纳米粒子和纳米粒子溶胶的制备方法及两者在磁共振成像造影剂中的应用

摘要

本发明涉及纳米粒子和纳米粒子溶胶的制备方法及两者在磁共振成像造影剂中的应用。其中，纳米粒子溶胶的制备方法，包括步骤：将三价铁的化合物与含二价金属离子的化合物溶入含羟基或羧基的化合物的水溶液中进行反应，所述二价金属离子选自Fe

说明书

技术领域

本发明涉及纳米粒子和纳米粒子溶胶的制备方法及应用，尤其涉及包含二价金属离子的纳米粒子和纳米粒子溶胶的制备方法以及在磁共振成像造影剂中的应用。

背景技术

磁共振成像(MRI)技术是现代医学临床诊断中最重要的影像技术之一，由于使用安全、成像分辨率高、伪影少、提供的信息丰富等优点，MRI目前几乎被应用于人体任何部位的检查。特别是MRI没有X射线(对人体无损伤)、多平面直接成像、图像直观、可重复性大、密度分辨率和空间分辨率高等特点是超声和CT所无法比拟的；加上不断开发利用的新的成像程序及MRI造影剂的应用，尤其是基于超顺磁纳米材料的MRI造影剂的开发与研制，都给MRI诊断肿瘤和其它疾病提供了良好的基础及发展前景。

超顺磁纳米材料能否用作MRI造影剂，需要考虑材料的水溶性、粒径尺寸、毒性和生物相容性等问题。特别是粒径尺寸和水溶性，因为在MRI肿瘤诊断中，造影剂需要进入细胞才能有效灵敏地作出诊断，一般需要粒子尺寸在10nm以下才能达到良好的效果。由于无毒以及较强的磁学性质，以纳米四氧化三铁(Fe₃O₄)为代表的超顺磁MFe₂O₄(其中M为Fe、Zn、Ni或Mn)纳米粒子材料成为研究最为广泛的MRI造影剂材料。目前，常用的超顺磁纳米材料的制备方法包括共沉淀法和有机盐热分解法。以Fe₃O₄纳米粒子的制备为例，首先将铁盐溶解到溶剂中，并剧烈搅拌，然后在碱性环境中生成Fe₃O₄纳米粒子，并使生成物自然沉淀或者采用磁分离的方法分离出Fe₃O₄纳米粒子；或以乙酰丙酮铁等有机铁盐为反应物，在有机相中制备出Fe₃O₄纳米粒子，然后通过表面包覆或修饰实现纳米粒子由有机相到水相的转移。以上方法制备的超顺磁Fe₃O₄纳米粒子，一般粒径较大(10nm以上)，而且水溶性差，必须通过相转移步骤实现其水相分散，这就限制了超顺磁纳米粒子材料在生物医学，特别是在MRI造影剂中的应用。因此，实现超顺磁纳米粒子在MRI造影剂中的应用，必须很好地解决材料的尺寸控制、毒性、水溶性、生物相容性等一系列问题。

基于以上情况，发展一种水溶性好、生物相容性好、无毒、均匀小粒径的MFe₂O₄纳米粒子材料的制备方法，将制备出的纳米粒子应用在MRI造影剂中，将有助于开发出一种成像分辨率高、信号丰富的MRI造影剂。因此，基于MFe₂O₄纳米粒子的MRI造影剂对于提高MRI检测灵敏度、降低医学检测成本，保障人民生命和健康具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何制备高水溶性、均匀小粒径和无毒的超顺磁纳米粒子材料。

为解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供纳米粒子溶胶的制备方法，包括步骤：将三价铁的化合物与含二价金属离子的化合物溶入含羟基或羧基的化合物的水溶液中进行反应，所述二价金属离子选自Fe²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺或Mn²⁺；反应制得含MFe₂O₄纳米粒子的溶胶，其中M为Fe、Zn、Ni或Mn。

在上述方法中，含羟基或羧基的化合物的水溶液具有稳定作用，可以使反应稳定进行，使产物粒径均匀并稳定分散。所述含羟基或羧基的化合物优选为糖、醇或有机酸。

可选地，还包括步骤：在制得的纳米粒子溶胶内加入表面活性剂。优选的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵或十二烷基磺酸钠。用以控制纳米粒子的粒径，防止纳米粒子团聚和纳米粒子生长过大的情况出现。

可选地，还包括步骤：对制得的纳米粒子溶胶在20℃至99℃的水浴中进行陈化处理20小时以上。用以获得粒径均匀的纳米粒子，以符合制备MRI造影剂的需要。

可选地，所述三价铁的化合物与含二价金属离子的化合物的摩尔比为2∶1至1∶1，且含二价金属离子的化合物与含羟基或羧基的化合物的摩尔比为1∶12至1∶1。经过发明人的创造性劳动发现，采用这个比例可以得到水溶性好、颗粒均匀和尺寸较小的Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄或MnFe₂O₄纳米粒子。

可选地，所述反应的反应温度优选为20℃至30℃。发明人发现，在该温度范围内可以得到粒径可控的Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄或MnFe₂O₄纳米粒子。

另外，本发明的另一方面还包括纳米粒子的制备方法，包括步骤：将前述纳米粒子溶胶依次进行透析和冷冻干燥处理，制得粉末状的Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄或MnFe₂O₄纳米粒子。

根据本发明的又一个方面，前述Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄或MnFe₂O₄纳米粒子或纳米粒子溶胶可以应用于磁共振成像造影剂中。

本发明所提供的纳米粒子溶胶的制备方法操作简单、制备成本低、反应过程无需氮气保护。纳米粒子产物具有粒径小且粒径分布较窄、尺寸可控、水溶性好、生物相容性好等优点。

本发明所提供的制备方法所制备的纳米粒子是一种具有超顺磁性的纳米材料，在磁共振医学造影诊断中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1至4分别为本发明各实施例所制备的Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄及MnFe₂O₄纳米粒子的TEM图；

图5为本发明实施例中所制备的Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄纳米粒子的XRD图；

图6为本发明实施例中所制备的Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、MnFe₂O₄纳米粒子的磁化曲线图；

图7为对本发明一个实施例中所制备的Fe₃O₄纳米粒子进行MRI测试的T1和T2加权信号图；

图8为对本发明实施例中所制备的ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、MnFe₂O₄纳米粒子进行MRI测试的T1和T2加权信号图。

具体实施方式

本发明所述MFe₂O₄(其中M为Fe、Zn、Ni或Mn)纳米粒子具体通过以下步骤制备：

1、称取或量取适量具有稳定作用的含-OH或-COOH的化合物或其溶液，将其溶解到适量水中，搅拌并充分溶解后得到浓度为0.01mol/L至0.9mol/L的具有稳定作用的含-OH或-COOH化合物水溶液；

2、分别称取摩尔比在2∶1到1∶1之间的包含三价铁的化合物和包含Fe²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺或Mn²⁺二价金属离子的化合物，以含二价金属离子的化合物与具有稳定作用的含-OH或-COOH化合物的摩尔比在1∶12到1∶1之间的比例加入到上述水溶液中，在0℃至99℃的温度下，优选为20℃至30℃之间的温度下充分搅拌反应1小时以上，得到MFe₂O₄(其中M为Fe、Zn、Ni或Mn)纳米粒子溶胶；

3、反应完成后，将生成物放入20℃至99℃之间的水浴中进行陈化处理20小时以上；

4、陈化完成后，向生成物中加入适量的表面活性剂，继续搅拌30min以上；

5、将所制备的MFe₂O₄纳米粒子溶胶装入试剂瓶中，放入约4℃的冰箱中待用作制备MRI造影剂；或者将生成物进行透析，并进行冷冻干燥处理后得到粉末状产物备用作制备MRI造影剂。

上述表面活性剂优选为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)或十二烷基磺酸钠(SDS)，能够有效改善纳米粒子的团聚现象。

通过上述方法所制备的MFe₂O₄(其中M为Fe、Zn、Ni或Mn)纳米粒子能均匀分散在水和水溶液中，形成澄清透明的溶胶，证明溶胶具有很好的分散性。而且在4℃环境中可以长期稳定存放1年以上，表明MFe₂O₄纳米粒子溶胶具有良好的水溶性和稳定性。

下面结合实施例对上述实施方式进行详细说明。

实施例1

Fe₃O₄纳米粒子的制备(1)：

(1)称取柠檬酸6mmol，将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保柠檬酸充分溶解，得到柠檬酸溶液待用；

(2)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和3mmol FeCl₂·4H₂O加入到上述制备的柠檬酸溶液中，并在20℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入65℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为24小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到Fe₃O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的Fe₃O₄纳米粒子材料备用。

实施例2

Fe₃O₄纳米粒子的制备(2)：

(1)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和2mmol FeCl₂·4H₂O将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保充分溶解；

(2)量取乳酸2mL，加入到上述溶液中，并在30℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入90℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为20小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到Fe₃O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的Fe₃O₄纳米粒子材料备用。

实施例3

Fe₃O₄纳米粒子的制备(3)：

(1)称取葡萄糖6mmol，将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保葡萄糖充分溶解，得到葡萄糖溶液待用；

(2)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和3mmol FeCl₂·4H₂O加入到上述制备的葡萄糖溶液中，并在25℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入65℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为24小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到Fe₃O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的Fe₃O₄纳米粒子材料备用。

实施例4

Fe₃O₄纳米粒子的制备(4)：

(1)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和2mmol FeCl₂·4H₂O将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保充分溶解；

(2)量取丙三醇2mL，加入到上述溶液中，并在30℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入90℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为20小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到Fe₃O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的Fe₃O₄纳米粒子材料备用。

实施例5

ZnFe₂O₄纳米粒子的制备(1)：

(1)称取柠檬酸6mmol，将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保柠檬酸充分溶解，得到柠檬酸溶液待用；

(2)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和2mmol ZnCl₂加入到上述制备的柠檬酸溶液中，并在20℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入45℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为24小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到ZnFe₂O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的ZnFe₂O₄纳米粒子材料备用。

实施例6

ZnFe₂O₄纳米粒子的制备(2)：

(1)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和2mmol ZnCl₂将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保充分溶解；

(2)量取乳酸2mL，加入到上述溶液中，并在30℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入90℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为20小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到ZnFe₂O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的ZnFe₂O₄纳米粒子材料备用。

实施例7

ZnFe₂O₄纳米粒子的制备(3)：

(1)称取葡萄糖6mmol，将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保葡萄糖充分溶解，得到葡萄糖溶液待用；

(2)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和2mmol ZnCl₂加入到上述制备的葡萄糖溶液中，并在25℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入45℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为24小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到ZnFe₂O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的ZnFe₂O₄纳米粒子材料备用。

实施例8

ZnFe₂O₄纳米粒子的制备(4)：

(1)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和2mmol ZnCl₂将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保充分溶解；

(2)量取丙三醇2mL，加入到上述溶液中，并在30℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入90℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为20小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到ZnFe₂O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的ZnFe₂O₄纳米粒子材料备用。

实施例9

NiFe₂O₄纳米粒子的制备(1)：

(1)称取柠檬酸6mmol，将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保柠檬酸充分溶解，得到柠檬酸溶液待用；

(2)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和2mmol NiCl₂·6H₂O加入到上述制备的柠檬酸溶液中，并在20℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入70℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为24小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到NiFe₂O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的NiFe₂O₄纳米粒子材料备用。

实施例10

NiFe₂O₄纳米粒子的制备(2)：

(1)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和2mmol NiCl₂·6H₂O将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保充分溶解；

(2)量取乳酸2mL，加入到上述溶液中，并在30℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入55℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为20小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到NiFe₂O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的NiFe₂O₄纳米粒子材料备用。

实施例11

NiFe₂O₄纳米粒子的制备(3)：

(1)称取葡萄糖6mmol，将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保葡萄糖充分溶解，得到葡萄糖溶液待用；

(2)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和2mmol NiCl₂·6H₂O加入到上述制备的葡萄糖溶液中，并在25℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入70℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为24小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到NiFe₂O₄纳米粒子溶胶。

实施例12

NiFe₂O₄纳米粒子的制备(4)：

(1)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和2mmol NiCl₂·6H₂O将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保充分溶解；

(2)量取丙三醇2mL，加入到上述溶液中，并在30℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入55℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为20小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到NiFe₂O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的NiFe₂O₄纳米粒子材料备用。

实施例13

MnFe₂O₄纳米粒子的制备(1)：

(1)称取柠檬酸6mmol，将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保柠檬酸充分溶解，得到柠檬酸溶液待用；

(2)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和2mmol MnCl₂·4H₂O加入到上述制备的柠檬酸溶液中，并在20℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入65℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为24小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到MnFe₂O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的MnFe₂O₄纳米粒子材料备用。

实施例14

MnFe₂O₄纳米粒子的制备(2)：

(1)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和2mmol MnCl₂·4H₂O将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保充分溶解；

(2)量取乳酸2mL，加入到上述溶液中，并在30℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入65℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为20小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到MnFe₂O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的MnFe₂O₄纳米粒子材料备用。

实施例15

MnFe₂O₄纳米粒子的制备(3)：

(1)称取葡萄糖6mmol，将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保葡萄糖充分溶解，得到葡萄糖溶液待用；

(2)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和2mmol MnCl₂·4H₂O加入到上述制备的葡萄糖溶液中，并在25℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入65℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为24小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到MnFe₂O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的MnFe₂O₄纳米粒子材料备用。

实施例16

MnFe₂O₄纳米粒子的制备(4)：

(1)分别称取4mmol FeCl₃·6H₂O和2mmol MnCl₂·4H₂O将其溶解到100mL去离子水中，剧烈搅拌，以确保充分溶解；

(2)量取丙三醇2mL，加入到上述溶液中，并在30℃的温度下充分搅拌；

(3)反应3小时后，将生成物放入65℃的水浴锅中进行陈化处理，陈化时间为20小时；

(4)向生成物中加入5mL浓度为0.5mmol/L的CTAB，继续搅拌30分钟，得到MnFe₂O₄纳米粒子溶胶；

(5)将生成物进行透析和冷冻干燥处理后，得到粉末状的MnFe₂O₄纳米粒子材料备用。

图1-4是实施例1、5、9、13所制备的Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、MnFe₂O₄纳米粒子的TEM图。从图中可以看出，Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、MnFe₂O₄纳米粒子的分散性较好，粒径均匀，单个粒子的平均尺寸约为3-5nm。

图5是实施例1、5、9所制备的Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄纳米粒子的XRD图(Cu Kα靶，λ＝0.15418nm)。从图5中可以看到立方结构的Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄纳米粒子的(220)、(311)、(400)、(511)和(440)衍射峰，根据(311)衍射峰的2θ＝35.444°、35.264°和35.699°，可以判断曲线(a)、(b)和(c)分别对应Fe₃O₄、ZnFe₂O₄和NiFe₂O₄纳米粒子。

图6是实施例1、5、9、13所制备的Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、MnFe₂O₄纳米粒子的磁化曲线。采用美国Quantum Design的综合物性测试系统，型号Model-9；测试条件：VSM(振动样品磁强计)测试，温度300K。从图6中可以看出，Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、MnFe₂O₄纳米粒子的饱和磁化强度分别为40.0、33.8、27.6、23.1emu/g，其矫顽力和剩磁均为0，表明Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、MnFe₂O₄纳米粒子均具有超顺磁性。因此制备的Fe₃O₄、ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、MnFe₂O₄纳米粒子可以很好地应用于磁共振成像造影剂中。

图7是对实施例1所制备的Fe₃O₄纳米粒子进行MRI测试的T1和T2加权信号图。MRI测试条件为T1：TR＝800ms，TE＝6ms；T2：TR＝4000ms，TE＝120ms。其中，左边第一列为作为对照的水溶液，从右向左依次为浓度逐渐降低的Fe₃O₄纳米粒子溶胶；上图为T1、下图为T2加权信号图。

从图7中可以看出Fe₃O₄纳米粒子溶胶同时具有T1和T2加权信号，而且，T2加权信号随着浓度的降低而减弱，而T1加权信号随着浓度的降低先增强后减弱。

图8是对实施例5、9、13所制备的ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、MnFe₂O₄纳米粒子进行MRI测试的T1和T2加权信号图。MRI测试条件为T1：TR＝800ms，TE＝6ms；TR＝4000ms，TE＝120ms。其中，左边第一列为作为对照的水溶液，由上向下依次为ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、MnFe₂O₄纳米粒子溶胶，从右向左ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、MnFe₂O₄纳米粒子的浓度逐渐降低；上图为T1、下图为T2加权信号图。

从图8中可以看出ZnFe₂O₄、NiFe₂O₄、MnFe₂O₄纳米粒子溶胶同时具有T1和T2加权信号，而且，T2加权信号随着浓度的降低而减弱，而T1加权信号随着浓度的降低先增强后减弱。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。