CN101966343A - 一种碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂及其制备方法，属于纳米复合材料技术和纳米造影材料领域。它是在碳纳米管上直接修饰磁性纳米粒子，以金属铁和钴的氯化物、氢氧化钠、多壁碳纳米管为原料，一缩二乙二醇和二乙醇胺为溶剂和配位剂，采用溶剂热法，在碳纳米管表面原位修饰磁性CoFe₂O₄或者Fe₃O₄纳米粒子。本发明制得的碳纳米管/磁性纳米粒子复合材料中，因为磁性粒子的粒径很小，表面能很大，碳纳米管与磁性纳米粒子之间有强烈的相互作用，很容易就可以修饰在碳纳米管上。修饰后的碳纳米管在水中的分散性能好，生物相容性好，毒性小，弛豫能力强。另外，本发明的制备方法具有操作简单、原料易得和成本低廉等优点。

Description

一种碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种磁共振造影剂，具体涉及一种碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂，以及这种造影剂的制备方法，属于纳米复合材料技术和纳米造影材料领域。

背景技术

自1991年日本NEC公司的Iijima发现碳纳米管（Carbon Nanotube, CNT）以来，由于碳纳米管有着独特的结构（可以把它形象地看成是由石墨片按照一定的螺旋度卷曲成的无缝纳米级圆筒，两端由五元环或者是六圆环封闭）、优异的导电性、导热性、化学稳定性和高的机械强度等性质而受到国内外相关领域的广泛关注。将碳纳米管和其他的材料通过物理或者化学的方法制备成碳纳米管复合材料是目前研究的热点之一。通过复合可以赋予材料更多的性质（如电，光，磁等），这样可以扩展了碳纳米管的应用领域。

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)是一种20世纪80年代以后发展起来的最重要的先进医学影像技术，具有分辨率高、成像参数多、使用安全等突出优点，在医学诊断和基础研究方面有着巨大的应用潜力。MRI造影剂主要有顺磁性造影剂和超顺磁性造影剂两大类。超顺磁性造影剂由于其在人体内的分布具有特异性、使用剂量少、安全、毒副作用小以及用途广泛等优点，已成为目前研发的热点。

以碳纳米管为基质来制备复合材料的方法主要有两类，第一是直接在碳纳米管上修饰其他的材料；第二是通过对碳纳米管表面功能化，同时，对其他的材料也表面功能化，然后通过化学键把其他的材料修饰在碳纳米管上。第二种方法可以得到复合材料，但是，方法很繁琐，修饰在碳纳米管上的其他材料的量很少，并且难以均匀修饰。此外，第二种方法常常需要对碳纳米管进行氧化预处理，这样就破坏了碳纳米管本身的结构造成破坏，从而影响它的光、电等性质。因此，需要找到更适合的方法。相比之下，第一种方法较为简单，通过选择合适的反应原料、溶剂体系及反应加热方式，可以实现在碳纳米管上原位修饰磁性纳米粒子，而且碳纳米管无需进行事先的强酸氧化处理和预修饰，使碳纳米管本身独特的结构和性质得以最大程度的保留。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂。这种造影剂在水中分散性好，生物相容性好，毒性小，弛豫能力强。

本发明的另一个目的是为了提供这种造影剂的制备方法，该方法具有操作简单、原料易得和成本低廉等优点。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂，是在碳纳米管上直接修饰磁性纳米粒子，以金属铁和钴的氯化物、氢氧化钠、多壁碳纳米管为原料，一缩二乙二醇和二乙醇胺为溶剂和配位剂，采用溶剂热法，在碳纳米管表面原位修饰磁性CoFe₂O₄或者Fe₃O₄纳米粒子。

所述碳纳米管为多壁碳纳米管(MWCNTs)，其长度小于2 μm，直径小于50 nm。

所述磁性纳米粒子为CoFe₂O₄或者Fe₃O₄纳米粒子，其平均粒径为4～25 nm。

所述碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂适用于磁共振T₂加权成像。

这种碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂的制备方法，具体步骤为：

1）配制FeCl₃×6H₂O和CoCl₂×6H₂O的一缩二乙二醇溶液，浓度分别为0.02 ~ 0.05 mol/L和0.01 ~ 0.025 mol/L，搅拌加热到70 ~ 90℃；

2）量取5 ~ 10 mL二乙醇胺加热到70 ~ 100℃，然后加入到步骤1）形成的溶液中，在70 ~ 90℃下搅拌20 min；

3）配制0.1 ~ 0.3 mol/L NaOH的一缩二乙二醇溶液，取10 ~ 20 mL该溶液，加热到70 ~ 90℃，加入到步骤2）形成的溶液中，在70 ~ 90℃下搅拌10 ~ 30 min；

4）配制碳纳米管的一缩二乙二醇溶液：称量多壁碳纳米管加入到一缩二乙二醇中，先搅拌20 ~ 40 min，再超声0.5 ~ 2 h，加热到70 ~ 90℃，所配的碳纳米管的浓度（以碳纳米管中的碳计）为0.1 ~ 0.2 mol/L，再加入到步骤3）形成的溶液中，在70 ~ 100 ℃下搅拌20 ~ 50 min；

5）把该溶液转移到反应釜中，160 ~ 200℃，反应6 ~ 10 h；

6）冷却至室温，用无水乙醇洗涤，离心，将离心所得固体于真空干燥箱室温干燥12~24 h，得到碳纳米管/磁性纳米粒子复合材料。

上述制备方法还可以通过以下技术方案替换：

步骤1）中，CoCl₂×6H₂O可由FeCl₂×4H₂O替换。

所述多壁碳纳米管中碳的物质的量为金属氯化物的物质的量的5～7倍（以FeCl₃·6H₂O来计）。

所述金属氯化物FeCl₃×6H₂O、CoCl₂×6H₂O（或FeCl₂×4H₂O）及NaOH的物质的量之比为FeCl₃×6H₂O：CoCl₂×6H₂O（或FeCl₂×4H₂O）：NaOH=2:1:8。

本发明以金属铁和钴的氯化物、氢氧化钠、多壁碳纳米管为原料，一缩二乙二醇和二乙醇胺为溶剂和配位剂，采用溶剂热法，在碳纳米管表面原位修饰磁性CoFe₂O₄或者Fe₃O₄纳米粒子。一缩二乙二醇和二乙醇胺既作为溶剂又作为铁离子和钴离子的配位剂，能够有效地控制纳米粒子的聚集和大的粒子的生成，同时有利于纳米粒子在碳纳米管表面上的均匀沉积。由于生成的纳米复合材料表面被一缩二乙二醇和二乙醇胺均匀包覆，使所得材料具有很高的亲水性，能够稳定地分散在水中多日而不易发生沉降。同时所得材料具有良好的生物相容性，有利于材料在生物医药领域的应用。

这种碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂，其应用领域：用于T₂加权磁共振成像造影材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明制得的碳纳米管/磁性纳米粒子复合材料中，因为磁性粒子的粒径很小，表面能很大，碳纳米管与磁性纳米粒子之间有强烈的相互作用，很容易就可以修饰在碳纳米管上。修饰后的碳纳米管在水中的分散性能好，生物相容性好，毒性小，弛豫能力强。另外，本发明的制备方法具有操作简单、原料易得和成本低廉等优点。

附图说明

图1为实施例1所制备的CNT/CoFe₂O₄纳米复合材料的XRD谱图；

图2为实施例1所用的多壁碳纳米管(a)和所制备的CNT/CoFe₂O₄纳米复合材料(b)的场发射电子扫描电镜（FESEM）图；

图3为实施例1所制备的CNT/CoFe₂O₄粒子复合材料的透射电镜图、高分辨透射电镜图。其中：a为透射电镜（TEM）图，b为高分辨透射电镜（HRTEM）图；

图4为实施例1所制备的CNT/CoFe₂O₄纳米复合材料的磁共振成像图；

图5为实施例2所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料的XRD谱图；

图6为实施例2所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料的场发射电子扫描电镜（FESEM）图；

图7为实施例2所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料的磁共振成像图；

图8是实施例2所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料在常温下的磁滞回线图；

图9为实施例2所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料的活体T₂加权成像图；

图10为实施例2所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料的细胞毒性测试结果图；

图11为实施例3所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料的扫描电镜图；

图12为实施例4所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料的扫描电镜图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的实质，下面通过实施例来详细说明本发明的技术内容，但本发明的内容并不局限于此。

实施例1

1）分别称取0.3 mmoL的FeCl₃·6H₂O和0.15 mmoL的CoCl₂·6H₂O于10 mL一缩二乙二醇中搅拌加热到90℃；

2）量取5 mL二乙醇胺加热到90℃，然后加入到1）形成的溶液中，在90℃下搅拌20 min；

3）称取1.2 mmoL NaOH溶于10 mL一缩二乙二醇形成溶液，加热到90℃，加入到2）形成的溶液中，在90℃下搅拌20 min；

4）配制碳纳米管一缩二乙二醇溶液：称量30 mg 碳纳米管于 20 mL 一缩二乙二醇中，先搅拌30 min，再超声1 h，加热到90℃，再加入到3）形成的溶液中，在90℃下搅拌30 min；

5）把该溶液转移到反应釜中，180℃下反应8 h；

6）冷却至室温，用无水乙醇洗涤，离心，将离心所得固体于真空干燥箱常温干燥12 ~ 24 h。

图1为实施例1所制备的CNT/CoFe₂O₄纳米复合材料的XRD谱图，从图中可以看出这种复合材料由两个相组成。一个是在2θ=26.3^o的碳纳米管的（002）晶面的衍射峰，其他的是CoFe₂O₄纳米粒子的衍射峰。和标准卡卡号为PDF#22-1086的CoFe₂O₄的XRD衍射峰一致。

图2为实施例1所制备的CNT/CoFe₂O₄纳米复合材料的场发射电子扫描电镜图。从图中可以看出CoFe₂O₄纳米粒子很均匀的修饰在碳纳米管上，并且粒子的粒径很小。

图3为实施例1所制备的CNT/CoFe₂O₄纳米复合材料的透射电镜图、高分辨透射电镜图。其中：a为透射电镜（TEM）图，b为高分辨透射电镜（HRTEM）图；由TEM和HRTEM图可见：CoFe₂O₄纳米粒子均匀地修饰在碳纳米管的表面上。 

图4为实施例1所制备的CNT/CoFe₂O₄纳米复合材料的T₂磁共振成像图 (a) 以及相应的T₂弛豫率与铁离子浓度关系图 (b)。从图中可以看出这种复合材料是一种很好的T₂造影剂。横向弛豫率达到128.3 Fe mM s^-1。

实施例2

1）分别称取0.3 mmoL的FeCl₃×6H₂O和0.15 mmoL的FeCl₂×6H₂O于10 mL一缩二乙二醇中搅拌加热到90℃；

2）量取5 mL二乙醇胺加热到90℃，然后加入到1）形成的溶液中，在90℃下搅拌20 min；

3）称取1.2 mmoL NaOH溶于10 mL一缩二乙二醇形成溶液，加热到90℃，加入到2）形成的溶液中，在90℃下搅拌20 min；

4）配制碳纳米管一缩二乙二醇溶液：称量30 mg 碳纳米管于20 mL 一缩二乙二醇中，先搅拌30 min，再超声1 h，加热到90℃，再加入到3）形成的溶液中，在90℃下搅拌30 min；

5）把该溶液转移到反应釜中，180℃下反应8 h；

6）冷却至室温，用无水乙醇洗涤，离心，将离心所得固体于真空干燥箱常温干燥12~24 h。

图5为实施例2所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料的XRD谱图。从图中可以看出这种复合材料由两个相组成。一个是在2θ=26.3^o的碳纳米管的（002）晶面的衍射峰，其他的是Fe₃O₄纳米粒子的衍射峰。和标准卡卡号为PDF#19-0629的Fe₃O₄的峰一致。

图6为实施例2所制备的CNT/ Fe₃O₄纳米复合材料的场发射电子扫描电镜图。从图中可以看出Fe₃O₄纳米粒子很均匀的修饰在碳纳米管上，并且粒子的粒径很小。

图7为实施例2所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料T₂弛豫率与铁离子浓度关系图(b)以及相应的T₂磁共振成像图(a)。从图中可以看出这种复合材料是一种很好的T₂造影剂。横向驰豫率R₂达到175.5 Fe mM s^-1。

图8是实施例2所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料在常温下的磁滞回线图。由图可以看出，该复合材料具有超顺磁性，并且饱和磁化强度时28.8 emu/g。

图9为实施例2所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料的活体T₂加权成像图。所用的实验动物为20 g左右的雄性昆明小鼠。从图中可以看出，从样品静脉注射入小鼠体内开始，随着时间的推移，小鼠肝部的T₂加权成像图逐渐变暗，在注射后60分钟左右达到最暗的成像信号。这些结果说明，CNT/Fe₃O₄纳米复合材料可应用于活体T₂加权磁共振成像。

图10为实施例2所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料的细胞毒性测试结果图。分别用Hela细胞和L929细胞两种细胞进行实验。从实验结果来看，样品的浓度在200 mg/mL的时候，两种细胞的存活率都在90%左右。Hela细胞在该浓度下孵育48小时的存活率也有85%以上。说明该材料对细胞的毒性很小，适合于生物应用。

实施例3

1）分别称取0.3 mmoL的FeCl₃×6H₂O和0.15 mmoL的FeCl₂×6H₂O于10 mL一缩二乙二醇中搅拌加热到90 ℃；

2）量取5 mL二乙醇胺加热到90 ℃，然后加入到1）形成的溶液中，在90 ^oC下搅拌20 min；

3）称取1.2 mmoL NaOH溶于10 mL一缩二乙二醇形成溶液，加热到90 ℃，加入到2）形成的溶液中，在90 ^oC下搅拌20 min；

4）配制碳纳米管一缩二乙二醇溶液：称量30 mg 碳纳米管于20 mL 一缩二乙二醇中，先搅拌30 min，再超声1 h，加热到90 ℃，再加入到3）形成的溶液中，在90 ^oC下搅拌30 min；

5）把该溶液转移到反应釜中，210℃，反应8 h；

6）冷却至室温，用无水乙醇洗涤，离心，将离心所得固体于真空干燥箱常温干燥12~24 h。

图11为实施例3所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料的电镜图，从图中可以看出，Fe₃O₄纳米粒子都形成球状而被串在碳纳米管上。这可能是由温度高，导致溶液的粘度变小，有利于纳米粒子的移动而聚集成球形。

实施例4

1）分别称取0.3 mmoL的FeCl₃×6H₂O和0.15 mmoL的FeCl₂×6H₂O于10 mL一缩二乙二醇中搅拌加热到90 ℃；

2）量取5 mL二乙醇胺加热到90 ℃，然后加入到1）形成的溶液中，在90 ^oC下搅拌20 min；

3）称取1.2 mmoL NaOH溶于10 mL一缩二乙二醇形成溶液，加热到90 ℃，加入到2）形成的溶液中，在90 ^oC下搅拌20 min；

4）配制碳纳米管一缩二乙二醇溶液：称量30 mg 碳纳米管于20 mL 一缩二乙二醇中，先搅拌30 min，再超声1 h，加热到90 ℃，再加入到3）形成的溶液中，在90 ^oC下搅拌30 min；

5）把该溶液转移到反应釜中，240℃，反应8 h；

6）冷却至室温，用无水乙醇洗涤，离心，将离心所得固体于真空干燥箱常温干燥12~24 h。

图12为实施例4所制备的CNT/Fe₃O₄纳米复合材料的电镜图，从图中可以看出，Fe₃O₄纳米粒子都形成球状而被串在碳纳米管上，和210 ℃下的产物相比，Fe₃O₄纳米球进一步增大。并且，从图中可以看出，Fe₃O₄纳米球是由许多的微小的Fe₃O₄纳米晶粒组成的。

Claims (8)

1.一种碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂，是在碳纳米管上直接修饰磁性纳米粒子，其特征在于：以金属铁和钴的氯化物、氢氧化钠、多壁碳纳米管为原料，一缩二乙二醇和二乙醇胺为溶剂和配位剂，采用溶剂热法，在碳纳米管表面原位修饰磁性CoFe₂O₄或者Fe₃O₄纳米粒子。

2.根据权利要求1所述的碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂，其特征在于：所述碳纳米管为多壁碳纳米管(MWCNTs)，其长度小于2 μm，直径小于50 nm。

3.根据权利要求1所述的碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂，其特征在于：所述磁性纳米粒子为CoFe₂O₄或者Fe₃O₄纳米粒子，其平均粒径为4～25 nm。

4.根据权利要求1所述的碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂，其特征在于：所述碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂应用于磁共振T₂加权成像。

5.一种制备权利要求1所述碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂的方法，其特征在于：具体步骤为：

1）配制FeCl₃×6H₂O和CoCl₂×6H₂O的一缩二乙二醇溶液，浓度分别为0.02 ~ 0.05 mol/L和0.01 ~ 0.025 mol/L，搅拌加热到70 ~ 90℃；

2）量取5 ~ 10 mL二乙醇胺加热到70 ~ 100℃，然后加入到步骤1）形成的溶液中，在70 ~ 90℃下搅拌20 min；

3）配制0.1 ~ 0.3 mol/L NaOH的一缩二乙二醇溶液，取10 ~ 20 mL该溶液，加热到70 ~ 90℃，加入到步骤2）形成的溶液中，在70 ~ 90℃下搅拌10 ~ 30 min；

4）配制碳纳米管的一缩二乙二醇溶液：称量多壁碳纳米管加入到一缩二乙

二醇中，先搅拌20 ~ 40 min，再超声0.5 ~ 2 h，加热到70 ~ 90℃，所配的碳纳米管的浓度（以碳纳米管中的碳计）为0.1 ~ 0.2 mol/L，再加入到步骤3）形成的溶液中，在70 ~ 100 ℃下搅拌20 ~ 50 min；

5）把该溶液转移到反应釜中，160 ~ 200℃，反应6 ~ 10 h；

6）冷却至室温，用无水乙醇洗涤，离心，将离心所得固体于真空干燥箱室温干燥12~24 h，得到碳纳米管/磁性纳米粒子复合材料。

6.根据权利要求5所述的碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂，其特征在于：步骤1）中，CoCl₂×6H₂O可由FeCl₂×4H₂O替换。

7.根据权利要求5所述的碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂，其特征在于：以FeCl₃·6H₂O来计，所述多壁碳纳米管中碳的物质的量为金属氯化物的物质的量的5～7倍。

8.根据权利要求5所述的碳纳米管/磁性纳米粒子磁共振造影剂，其特征在于：所述金属氯化物FeCl₃×6H₂O、CoCl₂×6H₂O或FeCl₂×4H₂O、NaOH的物质的量之比为FeCl₃×6H₂O：CoCl₂×6H₂O或FeCl₂×4H₂O：NaOH=2:1:8。

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