CN101367895A - 用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂及制备和使用方法 - Google Patents

用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂及制备和使用方法 Download PDF

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徐建平
王晨辰
计剑
沈家骢
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Abstract

本发明公开了一种用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂及制备和使用方法。该表面改性剂是一种末端含有醛基的细胞膜仿生聚合物，该表面改性剂是通过含有醛基功能基的引发剂，引发细胞膜仿生单体进行原子转移自由基聚合的方法制得的。该表面改性剂可以用于对磁性纳米粒子进行修饰，通过硅烷偶联剂在磁性纳米粒子的化学吸附接入氨基，利用氨基与表面改性剂的醛基进行反应，在磁性纳米粒子表面形成稳定的仿生聚合物保护层，有效改善磁性纳米粒子的水溶性、稳定的、抗凝血性和生物相容性。本发明可用于药物缓释、基因传递、生物分子诊断和检测、生物分子分离、生物传感器等领域中。

Description

用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂及制备和使用方法
技术领域
本发明涉及化合物及其制备方法，尤其涉及一种用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂及制备和使用方法。
背景技术
纳米粒子由于具有一系列优异下性质，如磁学性质、电学性质、机械性质、光学性质等，他们作为纳米材料在生物、物理、化学、医学等领域得到了越来越广泛的应用。其中磁性纳米材料因其科学理论上的重妻性和技术上的广泛应用价值已成为当今科学研究的热点，在生物相关领域的应用发展尤为迅速，包括磁共振成像(MRI)，药物输运，生物快速分离技术和临床诊断及治疗，特别是癌症的诊断和治疗等方面，绝大多数都是在水溶液中进行使用的。这些生物相关领域的应用都要求磁性纳米粒子粒径合适，表面积大或有活性基团，具有良好的生物相容性，能在液体媒介特别是水中稳定存在，而且大多必须是超顺磁。
为达到铁氧化物在生物相关领域中应用的要求，保证其稳定存在并使其表面官能化，人们进行了一系列尝试。例如，在纳米粒子表面包覆二氧化硅薄层，得到金属纳米粒子为核二氧化硅为壳的复合纳米粒子，赋予纳米粒子良好的水中稳定性和化学惰性。另一个行之有效的方法就是在其表面包一层特殊聚合物的壳，例如用壳聚糖、聚氧乙烯或者聚乙烯基吡咯烷酮等大分子对磁性纳米粒子进行稳定，能增进纳米粒子的水溶性和生物相容性。
模拟生物膜结构的新型生物相容性材料的研究引起了极大的关注。细胞膜外层具有双性电荷结构的磷酸胆碱极性头部可以与水分子形成非常牢固的水合层，可以有效地改善材料的血液相容性。近年来，将细胞膜仿生的磷酸胆碱设计用于纳米材料的表面改性和设计，为解决纳米材料在生物医学应用中所面临的溶解性、稳定性和生物相容性等问题提供了良好的思路。人们已经实现了系列金属纳米粒子和聚合物纳米粒子在生理环境下的有效分散和稳定。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂及制备和使用方法。
用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂是一种末端含有醛基的细胞膜仿生聚合物。
用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂的制备方法包括如下步骤：
1)将1重量份对羟基苯甲醛溶解于50重量份四氢呋喃，加入10～50重量份溴异丁基酰溴和1～10重量份三乙胺，-20～0℃下反应1～10小时，过滤除去生成的三乙胺盐，滤液减压除去溶剂，经柱色谱分离得到含醛基功能基的引发剂；
2)取1重量份细胞膜仿生单体溶解于0.01～50重量份乙醇，密封后充氩气或氮气1～100min；
3)取1重量份含醛基功能基的引发剂、0.01～1重量份催化剂溴化亚铜、0.01～5重量份配体2-联吡啶，密封后充氩气或氮气1～100min；
4)将步骤3)所得混合体系加入到步骤2)所得溶液中，在0～150℃下反应0.1～100小时，停止反应，柱色谱分离除去铜盐，抽干溶剂得到表面改性剂。
所述的细胞膜仿生单体选自甲基丙烯酸磷酸胆碱酯、丙烯酸磷酸胆碱酯、甲基丙烯酸葡萄糖酯或者丙烯酸葡萄糖酯。
用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂的使用方法包括如下步骤：
1)将磁性纳米粒子分散于水中，按磁性纳米粒子和硅烷偶联剂的质量比10：1～1：100的比例加入硅烷偶联剂，搅拌下使之充分混合，调节溶液pH值至14，搅拌下反应0.1～10小时，使硅烷偶联剂化学接枝在磁性纳米粒子表面；
2)用磁铁吸附分离得到磁性纳米粒子，用水重新分散后用磁铁分离，清洗3～5次；
3)按磁性纳米粒子和表面改性剂的摩尔比为1：500～1：5×107的比例加入表面改性剂，在10～50℃下反应1～10小时，用水洗涤3～5次后，获得仿生表面修饰的磁性纳米粒子。
所述的硅烷偶联剂为胺丙基三乙氧基硅烷或者胺丙基三甲氧基硅烷。磁性纳米粒子为超顺磁四氧化三铁或者γ-三氧化二铁。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1)表面改性剂具有细胞膜仿生的磷酸胆碱结构，具有良好的生物相容性；
2)表面改性剂与纳米粒子通过共价键连接，结构稳定，能适应人体的内环境下的稳定性要求；
3)表面改性剂适用范围广泛，可以任何表面含氨基的纳米粒子进行修饰和稳定化。
附图说明
图1是用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂的红外光谱；
图2是用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂的核磁共振谱图。
具体实施方式
本发明公开了一种用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂及制备和使用方法。该表面改性剂是通过含有醛基功能基的引发剂，引发细胞膜仿生单体进行原子转移自由基聚合的方法制得的。通过硅烷偶联剂在磁性纳米粒子的化学吸附接入氨基，利用氨基与表面改性剂的醛基进行反应，在磁性纳米粒子表面形成稳定的仿生聚合物保护层，有效改善磁性纳米粒子的水溶性、稳定的、抗凝血性和生物相容性。
实施例1
(1)制备磁性纳米粒子的表面改性剂：
将1克对羟基苯甲醛溶解于500毫升四氢呋喃，加入10克溴异丁基酰溴和3克三乙胺，-10℃下反应4小时，过滤除去生成的三乙胺盐，滤液减压除去溶剂，经柱色谱分离得到含醛基功能基的引发剂；取1.2克甲基丙烯酸磷酸胆碱酯溶解于15毫升乙醇，密封后充氩气或氮气30min；取0.2克含醛基功能基的引发剂、0.11克溴化亚铜、0.23克2-联吡啶，密封后充氩气或氮气30min，得到单体溶液，将单体溶液加入到引发剂中，在30℃下反应8小时，停止反应，通过柱色谱分离除去铜盐，抽干溶剂得到表面改性剂。红外(见图1)和核磁(见图2)证实所获得的产物具有预期的结构，所得表面改性剂的聚合度为5。
(2)制备表面改性剂稳定的磁性纳米粒子：
将0.1克四氧化三铁磁性纳米粒子分散于水中，加入1克胺丙基三乙氧基硅烷，搅拌下使之充分混合，调节溶液pH值至14，搅拌下反应1小时，使胺丙基三乙氧基硅化学接枝在磁性纳米粒子表面；用磁铁吸附分离得到磁性纳米粒子，用三蒸水重新分散后用磁铁分离，清洗五次；所得磁性纳米粒子中加入含末端氨基的聚甲基丙烯酸磷酸胆碱酯(聚合物为5)0.5克，在40℃下反应5小时，用三蒸水洗涤5次后，获得仿生表面修饰的磁性纳米粒子。结果表明所得磁性纳米粒子具有超顺磁性，在缓冲溶液中具有良好的分散稳定性。
(3)血液相容性评价
复钙化时间(PRT)测定：在硅化试管中，加入0.1mL已预热至37℃的血浆和0.1mL已预热至37℃的20μM的纳米粒子分散体，孵育1分钟后加入0.1mL已预热至37℃的0.025M的CaCl2溶液，同时开动秒表计时，将一根不锈钢小钩伸入溶液中均匀缓慢的搅动，并检查是否有纤维蛋白形成，记录小钩上刚开始出现丝状物的时间，此时间即复钙化时间(PRT)，每个样品重复测6次，取平均值。
凝血酶原时间(PT)测定：每支含钙凝血活酶加5.5mL生理盐水，摇匀溶解，置于37℃水浴中预热备用。将已预热至37℃的人体抗凝血浆0.1mL和已预热至37℃的20μM的纳米粒子分散体0.1mL加入硅化试管中，孵育1分钟后加入含钙凝血活酶溶液0.1mL，同时开动秒表计时，将一根不锈钢小钩伸入溶液中均匀缓慢的搅动，并检查是否有纤维蛋白形成，记录小钩上刚开始出现丝状物的时间，此时间即凝血酶原时间(PT)，每个样品重复测6次，取平均值。
结果表明，结果表明所得磁性纳米粒子具有良好的血液相容性。
实施例2
(1)制备纳米粒子的表面改性剂：甲基丙烯酸磷酸胆碱酯的用量改为2.5克，其他实验步骤同实施例1。核磁和红外证实所获得的产物具有预期的结构，所得表面改性剂的聚合度为9。
(2)制备表面改性剂稳定的纳米粒子分散体：所用表面改性剂的聚合物为9，其它实验条件同实施例1。结果表明所得磁性纳米粒子具有超顺磁性，在缓冲溶液中具有良好的分散稳定性。
(3)血液相容性评价：复钙化时间(PRT)和凝血酶原时间(PT)测定实验步骤同实施例1
PRT和PT结果表明，所制备的纳米粒子分散体有良好的血液相容性。
实施例3
(1)制备纳米粒子的表面改性剂：甲基丙烯酸磷酸胆碱酯的用量改为4克，其他实验步骤同实施例1。核磁和红外证实所获得的产物具有预期的结构，所得表面改性剂的聚合度为15。
(2)制备表面改性剂稳定的纳米粒子分散体：所用表面改性剂的聚合物为15，其它实验条件同实施例1。结果表明所得磁性纳米粒子具有超顺磁性，在缓冲溶液中具有良好的分散稳定性。
(3)血液相容性评价：复钙化时间(PRT)和凝血酶原时间(PT)测定实验步骤同实施例1。
PRT和PT结果表明，所制备的纳米粒子分散体有良好的血液相容性。
实施例4
(1)制备纳米粒子的表面改性剂：聚合单体改为丙烯酸磷酸胆碱酯，其用量为2.5克，其他实验步骤同实施例1。核磁和红外证实所获得的产物具有预期的结构，所得表面改性剂的聚合度为10。
(2)制备表面改性剂稳定的纳米粒子分散体：所用表面改性剂为聚合物为10的聚丙烯酸磷酸胆碱酯，其它实验条件同实施例1。结果表明所得磁性纳米粒子具有超顺磁性，在缓冲溶液中具有良好的分散稳定性。
(3)血液相容性评价：复钙化时间(PRT)和凝血酶原时间(PT)测定实验步骤同实施例1。
PRT和PT结果表明，所制备的纳米粒子分散体有良好的血液相容性。
实施例5
(1)制备纳米粒子的表面改性剂：聚合单体改为甲基丙烯酸葡萄糖酯，其用量为2.1克，其他实验步骤同实施例1。核磁和红外证实所获得的产物具有预期的结构，所得表面改性剂的聚合度为10。
(2)制备表面改性剂稳定的纳米粒子分散体：所用表面改性剂为聚合物为10的聚甲基丙烯酸葡萄糖酯，其它实验条件同实施例1。结果表明所得磁性纳米粒子具有超顺磁性，在缓冲溶液中具有良好的分散稳定性。
(3)血液相容性评价：复钙化时间(PRT)和凝血酶原时间(PT)测定实验步骤同实施例1。
PRT和PT结果表明，所制备的纳米粒子分散体有良好的血液相容性。
实施例6
(1)制备纳米粒子的表面改性剂：同实施例2。
(2)制备表面改性剂稳定的纳米粒子分散体：所用磁性纳米粒子改为γ-三氧化二铁，其它实验条件同实施例1。结果表明所得磁性纳米粒子具有超顺磁性，在缓冲溶液中具有良好的分散稳定性。
(3)血液相容性评价：复钙化时间(PRT)和凝血酶原时间(PT)测定实验步骤同实施例1。
PRT和PT结果表明，所制备的纳米粒子分散体有良好的血液相容性。
实施例7
(1)制备纳米粒子的表面改性剂：同实施例2。
(2)制备表面改性剂稳定的纳米粒子分散体：所用硅烷偶联剂改为胺丙基三甲氧基硅烷，其它实验条件同实施例1。结果表明所得磁性纳米粒子具有超顺磁性，在缓冲溶液中具有良好的分散稳定性。
(3)血液相容性评价：复钙化时间(PRT)和凝血酶原时间(PT)测定实验步骤同实施例1。
PRT和PT结果表明，所制备的纳米粒子分散体有良好的血液相容性。

Claims (6)

1.一种用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂，其特征在于它是一种末端含有醛基的细胞膜仿生聚合物。
2.一种根据权利要求1所述用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将1重量份对羟基苯甲醛溶解于50重量份四氢呋喃，加入10～50重量份溴异丁基酰溴和1～10重量份三乙胺，-20～0℃下反应1～10小时，过滤除去生成的三乙胺盐，滤液减压除去溶剂，经柱色谱分离得到含醛基功能基的引发剂；
2)取1重量份细胞膜仿生单体溶解于0.01～50重量份乙醇，密封后充氩气或氮气1～100min；
3)取1重量份含醛基功能基的引发剂、0.01～1重量份催化剂溴化亚铜、0.01～5重量份配体2-联吡啶，密封后充氩气或氮气1～100min；
4)将步骤3)所得混合体系加入到步骤2)所得溶液中，在0～150℃下反应0.1～100小时，停止反应，除去铜盐，抽干溶剂得到表面改性剂。
3.根据权利要求2所述的一种用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂的制备方法，其特征在于所述的细胞膜仿生单体选自甲基丙烯酸磷酸胆碱酯、丙烯酸磷酸胆碱酯、甲基丙烯酸葡萄糖酯或者丙烯酸葡萄糖酯。
4.一种根据权利要求1所述用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂的使用方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将磁性纳米粒子分散于水中，按磁性纳米粒子和硅烷偶联剂的质量比10：1～1：100的比例加入硅烷偶联剂，搅拌下使之充分混合，调节溶液pH值至14，搅拌下反应0.1～10小时，使硅烷偶联剂化学接枝在磁性纳米粒子表面；
2)用磁铁吸附分离得到磁性纳米粒子，用水重新分散后用磁铁分离，清洗3～5次；
3)按磁性纳米粒子和表面改性剂的摩尔比为1：500～1：5×107的比例加入表面改性剂，在10～50℃下反应1～10小时，用水洗涤3～5次后，获得仿生表面修饰的磁性纳米粒子。
5.根据权利要求4所述的一种用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂的使用方法，其特征在于所述的硅烷偶联剂为胺丙基三乙氧基硅烷或者胺丙基三甲氧基硅烷。
6.根据权利要求4所述的一种用于磁性纳米粒子仿生表面修饰的表面改性剂的使用方法，其特征在于所述的磁性纳米粒子为超顺磁四氧化三铁或者γ-三氧化二铁。
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