一种粒径均一可功能化的超顺磁纳米粒子及其制备方法

摘要

一种粒径均一可功能化的超顺磁纳米粒子具有一个超顺磁纳米粒子核，并在此磁纳米粒子核上分别连接若干水溶性高分子链段以及含可修饰氨基端基的有机链段；所述的磁纳米粒子核为MFe2O4超顺磁纳米粒子，其中，金属M是Fe、Co、Mn中的一种，即，磁纳米粒子是Fe3O4、CoFe2O4或MnFe2O4中的一种，磁纳米粒子的粒径在4-12nm之间，粒径分布不大于20％。合成的这种材料可以广泛应用于药物靶向释放、磁热疗、生物荧光检测等。合成的磁纳米粒子粒径均一，使其适合生物应用需求。同时，其表面修饰了末端保留氨基的有机硅化合物，氨基能广泛的与生物功能性物质结合，使得合成的磁纳米粒子可以方便的进行生物功能化。

说明书

技术领域

本发明属于生物功能化材料技术领域，具体涉及一种粒径均一的含可修饰的氨基超顺磁性纳米粒子及其制备方法。

背景技术

超顺磁性纳米粒子具有特殊的磁学性质，其磁学性质会随着外界环境的变化而产生变化，这使得它们在化学与生物传感等方面有着广阔的应用前景。但是传统的超顺磁纳米粒子作为生物传感材料还存在着粒径不够均一，难以进行生物应用，以及表面基团难于生物功能化的等缺点；对合成粒径均一的超顺磁纳米粒子，并使之能方便的生物功能化，成为目前研究的热点。

本发明通过合成一系列粒径均一的超顺磁纳米粒子，并在其表面引入易于生物功能化的氨基端基，以提高超顺磁纳米粒子的生物相容性和生物功能性。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种粒径均一的含可修饰的氨基的生物功能性超顺磁性纳米粒子及其制备方法。

技术方案：本发明的粒径均一可功能化的超顺磁纳米粒子具有一个超顺磁纳米粒子核，并在此磁纳米粒子核上分别连接若干水溶性高分子链段以及含可修饰氨基端基的有机链段；

所述的磁纳米粒子核为MFe₂O₄超顺磁纳米粒子，其中，金属M是Fe、Co、Mn中的一种，即，磁纳米粒子是Fe₃O₄、CoFe₂O₄或MnFe₂O₄中的一种，磁纳米粒子的粒径在4-12nm之间，粒径分布不大于20％。

水溶性高分子链段为聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯高分子链，具体结构为：

m是聚合度，m为5-100，

n为聚乙二醇单体的链节长度，n为6-7，

高分子链通过端基上的-COO^-基团与磁纳米粒子核相连接。

含可修饰氨基端基的有机链段，其结构为通过Si-O-键与磁纳米粒子核连接。

合成方法具体步骤如下：

a.磁纳米粒子的合成：

在二苄醚溶剂中乙酰丙酮铁在1，2-十六二醇、油酸、油胺的共同作用下，高温分解成单分散的磁纳米粒子，

具体步骤为：将乙酰丙酮铁(III)、1，2-十六二醇、油酸、油胺溶于二苄醚中，在不断通入氮气的条件磁力搅拌，在氮气保护下将混合溶液加热到200℃持续2小时，然后升温到300℃下再加热一小时，移开热源冷却到室温，加入乙醇，有黑色沉淀生成。用离心分离法分离出黑色沉淀，并将其分散在含油酸和油胺的正己烷溶液中，离心分离出的黑色沉淀即为磁纳米粒子，将磁纳米粒子减压干燥，在0-4℃下保存；

b.磁纳米粒子上引发剂的引入：

3-氯丙酸引发剂通过置换作用引入磁纳米粒子的表面，

具体步骤为：将油酸稳定的磁纳米粒子分散在3-氯丙酸的正己烷溶液中，在氩气保护下常温磁力搅拌24小时，离心分离得到引入引发剂的磁纳米粒子，用正己烷洗涤三次减压干燥，在0-4℃下保存；

c.水溶性磁纳米粒子的合成：

以连接在磁纳米粒子上的3-氯内酸为引发剂，通过ATRP反应与聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯聚合物包裹的水溶性磁纳米粒子，

具体步骤为：引入引发剂的磁纳米粒子直接溶解在聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯单体中，通氩气15分钟，加入CuCl和联吡啶，再通氩气10分钟，将混合溶液密封，在30℃水浴下磁力搅拌18小时。反应完成后用四氢呋喃稀释反应混合液，离心分离所得混合液，去除含铜沉淀，将剩余混合液滴入乙醚中，得到深褐色沉淀。将沉淀溶解在乙醇中，离心分离剩余的沉淀，重复溶解-沉淀-离心过程三次，真空干燥，得到水溶性磁纳米粒子；

d.生物功能化的磁纳米粒子的合成：

通过置换作用，将含氨基的三甲氧基硅置换在水溶性磁纳米粒子表面，

具体步骤为：将含氨基的三甲氧基硅(CH₃O)₃SiCH₂CH₂NH₂)溶解在乙醚中，加入上述制得的磁纳米粒子，在通氩气的情况下常温磁力搅拌24小时，离心分离所得磁纳米粒子，用乙醚洗涤三次，真空干燥，得到最终的生物功能化的水溶性磁纳米粒子。

在磁纳米粒子的合成中，将乙酰丙酮铁(III)、1，2-十六二醇、油酸、油胺溶于二苄醚时，如需合成含锰或钴的磁纳米粒子则还需加入乙酰丙酮锰(II)或乙酰丙酮钴(II)。

有益效果：本发明通过采用高温有机相共沉积法等步骤，合成了尺寸均一的超细磁纳米粒子(尺寸小于10nm)，利用ATRP聚合在其表面挂接生物相容性的聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯，在磁纳米粒子表面挂接含氨基的三甲氧基硅，使其能在氨基上修饰生物功能性的荧光基团，实现生物功能化。

合成的这种超顺磁纳米粒子粒径均一，避免了粒径不一可能带来的磁纳米粒子物理性能的变化及对生物体的伤害，使其能较好的运用于生物体内.同时，合成的这种超顺磁纳米粒子上引入了含氨基的三氧甲基硅，氨基可以用于连接与某些具有特异性识别的生物分子的生物功能性基团，实现对特定生物分子的检测.另外，表面引入的高分子链节为聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(PEGMA)，PEGMA具有很好的水溶性和生物相容性，使得这种超顺磁纳米粒子具有很好的生物相容性，大大减小了共轭聚合物对生物体的毒性.

具体实施方式

采用高温有机相共沉积法等步骤，合成了尺寸均一的超细磁纳米粒子(尺寸小于10nm)，利用ATRP聚合在其表面挂接生物相容性的聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯，在磁纳米粒子表面挂接含氨基的三甲氧基硅，使其能在氨基上修饰各种生物功能性基团，实现生物功能化。

合成的这种超顺磁纳米粒子粒径均，避免了粒径不一可能带来的磁纳米粒子物理性能的变化及对生物体的伤害，使其能较好的运用于生物体内。同时，合成的这种超顺磁纳米粒子上引入了含氨基的三氧甲基硅，氨基可以用于连接与某些具有特异性识别的生物分子的生物功能性基团，实现对特定生物分子的检测。另外，表面引入的高分子链节为聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(PEGMA)，PEGMA具有很好的水溶性和生物相容性，使得这种超顺磁纳米粒子具有很好的生物相容性，大大减小了共轭聚合物对生物体的毒性。

本发明提供的超顺磁纳米粒子的结构中，

为MFe₂O₄磁纳米粒子核，其中，金属M是Fe、Co、Mn中的一种，磁纳米粒子的粒径在4-12nm之间，粒径分布不大于20％

为聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯高分子链，具体结构为

m是聚合度，m为5-100，

n为聚乙二醇单体的链节长度，n为6-7，

高分子链通过端基上的-COO^-基团与磁纳米粒子核相连接。

通过Si-O-键与磁纳米粒子核连接。

上述磁纳米粒子中，下面的三例比较典型。

(1)磁纳米粒子核为Fe₃O₄，磁纳米粒子周围附着着具有生物相容性的聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯和能生物功能化的带氨基的有机硅化物，其结构特征如下：

或者，(2)磁纳米粒子核为CoFe₂O₄，磁纳米粒子周围附着着具有生物相容性的聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯和能生物功能化的带氨基的有机硅化物，其结构特征如下：

或者，(3)磁纳米粒子核为MnFe₂O₄，磁纳米粒子周围附着着具有生物相容性的聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯和能生物功能化的带氨基的有机硅化物，其结构特征如下：

本发明的上述化合物的合成方法如下：

(一)磁纳米粒子的合成

在二苄醚溶剂中乙酰丙酮铁在1，2-十六二醇、油酸、油胺的共同作用下，高温分解成单分散的磁纳米粒子。

具体步骤如下：

将乙酰丙酮铁(III)(如需合成含锰或钴的磁纳米粒子则还需加入乙酰丙酮锰(II)或乙酰丙酮钴(II))、1，2-十六二醇、油酸、油胺溶于二苄醚中，在不断通入氮气的条件磁力搅拌，在氮气保护下将混合溶液加热到200℃持续2小时，然后升温到300℃下再加热一小时，移开热源冷却到室温，加入乙醇，有黑色沉淀生成.用离心分离法分离出黑色沉淀，并将其分散在含油酸和油胺的正己烷溶液中，离心分离出的黑色沉淀即为磁纳米粒子，将磁纳米粒子减压干燥，在0-4℃下保存.

(二)磁纳米粒子上引发剂的引入

3-氯丙酸引发剂通过置换作用引入磁纳米粒子的表面。具体步骤如下：

将油酸稳定的磁纳米粒子分散在3-氯丙酸的正己烷溶液中，在氩气保护下常温磁力搅拌24小时，离心分离得到引入引发剂的磁纳米粒子，用正己烷洗涤三次减压干燥，在0-4℃下保存。

(三)水溶性磁纳米粒子的合成

以连接在磁纳米粒子上的3-氯丙酸为引发剂，通过ATRP反应与聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯聚合物包裹的水溶性磁纳米粒子。具体步骤如下：

引入引发剂的磁纳米粒子直接溶解在聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯单体中，通氩气15分钟，加入CuCl和联吡啶，再通氩气10分钟，将混合溶液密封，在30℃水浴下磁力搅拌18小时。反应完成后用四氢呋喃稀释反应混合液，离心分离所得混合液，去除含铜沉淀，将剩余混合液滴入乙醚中，得到深褐色沉淀。将沉淀溶解在乙醇中，离心分离剩余的沉淀，重复溶解-沉淀-离心过程三次，真空干燥，得到水溶性磁纳米粒子。

(四)生物功能化的磁纳米粒子的合成

通过置换作用，将含氨基的三甲氧基硅置换在水溶性磁纳米粒子表面。

具体步骤如下：

将含氨基的三甲氧基硅(CH₃O)₃SiCH₂CH₂NH₂)溶解在乙醚中，加入上述制得的磁纳米粒子，在通氩气的情况下常温磁力搅拌24小时，离心分离所得磁纳米粒子，用乙醚洗涤三次，真空干燥，得到最终的生物功能化的水溶性磁纳米粒子。

为了更好地理解本发明，下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1、Fe₃O₄作为磁纳米粒子核的生物功能化超顺磁纳米粒子的合成

(一)磁纳米粒子的合成

具体步骤如下：

将乙酰丙酮铁(III)(1.766g，0.337mL，5mmol)、1，2-十六二醇(6.461g，25mmol)、油酸(4.237g，4.761mL，15mmol)、油胺(4.012g，4.935mL，15mmol)溶于50mL二苄醚中，在不断通入氮气的条件磁力搅拌，在氮气保护下将混合溶液加热到200℃持续2小时，然后升温到300℃下再加热一小时，移开热源冷却到室温，加入100mL乙醇，有黑色沉淀生成.在6000转/分钟的速度下离心分离10分钟，离心分离出黑色沉淀，并将其分散在含1mL油酸和1mL油胺的40mL正己烷溶液中，在6000转/分钟的速度下离心分离10分钟，离心分离出的黑色沉淀即为磁纳米粒子，将磁纳米粒子减压干燥，在0-4℃下保存.

(二)磁纳米粒子上引发剂的引入

具体步骤如下：

将100mg油酸稳定的磁纳米粒子分散在100mL0.25mol/L的3-氯丙酸的正己烷溶液中，在氩气保护下常温磁力搅拌24小时，6000转/分钟的速度下离心分离4分钟，离心分离得到引入引发剂的磁纳米粒子，用正己烷洗涤三次减压干燥，在0-4℃下保存。

(三)水溶性磁纳米粒子的合成

将60.0mg引入引发剂的磁纳米粒子直接溶解在6mL聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯单体中，得到一透明褐色溶液，通氩气15分钟，加入5.1mgCuCl和24mg联吡啶，再通氩气10分钟，将混合溶液密封，在30℃水浴下磁力搅拌18小时。反应完成后以1∶5的比例用四氢呋喃稀释反应混合液，在4000转/分钟的速度下离心分离4分钟离心分离所得混合液，去除含铜沉淀，将剩余混合液滴入200mL乙醚中，得到深褐色沉淀。将沉淀溶解在乙醇中，在2000转/分钟的速度下离心分离4分钟离心分离剩余的沉淀，重复溶解-沉淀-离心过程三次，真空干燥，得到水溶性磁纳米粒子。

(四)生物功能化的磁纳米粒子的合成

将2g含氨基的三甲氧基硅(CH₃O)₃SiCH₂CH₂NH₂)溶解在50mL乙醚中，加入30mg上述制得的磁纳米粒子，在通氩气的情况下常温磁力搅拌24小时，在4000转/分钟的速度下离心分离4分钟离心分离所得磁纳米粒子，用乙醚洗涤三次，真空干燥，得到最终的生物功能化的水溶性磁纳米粒子。

实施例2、CoFe₂O₄作为磁纳米粒子核的生物功能化超顺磁纳米粒子的合成

(一)磁纳米粒子的合成

具体步骤如下：

将乙酰丙酮铁(III)(1.413g，4mmol)、乙酰丙酮钴(II)(0.5503g，2mmol)、1，2-十六二醇(7.753g，30mmol)、油酸(5.084g，5.713mL，18mmol)、油胺(4.814g，5.922mL，18mmol)溶于60mL二苄醚中，在不断通入氮气的条件磁力搅拌，在氮气保护下将混合溶液加热到200℃持续2小时，然后升温到300℃下再加热一小时，移开热源冷却到室温，加入100mL乙醇，有黑色沉淀生成.在6000转/分钟的速度下离心分离10分钟，离心分离出黑色沉淀，并将其分散在含1mL油酸和1mL油胺的40mL正己烷溶液中，在6000转/分钟的速度下离心分离10分钟，离心分离出的黑色沉淀即为磁纳米粒子，将磁纳米粒子减压干燥，在0-4℃下保存.

(二)磁纳米粒子上引发剂的引入

具体步骤如下：

将100mg油酸稳定的磁纳米粒子分散在100mL0.25mol/L的3-氯丙酸的正己烷溶液中，在氩气保护下常温磁力搅拌24小时，6000转/分钟的速度下离心分离4分钟，离心分离得到引入引发剂的磁纳米粒子，用正己烷洗涤三次减压干燥，在0-4℃下保存。

(三)水溶性磁纳米粒子的合成

将60.0mg引入引发剂的磁纳米粒子直接溶解在6mL聚(乙二醇)甲基内烯酸酯单体中，得到一透明褐色溶液，通氩气15分钟，加入5.1mgCuCl和24mg联吡啶，再通氩气10分钟，将混合溶液密封，在30℃水浴下磁力搅拌18小时。反应完成后以1∶5的比例用四氢呋喃稀释反应混合液，在4000转/分钟的速度下离心分离4分钟离心分离所得混合液，去除含铜沉淀，将剩余混合液滴入200mL乙醚中，得到深褐色沉淀。将沉淀溶解在乙醇中，在2000转/分钟的速度下离心分离4分钟离心分离剩余的沉淀，重复溶解-沉淀-离心过程三次，真空干燥，得到水溶性磁纳米粒子。

(四)生物功能化的磁纳米粒子的合成

将2g含氨基的三甲氧基硅(CH₃O)₃SiCH₂CH₂NH₂)溶解在50mL乙醚中，加入30mg上述制得的磁纳米粒子，在通氩气的情况下常温磁力搅拌24小时，在4000转/分钟的速度下离心分离4分钟离心分离所得磁纳米粒子，用乙醚洗涤三次，真空干燥，得到最终的生物功能化的水溶性磁纳米粒子。