尺寸均匀的亲水性金属氧化物纳米颗粒及其制备方法

摘要

本发明提供了一种金属氧化物纳米颗粒，该纳米颗粒含有金属内核、形成于内核表面且与内核具有相同金属组成的壳层、以及含有能与纳米颗粒共价键合的元素和亲水性官能团的有机化合物。根据实施例可知，首先在有机溶液中合成尺寸小于20纳米的球形超顺磁性铁氧化物粒子，然后经过表面改性将铁氧化物粒子转变为亲水性粒子，即可得到尺寸均匀的亲水性金属氧化基纳米颗粒。

说明书

技术领域

本发明是关于尺寸均匀的亲水性金属氧化物纳米颗粒，特别是关于分散性改进的表面改性亲水性金属氧化基纳米颗粒及其制备方法。

根据本发明，多种类型的疏水性金属氧化物纳米颗粒在水溶液中的分散性可以得到提高，因而允许此类纳米颗粒应用于包括临床应用在内的广泛领域。

背景技术

当在含有表面活性剂的有机溶液中合成金属氧化物颗粒时，表面活性剂可以保护颗粒表面、防止附聚。然而，当颗粒置于极性溶剂中时，颗粒表面的保护层被剥裂，颗粒开始附聚并形成沉淀。为了使颗粒在水溶液中获得化学稳定性和分散性，需要在含有亲水性官能团的有机配体与颗粒之间存在化学共价键，而不是相互之间的物理作用。但是由于金属氧化物表面不具有反应活性，所以颗粒与有机配体之间无法形成共价键。

铁氧化物纳米颗粒比如γ-Fe₂O₃(磁赤铁矿)和Fe₃O₄(磁铁矿)，由于在诸如核磁共振成像(MRI)、细胞分离和纯化、根据药物本身的磁性和化学稳定性给药领域的实际应用而得到了广泛地研究。为用于大量临床应用，铁氧化物纳米颗粒必须满足以下要求：尺寸小于20纳米、球形、粒径分布均匀、超顺磁、无毒、在水溶液中具有分散性、生物相容、具有所需靶向性等等。根据最近的研究表明，得到尺寸小于20纳米的球形超顺磁性颗粒并不难。生物适应性和靶向功能的要求在达到上述其它要求之后才可能达到。

在上述要求中，能均匀分布因而在体内应用时易于控制、并且能分散于诸如体液的水溶液中的纳米颗粒还未见报道过。通常来说，即使在水溶液中的制备可以使颗粒获得亲水性，颗粒的均匀性也会降低。另一方面，新近发展的在有机溶液中的制备技术可以使颗粒均匀分布，但由于表面疏水性，它们仍然面临颗粒在水溶液中附聚和沉淀的问题。

因此，为了在进行后续步骤之前将疏水性纳米颗粒转变为亲水性纳米颗粒，期望首先在有机溶液中获得颗粒均匀性，随后再进行表面改性。为努力达到这种效果，最近的研究显示，可以用物理涂覆亲水性的生物相容聚合物的疏水性纳米颗粒进行临床应用。然而由于静电作用、配位作用或范德华力而形成的弱键，导致用这种技术得到的纳米颗粒具有化学不稳定性，所以仍然不能克服颗粒附聚和沉淀的问题。

另一种方法是，在表面与化合物键合之前，先用亲水性二氧化硅包覆所述铁氧化物纳米颗粒。所述化合物包括1-氨丙基三甲氧基硅烷，该化合物由于氨基裸露在外，因而使颗粒具有亲水性。但是这种方法也存在问题：大量颗粒一起被包覆，而并非每个颗粒单独被包覆。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较高尺寸均匀性和在水中的分散性的金属氧化物纳米颗粒。

本发明的另一个目的是提供一种金属氧化物纳米颗粒，该纳米颗粒具有球形结构、尺寸小于20纳米、尺寸均匀、超顺磁、化学稳定、在水溶液中分散性好的特点，而且还提供具有更高灵敏度的能够探测和治疗疾病的必需的基本结构。

为达到上述目的，本发明提供了一种金属氧化物纳米颗粒，该颗粒包括金属氧化物内核，该内核被壳层所包覆，该壳层由与所述内核相同的金属元素组成；以及有机化合物，该有机化合物含有亲水性官能团和与所述壳层的金属元素键合的共价键合硫醇基团。

另外，本发明提供了一种方法，该方法包括在含有表面活性剂的有机溶液中使有机金属前身物经过热解和氧化步骤，制备金属氧化物纳米颗粒；通过在惰性条件下将更多的前身物加入到含有纳米颗粒的溶液中，并使混合物热解，在纳米颗粒表面得到金属富集层；以及将有机化合物加入到含有纳米颗粒的溶液中，在纳米颗粒的金属元素与有机化合物的硫元素之间建立共价键。

附图说明

图1是本发明金属氧化物纳米颗粒的结构示意图；

图2是本发明金属氧化物纳米颗粒制备方法的示意图；

图3是实施例2和3中纳米颗粒的X-射线衍射(XRD)图；

图4是根据实施例2制备的纳米颗粒的电子透射显微(TEM)照片；

图5是根据实施例3制备的表面改性亲水性纳米颗粒的电子透射显微(TEM)照片；

图6是实施例3中Fe-S共价键的X-射线光电子能谱(XPS)；

图7是实施例2中疏水性纳米颗粒分散于甲苯层(上层)的照片，以及实施例3中亲水性纳米颗粒分散于水层(下层)的照片；

图8是根据实施例4制备的纳米颗粒的电子透射显微(TEM)照片；

图9是根据实施例4制备的纳米颗粒的红外谱图；

图10是根据实施例5制备的纳米颗粒的电子透射显微(TEM)照片；

图11是根据实施例5制备的纳米颗粒的红外谱图。

具体实施方式

根据本发明的优选实施例，在有机溶液中制备尺寸小于20纳米的球形超顺磁性铁氧化物颗粒，由此得到尺寸均匀的颗粒，随后进行表面化学改性，使颗粒具备亲水性，即可制得尺寸均匀的亲水性铁氧化物纳米颗粒。

可以参考图1说明金属氧化物纳米颗粒的结构。金属氧化物纳米颗粒10的表面，也称为内核，被非化学计量金属富集壳层(14)所包覆，该壳层通过共价键与有机化合物元素(如实施例中的硫(S))形成强的共价键。内核与壳层的金属成分相同。根据图1，有机化合物中的符号“n”是1-20的整数；“(C_nH_2n-x)”表示直链、支链或环状的碳氢化合物；“FG”表示指亲水性官能团，如-COOH、-NH₂、-SH。另外，图1中的每个有机化合物都具有1-2个巯基(HS-)官能团和能够提供1-2个共价键位的亲水性官能团(FG)，并且所述有机化合物还进一步为后续步骤提供1-2个与其它化合物(如3-巯基丙酸、2-氨基乙硫醇、二巯基琥珀酰亚胺酸)反应的潜在反应位。另外，所述内核能以核/壳的其它形式存在。在图1中，“a”和“b”分别独立地为1或2，“x”根据a和b选择如下：

a＝b＝1→x＝0；

a＝1，b＝2或a＝2，b＝1→x＝1；

a＝b＝2→x＝2.

当将铁有机金属前身物在含有表面活性剂的有机溶液中进行热解来制备铁氧化物纳米颗粒时，铁氧化物纳米颗粒的表面因被表面活性剂保护而获得保护。所得纳米颗粒的结构具有弱键连接，比如颗粒表面与非极性端向外的表面活性剂的极性端之间的静电作用或配位作用。当这些表面受到保护的颗粒置于极性溶剂如水或醇中时，表面活性剂立即从其表面脱落，颗粒开始附聚并形成沉淀。

因此，为了获得化学稳定性和在水溶液中的分散性，在纳米颗粒与含有亲水性官能团的有机配体之间必须形成化学键而不是相互之间的物理作用。在正常情况下，金属氧化物纳米颗粒表面反应活性差，因此颗粒不能与有机配体之间形成化学键。

为了解决这些问题，根据本发明的优选实施例，在已由表面活性剂保护的铁氧化物纳米颗粒表面形成一层薄的Fe外层(即壳层)。也即在颗粒表面形成铁富集层。然后，有机化合物比如3-巯基丙酸(MPA)[HS(CH₂)₂COOH]与颗粒表面的铁富集层(即壳层)形成共价键，因此通过Fe-S共价键可获得化学稳定性，通过羧酸可获得亲水性。

本发明的铁氧化物纳米颗粒不直接与3-巯基丙酸形成化学键，而是通过使铁氧化物纳米颗粒的外层富含铁成分，使纳米颗粒的铁元素与3-巯基丙酸的硫元素之间形成共价键(Fe-S)而得到强化。而且，羧酸提供能与生物分子中富含的氨基发生酰胺化反应的官能团。

图2示出了铁氧化物纳米颗粒表面改性所包含的步骤。

第一步(I)，将铁氧化物前身物Fe(CO)₅加入到含有表面活性剂的有机溶剂中，然后将溶液加热回流，得到铁氧化物(Fe²⁺和Fe³⁺混合)纳米颗粒。将所得溶液保持在80℃时，同时通入空气鼓泡，进行氧化反应，然后再次回流，生成含有γ-铁氧化物纳米颗粒10的溶液。可以看出表面活性剂12附着在铁氧化物纳米颗粒的表面。所述表面活性剂可以是下列化合物中的一种：RNH₂、RCOOH或它们两种的组合(R代表链长至少为6的烷基或烯基)。所述有机溶液可以是下列中的一种：二苄醚、二苯醚、二辛醚和十八烯。

第二步(II)，将第一步得到的溶液保持在100℃，向溶液中通入惰性氮气，然后加入前身物Fe(CO)₅，回流，从而在γ-铁氧化物纳米颗粒表面形成金属层(即壳层14)或使得表面具有非化学计量的铁富集层。该技术基于以下原理：Fe(CO)₅前身物在惰性气氛中与含表面活性剂的有机溶剂共热生成铁纳米颗粒，也就是说，不是生成一个新的内核，而是利用现有的机理将铁壳层附着到铁氧化物纳米颗粒表面上，或者使纳米颗粒具有内核和含有非化学计量铁富集层的壳层结构。

第三步(III)，首先将含有可与纳米颗粒中金属元素(Fe)共价键合的元素的有机化合物如3-巯基丙酸加入到第二步(II)得到的纳米颗粒中，然后进行回流，使纳米颗粒铁(Fe)与3-巯基丙酸的硫(S)之间形成共价键。或者在室温下将3-巯基丙酸的碱性甲醇溶液(含有KOH或NaOH)加入到第二步(II)得到的纳米颗粒中，然后搅拌，使纳米颗粒铁(Fe)与3-巯基丙酸的硫(S)之间形成共价键，这样就形成了亲水性铁氧化物纳米颗粒，并且由于3-巯基丙酸的羧基(COOH)亲水性官能团裸露在外而获得亲水性能，从而进一步增强所述纳米颗粒的分散性。因而所述纳米颗粒也具有能参与附加反应的优点。

所述表面改性不仅可用于铁氧化物，还可用于其它类型的金属氧化物。首先在有机溶液中制备金属氧化物纳米颗粒，然后加入金属前身物并加热，引起加成反应，即可在纳米颗粒表面形成非化学计量的金属富集层。然后，在金属富集壳层与有机化合物之间可形成共价键，并且亲水性官能团裸露于颗粒表面。随后，纳米颗粒与生物相容聚合物或靶向试剂或其它类似物质之间的酰胺化或酯化过程才有可能得以完成。

以下实施例详细说明根据本发明的表面改性亲水性金属氧化物纳米颗粒的制备。

实施例1

疏水性γ-铁氧化物纳米颗粒的制备

1.93毫升(6.09毫摩尔)油酸在氮气气氛下溶解于20毫升二辛醚中，并保持在100℃。随后向上述溶液中加入0.40毫升(3.04毫摩尔)Fe(CO)₅前身物，加热回流2小时，然后将所得溶液保持在80℃，同时通入空气鼓泡16小时，然后再回流2小时，制得疏水性γ-铁氧化物纳米颗粒。

实施例2

γ-铁氧化物纳米颗粒表面层的形成

将实施例1中得到的溶液保持在100℃，同时向溶液中通入氮气鼓泡，然后加入0.04毫升(0.304毫摩尔)Fe(CO)₅前身物，回流所得溶液，从而在铁氧化物纳米颗粒表面形成非化学计量的铁富集层。这些纳米颗粒的X-射线衍射图如图3(a)所示；电子透射显微照片如图4所示。

实施例3

使γ-铁氧化物纳米颗粒获得亲水性的表面改性(I)

将0.039毫升(0.45毫摩尔)3-巯基丙酸加入到实施例2中所得溶液中，然后回流，通过在铁(Fe)和硫(S)之间形成共价键而获得化学稳定性，进而羧基裸露于纳米颗粒表面，形成亲水性γ-铁氧化物纳米颗粒。这些纳米颗粒的X-射线衍射图如图3(b)所示、电子透射显微(TEM)照片如图5所示。图6是分析表征Fe-S共价键的X射线光电子能谱图。

图7中的左右两个试管分别表示实施例2(表面改性前)分散在甲苯中和实施例3(表面改性后)分散在水中的对比情况。通过比较可以看出表面改性纳米颗粒的分散情况很好(见右侧试管)。

实施例4

使γ-铁氧化物纳米颗粒获得亲水性的表面改性(II)

将1毫升由实施例2所得的溶液用25毫升氯仿(CHCl₃)进行稀释。在室温下将3毫升含有0.05摩尔/升3-巯基丙酸和0.06摩尔/升NaOH的甲醇溶液加入到上述稀释溶液中，同时用超声波及涡流搅拌溶液。然后向溶液中加入25毫升水和25毫升甲醇，通过磁性分离纳米颗粒，并用甲醇洗涤。因此，通过在铁(Fe)和硫(S)之间形成共价键，而使得到的γ-铁氧化物纳米颗粒获得化学稳定性；通过羧基裸露于纳米颗粒表面，而使得到的γ-铁氧化物纳米颗粒获得亲水性。这些纳米颗粒的TEM图如图8所示；傅里叶变换-红外(FT-IR)谱图如图9所示。由图8和图9可见，这些纳米颗粒在水中的分散性、物理和化学性能与实施例3中的颗粒相同。

实施例5

使γ-铁氧化物纳米颗粒获得亲水性的表面改性(III)

将1毫升由实施例2所得溶液用25毫升氯仿(CHCl₃)进行稀释。在室温下将3毫升含有0.05摩尔/升2-氨基乙硫醇和0.11摩尔/升NaOH的甲醇溶液加入到上述稀释溶液中，同时用超声波及涡流搅拌溶液。然后向溶液中加入25毫升水和25毫升甲醇，通过磁性分离纳米颗粒，并用甲醇洗涤。因此，通过在铁(Fe)和硫(S)之间形成共价键，而使得到的γ-铁氧化物纳米颗粒获得化学稳定性；通过胺基(NH₂)裸露于纳米颗粒表面，而使得到的γ-铁氧化物纳米颗粒获得亲水性。这些纳米颗粒的TEM图如图10所示；FT-IR谱图如图11所示。由图10和图11可见，这些纳米颗粒在水中具有良好的分散性。

以上通过实施例详细说明了经过表面改性能变得具有亲水性的金属氧化物基纳米颗粒及其制备方法。但应该理解的是，除非特别指明，上述实施方式并不限于任何前述具体细节，而应当广义地解释为如所附权利要求定义的精神和范围，因此，所有落入权利要求界限内的改变和修正，或其等同情形，都视作被所附权利要求所涵盖。