一種非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料及其製備方法
2023-06-06 01:36:26 2
專利名稱：一種非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及非晶態納米材料領域，具體為超順磁鐵鈷硼納米粒子造影劑，尤其是 一種非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料和製備方法。
背景技術：
磁共振成像(MRI)、X_射線斷層掃描(CT)和X射線是現在醫學診斷所用的三大成 像診斷技術。傳統CT和X射線診斷造影所用造影劑的增強原理，是造影劑本身對X射線的 阻擋作用直接造成的，而MRI造影劑本身不產生信號，信號來自氫原子核。MRI造影劑接近 有關質子後，可縮短這些質子的弛豫時間，間接地改變這些質子所產生的信號強度，提高正 常部位與患病部位的成像對比度，是用來縮短成像時間的成像增強對比劑，從而證明體內 器官是否發生了病變。按照造影中以縮短T1弛豫時間為主(使磁共振信號增加)或以縮短 T2弛豫時間為主(使磁共振信號下降)，可將磁共振造影分為T1弛豫增強造影或T2弛豫增 強造影。
最近30餘年來，核磁共振成像(MRI)技術已在生物、材料科學等，特別是醫學領域 獲得了快速發展和廣泛應用。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。之前研究較多的是超順磁性造影劑和水溶性順磁性造影劑。
超順磁性造影劑主要是以!^e3O4為代表的特殊鐵磁性物質，包括超小型超順磁性 氧化鐵、單晶氧化鐵微聚體、脂質體包裹的超順磁性氧化鐵和白蛋白、葡聚糖、聚苯乙烯、單 克隆抗體等包裹的超小型超順磁性氧化鐵等。超順磁性造影劑由於其特殊的磁學性質，以 及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 目前研究的熱點。水溶性順磁造影劑由順磁性金屬離子和配體組成，金屬離子主要為狗2+、 Fe3\ Mn2+、Gd3+和Dy3+。其中，Gd3+有7個未成對電子，自旋磁矩大，電場對稱，弛豫效率高， 易與水配位，且配位水分子為8、9個，是造影劑的較佳選擇。現在一些鐵磁性造影劑由於很 高的飽和磁化率，能大大增強材料的自旋-自旋馳豫T2時間，也逐漸成為人們研究的熱點。
在生物應用中，磁性納米粒子必須是單分散的、水溶性且穩定性好的、很高的飽和 磁化率和好的生物兼容性才能在生物條件下有很好的重現性。
製備磁共振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)的磁性 材料，以及如何對磁性納米粒子表面進行修飾，形成表面包有水溶性的生物分子，以增強其 穩定性、水溶性和生物相容性，並降低毒性。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高順磁性金屬元素與配體形成的螯合Gd-DTPA 外，超順磁性氧化鐵磁共振造影劑的研究也廣受歡迎。應用到生物體中，磁性納米粒子必須 是單分散的、和水溶性的，才能在生物條件下有很好的重現性和好的生物兼容性。發明內容
本發明的目的是提供一種非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料。
本發明還提供了上述材料的製備方法。
其技術方案為
(1)將二價鐵鹽、二價鈷鹽、包裹劑溶解後配成溶液I，
(2)在無氧條件下向溶液I中滴加還原劑溶液，同時攪拌；然後超聲處理10 60 分鐘；取沉澱，得到非晶態鐵鈷硼(Fe-Co-B)納米磁共振造影劑材料；
二價鐵離子與二價鈷離子的摩爾比為1 0. 95 2. 5，優選為1 1 2 ；
二價鐵離子與還原劑的摩爾比為1 0. 2 1 ；
包裹劑與!^e2+的用量比為0. 5 2. 5g/mmol ；
包裹劑可選用葡聚糖、殼聚糖或聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)；
還原劑為硼氫化物，可以選用硼氫化鉀或硼氫化鈉。
所用的二價鐵鹽為硫酸亞鐵、硝酸亞鐵或氯化亞鐵；所用的二價鈷鹽為硫酸鈷、硝 酸鈷或氯化鈷。
葡聚糖、殼聚糖或聚乙烯基吡咯烷酮的分子量為10000 30000。
溶液I中Fe2+的濃度為0. 005 0. 02M。
步驟⑵中還原劑溶液的濃度為5 20mM。
步驟(1)中，將溶液I加熱到60 98°C並攪拌，使二價鐵鹽、二價鈷鹽、包裹劑溶 解充分。
步驟O)中，用氮氣、氦氣、氖氣或氬氣等惰性氣體作為保護氣體，排除反應體系 中的氧氣。
通過上述方法得到的非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料，平均粒徑為5 15nm,飽和磁化率較高，具有超順磁性；分散性好，毒性小，具有很好的水溶性和生物兼容 性。
本發明的製備方法，首先將常見的鐵鹽、鈷鹽、葡聚糖在水中攪拌溶解，然後加入 強還原劑在超聲條件下直接得到單分散的、非晶態的水溶性的納米磁共振造影劑。利用 化學還原法直接得到表面包裹葡聚糖、殼聚糖或PVP的生物兼容性極好的納米磁共振造影 劑。
還原劑將亞鐵離子、鈷離子還原到單質，得到非晶態的鐵鈷硼合金納米粒子，製備 過程中加入了葡聚糖等作為包裹劑。碳水化合物是細胞膜上的成份之一，利用葡聚糖等物 質上的羥基和金屬的配位作用以及在超聲條件下葡聚糖有機高分子與納米粒子之間非化 學鍵的包裹作用；所以納米粒子外面裹有了葡聚糖、殼聚糖或PVP等包裹劑後，使其具有很 好的分散性、水溶性和生物兼容性。
由於葡聚糖上的羥基和金屬的配位作用以及在超聲條件下葡聚糖有機高分子與 納米粒子之間非化學鍵的包裹作用，超聲條件下可以製備出非晶態的分散性很好的磁性納 米粒子，因為外面裹有葡聚糖，所以納米粒子具有很好的水溶性和生物兼容性。最後經過核 磁共振成像及細胞實驗測試證明其可作為磁共振成像造影劑。
本發明在簡單及普通的實驗裝置條件下，通過化學還原及簡單超聲實驗步驟即可 製備分散性好、粒徑均勻、水溶性極好的Fe-Co-B納米粒子。反應時間短，所需原材料常見 易得，價格低廉。操作過程簡單方便。該發明為納米磁共振成像造影劑材料的合成製備提 供了一種經濟與使用的新方法，並為人體的臨床實驗提供參考價值。所製得的!^e-Co-Bm 米磁共振材料為非晶態的，所以沒有固定的形貌，平均粒徑是lOnm，且!^e-Co-B納米磁共振材料表現出超順磁性，且飽和磁化率高，可達到25emu/g。這種製備方法對實驗操作和設備 的要求很低，所需原料價格低廉，操作簡單方便，副產物無公害。
圖1是實施例1非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料(Fe-Co-Β納米粒子)的透 射電子顯微鏡(TEM)照片。
圖2是非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料(Fe-Co-Β納米粒子)的粒徑分布圖。
圖3是本發明中非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料(Fe-Co-Β納米粒子)選區 電子衍射(SAED)照片。
圖4是本發明中非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料!^e-Co-B納米粒子X-射線 電子衍射圖(XRD)。
圖5是本發明中實施例1中表面包裹葡聚糖的非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材 料(Fe-Co-Β納米粒子)在常溫下的磁滯回線，是常溫條件下!^e-Co-B納米磁共振造影劑材 料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。從該圖可以 看出該材料具有超順磁性，飽和磁化率為25emu/g。
圖6是實施例1表面包裹葡聚糖的非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料(Fe-Co-B 納米粒子)和純的葡聚糖的傅立葉紅外(FT-IR)圖，
圖7是實施例1中表面包裹葡聚糖的非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料 (Fe-Co-Β納米粒子)在水溶液、磷酸鹽緩衝液、乙醇溶液、以及水和環己烷混合溶液中的溶 解性照片圖，從圖中看出Fe-Co-B納米粒子在水溶液、磷酸鹽緩衝液、乙醇溶液中有很好的 分散性且能穩定存在。
圖8是實施例1中表面包裹葡聚糖的非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料 (Fe-Co-Β納米粒子)分散在PBS緩衝溶液中的T2加權成像圖。是由0. 5T的磁共振成像儀 測試，具體參數TR/TE = 4000/60ms,選層厚度為0. 6mm,譜寬SW = 50KHz，接收機增益RG =2。
圖9是實施例1中表面包裹葡聚糖的非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料 (Fe-Co-Β納米粒子)r2的擬合直線，即磁性納米粒子在PBS緩衝溶液中的T2馳豫率(1/T2) 相對於狗元素濃度擬合的直線。橫坐標為Fe-Co-B納米磁共振材料中的！^元素濃度，縱 坐標為T2馳豫率(1/Τ2)，斜率即為橫向馳豫率r2。從該圖可看出Fe-Co-B納米磁共振材料 具有較強的弛豫能力，橫向馳豫率r2 = 16. BTmM-1S-10
圖10是表面包裹葡聚糖的非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料在濃度為O μ g/ mL到150 μ g/mL濃度時對HeLa細胞的毒性測試。
圖11是表面包裹葡聚糖的非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料在不同濃度下孵 育IOh後對HeLa細胞的MRI加權成像圖。
圖12是表面包裹葡聚糖的非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料在不同濃度下孵 育IOh後單個HeLa細胞所吞噬樣品的質量。
圖13是表面包裹葡聚糖的非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料在相同濃度不同 孵育時間條件下對HeLa細胞的MRI成像圖。
圖14是表面包裹葡聚糖的非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料在相同濃度不同孵育時間後單個HeLa細胞所吞噬樣品的質量。
圖15是表面包裹葡聚糖的非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料的表面電荷分布。
具體實施方式
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CoSO4 · 7H20 (0. 2811g, Immo 1)、FeS04 · 7H20 (0. 2780g, Immo 1)溶解在 IOOml 水 中，然後再加入1. OOOg葡聚糖(分子量20000，英文名稱為dextran，中國國藥集團化學試 劑有限公司生產，純度大於97.0%的固體白色粉末)，在90°C條件下磁力攪拌20min使葡聚 糖完全溶解；
然後用氮氣排除反應體系的氧氣，在無氧條件下，以氮氣為保護氣體，再逐滴加入 新鮮的硼氫化鈉(40mL，10mM)水溶液，同時攪拌；最後放入超聲機中超聲分散30min，離心 分離，取沉澱即可得到非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料(Fe-Co-Β納米粒子)。
透射電子顯微鏡(TEM)照片如圖1所示，可看出納米粒子尺寸比較均一，且分散性 較好，平均尺寸大約是10nm，粒徑分布狀態如圖2。
選區電子衍射(SAED)照片如圖3所示，和圖1 一樣，都是由JE0LJEM-2100高分辨 率透射電子顯微鏡測試得到的。從該圖中可以看出合成得到的i^e-Co-B納米粒子是非晶態 納米粒子。
X-射線電子衍射圖(XRD)如圖4所示，是由DMAX 2000X-射線衍射儀測試得到，該 衍射儀為Cu/Κα -輻射(λ = 0. 15405nm) (40kV,40mA)。該圖進一步說明合成得到的產物 Fe-Co-B為非晶態。
在常溫下的磁滯回線如圖5所示，是常溫條件下!^e-Co-B納米磁共振造影劑材料 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。從該圖可以看 出該材料具有超順磁性，飽和磁化率為2kmu/g。
表面包裹葡聚糖的非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料和純的葡聚糖的傅立葉 紅外(FT-IR)圖如圖6所示，從圖中可觀察到!^e-Co-B納米材料和純的葡聚糖在1028CHT1 處都有出峰，這是葡聚糖上的C-O-C的出峰位置，從FT-IR圖中可以證明納米粒子表面是包 裹葡聚糖的。
在水溶液、磷酸(PBS)緩衝液、乙醇溶液、以及水和環己烷混合溶液中的溶解性照 片如圖7所示，從圖中看出所得!^e-Co-B納米粒子在水溶液、PBS緩衝液、乙醇溶液中有很 好的分散性且能穩定存在。
分散在PBS緩衝溶液中的T2加權成像圖如圖8所示，由0. 5T的磁共振成像儀測 試，具體參數TR/TE = 4000/60ms，選層厚度為0. 6mm，譜寬SW = 50KHz，接收機增益RG = 2。從該圖中可知，隨著!^e-Co-B納米磁共振材料中!^e元素濃度的逐漸增加，信號逐漸變暗。
r2的擬合直線，即磁性納米粒子在PBS緩衝溶液中的T2馳豫率(1/T2)相對於!^e 元素濃度擬合的直線如圖9所示，橫坐標為Fe-Co-B納米磁共振材料中的！^元素濃度，縱 坐標為T2馳豫率(1/Τ2)，斜率即為橫向馳豫率r2。從該圖可看出Fe-Co-B納米磁共振材料具有較強的弛豫能力，橫向馳豫率r2 = 16. BTmM-1S-10
圖15為非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料(Fe-Co-Β納米粒子)在水溶液中的 表面電荷數值，從結果看，表面幾乎呈電中性。
葡聚糖可用分子量10000 30000的殼聚糖或聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)代替，效 果相同。
七水合硫酸亞鐵和七水合硫酸鈷可分別用等摩爾量的四水合氯化亞鐵和氯化鈷 代替，結果相同。
硼氫化鈉可用等摩爾量硼氫化鉀代替，效果相同。
實施例2
稱取CoSO4 · 7H20 (0. 2811g, lmmol)、FeSO4 · 7H20 (0. 1390g，0. 5mmol)溶解在 100ml 水中，然後再加入0. 800g葡聚糖，在90°C條件下磁力攪拌20min使葡聚糖完全溶解；
然後用氮氣排除反應體系的氧氣，在無氧條件下，以氮氣為保護氣體，再逐滴加入 新鮮的硼氫化鈉(40mL，10mM)水溶液，最後放入超聲機中超聲分散30min，離心分離，取沉 澱即可得到非晶態的 ^-Co-B納米核磁共振造影劑。
實施例3
稱取CoSO4 ·7H20(0. 2811g, lmmol) ,FeCl2 ·4Η20(0· 1987g, lmmol)溶解在 100ml 水 中，然後再加入1. OOOg葡聚糖，在90°C條件下磁力攪拌20min使葡聚糖完全溶解；
然後用氮氣排除反應體系的氧氣，在無氧條件下，以氮氣為保護氣體，再逐滴加入 新鮮的硼氫化鈉(40mL，IOmM)水溶液，同時攪拌；最後放入超聲機中超聲30min離心，分離 即可得到非晶態的 ^-Co-B納米核磁共振造影劑。
實施例4
稱取CoCl2 (0. 1298g, lmmol) ,FeSO4 ·7Η20(0· 2780g, lmmol)溶解在 100ml 水中，然 後再加入0. SOOg葡聚糖，在90°C條件下磁力攪拌20min使葡聚糖完全溶解；
然後用氮氣排除反應體系的氧氣，在無氧條件下，以氮氣為保護氣體，再逐滴加入 新鮮的硼氫化鈉(40mL，10mM)水溶液，同時攪拌；最後放入超聲機中超聲30min，離心分離 即可得到非晶態的 ^-Co-B納米核磁共振造影劑。
實施例5
稱取實施例1所得到的!^e-Co-B納米粒子5mg，配製5ml濃度為lmg/mL的!^e-Co-B RPMI-1640 溶液，然後稀釋成濃度分別為 150 μ g/mL、100 μ g/mL、80 μ g/mL、40 μ g/mL、 20 μ g/mL、10 μ g/L體積為ImL的RPMI-1640培養基溶液，MTT法測試對HeLa細胞的毒性。 結果如圖10所示。
實施例6
稱取實施例1所得到的!^e-Co-B納米粒子5mg，配製5ml濃度為lmg/mL的!^e-Co-B RPMI-1640 溶液，然後稀釋成濃度分別為 150 μ g/mL、120 μ g/mL,80 μ g/mL,40 μ g/mL 體積 為5mL的1640培養基溶液，把5mL樣品加入到對數期Hela細胞(1 X IO6)後孵育10小時， 測試細胞MRI成像和吞噬情況，結果如圖11和圖12所示。
實施例7
稱取實施例1所得到的!^e-Co-B納米粒子5mg，稀釋配製成四組體積為5ml濃度 為120 μ g/mL的RPMI-1640溶液，把樣品加入到對數期Hela細胞(1 X IO6)後分別孵育9h、Mi、3h、lh後，測試細胞MRI成像和吞噬情況，結果如圖13和圖14所示。
權利要求
1.一種非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟(1)將二價鐵鹽、二價鈷鹽、包裹劑溶解後配成溶液I，(2)在無氧條件下，向溶液I中滴加還原劑溶液，同時攪拌；然後超聲處理10 60分 鍾；取沉澱，得到非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料；二價鐵離子與二價鈷離子的摩爾比為1 0. 95 2. 5 ； 二價鐵離子與還原劑的摩爾比為1 0.2 1; 包裹劑與Fe2+的用量比為0. 5 2. 5g/mmol ； 包裹劑選自葡聚糖、殼聚糖或聚乙烯基吡咯烷酮；還原劑為硼氫化物。
2.權利要求1所述非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料的製備方法，其特徵在於，所 述二價鐵離子與二價鈷離子的摩爾比為1 1 2。
3.權利要求1所述非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料的製備方法，其特徵在於，所 述二價鐵鹽為硫酸亞鐵、硝酸亞鐵或氯化亞鐵；所述二價鈷鹽為硫酸鈷、硝酸鈷或氯化鈷。
4.權利要求1所述非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料的製備方法，其特徵在於，溶 液I中Fe2+的濃度為5 20mM。
5.權利要求1所述非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料的製備方法，其特徵在於，步 驟O)中還原劑溶液的濃度為5 20mM。
6.權利要求1所述非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料的製備方法，其特徵在於，步 驟(1)中，將溶液I加熱到60 98°C並攪拌，使二價鐵鹽、二價鈷鹽和包裹劑溶解充分。
7.權利要求1所述非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料的製備方法，其特徵在於，步 驟O)中，用氮氣、氦氣、氖氣或氬氣作為保護氣體，排除反應體系中的氧氣。
8.權利要求1所述非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料的製備方法，其特徵在於，所 述葡聚糖、殼聚糖或聚乙烯基吡咯烷酮的分子量為10000 30000。1
9.權利要求1所述非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料的製備方法，其特徵在於，硼 氫化物為硼氫化鈉或硼氫化鉀。
10.一種非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料，其特徵在於，通過權利要求1 9任一 項所述方法製備。
全文摘要
本發明涉及非晶態納米材料領域，公開了一種非晶態鐵鈷硼納米磁共振造影劑材料的製備方法。技術方案為(1)將二價鐵鹽、二價鈷鹽、包裹劑溶解後配成溶液I；(2)在無氧條件下向溶液I中滴加還原劑溶液，超聲處理10～60分鐘；取沉澱，得到非晶態鐵鈷硼(Fe-Co-B)納米磁共振造影劑材料，平均粒徑為5～15nm，飽和磁化率較高，具有超順磁性；分散性好，毒性小，具有很好的水溶性和生物兼容性。製備方法對實驗操作和設備的要求很低，所需原料價格低廉，操作簡單方便，副產物無公害。
文檔編號B22F9/24GK102038964SQ201010613918
公開日2011年5月4日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者代安濤, 周宏 , 李雪健, 楊仕平, 楊紅 申請人:上海師範大學