CN103480008B - 一种热增强型有机-无机复合脂质纳米液态氟碳类超声造影剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热增强型有机-无机复合脂质纳米液态氟碳类超声造影剂及其制备方法。包括：（1）将1重量份的有机-无机复合脂质充分溶解于1~2体积份的有机溶剂中；（2）将20体积份的超纯水和8～80重量份的氟碳液体加入血清瓶中，在水浴超声条件下逐滴加入上述有机-无机复合脂质有机溶液，得到预乳液；（3）采用超声细胞粉碎仪超声粉碎，形成乳白色乳液即得。本发明负载液态氟碳的有机-无机复合脂质显像胶束为纳米级，粒径分布较窄。在水中性能稳定，无溶血反应，加热后可形成大的微泡，实现液-气相转变，从而实现更好的超声显像效果。在动物皮下显像明显，可望进一步应用于体内及其它组织器官，在诊断领域有重大的研究价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物医学材料领域，具体地说，涉及一种负载液态氟碳的有机-无机复合脂质纳米超声造影剂及其制备方法。
背景技术
超声造影剂是一类能够显著增强血液超声散射信号的诊断试剂，在医学影像诊断方面具有良好的应用前景。肿瘤是超声诊断的主要适应症，肿瘤良恶性的鉴别也一直是困扰超声医学的一个重要难题。目前，国内临床上常用的超声造影剂是声诺维(SonoVue)，粒径是2～8μm。尽管以声诺维为代表的微米级超声造影剂在临床上获得了成功的应用，但由于它们粒径大，不易穿过血管内皮细胞到达靶细胞，因此仅局限于血池显影，不易实现对其血管外疾病的诊断与治疗；另一方面，声诺维由于包膜材料为脂质，脂质性质不够稳定，在体内持续时间不长，造影持续时间短，所以要利用微泡造影剂实现肿瘤的分子成像还存在一定的困难。因此，寻找小型化、穿透力强的声学造影剂便成为超声影像领域重要的研究方向，也成为临床诊断和疾病治疗的迫切需要。
要实现肿瘤细胞的分子成像，首先，造影剂的直径要足够小，以便能穿过肿瘤新生血管内皮细胞间隙（多为380～780nm）；其次，造影剂的性质要足够稳定，在体内有较长的持续时间以利于更多的造影剂到达靶细胞；最后，注射到体内后的造影剂能取得良好的显影效果。
近年来出现的一种液态氟碳纳米微球为解决这一难题应运而生。与气态氟碳类造影剂相比，纳米液态氟碳类造影剂在体内显像方面存在更多优势，具有以下优点：粒径在几十纳米至几百纳米之间，这样大小的微粒可穿过血管内皮细胞到达血管外靶标，大大增强了其穿透力；稳定性更强，在血管内存留时间长，在体内的循环半衰期可达数小时，延长了诊断时间；它的聚集显影特点可大大提高分辩准确性，有利于提高诊断的准确性；有望成为一种多功能造影剂，有关研究报道了液态氟碳造影剂可用作靶向显影与治疗以及在计算机断层扫描（CT）、核磁共振（MRI）中的使用情况,所以液态氟碳纳米粒还具备成为一种理想的多模态、多功能分子成像造影剂的潜能。但纳米液态氟碳类造影剂有其致命的缺点，其增强超声作用的原理为聚集显影，仅仅依靠聚集显像的纳米超声造影剂在成像效果上与微泡有着显著的差距。与微泡增强超声的谐波显影方式相比，其显影信号对比度较差，导致其不能很好地增强超声显影。近年来，新型的、以液态氟碳相转变为特点的纳米超声造影剂则有望解决这一问题。
在某些确定的环境条件或外界作用下，纳米粒子内包裹的液态氟碳将气化膨胀至微米级，形成微泡，从而明显提高自身的造影能力。因此，选用沸点更低的液态氟碳作为内核制备纳米级造影剂，通过静脉注射后，既能穿透血管内皮组织，又能通过液-气相变产生微泡，达到类似普通微泡增强超声显影的效果，这样无疑解决了超声分子影像学中的关键问题。
目前，国内外研究人员研究的纳米液态氟碳相变超声造影剂包膜材料主要有两类：脂质和高分子聚合物纳米液态氟碳乳剂。但这两种材料仍然存在很多不足，如脂质液态氟碳乳剂稳定性较差、包裹的氟碳液体很容易泄漏，回声增强效果有限和持续显影时间较短等。高分子聚合物液态氟碳乳剂外壳材料通常较硬，且需较高的声学输出，才能产生增强的对比，成像时容易造成肺出血、毛细血管破裂等。
发明内容
本发明的目的是针对现有超声显像试剂存在的不足，提供一种热增强型负载液态氟碳的有机-无机复合脂质纳米超声造影剂及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种热增强型负载液态氟碳的有机-无机复合脂质纳米超声显像胶束的制备方法，包括如下步骤：
（1）将1重量份的有机-无机复合脂质充分溶解于1～2体积份的有机溶剂中；
（2）将20体积份的超纯水和8～80重量份的氟碳液体加入血清瓶中，在水浴超声条件下逐滴加入上述有机-无机复合脂质有机溶液，得到预乳液；
（3）采用超声细胞粉碎仪超声粉碎，形成乳白色乳液，即得到包裹液态氟碳的纳米有机-无机复合脂质造影剂，所述重量份是指毫克，所述体积份是指毫升。
在上述制备方法中，步骤（1）所述的有机-无机复合脂质的结构为以下两种：
有机-无机复合脂质1：
或有机-无机复合脂质2：
有机-无机复合脂质是由一个分子连接两个疏水性的碳链和一个亲水性的有机硅烷分子组成的新型脂质分子，这种分子在水中通过溶胶-凝胶和自组装过程过程中，有机-无机复合脂质两条疏水的尾部形成胶束的疏水性的内核，其内核则包负有疏水性的液态氟碳类液体超声显像试剂。胶束表面覆盖有纳米级厚度的生物相容性好的无机硅酸盐壳层，如图1所示。图1可以同时表示脂质1或脂质2形成的胶束。
在上述制备方法中，步骤（1）所述的有机溶剂优选为pH=3的酸性乙醇或二氯甲烷。
在上述制备方法中，步骤（2）所述的氟碳类液体为全氟戊烷、全氟己烷或五氟丁烷。
在上述制备方法中，步骤（3）所述的超声的时间是4～10min，超声功率为100W，工作3s停3s。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）该胶束原材料为有机-无机复合脂质，具有优良的生物相容性和可降解性，胶束制备方法简单,设备要求低；
（2）稳定性强，由于胶束表面覆盖有纳米级厚度的无机硅酸盐壳层，所以与传统的脂质超声造影胶束相比，硅氧烷网络显著增加了有机-无机复合脂质的稳定性，可以延长在体内的血液循环时间，有利于诊断的准确性。有机-无机复合脂质稳定性介于脂质和高分子材料之间，作为超声造影剂更合适；
（3）该胶束平均粒径为200nm左右，为纳米载体，粒径分布集中，有利于胶束在体内被动聚集；
（4）相变型液态氟碳被包裹进该纳米胶束后能够显著提高其在水中的溶解性和稳定性并提高了超声回声特性，显像效果由于热增强效应会更为显著。
（5）该胶束表面存在硅烷醇基团容易进行化学修饰和靶向基团的引入，有望实现主动靶向成像和治疗。
附图说明
图1是负载液态氟碳的有机-无机复合脂质纳米超声显像胶束的结构示意图；
图2是实施例1中负载全氟己烷的有机-无机复合脂质纳米胶束的动态光散射粒径分布柱状图；
图3是实施例1中负载全氟己烷的复合脂质纳米胶束的透射电子显微镜图片；
图4是实施例2中室温储存下有机-无机复合脂质PFH纳米胶束的外观图(a)新制备，(b)5天后；
图5是实施例2中4℃储存50天有机-无机复合脂质PFH纳米胶束粒径变化图；
图6是实施例2中有机-无机复合脂质PFH纳米胶束的溶血率；
图7是实施例3中室温下有机-无机复合脂质PFH胶束在不同频率下的体外超声显影效果图（生理盐水为对照）；
图8是实施例3中加热到60℃有机-无机复合脂质PFH胶束在不同频率下的体外超声显影效果图（生理盐水为对照）；
图9是实施例4中有机-无机复合脂质PFH胶束在体外持续超声显像图片；
图10是实施例5中有机-无机复合脂质PFH胶束在兔子皮下注射的超声显像图片；
图11是实施例6中负载五氟丁烷的有机-无机复合脂质纳米胶束的动态光散射粒径分布柱状图；
图12是实施例6中负载五氟丁烷的复合脂质纳米胶束的透射电子显微镜图片；
图13是实施实例7中有机-无机复合脂质五氟丁烷胶束在26℃下的超声显像图片；
图14是实施例7中有机-无机复合脂质五氟丁烷胶束在60℃下的超声显像图片；
图15是实施例8中有机-无机复合脂质五氟丁烷胶束在体外持续超声显像图片；
图16是实施例9中有机-无机复合脂质五氟丁烷胶束在兔子皮下注射的超声显像图片。
具体实施方式
实施例1负载全氟己烷（PFH）的有机-无机复合脂质纳米胶束的制备——酸性乙醇注入法
称取6mg的有机-无机复合脂质1溶于0.2mL pH=3的酸性乙醇中孵育4h（45℃），使有机-无机复合脂质充分在酸性乙醇中水解，得到亲水的硅羟基头部。将4mL超纯水和50μL全氟己烷加入10mL的血清瓶中，在水浴超声条件下逐滴加入上述酸化好的有机-无机复合脂质，得到预乳液。将预乳液用超声细胞破碎仪超声5min（设置功率100W，超3s停3s）形成乳白色乳液。最后在室温下透析4h除去酸性乙醇即得有机-无机复合脂质全氟己烷胶束（结构示意图见图1）。
用马尔文(Malvern)激光粒度仪及Zeta电位仪测量其粒径为217.6±5.5nm，电位为-31.7±2.6mV，并得到如图2的动态光散射粒径分布柱状图。由图2可见，酸性乙醇注入法制备得到的负载全氟己烷的有机-无机复合脂质纳米胶束粒径分布范围较窄，且在200nm左右，透射电镜照片见图3。这种小粒径的纳米胶束能穿透肿瘤血管壁到达肿瘤组织内部，有在肿瘤部位实现超声造影显像的潜力。
实施例2负载全氟己烷的有机-无机复合脂质纳米胶束体外储存稳定性和血液相容性
将实施例1中的有机-无机复合脂质PFH纳米胶束在4℃冰箱中储存50天取出观察，未见分层、絮凝等现象。外观与色泽与保存前相同，仍为白色半透明的分散液（图4）。用激光粒度仪测量有机-无机复合脂质PFH纳米胶束的粒径变化情况，结果如图5。从图中可见该纳米胶束在4℃下储存50天，粒径没有发生明显变化，说明纳米胶束的稳定性较好，有利于长期储存。
取实施例1中的有机-无机复合脂质PFH纳米胶束测试了不同浓度的胶束对人的红血球细胞(HRBC)的溶血程度，如图6所示。从图中可以看出，从200～600μg/mL的浓度范围内，随着有机-无机复合脂质PFH纳米胶束浓度的升高，溶血程度也随着增大。在最大浓度为600μg/mL时，溶血率仅为2.38%，可以认为几乎没有溶血现象，说明有机-无机复合脂质PFH纳米胶束具有良好的血液相容性。
实施例3不同频率、不同温度下负载全氟己烷的有机-无机复合脂质纳米胶束体外超声显像试验
取实施例1中制得的胶束溶液1mL加入到盛有3mL脱气水的滴管中，置于温度26℃或加热后60℃（全氟己烷沸点为58℃）的可控温水浴槽中，用多谱勒超声诊断仪高频探头，机械指数（MI=0.08），Depth=3.0cm。分别在频率为f=5.5Hz、7.0Hz和8.0Hz下扫查并保存图片，以等量的生理盐水作为对照，比较不同频率下负载全氟己烷的有机-无机复合脂质纳米胶束超声显影的差别，结果见图7。从中可以看出，有机-无机复合脂质PFH纳米胶束在体外有明显的显像效果，其显像效果在f=8.0Hz下尤为显著。图8显示了加热到60℃，其它超声条件一样的条件下，有机-无机复合脂质PFH纳米胶束在相同频率下的显像效果好于室温下的效果，这说明加热后包裹的全氟己烷液体汽化将有机-无机复合脂质纳米胶束变大形成大的微气泡，使载PFH的有机-无机复合脂质胶束实现液-气相转变，从而实现更好的造影功能。这种相变型超声造影剂既解决了超声微泡造影剂的尺寸过大，只能进行血池示踪显像的缺点，又达到了微泡超声造影剂的显像效果。
实施例4负载全氟己烷的有机-无机复合脂质纳米胶束体外超声持续显像试验
取实施实例1制得的胶束溶液1mL用脱气水稀释到3mL加入到塑料滴管中，置于温度26℃左右的水浴槽中，用多谱勒超声诊断仪高频探头，机械指数（MI=0.08），Depth=3.0cm，频率为f=8.0Hz下扫查并保存图片，并每隔10min记录不同时间的超声显像图像（图9）。由图中可见，负载全氟己烷的有机-无机复合脂质纳米胶束有长达80min的持续显影效果，这说明以有机-无机复合脂质为外壳材料的造影剂，在超声声场中有优越的稳定性和较高的耐声压性。
实施例5负载全氟己烷的有机-无机复合脂质纳米胶束体内超声显像试验
将实施例1中所制备有机-无机复合脂质全氟己烷纳米胶束用注射器吸3mL注射于新西兰大白兔的皮下，进行即时超声显像观察，测试结果见图10。可以清楚地看到，图10上部皮下间隔组织区域内注射进入的纳米胶束有明显的超声显像效果。
实施例6负载五氟丁烷的有机-无机纳米胶束的制备——二氯甲烷乳化蒸发法
称取10mg的有机-无机复合脂质2溶于0.4mL二氯甲烷中。将6mL超纯水和0.1mL五氟丁烷加入10mL的血清瓶中，在水浴超声条件下逐滴加入有机-无机复合脂质的二氯甲烷溶液，得到预乳液。用超声细胞粉碎仪超声6min（设置超声功率为100W，工作3s停3s）形成乳白色乳液。最后在室温下旋转蒸发除去二氯甲烷即得。
用Malvern激光粒度仪及Zeta电位仪测量其粒径为245.5±8.5nm，电位为-32.6mV，并得到如图11的动态光散射粒径分布柱状图，透射电镜照片见图12。
实施例7不同温度下负载五氟丁烷的有机-无机复合脂质纳米胶束体外超声显像试验
取实施例6中制得的胶束溶液1mL用脱气水稀释到3mL加入到滴管中，置于温度26℃或加热后45℃（五氟丁烷沸点为40℃）的可控温水浴槽中，用多谱勒超声诊断仪高频探头，机械指数（MI=0.08），Depth=3.0cm。在频率为f=8.0Hz下扫查并得到有机-无机复合脂质纳米胶束超声显影图片，结果见图13。从中可以看出，负载五氟丁烷的有机-无机复合脂质纳米胶束在体外有明显的显像效果。图14显示了加热到45℃有机-无机复合脂质五氟丁烷纳米胶束在相同频率下的显像效果好于室温下的效果，这说明加热后包裹的五氟丁烷液体汽化将有机-无机复合脂质纳米胶束变大形成大的微泡，使载五氟丁烷的超声造影剂实现液-气相转变，从而实现更好的造影功能。
实施例8负载五氟丁烷的有机-无机复合脂质纳米胶束体外超声持续显像试验
按照实施例4的方法操作体外超声持续显像实验，并每隔10min记录f=8.0Hz下的不同时间的超声显像图像（图15）。由图中可见，负载五氟丁烷的有机-无机复合脂质纳米胶束有长达50min的持续显影效果，这说明以有机-无机复合脂质为外壳材料的造影剂，在超声声场中有优越的稳定性和较高的耐声压性。
实施例9负载五氟丁烷的有机-无机复合脂质纳米胶束体内超声显像试验
将实施例6中所制备有机-无机复合脂质五氟丁烷纳米胶束用注射器吸3mL注射于新西兰大白兔的皮下，进行即时超声显像观察，测试结果见图16。可以清楚地看到，图16上部皮下间隔组织区域内注射进入的纳米胶束有明显的超声显像效果。
以上测试结果表明，有机-无机复合脂质包裹全氟己烷和五氟丁烷后所得胶束的粒径为200nm左右，为纳米级。体外显像实验表明，负载全氟己烷和五氟丁烷的有机-无机复合脂质纳米胶束具有明显的超声显像效果，其显像效果随超声频率的提高而提高，并且热增强效果显著。动物皮下注射显像实验表明，两种纳米胶束在皮下具有较好的超声显像效果。
Claims (2)
1.一种有机-无机复合脂质纳米液态氟碳类超声造影剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将1重量份的有机-无机复合脂质充分溶解于1～2体积份的有机溶剂中；
(2)将20体积份的超纯水和8～80重量份的氟碳液体加入血清瓶中，在水浴超声条件下逐滴加入上述有机-无机复合脂质有机溶液，得到预乳液；
(3)采用超声细胞粉碎仪超声粉碎，形成乳白色乳液，即得到包裹液态氟碳的纳米有机-无机复合脂质造影剂；所述重量份是指毫克，所述体积份是指毫升；
步骤(1)所述的有机-无机复合脂质的结构为以下两种：
有机-无机复合脂质1：
或有机-无机复合脂质2：
步骤(1)所述的有机溶剂为pH＝3的酸性乙醇或二氯甲烷；
步骤(2)所述的氟碳液体为全氟戊烷、全氟己烷或五氟丁烷。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的超声的时间是4～10min，超声功率为100W，工作3s停3s。
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