一種水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子及其應用的製作方法

2023-05-10 12:34:26 2

專利名稱：一種水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子及其應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於納米材料技術領域，涉及一種水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子 及其應用。
背景技術：
隨著現代醫藥技術的發展，核磁共振成像(magnetic resonanceimaging, MRI)技 術應運而生。核磁共振成像是根據生物體磁性核(氫核)在磁場中的表現特性成像的高新 技術。近20年來，隨著磁體技術、超導技術、低溫技術、電子技術、和計算機技術等相關技術 的進步，MRI技術得到了飛速發展。如今，它已廣泛應用於臨床，成為現代醫學影像領域中 不可缺少的一員，是繼CT、B超等影像檢查手段後又一新的斷層成像方法。MRI的應用，不 僅代表醫院現代化程度的提高，而且標誌其診斷水平的飛躍。20世紀60年代，磁共振成像裝置的研究者勞伯特提出了對比度增強劑的概念。 磁共振成像造影劑(MRI contrast agent/media也叫磁共振成像對比劑)是一類能夠提 高MRI診斷的敏感性和特異性、增強信號對比度，並提高軟組織圖像解析度的藥物製劑。 它是隨著MRI臨床應用的發展而產生的一種新型造影劑。MRI造影劑本身不產生信號，其 作用在於改變組織內部氫核系統的弛豫時間，與周圍組織形成對比。MRI信號強度與質子 密度P、自旋-晶格弛豫時間Tjspin-latticerelaxation time)、自旋-自旋弛豫時間 T2 (spin-spin relaxation time)等物理和化學參數相關。但在軟組織中，氫質子密度變 化很小，主要是1\、T2參數控制了成像的對比強度。其中主要產生內界弛豫，使組織內T1 顯著縮短，增大磁共振信號，提高影像對比，這種能引起質子弛豫時間縮短的離子或小分 子稱為順磁性物質(paramagneticsubstance)。而由超順磁性物質(superparamagnetic substance)或鐵磁性物質(magnetic substance)製成的造影劑，因其磁化率很大，可造成 局部磁場的明顯不均勻，使鄰近的氫質子在弛豫中很快產生相散，能顯著縮短T2，對T1作用 較小。1978年，勞伯特發表了第一篇關於用順磁性離子的螯合物來改變實驗犬組織弛豫時 間的論文，宣布了 MRI對比都有增強劑的誕生。自1988年第一個MRI造影劑Gd-TRA(釓-二 乙烯三胺五乙酸，磁顯葡胺)投入市場以來，對MRI造影劑的研究與臨床應用越來越廣泛。磁共振造影劑種類很多，通常可分為順磁性造影劑、鐵磁性造影劑和超順磁性造 影劑。鐵磁性造影劑由於其在人體內分布具有特異性、使用劑量少、安全、毒副作用小以及 用途廣泛等優點，已成為目前研發的熱點。製備鐵磁性造影劑的關鍵在於如何製備出磁性 能優異(高飽和磁化強度和初始磁化率)的磁性材料，以及在此基礎上對磁性納米粒子表 面進行修飾，形成具有很好水溶性的磁性納米粒子，以增強其穩定性和生物相容性，並降低 其毒性。目前，處於研究階段的磁共振成像造影劑有很多，除目前已臨床應用的磁共振成像 造影劑除順磁性金屬元素與配體形成的螯合Gd-DTPA外，鐵酸鹽類的磁性納米粒子在磁共 振造影劑的研究中也廣受歡迎。而金屬氧化物，除MnO、Mn3O4等外，研究CoO納米粒子的磁 共振造影效果的卻未見報導。目前已經許可上市和正在臨床實驗的超順磁性造影劑絕大多數由四氧化三鐵顆粒核心和外面包覆的一層葡聚糖高聚物組成，粒徑約為25 40納米，其合成工藝複雜、製造成本高、MRI成像效果差、表面包覆層的厚度不均等缺點。CoO磁性納米粒子，由於其具有 較好的磁學性質，且製備工藝簡單，成本較低，因而有望成為一種較優良的磁共振造影劑， 但是目前的文獻中，對於CoO納米粒子在生物成像中的應用的報導很少，所以需要我們更 加深入地研究這個材料。氧化鈷納米粒子由於具有鐵磁性的特點，可以構建核磁共振造影劑，其在人體內 分布具有特異性、使用劑量少、安全、毒副作用小以及用途廣泛等優點。目前磁性納米粒子 的製備方法主要有化學共沉澱法、水熱合成法、熱分解法、溶膠凝膠法等，其中熱分解法具 有設備簡單、原料易得、組成可控、純度高、粒度均勻等特點。氧化鈷納米粒子一般採用熱分 解法合成。

發明內容
本發明旨在製備一種水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子。本發明的另一個目的在於將上述材料用於製備核磁共振成像造影劑上的研究。水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子的製備可通過簡單的兩步化學反應得以 實現，即以十八烯為溶劑，油酸為表面活性劑，在惰性氣體保護的條件下高溫熱解前軀體油 酸鈷，得到巖石鹽型納米花狀CoO油溶性磁性納米粒子；再利用長烷烴鏈的疏水作用，在其 表面修飾上不同電荷的表面活性劑，從而製得了三種表面帶不同電荷的水溶性納米粒子。這種水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子的製備步驟包括(1)將油酸鈷配合物分散在十八烯中，加入表面活性劑油酸，油酸與油酸鈷配合物 的摩爾比為1 1 2 ；將反應體系在惰性氣體保護下加熱到100 140°C並保溫反應1 1. 5h ；繼續升 溫至300 350°C，反應1. 5 4h ；冷卻後取沉澱，洗滌並乾燥(乾燥條件為，15 30°C真 空乾燥10 20小時)，得到油溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子；所述的惰性氣體選自氮氣、氬氣、氖氣或氦氣；(2)將油溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子分散在有機溶劑中，與表面活性劑 溶液混合進行表面修飾，反應8 12h，除去有機溶劑，洗滌離心，取沉澱，即得到水溶性巖 石鹽型CoO納米花狀磁性粒子；所述的油溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子與表面活性劑摩爾比為40 80g/ mol ；所述的表面活性劑優選為聚醚(如F127)、十六烷基溴化銨(CH3(CH2)15N(Br) (CH3)3, CTAB)或十二烷基磺酸鈉(CH3(CH2)11OSO3Na, SDS)。步驟(1)中所述的油酸鈷配合物製備方法為，將鈷鹽與油酸鹽在水、乙醇和正己 烷的混合液中，60 80°C回流2 6小時；冷卻後洗滌分液，收集油相，除去正己烷，得到油 狀的油酸鈷配合物。鈷鹽為氯化鈷，油酸鹽為油酸鈉或油酸鉀，其摩爾比為1 1.8 2. 2。該方法中，在製備油溶性磁性納米核時選用十八烯作為溶劑，它是一種高沸點溶 齊U，具有低毒或無毒，價格低廉等優點，同時以油酸作為表面活性劑，由此所製得的納米粒 子油溶性較好，粒徑較均一，納米花狀，粒徑範圍在100 200nm，平均粒徑是135nm，這種納 米材料常溫下表現出磁滯現象，但溫度升高到阻塞溫度後，磁滯現象減弱，且飽和磁化率較高，可達到11. 5emu/g。製備油溶性CoO納米核時，採用的是高溫熱解的方法。由於該實驗是在無水無氧的條件下進行的，所以加熱條件下用氮氣排水的那一步很重要，溫度應加熱到100-14(TC， 在此溫度範圍內，水以蒸汽的狀態更好被排除乾淨，並且在此溫度範圍內反應前軀體不會 被熱解為原子。在加熱升溫到320°C的過程中，溫度範圍為200-240°C時前軀體開始被熱 解，到300°C左右時前軀體幾乎都被熱解為原子態。加熱到320°C原子開始重新組裝、成核、 結晶，形成納米粒子，在此溫度下反應，即可得到粒徑較均一的油溶性巖石鹽型CoO納米粒 子。本發明的CoO納米磁共振成像造影劑材料中，以巖石鹽型CoO磁性納米粒子為核， 利用長烷烴鏈的疏水作用，在其表面接上表面活性劑，只需常溫簡單的攪拌就可將其從油 相轉移到水相，成為水溶性、具有生物相容性的磁性納米粒子，可用作磁共振成像造影劑材 料。因此本發明所採用的合成方法簡單，易行。由此得到的材料具有水溶性和生物相容性，飽和磁化率較高，弛豫能力較強，具有 生物兼容性，可用於生物細胞內部，即可作為磁共振成像造影劑材料。本發明所選用的三種表面活性劑CTAB、F127、SDS，均為常見的表面活性劑，價格低 廉，低毒乃至無毒，常被用於食品添加劑中，且具備很好的生物相容性。本發明在簡單及普通的實驗裝置條件下，即可製備分散性好、粒徑較均勻、水溶性 好的巖石鹽型氧化鈷納米粒子。反應時間短，所需原材料易得，價格低廉，操作過程方便，副 產物無公害。該發明為納米磁共振成像造影劑材料的合成製備提供了一種經濟與實用的新 方法。


圖1為實施例2所製備的油溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子的透射電鏡圖。圖2為實施例2所製備油溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子的選區電子衍射 圖。圖3為實施例2所製備油溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子的X-射線衍射 (XRD)譜圖以及實施例3 5所得到的水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子的X-射線衍 射(XRD)譜4為實施例 5所製備產物的紅外譜5為實施例2 5所製備的油溶性和水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子的 水溶性照片，上層為正己烷，下層為水圖6為實例3 5所製備的三種表面帶不同電荷的水溶性巖石鹽型CoO納米花狀 磁性粒子的Zata電位7為實施例3 5所製備的三種表面帶不同電荷的水溶性巖石鹽型CoO納米花 狀磁性粒子的水合半徑8為實施例2所製備油溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子的磁滯回線9為實施例3 5所製備的表面帶三種不同電荷的水溶性巖石鹽型CoO納米花 狀磁性粒子的磁滯回線圖，是在常溫條件下測得的磁感應強度和磁場強度的變化關係，橫 坐標為磁場，縱坐標為磁感應強度
圖10為實施例4所製備的表面顯電中性，即Co0@F127磁共振造影劑的T1J2加權 成像11為實施例4所製備表面顯電中性，即Co0@F127磁共振造影劑在水溶液中的
1/1\、1/τ2相對於Co2+濃度擬合的直線圖，直線的斜率即分別為縱向弛豫率R1和橫向弛豫率 R2圖12為實施例3所製備的表面帶正電荷的水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒 子，即CoOOCTAB磁共振造影劑的1\、T2加權成像13為實施例3所製備表面帶正電荷的水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子， 即CoOOCTAB磁共振造影劑在水溶液中的1/I\、1/T2相對於Co2+濃度擬合的直線圖，直線的 斜率即分別為縱向弛豫率R1和橫向弛豫率R2圖14為實施例5所製備的表面帶負電荷的水溶性巖石鹽型CoO納米 花狀磁性粒 子，即CoOOSDS磁共振造影劑的1\、T2加權成像15為實施例5所製備的表面帶負電荷的水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒 子，即CoOOSDS磁共振造影劑在水溶液中的1/Ι\、1/Τ2相對於Co2+濃度擬合的直線圖，直線 的斜率即分別為縱向弛豫率R1和橫向弛豫率R具體實施例方式為了更好地理解發明的實質，下面通過實施例來詳細說明發明的技術內容，但本 發明的內容並不局限於此。實施例1稱取無水(0(12(0.51948，411111101)溶解在6ml 水中，加入油酸鈉(2. 4355g，8mmol)， 再加入無水乙醇8ml，正己烷14ml，加熱到70°C，回流4h，冷卻到室溫，再用蒸餾水洗滌分液 5-6次，收集油相，旋蒸除去正己烷，最後得到紫色油狀的油酸鈷配合物。實施例2在實施例1所合成的油酸鈷配合物中加入十八烯(20g)，油酸(0. 7ml, 2. 3mmol)， 先加熱到110°C，反應Ih以排水，再進行無氧操作；繼續升溫到320°C，反應2h ；反應完成， 自然冷卻到室溫，離心分離，用少量環己烷和無水乙醇洗滌沉澱，於15 30°C真空乾燥 10 20小時，得到表面包覆有油酸分子的巖石鹽型CoO納米粒子，即得到油溶性巖石鹽型 CoO納米花狀磁性粒子(用CoO表示)。其透射電鏡圖如圖1，平均粒徑為135nm ；選區電子衍射圖如圖2，X-射線衍射 (XRD)譜圖如圖3。磁滯回線圖如圖8，是在常溫條件下測得納米粒子的磁感應強度和磁場強度的變 化關係，橫坐標為磁場，縱坐標為磁感應強度。由該圖可以看出該造影劑具有鐵磁性，飽和 磁化率達到11. 5emu/g。將上述油溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子分散在CHCl3中。實施例3向4ml含有10mg/ml實施例2製備的油溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子的 CHCl3 溶液中，加入 20ml 含有 0. 4g (Immol)十六烷基溴化銨(CH3(CH2)15N(Br) (CH3)3，CTAB) 的水溶液，常溫攪拌10h，旋蒸出CHCl3溶液，用蒸餾水洗滌離心，即可得到表面帶正電荷的水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子(用CoOOCTAB表示)。其1\、T2加權成像圖如圖12的(a)和(b)，由0. 5T的磁共振成像儀測試而得，具 體參數為=(I)T1加權成像TR/TE = 1500/lms，選層厚度為0. 8mm，譜寬SW = 66KHz，接收 機增益RG = 3。(2) T2加權成像:TR/TE = 1500/2ms，選層厚度為0. 4mm，譜寬Sff = 66KHz, 接收機增益RG = 3。由該圖可見隨著造影劑中CoO濃度的逐漸增加，MRI的T1信號逐漸 變亮，MRI的T2信號變暗不明顯。在水溶液中的1/I\、1/T2相對於Co2+濃度擬合的直線圖如圖13，直線的斜率即分 別為縱向弛豫率R1和橫向弛豫率R2,由該圖可見所製備的表面顯電中性的磁共振造影劑 具有一定的弛豫能力，縱向弛豫率Rl為0. ZmT1iT1,橫向弛豫率R2達到2. OmT1 s—1。實施例4向4ml含有20mg/ml實施例2製備的油溶性巖石鹽型CoO納米花 狀磁性粒子的 CHCl3溶液中，加入20ml含有0. 3g(lmm0l)聚醚(F127)的水溶液，常溫攪拌10h，旋蒸出 CHCl3溶液，用蒸餾水洗滌離心，即可得到表面顯電中性的水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁 性粒子(用Co0@F127表示)。其1\、T2加權成像圖如圖10的(a)和(b)，由0. 5T的磁共振成像儀測試而得，具 體參數為=(I)T1加權成像:TR/TE = 1000/lms，選層厚度為0. 8mm，譜寬Sff = 66KHz，接收 機增益RG = 3。(2) T2加權成像:TR/TE = 2000/2ms，選層厚度為0. 4mm，譜寬Sff = 66KHz, 接收機增益RG = 3。由該圖可見隨著造影劑中CoO濃度的逐漸增加，MRI的T1信號逐漸 變亮，MRI的T2信號逐漸變暗。水溶液中的1/I\、1/T2相對於Co2+濃度擬合的直線圖如圖11，直線的斜率即分別 為縱向弛豫率R1和橫向弛豫率R2,由該圖可見所製備的表面顯電中性的磁共振造影劑具 有較強的弛豫能力，縱向弛豫率R1為1. ZmT1s-1,橫向弛豫率R2達到31. ZmT1 s—1。。實施例5向4ml含有20mg/ml實施例2製備的油溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子的 CHCl3溶液中，加入20ml含有0. 3g(Immol)十二烷基磺酸鈉(CH3(CH2)11OSO3Na, SDS)常溫 攪拌10h，旋蒸出CHCl3溶液，用蒸餾水洗滌離心，即可得到表面帶負電荷的水溶性巖石鹽型 CoO納米花狀磁性粒子(用CoOOSDS表示)。T1, T2加權成像圖如圖14的(a)和(b)所示，由0. 5T的磁共振成像儀測試而得， 具體參數為=(I)T1加權成像TR/TE = 2000/lms，選層厚度為0. 8mm，譜寬SW = 66KHz，接收 機增益RG = 3。(2) T2加權成像:TR/TE = 2000/6ms，選層厚度為0. 13mm，譜寬Sff = 66KHz, 接收機增益RG = 3。由該圖可見隨著造影劑中CoO濃度的逐漸增加，MRI的T1信號逐漸 變亮，MRI的T2信號逐漸變暗。在水溶液中的1/I\、1/T2相對於Co2+濃度擬合的直線圖如圖15所示，直線的斜率 即分別為縱向弛豫率R1和橫向弛豫率R2,由該圖可見所製備的表面顯電中性的磁共振造 影劑具有一定的弛豫能力，縱向弛豫率R1為0. AmT1s-1,橫向弛豫率R2達到4. OmT1 s—1。圖3為實施例2 5所得產物的X-射線衍射(XRD)譜圖，由DMAX2000X-射線衍 射儀測試得到，該衍射儀為Cu/K α -輻射(λ = 0. 15405nm) (40kV, 40mA)，該圖進一步說明 了所製備的CoO的納米花狀磁性粒子為巖石鹽型的納米單晶，且在修飾上水溶性的表面活 性劑後晶型未發生明顯變化。
圖4為實施例2 5所得產物的紅外譜圖，從圖上看，3007cm-1處為C = C的伸縮振動特徵峰，2924CHT1為C-H的不對稱伸縮振動特徵峰，2851CHT1為C-H的對稱伸縮振動特 徵峰，1625cm"1為C = 0的伸縮振動特徵峰，1454cm"1為C-H的彎曲振動特徵峰，1400cm"1為 C-C的伸縮振動特徵峰，IlOlcm-1為C-O-C的伸縮振動特徵峰。由此可知，實施例2所製備 的納米粒子表面為油酸。圖5為實施例2 5所得產物的水溶性照片，上層為正己烷，下層為水；從圖上可 以進一步證明實施例2所得到的納米粒子為油溶性的，而經過實施例3 5處理後轉變成 了水溶性的納米粒子，說明這三種表面活性劑已經成功修飾在了納米粒子表面。圖6為實例3 5所製備的三種表面帶不同電荷的水溶性巖石鹽型CoO納米花狀 磁性粒子的Zata電位圖，從圖中看表面修飾CTAB的納米粒子所帶電荷為80. 6mV，顯正電 性。表面修飾F127的納米粒子所帶電荷為_3.59mV，在儀器誤差範圍內，顯電中性。表面 修飾SDS的納米粒子所帶電荷為-12. 4mV，顯負電性，進一步證明了納米粒子表面已經成 功修飾上了這三種表面活性劑。圖7為實施例3 5所製備的三種表面帶不同電荷的水溶性巖石鹽型CoO納米花 狀磁性粒子的水合半徑圖，從圖中看表面修飾CTAB的納米粒子的水和半徑為302nm ；表面 修飾上F127的納米粒子的水和半徑為231nm ；表面修飾上SDS的納米粒子的水和半徑為 316nm。圖9為實施例3 5所製備的表面帶三種不同電荷的水溶性巖石鹽型CoO納米花 狀磁性粒子的磁滯回線圖，是在常溫條件下測得的磁感應強度和磁場強度的變化關係，橫 坐標為磁場，縱坐標為磁感應強度。由該圖可以看出在CoO表面修飾上CTAB以後，其飽和 磁化率為1. 5emu/g，較未修飾前有著明顯的降低。而在CoO表面修飾上F127和SDS後，其 飽和磁化率分別為10. 8emu/g和10. 5emu/g，較修飾前幾乎沒有明顯變化。
權利要求
一種水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子，其特徵在於，製備方法包括如下步驟(1)將油酸鈷配合物分散在十八烯中，加入表面活性劑油酸，油酸與油酸鈷配合物的摩爾比為1∶1～2；將反應體系在惰性氣體保護下加熱到100～140℃並保溫反應1～1.5h；繼續升溫至300～350℃，反應1.5～4h；冷卻後取沉澱，洗滌並乾燥，得到油溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子；(2)將油溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子分散在有機溶劑中，與表面活性劑溶液混合進行表面修飾，反應8～12h，除去有機溶劑，洗滌離心，取沉澱，即得到水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子；所述的油溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子與表面活性劑摩爾比為40～80g/mol。
2.權利要求1所述水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子，其特徵在於，步驟(2)中所 述的表面活性劑選自聚醚、十六烷基溴化銨或十二烷基磺酸鈉。
3.權利要求1所述水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子，其特徵在於，步驟(1)中所 述的惰性氣體選自氮氣、氬氣、氖氣或氦氣。
4.權利要求1所述水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子，其特徵在於，步驟(1)中所 述的乾燥條件為，15 30°C真空乾燥10 20小時。
5.權利要求1所述水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子，其特徵在於，步驟(1)中 所述的油酸鈷配合物製備方法為，將鈷鹽與油酸鹽在水、乙醇和正己烷的混合液中，60 80°C回流2 6小時；冷卻後洗滌分液，收集油相，除去正己烷，得到油狀的油酸鈷配合物。
6.權利要求5所述水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子，其特徵在於，所述的鈷鹽為 氯化鈷，油酸鹽為油酸鈉或油酸鉀，其摩爾比為1 1.8 2. 2。
7.權利要求1 6所述水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子，在製備磁共振造影劑 方面的應用。
全文摘要
本發明公開了一種水溶性巖石鹽型CoO納米花狀磁性粒子，其製備方法包括，利用十八烯作為溶劑，油酸做表面活性劑，惰性氣體保護的條件下高溫熱解前軀體油酸鈷，得到巖石鹽型納米花狀CoO油溶性磁性納米粒子；再利用長烷烴鏈的疏水作用，在其表面修飾上不同電荷的表面活性劑，從而製得了三種表面帶不同電荷的水溶性納米粒子。這種納米粒子具有水溶性和生物相容性，飽和磁化率較高，弛豫能力較強，具有生物兼容性，可用於生物細胞內部，能作為磁共振成像造影劑材料。製備方法反應時間短，所需原材料易得，價格低廉，操作過程方便，副產物無公害，為納米磁共振成像造影劑材料的合成製備提供了一種經濟與實用的新方法。
文檔編號H01F1/11GK101814352SQ20101012018
公開日2010年8月25日 申請日期2010年3月9日 優先權日2010年3月9日
發明者周宏 , 李雪健, 楊仕平, 楊紅, 田啟威 申請人:上海師範大學