CN100358583C - 一种钆掺杂纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钆掺杂纳米复合材料及其制备方法。本发明的钆掺杂纳米复合材料，由氧化硅和钆组成，钆和氧化硅的摩尔比为0.01～0.12；钆掺杂纳米复合材料粒径为20～150纳米，包含直径2～7纳米的通道。本发明的钆掺杂纳米复合材料增强了钆的顺磁性，大大增强了组织T1和T2弛豫率，且易于与各种生物大分子结合，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体的说涉及一种应用于MRI分子影像学及分子治疗研究的材料。
背景技术
核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)是二十世纪80年代发展起来的一种先进的影像检查技术。它利用人体中的H质子(Proton)在强磁场内受到射频脉冲的激发，产生核磁共振现象，经过空间编码技术，将以电磁形式放出的核磁共振信号接收转换，通过计算机形成高质量的图像。MRI具有极高的软组织分辨能力和无放射损伤等优点，已成为最重要的诊断工具之一，广泛应用于临床。
使用MRI造影剂可以增强组织之间信号差异，显示微小病灶和与正常结构相仿的病灶。这些造影剂具有较强的顺磁性，与组织中的质子接触后，影响这些质子的T1(自旋-晶格)和T2(自旋-自旋)弛豫时间(relaxation time)，间接地改变质子所形成的信号强度，增加组织间的信号对比噪声比，来实现造影的目的。金属钆离子有9个不对称电子，具有较大的磁距和较短的电子自旋驰豫时间，是顺磁性很强的金属离子，同时钆离子有9个能与水质子结合的配位或接触点，是良好的顺磁性物质。目前临床广泛应用的顺磁性造影剂，均为含钆的螯合物(钆类顺磁性造影剂)，该类造影剂主要缩短组织的T1驰豫时间，使增强组织在T1加权图像上显示为高信号，故又称为MRI阳性造影剂。目前钆二乙烯三胺五乙酸(Gadolinium-Diethylenetriamine pentaacetic acid，Gd-DTPA)是目前临床应用最广泛的MRI造影剂，在疾病发现和鉴别诊断方面，有着重要的应用价值。
然而，目前临床MRI诊断主要依据肿瘤大体形态学特征以及肿瘤血供特点，其影像学表现不具备特征性，在临床工作中常常遇到棘手的鉴别诊断问题。因此，迫切需要寻找更加敏感、具有特异性诊断价值的影像学检查技术或诊断探针，在分子水平进行疾病的特异性诊断。近年来，随着分子生物学和影像学的飞速发展，日新月异的医学影像技术与现代分子生物学密切结合，产生一门新兴的交叉学科——分子影像学，它利用目前临床上广泛应用的医学影像技术对生命体内部生理和病理过程在分子水平上进行的无损伤实时成像，通过对病变的关键标记(Marker)的分子显像，达到特异性诊断的目的。目前已有一大批新的分子影像学诊断药物(探针)和新型的分子影像学诊断技术正在进行临床前研究，部分已经进入临床应用。MRI在分子影像学应用中具有其他影像学技术不可比拟优越性，MRI有着极精细的空间分辨率和极佳的组织分辨率，可在高分辨地显示组织解剖结构的同时，对深部组织的分子特征进行精细、准确的定位、定量分析，是最理想的分子影像学分析技术之一。
然而，目前临床上广泛应用的钆类顺磁性造影剂，如Gd-DTPA，对组织T1和T2驰豫时间的影响主要依据钆离子的不对称电子与水分子中氢原子核相互作用，螯合物结构中的钆离子必须容易与水分子有较紧密的接触，在磁场作用下与组织中的氢原子核相互交换，从而缩短组织T1驰豫时间。钆离子有9个能与水质子结合的位点，而Gd-DTPA占去了8个。钆离子与DTPA螯合后，减少了与水质子的接触而降低了驰豫率。同时，钆类顺磁性螯合物是一种结构非常稳定化合物，难以与生物大分子，如抗体(配体)或治疗物质螯合，作为靶向诊断和靶向治疗的平台在临床上应用。因此，迫切需要研制和开发驰豫率高、易于与生物大分子连接的新型材料，应用于MRI分子影像学及分子治疗研究。
随着纳米技术的广泛应用，以氧化硅(Silica)纳米材料为代表的新型生物材料得以开发，并在临床上广泛利用。氧化硅纳米材料结构稳定，无毒性，易于各种生物大分子结合，已作为生物显像、分子治疗的平台，应用于临床。利用钆离子具有极佳顺磁性的特性，钆掺杂复合氧化硅纳米材料有望成为具有广泛应用前景的、新型的靶向MRI造影剂。然而，作为高驰豫率的MRI造影剂，顺磁性物质的分子结构必须允许水质子与钆离子有较紧密的接触，又不显著降低钆的驰豫率，因此需要特殊结构的氧化硅纳米材料与钆复合，制备成高驰豫率的钆复合纳米材料。
发明内容
本发明的目的是克服上述MRI造影剂存在驰豫率低的问题，提供一种新型的钆掺杂纳米复合材料，该钆掺杂纳米复合材料增强了钆的顺磁性，大大增强了组织T1和T2弛豫率，且易于与各种生物大分子结合。
本发明的另一个目的是提供上述钆掺杂纳米复合材料的制备方法。
本发明的钆掺杂纳米复合材料，含有氧化硅和钆，钆和氧化硅的摩尔比为0.01～0.12。
上述钆掺杂纳米复合材料粒径为20～150纳米，包含直径2～7纳米的通道。
上述钆掺杂纳米复合材料的制备方法，步骤如下：
(1)将非离子表面活性剂溶解于酸性溶液中，然后在超声波振荡下，加入四甲氧基硅烷或四乙氧基硅烷，5～25分钟后加入GdCl3·6H2O，在超声波振荡下，反应继续进行5～50分钟；非离子表面活性剂、四甲氧基硅烷或四乙氧基硅烷、GdCl3·6H2O、酸性溶液的比例为0.8～5.0摩尔：3.0～14摩尔：0.08～1.0摩尔：10～70升；酸性溶液的浓度为0.5～5mol/L；反应温度在30～60℃；
(2)在超声波振荡下，将反应混合溶液顷倒到5～20倍体积的氨水溶液中，继续振荡10～120分钟；氨水溶液浓度为0.5～5mol/L；
(3)离心分离，干燥，250～600℃煅烧或用乙醇-蒸馏水混合溶液洗涤得到钆掺杂纳米复合材料。
上述步骤(1)所述的非离子表面活性剂为：
玻雷吉系列表面活性剂：Brij 52，Brij 30，Brij 56，Brij 58，Brij76，Brij 78，Brij 97，Brij 35；
特列顿系列表面活性剂：Triton X-100，Triton X-114；
吐温系列表面活性剂：Tween20，Tween40，Tween60，Tween80；
司盘：Span 40；
Tergitol系列表面活性剂：Tergitol TMN 6，Tergitol TMN 10；
聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷嵌段聚合物系列表面活性剂：聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷(poly(ethyleneoxide)-poly(propylene oxide)-poly(ethylene oxide)(EO-PO-EO))，根据聚环氧乙烷片断和聚环氧丙烷片断的聚合度不同，嵌段聚合物可以为：Pluronic L121(聚合度Mav＝4400)，EO5PO70EO5；Pluronic L64(Mav＝2900)，EO13PO30EO13；Pluronic P65(Mav＝3400)，EO20PO30EO20；Pluronic P85(Mav＝4600)，EO26-PO39EO26；PluronicP103(Mav＝4950)，EO17PO56EO17；Pluronic P123(Mav＝5800)，EO20PO70EO20；Pluronic F68(Mav)8400)，EO80PO30EO80；PluronicF127(Mav＝12600)，EO106PO70EO106；Pluronic F88(Mav＝11400)，EO100PO39EO100；
上述步骤(1)所述的酸性溶液为盐酸、硝酸或硫酸。
上述步骤(3)所述的离心分离的转速为每分钟8000至15000转。
本发明的有益效果：本发明的钆掺杂纳米复合材料内可结合若干个钆离子，其稳定的结构限制了钆离子的移动，增强了它的顺磁性；它的多孔性结构可使水质子自由进出结构内部，以便与结合的钆离子充分接触，大大增强了组织T1和T2弛豫率。氧化硅纳米材料无毒性，易于各种生物大分子结合；同时，纳米大小的钆复合材料，进入人体后，易于透过血管及组织间隙，以及进入细胞内。因此，钆掺杂纳米复合材料可作为靶向分子和治疗药物的良好载体，在MRI分子显像以及分子治疗中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为钆掺杂纳米复合材料经透射电子显微镜扫描图；Gd-MS在磷钨酸溶液TEM电镜扫描(×106)，纳米颗粒大小均匀，约30～40nm。
图2为钆掺杂纳米复合材料(Gadolinium-Mesoporous Silica，Gd-MS)行MRI扫描图；
扫描参数：1.5 T MRI机(GE Signa CVI，GE公司)
自旋回波(Spin Echo)序列
参数：TR 300ms，TE 8.7ms，Echo Train Length 7.8kHzFOV(Field of View)16×16；层厚(slice thickness)＝2.0mm；
距阵(matrix)128×128
Imaging Option：NP/VB/SQ/SPF(No phase wrap，Various bandwidth，Sequencequene)。
图3为钆掺杂纳米复合材料经透射电子显微镜扫描图；Gd-MS在磷钨酸溶液TEM电镜扫描(×106)，纳米颗粒大小均匀，约35～45nm。
图4为钆掺杂纳米复合材料(Gadolinium-Mesoporous Silica，Gd-MS)行MRI扫描图；
扫描参数：1.5 T MRI机(GE Signa CVI，GE公司)
自旋回波(SpinEcho)序列
参数：TR 300ms，TE 8.7ms，Echo Train Length 7.8kHzFOV(Field of View)16×16；层厚(slice thickness)＝2.0mm；
距阵(matrix)128×128
Imaging Option：NP/VB/SQ/SPF(No phase wrap，Various bandwidth，Sequencequene)。
图5为钆掺杂纳米复合材料经透射电子显微镜扫描图；Gd-MS在磷钨酸溶液TEM电镜扫描(×106)，纳米颗粒大小均匀，约40～50nm。
图6为钆掺杂纳米复合材料(Gadolinium-Mesoporous Silica，Gd-MS)行MRI扫描图；
扫描参数：1.5 T MRI机(GE SignaCVI，GE 公司)
自旋回波(Spin Echo)序列
参数：TR 300ms，TE 8.7ms，Echo Train Length 7.8kHzFOV(Field of View)16×16；层厚(slice thickness)＝2.0mm；
距阵(matrix)128×128
Imaging Option：NP/VB/SQ/SPF(No phase wrap，Various bandwidth，Sequencequene)。
具体实施方式
实施例1 以非离子表面活性剂Pluronic P123为模板，以四甲氧基硅烷为硅来源合成钆掺杂纳米复合材料：
2.3毫摩尔非离子表面活性剂Pluronic P123溶解在30毫升蒸馏水中，37℃，在超声波振荡下使，Pluronic P123完全溶解；然后加入4毫升浓盐酸(37％)；继续在超声波振荡下加入7毫摩尔四甲氧基硅烷和0.40毫摩尔GdCl3·6H2O，反应进行7分钟。然后在超声波振荡下，将反应溶液倒入400毫升0.5mol/L的氨水溶液。反应进行20分钟。利用离心分离法(12000rpm)收集纳米材料，室温干燥，300℃煅烧4小时，即得钆掺杂纳米复合材料。所得钆掺杂纳米复合材料平均粒径34nm，颗粒包含的通道平均直径3.7nm，如图1所示。对所得钆掺杂纳米复合材料行MRI扫描，与MRI常规造影剂(Gd-DTPA)比较，其T1(自旋-晶格)弛豫率高1,000倍，如图2所示。
实施例2 以非离子表面活性剂Pluronic P123为模板，以四乙氧基硅烷为硅来源合成钆掺杂纳米复合材料：
2.8毫摩尔非离子表面活性剂Pluronic P123溶解在30毫升蒸馏水中，37℃，在超声波振荡下使，Pluronic P123完全溶解；然后加入4毫升浓盐酸(37％)；继续在超声波振荡下加入7毫摩尔四乙氧基硅烷和0.30毫摩尔GdCl3·6H2O，反应进行7分钟。然后在超声波振荡下，将反应溶液倒入500毫升0.5mol/L的氨水溶液。反应进行30分钟。利用离心分离法(12000rpm)收集纳米材料，室温干燥，400℃煅烧4小时，即得钆掺杂纳米复合材料。所得钆掺杂纳米复合材料由平均粒径38nm颗粒组成，颗粒包含的通道平均直径4.1nm，如图3所示。对所得钆掺杂纳米复合材料行MRI扫描，与MRI常规造影剂(Gd-DTPA)比较，其T1(自旋-晶格)弛豫率高1,000倍，如图4所示。
实施例3 以非离子表面活性剂Pluronic F127为模板，以四甲氧基硅烷为硅来源合成钆掺杂纳米复合材料
2.8毫摩尔非离子表面活性剂Pluronic F127溶解在30毫升蒸馏水中，37℃，在超声波振荡下使，Pluronic F127完全溶解；然后加入4毫升浓盐酸(37％)；继续在超声波振荡下加入7毫摩尔四甲氧基硅烷和0.30毫摩尔GdCl3·6H2O，反应进行7分钟。然后在超声波振荡下，将反应溶液倒入600毫升0.5mol/L的氨水溶液。反应进行35分钟。利用离心分离法(12000rpm)收集纳米材料，室温干燥，400℃煅烧4小时，即得钆掺杂纳米复合材料。材料由平均粒径36nm颗粒组成，颗粒包含的通道平均直径4.0nm。
实施例4 以非离子表面活性剂Pluronic F127为模板，以四乙氧基硅烷为硅来源合成钆掺杂纳米复合材料
2.8毫摩尔非离子表面活性剂Pluronic F127溶解在30毫升蒸馏水中，37℃，在超声波振荡下使，Pluronic F127完全溶解；然后加入4毫升浓盐酸；继续在超声波振荡下加入7毫摩尔四乙氧基硅烷和0.30毫摩尔GdCl3·6H2O，反应进行7分钟。然后在超声波振荡下，将反应溶液倒入600毫升0.5mol/L的氨水溶液。反应进行30分钟。利用离心分离法(12000rpm)收集纳米材料，室温干燥，400℃煅烧4小时，即得钆掺杂纳米复合材料。材料由平均粒径37nm颗粒组成，颗粒包含的通道平均直径3.9nm。
实施例5 以非离子表面活性剂Brij58为模板，以四甲氧基硅烷为硅来源合成钆掺杂纳米复合材料
3.5毫摩尔非离子表面活性剂Brij58溶解在30毫升蒸馏水中，40℃，在超声波振荡下使，Brij58完全溶解；然后加入4毫升浓盐酸(37％)；继续在超声波振荡下加入7毫摩尔四甲氧基硅烷和0.50毫摩尔GdCl3·6H2O，反应进行12分钟。然后在超声波振荡下，将反应溶液倒入300毫升0.5mol/L的氨水溶液。反应进行20分钟。利用离心分离法(12000rpm)收集纳米材料，室温干燥，500℃煅烧4小时，即得钆掺杂纳米复合材料。材料由平均粒径44nm颗粒组成，颗粒包含的通道平均直径3.2nm，如图5所示。对所得钆掺杂纳米复合材料行MRI扫描，与MRI常规造影剂(Gd-DTPA)比较，其T1(自旋-晶格)弛豫率高2,500倍，如图6所示。
实施例6 以非离子表面活性剂Triton X-100为模板，以四乙氧基硅烷为硅来源合成钆掺杂纳米复合材料
2.5毫摩尔非离子表面活性剂Triton X-100溶解在30毫升蒸馏水中，42℃，在超声波振荡下使，Triton X-100完全溶解；然后加入5毫升浓盐酸；继续在超声波振荡下加入7毫摩尔四乙氧基硅烷和0.50毫摩尔GdCl3·6H2O，反应进行12分钟。然后在超声波振荡下，将反应溶液倒入400毫升0.5mol/L的氨水溶液。反应进行25分钟。利用离心分离法(12000rpm)收集纳米材料，室温干燥，500℃煅烧4小时，即得钆掺杂纳米复合材料。材料由平均粒径32nm颗粒组成，颗粒包含的通道平均直径2.3nm。
实施例7 以非离子表面活性剂Tween 20为模板，以四乙氧基硅烷为硅来源合合成钆掺杂纳米复合材料
3.5毫摩尔非离子表面活性剂Tween 20溶解在30毫升蒸馏水中，37℃，在超声波振荡下使，Tween 20完全溶解；然后加入4毫升浓盐酸；继续在超声波振荡下加入7毫摩尔四乙氧基硅烷和0.50毫摩尔GdCl3·6H2O，反应进行12分钟。然后在超声波振荡下，将反应溶液倒入500毫升0.5mol/L的氨水溶液。反应进27分钟。利用离心分离法(12000rpm)收集纳米材料，室温干燥，500℃煅烧4小时，即得钆掺杂纳米复合材料。材料由平均粒径35nm颗粒组成，颗粒包含的通道平均直径2.7nm。
实施例8 以非离子表面活性剂Span 40为模板，以四乙氧基硅烷为硅来源合成钆掺杂纳米复合材料
4.0毫摩尔非离子表面活性剂Span 40溶解在30毫升蒸馏水中，30℃，在超声波振荡下使，Span 40完全溶解；然后加入4毫升浓盐酸；继续在超声波振荡下加入7毫摩尔四乙氧基硅烷和0.50毫摩尔GdCl3·6H2O，反应进行35分钟。然后在超声波振荡下，将反应溶液倒入400毫升0.5mol/L的氨水溶液。反应进27分钟。利用离心分离法(12000rpm)收集纳米材料，室温干燥，500℃煅烧4小时，即得钆掺杂纳米复合材料。材料由平均粒径31nm颗粒组成，颗粒包含的通道平均直径2.6nm。
实施例9 以非离子表面活性剂Tergitol TMN6为模板，以四乙氧基硅烷为硅来源合成钆掺杂纳米复合材料
3.0毫摩尔非离子表面活性剂Tergitol TMN 6溶解在30毫升蒸馏水中，37℃，在超声波振荡下使，Tergitol TMN 6完全溶解；然后加入3毫升浓盐酸；继续在超声波振荡下加入7毫摩尔四乙氧基硅烷和0.50毫摩尔GdCl3·6H2O，反应进行25分钟。然后在超声波振荡下，将反应溶液倒入500毫升0.5mol/L的氨水溶液。反应进27分钟。利用离心分离法(12000rpm)收集纳米材料，室温干燥，500℃煅烧4小时，即得钆掺杂纳米复合材料。材料由平均粒径30nm颗粒组成，颗粒包含的通道平均直径2.1nm。
Claims (6)
1、一种钆掺杂纳米复合材料，含有氧化硅和钆，钆和氧化硅的摩尔比为0.01～0.12。
2、如权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述复合材料粒径为20～150纳米，包含直径2～7纳米的通道。
3、一种权利要求1或2所述的复合材料的制备方法，步骤如下：
(1)将非离子表面活性剂溶解于酸性溶液中，然后在超声波振荡下，加入四甲氧基硅烷或四乙氧基硅烷，5～25分钟后加入GdCl3·6H2O，在超声波振荡下，反应继续进行5～50分钟；非离子表面活性剂、四甲氧基硅烷或四乙氧基硅烷、GdCl3·6H2O、酸性溶液的比例为0.8～5.0摩尔∶3.0～14摩尔∶0.08～1.0摩尔∶10～70升；酸性溶液的浓度为0.5～5mol/L；反应温度在30～60℃；
(2)在超声波振荡下，将反应混合溶液顷倒到5～20倍体积的氨水溶液中，继续振荡10～120分钟；氨水溶液浓度为0.5～5mol/L；
(3)离心分离，干燥，250～600℃煅烧，得到钆掺杂纳米复合材料。
4、如权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤(1)所述的非离子表面活性剂为：
玻雷吉系列表面活性剂：Brij 52，Brij 30，Brij 56，Brij58，Brij76，Brij78，Brij97，Brij35；
特列顿系列表面活性剂：Triton X-100，Triton X-114；
吐温系列表面活性剂：Tween20，Tween 40，Tween 60，Tween 80；
司盘：Span 40；
Tergitol系列表面活性剂：Tergitol TMN 6，Tergitol TMN 10；
聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷嵌段聚合物系列表面活性剂：Pluronic L121，Pluronic L64，Pluronic P65，Pluronic P85，PluronicP103，Pluronic P123，Pluronic F68，Pluronic F127，Pluronic F88。
5、如权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤(1)所述的酸性溶液为盐酸、硝酸或硫酸。
6、如权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤(3)所述的离心分离的转速为每分钟8000至15000转。
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