CN103446595A - 基于纳米硫化铋的用于ct和荧光双模式成像的多功能探针 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针，它由纳米二氧化硅包裹的纳米硫化铋和油溶性的CdSe/ZnS量子点构成，本发明选择纳米硫化铋作为CT造影剂部分，油溶性的量子点CdSe/ZnS作为光学探针部分。首先以反相微乳液法合成的硫化铋为核，在该体系中加入油溶性的量子点CdSe/ZnS，利用正硅酸四乙酯水解成SiO2，将纳米硫化铋与油溶性的量子点CdSe/ZnS包覆在形成的纳米SiO2中，得到大小均一、稳定性好、生物相容性高的能用于CT和荧光双模式成像的多功能探针，该双模式成像多功能探针利用CT造影剂可对深部组织准确定位的特点，弥补了光学分子成像不足的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于生物与医学纳米技术和材料科学领域，涉及CT和荧光造影剂，具体涉及CT和荧光双模式成像的多功能探针及其制备方法。
背景技术
近年来，医学影像方法，如：CT，MRI，X射线成像以及超声成像在临床医学和相关领域研究与应用中起到了重要的作用，与此同时，光学成像技术因其高灵敏度、超快速响应、高空间分辨率、多参量检测和低损伤等优点，受到越来越多的关注。由于各种成像方法因其各自不同的成像原理，具有不同的成像优缺点，任何单一成像技术均不能满足对复杂疾病的全面完整的诊断，因此产生了双模式甚至多模式成像的纳米技术平台，催生了多模式造影剂的形成，从而达到同种造影剂可用于不同种的成像技术，实现多种成像技术的优势互补。
目前，CT成像的造影剂一般采用碘造影剂和纳米金，其中低分子量的碘造影剂会被肾脏快速清除，造成体内循环时间短，从而影响它的造影效果；而纳米金的制备和功能化相对简单，并且显示出作为优良的CT造影剂的潜力，但是由于纳米金对大多数荧光物质(荧光染料和量子点)都具有很高的淬灭效率，因此使得纳米金作为CT和荧光造影剂的可行性降低。铋具有较高的X射线吸收系数，纳米硫化铋是研究价值相对较高的一种造影剂。
单一成像造影剂只能用于相对应的影像设备而造成的诊断信息不全面和不精确。CT和荧光成像技术单独使用时存在空间分辨率不高和成像深度受限，造成复杂疾病的检测信息不全不准确，同一部位的检测信息不同步，即CT造影剂与光学成像试剂因各自性质不同和在体内循环时间不同，而造成的CT和光学成像时间各异，得到的诊断信息不全面，比如：某时刻，CT成像造影的部位是脾脏，而此时光学成像试剂显现的是肝脏，待到光学成像显示的部位为脾脏时，先前CT成像脾脏部位的造影时机早已错过，而现有的CT造影剂与光学成像试剂结合存在有CT值低等问题。因此，急需一种可用于CT和荧光双模式成像的多功能探针，即将CT与光学成像试剂结合在一起形成CT-荧光双模式成像造影剂，以增强CT造影效果，并可用于对患者进行CT和荧光双模式成像造影，实现对患者深部组织的准确定位与诊断。
发明内容
本发明的任务是提供一种基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针，以弥补了单一模式成像造影剂对疾病诊断不全面不精确的不足，实现对患者深部组织的准确定位与诊断，并使其具有能提高CT值和提高造影效果等特点。
本发明的又一个任务是提供这种基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针的制备方法。
实现本发明的技术方案是：
本发明提供的基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针，由纳米二氧化硅包裹的纳米硫化铋和油溶性的CdSe/ZnS量子点构成，纳米硫化铋的粒径大小为4-6nm，油溶性的CdSe/ZnS量子点的发射波长为500-700nm，所述的纳米硫化铋按以下方法制备得到：
(1)将聚乙二醇叔辛基苯基醚、正己醇和环己烷以体积比1∶1∶4-1∶1∶5搅拌混合均匀得到作为油相的混合液；将柠檬酸铋和硫化钠分别在纯水中溶解，分别得到作为水相的柠檬酸铋溶液和硫化钠溶液，两种溶液的浓度比为2∶3；
(2)将作为水相的柠檬酸铋溶液1-1.5mM加入到步骤(1)得到的作为油相的混合液中，搅拌10-30min，得到反相微乳液I；将作为水相的硫化钠溶液1-2.0mM加入步骤(1)得到的作为油相的混合液中，搅拌10-30min，得到反相微乳液II，；将反相微乳液I和反相微乳液II混合，搅拌60-120min，得到含纳米硫化铋的反相微乳液，该反相微乳液的乳滴粒径为10-100nm。
本发明提供的基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将聚乙二醇叔辛基苯基醚、正己醇和环己烷以体积比1∶1∶4-1∶1∶5搅拌混合均匀得到作为油相的混合液；将柠檬酸铋和硫化钠分别在纯水中溶解，分别得到作为水相的柠檬酸铋溶液和硫化钠溶液，两种溶液的浓度比为2∶3；
步骤二：将作为水相的柠檬酸铋溶液1-1.5mM加入到步骤(1)得到的作为油相的混合液中，搅拌10-30min，得到反相微乳液I；将作为水相的硫化钠溶液1-2.0mM加入步骤(1)得到的作为油相的混合液中，搅拌10-30min，得到反相微乳液II，；将反相微乳液I和反相微乳液II混合，搅拌60-120min，得到含纳米硫化铋的反相微乳液；
步骤三：在含纳米硫化铋的反相微乳液中加入油溶性的CdSe/ZnS量子点CdSe/ZnS量子点与聚乙二醇叔辛基苯基醚的体积比为1∶12～1∶18，搅拌25-35min，加入正硅酸四乙酯，正硅酸四乙酯与聚乙二醇叔辛基苯基醚的体积比为1∶17～1∶18，搅拌10-30min，加入氨水，氨水与正硅酸四乙酯的体积比为1∶2～1∶2.6，搅拌，23～25h后加入硅烷化试剂，硅烷化试剂与正硅酸四乙酯的体积比为1∶10～1∶12，继续搅拌23～25h后加入乙醇破乳，搅拌后离心分离，分离后的沉淀物用超声仪超声分散在纯水中，得到淡褐色澄清透明的基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针。
在上述制备方法中，所述的纳米硫化铋的粒径大小为4-6nm；所述的油溶性的CdSe/ZnS量子点的发射波长为500-700nm；所述的含纳米硫化铋的反相微乳液的乳滴粒径为10-100nm；所述的硅烷化试剂是羧基化硅烷、氨基化硅烷或聚乙二醇化硅烷。
由于单一的光学分子成像存在的固有缺陷(如其成像深度有限)限制了其医学应用，而利用CT造影剂可对深部组织准确定位，正好弥补光学分子成像的不足，因此本发明提出制备一种基于纳米硫化铋的可用于CT和荧光双模式成像的多功能探针。其方法是选择纳米硫化铋作为CT造影剂部分，油溶性的量子点CdSe/ZnS作为光学探针部分。首先以反相微乳液法合成的硫化铋为核，在该体系中加入油溶性的量子点CdSe/ZnS，利用正硅酸四乙酯水解成SiO2，将纳米硫化铋与油溶性的量子点CdSe/ZnS包覆在形成的纳米SiO2中，并且进一步对所形成的SiO2的表面用硅烷化试剂修饰。最终得到大小均一、稳定性好、生物相容性高的能用于CT和荧光双模式成像的多功能探针。
本发明的基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针制备方法为：以反相微乳液法合成的纳米硫化铋为核，在该体系中加入油溶性的量子点CdSe/ZnS，利用正硅酸四乙酯水解成SiO2，将纳米硫化铋与油溶性的量子点CdSe/ZnS包覆在形成的纳米SiO2中，并且进一步对所形成的SiO2的表面用硅烷化试剂修饰。所述的以反相微乳液法制备的纳米硫化铋的粒径大小为4-6nm；所述的油溶性的CdSe/ZnS量子点的发射波长为500-700nm，具有很高的量子产率以及很好的稳定性，不易被淬灭，具有很好的荧光成像的效果。所述的在含纳米硫化铋的反相微乳液中原位加入的油溶性的CdSe/ZnS量子点，简化反应操作，使得CT和荧光强度具有很好的均一性。所述的反相微乳液，其乳滴粒径在10-100nm范围，尺寸分布均一，具有很好的稳定性和生物相容性。
CT-荧光双模式成像的多功能探针是在选择纳米硫化铋作为CT造影剂部分的基础上，再选择油溶性的CdSe/ZnS量子点作为光学探针部分。采用反相微乳液一锅法，即以反相微乳液法合成的硫化铋为核，在该体系中加入油溶性的CdSe/ZnS量子点，利用正硅酸四乙酯水解生成的二氧化硅，将纳米硫化铋与油溶性的CdSe/ZnS量子点同时包裹，同时，进一步对所形成的二氧化硅的表面用硅烷化试剂修饰。这种一步同时将CT造影剂和光学成像试剂包裹在纳米二氧化硅中的方法，设计巧妙，操作简单易行。
本发明多功能探针与文献报道的现有探针比较，比如：聚乙烯吡咯烷酮修饰的纳米硫化铋(Bi2S3-PVP)、氧化钽多模态探针(PEG-RITC-TaOx)和多模态碘油纳米乳，在相同条件下，当本发明的多功能探针与上述三种探针分别含有相同浓度(15mg/mL)的CT造影剂(铋、钽和碘)时，这四种探针的CT值分别为2000、800、450和300HU。很明显，本发明的探针的CT值最高，造影效果最好，并且与聚乙烯吡咯烷酮修饰的纳米硫化铋探针相比，本发明的探针还有荧光特性。本发明借助正硅酸四乙酯的水解成二氧化硅，将CT造影和光学成像的试剂包裹在一起，弥补了单一成像造影剂只能用于相对应的影像设备而造成的诊断信息不全面和不精确。
本发明是针对CT和荧光成像技术单独使用时存在空间分辨率不高和成像深度受限，造成复杂疾病的检测信息不全不准确；同时使用CT造影剂与光学成像试剂而两者不整合为一，造成同一部位的检测信息不同步，即CT造影剂与光学成像试剂因各自性质不同和在体内循环时间不同，而造成的CT和光学成像时间各异，得到的诊断信息不全面，比如：某时刻，CT成像造影的部位是脾脏，而此时光学成像试剂显现的是肝脏，待到光学成像显示的部位为脾脏时，先前CT成像脾脏部位的造影时机早已错过；现有的CT造影剂与光学成像试剂结合出现的CT值低等问题，提出了一种基于纳米硫化铋的可用于CT和荧光双模式成像的多功能探针及制备方法。所制备的多功能探针在CT造影效果方面是现有的文献报道中探针的2-6倍，本多功能探针通过静脉注射可用于对患者进行CT和荧光双模式成像造影，实现对患者深部组织的准确定位与诊断。
附图说明
图1是本发明CT和荧光双模式成像的多功能探针的制备流程图。
图2是本发明的多功能探针的结构示意图。1指纳米硫化铋，2指油溶性的CdSe/ZnS量子点，3指二氧化硅，4指硅烷化试剂(例如羧基化硅烷、氨基化硅烷和聚乙二醇化硅烷)。即本发明的探针结构设计为：探针的中心核为纳米硫化铋与油溶性的CdSe/ZnS量子点两种纳米颗粒，外层壳为二氧化硅，并且二氧化硅表面可以被基团修饰(如：羧基、氨基和聚乙二醇)。
图3是本发明的多功能探针的透射电镜图。1指油溶性的CdSe/ZnS量子点，2指纳米硫化铋。从图中可以清晰地看出探针的微观结构，即中间核由大小两种颗粒组成，大颗粒为油溶性的CdSe/ZnS量子点，粒径约7nm，而小颗粒为纳米硫化铋，粒径约5nm；壳为二氧化硅，探针粒径大小约为50nm。透射电镜图说明二氧化硅中包裹了纳米硫化铋与油溶性的CdSe/ZnS量子点，这与图2探针的结构设计图相符合，本发明的多功能探针的制备是可行的。
图4是本发明多功能探针的CT和荧光双模式成像。a是多功能探针的CT成像，b是多功能探针的CT成像的CT值，c是多功能探针的荧光成像。从图4a探针的CT图中可以看出，随着Bi浓度的增加，本探针的CT造影效果明显增强，其CT值与探针浓度呈良好的线性关系(图4b)，不仅如此，探针的荧光成像强度也随Bi浓度的增大而增强(图4c)。
具体实施方法
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步纤细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1制备基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针
按以下步骤制备本发明提供的基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针：
(1)将聚乙二醇叔辛基苯基醚1.8mL、正己醇1.8mL和环己烷7.5mL搅拌混合均匀，此混合液作为油相，将柠檬酸铋和硫化钠分别在纯水中溶解，形成柠檬酸铋溶液和硫化钠溶液，此作为水相；
(2)将柠檬酸铋溶液1.2mM，480μL加入油相中，搅拌30min，形成反相微乳液I，将硫化钠溶液1.8mM，480μL加入油相中，搅拌30min，形成反相微乳液II，将反相微乳液I加入反相微乳液II，搅拌120min，形成具有纳米硫化铋的反相微乳液；
(3)在纳米硫化铋的反相微乳液中，加入油溶性的CdSe/ZnS量子点5nM，200μL，搅拌30min，加入正硅酸四乙酯200μL，搅拌30min，加入氨水(质量比为28％)120μL，搅拌，24h后加入三甲[3-(2-甲氧基)丙基]硅烷20μL，此溶液继续搅拌24h；在上述反应后的溶液中加入20mL乙醇，搅拌，12000r/min离心分离，分离产物用超声仪超声分散在纯水中，得到淡褐色澄清透明的基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针。参见图1。
实施例2
基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针的CT和荧光双模式成像的应用
(1)将按实施例1方法制备好的基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针配制一系列浓度的溶液，使溶液浓度(以铋含量为基准)分别为：2.75，5.0，8.25，11.00，13.75，16.5mg/mL。
(2)CT成像系统的条件为：空间分辨率是100μm，实验中的管电压是50kVp，管电流是0.800mA。荧光成像系统的条件为：使用的滤光片为：激发469/35nm，发射655/40nm，校准背景的自发荧光滤光片为：激发396/40nm，发射655/40nm。得到的结果：随着铋浓度的增加，纳米二氧化硅复合探针的CT造影效果明显增强，其CT值与探针浓度呈良好的线性关系，并且探针的荧光成像强度也随铋浓度的增大而增强。
实施例3对本发明多功能探针进行透射电镜观察
将实施例1制备的本发明多功能探针作透射电镜观察，透射电镜图见图3。图中，1指油溶性的CdSe/ZnS量子点，2指纳米硫化铋。从图中可以清晰地看出探针的微观结构，即中间核由大小两种颗粒组成，大颗粒为油溶性的CdSe/ZnS量子点，粒径约7nm，而小颗粒为纳米硫化铋，粒径约5nm；壳为二氧化硅，探针粒径大小约为50nm。透射电镜图说明二氧化硅中包裹了纳米硫化铋与油溶性的CdSe/ZnS量子点，这与图2探针的结构设计图相符合，本发明的多功能探针的制备是可行的。
实施例4以本发明多功能探针进行CT和荧光双模式成像
用按实施例1的方法制备的本发明多功能探针进行CT和荧光双模式成像，成像结果见图4。图4中，a是多功能探针的CT成像，b是多功能探针的CT成像的CT值，c是多功能探针的荧光成像。从图4a探针的CT图中可以看出，随着Bi浓度的增加，本探针的CT造影效果明显增强，其CT值与探针浓度呈良好的线性关系(见图4b)，不仅如此，探针的荧光成像强度也随Bi浓度的增大而增强(见图4c)。
实施例5本发明多功能探针与文献报道的类似探针的比较
将按实施例1方法制备的本发明多功能探针，与相关的已发表的文献中报道的聚乙烯吡咯烷酮修饰的纳米硫化铋(Bi2S3-PVP)[1]、氧化钽多模态探针(PEG-RITC-TaOx)[2]和多模态碘油纳米乳[3]探针相比，在相同条件下，当本发明的多功能探针与上述三种探针分别含有相同浓度(15mg/mL)的CT造影剂(铋、钽和碘)时，这四种探针的CT值分别为2000、800、450和300HU。很明显，本发明的探针的CT值最高，造影效果最好，并且与聚乙烯吡咯烷酮修饰的纳米硫化铋探针相比，本发明的探针还有荧光特性。
表1不同CT探针的CT值与荧光信息对比表
参考文献：[1]Ai，K.，et al.，Large-Scale Synthesis of Bi2S3Nanodots as a ContrastAgent for In Vivo X-ray Computed Tomography Imaging.Advanced Materials，2011.23(42)：p.4886-4891；[2]Oh，M.H.，et al.，Large-Scale Synthesis of Bioinert TantalumOxide Nanoparticles for X-ray Computed Tomography Imaging and BimodalImage-Guided Sentinel Lymph Node Mapping.Journal of the American ChemicalSociety，2011.133(14)：p.5508-5515；[3]Ding，J.，et al.，CT/fluorescence dual-modalnanoemulsion platform for investigating atherosclerotic plaques.Biomaterials，2013.34(1)：p.209-216。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针，其特征在于，它由纳米二氧化硅包裹的纳米硫化铋和油溶性的CdSe/ZnS量子点构成。
2.根据权利要求1所述的基于纳米硫化铋的可用于CT和荧光双模式成像的多功能探针，其特征在于，所述的纳米硫化铋的粒径大小为4-6nm。
3.根据权利要求1所述的基于纳米硫化铋的可用于CT和荧光双模式成像的多功能探针，其特征在于，油溶性的CdSe/ZnS量子点的发射波长为500-700nm。
4.根据权利要求1所述的基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针，其特征在于，所述的纳米硫化铋按以下方法制备得到：
(1)将聚乙二醇叔辛基苯基醚、正己醇和环己烷以体积比1∶1∶4-1∶1∶5搅拌混合均匀得到作为油相的混合液；将柠檬酸铋和硫化钠分别在纯水中溶解，分别得到作为水相的柠檬酸铋溶液和硫化钠溶液，两种溶液的浓度比为2∶3；
(2)将作为水相的柠檬酸铋溶液1-1.5mM加入到步骤(1)得到的作为油相的混合液中，搅拌10-30min，得到反相微乳液I；将作为水相的硫化钠溶液1-2.0mM加入步骤(1)得到的作为油相的混合液中，搅拌10-30min，得到反相微乳液II，；将反相微乳液I和反相微乳液II混合，搅拌60-120min，得到含纳米硫化铋的反相微乳液。
5.根据权利要求4所述的基于纳米硫化铋的可用于CT和荧光双模式成像的多功能探针，其特征在于，反相微乳液的乳滴粒径为10-100nm。
6.根据权利要求1所述的基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针，其特征在于，所述的纳米二氧化硅包裹的纳米硫化铋和油溶性的CdSe/ZnS量子点按以下方法制备得到：
(1)将聚乙二醇叔辛基苯基醚、正己醇和环己烷以体积比1∶1∶4-1∶1∶5搅拌混合均匀得到作为油相的混合液；将柠檬酸铋和硫化钠分别在纯水中溶解，分别得到作为水相的柠檬酸铋溶液和硫化钠溶液，两种溶液的浓度比为2∶3；
(2)将作为水相的柠檬酸铋溶液1-1.5mM加入到步骤(1)得到的作为油相的混合液中，搅拌10-30min，得到反相微乳液I；将作为水相的硫化钠溶液1-2.0mM加入步骤(1)得到的作为油相的混合液中，搅拌10-30min，得到反相微乳液II，；将反相微乳液I和反相微乳液II混合，搅拌60-120min，得到含纳米硫化铋的反相微乳液；
(3)在含纳米硫化铋的反相微乳液中加入油溶性的CdSe/ZnS量子点，CdSe/ZnS量子点与聚乙二醇叔辛基苯基醚的体积比为1∶12-1∶18，搅拌25-35min，加入正硅酸四乙酯，正硅酸四乙酯与聚乙二醇叔辛基苯基醚的体积比为1∶17-1∶18，搅拌10-30min，加入氨水，氨水与正硅酸四乙酯的体积比为1∶2-1∶2.6，搅拌，23-25h后加入硅烷化试剂，硅烷化试剂与正硅酸四乙酯的体积比为1∶10-1∶12，继续搅拌23-25h后加入乙醇破乳，搅拌后离心分离，分离后的沉淀物用超声仪超声分散在纯水中，得到纳米二氧化硅包裹的纳米硫化铋和CdSe/ZnS量子点。
7.根据权利要求6所述的基于纳米硫化铋的可用于CT和荧光双模式成像的多功能探针，其特征在于，所述的硅烷化试剂是羧基化硅烷、氨基化硅烷或聚乙二醇化硅烷。
8.一种基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将聚乙二醇叔辛基苯基醚、正己醇和环己烷以体积比1∶1∶4-1∶1∶5搅拌混合均匀得到作为油相的混合液；将柠檬酸铋和硫化钠分别在纯水中溶解，分别得到作为水相的柠檬酸铋溶液和硫化钠溶液，两种溶液的浓度比为2∶3；
步骤二：将作为水相的柠檬酸铋溶液1-1.5mM加入到步骤(1)得到的作为油相的混合液中，搅拌10-30min，得到反相微乳液I；将作为水相的硫化钠溶液1-2.0mM加入步骤(1)得到的作为油相的混合液中，搅拌10-30min，得到反相微乳液II，；将反相微乳液I和反相微乳液II混合，搅拌60-120min，得到含纳米硫化铋的反相微乳液；
步骤三：在含纳米硫化铋的反相微乳液中加入油溶性的CdSe/ZnS量子点CdSe/ZnS量子点与聚乙二醇叔辛基苯基醚的体积比为1∶12～1∶18，搅拌25-35min，加入正硅酸四乙酯，正硅酸四乙酯与聚乙二醇叔辛基苯基醚的体积比为1∶17～1∶18，搅拌10-30min，加入氨水，氨水与正硅酸四乙酯的体积比为1∶2～1∶2.6，搅拌，23～25h后加入硅烷化试剂，硅烷化试剂与正硅酸四乙酯的体积比为1∶10～1∶12，继续搅拌23～25h后加入乙醇破乳，搅拌后离心分离，分离后的沉淀物用超声仪超声分散在纯水中，得到淡褐色澄清透明的基于纳米硫化铋的用于CT和荧光双模式成像的多功能探针。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述的纳米硫化铋的粒径大小为4-6nm；所述的油溶性的CdSe/ZnS量子点的发射波长为500-700nm；所述的反相微乳液的乳滴粒径为10-100nm。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤三中所述的硅烷化试剂是羧基化硅烷、氨基化硅烷或聚乙二醇化硅烷。
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