一种石墨相氮化碳纳米片及其制备方法和应用
本发明属于功能化氮化碳的开发，涉及一种石墨相氮化碳纳米片及其制备方法和应用。
背景技术：
1、胶质瘤是神经系统中最常见的恶性肿瘤，也是人类最致命的癌症之一。尽管临床治疗如手术、化疗和放疗取得了显著进展，但胶质瘤仍然具有很高的复发倾向，并且几乎不可逆的副作用。主要原因包括胶质瘤的侵袭性质导致切除不完全和频繁复发，以及血脑屏障(blood-brain barrier，bbb)限制药物渗透到大脑。目前，光动力疗法(photodynamictherapy，pdt)是用光敏剂和激光活化治疗肿瘤的一种新方法，用特定波长照射肿瘤部位，能使聚集在肿瘤组织的光敏剂活化，引发光化学反应破坏肿瘤，即通过使用光敏剂(photosensitizer，ps)在病变部位光照刺激下产生细胞毒性活性氧(reactive oxygenspecies，ros)，ros产生细胞毒性作用，进而导致细胞受损乃至死亡，发挥抗肿瘤作用。与传统疗法相比，pdt的优势在于能够精确进行有效的治疗，因其产生的创伤小、毒副作用小且不易产生耐药性等优点被用于肿瘤的临床治疗，且具有良好的应用前景。
2、血脑屏障是保护大脑免受有害物质侵害的重要生理屏障，但它也阻碍了药物(包括光敏剂)向胶质瘤组织的有效输送。许多光敏剂由于分子结构或理化性质的原因，难以穿透bbb，导致其在肿瘤组织中的富集不足，从而影响pdt的治疗效果。因此，大多数治疗药物受到bbb的阻碍，很难到达肿瘤细胞，因此限制了pdt在肿瘤的临床治疗中的实际应用效果。研究者在也对其进行了大量的研究，fu等人发现，将疏水性的π-共轭噻吩桥接在近红外(near infrared spectroscopy，nir)波长范围内，可以增强bbb的穿透性。tabish等人还发现，石墨烯状结构可以穿越bbb，而zhao等人确定了药物中具有共轭结构和适当体积的疏水性结构，可以增加bbb的穿透性。在诸多的材料中，氮化碳(cn)，具有类似石墨的相结构、共轭环和疏水性，同时制备工艺简单，受到了诸多研究者的关注。例如，qi通过调节cn表面羟基浓度来提高pdt对肿瘤的效果。wei等人则通过ru掺杂在缺氧条件下提高cn的ros产量，以实现改善的pdt效果。同样，zheng等人通过碳点c修饰cn，增强了红光吸收并增加了细胞内溶解氧，从而增加了ros产生并提高了整体pdt性能。尽管这些研究在提高cn的ros产生方面取得了显著进展，但由于独特的胶质瘤环境，以及bbb的阻碍，尺寸较大的cn仍然很难穿越bbb，导致最终的抗肿瘤效果有限。
3、对于构造超薄结构的石墨相cn，现有的常见的处理工艺有酸剥离以及超声剥离，但是酸剥离会引入酸杂质，导致产物无法很好的在生物体内应用，而超声剥离由于会产生热效应，导致活性晶面被破坏，大的共轭结构也会被破坏，会影响ros的产生，因此影响其实际使用。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种石墨相氮化碳纳米片及其制备方法和应用，从而解决现有技术中cn剥离技术容易引入杂质，或者造成石墨相cn活性晶面被破坏，共轭结构被破坏，影响其ros产生的技术问题。
2、本发明是通过以下技术方案来实现：
3、一种石墨相氮化碳纳米片制备方法，包括以下步骤：
4、s1：对三聚氰酸进行研磨处理后，进行一次热处理，制得中间体，继续升温，对所述中间体进行二次热处理；
5、s2：对所述二次热处理后的产物进行剥离处理，所述剥离处理时的温度为-200～-190℃，制得所述石墨相氮化碳纳米片。
6、优选的，所述一次热处理的温度为275～325℃，时间为1～2h。
7、优选的，所述二次热处理的温度为500～520℃，时间为2～4h。
8、优选的，所述一次热处理以及二次热处理的升温速率均为5～15℃/min。
9、优选的，所述一次热处理以及二次热处理的处理气氛为空气。
10、优选的，所述剥离处理的时间为1～24h。
11、优选的，采用回旋震荡的方式进行剥离处理。
12、优选的，所述回旋震荡处理的转速为20～40转/min。
13、一种石墨相氮化碳纳米片，通过上述的方法制得；所述石墨相氮化碳纳米片的平均厚度为0.2～0.5nm。
14、上述的一种石墨相氮化碳纳米片在制备治疗胶质瘤药物中的应用。
15、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
16、本发明公开一种石墨相氮化碳纳米片的制备方法，该方法首先采用三聚氰酸作为原料，原料确保了材料表面的羟基，提高了细胞相容性，通过第一次较低温度的热处理，有效促使其转化为富羟基的密乐胺(melon)中间体，这一步骤不仅简化了合成路径，还通过引入羟基增强了中间体的亲水性和后续反应的活性；然后在更高温度下进行第二次热处理，使得富羟基的密乐胺进一步转化为富羟基的石墨相氮化碳(g-c3n4)，此过程促进了分子间的重排与缩聚，形成了更为稳定的g-c3n4结构，同时保留了丰富的羟基基团，有利于后续的生物相容性改进；最后，将得到的g-c3n4在极低温度(-200℃至-190℃)下进行剥离处理，这一非传统的剥离方法，利用低温下晶体层间作用力的减弱，特别是100晶面的滑移现象，实现了纳米片的超薄化，此过程不仅显著减小了纳米片的厚度，还有效保留了活性晶面及整体晶面的共轭结构，对于提升光动力治疗效率至关重要。最终被剥落成超薄石墨相氮化碳，在减小cn尺寸的同时，有效保留了活性晶面以及整体晶面的共轭结构，有效解决了现有技术中因光敏剂尺寸导致光敏剂难以穿透bbb的问题，并且极大程度提升了光动力治疗肿瘤的效果。
17、进一步，所述一次热处理的温度为275～325℃，时间为1～2h，首先，在该温度范围内，三聚氰酸作为前驱体能够发生有效的热解和重排反应，逐步转化为富羟基的密乐胺中间体，这一转化过程需要足够的能量来打破原有的化学键并形成新的化学键，而275～325℃的温度恰好提供了这样的能量条件。另外，温度的选择对于控制反应速率和产物的质量至关重要，过高的温度可能导致反应过于剧烈，生成副产物或使产物结构受损；而过低的温度则可能使反应速率过慢，甚至无法完全转化，275～325℃的温度范围能够确保反应平稳进行，同时保证产物的纯度和结构完整性。同时，在此温度范围内进行热处理，有助于在前驱体分子中引入羟基基团，羟基基团不仅提高了产物的亲水性和生物相容性，还为后续的二次热处理及剥离处理提供了更多的反应位点，有利于形成更加稳定且功能化的石墨相氮化碳纳米片。过短的时间可能无法使反应充分进行，导致转化率低下；而过长的时间则可能增加能耗和成本，同时可能引发不必要的副反应。因此，这一时间范围既保证了反应的效率，又避免了不必要的浪费。
18、进一步，所述二次热处理的温度为500～520℃，时间为2～4h，首先，在这个较高的温度范围内，富羟基的密乐胺能够进一步发生缩聚和重排反应，逐渐转化为石墨相氮化碳(g-c3n4)。500～520℃的温度为这一转化过程提供了足够的能量，确保了反应的彻底性和产物的纯度。另外，高温处理有助于石墨相氮化碳内部结构的优化，包括晶格的排列、层间距的调整以及缺陷的修复等，这些结构上的优化能够提升g-c3n4的物理化学性质，如导电性、光学吸收性能以及光催化活性等。同时，高温处理还能增强g-c3n4的热稳定性。在高温下，g-c3n4的分子结构会变得更加紧凑和稳定，从而能够在更广泛的温度范围内保持其性能不变。2～4小时的热处理时间允许反应在控制条件下平稳进行，避免过快的反应速率导致产物形貌的不可控变化，适当的时间控制有助于形成具有均匀厚度和良好分散性的超薄g-c3n4纳米片。另外，经过二次高温处理后的g-c3n4具有更加稳定的结构和更强的层间相互作用力，这为后续的低温剥离处理提供了有利条件，使得剥离过程更加容易控制且效果更佳。
19、进一步，所述一次热处理以及二次热处理的升温速率均为5～15℃/min，缓慢的升温速率有助于减少材料在加热过程中产生的热应力，当升温过快时，材料内部温度梯度大，容易导致热应力集中，进而产生裂纹或结构破坏。而5～15℃/min的升温速率相对较慢，使得材料能够均匀受热，减少热应力的积累，从而保护材料的完整性；缓慢的升温过程为化学反应提供了更充分的时间，在升温过程中，前驱体或中间产物能够逐渐达到反应所需的活化能，从而发生均匀且可控的化学反应，这有助于形成结构均匀、性能稳定的产物。缓慢的升温速率则能够确保整个材料在加热过程中保持相对均匀的温度分布。缓慢的升温速率有助于确保前驱体或中间产物充分转化，同时减少副产物的生成，从而提高产物的纯度和质量。
20、进一步，所述一次热处理以及二次热处理的处理气氛为空气，此处使用空气作为处理气氛，无需额外的惰性气体(如氮气、氩气)供应系统，从而简化了制备工艺，降低了生产成本。在一定条件下，空气中的氧气可以与前驱体或中间产物发生氧化反应。虽然石墨相氮化碳(g-c3n4)本身在较高温度下对氧气相对稳定，但一次热处理过程中可能产生的某些中间产物(如未完全转化的前驱体、羟基化产物等)可能与氧气发生反应，形成更稳定的结构或引入新的官能团，这些变化有助于后续二次热处理中g-c3n4的形成和性质的优化。空气中的氧气虽然不直接参与g-c3n4的形成反应，但可以通过影响热处理环境中的氧化还原氛围，间接促进前驱体或中间产物的热解和缩聚反应，这些反应是形成g-c3n4的关键步骤，其进行程度和效率直接影响最终产物的结构和性能。
21、进一步，所述剥离处理的时间为1～24h，剥离处理是制备超薄g-c3n4纳米片的关键步骤之一，足够的时间能够确保g-c3n4层与层之间的相互作用力被充分破坏，从而实现有效的剥离，较短的剥离时间无法使所有层完全分离，而较长的剥离时间则有助于确保剥离的彻底性。剥离时间的长短直接影响最终产物的厚度，在适当的剥离时间内，可以通过控制剥离超薄g-c3n4纳米片的厚度。另外，剥离处理不仅有助于将g-c3n4层剥离成纳米片，还能改善纳米片在溶剂中的分散性，足够长的剥离时间可以使纳米片形成稳定的分散体系。
22、进一步，采用回旋震荡的方式进行剥离处理，首先，回旋震荡能够产生均匀的剪切力和冲击力，这些力作用于g-c3n4层与层之间，有助于破坏它们之间的相互作用力，如范德华力，从而促进纳米片的剥离，与静态剥离相比，回旋震荡能够更高效地实现纳米片的分离，提高剥离效果。由于回旋震荡能够更有效地破坏层间相互作用力，因此可以在相对较短的时间内实现纳米片的剥离，这有助于提高生产效率，降低生产成本。回旋震荡不仅有助于纳米片的剥离，还能促进剥离后的纳米片在溶剂中的分散，震荡产生的涡流和剪切力有助于纳米片与溶剂分子的充分接触和相互作用，形成稳定的分散体系，这对于纳米片的后续处理和应用至关重要。在剥离过程中，纳米片容易发生团聚现象，影响产物的质量和性能，回旋震荡能够通过其产生的剪切力和冲击力来破坏纳米片之间的团聚力，减少团聚现象的发生，提高产物的分散性和稳定性。
23、进一步，所述回旋震荡处理的转速为20～40转/min，转速是回旋震荡处理中的一个关键参数，它直接影响到剥离过程的效率和效果，在这个转速范围内，可产生足够的剪切力和冲击力来破坏层间相互作用力，从而实现有效的剥离，过低的转速无法提供足够的动力来驱动剥离过程，而过高的转速则引入过多的机械应力，对纳米片的结构造成破坏，即活性晶面被破坏。适当的转速有助于在剥离过程中保持纳米片的完整性，过高的转速会产生过大的剪切力和冲击力，导致纳米片破碎或产生缺陷，而在这个转速范围内，可以较好地平衡剥离效率和纳米片完整性的关系，得到结构完整、性能优良的纳米片。转速的均匀性对于剥离的均匀性至关重要，在这个转速范围内，回旋震荡器能够保持稳定的转速，使得剥离过程在整个样品中均匀进行，这有助于减少纳米片尺寸和厚度的差异，提高产物的均一性。
24、同时，本发明还公开了通过上述方法制得的石墨相氮化碳纳米片，该石墨相氮化碳纳米片的厚度为0.2～0.5nm，超薄g-c3n4纳米片由于其小尺寸和优化的表面结构，能够更有效地穿透生物屏障，如血脑屏障，到达肿瘤部位，同时，其良好的光吸收与电荷转移能力，使得在光照下能够产生更多的活性氧物种，从而显著增强光动力治疗效果；同时富羟基的表面结构提高了g-c3n4纳米片的亲水性和生物相容性，降低了体内毒性，为临床应用提供了更好的安全性保障。
技术特征：
1.一种石墨相氮化碳纳米片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种石墨相氮化碳纳米片制备方法，其特征在于，所述一次热处理的温度为275～325℃，时间为1～2h。
3.根据权利要求1所述的一种石墨相氮化碳纳米片制备方法，其特征在于，所述二次热处理的温度为500～520℃，时间为2～4h。
4.根据权利要求1所述的一种石墨相氮化碳纳米片制备方法，其特征在于，所述一次热处理以及二次热处理的升温速率均为5～15℃/min。
5.根据权利要求1所述的一种石墨相氮化碳纳米片制备方法，其特征在于，所述一次热处理以及二次热处理的处理气氛为空气。
6.根据权利要求1所述的一种石墨相氮化碳纳米片制备方法，其特征在于，所述剥离处理的时间为1～24h。
7.根据权利要求1所述的一种石墨相氮化碳纳米片制备方法，其特征在于，采用回旋震荡的方式进行剥离处理。
8.根据权利要求1所述的一种石墨相氮化碳纳米片制备方法，其特征在于，所述回旋震荡处理的转速为20～40转/min。
9.一种石墨相氮化碳纳米片，其特征在于，通过权利要求1～7中任意一项所述的方法制得；所述石墨相氮化碳纳米片的平均厚度为0.2～0.5nm，横向尺寸为。
10.权利要求9中所述的一种石墨相氮化碳纳米片在制备治疗胶质瘤药物中的应用。
技术总结
本发明公开一种石墨相氮化碳纳米片及其制备方法和应用，该制备方法首先对三聚氰酸进行研磨处理后，进行一次热处理，制得中间体，继续升温，对所述中间体进行二次热处理；然后对所述二次热处理后的产物进行剥离处理，所述剥离处理时的温度为‑200～‑190℃。该方法利用低温下晶体层间作用力的减弱，特别是100晶面的滑移，最终实现了超薄石墨相氮化碳的制备，在减小CN尺寸的同时，有效保留了活性晶面以及整体晶面的共轭结构，有效解决了现有技术中因光敏剂尺寸导致光敏剂难以穿透BBB的问题，并且极大程度提升了光动力治疗肿瘤的效果。
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：2024/12/5