CN102380112A - 一种泛影酸修饰树状大分子的金纳米粒子的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种泛影酸修饰树状大分子的金纳米粒子的制备方法，包括：(1)用DTA修饰树状大分子，透析，冷冻干燥得固体；(2)取上述固体，用水将其溶解，再加入氯金酸溶液，室温搅拌1-2小时后，形成树状大分子包裹的纳米金颗粒；再在反应混合物中加入三乙胺，乙酸酐，乙酰化反应结束后，将反应产物透析，冷冻即得树状大分子稳定的纳米金颗粒。本发明提高了金纳米粒子的稳定性，同时将DTA和纳米金两种CT造影元素有效地整合在同一纳米颗粒内，并成功地应用于小鼠的活体CT成像；本发明的方法简单，反应条件简易且温和、环保、易于操作，具有产业化实施前景。

Description

一种泛影酸修饰树状大分子的金纳米粒子的制备方法
技术领域
本发明属于金纳米粒子的制备领域，特别涉及一种泛影酸修饰树状大分子的金纳米粒子的制备方法。
背景技术
金纳米粒子(AuNPs)因其独特的光学、电子和量子尺寸相关的性能，可以广泛地应用于生物、催化、光学以及医学等领域，因而受到科研工作者的关注。聚酰胺-胺树状大分子(PAMAM)是一类单分散性、高度支化且结构规整的大分子化合物，在前期工作中已被用作模板来合成功能化的金纳米粒子。以第五代PAMAM树状大分子为模板制备的金纳米粒子可以分为两类，分别是树状大分子包裹的金纳米粒子(Au DENPs，Dendrimer-entrapped goldnanoparticles)和树状大分子稳定的金纳米粒子(Au DSNPs，Dendrimer-stabilized goldnanoparticles)。通过对这些纳米粒子进行修饰和表面功能化，使其成为多功能、低毒性的纳米粒子，有望应用于临床癌症的诊断和治疗，尤其是癌细胞的CT成像。
传统的CT成像剂通常都是一些含碘小分子化合物，如碘海醇、碘化油、泛影酸等。由于其分子量比较小，因此很容易通过血液循环代谢排出体外，成像时间很短，而且这些小分子物质缺乏特异性，不能对病变组织进行靶向成像。因此，有报道将小分子的含碘化合物与有机大分子化合物相结合，并对其进行修饰，以延长其血液循环时间，增强材料的靶向性。
目前DTA修饰的聚酰胺-胺树状大分子稳定的金纳米粒子的自还原制备方法还未见文献报道和专利申请。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种泛影酸修饰树状大分子的金纳米粒子的制备方法，该方法无需任何外加还原剂即将Au3+还原为Au0，简化了材料的合成步骤，降低了材料的成本，同时使材料同时含有小分子含碘造影剂和AuNPs，并成功地应用于小鼠的活体CT成像。
本发明的一种泛影酸修饰树状大分子的金纳米粒子的制备方法，包括：
(1)向N，N-二甲基甲酰胺溶解的泛影酸DTA溶液中加入1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺盐酸盐EDC.HCl的二甲基亚砜溶液，搅拌反应3～6h后，再加入N-羟基硫代琥珀酰亚胺NHS的二甲基亚砜溶液，继续搅拌反应3～6h；反应结束后将溶液加入树状大分子溶液中，反应60～80h，随后将反应产物透析，最后将产物冷冻干燥得固体；其中，DTA、EDC.HCl和NHS的摩尔比为1∶10∶10，DTA与树状大分子的摩尔比为110∶1；
(2)取上述固体，用水将其溶解后，再加入氯金酸溶液，然后在室温下搅拌反应60-120min，接着再加入三乙胺，搅拌混合20～40min后，向反应液中加入乙酸酐，在室温下搅拌反应20～28h，随后将反应产物透析，最后将产物冷冻干燥，得到DTA修饰的树状大分子的金纳米粒子；其中，三乙胺与树状大分子的摩尔比为550∶1，乙酸酐与树状大分子的摩尔比为550∶1。
所述步骤(1)中的树状大分子为氨基封端的聚酰胺-胺型PAMAM树状大分子(DendritechInc.，Midland，MI，USA)，树状大分子溶液中溶剂为二甲基亚砜溶液。
所述步骤(2)中的氯金酸溶液浓度为10mg/mL。
所述步骤(1)或(2)中的透析具体过程为逐次在PBS缓冲溶液中透析2～4次和超纯水中透析2～4次，每次6-10h，透析3天。
所述透析所用透析膜为纤维素透析膜，截留分子量为10000。
所述步骤(2)中得到的DTA修饰的树状大分子的金纳米粒子为{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs。
所述DTA修饰的树状大分子的金纳米粒子应用于CT成像。
本发明使用核磁共振谱(NMR)、紫外-可见分光光度计(UV-Vis)、透射电子显微镜(TEM)等方法表征本发明制备的树状大分子和纳米颗粒，同时用Micro-CT测试来检验DTA修饰的聚酰胺-胺树状大分子稳定的金纳米粒子的小鼠活体成像效果，具体测试结果如下：
(1)NMR谱
核磁共振氢谱结果证实每个树状大分子表面修饰了8个DTA分子(G5.NH2-DTA8)，自还原制备的树状大分子稳定的金纳米粒子结构为{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs，见附图1。
(2)紫外-可见分光光度计的测试结果
G5.NH2-DTA8的水溶液在280nm左右出现了苯环的吸收峰，证实了DTA被修饰在树状大分子表面。同时，在水溶液中合成的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs在522nm左右都有一个特征吸收峰，这是由于金纳米颗粒的表面等离子体共振峰，参见附图2；
(3)透射电子显微镜测量
将氯金酸和G5.NH2-DTA8的水溶液搅拌混合形成的树状大分子包裹的纳米金颗粒的TEM图片(附图3)表明，金纳米颗粒直径约2.51nm，尺寸分布较窄，具有良好的分散性。进一步乙酰化之后合成的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs的TEM图片(附图4a)和粒度分布直方图(附图4b)表明，形成的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs纳米颗粒相当均匀，粒径分布在较窄的范围内，平均直径为6.02nm。附图4c是{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs的高分辨TEM图片，{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs的EDS谱则证实金元素的存在，见附图4d。
(4)X-射线衰减性能测试
用CT测试仪测试各个样品的HU值并得出X-射线衰减与金浓度的线性关系。附图5(a)为{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs与{(Au0)50-G5.NHAc}DENPs在相同金浓度下的X-射线衰减与金浓度的线性关系图，附图5(b)为{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs与欧乃派克在相同碘浓度下的X-射线衰减与金浓度的线性关系图。从图5(a)中可以看出相同金浓度条件下，{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs比{(Au0)50-G5.NHAc}DENPs的HU值大，说明DTA的存在可以增强材料的CT造影效果。同样图5(b)中相同碘浓度条件下，{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs比欧乃派克的HU值大，证明本方法合成的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs较单一的纳米金颗粒造影剂或者碘造影剂具有较好的CT成像灵敏度。
(5)血液相容性测试
取新鲜人血红细胞，分别加入蒸馏水、PBS缓冲液和不同浓度的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs的PBS溶液中，震荡混匀后室温下静置2h，随后1000rpm离心1min后取上清液测试其紫外吸收光谱(附图6)。通过实验证实{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs浓度达到3μM时，仍未出现明显的溶血现象，证实在该浓度下，{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs具有良好的血液相容性。
(6)细胞毒性测试
将不同浓度的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs与KB细胞(人上皮癌细胞)共培养4h后对细胞活力进行MTT检测(附图7)，并利用流式细胞仪对MTT检测的结果进行了验证(附图8)。实验结果证实，(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs浓度达到3μM时，仍未对KB细胞产生明显的毒性，说明{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs在3μM时仍具有良好的生物相容性。
(7)小鼠活体血管成像
将500μL的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs([Au]＝0.1mol/L)尾部静脉注射进体重为30g的小鼠体内，通过Micro-CT扫描检测得到CT图片(图9)，从图中能够清楚地看到小鼠的下腔静脉和肾静脉，且小鼠未发现死亡，证明本方法合成的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs具有较低的生物毒性和较好的CT成像效果。
通过用DTA修饰第5代的树状大分子(G5 PAMAM)和氯金酸混合后，可在室温下经原位自动还原合成金纳米颗粒，且乙酰化修饰树状大分子表面氨基降低材料生物毒性的同时未对材料的稳定性产生明显影响，同时，生成的Au NPs尺寸分布较窄，形态均一，具有良好的稳定性和CT成像效果，这一点对于用于不同医学领域所需要的可定制的金属纳米颗粒表面功能化非常重要。
有益效果
(1)本发明方法简单，反应条件简便、温和、环保、易于操作，具有产业化实施的前景；
(2)本发明设计合成的DTA修饰的树状大分子稳定化的金纳米颗粒材料，无需外加还原剂，其反应均在室温下完成，同时制备出的稳定性能良好的金纳米粒子可被成功地应用于小鼠的活体成像；
(3)本发明的树状大分子稳定的金纳米粒子能够长时间地分散在水基溶液中，没有团聚现象发生，所合成的纳米颗粒的尺寸大小可控制，且具有较低的生物毒性、较高的X-射线衰减强度和较好的CT成像效果，使它们具有了应用于各种生物医学领域的前景。
附图说明
图1为本发明制备的G5.NHAc-DTA8(a)和{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs(b)的核磁共振氢谱图；
图2为本发明制备的G5.NHAc-DTA8(a)、{(Au0)50-G5.NH2-DTA8}DENPs(b)和{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs(c)的紫外吸收光谱图；
图3为本发明制备的{(Au0)50-G5.NH2-DTA8}DENPs的TEM图片(a)和粒径分布直方图(b)。
图4为本发明制备的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs的TEM图片(a)、粒径分布直方图(b)、高分辨TEM图片(c)和能量分散(EDS)谱(d)；
图5为本发明制备的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs与{(Au0)50-G5.NHAc}DENPs和传统造影剂欧乃派克的X射线衰减系数对比图；
图6为本发明制备的不同摩尔浓度的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs的紫外吸收光谱图；
图7为本发明制备的不同摩尔浓度的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs与KB细胞共培养4h后的MTT实验结果；
图8为本发明制备的不同摩尔浓度的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs(c-h浓度分别为0.5μM、1.0μM、1.5μM、2.0μM、2.5μM和3.0μM)与KB细胞共培养4h后的流式细胞仪检测结果(a为未染色的KB细胞，b为二乙酸荧光素染色的KB细胞)；
图9为本发明制备的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs(500μL，[Au]＝0.1mol/L)尾部静脉注射进小鼠体内，通过Micro-CT扫描检测得到的CT图片(三角图标指示下腔静脉，箭头指示肾静脉)；
图10为本发明反应方程式简图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)向5mL N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶解的干重为51.92～77.88mg的DTA溶液中加入1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺盐酸盐(EDC.HCl，162.14～243.22mg)的二甲基亚砜溶液，搅拌反应3h后加入N-羟基硫代琥珀酰亚胺(NHS，97.35～146.02mg)的二甲基亚砜溶液，继续搅拌反应3h，其中DTA/EDC.HCl/NHS(摩尔比)＝1∶10∶10。
(2)取步骤(1)反应液，将其滴加入树状大分子溶液中(20～30mg，10mL二甲基亚砜溶液)，反应72h，其中DTA/树状大分子(摩尔比)为110∶1。随后将反应产物用纤维素透析膜(MWCO＝10000)逐次在PBS缓冲溶液(4L)中透析3次，在超纯水(4L)中，透析3次，最后将纯化后的产物冷冻干燥得G5.NH2-DTA8。
合成过程中对树状大分子表面修饰用核磁进行表征，对各个峰进行积分计算可知：树状大分子载体表面修饰了8个DTA分子(附图1a)。对得到的产品G5.NH2-DTA8进行紫外吸收表征(附图2，曲线1)，DTA中苯环的吸收峰在290nm，证明了DTA已经被成功地修饰在树状大分子表面。这些测试结果表明已成功制备了设计合成的功能化的树状大分子G5.NH2-DTA8。
实施例2
取G5.NH2-DTA81.00～2.00mg溶于水中，取61.7～123.4μL的10mg/mL的HAuCl4水溶液混合，搅拌反应30min后溶液变成酒红色，在室温下继续搅拌反应1～6h，随后将反应产物用纤维素透析膜(MWCO＝10000)逐次在PBS缓冲溶液4L×3和超纯水4L×3，透析3天，最后将纯化后的产物冷冻干燥得到DTA修饰的树状大分子包裹的金纳米粒子{(Au0)50-G5.NH2-DTA8}DENPs。
合成过程中对所形成的Au DENPs用紫外吸收光谱(附图2，曲线2)和TEM(附图3)进行了表征。附图2中，Au DENPs的表面等离子体共振(SPR)峰在522nm，证明了Au DENPs已经被成功地制备。TEM图片(附图3)表明金纳米颗粒直径约2.51nm，尺寸分布较窄，具有良好的分散性。这些测试结果表明已成功制备了设计合成的功能化的树状大分子包裹的纳米金颗粒{(Au0)50-G5.NH2-DTA8}DENPs。
实施例3
取{(Au0)50-G5.NH2-DTA8}DENPs2.00～4.00mg溶于水中，搅拌下加入2.0μL三乙胺，搅拌反应30min后向反应液中加入1.3μL乙酸酐，在室温下搅拌反应20～24h，随后将反应产物用纤维素透析膜(MWCO＝10000)逐次在PBS缓冲溶液4L×3和超纯水4L×3，透析3天，最后将纯化后的产物冷冻干燥得到DTA修饰的树状大分子稳定的金纳米粒子{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs。
合成过程中对所形成的Au DSNPs用紫外吸收光谱(附图2，曲线3)和TEM(附图4)进行了表征。附图2中，Au DSNPs的表面等离子体共振(SPR)峰在522nm，证明了Au DSNPs已经被成功地制备。TEM图片(附图4)表明金纳米颗粒平均直径约6.02nm，尺寸分布较窄，具有良好的分散性。这些测试结果表明已成功制备了设计合成的功能化的树状大分子稳定的纳米金颗粒{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs。
实施例4
以体外CT测试的HU值来检验实施例3合成的材料{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs与{(Au0)50-G5.NHAc}DENPs和传统造影剂欧乃派克的CT值。取实施例3样品44.95mg溶解在500μL的PBS缓冲液中配制金浓度为0.1M的溶液，再分别稀释到金浓度为0.06M，0.02M，0.01M，0.005M的溶液各200μL。取{(Au0)50-G5.NHAc}DENPs 40.48mg溶解在500μL的PBS缓冲液中配制金浓度为0.1M的溶液，再分别稀释到金浓度为0.06M，0.02M，0.01M，0.005M的溶液各200μL。取欧乃派克42.3mL(碘的浓度为300mg/mL)稀释至1mL配置成碘浓度为0.1M的溶液，再分别稀释到碘浓度为0.048M，0.0288M，0.0096M，0.0048M，0.0024M的溶液各200μL。用CT测试仪测试各个样品的HU值并得出X-射线衰减与金或碘浓度的线性关系。附图5(a)为{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs与{(Au0)50-G5.NHAc}DENPs在相同金浓度下的X-射线衰减与金浓度的线性关系图，附图5(b)为{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs与欧乃派克在相同碘浓度下的X-射线衰减与碘浓度的线性关系图。从图5(a)中可以看出相同金浓度条件下，{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs比{(Au0)50-G5.NHAc}DENPs的HU值大，说明DTA的存在可以增强材料的X-射线衰减强度。同样图5(b)中相同碘浓度条件下，{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs比欧乃派克的HU值大，证明本方法合成的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs较单一的纳米金颗粒造影剂或者碘造影剂具有较好的X-射线衰减强度。
实施例5
取实施例3样品2.00mg溶解在444.9μL的PBS缓冲液中配制样品浓度为100μM的溶液，再分别稀释到样品浓度为3.0μM，2.5μM，2.0μM，1.5μM，1.0μM，0.5μM的溶液各1.8mL。取新鲜人血红细胞，分别加入蒸馏水、PBS缓冲液和上述配置的不同浓度的实例3样品的PBS溶液中，震荡混匀后室温下静置2h，随后1000rpm离心1min后取上清液测试其紫外吸收光谱(附图6)。通过实验证实{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs浓度达到3μM时，仍未出现明显的溶血现象，证实在该浓度下，{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs具有良好的血液相容性。
实施例6
以人口腔上皮癌细胞(KB)为模型细胞，通过MTT法考察其与不同浓度的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs共培养后的细胞活力(附图7)0取实例3样品2.00mg溶解在444.9μL的PBS缓冲液中配制样品浓度为100μM的溶液，再分别稀释到样品浓度为3.0μM，2.5μM，2.0μM，1.5μM，1.0μM，0.5μM的溶液各1.0mL。随后将配置好的溶液与KB细胞共培养4h后，分别利用MTT(附图7)法和流式细胞仪(附图8)检测细胞活力。结果表明自还原法得到的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA}DSNPs在浓度达到3.0μM时对细胞活力仍无明显的影响。因此，本研究设计合成的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs具有良好的生物相容性。
实施例7
将500μL实施例3中得到的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs([Au]＝0.1mol/L)尾部静脉注射进体重为20g的小鼠体内，用药后15min通过Micro CT扫描得到小鼠的CT图片(附图9)。从图中可以明显观察到小鼠的下腔静脉和肾静脉，证明本研究设计合成的{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs具有较好的CT成像效果。

Claims (7)

1.一种泛影酸修饰树状大分子的金纳米粒子的制备方法，包括：
(1)向N，N-二甲基甲酰胺溶解的泛影酸DTA溶液中加入1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺盐酸盐EDC.HCl的二甲基亚砜溶液，搅拌反应3～6h后，再加入N-羟基硫代琥珀酰亚胺NHS的二甲基亚砜溶液，继续搅拌反应3～6h；反应结束后将溶液加入树状大分子溶液中，反应60～80h，随后将反应产物透析，最后将产物冷冻干燥得固体；其中，DTA、EDC.HCl和NHS的摩尔比为1∶10∶10，DTA与树状大分子的摩尔比为110∶1；
(2)取上述固体，用水将其溶解后，再加入氯金酸溶液，然后在室温下搅拌反应60-120min，接着再加入三乙胺，搅拌混合20～40min后，向反应液中加入乙酸酐，在室温下搅拌反应20～28h，随后将反应产物透析，最后将产物冷冻干燥，得到DTA修饰的树状大分子的金纳米粒子；其中，三乙胺、乙酸酐与树状大分子的摩尔比均为550∶1。
2.根据权利要求1所述的一种泛影酸修饰树状大分子的金纳米粒子的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的树状大分子为氨基封端的聚酰胺-胺型PAMAM树状大分子，树状大分子溶液中溶剂为二甲基亚砜溶液。
3.根据权利要求1所述的一种泛影酸修饰树状大分子的金纳米粒子的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的氯金酸溶液浓度为10mg/mL。
4.根据权利要求1所述的一种泛影酸修饰树状大分子的金纳米粒子的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)或(2)中的透析具体过程为逐次在PBS缓冲溶液中透析2～4次和超纯水中透析2～4次，每次6-10h，透析3天。
5.根据权利要求1所述的一种泛影酸修饰树状大分子的金纳米粒子的制备方法，其特征在于：所述透析所用透析膜为纤维素透析膜，截留分子量为10000。
6.根据权利要求1所述的一种泛影酸修饰树状大分子的金纳米粒子的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中得到的DTA修饰的树状大分子的金纳米粒子为{(Au0)50-G5.NHAc-DTA8}DSNPs。
7.根据权利要求1所述的一种泛影酸修饰树状大分子的金纳米粒子的制备方法，其特征在于：所述DTA修饰的树状大分子的金纳米粒子应用于CT成像。
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