基于四氧化三铁纳米粒子的磁共振成像造影剂的制备及性能研究

摘要

磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)技术作为一种高分辨率非入侵性的医学成像诊断技术，在临床诊断过程中有着广泛应用。特别是磁性纳米材料作为T2类阴性MRI造影剂所表现出的优良特性受到研究学者的青睐，对这类造影剂的深入探讨以进一步提高其成像性能是MRI领域的研究热点之一。与T1类阳性造影剂相比，T2类造影剂能够提供更详细的解剖信息，有利于对病理进行分析。在纳米粒子的表面附着不同类型的材料，不仅能提高纳米粒子自身的稳定性和生物相容性，还能进一步发展成多模态成像造影剂。
　　本文以Fe3O4纳米粒子作为主体，在其表面包覆或链接不同类型的材料制备出了新型的MRI造影剂。从两方面考虑来选择包覆层或修饰剂：一方面是以含亲水性的基团的聚合物在Fe3O4纳米颗粒的表面进行修饰以提高其稳定性和弛豫率，得到性能良好的新型T2类造影剂。另一方面是以含荧光基团的功能性材料修饰Fe3O4纳米粒子，得到既可以应用于MRI技术，又可以用作荧光成像的双模态成像造影剂。本文具体的研究内容如下：
　　（1）通过偶联剂1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)的偶联作用将 BSA包覆到 Fe3O4纳米颗粒表面，得到一种潜在的 T2类造影剂Fe3O4@BSA。利用X射线衍射（XRD），傅立叶变换红外光谱（FT-IR），透射电子显微镜（TEM），粒径分布测量及热重分析（TGA）等一系列表征手段对其结构、形貌和组成进行了表征。结果表明成功地制备出分散性良好Fe3O4@BSA纳米粒子，其形貌近似球形，粒径约为15 nm，其中BSA的含量约占18.9％。稳定性测试结果表明，BSA的引入增强了Fe3O4纳米粒的稳定性。体外T2加权成像结果说明了Fe3O4@BSA纳米粒子具有优良的阴性显像效果。在0.5 T外磁场下，测得Fe3O4@BSA纳米粒子的横向弛豫率为148.18 mM-1s-1，高于传统的商用T2类造影剂Ferumoxides AMI-25(r2=120 L·mmol-1·s-1)。MTT细胞毒性实验也表明，Fe3O4@BSA纳米粒子具有较低毒性。以上结果表明，Fe3O4@BSA NPs可以用作潜在的T2类MRI造影剂。
　　（2）先后将SiO2和壳聚糖（Chitosan，CS）包覆到Fe3O4纳米颗粒的表面得到Fe3O4@SiO2-CS纳米颗粒。通过FT-IR、TEM、XRD以及粒径分布对其结构进行各种表征，表明成功地将制备出了分散性良好，形貌近似球形的Fe3O4@SiO2-CS纳米粒子，该纳米粒子的平均粒径为约150 nm。稳定性测试，结果说明了包覆层大大地提高了Fe3O4纳米粒子的稳定性。体外T2加权成像研究结果表明Fe3O4@SiO2-CS是一种优良的阴性显影剂。体外弛豫率测试测得到Fe3O4@SiO2-CS的横向弛豫率为312.07 mM-1·s-1，比商用的T2造影剂弛豫率高，表明Fe3O4@SiO2-CS纳米粒子是一种优良T2类成像造影剂。
　　（3）通过自组装过程将Fe3O4纳米粒子与具有荧光性质的超薄g-C3N4复合，得到g-C3N4/Fe3O4纳米复合材料。通过FT-IR、TEM、XRD以及X射线能谱（XPS）等表征手段对其结构和组成进行了表征。结果表明，制备的Fe3O4呈球形，粒径在10 nm左右，g-C3N4呈很薄的片状结构，宽度约为100 nm，并且两种材料不是通过共价键连接，彼此相对独立存在。光致发光光谱表明，g-C3N4/Fe3O4纳米复合材料具有荧光性能，可用于荧光成像。测得g-C3N4/Fe3O4纳米复合材料的纵向弛豫率和横向弛豫率分别为76.46 mM-1·s-1为153.15 mM-1·s-1，横向弛豫率远大于纵向弛豫率，说明g-C3N4/Fe3O4可用作潜在的T2造影剂。细胞内荧光成像也说明了g-C3N4/Fe3O4纳米复合材料可用于细胞内荧光成像。以上结果表明，制备得到的g-C3N4/Fe3O4纳米复合材料可作为兼具荧光成像和核磁共振成像的双模态成像造影剂。