新型渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質及其在腫瘤磁熱療中的應用的製作方法
2023-06-09 05:08:11 2
新型渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質及其在腫瘤磁熱療中的應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種新型高性能渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質及其在腫瘤磁熱療中的應用。這種獨特的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質包含具有渦旋磁疇鐵基納米顆粒的核，採用具有生物兼容性良好的有機聚合物或無機材料對核進行包覆，形成磁溶膠。本發明提供的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質具有渦旋磁態，有高的磁飽和強度，分散穩定性好，有高的磁滯熱損耗，高的產熱效率(比吸收率)，例如渦旋磁疇Fe3O4納米環的比吸收率為2000-3000瓦特/克Fe，比商業使用的菲立磁的磁產熱高一個數量級，可有效地殺死癌細胞。而且還兼具有良好的生物相容性、安全無毒，在生物醫學中有很廣泛的應用前景。
【專利說明】新型渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質及其在腫瘤磁熱療中的應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種新型磁熱療介質，具體說，是涉及一種具有渦旋磁疇的鐵磁或亞鐵磁鐵基納米顆粒作為高性能磁熱療介質在腫瘤熱療中的應用，屬於納米材料生物醫學應用領域。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著科學技術的發展，磁性納米材料在生物醫學上的應用開始廣泛起來，其中，在用磁性納米材料進行癌症治療過程中，磁熱療成為一項重要的治療癌症的輔助手段並卓有成效，被認為是繼手術、放療、化療、免疫療法之後的第五大療法。磁熱療是通過植入或介入的方法使磁介質適形分布於治療靶區內，在外部中頻交變磁場的作用下，治療靶區內快速形成42-45°C左右的高溫區，選擇性殺死腫瘤細胞，同時不傷及周圍正常組織，實現腫瘤的靶向治療。作為一種新的腫瘤治療手段，磁熱療具有創傷小、痛苦小、治療時間短、保護正常組織功能、介質一次植入後可重複治療等特點。目前，德國、日本和美國等均已有臨床成功案例。
[0003]磁熱療的基本治療機理是利用鐵磁材料的磁滯效應在交變磁場下感應升溫特性實現物理熱療。磁性顆粒在交變場下的熱轉換效率可通過比吸收率(specific absorptionrate, SAR)來量化標定，單位是瓦/克。根據臨床使用的要求，交變磁場的場強限制在10-50kA/m,頻率通常在IOOkHz至1MHz。在同樣條件的交變磁場下，磁滯產熱與磁性顆粒的磁飽和強度、磁溶膠的穩定性以及磁性顆粒磁滯曲線的面積有直接的關係。目前最具代表性的納米磁熱療介質是具有較高生物相容性的四氧化三鐵單磁疇超順磁納米顆粒。但是由於其本身較小的尺寸(通常小於IOnm)和低磁化強度限制導致了可允許的交變磁場範圍內較小的熱轉化效率(S AR通常在300瓦/克左右)，從而不能滿足腫瘤熱療的需求。然而，尺寸較大的微納米晶，雖有很高的磁飽和強度、很大的磁滯面積，但是由於顆粒之間強的磁偶極相互作用而使得磁溶膠有凝聚、沉澱等現象發生，從而大大地減小熱轉化效率。另外，由納米微晶團聚而成的大尺寸超順磁顆粒也具有較大的磁飽和強度，但是由於顆粒之間的磁偶極相互作用導致較小的比吸收率。因此，發展和探索一種新型的磁性顆粒作為磁熱療介質，既具有接近體相材料的優良磁性而同時又具備超順磁納米顆粒的溶膠分散性，從而具有很高的磁熱轉化率是解決當前問題的有效策略。穩定渦旋磁疇納米顆粒是一種特殊形貌的鐵磁或亞鐵磁性納米材料，由於其特殊的尺寸邊界效應，導致穩定的磁化方向是環狀封閉結構形成渦旋態，代表性的形狀有環狀和片狀鐵磁性納米顆粒。以渦旋磁疇納米環為例，它的磁學特性與體相鐵磁體不同，即沒有剩磁和矯頑力，在無外場的情況下，渦旋磁疇的納米環之間無磁相互作用，整體不顯現磁極性，因此可以形成穩定的磁溶膠，從而用於生物醫學。與超順磁納米材料相比，在外場存在的情況下，其發生vortex state到onion state相轉變，迅速被磁化，其磁化強度明顯大於超順磁納米顆粒並具有較大的磁滯曲線面積。本專利發明人已報導這類特殊磁性質的納米環作為磁共振成像的應用，並且有很好的T2*增強效果。
【發明內容】
[0004]針對現有技術所存在的上述問題和需求，本發明目的是提供一種新型渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質及其在腫瘤熱療中的應用，該磁熱療介質既具有高的磁滯損耗，高的飽和磁化值，同時又具有超順磁納米顆粒所具備的穩定的磁溶膠，從而能具有很強的比吸收率。
[0005]為實現上述發明目的，本發明採用的技術方案如下:
[0006]—種新型潤旋磁疇鐵基納米磁熱療介質包含具有潤旋磁疇鐵基納米顆粒的核，米用具有生物兼容性良好的有機聚合物或無機材料對核進行包覆，形成穩定的磁溶膠。該熱療介質的顯著磁學性質是降低退磁能而具有渦旋磁疇，具有大的磁滯損耗。
[0007]作為優選方案，所述的潤旋磁疇鐵基納米磁熱療介質中具有潤旋磁疇鐵基納米顆粒的核是MFe204、FeCo、FePt、Fe等鐵磁或亞鐵磁納米晶顆粒,其中，M為Fe、Co、Mn或Ni。
[0008]作為優選方案，所述的潤旋磁疇鐵基納米磁熱療介質中具有潤旋磁疇鐵基納米顆粒的核的形貌主要為具有渦旋磁疇的納米環或納米片，所述納米環或納米片主要是通過如下步驟製得:SS1:通過離子輔助的水熱途徑先合成C1-Fe2O3相，該方法是指在密封的反應釜中，Fe3+作為反 應試劑，在高溫高壓條件下，過飽和而析出晶體，在這個過程中PO/—選擇性吸附在平行c軸方向的晶面上，在動力學平衡和熱力學平衡的情況下，優先沿c軸方向溶解a -Fe2O3顆粒而形成納米環。具體試驗過程為:取0.5mL_2.0mL FeCl3(0.1-10M)水溶液、0.1mL-1mL NH4H2PO4 (0.001-0.1M)水溶液和去離子水混合於反應釜，攪拌均勻，在120°C _220°C反應8-60小時，反應結束後，等溫度自然降到室溫，用體積比為1:1的酒精和水洗3遍，烘乾，得到a -Fe2O3紅色固體粉末；SS2:然後再通過還原劑將合成的a -Fe2O3還原成磁性鐵基納米環或納米片，其中還原劑為1% -5% Η2/99% -95% Ar。具體試驗過程為:直接稱量一定質量的a -Fe2O3納米環或納米片放於臥式石英管式爐，通入1% -5%Η2/99% -95% Ar，在350°C -400。。還原1-2小時，得到黑色粉末固體，即得Y-Fe2O3, Fe3O4或高含量Fe納米環或納米片；
[0009]將一定濃度的Co、Mn、N1、Pt金屬化合物與一定質量的a -Fe2O3納米環或納米片混合，在60-10(TC加熱充分攪拌，加入一定濃度的NaOH，充分反應後，離心分離沉澱物，將沉澱物放於臥式石英管式爐，通入1% -5% H2/99% -95% Ar，在350°C _400°C還原1-2小時，得到黑色粉末固體，即得磁性固體物質MFe2CVFeCo、FePt、Fe等鐵磁或亞鐵磁納米晶顆粒，其中，M為Co、Mn、Ni。
[0010]作為優選方案，所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，前提條件要具有渦旋磁疇。
[0011]作為優選方案，所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，當所述納米環為Fe3O4納米環時，滿足具有渦旋磁疇的條件範圍如下:
[0012]當內徑與外徑之比為0.4時，500微米≥外徑≥60納米，100納米≥厚度≥10納米以及外徑在40納米-60納米之間,厚度在10納米-100納米之間的特定條件下；
[0013]當內徑與外徑之比為0.6時，500微米≥外徑≥60納米，100納米≥厚度≥10納米以及外徑在40納米-60納米之間,厚度在10納米-100納米之間的特定條件下；
[0014]當內徑與外徑之比為0.8時，500微米≥外徑≥70納米，100納米≥厚度≥10納米以及外徑在35納米-70納米之間，厚度在10納米-100納米之間的特定條件下。
[0015]作為優選方案，所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，當所述納米片為Fe3O4納米片時，滿足具有潤旋磁疇的條件範圍如下:
[0016]500微米>外徑> 80納米，100納米>厚度> 15納米以及外徑在60納米-80納米之間，厚度在10納米-100納米之間的特定條件下。
[0017]作為優選方案，所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，所述的包覆磁核的有機聚合物為天然及合成的生理上可耐受的具有水溶性的大分子聚合物以及衍生物。
[0018]作為優選方案，所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，所述的包覆磁核的無機材料為Si02、C、Au, Ag等非磁性生物兼容性良好的材料。
[0019]作為優選方案，所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，其中所述的渦旋磁疇鐵基納米顆粒核與同表面相結合的包覆材料的重量比為10:1至1: 10。
[0020]作為優選方案，所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，可有效負載抗癌化療劑，包括阿黴素，阿黴素、柔紅黴素、5-氟尿嘧啶、紫杉醇、洛鉬、博萊黴素，多西他賽、吉西他賓、異長春花鹼、羥基喜樹鹼等。
[0021]作為優選方案，所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質在腫瘤磁熱療中的應用。
[0022]本發明使用一種新型渦旋磁疇的鐵磁納米環作為磁熱療介質，該磁熱療介質具有渦旋磁態，在室溫下，磁滯回線測量沒有剩磁和矯頑力，顆粒之間磁偶極相互作用較弱，能形成穩定的磁溶膠，有高的磁飽和強度和磁化率。
[0023]與現有技術相比，本發明提供了一種具有良好生物兼容性、安全無毒、高磁熱性能的渦旋磁疇鐵基納米環作為磁熱療介質，所述的外徑為70nm Fe3O4納米環作為磁熱療介質的SAR值可達到2000-3000瓦特/克，比商業傳統使用的磁熱療介質的SAR值高几乎一個數量級，體外細胞磁熱試驗表明所述磁熱療介質能很有效地殺死癌細胞。本發明提供的渦旋磁疇磁熱療介質，生物兼容性好，分散、穩定性好，具有高的飽和磁化值，沒有剩磁、矯頑力，但具有很大的磁滯損耗，有顯著提高的磁熱轉化率，在磁熱療和熱化療聯用以及抗腫瘤診療一體化方面有很廣闊的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1a本發明實施例1的外徑為70nm Fe3O4納米環掃描電鏡(SEM)示意圖。
[0025]圖1b本發明實施例1的外徑為70nm Fe304納米環磁溶膠透射電鏡(TEM)示意圖。
[0026]圖1c本發明實施例1的外徑為70nm Fe3O4納米環X射線粉末衍射(XRD)示意圖。
[0027]圖1d本發明實施例1的外徑為70nm Fe3O4納米環振動樣品磁強計(VSM)示意圖。右下角為放大的VSM示意圖。
[0028]圖2a本發明實施例1的外徑為70nm Fe3O4納米環用磷酸化的聚乙二醇單甲醚分散在去離子水中靜置的示意圖(a)，在此磁溶膠旁加一磁鐵後的示意圖(b)。
[0029]圖2b本發明實施例1的外徑為70nm Fe3O4納米環用磷酸化的聚乙二醇單甲醚分散在去離子水後的水化半徑示意圖(a)。
[0030]圖3本發明實施 例1的外徑為70nm Fe3O4納米環磁溶膠在交變磁場下隨時間的溫度變化曲線。[0031]圖4本發明實施例1的外徑為70nm Fe3O4納米環磁溶膠和本發明實施例2的商業菲立磁的SAR值大小的比較。
[0032]圖5本發明實施例1的外徑為70nm Fe3O4納米環磁溶膠對乳腺癌MCF-7癌細胞的毒性實驗測試。
[0033]圖6a本發明實施例1的細胞攝入外徑為70nm Fe3O4納米環後進行磁熱10分鐘後的共聚焦雷射顯微鏡示意圖。
[0034]圖6b本發明實施例1的細胞攝入外徑為70nm Fe3O4納米環後進行磁熱20分鐘後的共聚焦雷射顯微鏡示意圖。
[0035]圖6c本發明實施例1的細胞攝入外徑為70nm Fe3O4納米環後進行磁熱10分鐘後和20分鐘後的細胞存活率對比示意圖。
[0036]圖7本發明實施例2的商業菲立磁在交變磁場下隨時間的溫度變化曲線。
[0037]圖8a本發明實施例2的細胞攝入商業菲立磁後進行磁熱10分鐘後的共聚焦雷射顯微鏡示意圖。
[0038]圖Sb本發明實施例2的細胞攝入商業菲立磁後進行磁熱20分鐘後的共聚焦雷射顯微鏡示意圖。
[0039]圖8c本發明實施例1的細胞攝入商業菲立磁後進行磁熱10分鐘後和20分鐘後的細胞存活率對比示意圖。
圖9本發明實施例3的直徑為200nm、厚度為18nm Fe3O4納米片掃描電鏡(SEM)示意
圖。`
【具體實施方式】
[0040]為使發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對發明進一步詳細說明。
[0041]實施例1:
[0042]外徑為70nm Fe3O4納米環的製備:
[0043](I)首先合成外徑為70nma -Fe2O3納米環:通過水熱法合成。0.8mL FeCl3 (0.5M)水溶液、0.7mL NH4H2PO4 (0.02M)水溶液和38.5mL去離子水混合於50mL反應釜，攪拌均勻，在220°C反應48小時。反應結束後，等溫度自然降到室溫，用1:1體積比的酒精和水洗3遍，烘乾，得到紅色固體粉末。
[0044](2)還原a-Fe2O3成Fe3O4納米環:稱量一定質量的a-Fe2O3納米環放於臥式石英管式爐，以200sccm流量通入5% H2/95% Ar，在375°C還原2小時，得到黑色粉末固體。
[0045]圖1c表明本發明實施例1所得的黑色粉末固體的XRD示意圖。應用XRD技術(Cu靶Ka射線)對粉末的物相進行鑑別，波長為0.154nm,掃描角度為20°到80°。通過XRD的測定，不僅可以判斷最終的反應產物FEeO4，而且還可以了解產物的純度。測定結果見圖lc，圖譜上各晶面的特徵峰與國際粉末聯合會提供的Fe3O4標準PDF卡(JCPDS cardN0.19-0629)中的XRD圖譜的特徵峰完全吻合，且無雜峰出現，這表明所製備的磁性納米環為Fe3O4,而且純度較高。
[0046]圖1a表明本發明實施例1的Fe3O4納米環掃描電鏡示意圖。從圖中可以看出Fe3O4納米環外徑70nm左右,大小、形貌均一。[0047]將70nm Fe3O4納米環用磷酸化的聚乙二醇單甲醚分散於水中，形成磁溶膠。採用如下步驟將70nm Fe3O4納米環分散於水中形成磁溶膠:a) 70nm Fe3O4納米環分散在氯仿中製備成磁流體；b)將磷酸化的聚乙二醇或磷酸化的聚乙二醇單甲醚加入到磁流體中反應；
c)揮發氯仿，加入去離子水分散，離心、取澄清液。
[0048]將製備的70nm Fe3O4磁性納米環分散於水後，滴加在300孔的銅網上，自然乾燥後，於透射電鏡(加速電壓為200kV)下觀測粒子的大小和形態。圖1b為所製備的70nmFe3O4磁性納米環的TEM照片，從圖1b可見，大多數粒子呈環狀，且粒子的分散性良好。該磁核的外徑為70nm,內徑為50nm,滿足形成穩定潤旋磁疇納米環的條件。
[0049]將製備的70nm Fe3O4磁性納米環使用VSM進行磁性表徵，在磁場範圍_20k0e~+20k0e內，於室溫下測定樣品的磁性能，結果見圖1d。從圖1d可以看出，所製備樣品的磁滯回線不同於一般鐵磁性材料的磁滯回線，其特點在於兩條不重合的磁化曲線，在原點處重合，這正體現了四氧化三鐵亞鐵磁納米環的一個重要磁學特徵:具有穩定的渦旋態(vortexstate)磁疇結構,其穩定的磁化方向是沿環狀結構形成潤旋態。與體相磁體不同，在無外場的情況下，渦旋磁態納米環之間磁偶極相互作用極小，整體不顯現磁極性，沒有剩磁和矯頑力；其磁特性與超順磁性質也有較大的差別，在外場存在的情況下，其發生vortex state到onion state轉變,迅速被磁化,其磁化強度明顯大於超順磁納米顆粒,有明顯的磁滯損耗現象。
[0050]圖2a表明所製備的70nm Fe3O4納米環用磷酸化的聚乙二醇單甲醚分散在去離子水中靜置的示意圖，從圖中可以看出70nm Fe3O4納米環穩定分散在水溶液中，清澈透亮，無團聚現象，表明在無外場的情況下，渦旋磁態納米環之間無磁相互作用，整體不顯現磁極性，所以很各易穩定地分散在水中；在芳邊加一磁鐵，Fe3O4納米環能迅速被磁化，表明在外場存在的情況下，其發生vortex state到onion state轉變,其磁響應強。用雷射粒度儀測定其水合動力學半徑。結果見圖2b。從該70nm Fe3O4納米環的水合動力學粒徑及其分布圖可知，其平均水合動力學粒徑為140nm，該值大於TEM觀察到的磁核粒徑數值。這是因為雷射粒度儀所測定的粒徑是磁性納米粒子的水合動力學半徑，大約是Fe3O4納米環磁核粒徑與包裹層厚度以及水化層厚度之和，而用TEM觀察到的僅為磁核粒徑，不包括包裹層厚度以及水化層厚度。
[0051]將製備的磁性納米粒子分散於水中，使Fe3O4納米環的質量濃度為210ug/mL，I IOug/mL and60ug/mL,將其分別置於交變磁場中，設置磁場參數為:場強H=37kA/m,f=400kHz，進行體外升溫實驗，結果見圖3。由圖3可知，隨著濃度的升高，升溫速率升高。濃度為 210ug/mL Fe> 110ug/mL Fe、60ug/mL Fe 的 Fe3O4 納米環 600s 內溫度分別升高 33.5°C、20.1°C、11.4°C，平均升溫速率分別為 3.350C /min、2.01°C /min、L 14°C /min。由於體內的熱平衡效應使得磁性納米粒子的初始溫度為37°C，要想達到在腫瘤部位42-45°C的治療需要，從臨床治療的角度來說，這種磁性納米粒子的升溫速率可滿足治療要求。
[0052]對於磁性材料升溫性能的評價，文獻中一般用比吸收率SAR(specific powerabsorption rate)參數來表徵。SAR的含義是在單位時間內，將單位質量的鐵元素置於交變磁場中所能產生的熱量，單位是Watt/g。計算公式為:
[0053]
【權利要求】
1.一種新型渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，其特徵在於，所述鐵基納米磁熱療介質包含具有渦旋磁疇鐵基納米顆粒的核，採用具有生物兼容性良好的有機聚合物或無機材料對核進行包覆。
2.根據權利要求1所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，其特徵在於，所述具有渦旋磁疇鐵基納米顆粒的核是MFe204、FeCo, FePt, Fe等鐵磁或亞鐵磁納米晶顆粒，其中，M為Fe、Co、Mn 或 Ni。
3.根據權利要求2所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，其特徵在於所述具有渦旋磁疇鐵基納米顆粒的核的形貌主要為具有渦旋磁疇的納米環或納米片，所述納米環或納米片主要是通過如下步驟製得:SS1:通過離子輔助的水熱途徑先合成a-Fe203相，該方法是指在密封的反應釜中，Fe3+作為反應試劑，在高溫高壓條件下，過飽和而析出晶體，在這個過程中P043-選擇性吸附在平行c軸方向的晶面上，在動力學平衡和熱力學平衡的情況下，優先沿c軸方向溶解a -Fe203顆粒而形成納米環。具體試驗過程為:取0.5mL_2.0mLFeC13(0.1-10M)水溶液、0.1mL-1mL NH4H2P04 (0.001-0.1M)水溶液和去離子水混合於反應釜，攪拌均勻，在120°C _220°C反應8-60小時，反應結束後，等溫度自然降到室溫，用體積比為1:1的酒精和水洗3遍，烘乾，得到a -Fe203紅色固體粉末；SS2:然後再用還原劑將合成的a -Fe203還原成磁性鐵基納米環或納米片，其中還原劑為1% -5% H2/99% -95%Ar。具體試驗過程為:直接稱量一定質量的a -Fe203納米環或納米片放於臥式石英管式爐，通入1% -5% H2/99% -95% Ar，在350°C _400°C還原1-2小時，得到黑色粉末固體，即得Y -Fe203, Fe304或高含量Fe納米環或納米片； 將一定濃度的Co、Mn、N1、Pt金屬化合物與一定質量的a -Fe203納米環或納米片混合，在60-10(TC加熱充分攪拌，加入一定濃度的NaOH，充分反應後，離心分離沉澱物，將沉澱物放於臥式石英管式爐，通入1% -5% H2/99% -95% Ar，在350°C _400°C還原1-2小時，得到黑色粉末固體，即得磁性固體物質MFe204、FeCo, FePt, Fe等鐵磁或亞鐵磁納米晶顆粒，其中，M為Co、Mn、Ni。
4.根據權利要求1 所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，前提條件要具有渦旋磁疇的納米環或納米片。
5.根據權利要求4所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，當所述為鐵基納米環時，其滿足具有渦旋磁疇的條件範圍如下:0.85 >內徑與外徑之比>0.2，500微米>外徑>60納米，100微米>厚度> 10納米。
6.根據權利要求4所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，當所述納米片為鐵基納米片時，滿足具有渦旋磁疇的條件範圍如下:500微米>外徑> 30納米，100微米>厚度> 15納米。
7.根據權利要求1所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，所述的包覆磁核的有機聚合物為天然及合成的生理上可耐受的具有水溶性的大分子聚合物以及衍生物。
8.根據權利要求1所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，其中所述的渦旋磁疇鐵基納米顆粒核與同表面相結合的包覆材料的重量比為10:1至1: 10。
9.根據權利要求1所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質，其特徵在於，所述的鐵基納米磁熱療介質可有效負載抗癌化療劑，包括阿黴素，阿黴素、柔紅黴素、5-氟尿嘧啶、紫杉醇、洛鉬、博萊黴素，多西他賽、吉西他賓、異長春花鹼、羥基喜樹鹼等。
10.權利要求1至10所述的渦旋磁疇鐵基納米磁熱療介質在腫瘤磁熱療及熱化療聯用中的應用。`
【文檔編號】A61K47/02GK103861108SQ201410074604
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月3日 優先權日:2014年3月3日
【發明者】樊海明, 劉曉麗, 任兆玉, 白晉濤 申請人:西北大學