双多肽修饰铕掺杂氧化钆纳米棒及其制备

摘要

本发明涉及一种用于体内靶向增强磁共振‑荧光双模式成像和抑制早期脑胶质瘤生长的双多肽修饰铕掺杂氧化钆纳米棒的制备方法。将硝酸钆和硝酸铕溶解并与强碱反应并经加热生长得到铕掺杂氢氧化钆纳米棒；再高温烧结得到铕掺杂氧化钆纳米棒；然后经过表面羟基化、氨基化、聚乙二醇化后，再经过巯基化技术连接上RGD多肽和蝎氯毒素(CTX)多肽。本发明工艺简单、条件可控、易于操作，其纳米棒产物不仅尺寸小（棒长约80纳米，直径约25纳米），长径比低，经RGD和CTX两种多肽修饰后的纳米棒不仅能穿越脑瘤的血脑及血瘤双重屏障，而且还具有良好的核磁T

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体为一种用于体内靶向增强磁共振-荧光双模式成像和抑制早期脑胶质瘤生长的双多肽修饰铕掺杂氧化钆纳米棒的制备方法。

背景技术

脑胶质瘤是最常见的原发恶性颅内肿瘤，发病率高，术后易复发。目前临床对脑胶质瘤的治疗方式多为外科手术摘除、放射性治疗和化学药物治疗等。但是，对脑胶质瘤准确定位、及时治疗、减少对正常脑组织的伤害等副作用、延长术后存活时间是处理早期脑胶质瘤面临的重大难题。因此，开发一种能高效诊断并能有效治疗早期脑胶质瘤的医用材料对临床脑瘤诊疗具有重要意义。目前，临床上常用的肿瘤诊断方式有超声造影、X射线成像、计算机断层扫描成像（CT）、正电子发射计算机断层扫描成像（PET）、放射性核素成像、光学成像、磁共振成像等。但是，单一模式成像因其固有的成像缺陷，以及不能满足临床对复杂早期生理病理状况的检测；多模式成像能够集多种成像优势于一体，使其相互取长补短，能为临床疾病检测提供更丰富的生理病变信息，磁共振-荧光双模式成像就是其中之一。

目前，可用作增强磁共振成像的材料有很多，如四氧化三铁、伽马-三氧化二铁、钆的螯合物及钆基纳米颗粒。但是，四氧化三铁和伽马-三氧化二铁是T₂模式造影剂，对比增强效率低而用量大；而钆的螯合物在体内易被血管内皮细胞网状系统清除，血液循环时间短，造影效率也低，反复且大量使用又带来体内毒性增大。铕掺杂氧化钆纳米棒是立方结构的钆基无机纳米颗粒，具有制备条件可控、颗粒尺寸可调、性能稳定、分散性好、造影效率高而用量少的优点。特别地，这种纳米棒可进行表面功能肽修饰，从而使其在生物成像、肿瘤靶向、癌症治疗等生物医学领域呈现出较大的应用潜力。

制备Eu-Gd₂O₃纳米材料的方法有许多，常见的一步法有溶胶凝胶法（CN103539192A）、固相烧结法（CN104926304A）、微波燃烧法（CN104973615A）等，两步法总体分为铕掺杂氢氧化钆前驱体的制备及后期铕掺杂氧化钆纳米棒的制备。铕掺杂氢氧化钆纳米棒前驱体的制备有共沉淀法、溶胶凝胶法、水热法等，后期铕掺杂氧化钆纳米棒一般都是高温烧结法制备。公开号为CN103638532B、CN103539192B和CN104857532A的专利中，徐群渊和张华娟等分别报道了可用于磁共振成像及磁共振-荧光双模式成像的氧化钆基造影剂制备方法。然而这些一步法的制备工艺太过简单，得到的材料物相不均匀、颗粒尺寸分布宽、含杂质较多；两步法制备时，共沉淀法及溶胶凝胶法制备的铕掺杂氢氧化钆前驱体颗粒尺寸太大，结晶性能差，高温煅烧时所制备的铕掺杂氧化钆纳米棒颗粒之间易发生严重的融合，其分散性差。由于脑肿瘤存在血脑屏障及血瘤屏障双重阻碍，并且早期脑肿瘤尺寸小、并呈现网状分散的特点，因此目前还未有涉及表面功能肽修饰并能靶向脑肿瘤影像增强纳米材料。因此，设计一种尺寸小、分散性好、可穿越血脑和血瘤双屏障的多功能铕掺杂氧化钆纳米棒材料制备方法非常必要，而对这种小尺寸铕掺杂氧化钆纳米棒材料进行多功能化表面修饰更是不可或缺。

聚乙二醇（PEG）是一种具有优良生物相容性的亲水性高分子材料，是最常用的生物材料表面改性剂之一；它修饰后能大大增加纳米材料在体内的血液循环时间，从而提高纳米材料肿瘤靶向几率。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列多肽（RGD），具有与细胞表面层黏连蛋白高度亲合黏附，对脑肿瘤表面高表达的α_vβ₃等整合素有高效靶向亲合特性。蝎氯毒素（CTX）是一种36肽神经毒素，但其对哺乳动物无毒并能穿过血脑屏障；而且其对早期脑胶质瘤细胞表面高表达的膜结合金属蛋白酶-2呈现出特异性靶向结合，并且这种蛋白结合体还能因阻塞脑瘤细胞的氯离子通道而抑制脑肿瘤生长。因此RGD肽与CTX肽同时连接在纳米材料上，将能够提高材料的脑瘤靶向效率并抑制脑瘤的生长。

发明内容

本发明的目的在于提供工艺简单、反应可控、易于操作的一种可用于体内靶向增强磁共振-荧光双模式成像和抑制早期脑胶质瘤的双多肽修饰铕掺杂氧化钆纳米棒的制备方法，以解决上述背景中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种可用于体内靶向增强磁共振-荧光双模式成像和抑制早期脑胶质瘤的双多肽修饰铕掺杂氧化钆纳米棒的制备方法，包括以下步骤：

a）将六水合硝酸钆和六水合硝酸铕溶于去离子水中，形成浓度为0.025~0.1M的钆铕盐溶液，其中铕的掺杂量为10~40mol%；然后将浓度为0.5~2M的氢氧化钠水溶液逐滴加入，搅拌使其pH值达到13，经反应后转变为含有氢氧化铕和氢氧化钆白色沉淀的混合液A；

b）将混合液A转移到反应釜中，在100~250^oC下水热反应12h，冷却后用去离子水洗涤、真空干燥得到样品，从而步骤a）所述氢氧化铕和氢氧化钆白色沉淀在加热下成核生长为铕掺杂氢氧化钆纳米棒；

c）将干燥铕掺杂氢氧化钆纳米棒在球磨机中研磨0.5-6h，再于300~900^oC下烧结3~12h后，得到铕掺杂氧化钆纳米棒；

d）将130~240mg铕掺杂氧化钆纳米棒超声分散在120~150mL、2.0~15wt%的四甲基氢氧化铵溶液B中，40~250^oC反应2~24h，冷却后用去离子水离心洗涤三次，得到表面羟基化铕掺杂氧化钆纳米棒；

e）将表面羟基化铕掺杂氧化钆纳米棒分散在100mL二甲亚砜及四氯化碳的混合有机溶液C中，混合液C中二甲亚砜与四氯化碳的体积比为1:1~10，然后依次加入1~3mL氨丙基三乙氧基硅烷和30~90µL去离子水，所得混合液D在40~120^oC下磁力搅拌反应2~24h后冷却、离心分离、洗涤，干燥后得表面氨基化的铕掺杂氧化钆纳米棒；

f）将40~60mg表面氨基化铕掺杂氧化钆纳米棒超声分散在10mL二甲亚砜中，然后加入双功能化的Mal-PEG-NHS，双功能化的Mal-PEG-NHS为两端被马来酰亚胺和琥珀酰亚胺修饰的聚乙二醇，所得混合液E在室温下磁力搅拌后，进行离心分离、洗涤，干燥，得到PEG包覆的铕掺杂氧化钆纳米棒；

g）将15~25mg的PEG包覆铕掺杂氧化钆纳米棒超声分散在3mL二甲亚砜中，然后加入巯基化的环状精氨酰~甘氨酰~天冬氨酸短肽，即HS-cRGD，所得混合液F室温下磁力搅拌后，进行离心分离、洗涤、干燥，得到RGD修饰的铕掺杂氧化钆纳米棒；

h）将15~25mg的RGD修饰的铕掺杂氧化钆纳米棒超声分散在3mL二甲亚砜中，然后加入巯基化的蝎氯毒素，即HS-CTX，所得混合液G室温下磁力搅拌后，进行离心分离、洗涤、干燥，得到最终产物RGD和CTX双多肽修饰的铕掺杂氧化钆纳米棒。

作为本发明的进一步方案，步骤f）中，所述双功能Mal-PEG-NHS的加入量为10~20mg，所得混合液E室温下搅拌时间为12~48h。

作为本发明的进一步方案，步骤g）中，所述巯基化的环状精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸短肽的加入量为1~10mg，所得混合液F在室温下的磁力搅拌时间为12~48h。

作为本发明的进一步方案，步骤h）中，所述巯基化的蝎氯毒素的加入了为1~10mg，所得混合液G在室温下的磁力搅拌时间为12~48h。

在本发明的方法中，为得到纯净的分离产物，在步骤e）、f）、g）、h）中需进行分离和洗涤操作。可以用任何合适的方法进行分离，优选为离心分离，离心速度优选为5000~8000转/分钟，离心时间优选为5~30min。用于洗涤的试剂优选为二甲基亚砜、二次水和乙醇。为获得纯化产物，离心和洗涤次数分别为6次，两次为二甲基亚砜洗涤，两次为二次水洗涤，最后两次为乙醇洗涤。分离纯化后的纳米颗粒可以湿态或干态储存。干态储存时，需要将分离产物在适当温度下烘干，烘干温度优选为-20~-50^oC。

与现在技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明制备所得双多肽修饰铕掺杂氧化钆纳米棒可用于体内靶向增强磁共振-荧光双模式成像和抑制早期脑胶质瘤。本发明工艺简单，反应条件温和，易于操作，所制备的双多肽修饰铕掺杂氧化钆纳米棒不仅尺寸小(棒长约80纳米，直径约25纳米)，长径比低，分散性好，经RGD和CTX两种多肽修饰后可穿越脑瘤的血脑及血瘤双重屏障，而且具有很好的T₁弛豫效应、荧光成像能力和脑胶质瘤靶向功能，还能有效抑制早期脑胶质瘤的生长，在早期脑胶质瘤的诊疗领域具有潜在的临床应用价值。

附图说明

图1是煅烧得到Eu-Gd₂O₃纳米棒的相分析及形貌观察图。

图2是Eu-Gd₂O₃纳米棒包覆PEG前后的透射电镜图。

图3是对Eu-Gd₂O₃纳米棒进行表面PEG包覆及多肽修饰的示例性步骤。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的制备铕掺杂氧化钆纳米棒及表面修饰的方法路线由于对设备、试剂及实验环境等无苛刻要求，因此易于进行放大实验且易量产。以下是本发明的示例性的具体实施方案，通过这些实施方案可以更充分地理解本发明的上述及其它优点。

实施例1

称量1.806g六水合硝酸钆、0.446g六水合硝酸铕溶于100mL去离子水中，然后在搅拌下逐滴加入1M氢氧化钠溶液，并监测混合液pH变化，当pH值达到13时，停止滴加氢氧化钠溶液。继续搅拌5min，经反应后得含有氢氧化钆和氢氧化铕白色沉淀的混合液A。将混合液A转移至200mL反应釜中，置于180^oC条件下反应12h，冷却后将所得沉淀物用去离子水洗涤三次，真空干燥后得到铕掺杂氢氧化钆前驱体。将铕掺杂氢氧化钆前驱体在球磨机中研磨2h分散后，在400^oC空气中烧结8h，冷却后得到铕掺杂氧化钆纳米棒（即Eu-Gd₂O₃>2O₃纳米棒超声分散在120mL、7.0wt.%的四甲基氢氧化铵溶液B中，180^oC反应6h，冷却后用去离子水洗涤离心三次，得到表面羟基化Eu-Gd₂O₃纳米棒；将200mg羟基化Eu-Gd₂O₃纳米棒超声分散在100mL二甲亚砜及四氯化碳的混合有机溶液C中，然后依次加入3mL氨丙基三乙氧基硅烷和90µL去离子水，所得混合液D在70^oC下磁力搅拌反应12h后冷却、离心分离、洗涤三次，干燥后得表面氨基化的Eu-Gd₂O₃纳米棒；将50mg表面氨基化Eu-Gd₂O₃纳米棒超声分散在10mL二甲亚砜中，然后加入20mg双功能化的Mal-PEG-NHS，所得混合液E在室温下磁力搅拌后离心分离、洗涤三次，干燥后得PEG包覆的铕掺杂氧化钆纳米棒；将20mg的PEG包覆铕掺杂氧化钆纳米棒超声分散在3mL二甲亚砜中，然后加入5mg巯基化的环状RGD（即HS-cRGD），所得混合液F室温下磁力搅拌后离心分离、洗涤三次，干燥后得RGD修饰的铕掺杂氧化钆纳米棒；将20mg的RGD修饰的Eu-Gd₂O₃纳米棒超声分散在3mL二甲亚砜中，然后加入5mg巯基化的蝎氯毒素（即HS-CTX），所得混合液G室温下磁力搅拌后离心分离、洗涤三次，干燥后的最终产物RGD和CTX双多肽修饰的Eu-Gd₂O₃纳米棒（即RGD-Eu-Gd₂O₃-CTX>

实施例2

准确称量1.355 g 六水合硝酸钆、0.893 g 六水合硝酸铕溶于100 mL去离子水中，然后在搅拌下逐滴加入2M氢氧化钠溶液，并监测混合液pH变化，当pH值达到13时，停止滴加氢氧化钠溶液。继续搅拌5min，经反应后得含有氢氧化钆和氢氧化铕白色沉淀物的混合液A。将混合液A转移至200mL反应釜中，置于200^oC条件下反应12h，冷却后将所得沉淀物用去离子水洗涤三次，真空干燥后得到铕掺杂氢氧化钆前驱体。将铕掺杂氢氧化钆前驱体研磨3h分散后，在600^oC空气氛围中烧结6h，冷却后得到铕掺杂氧化钆纳米棒（即Eu-Gd₂O₃>2O₃纳米棒超声分散在120mL、7.0wt.%的四甲基氢氧化铵溶液B中，200^oC反应6h，冷却后用去离子水离心洗涤三次，得到表面羟基化Eu-Gd₂O₃纳米棒；将180mg羟基化Eu-Gd₂O₃纳米棒超声分散在100mL二甲亚砜及四氯化碳的混合有机溶液C中，然后依次加入1mL氨丙基三乙氧基硅烷和30µL去离子水，所得混合液D在90^oC下磁力搅拌反应12h后冷却、离心分离、洗涤三次，干燥后得表面氨基化的Eu-Gd₂O₃纳米棒；将60mg表面氨基化Eu-Gd₂O₃纳米棒超声分散在10mL二甲亚砜中，然后加入10mg双功能化的Mal-PEG-NHS，所得混合液E在室温下磁力搅拌后离心分离、洗涤三次，干燥后得PEG包覆的铕掺杂氧化钆纳米棒；将22mg的PEG包覆铕掺杂氧化钆纳米棒超声分散在3mL二甲亚砜中，然后加入6mg巯基化的环状RGD（即HS-cRGD），所得混合液F室温下磁力搅拌后离心分离、洗涤三次，干燥后得RGD修饰的铕掺杂氧化钆纳米棒；将22mg的RGD修饰的Eu-Gd₂O₃纳米棒超声分散在3mL二甲亚砜中，然后加入6mg巯基化的蝎氯毒素（即HS-CTX），所得混合液G室温下磁力搅拌后离心分离、洗涤三次，干燥后的最终产物RGD和CTX双多肽修饰的Eu-Gd₂O₃纳米棒（即RGD-Eu-Gd₂O₃-CTX>

实施例3

准确称量1.806g六水合硝酸钆、0.446g六水合硝酸铕溶于100mL去离子水中，然后在搅拌下逐滴加入2M氢氧化钠溶液，并监测混合液pH变化，当pH值达到13时，停止滴加氢氧化钠溶液。继续搅拌5min，经反应后得含有氢氧化钆和氢氧化铕白色沉淀物的混合液A。将混合液A转移至200mL反应釜中，置于250^oC条件下反应12h，冷却后将所得沉淀物用去离子水洗涤三次，真空干燥后得到铕掺杂氢氧化钆前驱体。将铕掺杂氢氧化钆前驱体在球磨机中研磨3h分散后，在800^oC空气氛围中烧结8h，冷却后得到铕掺杂氧化钆纳米棒（即Eu-Gd₂O₃>2O₃纳米棒超声分散在150mL、7.0wt.%的四甲基氢氧化铵溶液B中，250^oC反应6h，冷却后用去离子水离心洗涤三次，得到表面羟基化Eu-Gd₂O₃纳米棒；将220mg羟基化Eu-Gd₂O₃纳米棒超声分散在100mL二甲亚砜及四氯化碳的混合有机溶液C中，然后依次加入2mL氨丙基三乙氧基硅烷和60µL去离子水，所得混合液D在90^oC下磁力搅拌反应12h后冷却、离心分离、洗涤三次，干燥后得表面氨基化的Eu-Gd₂O₃纳米棒；将60mg表面氨基化Eu-Gd₂O₃纳米棒超声分散在10mL二甲亚砜中，然后加入10mg双功能化的Mal-PEG-NHS，所得混合液E在室温下磁力搅拌后离心分离、洗涤三次，干燥后得PEG包覆的铕掺杂氧化钆纳米棒；将25mg的PEG包覆铕掺杂氧化钆纳米棒超声分散在3mL二甲亚砜中，然后加入8mg巯基化的环状RGD（即HS-cRGD），所得混合液F室温下磁力搅拌后离心分离、洗涤三次，干燥后得RGD修饰的铕掺杂氧化钆纳米棒；将25mg的RGD修饰的Eu-Gd₂O₃纳米棒超声分散在3mL二甲亚砜中，然后加入8mg巯基化的蝎氯毒素（即HS-CTX），所得混合液G室温下磁力搅拌后离心分离、洗涤三次，干燥后的最终产物RGD和CTX双多肽修饰的Eu-Gd₂O₃纳米棒（即RGD-Eu-Gd₂O₃-CTX>

本发明中双肽修饰的铕掺杂氧化钆纳米棒是通过多步法制备而得：室温下共沉淀后继续水热反应获得铕掺杂氢氧化钆纳米棒前驱体；然后煅烧前驱体得到铕掺杂氧化钆纳米棒；随后采取一些列的反应处理对其进行表面修饰，最终获得RGD和CTX双多肽修饰的铕掺杂氧化钆纳米棒。图1是煅烧得到铕掺杂氧化钆纳米棒的扫描电镜图，由该图可见所得铕掺杂氧化钆纳米棒呈良好分散的纳米棒，其长度约为80纳米，直径约为25纳米。图2为铕掺杂氧化钆纳米棒包覆PEG前后的透射电镜图，从图中可以看出，铕掺杂氧化钆纳呈良好分散纳米棒状结构，PEG均匀地包覆在纳米棒表面。图3是对铕掺杂氧化钆纳米棒进行表面PEG包覆及多肽修饰的示例性步骤，由图中可以看出铕掺杂氧化钆纳米棒表面修饰过程逻辑严密、科学合理、操作简单、绿色环保。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。