CN103585645A - 一种基于3d打印的生物兼容性超声造影剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的生物兼容性超声造影剂，该超声造影剂由凝胶为主要成分组成外膜，外膜中填充有气体。本发明还公开了上述超声造影剂的制备方法。本发明的超声造影剂能够形成稳定的微球，具有良好的生物兼容性和良好的声学响应性质，载药能力强，可以作为超声造影剂、药物载体和制剂。通过控制微球薄壁的尺寸，能够控制药物的释放速度。同时，本发明还提供了超声造影剂的制造方法，该方法具有简单，方便和生产效率高的优点，可控制造影剂的尺寸，微球粒径均一性好。

Description

一种基于3D打印的生物兼容性超声造影剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及超声造影剂制备技术领域，尤其是涉及一种基于3D打印的生物兼容性超声造影剂及其制备方法。

背景技术

随着社会的发展，人们越来越关心自己的身体状况，经常会去医院做身体检查，检查时要用到成像技术，因此发展无创可视化的成像技术越来越受到科学界的关注和重视。1999年Weissleder等人提出分子影像学的概念,即活体状态下在细胞和分子水平对生物过程进行定性和定量研究,这是传统医学影像技术与分子生物学等学科相结合而诞生的新兴学科。分子影像学发展至今，已被美国医学会评为未来最具有发展潜力的10个医学科学前沿领域之一,被誉为21世纪的医学影像学。

随着超声诊断成像技术如二次谐波、触发显像等的发展，人们发现微小的气泡能够有效改善超声图像的对比质量，由此发展出中间含气的微泡形式存在的超声微泡造影剂，随着造影剂制备技术的完善，其在临床中得到了广泛的应用。超声造影剂用于增强心肌、肝、肾、脑等实质器官的二维超声影像和血流多普勒信号，增加组织对比度，提高影像定性定位的能力，大大提高对各种组织病变的诊断正确率，明显提高超声对于病变区形态和类型分辨能力，增强超声诊断的敏感性和特异性。

目前国外FDA批准临床应用的超声造影剂有：以白蛋白为泡膜结构的Albunex和Optison，以糖类为泡膜结构的Levovist，和以磷脂为泡膜结构的Sonovue，其中我国卫生部批准临床应用的超声造影剂是Sonovue。在国内，处于临床前研究阶段的脂质类超声微泡造影剂有Cnuca，包括两种亚型：一种为即用即溶型干粉微泡，一种为冻干微泡前体物质。

近年来，超声造影剂在治疗超声领域的应用已经开始被研究。由于超声造影剂中微气泡可加强空化效应，从而促进超声生物效应，因此超声造影剂在超声溶栓、介导基因转移、药物输送（drug delivery）和高强聚焦超声（Hifu）等治疗方向上也开始研究。超声造影剂的应用范围不断扩大，应用价值不断提升。

专利申请号为CN02133720.9的专利文献公开了一种脂质体超声造影剂，其成膜材料包括磷脂类分子、非离子表面活性剂、聚乙二醇4000、高渗糖或醇类；所述成膜材料中，磷脂类分子占有的比例为0.1-5重量％，非离子表面活性剂的比例为0.01-0.05重量％，高渗糖或醇类的比例为1-30重量％，聚乙二醇4000的比例为5-30重量％，其余为水溶液，每毫升成膜材料中加入生物活性气体0.15-0.5ml。

专利申请号为CN200310122421.3的专利文献公开了一种以磷脂类成分为成膜材料的超声造影剂组合物及其制备方法，该造影剂组合物由成膜材料和氟碳类惰性气体组成，成膜材料由磷脂类成分、起泡剂、聚合物和稳定剂组成，成膜材料中各组分的重量百分比，磷脂类成分为1％-10％，起泡剂为5％-15％，稳定剂为0.5％-10％，聚合物为70％-90％，每一单位剂量中含有氟碳类惰性气体的量为0.15-0.5ml。

专利申请号为CN200510057375.2的专利文献公开了使用机械振荡的方法制备含氟碳气体的微泡悬液，然后通过冻干方法去除悬液内水份再导入氟碳气体制备超声微泡。该方法可用于制备多种超声造影剂，包括常规增强组织显影的超声造影剂(脂类、白蛋白类、多聚体类、表面活性剂类等)、靶向超声造影剂、纳米级微泡超声造影剂和兼药物或基因靶向载体的治疗型超声造影剂。

专利申请号为CN200710045636.8的专利文献公开了一种超声造影剂的制备方法，先将制备液在原料瓶中经过预热，与气体同时进入均质机进行预混，低速旋转研磨形成微球，将初步制备的微球液流入制备瓶，然后将初步制备的微球液再次注入均质机进行高速研磨，最后将形成的微球液流入分装瓶，得到超声造影剂。

专利申请号为CN200810217176.7的专利文献公开了一种以磷脂成分和糖脂成分为主要组成，包裹气体后形成稳定的复合脂膜微泡的超声造影剂及其制备方法。将磷脂类成分加入到热的乙醇溶液中溶解，转入到含有糖脂的水溶液中，利用超声、振荡或搅拌作用使其充分混匀，形成粒径均匀且物理性质稳定的乳状溶液；然后利用减压蒸发方法除去乳状溶液中的乙醇，利用冷冻干燥方法得到复合脂膜冻干品；最后在复合脂膜冻干品中充入特定的气体即得超声造影剂。

上述专利文献中所制备的超声微泡组成材料均为磷脂成分，其它辅料略有不同，构成成膜材料的成分较为单一，泡膜结构较为单薄，存在许多不足或问题，如：体内循环时间较短，耐压能力较差，稳定性差，载药空间较小，载药能力较低等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有超声造影剂的不足之处，提供一种基于3D打印的生物兼容性超声造影剂，其具备更好的稳定性、耐压性，生物兼容性和载药能力。

本发明要解决的另一个技术问题是要提供一种具备更好稳定性、耐压性、生物兼容性和载药能力的超声造影剂的制备方法，该方法能够控制超声造影剂的尺寸和薄壁尺寸，生产效率高，制造简单，方便。

为解决第一种技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种基于3D打印的生物兼容性超声造影剂，该超声造影剂由凝胶为主要成分组成球形外膜，所述球形外膜中填充有气体。当需要装载药物的超声造影剂时，所述造影剂中还含有药物成分。有些药物在球形外膜中，有些在球内部的空心部分。

所述凝胶成分可以是海藻酸钠与氯化钙的合成物，也可以是纤维蛋白与凝血酶的合成物。选择海藻酸钠与氯化钙的合成物时，所述凝胶成分为海藻酸钙，此时得到超声造影剂强度较高，可满足多种场合使用。选择纤维蛋白与凝血酶的合成物作为凝胶成份时，生物兼容性较好。

所述气体为空气、氧气、氮气、二氧化碳、六氟化硫气体其中的一种或几种。

为解决第二个技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种基于3D打印的生物兼容性超声造影剂的制备方法，其特征在于，包括：

步骤（a）配置氯化钙溶液和海藻酸钠溶液；

步骤（b）将步骤（a）中配置好的氯化钙溶液倒入三维打印设备的贮液罐中，海藻酸钠溶液倒入位于三维打印设备的喷头正下方的搅拌器中；

步骤（c）利用三维打印设备，将氯化钙溶液以微液滴的方式喷射到正下方的海藻酸钠溶液中，同时搅拌海藻酸钠溶液；

步骤（d）将步骤（c）打印完得到的海藻酸钠溶液稀释，过滤，将得到的微球在真空干燥，得到空心微球；

步骤（e）将步骤（d）得到的空心微球充入特定的气体即得到超声造影剂。

为便于得到适当壁厚的超声造影剂，作为优选，所述氯化钙溶液为质量百分比浓度为1-3%的氯化钙水溶液。氯化钙水溶液浓度过高，形成的超声造影剂颗粒外径较大，无法满足微米尺寸要求，且固化时间长，制备效率第；氯化钙水溶液的浓度较低，超声造影剂的球壁过薄，无法满足造影需要。

为得到适当强度的超声造影剂，作为优选，所述海藻酸钠溶液为质量百分比浓度为0.5-0.7%的海藻酸钠水溶液。海藻酸钠水溶液浓度过低，形成的超声造影剂的壳体孔隙率太大，强度不够；海藻酸钠水溶液浓度过高，海藻酸钠粘度太大，导致氯化钙微滴无法进入到海藻酸钠内部，无法形成完成的球形结构。

搅拌速度主要根据喷射速度、液滴大小确定，主要是确保前后两滴液滴不在同一个位置重合，保证形成球状颗粒。液滴大小主要有喷嘴的内径决定，利用现有技术的喷头进行打印时（喷头内经一般为20-150微米，如有特殊要求，可以采用更小的喷头），作为优选，步骤（c）中，喷射速度为1-60滴/秒，搅拌速度为10-30转/分。具体参数可根据实际喷头内径大小适当调整。

为防止高温干燥对造影剂的结构造成不良影响，所述真空干燥温度为30-40℃。

本发明的三维打印设备可选用现有三维打印设备，需要满足打印喷头喷出的液体一滴一滴的有序方式喷射。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明的超声微球造影剂无毒副作用，生物兼容性好，外膜结构稳定，载药率高，薄壁尺寸可控，能控制药物释放速度，同时可控制造影剂的尺寸，微球粒径均一性好，长时间后，能够在体内自动降解，不需要排出体外。

（2）制造方法简单，方便，生产效率高，生产成本低。

（3）具有很好的声学响应能力，能够用作有效的超声造影剂。

（4）适用范围广，能用作药物或基因的载体和制剂。

附图说明

图1是本发明的一种基于3D打印的生物兼容性超声造影剂制造流程示意图。

图2是本发明的三维打印设备的结构示意图。

图3是本发明的微球形成示意图。

其中：图3（a）是微液滴还在喷头下端的状态；

图3（b）是微液滴刚进入海藻酸钠溶液的状态；

图3（c）是微液滴形成影剂制微球的状态。

图中：1为喷头，2为搅拌器，3为贮液罐。

具体实施方式

本发明采用的技术方案如下：

一种基于3D打印的生物兼容性超声造影剂，由凝胶为主要成分组成外膜，外膜中填充有气体。上述凝胶成分可以是海藻酸钠与氯化钙的合成物，其制备得到造影剂强度较好；也可以是纤维蛋白与凝血酶的合成物，由其制备得到的造影剂无毒性，生物兼容性高。

上述凝胶外膜中填充的气体选自空气、氧气、氮气、二氧化碳、六氟化硫气体其中的一种或几种。

本发明以氯化钙与海藻酸钠反应形成海藻酸钙，用其作为外膜为实例，描述超声造影剂的制造方法，该超声造影剂的生物兼容性好，具有良好的稳定性，而且无毒副作用，长时间后，能够在体内自动降解，不需要排出体外。

上述超声造影剂的稳定性和薄壁厚度可以通过改变氯化钙与海藻酸钠的浓度来实现，薄壁厚度直接影响了药物的释放速度，也会影响微球的稳定性，微球的大小可以通过三维打印设备来改变和控制。

如图1所示，上述基于3D打印的生物兼容性超声造影剂的制造方法具体是这样实现的：

（a）将氯化钙粉末和海藻酸钠粉末分别溶解在去离子水中，配置2%的氯化钙溶液和0.6%的海藻酸钠溶液；

（b）将步骤（a）中配置好的氯化钙溶液倒入到如图2所示的三维打印设备的贮液罐3中，海藻酸钠溶液倒入到位于压电式喷头1（喷头内经为60微米，液滴大小约为65微米）正下方的搅拌器2中；图2所示的三维打印设备可选用现有的压电式驱动的三维打印设备；

（c）利用已有的三维打印设备，让贮液罐中的氯化钙溶液在气压的作用下，通过管道流向压电式喷头1，压电式喷头1经过驱动器的作用控制氯化钙液体以微液滴的方式一滴一滴的有序的喷射到正下方的海藻酸钠溶液中（约30滴/秒），与此同时，需要低速搅拌（约为15rpm）海藻酸钠溶液，防止前后两个微球融合形成一个微球，产生大小不同的微球，即每个液滴形成一个微球，而且能保证每个微球的大小基本一样，生产重复性也很高，在这个过程中，通过改变驱动器的参数，可以控制喷头喷射液滴的大小，从而控制微球的大小，也可以控制喷射的频率，即控制生产效率；

（d）将步骤（c）中打印完得到的含有微球的海藻酸钠溶液用去离子水稀释，然后用滤纸或过滤网过滤，收集得到中间部分为水溶液，外膜为海藻酸钙凝胶的微球，最后将得到的微球在真空干燥箱中以35℃的温度进行干燥，得到中间部分为空气的稳定空心微球。

（e）将步骤（d）中得到的空心微球装入10ml西林瓶中，往瓶子充入特定的气体，即得到超声造影剂，封盖保存。根据不同的需要，可以充入不同的气体。

如图3所示，是一个微球形成示意图，氯化钙溶液在压电式喷头1的作用下，以一微液滴的方式喷射到正下方的海藻酸钠溶液中，图3（a）是微液滴还在喷头1下端的状态，接着微液滴就会落到下面的溶液中，图3（b）是微液滴刚进入海藻酸钠溶液的状态，微液滴的外表面最先与海藻酸钠溶液接触，两者通过化学反应形成海藻酸钙凝胶，形成一层凝胶球表面层，此时，由于这层凝胶球表面层的作用，海藻酸钠与氯化钙分离，因为凝胶球表面层的孔间隙很小，所以海藻酸离子不能通过表面层进入到微液滴内部，而钙离子能够通过表面层进入到海藻酸钠溶液中，与海藻酸钠继续反应，形成新的凝胶球表面层，包裹前面形成的凝胶层，反应一直进行，直到微液滴中的钙离子全部与海藻酸钠反应，此时，形成中间部分为水溶液，外膜为海藻酸钙凝胶的微球，如图3（c）所示。图3（c）中的虚线是原来滴下来的液滴的表面，经过反应后，变成微球的内壁，实线是生成的微球的外表面。氯化钙溶液的浓度决定了一滴微液滴中钙离子的量，影响了最后海藻酸钙的量，最终决定了微球的壁厚，即钙离子越多，壁越厚，同时，海藻酸钠溶液的浓度决定了反应的快慢和凝胶的强度，海藻酸钠溶液浓度越高，凝胶高度越高，微球稳定性越好，但强度太高，不容易被破坏，不易于在定向药物释放方面的应用，因此，可以根据需要，生产不同强度的微球，用于不同的场合。

当需要装载药物的超声造影剂时，其基于3D打印的携带药物的生物兼容性超声造影剂的制造方法有两种，方法一是这样实现的：

（a）将氯化钙粉末和需要装载的药物一起溶解在去离子水中，配置得到混有药物的2%的氯化钙溶液，然后将海藻酸钠粉末溶解在去离子水中，配置0.6%的海藻酸钠溶液；

（b）将步骤（a）中配置好的混有药物的氯化钙溶液倒入到如图2所示的三维打印设备的贮液罐3中，海藻酸钠溶液倒入到位于压电喷头1正下方的搅拌器2中；

（c）利用已有的三维打印设备，让贮液罐3中混有药物的氯化钙溶液在气压的作用下，通过管道流向喷头，压电喷头1经过驱动器的作用控制氯化钙液体以微液滴的方式一滴一滴的有序的喷射到正下方的海藻酸钠溶液中，与此同时，需要低速搅拌海藻酸钠溶液；

（d）将步骤（c）中打印完得到的含有微球的海藻酸钠溶液用去离子水稀释，然后用滤纸或过滤网过滤，收集得到中间部分为含有药物的水溶液，外膜为海藻酸钙凝胶的微球，最后将得到的微球在真空干燥箱中以35℃的温度进行干燥，得到中间部分为空气与药物的混合物的稳定微球。

（e）将步骤（d）中得到载有药物的微球装入10ml西林瓶中，往瓶子充入特定的气体，即得到携带药物的超声造影剂，封盖保存。

方法二是这样实现的：

（a）将氯化钙粉末和海藻酸钠粉末分别溶解在去离子水中，配置2%的氯化钙溶液和0.6%的海藻酸钠溶液，配置混有药物的去离子水溶液；

（b）将步骤（a）中配置好的氯化钙溶液倒入到如图2所示的三维打印设备的贮液罐3中，海藻酸钠溶液倒入到位于压电喷头1正下方的搅拌器2中；

（c）利用已有的三维打印设备，让贮液罐3中的氯化钙溶液在气压的作用下，通过管道流向喷头，压电喷头1经过驱动器的作用控制氯化钙液体以微液滴的方式一滴一滴的有序的喷射到正下方的海藻酸钠溶液中，与此同时，需要低速搅拌海藻酸钠溶液；

（d）将步骤（c）中打印完得到的含有微球的海藻酸钠溶液用去离子水稀释，然后用滤纸或过滤网过滤，收集得到中间部分为水溶液，外膜为海藻酸钙凝胶的微球，接着将微球存放到混有药物的去离子水溶液中，经过一段时间后，药物渗透到微球内部，用滤纸或过滤网再次过滤，收集得到中间部分为含有药物的水溶液，外膜为海藻酸钙凝胶的微球，最后将得到的微球在真空干燥箱中以35℃的温度进行干燥，得到中间部分为空气与药物的混合物的稳定微球。

（e）将步骤（d）中得到载有药物的微球装入10ml西林瓶中，往瓶子充入特定的气体，即得到携带药物的超声造影剂，封盖保存。

对于本发明提供的携带药物的超声造影剂，通过将造影剂与药物相结合，将药物存放于造影剂的内部，在造影剂的运转过程中，通过用声像图引导定位，用一定能量的超声波在特定的位置破坏造影剂，实现药物在靶组织的定向释放。并且当造影剂被破坏后，会产生“空化效应”、“声孔效应”，可导致微血管破裂，增加血管通透性，使药物在局部的释放率明显提高。

目前临床所用超声微泡造影剂，体内稳定性欠佳，容易破裂，显像时间短，仅持续几分钟，不便于病变的重复检查，为了明确诊断，患者往往需多次接受造影剂，不但加重机体代谢负担，也增加医疗费用。因此，本发明所述超声造影剂有广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种基于3D打印的生物兼容性超声造影剂，其特征在于，该超声造影剂由凝胶为主要成分组成球形外膜，所述球形外膜中填充有气体。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印的生物兼容性超声造影剂，其特征在于，所述凝胶为海藻酸钙。

3.根据权利要求2所述的基于3D打印的生物兼容性超声造影剂，其特征在于，所述海藻酸钙由氯化钙与海藻酸钠反应得到。

4.根据权利要求1所述的基于3D打印的生物兼容性超声造影剂，其特征在于，所述凝胶为纤维蛋白与凝血酶的反应得到。

5.根据权利要求1所述的基于3D打印的生物兼容性超声造影剂，其特征在于，所述气体为空气、氧气、氮气、二氧化碳、六氟化硫气体其中的一种或几种。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的基于3D打印的生物兼容性超声造影剂，其特征在于，所述造影剂中还含有药物成分。

7.一种基于3D打印的生物兼容性超声造影剂的制备方法，其特征在于，包括：

步骤（a）配置氯化钙溶液和海藻酸钠溶液；

步骤（b）将步骤（a）中配置好的氯化钙溶液倒入三维打印设备的贮液罐中，海藻酸钠溶液倒入位于三维打印设备的喷头正下方的搅拌器中；

步骤（c）利用三维打印设备，将氯化钙溶液以微液滴的方式喷射到正下方的海藻酸钠溶液中，同时搅拌海藻酸钠溶液；

步骤（d）将步骤（c）打印完得到的海藻酸钠溶液稀释，过滤，将得到的微球在真空干燥，得到空心微球；

步骤（e）将步骤（d）得到的空心微球充入特定的气体即得到超声造影剂。

8.根据权利要求7所述的基于3D打印的生物兼容性超声造影剂的制备方法，其特征在于，所述氯化钙溶液为质量百分比浓度为1-3%的氯化钙水溶液。

9.根据权利要求7所述的基于3D打印的生物兼容性超声造影剂的制备方法，其特征在于，所述海藻酸钠溶液为质量百分比浓度为0.5-0.7%的海藻酸钠水溶液。

10.根据权利要求7所述的基于3D打印的生物兼容性超声造影剂的制备方法，其特征在于，步骤（c）中，喷射速度为1-60滴/秒，搅拌速度为10-30转/分。

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