一种基于纳米氧化石墨烯的磁共振成像造影剂及其制备方法

摘要

本发明属于放射诊断学技术领域，涉及一种基于纳米氧化石墨烯的磁共振成像造影剂及其制备方法与用途，尤其是一种直接由钆离子(Gd3+)与支链型聚乙二醇功能化纳米氧化石墨烯(pGO)制成的磁共振成像MRI造影剂pGO-Gd。该造影剂利用纳米载体材料pGO体系中的O、N原子直接与钆离子螯合而成，不需要额外引入DTPA等螯合剂，并具有很高的钆离子负载率。该造影剂可以经过静脉注射和皮肤注射，能够应用于体内血管成像、器官成像、肿瘤成像和淋巴结成像。本造影剂具有制备简单、磁豫率高、分散性和兼容性好、体内循环时间长、成像时间窗口长、应用广泛等优点，有利于转化和推广。

说明书

技术领域

本发明属于放射诊断学技术领域，涉及磁共振成像及其造影剂，具体涉及一 种基于纳米氧化石墨烯的磁共振成像造影剂及其制备方法与用途。

背景技术

现有技术公开了磁共振成像(MRI)是一种无创伤性的医学影像技术，分辨 率很高，能同时获得解剖与生理信息，有利于在活体状态下的疾病诊断，该技术 广泛应用于肿瘤和神经系统疾病的临床放射诊断，也是分子影像学的一个重要研 究方向。临床实践中，为了获得高质量的MR图像，MRI经常需要注射造影剂， 做增强MRI，提高图像对比度。Gd-DTPA等钆离子(Gd³⁺)的螯合物是目前临床常 用的MRI造影剂，但由于其分子量小，存在弛豫率低、体内清除快、存留时间短 等缺点，以致成像的时间窗口很短。为了克服这些问题，业内以大分子和纳米材 料作为Gd³⁺的载体已经成为MRI造影剂的重要研究方向之一。

纳米氧化石墨烯是一种二维碳纳米材料，具有比表面积大、生物相容性好、 制备成本便宜等优点，在生物医学领域已经成为新兴的治疗药物和MRI造影剂的 纳米载体。但是，目前以氧化石墨烯为载体的钆离子型MRI造影剂，仍存在有不 足及缺陷，包括：1)由于未对所用的氧化石墨烯经过合适的功能化修饰，生理 溶液中分散性差，生物兼容性低，难以应用于体内注射，缺乏转化应用的可能性； 2)虽然对所用的氧化石墨烯进行一定的功能化修饰，但仍需要额外引入螯合剂， 导致制备过程较为复杂，不利于推广和转化。

基于现有技术存在的问题，本申请的发明人拟提供一种新的基于纳米氧化石 墨烯的磁共振成像造影剂。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺陷，提供一种新的磁共振成像造 影剂，具体涉及一种新的基于纳米氧化石墨烯的磁共振成像造影剂；尤其是一种 钆离子(Gd³⁺)型磁共振成像MRI纳米造影剂pGO-Gd，所述的造影剂是直接由Gd³⁺与支链型聚乙二醇功能化纳米氧化石墨烯(pGO)制成，其中不需要额外引入DTPA 等螯合剂，切磁豫率更高，MR图像更清晰。

具体的，本发明提供了一种基于纳米氧化石墨烯的磁共振成像造影剂，该造 影剂是钆离子(Gd³⁺)型磁共振成像MRI纳米造影剂pGO-Gd，所述的造影剂由Gd³⁺与支链型聚乙二醇功能化纳米氧化石墨烯(pGO)制成MRI造影剂pGO-Gd，其中不 引入螯合剂。

本发明的该造影剂利用纳米载体材料pGO体系中的O、N原子直接与钆离子 螯合而成，不需要额外引入DTPA等螯合剂，并具有很高的钆离子负载率。

本发明的进一步目的是提供所述的造影剂的制备方法。

本发明的基于纳米氧化石墨烯的磁共振成像(MRI)造影剂通过下述方法制 备：

以天然石墨粉为原料，先后加入一定量的氯化钠、浓硫酸、硝酸钠，磁力搅 拌，然后缓慢加入高锰酸钾，继续搅拌，期间注意温度控制室温；在搅拌的条件 下，使反应温度序列地上升；最后，加入H₂O₂终止反应，并用稀盐酸、去离子水 洗涤、离心数次，获得纳米氧化石墨烯(GO)；

将上述制得的纳米氧化石墨烯(GO)分散在水中，调节浓度，先后加入NHS、 EDC，搅拌，并调节体系的pH值至4～7，最后加入末端为氨基的支链型聚乙二醇， 在常温下搅拌反应；经过去离子水稀释、超滤离心洗涤数次(离心管膜截留分子 量MWCO为10～100KDa)，制得功能化纳米氧化石墨烯pGO；

不需要向上述pGO体系中再额外引入DTPA等螯合剂做进一步的复杂修饰， 直接将上述制得到的pGO分散在水中，调节浓度，将钆离子溶液缓慢加入，常温 搅拌过夜；经过去离子水稀释、超滤离心洗涤数次(离心管膜截留分子量MWCO 为10～100KDa)，最终根据所需浓度分散在水中，获得本发明所述的MRI造影剂 pGO-Gd。

本发明制备纳米氧化石墨烯的过程中，加入高锰酸钾时控制温度在室温，之 后的序列升温不能太快，最终的反应温度不能过高，本发明的实施例中，反应温 度序列地升至95℃；

本发明制备方法中，所述的支链型聚乙二醇选自三齿型、四齿形、六齿型， 分子量为1000～20000Da；

本发明制备方法中，通过其中的O、N原子直接将钆离子螯合在pGO体系中， 无需额外引入DTPA等螯合剂。

本发明制备方法中，所述的钆离子溶液选自氯化钆、硝酸钆等常见的钆离子 化合物的溶液。

本发明制备方法中，控制加入钆离子溶液的滴加速度。

本发明制备方法中，控制超滤离心处理反应混合液时的转速和时间。

进一步，本发明所述的造影剂经过静脉注射可用于体内血管成像、体内器官 成像或肿瘤成像。

本发明所述的造影剂经过皮肤内注射可用于淋巴结成像。

经检验，结果表明，本发明所述的MRI造影剂具有如下优点：利用支链型聚 乙二醇功能化纳米氧化石墨烯，不但使其分散性好、生物兼容性好，而且体内循 环时间长、成像时间窗口长，有利于体内应用和影像诊断；制备过程中，无需额 外引入DTPA等螯合剂，使得制备更为容易，有利于推广和产品化；纳米氧化石 墨烯(GO)的比表面积大，钆离子的负载量高，产生磁豫率更高，MR图像更清晰 的有益效果。

为了便于理解，以下将通过具体的附图和实施例对本发明的基于纳米氧化石 墨烯的磁共振成像造影剂进行详细地描述。需要特别指出的是，具体实例和附图 仅是为了说明，显然本领域的普通技术人员可以根据本文说明，在本发明的范围 内对本发明做出各种各样的修正和改变，这些修正和改变也纳入本发明的范围 内。

附图说明

图1为本发明所述的不同浓度的造影剂分散在水中的T1加权MRI图像， 其中，显示了造影剂浓度越高，其MRI图像越清楚，说明该造影剂的MRI成像对 其浓度具有很好响应性。

图2为本发明所述的造影剂的弛豫时间倒数1/T1与样品中钆离子浓度之间 的线性关系图，其中显示其弛豫率很高，达到6.5，是目前临床应用的Gd-DTPA 的3倍左右，说明利用本发明所述造影剂进行MRI成像，可以获得更高质量的 MRI图像。

图3为本发明所述的造影剂注射到小鼠脚垫之后20h的淋巴结MRI图像，图 中显示出清晰的淋巴结图像，说明本发明所述的造影剂经过皮肤内注射可用于淋 巴结成像。

具体实施方式

实施例1

采用1g石墨粉末与60gNaCl混合研磨，用水洗涤过滤除去NaCl；膨胀后 的石墨粉用3:1的浓硫酸和浓硝酸超声20h，再量取23mL98％wt浓硫酸加入 反应容器中，搅拌8h，然后再以0.1g/min的速度加入5g高锰酸钾，搅拌反应； 混合物在40℃搅拌0.5h，升温至70℃，搅拌45min，之后加入3mL去离子水， 105℃下搅拌5min；再加40mL去离子水，100℃下搅拌15min；之后再加入140mL 蒸馏水，10mL30％过氧化氢溶液搅拌1h；用5％wt的盐酸和蒸馏水反复离心， 制得纳米氧化石墨烯，超声分散于水中，溶液颜色为棕色。

实施例2

将5ml氧化石墨烯超声1h，加入1.2gNaOH、1.0g氯乙酸超声3h，把羟基 转化为羧基，生成含羧基的氧化石墨烯；再加入末端为氨基的支链型聚乙二醇 (10mg/mL)、对应的EDC、NHS，生成功能化纳米氧化石墨烯pGO，加水稀释、离 心洗涤，最后分散中水中配制为功能化纳米氧化石墨烯pGO溶液；

经检测，结果显示，所述的pGO水溶液是均匀的、稳定的，说明其分散性好、 生物兼容性好，而且体内循环时间长、成像时间窗口长，有利于体内应用和影像 诊断。

实施例3

将600mgGdCl₃溶于2mL去离子水中，缓慢加入1mlpGO溶液(1mg/mL) 中，常温搅拌过夜得混合物；将制得的混合物转移至50KDaMWCO超滤离心管 中离心、洗涤，离心产物稀释至1ml，制得MRI造影剂pGO-Gd；尤其作为纳米载 体材料的pGO的比表面积大，钆离子的负载量高，因而弛豫率更高，MR图像质 量更高、更清晰；

本制备过程中，无需向pGO体系中再额外引入DTPA等螯合剂做进一步的复 杂修饰，省却该步骤，使得本造影剂的制备更为简易，有利于推广和产品化。

实施例4

以钆离子的浓度计算，并用ICP测量，在0～2mM之间配制数个不同浓度的 pGO-Gd溶液，利用磁共振成像仪对样品进行T1成像(如图1所示)，并计算弛 豫率(图2)；

结果显示，造影剂浓度越高，MRI图像越清晰，说明该造影剂的MRI成像对 其浓度具有很好响应性(如图1所示)；该造影剂的弛豫率高达6.5，是目前临 床应用的Gd-DTPA的3倍左右(如图2所示)，说明利用本发明所述造影剂进行 MRI成像，可以获得更高质量的MRI图像。

实施例5动物实验

将0.1mlpGO-Gd溶液(5mg/ml)通过皮肤注射到实验小鼠脚掌内，利用磁 共振成像仪对小鼠进行T1成像，结果显示，获得的MRI图像清楚，淋巴结清晰 可见，说明本发明所述的造影剂经过皮肤内注射可用于淋巴结成像(图3)。