CN102881398B - 一种多聚氨基酸包覆的纳米磁流体复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种多聚氨基酸包覆的纳米磁流体复合材料及其制备方法，属于磁流体技术领域。在磁性纳米颗粒四氧化三铁表面包覆聚天冬氨酸，是由聚琥珀酰亚胺水解得到的聚天冬氨酸，其中部分羧基与纳米颗粒四氧化三铁进行偶联，部分游离羧基在颗粒外。将分子量为6000的聚琥珀酰亚胺与氢氧化钠溶液的混合液与FeCl3和Fe(NH4)2(SO4)2反应在Teflon反应釜中一锅反应，然后分离、洗涤即可得到。本方法合成的材料具有结晶性好、磁性强、高的T2加权信号响应。
Description
技术领域
本发明涉及一种多聚氨基酸包覆的四氧化三铁纳米磁流体复合材料及其制备方法，属于磁流体技术领域，特别涉及医药应用。
技术背景
纳米材料是指尺寸在1-100nm之间的纳米颗粒。且具有一些不同于常规物体的特殊效应，如小尺寸效应，表面效应，量子尺寸效应，宏观量子轨道效应。磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1-100nm量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。
当铁磁质多磁畴结晶粒子的体积减小至单一磁畴粒子时，会产生特殊磁学特性：超顺磁性。无外磁场时，单磁畴粒子的磁矩有不同的方向，因而总体上不具有磁性；当有外磁场时，超顺磁质内磁畴的磁矩与外磁场方向一致。超顺磁体的磁化曲线与铁磁体不同，没有磁滞现象。当去掉外磁场后，剩磁很快消失。
超顺磁性的Fe3O4和γ-Fe2O3因为好的生物相容性和无毒性而吸引了科研工作者的兴趣成为研究的热点。然而，这些材料由于水溶性的限制不能直接进行生物应用。因此，对这些磁性材料进行表面修饰而使其进行直接生物应用是目前研究的重点。磁性纳米材料的生物应用包括组织修复，免疫分析，磁分离富集，磁靶向药物运输，磁共振成像和肿瘤的磁流体过热治疗等。这些生物应用都要求纳米颗粒粒径介于1-100nm，并且粒径分布足够窄；另外还要求包覆在纳米四氧化三铁颗粒表面的表面活性剂必须是无毒的、生物相容性优良的，而且能够靶向输送到特定区域。这样表面功能化的磁性颗粒才能同药物、蛋白质、酶、抗体或核酸等特异性结合，进而在外磁场作用下同器官、组织、肿瘤发生作用而达到检测或者治疗的目的。
近年来，关于四氧化三铁纳米颗粒的合成和表面修饰的报道相当多。用油酸或者油胺为表面活性剂热分解得到颗粒均匀的磁性纳米颗粒（D.S.Wang andY.D.Li,Chem.-Eur.J.,2008,14,2507-2513；），但所得到的纳米颗粒疏水性限制了其生物应用。因此在磁性纳米颗粒表面进行表面修饰如配体交换法（Z.B.Zhuang,Q.Peng and Y.D.Li,J.Am.Chem.Soc.,2010,132,1819-1821；Y.T.Lim,ACS Nano,2011,5,8230-8240.），表面高分子包覆法（J.D.Kim,J.Mater.Chem.,2009,19,4566-4574；X.Y.Chen,Nanoscale,2011,3,4943-4945.），SiO2修饰法（J.P.Ge and Y.D.Yin,J.Am.Chem.Soc.,2009,131,3484-3486.）。这些方法都可以得到水溶性的磁性纳米颗粒，但是简单快捷地制备亲水性好、生物相容性强、可生物偶联、尤其是多聚氨基酸包覆的、磁性强、具有高的T2加权核磁共振信号的磁性纳米颗粒的方法未见报道。
因此发展新的合成方法，制备出颗粒尺寸分布窄、结晶性好、磁性强、无毒的、高的T2加权核磁共振信号的四氧化三铁超顺磁性纳米材料，进而探索纳米材料尺寸，表面性质，结构与功能的关系，从而引导我们去获得特定尺寸功能的四氧化三铁磁性纳米材料，这对最终实现纳米材料在实际中的运用具有重要的指导意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种多聚氨基酸包覆的四氧化三铁纳米磁流体复合材料及其制备方法。使用本方法合成所需尺寸、结晶性好、磁性强、高的T2加权信号响应的磁性纳米颗粒，这一颗粒由于由多聚氨基酸包覆，可以预测该颗粒为具有生物相容性良好、生物可降解性强并可提供进一步生物偶联基团的磁流体，这一超顺磁性材料可在生物医学领域，尤其作为磁共振成像造影剂，具有可预见的广阔的应用前景。
本发明的一种多聚氨基酸包覆的纳米磁流体复合材料，其特征在于，该复合材料为在磁性纳米颗粒四氧化三铁表面包覆聚天冬氨酸，是由聚琥珀酰亚胺水解得到的聚天冬氨酸，其中部分羧基与纳米颗粒四氧化三铁进行偶联，部分游离羧基在颗粒外，使得纳米粒子在水溶液中长久稳定不沉淀。复合材料颗粒粒径在10-13nm范围。
包含上述四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的整体具有磁性的水溶液分散体，将此纳米磁流体复合材料分散在去离子水中，其中每0.5mmol四氧化三铁对应5-10ml去离子水。
制备上述多聚氨基酸包覆的纳米磁流体复合材料的方法，其特征在于，在水热条件下纳米颗粒的制备与表面功能化修饰是在反应过程中一步完成，包括以下步骤：
（1）将分子量为6000的固体粉末聚琥珀酰亚胺于Teflon反应釜中；
（2）将NaOH固体粉末溶于去离子水中，待NaOH完全溶解后倒入步骤（1）的Teflon反应釜中，搅拌混合使其完全溶解，其中聚琥珀酰亚胺质量：NaOH质量：水体积为0.2-1.0g：0.1-1.0g：10-30ml；
（3）将FeCl3·6H2O和Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O加入去离子水中，其中Fe(NH4)2(SO4)2的物质的量是FeCl3的2倍，搅拌溶解后与步骤（2）所得溶液混合，继续搅拌5-15分钟，此过程中FeCl3·6H2O：Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O：聚琥珀酰亚胺0.5mM:1mM：0.2-1.0g（优选FeCl3·6H2O：Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O：聚琥珀酰亚胺的质量比为0.7：1.95:1）；以不锈钢套密封Teflon反应釜，100-200℃下反应2-20小时；
（4）冷却后弃上清液，磁分离收集下层固体，再用水溶解，加乙醇沉淀离心洗涤2-5次；即得多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料。
所述的多聚氨基酸为聚天冬氨酸,由聚琥珀酰亚胺水解得到,含有大量的羧基。
本发明的方法是在水热条件下进行的一步反应过程，制得一种多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料。本发明的磁性纳米颗粒表面包覆的多聚氨基酸，是由聚琥珀酰亚胺水解得到的聚天冬氨酸含有大量的羧基，部分羧基与纳米颗粒进行偶联，部分游离在颗粒外，使得纳米粒子在水溶液中可长久稳定不沉淀。本发明得到的超顺磁性纳米颗粒粒径可在10-13nm范围分布均匀，颗粒结晶性好、磁性强、具有高的T2加权信号响应，能在水中长期稳定不沉淀，亲水性强；由于表面包覆聚天冬氨酸，可以预测其生物相容性极好且可生物降解，在生物磁分离、医学诊断，尤其是作为核磁共振成像造影剂具有重要的应用意义，并且合成成本相对低廉,步骤简单。
纳米颗粒磁性强，饱和磁化率高（54.5emu/g，160℃）。尤其是其能有效缩短水氢质子横向弛豫时间T2，具有高的T2加权核磁共振信号响应（r2=302s-1mM-1，150℃），是市售四氧化三铁核磁共振成像对比剂Feridex（r2=120s-1mM-1）和Resovist（189s-1mM-1）的1.6-2.5倍，适合生物医学应用。
纳米颗粒的制备与表面功能化修饰是在反应过程中一步完成的，即一锅合成，方法简便，快捷，所用溶剂为水，经济、环保。反应温度在100-200℃范围内可调，温度较普通共沉淀法（多数低于80℃）要高，所得颗粒的结晶性好，纳米颗粒磁性强，饱和磁化率高，易于磁分离富集。所得颗粒尺寸小（10纳米左右）、均匀，无需像普通共沉淀法那样通过过滤分离筛选尺寸相对均匀的颗粒，此方法的所有颗粒尺寸相当，可全部收为产品，因而产量高，无资源浪费情况；10纳米也是在生物体内应用的最佳纳米颗粒尺寸；所述的聚氨基酸为聚天冬氨酸，由聚琥珀酰亚胺水解得到，含有大量的羧基，便于生物和化学偶联；纳米颗粒表面包覆材料为多聚氨基酸，生物相容性好，无生物毒性，可生物降解，便于生物医学应用；由于无机颗粒表面包覆有大量多聚氨基酸，纳米颗粒在水中稳定强，长期稳定无沉淀，在磁场引导下作定向运动而不聚集，呈磁流体特性，便于生物体内应用。
附图说明
图1：实施例1制得的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料水溶液的分散体在磁场作用下状态（左）和撤走磁场后状态（右）。
图2：实施例1制得的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的投射电镜图。
图3：实施例2制得的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的投射电镜图。
图4：实施例3制得的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的投射电镜图。
图5：实施例1制得的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的粒径分布图。
图6：实施例2制得的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的粒径分布图。
图7：实施例3制得的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的粒径分布图。
图8：1,2,3（在图上指出1、2、3）分别为实施例1、2、3得到的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的X射线粉末衍射图。
图9:红外图谱：(a)聚天冬氨酸；（b）四氧化三铁；（c）实施例3得到的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料。
图10:实施例3得到的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的饱和磁化率。
图11:实施例2得到的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的横向弛豫率。
具体实施方式
实施例1
a.称取0.2g分子量为6000的固体粉末聚琥珀酰亚胺于Teflon反应釜中；
b.将0.25g NaOH固体粉末溶于25ml去离子水中，待NaOH完全溶解后倒入步骤a的Teflon反应釜中，搅拌混合使其完全溶解；
c．将0.14g FeCl3·6H2O（0.5mmol）和0.39g Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O（1mmol）加入10ml去离子水中，搅拌溶解后与步骤b所得溶液混合，继续搅拌5-15分钟；以不锈钢套密封Teflon反应釜，140℃下反应2小时；
d.冷却后弃上清液，磁分离收集下层固体，再用水溶解，加乙醇沉淀离心洗涤2-5次，最后将产物稳定分散在5-10ml去离子水中，即得多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料。
实施例2
a.称取0.2g分子量为6000的固体粉末聚琥珀酰亚胺于Teflon反应釜中；
b.将0.25g NaOH固体粉末溶于25ml去离子水中，待NaOH完全溶解后倒入步骤a的Teflon反应釜中，搅拌混合使其完全溶解；
c．将0.14g FeCl3·6H2O（0.5mmol）和0.39g Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O（1mmol）加入10ml去离子水中，搅拌溶解后与步骤b所得溶液混合，继续搅拌5-15分钟；以不锈钢套密封Teflon反应釜，150℃下反应2小时；
d.冷却后弃上清液，磁分离收集下层固体，再用水溶解，加乙醇沉淀离心洗涤2-5次，最后将产物稳定分散在5-10ml去离子水中，即得多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料。
实施例3
a.称取0.2g分子量为6000的固体粉末聚琥珀酰亚胺于Teflon反应釜中；
b.将0.25g NaOH固体粉末溶于25ml去离子水中，待NaOH完全溶解后倒入步骤a的Teflon反应釜中，搅拌混合使其完全溶解；
c．将0.14g FeCl3·6H2O（0.5mmol）和0.39g Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O（1mmol）加入10ml去离子水中，搅拌溶解后与步骤b所得溶液混合，继续搅拌5-15分钟；以不锈钢套密封Teflon反应釜，160℃下反应2小时；
d.冷却后弃上清液，磁分离收集下层固体，再用水溶解，加乙醇沉淀离心洗涤2-5次，最后将产物稳定分散在5-10ml去离子水中，即得多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料。
实施例1制得的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料水溶液的分散体在磁场作用下状态（左）和撤走磁场后状态（右），见图1，在磁场状态下时，水溶液的分散体整体作定向运动，这完全不同于其他的分散体，其他分散体中的四氧化三铁磁性纳米颗粒定向运动而水却不移动。
实施例1-3制得的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的投射电镜图见图2-4。
实施例1-3制得的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的粒径分布图见5-7。
实施例1-3得到的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的X射线粉末衍射图分别见图8中的1,、2、3。
聚天冬氨酸、四氧化三铁及实施例3得到的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料红外图谱见图9。
实施例3得到的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的饱和磁化率见图10。
实施例2得到的多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料的横向弛豫率见11。
水解聚琥珀酰亚胺得到的聚天冬氨酸有大量便于生物和化学偶联的羧基，一部分直接键合在纳米颗粒表面，另一部分游离在纳米颗粒外，大大增加其在水中的分散性和稳定性，在磁场引导下作定向运动而不聚集，呈磁流体特性。三种条件下制得的聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料，其中四氧化三铁纳米颗粒的直径约为10nm，是生物体内应用的最佳尺寸且颗粒呈单晶分布；纳米颗粒能有效缩短水氢质子横向弛豫时间T2，具有高的T2加权核磁共振信号（r2=302s-1mM-1，150℃），是市售进口四氧化三铁核磁共振成像对比剂Feridex（r2=120s-1mM-1）和Resovist（189s-1mM-1）的1.6-2.5倍，适合生物医学应用。
Claims (2)
1.一种多聚氨基酸包覆的纳米磁流体复合材料的制备方法，该复合材料为在磁性纳米颗粒四氧化三铁表面包覆聚天冬氨酸，是由聚琥珀酰亚胺水解得到的聚天冬氨酸，其中部分羧基与纳米颗粒四氧化三铁进行偶联，部分游离羧基在颗粒外，复合材料颗粒粒径在10-13nm范围，其特征在于，在水热条件下纳米颗粒的制备与表面功能化修饰是在反应过程中一步完成，包括以下步骤：
(1)将分子量为6000的固体粉末聚琥珀酰亚胺于Teflon反应釜中；
(2)将NaOH固体粉末溶于去离子水中，待NaOH完全溶解后倒入步骤(1)的Teflon反应釜中，搅拌混合使其完全溶解，其中聚琥珀酰亚胺质量：NaOH质量：水体积为0.2-1.0g：0.1-1.0g：10-30ml；
(3)将FeCl3·6H2O和Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O加入去离子水中，其中Fe(NH4)2(SO4)2的物质的量是FeCl3的2倍，搅拌溶解后与步骤(2)所得溶液混合，继续搅拌5-15分钟，此过程中FeCl3·6H2O：Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O：聚琥珀酰亚胺0.5mmol:1mmol：0.2-1.0g；以不锈钢套密封Teflon反应釜，100-200℃下反应2-20小时；
(4)冷却后弃上清液，磁分离收集下层固体，再用水溶解，加乙醇沉淀离心洗涤2-5次；即得多聚氨基酸包覆的四氧化三铁磁性纳米颗粒复合材料。
2.一种多聚氨基酸包覆的纳米磁流体复合材料的整体具有磁性的水溶液分散体，其特征在于，将按照权利要求1的方法得到的多聚氨基酸包覆的纳米磁流体复合材料分散在去离子水中，其中每0.5mmol四氧化三铁对应5-10ml去离子水。
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