CN102372307A - 由四氧化三铁纳米晶一步制备磁性空心团簇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由四氧化三铁纳米颗粒一步制备磁性空心团簇的方法。该方法为：将油溶性四氧化三铁纳米颗粒与具有活性官能团的表面修饰剂在室温下均匀混合在三液相组成的微乳体系中进行反应，形成由复数四氧化三铁颗粒组成的亲水性磁性空心团簇，所述三液相体系由水、非极性有机溶剂和极性有机溶剂混合形成。本发明制备方法为室温下反应、操作简单、使用药品简单易得、重复性好，消除了传统制备团簇过程繁琐及高温的不利影响，且制得的纳米团簇的弛豫率较高，生物毒性较低。并且表面含有功能基团，这为其在生物标记、组织和活体成像、临床诊断等领域的实际应用提供了必要准备。

Description

由四氧化三铁纳米晶一步制备磁性空心团簇的方法

技术领域

本发明涉及一种纳米材料的制备方法，尤其涉及一种由四氧化三铁纳米晶一步制备磁性空心团簇的方法，属于材料化学技术领域。

背景技术

随着分子生物学、医学诊断学等学科的发展以及各种生物标记和检测技术的应用，超顺磁氧化铁纳米粒子得到了广泛关注。这是因为它具有良好的生物相容性，具备磁性存储与分离,药物可控释放，核磁共振成像显影剂等功能。其中，核磁共振成像技术在医学诊断领域中已展现出巨大的潜力。与其他成像技术相比，核磁共振成像技术具有独特的优势，如非组织侵入，软组织的高分辨率成像从而实现进行深层组织成像等，因此在分子生物学、细胞生物学及医学诊断学等方面引起了广泛关注。超顺磁氧化铁纳米粒子作为一种重要的T2加权显影剂，还展示出良好的灵敏度和生物相容性，以及较长的体内循环时间，因而在成像中应用广泛。但现有的超顺磁氧化铁纳米粒子用作显影剂的成像效果还有待进一步优化，且弛豫率不高，有效用量比较大，尚不能满足实际应用的需要。

发明内容

本发明的目的在于提出一种由四氧化三铁纳米晶一步制备磁性空心团簇的方法，藉此方法制备的磁性空心团簇属于超顺磁氧化铁材料，其弛豫率高，显影效果强，生产成本低廉，且通过选用无毒表面修饰剂对该超顺磁氧化铁材料表面进行修饰，还可进一步的降低其毒副作用，从而克服了现有技术中的不足。并且在实现团簇结构制备的同时，使之表面含有功能基团，从而为其在生物标记、组织和活体成像、临床诊断等领域的实际应用提供了必要准备。

为实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种由四氧化三铁纳米颗粒一步制备磁性空心团簇的方法为：将油溶性四氧化三铁纳米颗粒(浓度优选为0.5~5 mg/mL)与具有活性官能团的表面修饰剂在室温下均匀混合在三液相体系中形成微乳液进行反应，室温下反应1~24小时后形成由复数四氧化三铁颗粒组成的亲水性磁性空心团簇，其尺寸在65±25 nm左右。所述三液相体系由体积比为1~25：5~25：1~25的水、非极性有机溶剂和极性有机溶剂混合形成。

进一步的讲，该方法包括如下步骤：

Ⅰ、取水、非极性有机溶剂和极性有机溶剂混合形成三液相体系，并向该三液相体系中加入四氧化三铁纳米颗粒，而后在密闭环境中持续振荡处理；

Ⅱ、向经步骤Ⅰ处理后的三液相体系中加入表面修饰剂0.01-0.6/ml，而后在室温条件下，于密闭环境中持续振荡反应；

Ⅲ、反应结束后，以外加磁场分离出由步骤Ⅱ所得混合反应体系中的目标产物，而后清洗该目标产物，并将该目标产物分散于水中保存。

所述四氧化三铁纳米颗粒优选采用直径2-10 nm的纳米颗粒。

更具体的讲，所述四氧化三铁纳米颗粒是采用水热法制备的，并分散于氯仿中。

所述表面修饰剂至少选自多巴胺、3，4-二羟基苯丙氨酸,多巴胺-喹啉、α甲基多巴胺、去甲肾上腺素、α-甲基多巴,屈昔多巴、5 - 羟基多巴胺、十二烷基磺酸钠、十三烷基磺酸钠、十四烷基磺酸钠、十五烷基磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、巯基嘌呤类化合物、巯基噻吩类化合物、2-巯基嘧啶、2-巯基噻唑、2-巯基苄醇、2-巯基丁酸、2-巯基吡嗪、2-巯基乙磺酸、3-巯基苯甲酸、巯基己醇类化合物、2-巯基-6-羟基嘌呤、2-巯基苯甲酸甲酯、2-巯基-3-氨基吡啶、4-氨基-3-巯基吡啶、3-氨基-4-巯基吡啶、4,4-二巯基二苯硫醚、二氢硫辛酸、对巯基苯胺、4-氨基-3-巯基苯甲酸以及盐酸盐、2-巯基丙酸、4,5-二氨基-6-巯基嘧啶、2-巯基苯甲酸、巯基乙酸钠、3-巯基-2-丁醇、1,3-丙二硫醇、对巯基苯甲酸、L-半胱氨酸、巯基乙酸、D-半胱氨酸及盐酸盐、2,3-二巯基丁二酸、2-巯基乙醇、4-巯基-2-甲基苯酚、二巯基丙醇、半胱胺盐酸盐、双巯乙基硫醚和对甲硫基苯甲醛中的任意一种。所述表面修饰剂还具有功能基团，所述功能基团至少选自羟基、氨基、羧基和巯基中的任意一种，但不限于此。

所述非极性有机溶剂至少选自氯仿、正己烷、环己烷、甲苯、苯和四氯化碳中的任意一种，但不限于此。

所述极性有机溶剂至少选自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、二甲基亚砜、乙二醇、乙酸、丙酸、乙醚、丙醚、丙酮和N-甲基吡咯烷酮中的任意一种，但不限于此。

较之于现有技术，本发明的优点在于：将油溶性四氧化三铁纳米颗粒与具有活性官能团的表面修饰剂在室温下均匀混合在三液相体系中进行反应，室温下反应1~24小时后形成亲水性良好的由众多四氧化三铁颗粒组成的磁性空性团簇结构。多巴胺上的邻苯二酚基团能与铁离子络合，从而使团簇结构表面修饰上亲水基团，使之具有良好的亲水特性。从而实现了对团簇结构生长过程的控制，一步获得了尺寸均一、壁厚可调、形貌可控、无团聚、易分散于非极性溶剂中的四氧化三铁空心团簇材料。并且，通过对四氧化三铁空心团簇表面功能化处理，还可使之可稳定分散在水、乙醇等极性溶剂中。

本发明具有以下有益效果：

（1）制备过程为一步室温下反应，操作简单，实验条件可控，所使用药品试剂简单易；

（2）所制备的磁性团簇结构尺寸分布较均匀，壁厚可调；

（3）弛豫率测量结果表明这些磁性团簇结构成像效果优于磁性单颗粒，可以进一步减少MRI中显影剂的使用量；

（4）得益于表面修饰剂所带有的功能基团（如羟基、氨基、羧基和巯基等）使得其在生物标记，成像，药物可控释放方面的应用提供了方便和可能性；

（5）此外，本发明还可拓展到其它非磁性功能纳米材料的团簇结构制备工艺，且易于放大反应规模。

附图说明

图1 是本发明一较佳实施例中磁性空心团簇的透射电子显微镜照片；

图2A和2B是通过本发明制得的四氧化三铁空心团簇壁厚可调的透射电子显微镜照片，其中图2A和图2B分别对应起始加入的不同浓度四氧化三铁量（都分散于5 mL氯仿中，浓度分别为1.5 mg/mL, 3.5 mg/mL）后形成的团簇结构。可以得出结论：四氧化三铁浓度越大，空心团簇的壁厚越厚。

图3是本发明一较佳实施例中四氧化三铁纳米颗粒、磁性空心团簇的弛豫率曲线图。可以看出磁性空心团簇的弛豫率相对于四氧化三铁纳米单颗粒来说，提高了数倍；

图4是本发明一较佳实施例中四氧化三磁性空心团簇抗体标记前后细胞的MRI图（从左往右依次为：未标记抗体的细胞成像图、对应的标记抗体的细胞成像图、表示使用样品对应的高倍TEM图）。

具体实施方式

如前所述，超顺磁氧化铁纳米粒作为一种重要的T2加权显影剂展示出良好的灵敏度和生物相容性，以及较长的体内循环时间，因此在成像中应用广泛。但是，现有的超顺磁氧化铁纳米粒子用作显影剂的成像效果还有待进一步优化，且弛豫率不高，有效用量比较大，尚不能很好的满足实际应用的需要，有待改进。

同时，本案发明人经大量实验发现：尺寸较大的氧化铁颗粒或者其团簇结构能显著提高成像效果，使得显影剂用量大幅减少。基于该发现，本案发明人经长期研究和实践，设计并提出一种由单颗粒四氧化三铁组成团簇结构的制备方法，以期提高超顺磁氧化铁材料的弛豫率，增强显影效果，降低生产成本；并选择无毒表面修饰剂，降低其毒副作用。

总的来看，该制备方法采用油溶性的四氧化三铁单颗粒作为起始原料，在具极性的三液相体系中与表面修饰剂混合并反应，实现团簇结构的生长与表面功能化，最后制得在极性溶剂中具有空心结构的、尺寸达数十纳米的四氧化三铁团簇。相对于单颗粒氧化铁,该团簇的弛豫率有了明显提高，且生物毒性较低或近乎无毒，这为其在生物标记、组织和活体成像、临床诊断等领域的实际应用提供了必要准备。 

更具体的讲，该制备方法包括如下步骤：首先水热法制备直径2-10 nm的油酸保护的四氧化三铁颗粒，乙醇离心洗涤后重分散于一定量的氯仿中；继而把前述四氧化三铁颗粒加到三液相体系中，待摇匀加入表面修饰剂后在室温下反应；反应产物使用磁铁吸附贴壁，并使用大量乙醇多次洗涤；最后分散于水中，得到室温下能稳定分散于极性溶剂中的四氧化三铁团簇结构。

进一步的，上述技术方案的优化方案还可以包括：

（1）该反应起始原料为油溶性的磁性颗粒，可以推广为其他磁性材料如二氧化锰，掺杂型磁性颗粒，甚至为其他不具磁性的纳米颗粒（尺寸应在50 nm以下）。

（2）前述三液相体系的通式为水-非极性有机溶剂-极性有机溶剂, 其中非极性有机溶剂可选自但不限于如下种类：氯仿、正己烷、环己烷、甲苯、苯、四氯化碳；极性有机溶剂可选自但不限于如下种类：甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、二甲基亚砜、乙二醇、乙酸、丙酸、乙醚、丙醚、丙酮、N-甲基吡咯烷酮。

（3）前述表面修饰剂包括：多巴胺、3，4-二羟基苯丙氨酸,多巴胺-喹啉、α甲基多巴胺、去甲肾上腺素、α-甲基多巴,屈昔多巴、5 - 羟基多巴胺、十二烷基磺酸钠、十三烷基磺酸钠、十四烷基磺酸钠、十五烷基磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、巯基嘌呤类化合物、巯基噻吩类化合物、2-巯基嘧啶、2-巯基噻唑、2-巯基苄醇、2-巯基丁酸、2-巯基吡嗪、2-巯基乙磺酸、3-巯基苯甲酸、巯基己醇类化合物、2-巯基-6-羟基嘌呤、2-巯基苯甲酸甲酯、2-巯基-3-氨基吡啶、4-氨基-3-巯基吡啶、3-氨基-4-巯基吡啶、4,4-二巯基二苯硫醚、二氢硫辛酸、对巯基苯胺、4-氨基-3-巯基苯甲酸以及盐酸盐、2-巯基丙酸、4,5-二氨基-6-巯基嘧啶、2-巯基苯甲酸、巯基乙酸钠、3-巯基-2-丁醇、1,3-丙二硫醇、对巯基苯甲酸、L-半胱氨酸、巯基乙酸、D-半胱氨酸及盐酸盐、2,3-二巯基丁二酸、2-巯基乙醇、4-巯基-2-甲基苯酚、二巯基丙醇、半胱胺盐酸盐、双巯乙基硫醚和对甲硫基苯甲醛中的任意一种。

前述表面修饰剂还具有功能化基团，其可以在空心团簇制备过程中，在团簇表面能修饰各种特定功能基团分子，使团簇表面带有满足各种应用需求，该功能基团至少选自羟基、氨基、羧基和巯基中的任意一种或一种以上。 

作为一种优选的方案，该前述表面修饰剂可选用多巴胺，多巴胺内的邻苯二酚基团能与铁离子络合，从而使团簇结构表面修饰上亲水基团，使之具有良好的亲水特性。

以下结合附图及两个实施例对本发明技术方案作详细说明。

本实施例涉及由四氧化三铁纳米晶一步制备磁性空心团簇的方法，具体过程如下：

实施例1：

以一定量的四氧化三铁（2.5 mg/mL分散于5 mL氯仿中）为原料，分散于5 mL水和25 mL乙醇形成的三液相微乳体系中，在50 mL试管中密闭并振摇十五分钟后，加入多巴胺（0.04 g），在室温下持续振摇反应360分钟；反应结束后，加入45-50 mL乙醇，使用外加磁场吸附洗涤，最终分散于20 mL水中.

产物的透射电镜照片显示所制备的磁性空心团簇由众多小尺寸的四氧化三铁颗粒组成，并且分散良好，粒径在55~70 nm之间，壁厚在15~35 nm之间。

实施例2：

以一定量的四氧化三铁（5 mg/mL分散于5 mL环己烷中）为原料，分散于10 mL水和20 mL甲醇形成的三液相微乳体系中，在50 mL试管中密闭并振摇十五分钟后，加入十二烷基磺酸钠（0.06 g），在室温下持续振摇反应360分钟；反应结束后，加入45-50 mL乙醇，使用外加磁场吸附洗涤，最终分散于20 mL水中。

产物的透射电镜照片显示所制备的磁性实心团簇由众多小尺寸的四氧化三铁颗粒组成，并且分散良好，粒径在其尺寸在65±25 nm左右。

由以上两个实例可以得出结论：团簇结构不仅可以具有空心，而且其壁厚是可调的（四氧化三铁浓度越大，空心团簇结构的壁厚越厚）其尺寸都均匀的分布在65±25 nm左右；经高分辨率的透射电子显微镜观察,该产品是有众多小颗粒组成，表面被多巴胺保护。团簇结构的弛豫率测量结果表明：相对于水溶性单颗粒来说（弛豫率为37 mM^-1S^-1），团簇结构的弛豫效果明显增强（空心团簇弛豫率为137 mM^-1S^-1）。对水溶性单颗粒，空心团簇表面抗体标记后，然后进行细胞MRI，证明团簇结构表面的功能化基团（如氨基，羧基，巯基，羟基等）能进行特异性标记，为生物标记，成像，药物可控释放等方面的应用提供可能。

本实施例利用三液相体系诱导纳米颗粒自组装的方法，在水、乙醇和氯仿混合溶剂中，通过对表面修饰剂的选择，实现水溶性磁性空性团簇的制备，一步可以获得尺寸均一、壁厚可调、形貌可控、无团聚、易分散于非极性溶剂空心团簇材料。表面功能化处理后的团簇结构，可以稳定分散在水、乙醇等极性溶剂中，并且为其在生物标记，成像，药物可控释放等方面的应用提供可能。

本发明制备磁性空心团簇的方法还可以拓展到其他功能纳米材料的制备，而且很容易放大反应，适于大规模工业化生产。

上述通过具体实施范例的描述，旨在易于理解本发明的技术方案特征，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明专利申请权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种由四氧化三铁纳米颗粒一步制备磁性空心团簇的方法，其特征在于，该方法为：将油溶性四氧化三铁纳米颗粒与具有活性官能团的表面修饰剂在室温下均匀混合，然后在三液相体系中进行反应，室温下反应1~24小时后形成由复数四氧化三铁颗粒组成的亲水性磁性空心团簇，该磁性空心团簇直径为65±25 nm，壁厚为15~35 nm；

所述三液相体系由体积比为1~25：5~25：1~25的水、非极性有机溶剂和极性有机溶剂混合形成。

2.根据权利要求1所述的由四氧化三铁纳米颗粒一步制备磁性空心团簇的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

Ⅰ、取水、非极性有机溶剂和极性有机溶剂混合形成三液相体系，并向该三液相体系中加入浓度为0.5~5 mg/mL的四氧化三铁纳米颗粒，而后在密闭环境中持续振荡处理；

Ⅱ、向经步骤Ⅰ处理后的三液相体系中加入表面修饰剂0.01-0.6 g/ml，而后在室温条件下，于密闭环境中持续振荡反应；

Ⅲ、反应结束后，以外加磁场分离出由步骤Ⅱ所得混合反应体系中的目标产物，而后清洗该目标产物，并将该目标产物分散于水中保存。

3.根据权利要求1或2所述的由四氧化三铁纳米颗粒一步制备磁性空心团簇的方法，其特征在于，所述四氧化三铁纳米颗粒为直径2-10 nm的纳米颗粒。

4.根据权利要求3所述的由四氧化三铁纳米颗粒一步制备磁性空心团簇的方法，其特征在于，所述四氧化三铁纳米颗粒是采用水热法制备的，并分散于氯仿中。

5.根据权利要求1或2所述的由四氧化三铁纳米颗粒一步制备磁性空心团簇的方法，其特征在于，所述表面修饰剂至少选自多巴胺、3，4-二羟基苯丙氨酸,多巴胺-喹啉、α甲基多巴胺、去甲肾上腺素、α-甲基多巴,屈昔多巴、5 - 羟基多巴胺、十二烷基磺酸钠、十三烷基磺酸钠、十四烷基磺酸钠、十五烷基磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、巯基嘌呤类化合物、巯基噻吩类化合物、2-巯基嘧啶、2-巯基噻唑、2-巯基苄醇、2-巯基丁酸、2-巯基吡嗪、2-巯基乙磺酸、3-巯基苯甲酸、巯基己醇类化合物、2-巯基-6-羟基嘌呤、2-巯基苯甲酸甲酯、2-巯基-3-氨基吡啶、4-氨基-3-巯基吡啶、3-氨基-4-巯基吡啶、4,4-二巯基二苯硫醚、二氢硫辛酸、对巯基苯胺、4-氨基-3-巯基苯甲酸以及盐酸盐、2-巯基丙酸、4,5-二氨基-6-巯基嘧啶、2-巯基苯甲酸、巯基乙酸钠、3-巯基-2-丁醇、1,3-丙二硫醇、对巯基苯甲酸、L-半胱氨酸、巯基乙酸、D-半胱氨酸及盐酸盐、2,3-二巯基丁二酸、2-巯基乙醇、4-巯基-2-甲基苯酚、二巯基丙醇、半胱胺盐酸盐、双巯乙基硫醚和对甲硫基苯甲醛中的任意一种。

6.根据权利要求5所述的由四氧化三铁纳米颗粒一步制备磁性空心团簇的方法，其特征在于，所述表面修饰剂还具有功能基团，所述功能基团至少选自羟基、氨基、羧基和巯基中的任意一种或以上。

7.根据权利要求5所述的由四氧化三铁纳米颗粒一步制备磁性空心团簇的方法，其特征在于，所述表面修饰剂优选多巴胺。

8.根据权利要求1或2所述的由四氧化三铁纳米颗粒一步制备磁性空心团簇的方法，其特征在于，所述非极性有机溶剂至少选自氯仿、正己烷、环己烷、甲苯、苯和四氯化碳中的任意一种。

9.根据权利要求1或2所述的由四氧化三铁纳米颗粒一步制备磁性空心团簇的方法，其特征在于，所述极性有机溶剂至少选自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、二甲基亚砜、乙二醇、乙酸、丙酸、乙醚、丙醚、丙酮和N-甲基吡咯烷酮中的任意一种以上。

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