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一种非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料及其制备方法.pdf

  • 上传人:xia****o6
  • 文档编号:6632026
  • 上传时间:2019-09-03
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  • 摘要
    申请专利号:

    CN201010613918.5

    申请日:

    20101230

    公开号:

    CN102038964B

    公开日:

    20120125

    当前法律状态:

    有效性:

    有效

    法律详情:

    IPC分类号:

    A61K49/06,B22F9/24,B22F1/02,C22C38/00,C22C45/02,C22C33/02

    主分类号:

    A61K49/06,B22F9/24,B22F1/02,C22C38/00,C22C45/02,C22C33/02

    申请人:

    上海师范大学

    发明人:

    杨仕平,李雪健,杨红,周宏,代安涛

    地址:

    200234 上海市徐汇区桂林路100号

    优先权:

    CN201010613918A

    专利代理机构:

    上海伯瑞杰知识产权代理有限公司

    代理人:

    吴瑾瑜

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    内容摘要

    本发明涉及非晶态纳米材料领域,公开了一种非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料的制备方法。技术方案为:(1)将二价铁盐、二价钴盐、包裹剂溶解后配成溶液I;(2)在无氧条件下向溶液I中滴加还原剂溶液,超声处理10~60分钟;取沉淀,得到非晶态铁钴硼(Fe-Co-B)纳米磁共振造影剂材料,平均粒径为5~15nm,饱和磁化率较高,具有超顺磁性;分散性好,毒性小,具有很好的水溶性和生物兼容性。制备方法对实验操作和设备的要求很低,所需原料价格低廉,操作简单方便,副产物无公害。

    权利要求书

    1.一种非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)将二价铁盐、二价钴盐、包裹剂溶解后配成溶液I,(2)在无氧条件下,向溶液I中滴加还原剂溶液,同时搅拌;然后超声处理10~60分钟;取沉淀,得到非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料;二价铁离子与二价钴离子的摩尔比为1∶0.95~2.5;二价铁离子与还原剂的摩尔比为1∶0.2~1;包裹剂与Fe的用量比为0.5~2.5g/mmol;包裹剂选自葡聚糖、壳聚糖或聚乙烯基吡咯烷酮;还原剂为硼氢化物。 2.权利要求1所述非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料的制备方法,其特征在于,所述二价铁离子与二价钴离子的摩尔比为1∶1~2。 3.权利要求1所述非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料的制备方法,其特征在于,所述二价铁盐为硫酸亚铁、硝酸亚铁或氯化亚铁;所述二价钴盐为硫酸钴、硝酸钴或氯化钴。 4.权利要求1所述非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料的制备方法,其特征在于,溶液I中Fe2+的浓度为5~20mM。 5.权利要求1所述非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中还原剂溶液的浓度为5~20mM。  6.权利要求1所述非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,将溶液I加热到60~98℃并搅拌,使二价铁盐、二价钴盐和包裹剂溶解充分。 7.权利要求1所述非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,用氮气、氦气、氖气或氩气作为保护气体,排除反应体系中的氧气。 8.权利要求1所述非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料的制备方法,其特征在于,所述葡聚糖、壳聚糖或聚乙烯基吡咯烷酮的分子量为10000~30000。 9.权利要求1所述非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料的制备方法,其特征在于,硼氢化物为硼氢化钠或硼氢化钾。 10.一种非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料,其特征在于,通过权利要求1~9任一项所述方法制备。 

    说明书

    技术领域

    本发明涉及非晶态纳米材料领域,具体为超顺磁铁钴硼纳米粒子 造影剂,尤其是一种非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料和制备方法。

    背景技术

    磁共振成像(MRI)、X-射线断层扫描(CT)和X射线是现在医 学诊断所用的三大成像诊断技术。传统CT和X射线诊断造影所用造 影剂的增强原理,是造影剂本身对X射线的阻挡作用直接造成的,而 MRI造影剂本身不产生信号,信号来自氢原子核。MRI造影剂接近有 关质子后,可缩短这些质子的弛豫时间,间接地改变这些质子所产生 的信号强度,提高正常部位与患病部位的成像对比度,是用来缩短成 像时间的成像增强对比剂,从而证明体内器官是否发生了病变。按照 造影中以缩短T1弛豫时间为主(使磁共振信号增加)或以缩短T2弛 豫时间为主(使磁共振信号下降),可将磁共振造影分为T1弛豫增强 造影或T2弛豫增强造影。

    最近30余年来,核磁共振成像(MRI)技术已在生物、材料科学 等,特别是医学领域获得了快速发展和广泛应用。磁共振造影剂种类 很多,通常可分为顺磁性造影剂、铁磁性造影剂和超顺磁性造影剂。 之前研究较多的是超顺磁性造影剂和水溶性顺磁性造影剂。

    超顺磁性造影剂主要是以Fe3O4为代表的特殊铁磁性物质,包括 超小型超顺磁性氧化铁、单晶氧化铁微聚体、脂质体包裹的超顺磁性 氧化铁和白蛋白、葡聚糖、聚苯乙烯、单克隆抗体等包裹的超小型超 顺磁性氧化铁等。超顺磁性造影剂由于其特殊的磁学性质,以及在人 体内分布具有特异性、使用剂量少、安全、毒副作用小以及用途广泛 等优点,已成为目前研究的热点。水溶性顺磁造影剂由顺磁性金属离 子和配体组成,金属离子主要为Fe2+、Fe3+、Mn2+、Gd3+和Dy3+。其 中,Gd3+有7个未成对电子,自旋磁矩大,电场对称,弛豫效率高, 易与水配位,且配位水分子为8、9个,是造影剂的较佳选择。现在 一些铁磁性造影剂由于很高的饱和磁化率,能大大增强材料的自旋- 自旋驰豫T2时间,也逐渐成为人们研究的热点。

    在生物应用中,磁性纳米粒子必须是单分散的、水溶性且稳定性好 的、很高的饱和磁化率和好的生物兼容性才能在生物条件下有很好的重 现性。

    制备磁共振造影剂的关键在于如何制备出磁性能优异(高饱和磁化 强度)的磁性材料,以及如何对磁性纳米粒子表面进行修饰,形成表面 包有水溶性的生物分子,以增强其稳定性、水溶性和生物相容性,并降 低毒性。目前,处于研究阶段的磁共振成像造影剂有很多,除目前已临 床应用的磁共振成像造影剂高顺磁性金属元素与配体形成的螯合 Gd-DTPA外,超顺磁性氧化铁磁共振造影剂的研究也广受欢迎。应用到 生物体中,磁性纳米粒子必须是单分散的、和水溶性的,才能在生物条 件下有很好的重现性和好的生物兼容性。

    发明内容

    本发明的目的是提供一种非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料。

    本发明还提供了上述材料的制备方法。

    其技术方案为:

    (1)将二价铁盐、二价钴盐、包裹剂溶解后配成溶液I,

    (2)在无氧条件下向溶液I中滴加还原剂溶液,同时搅拌;然后 超声处理10~60分钟;取沉淀,得到非晶态铁钴硼(Fe-Co-B)纳米 磁共振造影剂材料;

    二价铁离子与二价钴离子的摩尔比为1∶0.95~2.5,优选为1∶1~ 2;

    二价铁离子与还原剂的摩尔比为1∶0.2~1;

    包裹剂与Fe2+的用量比为0.5~2.5g/mmol;

    包裹剂可选用葡聚糖、壳聚糖或聚乙烯基吡咯烷酮(PVP);

    还原剂为硼氢化物,可以选用硼氢化钾或硼氢化钠。

    所用的二价铁盐为硫酸亚铁、硝酸亚铁或氯化亚铁;所用的二价 钴盐为硫酸钴、硝酸钴或氯化钴。

    葡聚糖、壳聚糖或聚乙烯基吡咯烷酮的分子量为10000~30000。

    溶液I中Fe2+的浓度为0.005~0.02M。

    步骤(2)中还原剂溶液的浓度为5~20mM。

    步骤(1)中,将溶液I加热到60~98℃并搅拌,使二价铁盐、 二价钴盐、包裹剂溶解充分。

    步骤(2)中,用氮气、氦气、氖气或氩气等惰性气体作为保护气 体,排除反应体系中的氧气。

    通过上述方法得到的非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料,平均 粒径为5~15nm,饱和磁化率较高,具有超顺磁性;分散性好,毒性 小,具有很好的水溶性和生物兼容性。

    本发明的制备方法,首先将常见的铁盐、钴盐、葡聚糖在水中搅拌 溶解,然后加入强还原剂在超声条件下直接得到单分散的、非晶态的水 溶性的纳米磁共振造影剂。利用化学还原法直接得到表面包裹葡聚糖、 壳聚糖或PVP的生物兼容性极好的纳米磁共振造影剂。

    还原剂将亚铁离子、钴离子还原到单质,得到非晶态的铁钴硼合金 纳米粒子,制备过程中加入了葡聚糖等作为包裹剂。碳水化合物是细胞 膜上的成份之一,利用葡聚糖等物质上的羟基和金属的配位作用以及在 超声条件下葡聚糖有机高分子与纳米粒子之间非化学键的包裹作用;所 以纳米粒子外面裹有了葡聚糖、壳聚糖或PVP等包裹剂后,使其具有很 好的分散性、水溶性和生物兼容性。

    由于葡聚糖上的羟基和金属的配位作用以及在超声条件下葡聚糖 有机高分子与纳米粒子之间非化学键的包裹作用,超声条件下可以制 备出非晶态的分散性很好的磁性纳米粒子,因为外面裹有葡聚糖,所 以纳米粒子具有很好的水溶性和生物兼容性。最后经过核磁共振成像 及细胞实验测试证明其可作为磁共振成像造影剂。

    本发明在简单及普通的实验装置条件下,通过化学还原及简单超 声实验步骤即可制备分散性好、粒径均匀、水溶性极好的Fe-Co-B纳 米粒子。反应时间短,所需原材料常见易得,价格低廉。操作过程简 单方便。该发明为纳米磁共振成像造影剂材料的合成制备提供了一种 经济与使用的新方法,并为人体的临床实验提供参考价值。所制得的 Fe-Co-B纳米磁共振材料为非晶态的,所以没有固定的形貌,平均粒 径是10nm,且Fe-Co-B纳米磁共振材料表现出超顺磁性,且饱和磁 化率高,可达到25emu/g。这种制备方法对实验操作和设备的要求很 低,所需原料价格低廉,操作简单方便,副产物无公害。

    附图说明

    图1是实施例1非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料(Fe-Co-B 纳米粒子)的透射电子显微镜(TEM)照片。

    图2是非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料(Fe-Co-B纳米粒子) 的粒径分布图。

    图3是本发明中非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料(Fe-Co-B 纳米粒子)选区电子衍射(SAED)照片。

    图4是本发明中非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料Fe-Co-B纳米 粒子X-射线电子衍射图(XRD)。

    图5是本发明中实施例1中表面包裹葡聚糖的非晶态铁钴硼纳米 磁共振造影剂材料(Fe-Co-B纳米粒子)在常温下的磁滞回线,是常 温条件下Fe-Co-B纳米磁共振造影剂材料的磁感应强度和磁场强度的 变化关系,横坐标为磁场,纵坐标为磁感应强度。从该图可以看出该 材料具有超顺磁性,饱和磁化率为25emu/g。

    图6是实施例1表面包裹葡聚糖的非晶态铁钴硼纳米磁共振造影 剂材料(Fe-Co-B纳米粒子)和纯的葡聚糖的傅里叶红外(FT-IR)图,

    图7是实施例1中表面包裹葡聚糖的非晶态铁钴硼纳米磁共振造 影剂材料(Fe-Co-B纳米粒子)在水溶液、磷酸盐缓冲液、乙醇溶液、 以及水和环己烷混合溶液中的溶解性照片图,从图中看出Fe-Co-B纳 米粒子在水溶液、磷酸盐缓冲液、乙醇溶液中有很好的分散性且能稳 定存在。

    图8是实施例1中表面包裹葡聚糖的非晶态铁钴硼纳米磁共振造影 剂材料(Fe-Co-B纳米粒子)分散在PBS缓冲溶液中的T2加权成像图。是 由0.5T的磁共振成像仪测试,具体参数:TR/TE=4000/60ms,选层厚度 为0.6mm,谱宽SW=50KHz,接收机增益RG=2。

    图9是实施例1中表面包裹葡聚糖的非晶态铁钴硼纳米磁共振造 影剂材料(Fe-Co-B纳米粒子)r2的拟合直线,即磁性纳米粒子在PBS 缓冲溶液中的T2驰豫率(1/T2)相对于Fe元素浓度拟合的直线。横 坐标为Fe-Co-B纳米磁共振材料中的Fe元素浓度,纵坐标为T2驰豫 率(1/T2),斜率即为横向驰豫率r2。从该图可看出Fe-Co-B纳米磁 共振材料具有较强的弛豫能力,横向驰豫率r2=16.67mM-1s-1。

    图10是表面包裹葡聚糖的非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料 在浓度为0μg/mL到150μg/mL浓度时对HeLa细胞的毒性测试。

    图11是表面包裹葡聚糖的非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料 在不同浓度下孵育10h后对HeLa细胞的MRI加权成像图。

    图12是表面包裹葡聚糖的非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料 在不同浓度下孵育10h后单个HeLa细胞所吞噬样品的质量。

    图13是表面包裹葡聚糖的非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料 在相同浓度不同孵育时间条件下对HeLa细胞的MRI成像图。

    图14是表面包裹葡聚糖的非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料 在相同浓度不同孵育时间后单个HeLa细胞所吞噬样品的质量。

    图15是表面包裹葡聚糖的非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料 的表面电荷分布。

    具体实施方式

    为了更好地理解发明的实质,下面通过实施例来详细说明发明的技 术内容,但本发明的内容并不局限于此。

    实施例1

    称取CoSO4·7H2O(0.2811g,1mmol)、FeSO4·7H2O(0.2780g, 1mmol)溶解在100ml水中,然后再加入1.000g葡聚糖(分子量20000, 英文名称为dextran,中国国药集团化学试剂有限公司生产,纯度大于 97.0%的固体白色粉末),在90℃条件下磁力搅拌20min使葡聚糖完全 溶解;

    然后用氮气排除反应体系的氧气,在无氧条件下,以氮气为保护气 体,再逐滴加入新鲜的硼氢化钠(40mL,10mM)水溶液,同时搅拌; 最后放入超声机中超声分散30min,离心分离,取沉淀即可得到非晶态 铁钴硼纳米磁共振造影剂材料(Fe-Co-B纳米粒子)。

    透射电子显微镜(TEM)照片如图1所示,可看出纳米粒子尺寸比较 均一,且分散性较好,平均尺寸大约是10nm,粒径分布状态如图2。

    选区电子衍射(SAED)照片如图3所示,和图1一样,都是由JEOL JEM-2100高分辨率透射电子显微镜测试得到的。从该图中可以看出合 成得到的Fe-Co-B纳米粒子是非晶态纳米粒子。

    X-射线电子衍射图(XRD)如图4所示,是由DMAX 2000X-射线 衍射仪测试得到,该衍射仪为Cu/Kα-辐射(λ=0.15405nm)(40kV,40 mA)。该图进一步说明合成得到的产物Fe-Co-B为非晶态。

    在常温下的磁滞回线如图5所示,是常温条件下Fe-Co-B纳米磁共 振造影剂材料的磁感应强度和磁场强度的变化关系,横坐标为磁场,纵 坐标为磁感应强度。从该图可以看出该材料具有超顺磁性,饱和磁化率 为25emu/g。

    表面包裹葡聚糖的非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料和纯的葡 聚糖的傅里叶红外(FT-IR)图如图6所示,从图中可观察到Fe-Co-B纳米 材料和纯的葡聚糖在1028cm-1处都有出峰,这是葡聚糖上的C-O-C的 出峰位置,从FT-IR图中可以证明纳米粒子表面是包裹葡聚糖的。

    在水溶液、磷酸(PBS)缓冲液、乙醇溶液、以及水和环己烷混合 溶液中的溶解性照片如图7所示,从图中看出所得Fe-Co-B纳米粒子在 水溶液、PBS缓冲液、乙醇溶液中有很好的分散性且能稳定存在。

    分散在PBS缓冲溶液中的T2加权成像图如图8所示,由0.5T的磁 共振成像仪测试,具体参数:TR/TE=4000/60ms,选层厚度为0.6mm, 谱宽SW=50KHz,接收机增益RG=2。从该图中可知,随着Fe-Co-B纳 米磁共振材料中Fe元素浓度的逐渐增加,信号逐渐变暗。

    r2的拟合直线,即磁性纳米粒子在PBS缓冲溶液中的T2驰豫率(1/ T2)相对于Fe元素浓度拟合的直线如图9所示,横坐标为Fe-Co-B纳 米磁共振材料中的Fe元素浓度,纵坐标为T2驰豫率(1/T2),斜率 即为横向驰豫率r2。从该图可看出Fe-Co-B纳米磁共振材料具有较强 的弛豫能力,横向驰豫率r2=16.67mM-1s-1。

    图15为非晶态铁钴硼纳米磁共振造影剂材料(Fe-Co-B纳米粒子) 在水溶液中的表面电荷数值,从结果看,表面几乎呈电中性。

    葡聚糖可用分子量10000~30000的壳聚糖或聚乙烯基吡咯烷酮 (PVP)代替,效果相同。

    七水合硫酸亚铁和七水合硫酸钴可分别用等摩尔量的四水合氯化 亚铁和氯化钴代替,结果相同。

    硼氢化钠可用等摩尔量硼氢化钾代替,效果相同。

    实施例2

    称取CoSO4·7H2O(0.2811g,1mmol)、FeSO4·7H2O(0.1390g,0.5 mmol)溶解在100ml水中,然后再加入0.800g葡聚糖,在90℃条件下 磁力搅拌20min使葡聚糖完全溶解;

    然后用氮气排除反应体系的氧气,在无氧条件下,以氮气为保护气 体,再逐滴加入新鲜的硼氢化钠(40mL,10mM)水溶液,最后放入 超声机中超声分散30min,离心分离,取沉淀即可得到非晶态的Fe-Co-B 纳米核磁共振造影剂。

    实施例3

    称取CoSO4·7H2O(0.2811g,1mmol)、FeCl2·4H2O(0.1987g, 1mmol)溶解在100ml水中,然后再加入1.000g葡聚糖,在90℃条件下 磁力搅拌20min使葡聚糖完全溶解;

    然后用氮气排除反应体系的氧气,在无氧条件下,以氮气为保护气 体,再逐滴加入新鲜的硼氢化钠(40mL,10mM)水溶液,同时搅拌; 最后放入超声机中超声30min离心,分离即可得到非晶态的Fe-Co-B 纳米核磁共振造影剂。

    实施例4

    称取CoCl2(0.1298g,1mmol)、FeSO4·7H2O(0.2780g,1mmol) 溶解在100ml水中,然后再加入0.800g葡聚糖,在90℃条件下磁力搅 拌20min使葡聚糖完全溶解;

    然后用氮气排除反应体系的氧气,在无氧条件下,以氮气为保护气 体,再逐滴加入新鲜的硼氢化钠(40mL,10mM)水溶液,同时搅拌; 最后放入超声机中超声30min,离心分离即可得到非晶态的Fe-Co-B纳 米核磁共振造影剂。

    实施例5

    称取实施例1所得到的Fe-Co-B纳米粒子5mg,配制5ml浓度为 1mg/mL的Fe-Co-B RPMI-1640溶液,然后稀释成浓度分别为150 μg/mL、100μg/mL、80μg/mL、40μg/mL、20μg/mL、10μg/mL体积为 1mL的RPMI-1640培养基溶液,MTT法测试对HeLa细胞的毒性。结 果如图10所示。

    实施例6

    称取实施例1所得到的Fe-Co-B纳米粒子5mg,配制5ml浓度为 1mg/mL的Fe-Co-B RPMI-1640溶液,然后稀释成浓度分别为150 μg/mL、120μg/mL、80μg/mL、40μg/mL体积为5mL的1640培养基 溶液,把5mL样品加入到对数期Hela细胞(1×106)后孵育10小时, 测试细胞MRI成像和吞噬情况,结果如图11和图12所示。

    实施例7

    称取实施例1所得到的Fe-Co-B纳米粒子5mg,稀释配制成四组 体积为5ml浓度为120μg/mL的RPMI-1640溶液,把样品加入到对数 期Hela细胞(1×106)后分别孵育9h、6h、3h、1h后,测试细胞MRI 成像和吞噬情况,结果如图13和图14所示。

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    一种 晶态 铁钴硼 纳米 磁共振 造影 材料 及其 制备 方法
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