CN102481381B - 用于诊断成像的纳米颗粒造影剂 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用至少一个带净正电的基团和至少一个带净负电的基团官能化的纳米颗粒的组合物、制备多个纳米颗粒的方法和将其用作诊断剂的方法。所述纳米颗粒具有与其它纳米颗粒相比产生颗粒在体内的最少保留的特性。所述纳米颗粒包括核和壳。所述壳包含多个硅烷部分；所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用带净正电的基团官能化且所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用带净负电的基团官能化。

Description

用于诊断成像的纳米颗粒造影剂
背景
概括地讲，本申请涉及用于诊断成像、诸如用于X射线/计算机断层摄影(CT)或磁共振成像(MRI)的造影剂。更详细地讲，本申请涉及基于纳米颗粒的造影剂和用于制备和使用这类造影剂的方法。
几乎所有临床批准的诊断造影剂都是基于小分子。碘化芳族化合物已经充当了标准X射线或CT造影剂，而Gd-螯合物用于磁共振成像。尽管常用于诊断成像，但是小分子造影剂可能受诸如从血管壁渗漏导致血液循环时间短、敏感性较低、粘度高和渗透压高的某些缺点所困扰。这些化合物通常与一些患者群体的肾并发症有关。已知这类小分子剂从体内快速清除，限制了其可用于使血管系统有效成像的时间，以及关于其它适应症，使得难以将这些试剂靶向疾病部位。因此，需要新一类的造影剂。
正广泛研究纳米颗粒用于医学应用：诊断和治疗两者。虽然只有一些基于纳米颗粒的试剂已被临床批准用于磁共振成像应用和药物递送应用，但是数百种这样的试剂正在开发之中。有实质性的证据表明，纳米颗粒可在诊断和治疗的功效方面提供优于当前使用的基于小分子的试剂的益处。然而，并不完全了解粒度、结构和表面性质对于纳米颗粒剂的体内生物分布和清除的影响。与小分子相比，纳米颗粒视其粒度而趋于在体内停留更久的时间。在造影剂的情况下，优选试剂具有从体内的最大肾脏清除率而对不任何器官引起短期或长期毒性。
鉴于以上所述，需要具有改善的性质、特别是关于肾脏清除率和毒性作用改善的性质的基于纳米颗粒的造影剂或成像剂。
发明简述
本发明提供用于X射线、CT和MRI的新一类基于纳米颗粒的造影剂。本发明的发明人已经发现，与小分子造影剂相比，用带净正电的基团和带净负电的基团二者官能化的纳米颗粒具有改善的成像特性。本发明的纳米颗粒具有与其它纳米颗粒相比导致颗粒在体内的保留降低的特性。这些纳米颗粒可在一个或多个以下领域中提供改善的性能和益处：合成稳定性、成本降低、图像对比度增强、血液半衰期增加和毒性降低。
本发明涉及纳米颗粒、包含所述纳米颗粒的组合物、其制备方法和使用方法。
本发明的一方面涉及纳米颗粒。所述纳米颗粒包括核和壳。所述壳包含多个硅烷部分。所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用带净正电的基团官能化且所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用带净负电的基团官能化。所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上。在一个实施方案中，所述至少一个硅烷部分用一个带正电的基团官能化且所述至少一个硅烷部分用一个带负电的基团官能化。在一个实施方案中，所述核包含过渡金属。在另一实施方案中，所述核包含过渡金属的衍生物，所述过渡金属的衍生物选自氧化物、碳化物、硫化物、氮化物、磷化物、硼化物、卤化物、硒化物、碲化物及其组合。在一个实施方案中，所述核包含原子序数≥34的金属。对于不同原子的分子化合物或混合物来说，化合物或混合物的原子序数可由“有效原子序数”Z有效表示。Z有效可计算为组成元素的原子序数的函数。在这类实施方案中，所述核包含具有大于或等于34的有效原子序数的材料。
在一些实施方案中，所述纳米颗粒包括氧化钽核及壳。所述壳包含多个硅烷部分。所述多个硅烷部分包含用带净正电的基团官能化的至少一个硅烷部分和用带净负电的基团官能化的至少一个硅烷部分。所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上。在一个实施方案中，用带净正电的基团官能化的硅烷部分与用带净负电的基团官能化的硅烷部分的比率在约0.25-约1.75范围内。在一个实施方案中，所述至少一个硅烷部分用一个带正电的基团官能化且所述至少一个硅烷部分用一个带负电的基团官能化。在一些实施方案中，用所述一个带正电的基团官能化的硅烷部分与用所述一个带负电的基团官能化的硅烷部分的比率为约1。在一个实施方案中，所述纳米颗粒具有至多约6nm的平均粒度。
在其它实施方案中，所述纳米颗粒包括超顺磁氧化铁核和壳。所述壳包含多个硅烷部分。所述多个硅烷部分包含用带净正电的基团官能化的至少一个硅烷部分和用带净负电的基团官能化的至少一个硅烷部分。所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上。在一个实施方案中，用带净正电的基团官能化的硅烷部分与用带净负电的基团官能化的硅烷部分的比率在约0.25-约1.75范围内。在一个实施方案中，所述至少一个硅烷部分用一个带正电的基团官能化且所述至少一个硅烷部分用一个带负电的基团官能化。在一些实施方案中，用所述一个带正电的基团官能化的硅烷部分与用所述一个带负电的基团官能化的硅烷部分的比率为约1。在另一实施方案中，所述纳米颗粒具有至多约50nm的平均粒度。
在一个或多个实施方案中，本发明涉及诊断剂组合物。所述组合物包含多个纳米颗粒，其中所述多个纳米颗粒中的至少一个纳米颗粒包括核和壳。所述壳包含多个硅烷部分。所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用带净正电的基团官能化且所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用带净负电的基团官能化。所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上。在一个实施方案中，所述至少一个硅烷部分用一个带正电的基团官能化且所述至少一个硅烷部分用一个带负电的基团官能化。在一些实施方案中，所述组合物还包含药学上可接受的载体和任选的一种或多种赋形剂。
本发明的一方面涉及制备多个纳米颗粒的方法。所述方法包括：(a)提供核，和(b)在所述核上布置壳，其中所述壳包含多个硅烷部分。所述多个硅烷部分包含用带净正电的基团官能化的至少一个硅烷部分和用带净负电的基团官能化的至少一个硅烷部分。所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上。在一个实施方案中，用带净正电的基团官能化的硅烷部分与用带净负电的基团官能化的硅烷部分的比率在约0.25-约1.75范围内。在一个实施方案中，所述至少一个硅烷部分用一个带正电的基团官能化且所述至少一个硅烷部分用一个带负电的基团官能化。在一些实施方案中，用所述一个带正电的基团官能化的硅烷部分与用所述一个带负电的基团官能化的硅烷部分的比率为约1。
在一些实施方案中，所述方法包括对受试者施用诊断剂组合物和用诊断装置使所述受试者成像。所述诊断剂组合物包含多个纳米颗粒。所述多个纳米颗粒中的至少一个纳米颗粒包括核和壳。所述壳包含多个硅烷部分。所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用带净正电的基团官能化且所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用带净负电的基团官能化。所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上。在一个实施方案中，所述至少一个硅烷部分用一个带正电的基团官能化且所述至少一个硅烷部分用一个带负电的基团官能化。在一个或多个实施方案中，所述方法还包括用所述诊断装置监测所述诊断剂组合物到所述受试者的递送并诊断所述受试者。在一些实施方案中，所述诊断装置使用选自磁共振成像、光学成像、光学相干断层摄影、X射线、计算机断层摄影、正电子发射断层摄影或其组合的成像方法。
本发明的另一方面涉及一种方法，所述方法包括对受试者施用诊断剂组合物和用X射线装置使所述受试者成像。所述诊断剂组合物包含多个纳米颗粒，其中所述多个纳米颗粒中的至少一个纳米颗粒包括核和壳。所述壳包含多个硅烷部分。所述多个硅烷部分包含用带净正电的基团官能化的至少一个硅烷部分和用带净负电的基团官能化的至少一个硅烷部分。所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上。在一个实施方案中，所述至少一个硅烷部分用一个带正电的基团官能化且所述至少一个硅烷部分用一个带负电的基团官能化。在一个或多个实施方案中，所述核包含氧化钽。
本发明的另一方面涉及包括一种方法，其包括对受试者施用诊断剂组合物和用磁共振成像装置使所述受试者成像。所述诊断剂组合物包含多个纳米颗粒，其中所述多个纳米颗粒中的至少一个纳米颗粒包括核和壳。所述壳包含多个硅烷部分。所述多个硅烷部分包含用带净正电的基团官能化的至少一个硅烷部分和用带净负电的基团官能化的至少一个硅烷部分。所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上。在一个实施方案中，所述至少一个硅烷部分用一个带正电的基团官能化且所述至少一个硅烷部分用一个带负电的基团官能化。在一个或多个实施方案中，所述核包含超顺磁氧化铁。
附图
在参考附图阅读以下详述时将更加透彻地理解本发明的这些和其它特征、方面和优势，在所述附图中相同的符号表示相同元件，其中：
图1描绘根据本发明的一些实施方案包括核和壳的纳米颗粒的截面图。
图2描述根据本发明的一些实施方案可用于使硅烷部分官能化的带负电基团的前体。
图3描述根据本发明的一些实施方案可用于使硅烷部分官能化的带正电基团的前体。
图4描述根据本发明的一些实施方案布置在核上以生成壳的用带净正电的基团官能化的硅烷部分和用带净负电的基团官能化的硅烷部分的实例。
发明详述
以下详述是示例性的且并非想要限制本发明或本发明的用途。另外，并非想要由在前面的发明背景和以下详述中出现的任何理论加以限制。
在以下说明书和下文的权利要求书中，提到的许多术语具有以下含义。除非上下文明确规定，否则单数形式“一种/个”和“所述”包括复数个讨论对象。在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言可用于修饰任何定量表述，这些表达可容许在不导致其相关的基本功能发生变化的条件下进行改变。因此，由例如“约”的术语修饰的值不限于所指定的精确值。在有些情况下，近似语言可对应于用于测量所述值的仪器的精密度。类似地，“不含”可与术语组合使用且可包括非实质性数量，或痕量仍被视为不含所修饰的术语。例如，不含溶剂和类似术语和字句可指其中显著部分、一些或所有溶剂已从溶剂化物质中除去的情况。
作为基本问题，对于以下论述和随附权利要求书来说，术语“或”的定义意欲为包括性“或”。也就是说，术语“或”并非想要将两个互斥方案区分开。相反，当在两个要素之间联接使用时，术语“或”被定义为包括一个要素本身、另一要素本身及所述多个要素的组合和排列。例如，使用术语“A”或“B”的论述或叙述包括：“A”本身、“B”本身及其任何组合，诸如“AB”和/或“BA”。
贯穿以下描述，“带正电的”和“带负电的”是指在标准生理条件下预期的性质。例如，带正电的基团和带负电的基团在不同pH条件下可表现不同。例如，带正电的基团在高pH下可变为基本中性的，且带负电的基团在低pH下可变为基本中性的。
本发明的一个或多个实施方案涉及包含如图1中所述的纳米颗粒的组合物。纳米颗粒10组合物包括核20和壳30。在一个或多个实施方案中，核20含有过渡金属，例如过渡金属元素的衍生物。壳30包含多个硅烷部分。所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用带净正电的基团官能化且所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用带净负电的基团官能化。所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上。在一个实施方案中，所述至少一个硅烷部分用一个带正电的基团官能化且所述至少一个硅烷部分用一个带负电的基团官能化。
本文使用的“纳米颗粒”是指具有在纳米尺度上(通常小于1微米)的粒度的颗粒。在一个实施方案中，所述纳米颗粒具有至多约50nm的粒度。在另一实施方案中，所述纳米颗粒具有至多约10nm的粒度。在另一实施方案中，所述纳米颗粒具有至多约6nm的粒度。
多个纳米颗粒可以以下特性中的一个或多个为特征：中值粒度、平均直径或粒度、粒度分布、平均颗粒表面积、颗粒形状或颗粒截面几何形状。另外，多个纳米颗粒可具有可通过数均粒度和重均粒度两者表征的粒度分布。数均粒度可由SN＝∑(sini)/∑ni表示，其中ni为具有粒度si的颗粒的数目。重均粒度可由SW＝∑(sini 2)/∑(sini)表示。当所有颗粒都具有相同粒度时，SN与SW可相等。在一个实施方案中，可能有一种粒度分布，且SN可与SW不同。重均粒度与数均粒度之比可定义为多分散指数(SPDI)。在一个实施方案中，SPDI可等于约1。在其它实施方案中，SPDI可分别在约1-约1.2、约1.2-约1.4、约1.4-约1.6或约1.6-约2.0范围内。在一个实施方案中，SPDI可在大于约2.0的范围内。
在一个实施方案中，多个纳米颗粒可具有多种类型的粒度分布中的一种，诸如正态分布、单峰分布、多峰分布(例如双峰分布)。某些粒度分布可用以提供某些益处。单峰分布可指以单一模式分布的粒度分布。在另一实施方案中，在组合物中可包含具有两种不同子群粒度范围(双峰分布)的颗粒群。
纳米颗粒可具有多种形状和截面几何形状，这可部分地取决于用以产生颗粒的方法。在一个实施方案中，纳米颗粒可具有如下形状：球、棒、管、碎片、纤维、板、线、立方体或须。纳米颗粒可包括具有上述形状中的两种或更多种的颗粒。在一个实施方案中，颗粒的截面几何形状可为圆形、椭圆形、三角形、矩形或多边形中的一种或多种。在一个实施方案中，纳米颗粒可基本由非球形颗粒组成。例如，这类颗粒可具有椭圆体形式，其可具有不同长度的所有三个主轴，或可为旋转扁圆或扁长(prelate)椭球体。非球形纳米颗粒或者可以薄片状形式，其中薄片状是指这样的颗粒：其中沿一个轴的最大尺寸显著小于沿另两轴中的每一个的最大尺寸。非球形纳米颗粒还可具有棱锥体或锥体的平截头体形状或细长棒形状。在一个实施方案中，纳米颗粒的形状可为不规则的。在一个实施方案中，多个纳米颗粒可基本由球形纳米颗粒组成。
纳米颗粒群可具有高表面积-体积比。纳米颗粒可为结晶或非晶的。在一个实施方案中，可使用单一类型(粒度、形状等)的纳米颗粒，或可使用不同类型纳米颗粒的混合物。如果使用纳米颗粒混合物，则它们可均匀或非均匀地分布在组合物中。
在一些实施方案中，纳米颗粒可能不强烈团聚和/或聚集，因此颗粒可相对容易地分散在组合物中。聚集物(aggregate)可包含多于一个彼此实体接触的纳米颗粒，而团聚物(agglomerated)可包含多于一个彼此实体接触的聚集物。在其它实施方案中，所述多个纳米颗粒中的一些纳米颗粒可形成聚集物/团聚物。
在一个实施方案中，所述核包含过渡金属。本文使用的“过渡金属”是指周期表第3-12族的元素。在某些实施方案中，所述核包含过渡金属元素的一种或多种衍生物，诸如氧化物、碳化物、硫化物、氮化物、磷化物、硼化物、卤化物、硒化物和碲化物，所述衍生物含有这些过渡金属元素中的一种或多种。因此，在本说明书中，术语“金属”并不一定意味着存在零价金属，反而，使用该术语表示存在含有作为成分的过渡金属元素的金属或非金属材料。
在一些实施方案中，所述纳米颗粒可包括单个核。在一些其它实施方案中，所述纳米颗粒可包括多个核。在纳米颗粒包括多个核的实施方案中，所述核可相同或不同。在一些实施方案中，纳米颗粒组合物包括至少两个核。在其它实施方案中，所述纳米颗粒组合物各自仅包括一个核。
在一些实施方案中，所述核包含单一过渡金属的衍生物。在另一实施方案中，所述核包含两种或更多种过渡金属的衍生物。在所述核包含两种或更多种过渡金属的衍生物的实施方案中，所述过渡金属元素或过渡金属阳离子可为相同的元素或两种或更多种不同的元素。例如，在一个实施方案中，所述核可包含单一金属衍生物，诸如氧化钽或氧化铁。在另一实施方案中，所述核可包含两种或更多种不同金属元素的衍生物，例如氧化钽和二氧化铪、或氧化钽和氮化铪、或氧化铁和氧化锰。在另一实施方案中，所述核可包含相同金属元素的两种或更多种衍生物，例如氧化钽和三硫化钽。
在一个实施方案中，所述核在X射线或计算机断层摄影(CT)成像中引起对比度增强。常规CT扫描仪使用在约10keV与约150keV之间的广谱X射线能量。本领域技术人员应当了解X射线穿过每单位长度的特定材料的衰减量表示为线性衰减系数。在CT成像中的典型X射线能谱中，材料的衰减由光电吸收作用和康普顿散射(ComptonScattering)作用控制。另外，众所周知线性衰减系数是入射X射线的能量、材料的密度(与摩尔浓度有关)和材料的原子序数(Z)的函数。对于不同原子的分子化合物或混合物来说，“有效原子序数”Z有效可计算为组成元素的原子序数的函数。具有已知化学式的化合物的有效原子序数由以下关系确定：
Z eff = [ Σ k = 1 P w f k Z k β ] 1 / β (等式1)
其中Zk为金属元素的原子序数，P为金属元素的总量，且为金属元素相对于分子的总分子量的重量分数(与摩尔浓度有关)。用于CT成像的入射X射线能量的最佳选择随欲成像的目标的大小而变且不能从标称值(nominal value)大大改变。还众所周知造影剂材料的线性衰减系数与材料的密度成线性依赖关系，即，如果增加材料密度或如果增加造影材料的摩尔浓度，则线性衰减系数可增加。然而，向患者注射造影剂材料的实践方面和相关毒性作用限制可实现的摩尔浓度。因此，根据造影剂材料的有效原子序数分开潜在的造影剂材料是合理的。基于典型材料在约50mM的摩尔浓度下对典型CT能谱的CT对比度增强的模拟实验，估计具有大于或等于34的有效原子序数的材料可产生约30霍斯菲耳德单位(Hounsfield unit，HU)或比水高3％的对比度的适当对比度增强。因此，在某些实施方案中，所述核包含具有大于或等于34的有效原子序数的材料。参见，例如在医学成像手册(Handbook of Medical Imaging)，第1卷中的第1章：物理学和精神物理学(Physics and Psychophysics)，J.Beutel、H.L.Kundel、R.L.VanMetter编，SPIE Press，2000。
含有如上所述具有比较高原子序数的过渡金属的核可提供具有某些合乎需要的特性的实施方案。在这类实施方案中，所述核基本不透辐射，意味着与活生物中通常见到的物质相比，核材料允许显著较少的X射线辐射穿过，因此潜在地给出用作诸如计算机断层摄影(CT)的X射线成像应用中的造影剂的颗粒。可提供该性质的过渡金属元素的实例包括钨、钽、铪、锆、钼、银和锌。氧化钽是适用于X射线成像应用的合适核组合物的一个特定实例。在一个或多个实施方案中，所述纳米颗粒的核包含氧化钽且所述纳米颗粒具有至多约6nm的粒度。由于例如含钽核的高度不透辐射性和帮助迅速肾脏清除的小粒度，该实施方案对于在应用X射线以产生成像数据的成像技术中的应用特别具有吸引力。
在一些实施方案中，所述纳米颗粒的核包含含有至少约30重量％的过渡金属元素的材料。在某些实施方案中，所述纳米颗粒的核包含含有至少约50重量％的过渡金属元素的材料。在又一实施方案中，所述纳米颗粒的核包含含有至少约75重量％的过渡金属元素的材料。在核中具有高含量的过渡金属元素为纳米颗粒提供每单位体积的较高程度不透辐射性，由此赋予作为造影剂的更有效的性能。
在另一实施方案中，所述核包含表现出磁行为(例如包括超顺磁行为)的材料。本文使用的“超顺磁材料”是指即使在低于居里(Curie)温度或奈尔温度(Neel temperature)的温度下也可表现出类似于顺磁性的行为的材料。潜在的磁或超顺磁材料的实例包括包含铁、锰、铜、钴、镍或锌中的一种或多种的材料。在一个实施方案中，所述超顺磁性材料包括超顺磁氧化铁。在一些实施方案中，本发明的纳米颗粒可用作磁共振(MR)造影剂。这些纳米颗粒在暴露于磁场时可产生T2*、T2或T1磁共振信号。在一个或多个实施方案中，所述纳米颗粒的核包含超顺磁氧化铁且所述纳米颗粒具有至多约50nm的粒度。
在一个实施方案中，纳米颗粒10包括基本覆盖核20的壳30。该壳30可用来使核20稳定，即，壳30可防止一个核20接触相邻的核20，由此防止多个这样的纳米颗粒10如本文所述聚集或团聚，或防止金属或金属氧化物例如在体内成像实验的时间量程内浸析。在一个实施方案中，壳30可具有足以使核20稳定且防止这种接触的厚度。在一个实施方案中，壳30具有至多约50nm的平均厚度。在另一实施方案中，壳30具有至多约3nm的平均厚度。
本文使用的术语“基本覆盖”是指纳米颗粒的表面覆盖度百分数大于约20％。表面覆盖度百分数是指由壳覆盖的纳米颗粒表面与未由壳覆盖的表面的比率。在一些实施方案中，纳米颗粒的表面覆盖度百分数可大于约40％。
在一些实施方案中，所述壳可有助于改善水溶性、减少聚集物形成、减少团聚物形成、防止纳米颗粒氧化、保持核-壳实体的均匀性或提供纳米颗粒的生物相容性。在另一实施方案中，包括所述壳的一种或多种材料还可包含对于特定应用(诸如但不限于诊断应用)定制的其它材料。例如，在一个实施方案中，所述纳米颗粒还可用靶向配位体官能化。所述靶向配位体可为提供纳米颗粒对所需器官、组织或细胞的靶向的分子或结构。所述靶向配位体可包括但不限于蛋白质、肽、抗体、核酸、糖衍生物或其组合。在一些实施方案中，所述纳米颗粒还可包含靶向剂，使得当作为造影剂使用时，可使颗粒靶向受试者身体的具体患病区域。在一些实施方案中，所述纳米颗粒可作为血池试剂使用。
所述核可用一个或多个壳覆盖。在一些实施方案中，多个核可用同一壳覆盖。在一个实施方案中，单个壳可覆盖纳米颗粒组合物中存在的所有核。在一些实施方案中，各个核可用一个或多个壳覆盖。在另一实施方案中，纳米颗粒中存在的所有核可用两个或更多个壳覆盖。在一个实施方案中，各个壳可包含与伴侣壳(companion shell)相同的材料。在另一实施方案中，所述壳可包含不同材料。在核被多于一个壳覆盖的实施方案中，所述壳可具有相同或不同的材料。
在一些实施方案中，所述壳包含多个硅烷部分。术语“多个硅烷部分”是指一种特定硅烷部分的多个实例或两种或更多种不同的硅烷部分的多个实例。在一个或多个实施方案中，所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用带净正电的基团官能化且所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用带净负电的基团官能化。所述硅烷部分可在用带正电基团或带负电基团或两种基团的前体使硅烷部分官能化期间经历化学改性。
在一个实施方案中，所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用一个带正电的基团官能化且所述多个硅烷部分中的至少一个其它硅烷部分用一个带负电的基团官能化。在这类实施方案中，分别地，所述带净正电的基团仅由一个带正电的基团组成且所述带净负电的基团仅由一个带负电的基团组成。在一些实施方案中，用所述一个带正电的基团官能化的硅烷部分与用所述一个带负电的基团官能化的硅烷部分的比率为约1。在这类实施方案中，所述壳可包含接近相等数目的使硅烷官能化的带正电基团和使硅烷官能化的带负电基团。在这类实施方案中，所述纳米颗粒可表现为中性颗粒。
在其它实施方案中，至少一个硅烷部分用带净正电的基团官能化且至少一个其它硅烷部分用带净负电的基团官能化。在另一实施方案中，多个硅烷部分用带净正电的基团官能化且多个硅烷部分用带净负电的基团官能化。在一些实施方案中，所述多个硅烷部分中的每个硅烷部分用带净正电的基团或带净负电的基团官能化。在一些实施方案中，用带净正电的基团官能化的硅烷部分与用带净负电的基团官能化的硅烷部分的比率在约0.25-约1.75范围内。在其它实施方案中，用带净正电的基团官能化的硅烷部分与用带净负电的基团官能化的硅烷部分的比率为约1。在这类实施方案中，所述壳可包含接近相等数目的使硅烷官能化的带净正电的基团和使硅烷官能化的带净负电的基团。在这类实施方案中，所述纳米颗粒可表现为中性颗粒。
在一个或多个实施方案中，除了使硅烷官能化的带净正电基团和带净负电基团以外，所述多个硅烷部分还可包含另一类型的使硅烷官能化的基团。在一个实施方案中，所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用中性基团官能化，这种中性基团的一个实例为烷基，尽管本领域技术人员应当理解存在许多可能的中性基团。在这类实施方案中，所述壳包含至少一个使硅烷官能化的带净正电基团、至少一个使硅烷官能化的带净负电基团和至少一个使硅烷官能化的中性基团的混合物。在一些实施方案中，使硅烷官能化的带电基团与使硅烷官能化的中性基团的比率在约0.01-约100范围内。在这类实施方案中，所述壳可包含多个使硅烷官能化的带正电基团、多个使硅烷官能化的带负电基团和两个或更多个使硅烷官能化的中性基团。使硅烷官能化的带净正电基团和使硅烷官能化的带净负电基团组合地形成使硅烷官能化的带电基团。在其它实施方案中，使硅烷官能化的带电基团与使硅烷官能化的中性基团的比率在约0.1-约20范围内。
在一个实施方案中，所有硅烷部分可为相同类型，即，仅单一类型的硅烷部分，所有带净正电的基团可为相同类型，即，仅单一类型的带净正电基团，以及所有带净负电的基团可为相同类型，即，仅单一类型的带净负电基团。在另一实施方案中，所述硅烷部分可相同，但所有带净正电基团或所有带净负电基团可不同。例如，所述壳可包含两种或更多种不同类型的使硅烷官能化的带净正电基团和两种或更多种不同类型的使硅烷官能化的带净负电基团。在一个实施方案中，所述壳可包含用第一类型的带净正电基团官能化的一种类型的硅烷部分和用第二类型的带净负电基团官能化的相同类型的硅烷部分。在另一实施方案中，所述壳可包含用第一类型的带正电基团官能化的多个一种类型的硅烷部分和用两种或更多种不同类型的带负电基团官能化的多个相同类型的硅烷部分，即，所述硅烷部分中的一些可用第二类型的带负电基团官能化且所述硅烷部分中的一些可用第三类型的带负电基团官能化。
本文使用的术语“带净正电的基团”是指单个带正电的基团、多个带正电的基团或使得组合的净电荷为正的多个带正电基团与带负电基团的组合。在一些实施方案中，带净正电的基团是指单个带正电的基团即一个带正电的基团，诸如质子化的伯胺或季烷基胺。在一些实施方案中，所述单个带正电的基团或所述多个带正电的基团还可含有一个或多个中性基团，诸如烷基或芳基。在一些实施方案中，所述带净正电的基团可由多个带正电的基团组成。在这类实施方案中，所述带正电的基团可相同或可不同。例如，在一些实施方案中，所述带净正电的基团包含多个质子化的嘧啶和多个质子化的仲胺。在某些其它实施方案中，所述带净正电的基团包含质子化的嘧啶、质子化的仲胺和季胺。在一些实施方案中，所述带净正电的基团可指多个带正电基团、多个带负电基团和任选的一个或多个中性基团的组合。在这类实施方案中，所述多个带正电基团与所述多个带负电基团以使得组合的净电荷为正的比率存在。在带净正电基团包括多个带正电基团、多个带负电基团和多个中性基团的实施方案中，所述带正电基团或所述带负电基团或所述中性基团可相同或不同。例如，所述带净正电的基团可包括多个质子化的咪唑、多个质子化的伯胺、多个去质子化的羧酸、多个去质子化的磺酸和多个烷基衍生物，条件是组合的净电荷为正。
类似地，“带净负电的基团”是指单个带负电的基团、多个带负电的基团或以使得组合的净电荷为负的比率的多个带正电基团与多个带负电基团的组合。在一些实施方案中，所述带净负电的基团是指单个带负电的基团即一个带负电的基团，诸如去质子化的羧酸或去质子化的亚磺酸。在一些实施方案中，所述单个带负电基团或所述多个带负电基团还可含有一个或多个中性基团，诸如烷基或芳基。在其它实施方案中，所述带净负电的基团可包含多个带负电的基团。在这类实施方案中，所述带负电的基团可相同或可不同。例如，在一个实施方案中，所述带净负电的基团可包括去质子化的磺酸、去质子化的膦酸和去质子化的羧酸。在某些其它实施方案中，所述带净负电的基团包括多个去质子化的磺酸或多个去质子化的膦酸。在一些实施方案中，所述带净负电的基团可指多个带正电基团、多个带负电基团和任选的一个或多个中性基团的组合。在带净负电基团包括多个带正电基团、多个带负电基团和多个中性基团的实施方案中，所述带正电基团或所述带负电基团或所述中性基团可相同或不同。例如，所述带净负电的基团可包括多个质子化的咪唑、多个质子化的伯胺、多个去质子化的羧酸、多个去质子化的磺酸和多个烷基衍生物，条件是组合的净电荷为负。
合适的带净正电基团的实例包括不限于质子化的伯胺、质子化的仲胺、质子化的叔烷基胺、质子化的脒、质子化的胍、质子化的吡啶、质子化的嘧啶、质子化的吡嗪、质子化的嘌呤、质子化的咪唑、质子化的吡咯、季烷基胺、季咪唑及其组合。合适的带净负电基团的实例包括不限于去质子化的羧酸、去质子化的磺酸、去质子化的亚磺酸、去质子化的膦酸、去质子化的磷酸、去质子化的次膦酸及其组合。
在一些实施方案中，“带净正电的基团”或“带净负电的基团”是指带正电基团或带负电基团的前体。在这类实施方案中，所述基团经历二级或后续化学反应以形成带正电基团或带负电基团。这类前体的实例在图2和图3中说明。
在一些实施方案中，所述多个硅烷部分的所述至少一个硅烷部分经间隔基团与所述带净正电的基团或所述带净负电的基团连接。在这类实施方案中，所述硅烷部分的硅原子经间隔基团与所述带正电的基团或所述带负电的基团连接。在另一实施方案中，所述硅烷部分各自经间隔基团与所述带净正电的基团和所述带净负电的基团连接。所述间隔基团可相同或不同。在一个或多个实施方案中，所述间隔基团选自烷基、芳基、取代的烷基和芳基、杂烷基、杂芳基、醚、酰胺、酯、氨基甲酸酯、脲、长度为1-10个碳原子的直链烷基及其组合。
在一些实施方案中，硅烷部分或使硅烷官能化的带净正电基团或带净负电基团可衍生自前体三烷氧基硅烷的水解产物。在一些实施方案中，所述前体三烷氧基硅烷选自(N，N-二甲基氨基丙基)三甲氧基硅烷、3-N-甲基氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N，N，N-三甲基氯化铵、3-(4，5-二氢咪唑-1-基)丙基三乙氧基硅烷及其组合。在另一实施方案中，所述前体三烷氧基硅烷选自2-(甲氧基羰基)乙基三甲氧基硅烷、乙酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基三甲氧基硅烷及其组合。
本发明的另一方面涉及诊断剂组合物。所述诊断剂组合物包含多个先前描述的纳米颗粒10。在一个实施方案中，所述诊断剂组合物还包含药学上可接受的载体和任选的一种或多种赋形剂。在一个实施方案中，所述药学上可接受的载体可基本为水。任选的赋形剂可例如包括盐、崩解剂、粘结剂、填料或润滑剂中的一种或多种。
在一个实施方案中，所述多个纳米颗粒可具有至多约50nm的中值粒度。在另一实施方案中，所述多个纳米颗粒可具有至多约10nm的中值粒度。在另一实施方案中，所述多个纳米颗粒可具有至多约6nm的中值粒度。小粒度在例如有助于从肾脏和其它器官中清除方面可为有利的。
本发明的一方面涉及制备多个纳米颗粒的方法。概括地讲，一种方法包括(a)提供核，和(b)在所述核上布置壳，其中所述壳包含多个硅烷部分。所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用带净正电的基团官能化且所述多个硅烷部分中的至少一个硅烷部分用带净负电的基团官能化。所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上。在一个实施方案中，所述至少一个硅烷部分用一个带正电的基团官能化且所述至少一个硅烷部分用一个带负电的基团官能化。
在一个或多个实施方案中，所述提供核的步骤包括提供第一前体材料，其中所述第一前体材料包含至少一种过渡金属。在一个实施方案中，第一前体材料可与有机酸反应以产生包含至少一种过渡金属的核。术语“反应”包括混合反应物且使其相互作用。在一个实施方案中，第一前体材料可分解以产生核。在另一实施方案中，第一前体材料可水解以产生核。在一个实施方案中，所述核可包含金属氧化物。所述金属氧化物核可在有机酸存在下水解金属醇盐时合成。所述金属醇盐可为烷醇钽，诸如五乙氧基钽。所述有机酸例如可为羧酸，诸如异丁酸。水解反应可在醇溶剂(诸如1-丙醇或甲醇)存在下进行。纳米颗粒合成方法在本领域中众所周知且用于制备适当材料的纳米颗粒核的任何合适方法都可适用于该方法中。
在一个或多个实施方案中，所述布置壳的步骤包括提供第二前体材料。在一个或多个实施方案中，所述第二前体材料包含硅烷部分或硅烷部分的前体。在一个或多个实施方案中，第二前体材料包含三烷氧基硅烷或三烷氧基硅烷的水解产物。在一个实施方案中，所述硅烷部分包含至少一个烷氧基。可使所述硅烷部分与所述核反应以形成包含硅烷部分的壳。在一个或多个实施方案中，将所述硅烷部分与所述核混合且使其反应。在一些实施方案中，所述硅烷部分的前体可在核存在下经历水解反应。在一些实施方案中，允许带净正电的基团与硅烷部分反应以形成使硅烷官能化的带净正电的基团。在带净正电基团与硅烷部分的反应期间，硅烷部分和带净正电基团都可经历化学改性。在一个或多个实施方案中，可允许带净负电的基团与硅烷部分反应以形成使硅烷官能化的带净负电的基团。在带净负电基团与硅烷部分的反应期间，硅烷部分和带净负电基团都可经历化学改性。
在一个或多个实施方案中，第二前体材料包含使硅烷官能化的带净正电的基团、使硅烷官能化的带净负电基团或用带净正电基团或带净负电基团的前体官能化的硅烷。在一些实施方案中，所述使硅烷官能化的带净正电的基团或使硅烷官能化的带净负电基团可在核存在下经历水解反应。
在一些实施方案中，所述硅烷部分可用至少一种带净正电或带净负电的基团或带净正电或带净负电基团的至少一种前体官能化。在硅烷部分用带净正电或带净负电基团的前体官能化的实施方案中，布置到核上的硅烷部分本质上可不带电，但随后可与适当试剂反应以使前体转化为带净正电或带净负电的基团。在一个或多个实施方案中，第二前体材料包括用带净正电或带净负电的基团官能化的硅烷或用带净正电或带净负电基团官能化的硅烷的前体，诸如一种或多种如上所述的前体三烷氧基硅烷。
在第二前体材料的硅烷部分用带净正电基团的至少一种前体官能化的实施方案中，所述前体可经历化学反应/转化以形成带净正电的基团。在这类实施方案中，转化步骤可在第二前体材料的硅烷部分已经布置在核上之后发生。在一些实施方案中，转化步骤可原位发生。转化步骤可包括在核存在下第二前体材料的官能化硅烷部分的质子化或烷基化。类似地，在第二前体材料的硅烷部分用带净负电基团的至少一种前体官能化的实施方案中，所述前体可经历化学反应/转化以形成带净负电的基团。在这类实施方案中，转化步骤可在第二前体材料的硅烷部分已经布置在核上之后发生。在一些实施方案中，转化步骤可原位发生。转化步骤可包括在核存在下第二前体材料的官能化硅烷部分的水解或氧化。
应当理解的是，各步骤的顺序和/或组合可以改变。因此，根据一些实施方案，步骤(a)和(b)可作为顺序步骤发生以由核和第二前体材料形成纳米颗粒。通过举例但不限制，在一些实施方案中，第一前体材料包含至少一种过渡金属，其中核包含所述至少一种过渡金属的氧化物；且步骤(a)还包括第一前体材料的水解。根据一些实施方案，第一前体材料为过渡金属的醇盐或卤化物，且水解过程包括在醇溶剂中组合第一前体材料与酸和水。在一些实施方案中，硅烷可包含可聚合的基团。聚合可经酸催化的缩聚进行。在一些其它实施方案中，硅烷部分可物理吸附到核上。在一些实施方案中，硅烷部分可用其它聚合物进一步官能化。所述聚合物可为水溶性且生物相容性的。在一个实施方案中，所述聚合物包括但不限于聚乙二醇(PEG)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚甲基丙烯酸酯、聚硫酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮或其组合。
在另一实施方案中，可使核与第二前体材料彼此接触。在一个实施方案中，第二前体材料可包含含硅物质，诸如有机官能三烷氧基硅烷或有机官能三烷氧基硅烷的混合物。所述有机官能三烷氧基硅烷中的至少一种可含有至少一个带净正电的基团或至少一个带净负电的基团或带净正电或带净负电基团的前体，使得各纳米颗粒可平均含有至少一个带净正电的基团和至少一个带净负电的基团或带净正电或带净负电基团的前体。在一个实施方案中，各纳米颗粒可平均含有多个使硅烷官能化的带净正电的基团和多个使硅烷官能化的带净负电的基团或使硅烷官能化的带净正电或带净负电的基团的前体。在其它实施方案中，所述核可用含有至少两个硅烷部分的混合物处理。在一个实施方案中，一种硅烷部分用带净正电的基团或带净正电基团的前体官能化且第二硅烷部分用带净负电的基团或带净负电基团的前体官能化。在另一实施方案中，一种硅烷部分用带净正电或带净负电的基团或带净正电或带净负电基团的前体官能化，且第二硅烷部分可能不是用任何带净正电或带净负电的基团官能化，而是用净中性基团官能化。带电的硅烷部分可同时或依次加入。在一些实施方案中，可将一个或多个使硅烷官能化的带净正电或带净负电的基团、或使硅烷官能化的带净正电或带净负电基团的前体同时或依次加到包含核、未官能化的硅烷部分或用中性基团官能化的硅烷部分的反应混合物中。
在一个实施方案中，可允许氧化钽核与硅烷(诸如甲氧基羰基乙基三甲氧基硅烷(CMETS)和二甲基氨基丙基三甲氧基硅烷)的混合物反应，以生成包括氧化钽核和包含至少一个使硅烷官能化的带净正电基团和至少一个使硅烷官能化的带净负电基团的前体的壳的纳米颗粒。随后在暴露于合适环境时使该前体转化为带负电的基团，本领域技术人员应理解，该环境的特征基于前体的同一性和其相关化学性质。该转化可原位或在从反应介质中分离出颗粒之后进行。
在一个实施方案中，所述方法还包括将所述多个纳米颗粒分级。该分级步骤可包括过滤所述多个纳米颗粒。在另一实施方案中，所述方法还可包括纯化所述多个纳米颗粒。所述纯化步骤可包括使用渗析、切向流过滤、渗滤或其组合。在另一实施方案中，所述方法还可包括分离纯化的纳米颗粒。
与上述实施方案中任一个相结合，一些实施方案涉及制备用于X射线/计算机断层摄影或MRI的诊断剂组合物的方法。所述诊断剂组合物包含多个纳米颗粒。在一些实施方案中，所述多个纳米颗粒的中值粒度可不超过约10nm、例如不超过约7nm，且在特定实施方案中，不超过约6nm。应当理解的是，根据一些实施方案，可选择所述多个纳米颗粒的粒度以提供可由哺乳动物肾脏(诸如人类肾脏)基本清除的纳米颗粒。
在一些实施方案中，本发明涉及使用包含多个如本文所述的纳米颗粒的诊断剂组合物的方法。在一些实施方案中，所述方法包括对受试者体内或体外施用诊断剂组合物且随后用X射线/CT或MRI装置生成所述受试者的图像，在一些情况下，所述受试者可为活的受试者，诸如哺乳动物。如上所述的纳米颗粒包括核和壳，其中所述壳包含至少一个使硅烷官能化的带净正电的基团和至少一个使硅烷官能化的带净负电的基团。所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上。在一个实施方案中，所述至少一个硅烷部分用一个带正电的基团官能化且所述至少一个硅烷部分用一个带负电的基团官能化。在一个实施方案中，所述核包含氧化钽。在另一实施方案中，所述核包含超顺磁氧化铁。纳米颗粒可通过多种已知方法引入受试者中。将纳米颗粒引入受试者中的非限制性实例包括静脉内施用、动脉内施用或口服、表皮应用或直接注射到肌肉、皮肤、腹膜腔或其它组织或身体隔室中。
在另一实施方案中，所述方法包括对受试者施用诊断剂组合物和用诊断装置使所述受试者成像。所述诊断装置使用成像方法，所述成像方法的实例包括但不限于MRI、光学成像、光学相干断层摄影、X射线、计算机断层摄影、正电子发射断层摄影或其组合。如上所述的诊断剂组合物包含多个纳米颗粒10。
在一个实施方案中，使用诊断造影剂的如上所述的方法包括用诊断装置监测诊断剂组合物向受试者的递送和诊断所述受试者，在该方法中，可通常与医学诊断成像设备的常用操作相一致地搜集并分析数据。所述诊断剂组合物可为X射线或CT造影剂，例如包含氧化钽核的组合物。所述诊断剂组合物可提供约100斯菲耳德单位-约5000斯菲耳德单位的CT信号。在另一实例中，所述诊断剂组合物可为MRI造影剂，诸如包含超顺磁氧化铁核的试剂。
本发明的一个实施方案提供确定本文所述的纳米颗粒10(诸如具有氧化钽或氧化铁核的纳米颗粒)在受试者体内分布的程度的方法。所述受试者可为哺乳动物或包括组织样品或细胞的生物材料。所述方法可为体内或体外方法。纳米颗粒可通过多种已知方法引入受试者中。将纳米颗粒引入受试者中的非限制性实例包括任何如上所述的已知方法。在一个实施方案中，所述方法包括(a)将纳米颗粒引入受试者中，和(b)确定所述纳米颗粒在所述受试者中的分布。纳米颗粒在受试者内的分布可使用诸如先前提到的那些技术的诊断成像技术来确定。或者，纳米颗粒在生物材料中的分布可通过元素分析确定。在一个实施方案中，可使用感应耦合等离子体质谱分析(ICP-MS)来确定生物材料中纳米颗粒组分的浓度/量。
包括以下实施例以说明本发明的特定实施方案。本领域技术人员应了解在随后的实施例中公开的方法仅代表本发明的示例性实施方案。然而，根据本发明，本领域技术人员应了解可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对所述的具体实施方案进行许多改变且仍获得相似或类似的结果。
实施例
从以下实施例中将更加透彻地理解本发明的实施，所述实施例在本文中仅以说明的方式提供且决不应该将其视为限制本发明。
在实施例部分中使用的缩写如下阐述：“mg”：毫克；“mL”：毫升；“mg/mL”：毫克/毫升；“mol”：毫摩尔；“μL”和“μLs”：微升；“LC”：液相色谱；“DLS”：动态光散射；“DI”：去离子水；“ICP”：感应耦合等离子体。
除非另作说明，否则所有试剂级的化学品都按接收时原样使用，且在所有水溶液的制备中使用Milli-Q水。
合成氧化钽纳米颗粒且使其与2-(甲氧基羰基)乙基三甲氧基硅烷和3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基-N，N，N-三甲基氯化铵反应以在氧化钽纳米颗粒核上形成壳。
在室温下在氮气下在手套箱中向在2L烧瓶中的680mL无水甲醇(Aldrich SureSeal)中加入10mL异丁酸和2.78mL氧化氘。将该混合物搅拌40分钟，之后以逐滴方式加入乙氧基钽(37.36g)。该添加持续约15-20分钟。允许搅拌水解反应5小时，之后将烧瓶从手套箱中移出且使用Schlenck-/带真空歧管使其为惰性。随后将包含2-(甲氧基羰基)乙基三甲氧基硅烷(19.16g)和3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基-N，N，N-三甲基氯化铵(47.44g，其作为约50％的甲醇溶液销售)的三甲氧基硅烷混合物尽快直接加到所述2L反应容器中。使混合物在氮气下回流过夜。次日，在继续搅拌下将反应混合物冷却到室温且逐滴加入6mL 0.15M氢氧化铵。3小时后，逐滴加入60mL Milli-Q水且在室温下将反应混合物搅拌过夜。接着，在搅拌下逐滴加入360mL 0.67M HCl且将反应加热到50℃持续5.5-6小时(pH 1-2)。在冷却时，将反应物使用5.92M氢氧化铵中和以获得7.5-8的pH。为了使甲酯水解为羧酸基团，通过在50℃下旋转蒸发除去所有挥发物且将残余固体用250mL 5M氢氧化铵溶液处理3天，同时在室温下搅拌在该2L容器(盖住)中的内含物。随后使用3M HCl使水解反应物达到pH 8以中和所有氢氧化物。批料的纯化包括经0.45微米过滤器过滤，接着使用切向流过滤(TFF)方法分级。为了分级，使批料穿过50kDa膜，使所得渗透液经受5kDa渗滤。50kDa过滤使用由聚醚砜(PES)制成的0.1m2截止分子量为50kDa的膜进行。将来自烧瓶的批料加到TFF储器中且将烧瓶用200mL 0.5M NaCl漂洗两次，将各洗涤液加到储器中。在向储器中连续加入/馈送16L 0.5M NaCl并收集所有渗透液之后，将批料浓缩到约1.5L且随后另外用2L水洗涤。接着，用5kDa再生纤维素(RC)膜(0.3m2)将收集的全部体积的50kDa渗透液渗滤。在储器中浓缩产物且使用18L水来洗涤保留物。最终产物(在图4中示意性说明)为具有氧化钽核和硅烷壳的标称5纳米尺寸的纳米颗粒，所述壳包含标称等量的用季胺官能化的硅烷部分和用羧酸官能化的硅烷部分。
表征：DLS：Z(eff)4.8nm；Si/Ta摩尔比：1.52(ICP：32.5mg Ta/g和7.75mg Si/g)；产率(基于Ta的重量计算)：78％；1HNMR(ppm)：0.62(来自三甲基铵硅烷的亚甲基)，0.83(来自羧乙基硅烷的亚甲基)，1.89(来自三甲基铵硅烷的亚甲基)，2.23-2.35(来自羧乙基硅烷的宽峰)，3.09(三甲基铵硅烷的N-甲基)，3.3(来自三甲基铵硅烷的亚甲基)。
合成氧化铁纳米颗粒且使其与2-(甲氧基羰基)乙基三甲氧基硅烷和二甲基氨基丙基-三甲氧基硅烷反应以在氧化铁纳米颗粒核上形成壳。
向100mL三颈烧瓶中装入10mL无水苄醇和353mg(1mmol)Fe(acac)3，且通过N2鼓泡5分钟使混合物脱气。将反应混合物密封且加热到170℃持续4小时。将混合物冷却到室温，加入75mL四氢呋喃，接着加入521mg(2.5当量)甲氧基羰基乙基三甲氧基硅烷(CMETS)和518mg(2.5当量)二甲基氨基丙基-三甲氧基硅烷(DMAPS)。将混合物转移到压力容器中且在50℃下加热2小时，冷却且加入18mL异丙醇和30mL浓氢氧化铵。将混合物密封且加热到50℃持续16小时。将混合物冷却且将下面的水层分离并用20mL己烷洗涤两次。残留的己烷和四氢呋喃通过旋转蒸发除去，且剩余的物质使用10,000MW再生纤维素渗析管用水渗析，产生如通过动态光散射测定具有12nm的粒度的颗粒的水溶液。最终产物为具有氧化铁核和硅烷壳的标称12纳米尺寸的纳米颗粒，所述壳包含标称等量的用季胺官能化的硅烷部分和用羧酸官能化的硅烷部分。
纳米颗粒生物分布研究
体内研究用体重大小范围为150-500克的雄性Lewis大鼠进行。将大鼠放在标准房舍中，随意进食进水且12小时日夜光照循环。用于生物分布的所有动物未经其它方式处理的正常受试者。
具有氧化钽核的纳米颗粒作为在水或盐水中的过滤器杀菌的溶液施用。施用是在异氟烷麻醉(4％诱发，2％维持)下经插入侧尾静脉中的26G导管进行。注射量基于纳米颗粒在注射流(injectate)中的浓度和大鼠的大小确定，但通常小于啮齿动物血量的10％。目标剂量为100mg核金属(例如钽)/千克体重。一旦注射，则使动物脱离麻醉且在观察副作用一段时间之后，使其回到正常房舍中。在短至几分钟到长达6个月的随后时期，使大鼠安乐死且收获目标器官，称重并通过ICP分析来分析其金属(例如钽)总含量。连同器官一起，提交所注射材料的样品以确定注射流的精确浓度。这些组合的数据确定在目标组织中保留的所注射剂量的百分数(“％ID”)。这些数据记录为％ID/器官或％ID/克组织。实验通常在各时间点一式四份用大鼠进行，确定实验误差(±标准偏差)。
表1.在IV注射之后在1周时在主要清除器官中具有不带电基团(PHS)和使硅烷官能化的带正电和带负电基团(PMZ和mPMZ)的分级纳米颗粒的生物分布。
每个器官中保留的钽的量在表1中表示为所注射剂量的分数。与所实验的涂有PMZ的纳米颗粒中的任一种相比，大小相当的涂有PHS的纳米颗粒以高得多的水平(多一个数量级)保留。
类似地，当制备超顺磁氧化铁(SPIO)颗粒且用PHS或PMZ涂料涂覆时，涂有PMZ的颗粒显示出减少的组织保留。合成这类颗粒且将其施用到大鼠，随后使其在注射后随时间通过磁共振成像图像。由于PMZ-SPIO而在肝脏中观察到的MR信号的量明显小于对于PHS-SPIO观察到的MR信号的量。该结果表明本文所述的颗粒涂料可用在不同颗粒核上以实现相同的所需结果。
虽然在本文中仅说明并描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，随附权利要求书将涵盖所有这类属于本发明的真实精神内的修改和变化。

Claims (1)

1.纳米颗粒，其包括核和壳，
所述核包含过渡金属或超顺磁材料；
所述壳包含多个硅烷部分，其中至少一个硅烷部分用带净正电的基团官能化且至少一个硅烷部分用带净负电的基团官能化，所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上；
其中用所述带净正电的基团官能化的所述硅烷部分与用所述带净负电的基团官能化的所述硅烷部分的比率在0.25-1.75范围内；
其中所述纳米颗粒具有至多50nm的粒度。
2. 权利要求1的纳米颗粒，其中所述核包含过渡金属。
3. 权利要求1的纳米颗粒，其中所述核包含氧化钽。
4. 权利要求1的纳米颗粒，其中用所述带净正电的基团或用所述带净负电的基团官能化的所述至少一个硅烷部分包含前体三烷氧基硅烷的水解产物。
5. 组合物，其包含多个纳米颗粒，其中至少一个纳米颗粒为权利要求1的纳米颗粒。
6. 组合物，其包含：
纳米颗粒，其包含核和壳，
其中所述核包含氧化钽，且所述壳包含多个硅烷部分；
其中至少一个硅烷部分用带净正电的基团官能化且至少一个硅烷部分用带净负电的基团官能化，且所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上；且
其中所述纳米颗粒具有至多6nm的粒度；且
其中用所述带净正电的基团官能化的所述硅烷部分与用所述带净负电的基团官能化的所述硅烷部分的比率在0.25-1.75范围内。
7. 组合物，其包含：
纳米颗粒，其包含核和壳，
其中所述核包含超顺磁氧化铁，且所述壳包含多个硅烷部分，
其中至少一个硅烷部分用带净正电的基团官能化且至少一个硅烷部分用带净负电的基团官能化；且所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上；且
其中所述纳米颗粒具有至多50nm的粒度；且
其中用所述带净正电的基团官能化的所述硅烷部分与用所述带净负电的基团官能化的所述硅烷部分的比率在0.25-1.75范围内。
8. 用作诊断剂组合物的权利要求书5-7中任一项的组合物。
9. 制备多个纳米颗粒的方法，所述方法包括：
a. 提供核，所述核包含过渡金属或超顺磁材料；和
b. 在所述核上布置壳，其中所述壳包含多个硅烷部分，其中至少一个硅烷部分用带净正电的基团官能化，至少一个硅烷部分用带净负电的基团官能化，所述带净正电的基团和所述带净负电的基团位于不同的硅烷部分上；
其中用所述带净正电的基团官能化的所述硅烷部分与用所述带净负电的基团官能化的所述硅烷部分的比率在0.25-1.75范围内；
其中所述纳米颗粒具有至多50nm的粒度。
10. 权利要求9的方法，其中所述核包含氧化钽。
11. 权利要求9的方法，其中提供所述核包括提供第一前体材料，其中所述第一前体材料包含至少一种过渡金属。
12. 权利要求9的方法，其中布置所述壳包括提供第二前体材料且使所述第二前体材料与所述核反应。
13. 权利要求5的组合物用于制备诊断剂的用途，所述诊断剂用于施用于受试者和用诊断装置使所述受试者成像。
14. 权利要求6的组合物用于制备诊断剂的用途，所述诊断剂用于施用于受试者和用X射线装置使所述受试者成像。
15. 权利要求7的组合物用于制备诊断剂的用途，所述诊断剂用于施用于受试者和用磁共振成像装置使所述受试者成像。
16. 权利要求1的纳米颗粒用于制造用作诊断剂的诊断剂组合物的用途。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2887969B1 (en) * 2012-08-23 2018-08-01 General Electric Company Nanoparticulate compositions for diagnostic imaging
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US20190001001A1 (en) * 2017-07-03 2019-01-03 General Electric Company Drug design for application-dependent payload, controlled pharmacokinetic distribution, and renal clearance

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005107818A2 (en) * 2004-04-30 2005-11-17 University Of Florida Nanoparticles and their use for multifunctional bioimaging

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070122620A1 (en) * 2005-11-02 2007-05-31 General Electric Company Nanoparticle-based imaging agents for x-ray / computed tomography and methods for making same
US20070140974A1 (en) * 2005-12-15 2007-06-21 General Electric Company Targeted nanoparticles for magnetic resonance imaging
JP2007269770A (ja) * 2006-03-09 2007-10-18 Mitsubishi Chemicals Corp 機能性磁気超ナノ微粒子及びその用途
US10087082B2 (en) * 2006-06-06 2018-10-02 Florida State University Research Foundation, Inc. Stabilized silica colloid
WO2009078924A2 (en) * 2007-12-06 2009-06-25 The Regents Of The University Of California Mesoporous silica nanoparticles for biomedical applications

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005107818A2 (en) * 2004-04-30 2005-11-17 University Of Florida Nanoparticles and their use for multifunctional bioimaging

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