一种水溶性单分散铁镍磁性纳米粒子及其应用

摘要

本发明公开了一种水溶性单分散铁镍磁性纳米粒子，制备方法首先以油胺为溶剂和还原剂，高温热解乙酰丙酮合铁及乙酰丙酮合镍得到油溶性的铁镍磁性纳米粒子，然后用配体交换的方法，巧妙地将油溶性的纳米粒子转变为水溶性的纳米粒子。然后再偶联上水溶性的生物大分子，得到单分散和生物兼容性好的磁性纳米粒子。这种制备方法对设备的要求很低，操作过程方便，所需原料价格低廉，副产物无公害。最后经过磁共振成像实验测试，说明其可作为一种很好的磁共振成像造影剂。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。

说明书

技术领域

本发明涉及到纳米磁共振造影剂材料及其制备方法，具体涉及铁磁性铁镍纳米粒子的合成及其功能化研究。

背景技术

磁共振成像利用生物体不同组织在外磁场影响下产生不同的共振信号来成像，信号的强弱取决于组织内水的含量和水分子中质子的弛豫时间。1973年，Lauterbur首次将磁共振成像(magnetic resonanceimaging，MRI)应用于人体诊断以来，这一技术在生物、医学等领域已得到迅速发展和广泛应用。此技术已广泛应用于人体的头部、神经系统、腹部及血管的造影，对检测组织坏死、局部缺血和各种恶性病变特别有效，并能进行早期诊断，监测人体循环系统的代谢，其成像对比度优于CT扫描术。

传统X射线和CT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，提高正常与患病部位的成像对比度，从而显示体内器官的功能状态，是用来缩短成像时间的成像增强对比剂。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，T1和T2弛豫时间的倒数，即1/T1和1/T2为两者的弛豫率，弛豫效率为造影剂浓度和弛豫率关系的斜线。另外一种造影方法为使用一些无质子的物质或抗磁性物质，目前主要应用于胃肠腔造影。

在MRI造影剂的研究报道中，已做过动物实验研究的化合物达数百种，按其构成大致可分为铁磁性微粒、脂质体、稳态自由基、金属小分子配合物和金属大分子配合物等5种类型。按MRI造影剂在体内的分布情况可分为非特异性细胞外液间隙对比剂、病灶靶向性造影剂和血池性造影剂。按作用机制则可分为纵向弛豫增强造影剂和横向弛豫增强造影剂两大类。磁共振造影剂的优异功效使其成为MRI日常应用中的重要辅助手段，首例肝靶向性造影剂已经进入市场，淋巴和血池造影剂也即将进入日常应用。不久的将来，能广泛应用的病变区或器官靶向性造影剂将成为医学诊断成像的基本工具。但是，在进一步研究与开发的过程中，MRI造影剂待改善的地方很多，如顺磁效率(包括T1和T2)、用药剂量、制备成本、毒性与稳定性、在生物体内的分布、代谢及药理等方面的问题。近年来，随着MR新成像技术(如MR血管造影、灌注MR、扩散加权MRI等)的发展及其在临床诊断中应用的普及，MRI造影剂的研究和开发将面临更大的挑战，合成具有高弛豫效率、对组织或器官有靶向性的造影剂、减小用药剂量、降低造影剂的毒性和制备成本是研究的主要方向。

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。铁磁性造影剂由于其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，已成为目前研发的热点。制备铁磁性造影剂的关键在于如何制备出磁性能优异(高饱和磁化强度和初始磁化率)的铁磁性材料，以及在此基础上对磁性纳米粒子表面进行修饰，形成具有核壳结构的磁性纳米粒子，以增强其稳定性、水溶性和生物相容性，并降低其毒性。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，铁酸盐类的磁性纳米粒子在磁共振造影剂的研究中也广受欢迎。在生物应用中，磁性纳米粒子必须是单分散的、高晶的和水溶性的，才能在生物条件下有很好的重现性、很高的饱和磁化率和好的生物兼容性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水溶性单分散铁镍磁性纳米粒子。

本发明另一个目的在于将上述水溶性单分散铁镍磁性纳米粒子用于制备磁共振造影剂材料。

本发明利用油胺做溶剂和还原剂通过高温热解的方法制备油溶性的磁性纳米粒子，并用配体交换及表面修饰的化学方法得到生物兼容性好的磁共振造影剂材料。

这种水溶性单分散铁镍磁性纳米粒子以油溶性的FeNi₃磁性纳米粒子为核，即先以油胺为溶剂和还原剂，高温热解乙酰丙酮合铁及镍得到单分散、粒径均一的油溶性的铁镍磁性纳米粒子(即表面带油胺的FeNi₃磁性纳米粒子，参考Yuanzhi Chen，Xiaohua Luo等人用高温热解的方法制备FeNi₃纳米粒子的文献，Xiamen University，China)；油溶性的FeNi₃磁性纳米粒子通过配体交换后其表面连接一个阿仑膦酸盐配体，将纳米粒子表面的油胺置换下来，得到外端带氨基的水溶性FeNi₃纳米粒子；再使配体外端的氨基部分与双羧酸聚乙二醇中的羧基发生羧合反应，由于聚乙二醇是一个很好的亲水性基团，经过表面修饰后得到单分散、水溶性好、弛豫能力很强、生物兼容性好的FeNi₃磁性纳米粒子，经过磁共振成像实验测试，说明其可作为一种很好的磁共振造影剂材料。

技术方案为，一种水溶性单分散铁镍磁性纳米粒子，制备方法包括如下步骤：

(1)以油胺为溶剂和还原剂，高温热解乙酰丙酮合铁及乙酰丙酮合镍得到油溶性的铁镍(FeNi₃)磁性纳米粒子；

(2)将油溶性的铁镍磁性纳米粒子加入阿仑膦酸盐溶液，油溶性的FeNi₃磁性纳米粒子与阿仑膦酸盐的比例为5～15mg/mmol，惰性气体保护下反应6～10h，得到氨基功能化的铁镍磁性纳米粒子；

(3)将步骤(2)所得氨基功能化的铁镍磁性纳米粒子通过表面修饰法与含有聚乙二醇的分子连接，得到水溶性单分散FeNi₃磁性纳米粒子。

步骤(1)中，乙酰丙酮合铁和乙酰丙酮合镍的摩尔比为1∶3；热解的条件为：升温至120～140℃，惰性气体保护下，加热0.1～1h；再升温至300～320℃，惰性气体保护下，加热0.5～2h。

步骤(2)中所述的阿仑膦酸盐为阿仑膦酸钠或阿仑膦酸钾。阿仑膦酸盐溶液的浓度为0.1～0.2mol/L。

步骤(2)的反应温度为10～30℃。

步骤(1)和(2)中的惰性气体为氮气、氩气、氖气或氦气。

步骤(3)中，表面修饰法为：将氨基功能化的铁镍磁性纳米粒子与双羧基聚乙二醇的有机溶液混合，10～30℃下反应6～12h；氨基功能化铁镍纳米粒子与双羧基聚乙二醇(poly entylene glycol biscarboxynethyl ether)的比例为20～40mg/mmol。

所述双羧基聚乙二醇的有机溶液优选为双羧基聚乙二醇的二甲基亚砜(DMSO)溶液，浓度为0.02～0.1mol/L。

所述双羧基聚乙二醇分子量为500～800。

本发明制得的水溶性单分散FeNi₃磁性纳米粒子形貌呈圆球形，平均粒径是6～12nm，常温下表现出磁滞现象，但相对于其它铁酸盐或氧化物磁共振造影剂材料其饱和磁化率高，可达到58emu/g。

该方法中，在一开始制备油溶性的FeNi₃磁性纳米粒子时选用油胺为溶剂和还原剂，油胺可以把铁离子，镍离子还原成金属单质，同时油胺中的氮原子与FeNi₃中的与Fe或Ni配位，得到表面带有烷烃链的油溶性的纳米粒子；再用配体交换的方法，利用膦酸根中氧原子与Fe或Ni配位能力大于氮原子与Fe或Ni的配位能力以及双膦酸根的协同配位作用，用阿仑膦酸盐配体把FeNi₃纳米粒子表面的油胺置换下来，得到外端带有氨基的水溶性纳米粒子；然后通过表面修饰方法外端再接一个含有聚乙二醇的生物大分子，经过表面修饰后的纳米粒子水溶性极好。

制备油溶性的FeNi₃纳米粒子时，按照乙酰丙酮合铁与乙酰丙酮合镍的摩尔比为1∶3的比例进行投料。由于该实验是在无水无氧的条件下进行的，所以加热过程中用氮气等惰性气体保护反应过程，温度首先加热到120～140℃，反应30min，在此温度范围内，水以蒸汽的状态被排除干净，并且在此温度范围内反应前躯体不会热解，再加热到300～320℃.原子开始重新组装、成核、结晶，形成FeNi₃纳米粒子。

本发明在简单及普通的实验装置条件下，即可制备分散性好、粒径均匀、水溶性好、饱和磁化率高，弛豫能力强、具有生物兼容性的FeNi₃纳米粒子。反应时间短，所需原材料易得，价格低廉。操作过程方便。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。

附图说明

图1为实施例3油溶性FeNi₃磁性纳米粒子的透射电子显微镜(TEM)照片

图2为实施例3油溶性FeNi₃磁性纳米粒子的高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)照片

图3是实施例3油溶性FeNi₃磁性纳米粒子的X-射线电子衍射图(XRD)。

图4是实施例5配体交换及表面修饰后得到的水溶性单分散FeNi₃磁性纳米粒子的透射电子显微镜(TEM)照片

图5是实施例5水溶性单分散FeNi₃磁性纳米粒子在常温下的磁滞回线

图6是实施例3～4所制备的FeNi₃磁性纳米粒子在配体交换前后在不同溶剂中的分散情况

图7是实施例5水溶性单分散FeNi₃磁性纳米粒子T2加权成像图，为含有不同浓度FeNi₃纳米磁共振材料在水中分散后的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＝1000ms/8000us，选层厚度为0.6mm，谱宽SW＝65KHz，接收机增益RG＝3。从该图中可知，随着FeNi₃纳米磁共振材料中FeNi₃的浓度的逐渐增加，信号逐渐变暗。

图8是实施例5水溶性单分散FeNi₃磁性纳米粒子在水溶液中的T2驰豫率(1/T2)相对于Fe³⁺浓度拟合的直线图

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NiCl₂.6H₂O(2.377g，10mmol)溶解在10ml水中，然后加乙酰丙酮(4.1ml，40mmol)于反应溶液中，在室温的条件下，磁力搅拌，15min后停止搅拌，加3ml三乙胺，反应液中会出现大量的绿色沉淀，过滤。

然后配制乙醇和水的混合溶液(乙醇与水的体积比为8∶2)，将得到的绿色固体加到此溶液中，在90℃的温度下，搅拌直至完全溶解，然后室温冷却，发现有绿色片状的结晶，过滤，得到的绿色片状晶体就是所要的产物Ni(acac)₂。

实施例2

称取FeCl₃(1.62g，10mmol)溶解在10ml水中，然后加乙酰丙酮(6.15ml，60mmol)于反应溶液中，在室温的条件下，磁力搅拌，15min后停止搅拌，加3ml三乙胺，反应液中会出现大量的红色沉淀，过滤。

然后配制乙醇和水的混合溶液(乙醇与水的体积比为7∶3)，将得到的红色固体加到此溶液中，在80℃的温度下搅拌直至完全溶解，然后室温冷却，过滤，得到的红色颗粒状晶体就是所要的产物Fe(acac)₃。

实施例3

称取实施例1和2所制备的Fe(acac)₃(0.75mmol，0.2647g)和Ni(acac)₂(2.25mmol，0.5775g)，加入到到100ml的三颈烧瓶中，再加油胺(20mL，75.5％)于100ml的三颈烧瓶中。

在磁力搅拌的条件下，首先加热到130℃用N₂排去反应液中的水分和空气，维持氮气保护状态，加热0.5h；再升温至300℃回流1h；停止搅拌，冷却至室温，离心分离，用无水乙醇和环己烷体积比为1∶1的混合溶液(可以以任意体积比混合)洗涤3～5次，得到黑色物质，真空干燥。此黑色物质即表面是油胺的油溶性的FeNi₃磁性纳米粒子。

由JEOL JEM-2100高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)测试，得到的透射电子显微镜(TEM)照片和高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)照片如图1和图2所示，从图中可以看出该纳米粒子尺寸均一，且具有很好的单分散性，平均尺寸为9nm左右；而且是晶体。

由DMAX 2000X-射线衍射仪测试，该衍射仪为Cu/Kα-辐射(λ＝0.15405nm)(40kV，40mA)，X-射线电子衍射图(XRD)如图3所示，进一步说明了合成得到的产物为FeNi₃纳米晶体。

实施例4

称取油溶性的FeNi₃磁性纳米粒子40mg溶于5ml无水乙醇配成溶液，然后将溶液加入到40ml阿仑膦酸钠(1.7864g，0.14mol/L)水溶液中，在室温(25℃)的条件下，抽真空，N₂保护，磁力搅拌，反应7h，离心过滤，并用DMSO溶液洗涤2～5次，即得到外端带氨基的水溶性的FeNi₃磁性纳米粒子。

阿仑膦酸钠是由济南恒化科技有限公司制造的分析纯，纯度大于97.0％的白色结晶粉末，其结构式如下：

配体交换前后的粒子在不同溶剂中的溶解性和分散情况如图6所示，从图中可见，配体交换前的粒子分散于正己烷中，交换后则分散于水中。

实施例5：

称取水溶性氨基功能化的FeNi₃纳米磁性粒子60mg溶于50ml平均分子量为600的双羧酸聚乙二醇(1.5000g，0.05mol/L)的DMSO(二甲基亚砜)溶液中，在室温(25℃)的条件下，磁力搅拌，反应8h，反应完全后离心过滤，并用去离子水洗涤2～5次，即得到分散性和生物兼容性好的水溶性单分散FeNi₃纳米粒子，可用作磁共振造影剂材料。

双羧酸聚乙二醇由西安泛泰化工有限公司制造，常温下密度为1.302g/ml的无色液体，结构式如下：

HOOCCH₂(OCH₂CH₂)_nOCH₂COOH

JEOL JEM-2100高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)测试，透射电子显微镜(TEM)照片如图4所示，从该图可以看出该材料的尺寸均一，经过配体交换及表面修饰后粒径大小略微增大，并且其仍具有很好的单分散性。

常温下的磁滞回线如图5所示，是在常温条件下测得的FeNi₃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铁磁性，饱和磁化率达到58emu/g。

不同浓度水溶性单分散FeNi₃磁性纳米粒子的水中分散后的T2加权成像图如图7所示，由0.5T的磁共振成像仪测试，具体参数：TR/TE＝1000ms/8000us，选层厚度为0.6mm，谱宽SW＝65KHz，接收机增益RG＝3。从该图中可知，随着FeNi₃纳米磁共振材料中FeNi₃的浓度的逐渐增加，信号逐渐变暗。

在水溶液中的T2驰豫率(1/T2)相对于Fe³⁺浓度拟合的直线图如图8所示，直线的斜率即为横向驰豫率r2，由该图可见：所制备的FeNi₃纳米磁共振造影剂具有很强的驰豫能力，横向驰豫率r2＝43.1FemM^-1s^-1。