CN101612139B - 热引发自爆式磁靶向微囊及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种热引发自爆式磁靶向微囊，由壳层和包裹在壳层内的油核构成，所述壳层主要由聚(N-异丙基丙烯酰胺)和超顺磁性Fe3O4纳米粒子组成，所述油核为液态油或含有乳化剂的液态油或液态油与脂溶性物质的混合物或液态脂溶性物质。上述微囊的制备方法：(1)改性超顺磁性Fe3O4磁性流体的制备；(2)中间相、内相、外相流体的配制；(3)分别将内相、中间相和外相流体注入毛细管微流体装置的注射管、过渡管和收集管，形成单分散的油/水/油乳液，然后将单分散的油/水/油乳液引入装有收集液的反应容器并在N2氛围下用紫外光照射至少8分钟，继后再于4～30℃恒温聚合反应0.5～1小时；(4)分离纯化。
Description
技术领域
本发明属于靶向微载体技术领域，特别涉及一种可携带脂溶性物质的微囊载体及其制备方法。
背景技术
近年来，大量的研究集中到设计和制造具有特定结构和功能的微囊方面，其原因在于微囊在许多领域都具有巨大的应用潜力，比如可将其用于各种物质的控制释放，保护活性物质，用作微型反应器等。尤其在医药领域，将微囊作为药物传送载体用于一些致命疾病如癌症的治疗具有重要的作用，因为大多数抗癌药物具有很高的毒性，且能被所有的细胞无差异性地吸收，为了减少这类药物对人体正常细胞的副作用，需要将抗癌药物运送到肿瘤病变部位释放，并且在运输过程中药物不发生泄漏。
据了解，目前虽然已有多种微囊载体问世，但现有微囊存在以下局限性：1、通常只能运载水溶性药物，致使紫杉醇等脂溶性抗癌药物无法通过微囊运送，且由于载体内外药物浓度梯度的作用，始终存在着药物分子穿过微囊壳层的溶解与扩散，因此在传送药物的过程中，不可避免地会出现药物的泄漏现象。2、由于是通过微囊囊膜的微观通道释放药物，当微囊载体到达指定地点时，受药物透过囊膜的扩散速率上限的限制，需要较长时间才能释放足够量的药物来达到治疗所需的较高药物浓度；3、由于扩散释放原理或者微囊材料和结构的影响，微囊中所装载的药物并不能完全被释放，从而降低了药物的利用率，也可能引起不必要的副作用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可携带脂溶性物质的热引发自爆式磁靶向微囊及其制备方法，此种微囊由磁场导向实现靶向运输，不仅在运输过程中不会使脂溶性物质泄漏，而且可通过温度变化使微囊自爆实现脂溶性物质的快速、完全释放。
本发明所述热引发自爆式磁靶向微囊，由壳层和包裹在壳层内的油核构成，所述壳层主要由聚(N-异丙基丙烯酰胺)和超顺磁性Fe3O4纳米粒子组成，所述油核为液态油或含有乳化剂的液态油或液态油与脂溶性物质的混合物或液态脂溶性物质。
上述热引发自爆式磁靶向微囊的壳层中，聚(N-异丙基丙烯酰胺)与超顺磁性Fe3O4纳米粒子的质量比为6.5～38∶1，优选10～20∶1。
上述热引发自爆式磁靶向微囊呈球状，其粒径为10～900μm，其壳层的厚度为2～150μm。
本发明所述微囊运送和释放脂溶性物质的机理：微囊中的油核用于装载脂溶性物质，微囊壳层中的超顺磁性Fe3O4纳米粒子赋予了微囊可响应磁场的特性，微囊壳层中的聚(N-异丙基丙烯酰胺)网络结构则使壳层具有温敏性。由于温敏性聚(N-异丙基丙烯酰胺)在水中存在着低临界溶解温度LCST(32℃)，当环境温度低于LCST时，微囊壳层处于亲水溶胀状态，而当温度高于LCST时，微囊壳层则会剧烈收缩，利用微囊壳层这种因环境温度变化导致的体积变化，便可通过改变环境温度来实现对所装载物质的释放。由于在环境温度低于LCST(32℃)的条件下本发明所述微囊的壳层处于亲水溶胀状态，而微囊内部的油相以及溶解于油相中的脂溶性物质是不会与水混合或者是不溶于水的，因此当环境温度低于LCST(32℃)时，即使微囊内外存在着脂溶性物质的浓度梯度，也不会发生脂溶性物质透过亲水性壳层的溶解与扩散现象；当本发明所述微囊经磁场导向到达指定位点后，通过外加热(局部加热)使环境温度升至高于LCST，致使微囊壳层中的聚(N-异丙基丙烯酰胺)迅速收缩，由于微囊内油核的不可压缩性，其内部压力不断增加，当内部压力增至一定程度后，受限于壳层中聚(N-异丙基丙烯酰胺)的机械强度，壳层破裂，壳层剧烈的收缩和破裂导致微囊内部的油相迅速扩散到周围环境中，随着内部油相的突释，油核中所装载的脂溶性物质也一同快速、完全释放出来。
本发明所述热引发自爆式磁靶向微囊的制备方法，工艺步骤如下：
(1)改性超顺磁性Fe3O4磁性流体的制备
原料配比：超顺磁性Fe3O4纳米粒子2～6质量份，浓度1mol/L的四甲基氢氧化铵水溶液60～100体积份，超顺磁性Fe3O4纳米粒子的质量单位为克、四甲基氢氧化铵水溶液的体积单位为毫升，或超顺磁性Fe3O4纳米粒子的质量单位为千克、四甲基氢氧化铵水溶液的体积单位为升，3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂)为0.5～1毫升/克超顺磁性Fe3O4纳米粒子；
在室温、常压下将超顺磁性Fe3O4纳米粒子加入浓度1mol/L的四甲基氢氧化铵水溶液中并搅拌至少16小时形成磁性流体，然后用去离子水稀释，所述磁性流体与去离子水的体积比为1∶6～10，继后在稀释后的磁性流体中加入3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷并搅拌至少30分钟，获改性超顺磁性Fe3O4磁性流体；
(2)中间相、内相、外相流体的配制
中间相流体的配制：单体N-异丙基丙烯酰胺与N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂)的摩尔数之比为1∶0.01～0.05，单体N-异丙基丙烯酰胺与过硫酸铵(引发剂)的摩尔数之比为1∶0.01～0.03，步骤(1)制备的改性超顺磁性Fe3O4磁性流体为1～2毫升/毫摩尔单体N-异丙基丙烯酰胺，聚丙二醇与环氧乙烷的加聚物(聚醚)F127(又称嵌段式聚醚F127，商品名为“Pluronic F127”，本发明中作为表面活性剂使用，购自Sigma公司)为0.01～0.02克/毫升步骤(1)制备的改性超顺磁性Fe3O4磁性流体；在室温、常压下将单体N-异丙基丙烯酰胺、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和聚丙二醇与环氧乙烷的加聚物(聚醚)F127加入改性超顺磁性Fe3O4磁性流体中混合均匀即形成中间相流体；
内相流体为液态油或含有乳化剂的液态油或含有脂溶性物质的液态油或液态脂溶性物质；
外相流体为含有乳化剂的液态油；
(3)微囊的制备
分别将步骤(2)配制的内相、中间相和外相流体由注射泵注入毛细管微流体装置的注射管、过渡管和收集管，形成单分散的油/水/油乳液，然后将单分散的油/水/油乳液引入装有收集液的反应容器并在N2氛围下用紫外光照射至少8分钟，继后在N2氛围下于4～30℃恒温聚合反应0.5～1小时即形成热引发自爆式磁靶向微囊；
所述内相流体的流量为10～600μL/h，中间相流体的流量为50～1000μL/h，外相流体的流量为200～10000μL/h；所述收集液由安息香双甲醚(光引发剂)、乳化剂和大豆油配制而成，安息香双甲醚的含量为0.002～0.02克/毫升液态油，乳化剂的含量与外相流体中乳化剂的含量相同；
(4)分离纯化
将热引发自爆式磁靶向微囊从收集液中分离出来并用去离子水洗涤，洗涤的次数以除去附在微囊外表面的收集液为限。
上述方法中，当内相流体为含有乳化剂的液态油时，乳化剂的含量为0.001～0.03克/毫升液态油，所述外相流体中，乳化剂的含量为0.02～0.15克/毫升液态油。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述热引发自爆式磁靶向微囊解决了脂溶性物质运载的难题，对癌症等重大疾病的治疗具有重要的意义。
2、本发明所述热引发自爆式磁靶向微囊在运输过程中不会使脂溶性物质泄漏，因而作为药物载体使用时，可避免药物对人体正常细胞的损伤。
3、本发明所述热引发自爆式磁靶向微囊通过温度变化使微囊自爆实现脂溶性物质的快速、完全释放，为靶向给药载体的药物释放开辟了一种新的方式，并且可提高药物的利用率。
4、本发明所述热引发自爆式磁靶向微囊的制备方法简单，便于工业化生产。
附图说明
图1是本发明所述热引发自爆式磁靶向微囊的结构示意图；
图2是本发明所述热引发自爆式磁靶向微囊运送和释放脂溶性物质的示意图；
图3是用于制备单分散油/水/油乳液的毛细管微流体装置的结构示意图；
图4是用于收集单分散油/水/油乳液并进行紫外光照射和恒温聚合反应的反应装置的结构示意图；
图5是本发明所述方法制备的油/水/油乳液的光学显微镜图片；
图6是本发明所述方法制备的以油/水/油乳液为模板聚合反应形成的热引发自爆式磁靶向微囊的光学显微镜图片；
图7是本发明所述方法制备的油/水/油乳液和以该乳液为模板聚合反应形成的热引发自爆式磁靶向微囊的粒径分布图，图中，d1和d2分别表示油/水/油乳液内部油核的直径和油/水/油乳液的外直径，dm表示20℃条件下热引发自爆式磁靶向微囊的外直径；
图8是本发明所述方法制备的以油/水/油乳液为模板聚合反应形成的热引发自爆式磁靶向微囊对磁场响应能力的照片；
图9是本发明所述方法制备的装载有脂溶性物质苏丹红的热引发自爆式磁靶向微囊的光学显微镜图片；
图10是装载有脂溶性物质苏丹红的热引发自爆式磁靶向微囊在外加磁场(磁铁置于培养皿底部)导向下的靶向运输光学显微镜图片；
图11是本发明所述方法制备的热引发自爆式磁靶向微囊从20℃升温至60℃的过程中释放内部油核的光学显微镜图片；
图12是本发明所述方法制备的油核中装载有脂溶性物质苏丹红的热引发自爆式磁靶向微囊完全释放脂溶性物质苏丹红的光学显微镜图片。
图中，1-壳层、2-油核、3-第一注射泵、4-第二注射泵、5-第三注射泵、6-注射管、7-第一连接管、8-过渡管、9-第二连接管、10-收集管、11-紫外光灯、12-石英玻璃片、13-通氮气玻璃管、14-玻璃反应容器、15-恒温循环水浴。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明所述热引发自爆式磁靶向微囊及其制备方法作进一步说明。
实施例1
本实施例中，制备热引发自爆式磁靶向微囊的工艺步骤如下：
(1)超顺磁性Fe3O4纳米粒子与改性超顺磁性Fe3O4磁性流体的制备
将4mL HCl、0.0362mol FeCl2·4H2O溶于20mL去离子水中配成Fe2+溶液；将0.1mol FeCl3·6H2O溶于100mL去离子水中配成Fe3+溶液。取所配制的Fe3+溶液29mL，将其与Fe2+溶液混合，然后向上述Fe2+/Fe3+混合液中加入去离子水使该混合液的体积至100mL，在搅拌下于室温(20℃)、常压向Fe2+/Fe3+混合液中加入40mL NH3·H2O，当反应液变为黑色，即生成了约4.7克Fe3O4粒子，将生成的Fe3O4粒子用磁铁分离并用去离子水洗涤3次，再加入90mL浓度1mol/L的四甲基氢氧化铵水溶液并搅拌16小时形成磁性流体；取磁性流体10mL，加入80mL去离子水稀释，再加入0.3mL 3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，在室温(20℃)、常压下搅拌45分钟，获改性超顺磁性Fe3O4磁性流体。
(2)中间相、内相、外相流体的配制
中间相流体的配制：在室温(20℃)、常压下将0.004mol单体N-异丙基丙烯酰胺，0.0002mol N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.00012mol过硫酸铵和0.04克Pluronic F127加入4mL由步骤(1)制备的改性超顺磁性Fe3O4磁性流体中，混合均匀即形成中间相流体；
内相流体为含有聚蓖麻酸甘油酯(PGPR 90)的大豆油，其中聚蓖麻酸甘油酯的含量为0.03克/毫升大豆油；
外相流体为含有聚蓖麻酸甘油酯(PGPR 90)的大豆油，其中聚蓖麻酸甘油酯的含量为0.05克/毫升大豆油。
(3)微囊的制备
①油/水/油乳液的制备
制备油/水/油乳液使用毛细管微流体装置，毛细管微流体装置的结构如图3所示(见L.Y.Chu，A.S.Utada，R.K.Shah，J.W.Kim，D.A.Weitz，Angew.Chem.Int.Ed.2007，46，8970)，包括第一注射泵3、第二注射泵4、第三注射泵5、注射管6、第一连接管7、过渡管8、第二连接管9和收集管10。注射管6为圆形玻璃毛细管，其一端被加工成圆锥端口，其圆管部段的外径为1.0mm、内径为580μm，其圆锥端口的端部内径为30～50μm；过渡管8为圆形玻璃毛细管，其一端被加工成圆锥端口，其圆管部段的外径为1.0mm、内径为150μm，其圆锥端口的端部内径为90～120μm；收集管10为圆形玻璃毛细管，其外径为1.0mm，内径为300μm；第一连接管7和第二连接管9为矩形玻璃管，其中心部位设置有正方形通孔，正方形通孔的边长为1.0mm。注射管6安装在第一连接管7中，其圆形端位于第一连接管7外，其圆锥端位于第一连接管7内；过渡管8的圆形端插入第一连接管7，且使注射管6的圆锥端位于过渡管8内，过渡管8的圆锥端插入第二连接管9中；收集管10插入第二连接管9中，且使过渡管8的圆锥端位于收集管10内。第一注射泵3用于将内相流体输入注射管6，第二注射泵4用于将中间相流体输入过渡管8，第三注射泵5用于将外相流体输入收集管10。
将步骤(2)配制的内相流体、中间相流体和外相流体由注射泵分别注入注射管6、过渡管8和收集管10，即形成单分散的油/水/油乳液(如图5所示)，其粒径见图7，所述内相流体的流量为400μL/h，中间相流体的流量为500μL/h，外相流体的流量为1300μL/h。
②紫外光照射与聚合反应
用含有聚蓖麻酸甘油酯(PGPR 90)和安息香双甲醚的大豆油作收集液，其中安息香双甲醚的含量为0.002克/毫升大豆油，聚蓖麻酸甘油酯的含量为0.05克/毫升大豆油。将单分散的油/水/油乳液引入装有收集液的反应容器14，并在N2氛围下用紫外光照射8分钟(见图4)，继后在恒温水浴中、N2氛围下于4℃恒温聚合反应1小时即形成热引发自爆式磁靶向微囊。
(4)分离纯化
用磁铁将步骤(3)聚合反应形成的热引发自爆式磁靶向微囊从收集液中分离出来并用去离子水洗涤除去附在微囊外表面的收集液，然后将水洗后的热引发自爆式磁靶向微囊分散于去离子水中保存。
本实施例制备的热引发自爆式磁靶向微囊，其形状和构造如图1、图6所示，其粒径如图7所示。从图1、图6可以看出，热引发自爆式磁靶向微囊呈球状，由壳层1和包裹在壳层内的油核2构成；根据本实施例的原料，壳层1主要由聚(N-异丙基丙烯酰胺)和超顺磁性Fe3O4纳米粒子组成，油核为含有乳化剂聚蓖麻酸甘油酯的大豆油。从图7可以看出，热引发自爆式磁靶向微囊的粒径约为230～270μm，壳层的厚度约为40～60μm。
在20℃条件下，将分散在去离子水中的本实施例制备的热引发自爆式磁靶向微囊装入玻璃瓶，在瓶壁放置磁铁，如图8所示。从图8可以看出，原本随机分散于水中的微囊(图8a)随着外加磁场的加入而被迅速吸引到了放置有磁铁的一侧(图8b)，除去磁铁后，微囊仍聚集并黏附在玻璃瓶一侧(图8c)。图8表明，本实施例制备的热引发自爆式磁靶向微囊具有响应磁场的特性。
将本实施例制备的热引发自爆式磁靶向微囊从20℃升温至60℃，微囊的状态变化见图11，从图11可以看出，随着温度的增加，微囊的壳层不断收缩，因为内部油核是不可压缩的，从而油核的内部压力随着壳层的收缩不断增加，当增至某一特定的压力时，壳层破裂，使包覆在壳层内的油核突释出来，散布到周围环境中。图11表明，当温度高于LCST(32℃)时，微囊壳层则会剧烈收缩并破裂，可通过改变环境温度来实现对所装载物质的释放。
实施例2
本实施例制备装载有脂溶性物质苏丹红的热引发自爆式磁靶向微囊，工艺步骤如下：
(1)超顺磁性Fe3O4纳米粒子与改性超顺磁性Fe3O4磁性流体的制备
超顺磁性Fe3O4纳米粒子的制备与实施例1相同，改性超顺磁性Fe3O4磁性流体的制备与实施例1相同。
(2)中间相、内相、外相流体的配制
中间相流体的配制：在室温(20℃)、常压下将0.002mol单体N-异丙基丙烯酰胺、0.00002mol N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.00002mol过硫酸铵和0.04克Pluronic F127加入4mL由步骤(1)制备的改性超顺磁性Fe3O4磁性流体中，混合均匀即形成中间相流体；
内相流体为含有苏丹红的大豆油，其中苏丹红的含量为0.001克/毫升大豆油。
外相流体为含有聚蓖麻酸甘油酯(PGPR 90)的大豆油，其中聚蓖麻酸甘油酯的含量为0.08克/毫升大豆油。
(3)微囊的制备
①装载有苏丹红的油/水/油乳液的制备
制备油/水/油乳液使用的毛细管微流体装置与实施例1相同，分别将步骤(2)配制的内相流体、中间相流体和外相流体由注射泵注入注射管6、过渡管8和收集管10，即形成装载有苏丹红的单分散油/水/油乳液，内相流体的流量为300μL/h，中间相流体的流量为600μL/h，外相流体的流量为1200μL/h。
②紫外光照射与聚合反应
用含有聚蓖麻酸甘油酯(PGPR 90)和安息香双甲醚的大豆油作收集液，其中安息香双甲醚的含量为0.02克/毫升大豆油，聚蓖麻酸甘油酯的含量为0.08克/毫升大豆油。将装载有苏丹红的单分散油/水/油乳液引入装有收集液的反应容器14，并在N2氛围下用紫外光照射10分钟(见图4)，继后在恒温水浴中、N2氛围下于30℃恒温聚合反应0.5小时即形成装载有苏丹红的热引发自爆式磁靶向微囊。
(4)分离纯化
分离纯化与实施例1相同。
本实施例制备的装载有苏丹红的热引发自爆式磁靶向微囊，其形状和构造如图1、图9所示。从图1、图9可以看出，热引发自爆式磁靶向微囊呈球状，由壳层1和包裹在壳层内的油核2构成；根据本实施例的原料，壳层1主要由聚(N-异丙基丙烯酰胺)和超顺磁性Fe3O4纳米粒子组成，油核为大豆油和苏丹红的混合液(若图9为彩色图片，油核呈深红色)。
在20℃条件下，将分散在去离子水中的装载有苏丹红的热引发自爆式磁靶向微囊装入培养皿，在培养皿底部放置一磁铁，微囊被聚集到A点，然后，微囊在磁铁引导下随着图10中箭头方向迅速由A点移动到B点。图10表明，本实施例制备的装载有苏丹红的热引发自爆式磁靶向微囊具有响应磁场的特性，在磁铁引导下，成功完成了靶向运输。
将本实施例制备的装载有苏丹红的热引发自爆式磁靶向微囊从20℃升温至60℃，再从60℃降温至20℃，微囊的状态变化见图2和图12，从图2和图12可以看出，随着温度的增加，微囊的壳层不断收缩，从而油核的内部压力随着壳层的收缩不断增加，当油核对壳层的压力增至一定程度时，壳层破裂，使包覆在壳层内的油核被完全释放出来，微囊仅留下一个没有任何油相残留的空腔壳层。图2和图12表明，可通过改变环境温度来实现对所装载物质的完全释放。
Claims (2)
1.一种热引发自爆式磁靶向微囊的制备方法，其特征在于工艺步骤如下：
(1)改性超顺磁性Fe3O4磁性流体的制备
原料配比：超顺磁性Fe3O4纳米粒子2～6质量份，浓度1mol/L的四甲基氢氧化铵水溶液60～100体积份，超顺磁性Fe3O4纳米粒子的质量单位为克、四甲基氢氧化铵水溶液的体积单位为毫升，或超顺磁性Fe3O4纳米粒子的质量单位为千克、四甲基氢氧化铵水溶液的体积单位为升，3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷为0.5～1毫升/克超顺磁性Fe3O4纳米粒子；
在室温、常压下将超顺磁性Fe3O4纳米粒子加入浓度1mol/L的四甲基氢氧化铵水溶液中并搅拌至少16小时形成磁性流体，然后用去离子水稀释，所述磁性流体与去离子水的体积比为1∶6～10，继后在稀释后的磁性流体中加入3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷并搅拌至少30分钟，获改性超顺磁性Fe3O4磁性流体；
(2)中间相、内相、外相流体的配制
中间相流体的配制：单体N-异丙基丙烯酰胺与N，N’-亚甲基双丙烯酰胺的摩尔数之比为1∶0.01～0.05，单体N-异丙基丙烯酰胺与过硫酸铵的摩尔数之比为1∶0.01～0.03，步骤(1)制备的改性超顺磁性Fe3O4磁性流体为1～2毫升/毫摩尔单体N-异丙基丙烯酰胺，聚丙二醇与环氧乙烷的加聚物F127为0.01～0.02克/毫升步骤(1)制备的改性超顺磁性Fe3O4磁性流体；
在室温、常压下将单体N-异丙基丙烯酰胺、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和聚丙二醇与环氧乙烷的加聚物F127加入改性超顺磁性Fe3O4磁性流体中混合均匀即形成中间相流体；
内相流体为液态油或含有乳化剂的液态油或含有脂溶性物质的液态油或液态脂溶性物质；
外相流体为含有乳化剂的液态油；
(3)微囊的制备
分别将步骤(2)配制的内相、中间相和外相流体由注射泵注入毛细管微流体装置的注射管、过渡管和收集管，形成单分散的油/水/油乳液，然后将单分散的油/水/油乳液引入装有收集液的反应容器并在N2氛围下用紫外光照射至少8分钟，继后在N2氛围下于4～30℃恒温聚合反应0.5～1小时即形成热引发自爆式磁靶向微囊；
所述内相流体的流量为10～600μL/h，中间相流体的流量为50～1000μL/h，外相流体的流量为200～10000μL/h；所述收集液由安息香双甲醚、乳化剂和液态油配制而成，安息香双甲醚的含量为0.002～0.02克/毫升液态油，乳化剂的含量与外相流体中乳化剂的含量相同；
(4)分离纯化
将热引发自爆式磁靶向微囊从收集液中分离出来并用去离子水洗涤，洗涤的次数以除去附在微囊外表面的收集液为限。
2.根据权利要求1所述的热引发自爆式磁靶向微囊的制备方法，其特征在于当内相流体为含有乳化剂的液态油时，乳化剂的含量为0.001～0.03克/毫升液态油，所述外相流体中，乳化剂的含量为0.02～0.15克/毫升液态油。
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