴環境氧氣的放射增敏材料，利用材料自身的晶格氧遷移機制，在極度乏氧條件下也能高效產生單線態氧和羥基自由基，從而顯著提高放射治療的療效。本發明的另一目的在于提供上述納米異質結放射增敏劑的制備方法，該方法簡單可控，能夠合成形貌均一、結構穩定的核殼型納米材料。
2、為實現上述目的，本發明提供的技術方案如下：
3、<第一方面>
4、一種適用于乏氧腫瘤的納米異質結放射增敏劑，所述放射增敏劑為核殼結構的納米顆粒，包括：
5、內核，所述內核的材料為高價態鉍基納米材料，包括鉍酸鈉（nabio3）、鉍酸銀、鉍酸鉀中的至少一種；
6、外殼層，所述外殼層包覆在所述內核的表面，所述外殼層的材料包含金屬氧化物；
7、其中，所述內核的材料與外殼層的材料之間形成z型異質結。
8、所述金屬氧化物選自二氧化鈦（tio2）、氧化鉿（hfo2）、氧化釓中的一種或幾種。
9、即，所述外殼層選用可被x射線激發的窄帶隙無機材料如氧化鈦、氧化鉿、氧化釓等。
10、所述內核材料與外殼層材料之間形成z型半導體異質結，電子從核心材料流至外殼層材料。當z形異質結被x射線激發后，組成異質結的兩種半導體材料會各自產生電子和空穴。其中一種半導體導帶（cb）上還原能力較弱的電子，會通過接觸界面與另一種半導體價帶（vb）上氧化能力較弱的空穴發生定向復合。這使得z形異質結保留了具有極強還原能力的電子，和具有極強氧化能力的空穴。
11、所述內核的粒徑為80-120?nm；所述核殼結構納米顆粒的整體粒徑為100-150?nm。所述外殼層的厚度為5-50?nm。
12、所述核殼結構納米顆粒具有多孔球形納米花狀形貌。
13、所述核殼結構納米顆粒的表面還具有親水性高分子修飾層。
14、所述親水性高分子修飾層通過偶聯劑連接在所述外殼層的表面；所述偶聯劑包括1,2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸酯鈉鹽、多巴胺、硅烷偶聯劑中的至少一種。所述親水性高分子包括聚乙二醇、二硬脂酰磷脂酰乙醇胺-甲氧基聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、殼聚糖中的至少一種。
15、優選的，所述高價態鉍基納米材料為鉍酸鈉（nabio3），所述外殼層的金屬氧化物為二氧化鈦（tio2）或二氧化鉿（hfo2）。
16、<第二方面>
17、本發明還提供一種如上所述的放射增敏劑的制備方法，包括以下步驟：
18、s1、提供高價態且具有晶格氧的鉍基納米材料作為內核的材料；
19、s2、將所述內核的材料分散于含有表面活性劑的醇/水混合溶液中，經超聲處理、離心洗滌后，重分散于醇類溶劑中；在攪拌下加入堿液，然后滴加金屬氧化物前驅體溶液，進行水解反應，使所述金屬氧化物前驅體水解并在所述內核的材料表面沉積，形成包覆所述內核的外殼層；得到核殼結構納米顆粒。
20、步驟s2中，通過水解反應在內核的核心表面原位生長可被x射線激發的窄帶隙無機材料殼層，得到z型異質結核殼結構納米顆粒。
21、步驟s2中，所述表面活性劑包括十二烷基硫酸鈉（sds）、脂肪酸鈉鹽、脂肪醇硫酸鈉中的至少一種；
22、優選地，所述表面活性劑在醇/水混合溶液中的濃度為25-35?mg/ml。
23、步驟s2中，所述金屬氧化物前驅體為鈦酸四丁酯、鈦酸四異丙酯或四氯化鈦；將所述金屬氧化物前驅體溶解于第一溶劑（乙醇/水混合溶液）中，配制成金屬氧化物前驅體溶液，所述堿液為氨水，反應時間為5-30分鐘，得到外殼層為tio2的核殼結構納米顆粒。或，所述金屬氧化物前驅體為鉿酸四丁酯或四氯化鉿，將所述金屬氧化物前驅體溶解于第二溶劑（乙醇）中，配制成金屬氧化物前驅體溶液，反應時間為0.5-2小時，得到外殼層為hfo2的核殼結構納米顆粒。
24、步驟s2中，所述金屬氧化物前驅體的加入量為20-200?μl；所述氨水的濃度為25-28%，加入量為20-80?μl。
25、s1中，所述高價態且具有晶格氧的鉍基納米材料的制備方法包括如下步驟：
26、s11、將含鉍化合物與聚合物穩定劑混合形成混合液；將此混合液加入含有粒徑調控試劑的高沸點有機溶劑溶液中，混合攪拌均勻，于高溫下進行水熱反應；離心、洗滌，收集沉淀獲得氧化鉍納米顆粒模板；
27、s12、將步驟s11得到的氧化鉍納米顆粒模板分散于溶劑中，形成氧化鉍納米顆粒溶液；將所述氧化鉍納米顆粒溶液和強氧化劑共同滴加到強堿性溶液中，劇烈攪拌反應；反應結束后，離心、洗滌，收集沉淀，得到高價態且具有晶格氧的鉍基納米材料核心。
28、步驟s11中，所述含鉍化合物包括硝酸鉍、硫酸鉍、氯化鉍、醋酸鉍中的一種或幾種；所述聚合物穩定劑包括聚乙烯吡咯烷酮（pvp）、聚乙二醇（peg）、聚乙烯醇（pva）、聚丙烯酸（paa）中的一種或幾種。所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量是10000-50000。
29、步驟s11中，含鉍化合物與聚合物穩定劑用量比：0.1-0.375?mmol：0.3-0.5?g。
30、進一步地，步驟s11中，溶解所述含鉍化合物所用的溶劑包括硝酸溶液或硫酸溶液，濃度為1?m。所述含鉍化合物、聚合物穩定劑、溶劑的用量比為0.1-0.375?mmol：0.3-0.5g：4-6?ml，優選為0.1-0.375?mmol：0.3-0.5g：5?ml。
31、進一步地，步驟s11中，所述粒徑調控試劑為氫氧化鈉（naoh）或尿素。所述高沸點有機溶劑包括聚乙二醇、乙二醇、甘油、二甘醇中的一種或幾種。粒徑調控試劑和高沸點有機溶劑的用量比為0.1-1.35?mmol：10-40?ml。
32、進一步地，步驟s11中，所述混合液與所述含有粒徑調控試劑的高沸點有機溶劑溶液的體積比為4-6?ml：10-40?ml。
33、進一步地，步驟s11中，所述水熱反應在帶有聚四氟乙烯襯墊的不銹鋼高壓釜中進行。反應條件為：150-200℃下反應2-4小時。
34、進一步地，步驟s11中，離心條件為：9000-10000?rpm，離心5-10?min。洗滌采用去離子水。
35、進一步地，步驟s12中，所述強氧化劑包括次氯酸鈉溶液、過硫酸鈉溶液、氯氣中的一種。優選地，所述強氧化劑為次氯酸鈉溶液，其有效氯含量為8-10?wt%。
36、進一步地，步驟s12中，所述強堿性溶液為氫氧化鈉溶液，濃度為10-18?m。
37、進一步地，步驟s12中，氧化鉍納米顆粒溶液、強氧化劑、強堿性溶劑的體積比為1:2-3：5-10。所述氧化鉍納米顆粒溶液的制備方法為：將氧化鉍納米顆粒溶解到去離子水中，制備成濃度為20-30?mg/ml的氧化鉍納米顆粒溶液。
38、進一步地，步驟s12中，所述氧化鉍納米顆粒溶液和強氧化劑共同滴加到強堿性溶劑中的時間控制在2-30秒內（例如，1?ml的氧化鉍納米顆粒溶液和2-3?ml的強氧化劑，在2-30秒內共同滴加到強堿性溶劑中）。
39、進一步地，步驟s12中，劇烈攪拌的條件為：室溫下，400-500?rpm攪拌10-20分鐘。離心條件為：8000-9000?rpm，離心5-10?min。洗滌采用去離子水。
40、進一步地，在步驟s2之后，還包括對所述核殼結構納米顆粒進行親水性高分子修飾的步驟s3：
41、將步驟s2得到的核殼結構納米顆粒分散于第二溶劑中，加入偶聯劑，混合后分離，再加入親水性高分子進行反應，蒸發溶劑，得到親水性高分子修飾的核殼結構納米顆粒。
42、進一步地，步驟s3中，所述偶聯劑包括1,2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸酯鈉鹽、多巴胺、硅烷偶聯劑中的至少一種。所述親水性高分子包括二硬脂酰磷脂酰乙醇胺-甲氧基聚乙二醇、殼聚糖、聚多巴胺中的至少一種。
43、在本發明的一個具體實施方案中，步驟s3包括：
44、首先，將步驟s2得到的核殼結構納米顆粒分散于有機溶劑（如氯仿）中，制備成質量濃度為20-30?mg/ml的分散液；
45、然后，加入偶聯劑溶液，所述偶聯劑溶液為將偶聯劑（如1,2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸酯鈉鹽，dopa）溶解于有機溶劑（如氯仿）中制備成的質量濃度為2-5?mg/ml的溶液；超聲混合，離心洗滌以去除未結合的偶聯劑；
46、最后，加入親水性高分子（如二硬脂酰磷脂酰乙醇胺-甲氧基聚乙二醇5000，dspe-mpeg5000），攪拌反應8-12小時，蒸發溶劑，得到親水性高分子修飾的核殼結構納米顆粒。
47、進一步地，所述核殼結構納米顆粒、偶聯劑、親水性高分子的質量比為(2-10):1:(4-5)，優選為2:1:4至10:1:4。
48、第三方面，所述放射增敏劑在制備用于治療乏氧腫瘤的放射治療藥物中的應用。所述放射增敏劑用于x射線、γ射線或電子束放療時增敏。
49、本發明公開的一種適用于乏氧腫瘤的納米異質結放射增敏劑，該放射增敏劑為親水性高分子修飾的基于5價鉍的半導體異質結核殼納米材料。
50、納米異質結放射增敏劑的核心材料為5價鉍基化合物如鉍酸鈉。
51、納米異質結放射增敏劑的外殼層材料為常見的生物相容性好的殼層材料包括氧化鈦，氧化鉿等。
52、本發明制備的納米異質結放射增敏劑不易團聚。
53、本發明公開的技術方案通過設計全新的合成路線制備了粒徑均一且分散的納米異質結放射增敏劑，然后通過將放射增敏劑表面修飾親水性高分子鏈制備出了一種具有低毒性，腫瘤部位高富集，高計算機斷層掃描成像造影性能特點的放射增敏劑材料。最重要的是，該納米異質結放射增敏劑得益于x射線觸發的晶格遷移的機制在腫瘤乏氧環境下依舊能表現出優異的腫瘤殺傷效果。
54、本發明利用高價態且具有晶格氧的鉍納米顆粒作為電子清除劑和晶格氧儲存庫，窄帶隙無機材料殼層作為能帶匹配的致密外殼。在x射線激發下，該異質結形成內建電場，促進電子-空穴分離；高價態鉍納米顆粒相中的電子還原高價鉍（bi5+→bi3+）并釋放高活性的晶格氧，釋放的晶格氧隨后與tio2相上的空穴反應生成單線態氧（1o2），同時tio2上的空穴氧化水分子產生羥基自由基（?oh）。該過程不依賴腫瘤微環境中的溶解氧，有效克服了乏氧腫瘤對放射治療的抵抗，顯著提高了放射治療效果。
55、本發明公開的技術方案具有如下有益技術效果：
56、（1）本技術方案公開的適用于乏氧腫瘤的納米異質結放射增敏劑，能夠無需消耗腫瘤內部的氧氣，在嚴重缺氧的深部或大體積實體腫瘤中仍能保持高效的活性氧生成能力。
57、（2）本技術方案公開的適用于乏氧腫瘤的納米異質結放射增敏劑，x射線激發下，能夠同時產生具有高細胞毒性的單線態氧和羥基自由基，在腫瘤細胞內引發劇烈的氧化應激反應。
58、（3）本技術方案公開的適用于乏氧腫瘤的納米異質結放射增敏劑，能夠顯著下調腫瘤細胞內缺氧誘導因子-1α（hif-1α）的表達水平，破壞了腫瘤細胞適應乏氧環境的保護機制。
59、（4）本技術方案公開的適用于乏氧腫瘤的納米異質結放射增敏劑，在生理環境下具有極高的穩定性，能有效富集于腫瘤部位。同時，材料本身具有良好的生物相容性，且內核的高原子序數鉍元素賦予其ct造影成像功能，實現了腫瘤的精準定位與治療效果的可視化監測。