CN105492030A - 刺激响应性磁性纳米颗粒 - Google Patents

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Abstract

本公开内容提供了刺激响应性磁性纳米颗粒、制备所述磁性纳米颗粒的方法和使用所述磁性纳米颗粒的方法。所述磁性纳米颗粒包含金属氧化物核心；和包含具有与所述金属氧化物核心直接配位的末端基团的刺激响应性聚合物的壳。所述刺激响应性聚合物在至少相对于所述金属氧化物核心的聚合物近端末端上不包含胶束形成基团。

Description

刺激响应性磁性纳米颗粒
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年5月29日提交的美国专利申请号61/828,268(其公开内容在此通过引用整体并入本文)的权益。
政府许可权的声明
本发明是在由国立卫生研究院授予的EB000252和R44GM100558下通过政府资助进行的。政府具有本发明的某些权利。
背景
最近已对用于诊断和成像应用的磁性纳米颗粒(mNP)技术的开发表现出相当大的兴趣。相较于较大的磁性颗粒，较小的纳米颗粒(NP)显示在其扩散和超顺磁性性质上的潜在优势。磁泳迁移率μm被定义为物体在磁场存在的情况下的加速度，其决定将物体运动控制在磁场内的能力。室温及以上温度下的单个颗粒的μm被定义为
μ m = πμ 0 M S , C 2 D C 5 324 k B T η
其中μ0是磁常数，MS,C是mNP的饱和磁距，DC是mNP的直径，kB是玻尔兹曼常数，η是介质粘度，以及T为温度。由于它们的小粒度导致随机化的磁距，mNP的μm通常很小。这对于其中小mNP的良好扩散性质是有利的(例如，当将mNP用于经由抗体-抗原相互作用捕获诊断性靶时)应用造成固有挑战。在一个方面，小的颗粒显示更好的缔合和结合性质，但在另一方面它们的小的尺寸降低磁性捕获效率。
克服mNP的小μm的方法包括使用利用多个mNP标记的较大的大分子或物体，从具有较大MS,C的材料制备mNP，使用不可逆聚集的mNP，或使用高磁梯度。然而，大多数这些方法导致良好扩散性质的损失。此外，高磁梯度需要大量线圈和高电流。具有高MS,C的材料通常是金属或合金并且由于它们的高表面/体积比，它们易于发生可降低其MS,C的氧化事件。mNP至较大结构的预先聚集导致表面/体积比的永久性降低和mNP良好扩散性质的减弱。存在对还可在小磁场中被容易地分离的具有良好扩散性质的mNP的需要。
刺激响应性("智慧"或"智能")材料和分子响应外部刺激诸如pH；温度；紫外可见光；离子强度；某些化学物质(诸如多价离子、具有任一种电荷的聚离子或酶底物诸如葡萄糖)的浓度；以及光辐照或暴露于电场后的小变化而显示突然的性质改变。通常地这些改变在除去刺激后是完全可逆的。
聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)是温度响应性聚合物，其显示聚合物可逆聚集的最低临界溶解温度(LCST)。低于LCST，PNIPAAm链水合以形成膨胀的结构；高于LCST，PNIPAAm链脱水以形成皱缩的结构。该性质归因于水分子与疏水基团尤其是异丙基的热可逆相互作用，从而在低于LCST时导致低熵、疏水结合的水分子以及在LCST和高于LCST时导致那些水分子的释放。利用PNIPAAm对mNP的修饰产生可在温度循环通过LCST时在溶液中可逆聚集的纳米颗粒。
利用经PNIPAAm修饰的mNP的先前工作依赖于颗粒的合成后化学修饰。Chiu等人通过共沉淀FeCl3和FeCl2合成Fe3O4铁磁流体。随后将铁磁流体与PNIPAAm溶液混合，并交联以形成磁性多聚网络。Lin,C.L.和W.Y.Chiu,J.Polym.Sci.,PartA:Polym.Chem.43,5923-5934,2005。Wang等人也共沉淀FeCl3和FeCl2来合成Fe3O4颗粒。Deng,Y.等人，Adv.Mater.15,1729-1732,2003。将颗粒用氧化硅层涂覆，并用3-氨丙基三甲氧基硅烷修饰以引发NIPAAm的沉淀聚合。在两种方法中，合成后官能化需要多个步骤并且可导致颗粒聚集。存在对制备刺激响应性聚合物修饰的mNP的方法的需要，所述方法不需要广泛的合成后工作步骤并且导致最低限度的颗粒聚集。
用于刺激响应性mNP的先前合成策略还包括铁前体Fe(CO)5在胶束内的热解。例如，在100℃将Fe(CO)5注射进含有3.6mM形成胶束的PNIPAAm的四乙二醇二甲醚溶液。使用可逆片段化链转移聚合，利用2-(十二烷基硫烷基硫代羰基硫烷基)-2-甲基丙酸(DMP)链转移剂合成具有末端胶束形成部分的PNIPAAm(约5kDa)(参见，例如，Lai等人，Langmuir.23(13):7385-7391,2007)。在铁前体注射进含有PNIPAAm胶束的四乙二醇二甲醚溶液后，将溶液升至190℃，并回流6小时，随后纯化以提供具有靠近刺激响应性mNP的金属氧化物核心的胶束形成基团的刺激响应性mNP。参见，例如，美国专利第8,507,283和7,981,688号。
刺激响应性材料和分子在生物医学/制药领域中以及生物技术和相关工业中具有许多可能的应用。智能缀合物、智能表面、智能聚合胶束和智能水凝胶均都已被研究用于各种诊断、分离、细胞培养、药物递送和生物加工应用。
尽管开发了用于诊断和成像应用的mNP技术，但仍然存在对于具有良好扩散性质以及具有可逆地聚集成较大结构的能力的刺激响应性mNP和用于制备该纳米颗粒的更简单方法的需要。本公开内容寻求实现这些需要和提供进一步的相关优势。
概述
本概述被提供来以简化形式介绍概念的选择，其在下文的详细描述中被进一步描述。本概述并不旨在鉴别要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助限制要求保护的主题的范围。
在一个方面，本公开内容表征了用于制备刺激响应性磁性纳米颗粒的方法，其包括(1)提供混合物，所述混合物包含在大气压下具有大于150℃的沸点的溶剂、包含与选自Fe、Ni、Cr、Co、Gd、Dy和Mn的元素的金属阳离子配位的螯合剂的金属络合物、以及刺激响应性聚合物；和(2)加热该混合物以提供刺激响应性磁性纳米微粒，其中所述刺激响应性聚合物不包含末端胶束形成基团。
在另一个方面，本公开内容表征了刺激响应性磁性纳米微粒，其包含金属氧化物核心和包围金属氧化物核心的壳，所述壳包含含有末端羧酸酯基团的刺激响应性聚合物。所述末端羧酸酯基团与金属氧化物核心直接配位并且所述刺激响应性聚合物不包含末端胶束形成基团。
在另一个方面，本公开内容表征了使用刺激响应性磁性纳米颗粒的方法。
附图描述
当与附图结合起来考虑时，本公开内容的前述方面和许多伴随的优势将变得更容易理解，其通过参考下文的详细描述也会更好地理解，其中：
图1是制备本公开内容的mNP的方法的实施方案的流程图。
图2A-2C是捕获和释放本公开内容的mNP的实施方案的方法的示意图。
图3A-3D是显示本公开内容的刺激响应性mNP的实施方案的结构和功能性质的图。mNP包含在聚合物的近端末端不包含胶束形成基团的亲水刺激响应性聚合物。图3A是显示6个不同mNP批次的粒度的图，如通过动态光散射测量的。图3B是显示mNP的31℃的最低临界溶解温度(LCST)(温度反应性的量度)的图。图3C是显示mNP的刺激响应性聚合物对Fe的质量比的图，如通过热重分析测量的。图3D是显示mNP在低于(22℃)和高于(37℃)LCST下的分离效率的图。
详述
本公开内容提供刺激响应性磁性纳米颗粒(mNP)、制备mNP的方法和使用mNP的方法。mNP包括金属氧化物核心；和包含具有直接与金属氧化物核心配位的末端基团的刺激响应性聚合物的壳。刺激响应性聚合物至少在聚合物的近端末端(相对于金属氧化物核心)上不包含胶束形成基团。
当与在靠近mNP的金属氧化物核心的聚合物末端上包含胶束形成基团的刺激响应性聚合物相比较时，本公开内容的刺激响应性聚合物(即，当与金属氧化物核心配位时，在靠近mNP的金属氧化物核心的聚合物末端上不具有胶束形成基团)提供许多优势。如将在下文实施例1中所证明的，当将在任何聚合物末端上不包含胶束形成基团的刺激响应性聚合物用于本公开内容的方法时，相较于使用在聚合物末端上包含胶束形成基团的刺激响应性聚合物制备的mNP，产生了具有出人意料的改善性质的mNP。具体地，使用在聚合物末端上包含胶束形成基团的刺激响应性聚合物制备的mNP具有低产率，尺寸较不均一，不能可再现地合成，并且可不期望地不溶于水性环境。此外，利用在聚合物末端上具有胶束形成基团的刺激响应性聚合物制备的mNP可具有不期望的较大尺寸和较低的LCST值(即，接近室温)，这使得纳米颗粒在环境条件下的操作存在挑战。
定义
在本说明书中的不同地方，以组或范围公开了本公开内容的化合物的取代基。特别期望的是本公开内容包括这样的组和范围的成员的每一个个别亚组合。例如，术语"C1-6烷基"特别地旨在个别地公开甲基、乙基、C3烷基、C4烷基、C5烷基和C6烷基。
还应理解，在单独的实施方案的上下文中描述(为了清楚)的本公开内容的某些特性还可在单个实施方案中组合提供。
相反地，在单个实施方案的上下文中描述(为了简洁)的本公开内容的各种特性还可单独地或以任何适当的亚组合提供。
如本文中所用，术语"金属络合物"是指含金属的化合物，其包含中心金属原子或离子和结合的分子或离子(即，配体)的周围阵列。
如本文中所用，术语"配位"或"配价"是指配体(例如，螯合剂)与中心金属原子之间形成的键，其中通常通过将电子从孤电子对提供至空金属轨道中来将配体结合于中心原子，以使得配体与所述原子配位。在一些实施方案中，不是将电子从孤电子对提供至空金属轨道中，而是有机配体诸如烯烃类的π键可与空金属轨道配位。
如本文中所用，术语"螯合剂"是指可与中心原子形成两个或更多个单独的配位键的化合物。
如本文中所用，术语"流体力学直径"是指溶剂(例如，水)中水合的可溶性刺激响应性mNP的表观尺寸，如通过动态光散射测量的。
如本文中所用，术语"共聚物"是指作为两种或更多种不同单体的聚合结果的聚合物。各结构单元的数目和性质可在共聚物中单独地控制。除非另外明确地声明，否则可以以完全随机、随机交替、规则交替、规则嵌段或随机嵌段构型排列结构单元。完全随机构型可以例如为：x-x-y-z-x-y-y-z-y-z-z-z...或y-z-x-y-z-y-z-x-x....。随机交替构型可以为：x-y-x-z-y-x-y-z-y-x-z…，规则交替构型可以为：x-y-z-x-y-z-x-y-z…。规则嵌段构型具有以下一般构型：…x-x-x-y-y-y-z-z-z-x-x-x…，而随机嵌段构型具有一般构型：…x-x-x-z-z-x-x-y-y-y-y-z-z-z-x-x-z-z-z-…。
如本文中所用，术语"取代的"或"取代"意欲指用除H外的取代基替代氢原子。例如，”N-取代的哌啶-4-基"是指用非氢取代基诸如例如烷基替代哌啶基的NH的氢原子。
如本文中所用，术语"烷基"是指直链或支链完全饱和的(无双键或三键)烃(仅有碳和氢)基。烷基的实例包括，但不限于，甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基和己基。如本文中所用，“烷基”包括“亚烷基”基团，其是指具有两个而非一个用于与其它基团键合的开放化合价的直链或支链完全饱和的烃基。亚烷基的实例包括但不限于：亚甲基、-CH2-、亚乙基、-CH2CH2-、亚丙基、-CH2CH2CH2-、正亚丁基、-CH2CH2CH2CH2-、仲亚丁基和-CH2CH2CH(CH3)-。本公开内容的烷基可任选地被一个或多个氟基取代。
如本文中所用，术语"芳基"是指单环或多环(例如，具有2、3或4个稠环)芳香烃类诸如，例如，苯基、萘基、蒽基、菲基、茚满基和茚基。在一些实施方案中，芳基具有6至约20个碳原子。
如本文中所用，术语“卤代”或“卤素”包括氟(代)、氯(代)、溴(代)和碘(代)。
如本文中所用，术语“脂肪酸”是指具有拥有长脂族链的羧酸的分子，其可以是饱和的或不饱和的。
如本文中所用，术语“疏水性嵌段”是指包含比亲水结构单元更多的疏水结构单元的聚合物嵌段。疏水结构单元在典型的水性条件下不是可电离的并且包含一个或多个疏水性部分(例如，烷基、芳基等)。
如本文中所用，术语聚合物的“结构单元”是指聚合物中的原子或原子团，包括与其侧挂的原子或原子团(如果存在话)一起的一部分链。结构单元可指重复单元。结构单元也可以指聚合物链上的末端基团。例如，聚乙二醇的结构单元可以是对应于重复单元的–CH2CH2O-或对应于末端基团的–CH2CH2OH。
如本文中所用，术语“重复单元”对应于最小的结构单元，其重复构成了规则大分子(或寡聚物分子或嵌段)。
如本文中所用，术语“末端基团”是指位于聚合物末端的仅具有一个与聚合物链的附接的结构单元。例如，在单体单元已被聚合后，末端基团可来源于聚合物末端上的单体单元。作为另一个实例，末端基团可以是用于合成聚合物的链转移剂或引发剂的一部分。
如本文中所用，术语聚合物的“末端”是指位于聚合物骨架末端的聚合物结构单元。
如本文中所用，术语聚合物的“近端”是指在使用本文中描述的方法形成mNP后，位于与mNP的金属氧化物核心配位的聚合物骨架末端的聚合物结构单元。聚合物骨架的末端上的结构单元(即，末端基团)可以例如来源于聚合物末端上的单体单元(在单体单元已被聚合后)，或末端基团可以是用于合成聚合物的链转移剂或引发剂的一部分。
如本文中所用，术语聚合物的“远端”是指位于远离聚合物的近端末端的聚合物骨架末端上的结构单元。在一些实施方案中，聚合物可以有多于一个远端末端，诸如在支链聚合物的情况下，其中远端末端对应于远离聚合物的近端末端的所有聚合物骨架末端。
如本文中所用，术语“胶束形成基团”是指能够在极性溶剂中形成胶束的基团。
如本文中所用，术语“刺激响应性”是指可通过显示性质变化来响应外部刺激的变化的材料，所述外部刺激为例如pH、温度、紫外可见光、光辐照、对电场的暴露、离子强度和某些化学物质的浓度。
除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与由本领域普通技术人员通常所理解的相同的含义。尽管与本文所述的方法和材料类似或等同的方法和材料可用于本公开内容的实践或测试，但下文描述了合适的方法和材料。本文中提及的所有出版物、专利申请、专利和其它参考文献通过引用整体并入。在冲突的情况下，以本说明书(包括定义)为准。此外，材料、方法和实例仅是说明性的，并不旨在进行限制。
制备mNP的方法
在一个方面，提供了用于制备刺激响应性mNP的方法。参照图1，所述方法包括步骤100：提供包含溶剂、金属络合物和刺激响应性聚合物的混合物；和步骤110：加热该混合物以提供刺激响应性mNP。所述刺激响应性mNP包含金属氧化物核心；和包含具有与所述金属氧化物核心直接配位的末端基团的刺激响应性聚合物的壳。当将刺激响应性与刺激响应性mNP配位时，刺激响应性聚合物至少在靠近金属氧化物核心的聚合物末端上不包含胶束形成基团。
现更详细地描述第一步骤100的混合物。
所述混合物包含溶剂。在一个实施方案中，溶剂在大气压下具有高于150℃的沸点。在一些实施方案中，溶剂具有大于2.4的极性指数。在某些实施方案中，溶剂是相对极性的。合适的溶剂的非限制性实例包括二乙二醇二甲醚，三乙二醇二甲醚，四乙二醇二甲醚，乙酰丙酮，苯甲醚，苄腈，环己酮，N,N-二甲基苯胺，N,N-二甲基甲酰胺，二甲亚砜，苄醇，环己醇，二乙二醇，正庚醇，正辛醇，二甲苯，甲苯或其任意组合。例如，当使用溶剂混合物时，溶剂可以包含相对于溶剂混合物按体积计从0％(例如，从10％、从20％、从30％、从40％或从45％)至55％(例如，至45％、至40％、至30％、至20％或至10％)的一种溶剂(例如，二甲苯和/或甲苯)，只要所有溶剂组分的总百分比为100％。在一些实施方案中，合适的溶剂能溶解金属络合物和/或刺激响应性聚合物。在一些实施方案中，溶剂包括寡聚乙二醇醚，诸如四乙二醇二甲醚。
所述混合物还包含金属络合物。所述金属络合物包括与金属阳离子配位的螯合剂，所述金属阳离子可以是铁(Fe)、镍(Ni)、铬(Cr)、钴(Co)、钆(Gd)、镝(Dy)、锰(Mn)的金属阳离子。所述金属络合物包含具有小于1000Da(例如，小于750Da，小于500Da，或小于250Da)的分子量的螯合剂。在某些实施方案中，螯合剂是小分子。螯合剂与混合物中的刺激响应性聚合物不同。在一些实施方案中，螯合剂包含能够与金属阳离子配位的官能团，诸如羧酸(其可以以羧酸盐的形式配位)、伯胺和/或仲胺。例如，螯合剂可包括可以是饱和或不饱和(即，包含一个或多个双键或三键)的C8-28脂肪酸、二吡啶、4-乙烯基吡啶、乙二胺、乙二胺四乙酸及其衍生物。在一些实施方案中，饱和或不饱和C8-28脂肪酸、二吡啶、4-乙烯基吡啶、乙二胺和乙二胺四乙酸可各自任选被1、2、3或4个选自C1-4烷基、卤素或卤代烷基的取代基取代。饱和或不饱和C8-28脂肪酸的非限制性实例包括棕榈油酸、sapienicacid、油酸、反油酸、亚油酸、花生四烯酸、辛酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、花生酸、山嵛酸、木蜡酸和蜡酸。在一些实施方案中，螯合剂是油酸。
在一些实施方案中，金属络合物在掺入混合物之前例如在单独的反应中产生。可在添加至混合物中之前从单独的反应分离金属络合物。在其它实施方案中，在混合物中原位产生金属络合物，例如，通过将金属阳离子(例如，铁(III)，诸如FeCl3)和螯合剂(例如，油酸盐，诸如油酸钠)添加至混合物中。
在一些实施方案中，金属阳离子是Fe、Ni、Cr、Co、Gd、Mn或其组合的金属阳离子。金属阳离子的非限制性实例包括Fe(II)、Fe(III)、Ni(II)、Cr(II)、Cr(III)、Cr(VI)、Co(II)、Co(III)、Gd(III)、Mn(II)、Mn(III)、Mn(IV)、Mn(VI)、Dy(III)及其组合。在一些实施方案中，金属阳离子是Fe、Ni或Co的金属阳离子。例如，金属阳离子可以是Fe(III)、Ni(II)或Co(III)。在一个实施方案中，金属阳离子为Fe(III)。
在某些实施方案中，金属络合物是油酸铁(例如，三(油酸)铁(III)。
在一些实施方案中，混合物可包含浓度为从溶剂的5mg/mL(例如，从20mg/mL、从40mg/mL、从60mg/mL或从80mg/mL)至110mg/mL(例如，至80mg/mL、至60mg/mL、至40mg/mL或至20mg/mL)的金属络合物。
混合物还包含刺激响应性聚合物。刺激响应性聚合物在制备本公开内容的刺激响应性mNP的方法过程中在混合物中不形成胶束。所述刺激响应性聚合物可以是任何已知的刺激响应性聚合物，前提是该聚合物不包含能够在聚合物的近端末端上或在近端和远端聚合物末端上形成胶束的基团。可用于本公开内容的方法的刺激响应性聚合物的非限制性实例在下文中进行了更详细描述。在一些实施方案中，刺激响应性聚合物在任何末端上不具有胶束形成基团。在一些实施方案中，刺激响应性聚合物不具有胶束形成基团(例如，在任何末端如侧挂基团上或在聚合物骨架上无胶束形成基团)。如将在下文实施例1中论述的，令人惊讶地发现，当将在任何聚合物末端上不包含胶束形成基团的刺激响应性聚合物用于本公开内容的方法时，相较于使用在聚合物末端上包含胶束形成基团的刺激响应性聚合物制备的mNP，产生了具有出人意料的更好性质的mNP。
在某些实施方案中，刺激响应性聚合物包括可任选地用末端官能团(例如，近端末端基团，或近端或远端末端基团中的任何一个)取代的N-异丙基丙烯酰胺的聚合物或共聚物，所述末端官能团为例如羧酸、伯胺、仲胺、硫醇、羟基、醛、酮、叠氮化物、酰肼或者其任意组合。所述混合物可包含浓度为从2mg/mL(例如，从15mg/mL,、从30mg/mL、从45mg/mL或从60mg/mL)至75mg/mL(例如，至72mg/mL、至60mg/mL、至45mg/mL、至30mg/mL或至15mg/mL)的刺激响应性聚合物。
刺激响应性聚合物
刺激响应性聚合物可以是具有刺激响应性质的任何聚合物，前提是该聚合物不包含能够在近端聚合物末端上或近端和远端聚合物末端上形成胶束的基团。所述刺激响应性聚合物可以是响应刺激而改变其缔合性质(例如，从亲水性改变成疏水性)的各种聚合物的任一种。刺激响应性聚合物通过表现出性质变化来响应外部刺激的变化，所述外部刺激为例如pH、温度、紫外可见光、光辐照、对电场的暴露、离子强度和某些化学物质的浓度。所述化学物质可以是多价离子诸如钙离子、具有任一电荷的聚离子或酶底物诸如葡萄糖。例如，温度响应性聚合物通过在水溶液中表现出LCST而响应温度的变化。刺激响应性聚合物可以是多响应性聚合物，其中聚合物响应两个或更多个外部刺激的组合的同时或连续变化而表现出性质变化。
刺激响应性聚合物可以是合成的或天然的聚合物，其响应刺激诸如温度、光、pH、离子或压力的变化而表现出可逆的构象或物理-化学变化诸如折叠/解折叠转换、可逆沉淀行为或其它构象变化。代表性刺激响应性聚合物包括温度敏感性聚合物、pH敏感性聚合物以及光敏聚合物。
可用于制备本文所述的纳米颗粒的刺激响应性聚合物可以是对引起聚合物的显著构象变化的刺激敏感的任何刺激响应性聚合物。本文所描述的举例说明性聚合物包括温度敏感性、pH敏感性、离子敏感性和/或光敏聚合物。Hoffman,A.S.,"IntelligentPolymersinMedicineandBiotechnology",Artif.Organs.19:458-467,1995；Chen,G.H.和A.S.Hoffman,"ANewTemperature-andPh-ResponsiveCopolymerforPossibleUseinProteinConjugation",Macromol.Chem.Phys.196:1251-1259.1995；Irie,M.和D.Kungwatchakun,"PhotoresponsivePolymers.MechanochemistryofPolyacrylamideGelsHavingTriphenylmethaneLeucoDerivatives",Makromol.Chem.,RapidCommun.5:829-832,1985；以及Irie,M.,"Light-inducedReversibleConformationalChangesofPolymersinSolutionandGelPhase",ACSPolym.Preprints,27(2):342-343,1986；其每一篇通过引用并入本文。
可合成分子量在约1,000至50,000道尔顿范围内的可用于本文所述的纳米颗粒的刺激响应性寡聚物和多聚物。在一个实施方案中，这些合成基于乙烯基类型单体的链转移引发的自由基聚合，如在本文和如下文献中所描述的：(1)Tanaka,T.,"Gels",Sci.Amer.244:124-138.1981；(2)Osada,Y.和S.B.Ross-Murphy,"IntelligentGels",Sci.Amer,268:82-87,1993；(3)Hoffman,A.S.,"IntelligentPolymersinMedicineandBiotechnology",Artif.Organs19:458-467,1995；以及Macromol.Symp.98:645-664,1995；(4)Feijen,J.,等人，"ThermosensitivePolymersandHydrogelsBasedonN-isopropylacrylamide",11thEuropeanConf.onBiomtls:256-260,1994；(5)Monji,N.和A.S.Hoffman,"ANovelImmunoassaySystemandBioseparationProcessBasedonThermalPhaseSeparatingPolymers",Appl.Biochem.andBiotech.14:107-120,1987；(6)Fujimura,M.,T.Mori和T.Tosa,"PreparationandPropertiesofSoluble-InsolubleImmobilizedProteases",Biotech.Bioeng.29:747-752,1987；(7)Nguyen,A.L.和J.H.T.Luong,"SynthesisandApplicationsofWater-SolubleReactivePolymersforPurificationandImmobilizationofBiomolecules",Biotech.Bioeng.34:1186-1190,1989；(8)Taniguchi,M.,等人，"PropertiesofaReversibleSoluble-InsolubleCellulaseandItsApplicationtoRepeatedHydrolysisofCrystallineCellulose",Biotech.Bioeng.34:1092-1097,1989；(9)Monji,N.,等人，"ApplicationofaThermally-ReversiblePolymer-AntibodyConjugateinaNovelMembrane-BasedImmunoassay",Biochem.andBiophys.Res.Comm.172:652-660,1990；(10)Monji,N.C.A.Cole和A.S.Hoffman,"Activated,N-SubstitutedAcrylamidePolymersforAntibodyCoupling:ApplicationtoaNovelMembrane-BasedImmunoassay",J.Biomtls.Sci.PolymerEd.5:407-420,1994；(11)Chen,J.P.和A.S.Hoffman,"Polymer-ProteinConjugates:AffinityPrecipitationofHumanIgGbyPoly(N-IsopropylAcrylamide)-ProteinAConjugates",Biomtls.11:631-634,1990；(12)Park,T.G.和A.S.Hoffman,"SynthesisandCharacterizationofaSoluble,Temperature-SensitivePolymer-ConjugatedEnzyme,J.Biomtls.Sci.PolymerEd.4:493-504,1993；(13)Chen,G.H.和A.S.Hoffman,PreparationandPropertiesofThermo-Reversible,Phase-SeparatingEnzyme-Oligo(NIPAAm)Conjugates",Bioconj.Chem.4:509-514,1993；(14)Ding,Z.L.,等人，"SynthesisandPurificationofThermally-SensitiveOligomer-EnzymeConjugatesofPoly(NIPAAm)-Trypsin",Bioconj.Chem.7:121-125,1995；(15)Chen,G.H.和A.S.Hoffman,"ANewTemperature-andpH-ResponsiveCopolymerforPossibleUseinProteinConjugation",Macromol.Chem.Phys.196:1251-1259,1995；(16)Takei,Y.G.,等人，"Temperature-responsiveBioconjugates.1.SynthesisofTemperature-ResponsiveOligomerswithReactiveEndGroupsandtheirCouplingtoBiomolecules",Bioconj.Chem.4:42-46,1993；(17)Takei,Y.G.,等人，"Temperature-responsiveBioconjugates.2.MolecularDesignforTemperature-modulatedBioseparations",Bioconj.Chem.4:341-346,1993；(18)Takei,Y.G.,等人，"Temperature-responsiveBioconjugates.3.Antibody-Poly(N-Isopropylamide)ConjugatesforTemperature-ModulatedPrecipitationsandAffinityBioseparations",Bioconj.Chem.5:577-582,1994；(19)Matsukata,M.,等人，"TemperatureModulatedSolubility-ActivityAlterationsforPoly(N-Isopropylacrylamide)-LipaseConjugates",J.Biochem.116:682-686,1994；(20)Chilkoti,A.,等人，"Site-SpecificConjugationofaTemperature-SensitivePolymertoaGenetically-EngineeredProtein",Bioconj.Chem.5:504-507,1994；以及(21)Stayton,P.S.,等人，"ControlofProtein-LigandRecognitionUsingaStimuli-ResponsivePolymer",Nature378:472-474,1995。
可用于本公开内容的纳米颗粒的刺激响应性聚合物包括具有刺激响应性行为的均聚物和共聚物。其它合适的刺激响应性聚合物包括具有一个或多个刺激响应性聚合物组分的嵌段和接枝共聚物。合适的刺激响应性嵌段共聚物可包括，例如，温度敏感性聚合物嵌段或pH敏感性嵌段。合适的刺激响应性接枝共聚物可以包括，例如，pH敏感性聚合物骨架和侧挂温度敏感性聚合物组分，或温度敏感性聚合物骨架和侧挂pH敏感性聚合物组分。具有温度敏感性或PH敏感性组分的聚合物在低于其LCST下可以是亲水性的，并且在近端末端或近端和远端末端两者上不具有胶束形成基团。
刺激响应性聚合物可包括具有亲水和疏水基团的平衡的聚合物，诸如N-异丙基丙烯酰胺的聚合物和共聚物。智能乙烯基类型聚合物中适当的亲水性/疏水性平衡例如通过利用与水进行疏水性键合的约2-6个碳的侧挂疏水基团和与水进行氢键合的侧挂极性基团诸如酰胺、酸、胺或羟基来实现。其它极性基团包括磺酸基团、硫酸基团、磷酸基团和铵离子基团。优选实施方案是对于3-4个碳(例如，丙基、异丙基、正丁基、异丁基和叔丁基)与酰胺基团组合(例如，PNIPAAm)，或对于2-4个碳(例如，乙基、丙基、异丙基、正丁基、异丁基和叔丁基)与羧酸基团组合(例如，PPAA)。还存在聚醚(诸如具有PEO-PPO-PEO的组成的PLURONIC聚合物)或聚酯-醚组合物(诸如PLGA-PEG-PLGA)的智能A-B-A(还有A-B-C)嵌段共聚物的家族。在一个实施方案中，刺激响应性聚合物是温度响应性聚合物聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)。具有亲水和疏水基团的平衡的聚合物在低于其LCST下可以是亲水性的，并且在近端末端或近端和远端末端两者上不具有胶束形成基团。
可用于本公开内容的刺激响应性聚合物可以是具有不同或多个刺激响应性的智能聚合物，诸如响应pH或光的均聚物。还可使用具有双敏感性诸如pH和温度、光和温度或pH和光的嵌段、接枝或随机共聚物。
温度敏感性聚合物
可与相互作用分子缀合的多种不同类型的温度敏感性聚合物的举例说明性实施方案是N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)的聚合物和共聚物。PNIPAAm是在32℃从水沉淀出来的热敏感性聚合物，32℃是其最低临界溶解温度(LCST)或浊点(Heskins和Guillet,J.Macromol.Sci.-Chem.A2:1441-1455,1968)。当将PNIPAAm与更亲水的共聚单体诸如丙烯酰胺共聚合时，LCST升高。当将其与更疏水的共聚单体诸如N-叔丁基丙烯酰胺共聚合时，发生相反结果。NIPAAm与更亲水的单体诸如AAm的共聚物具有较高的LCST和较宽的沉淀温度范围，而与更疏水的单体诸如N-叔丁基丙烯酰胺的共聚物具有较低的LCST并且通常更可能保留PNIPAAm的急剧转换特征(Taylor和Cerankowski,J.PolymerSci.13:2551-2570,1975；Priest等人，ACSSymposiumSeries350:255-264,1987；以及Heskins和Guillet,J.Macromol.Sci.-Chem.A2:1441-1455,1968，其公开内容并入本文)。可产生具有较高或较低LCST和较宽沉淀温度范围的共聚物。本公开内容的N-异丙基丙烯酰胺的聚合物和共聚物可具有不同比例的亲水性和疏水性共聚单体，但在近端末端或在近端和远端末端两者上不具有胶束形成基团。
氨基封端的聚合物的合成通过在AINB(作为引发剂)和1-氨基乙硫醇-氢氯化物(作为链转移剂)存在的情况下进行NIPAAm的自由基聚合来进行。为了合成具有-COOH或-OH末端基团的链，分别使用羧基-或羟基-硫醇链转移剂替代氨基硫醇。应当指出的是，末端反应性聚合物的合成基于链转移起始和终止机制。这产生相对短的聚合物链，其具有介于1000Da与25,000Da至30,000Da之间某处的分子量。分子量低于10,000的最短链通常被称为“寡聚物”。具有不同分子量的寡聚物可通过简单地改变单体对链转移剂的比率，以及控制其浓度水平连同引发剂的浓度水平来合成。可用于本公开内容的聚合物还可通过可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合来制备。
在一个末端上具有反应性基团的NIPAAm(或其它乙烯基单体)的寡聚物通过使用AIBN作为引发剂，加上在一个末端上具有硫醇(-SH)基团和在另一个末端上具有所需的"反应性"基团(例如，-OH、-COOH、-NH2)的链转移剂进行NIPAAm的自由基聚合来制备，Chen和Hoffman,BioconjugateChem.4:509-514,1993以及Chen和Hoffman,J.BiomaterialsSci.PolymerEd.5:371-382,1994，其每一个通过引用并入本文。NIPAAm的寡聚物在近端末端或在近端和远端末端两者上不具有胶束形成基团。适量的NIPAAm、AIBN和链转移试剂(在DMF中)被放置在厚壁聚合管中，并且通过冷冻和抽真空随后解冻(4次)来除去混合物的气体。在最后一次冷却后，将管抽真空，并在聚合之前密封。将所述管浸入60℃水浴中，持续4小时。通过沉淀至二乙醚中分离所得的聚合物，并称重以测定产率。通过滴定(如果末端基团是胺或羧基)、通过气相渗透压测定法(VPO)或凝胶渗透色谱法(GPC)测定聚合物的分子量。
在一些实施方案中，还可将温度敏感性寡肽掺入纳米颗粒。
pH-敏感性聚合物
可用于制备本文所述的纳米颗粒的合成的pH敏感性聚合物通常基于pH敏感性乙烯基单体，诸如丙烯酸(AAc)、甲基丙烯酸(MAAc)及其它烷基取代的丙烯酸诸如乙基丙烯酸(EAAc)、丙基丙烯酸(PAAc)和丁基丙烯酸(BAAc)、马来酸酐(MAnh)、马来酸(MAc)、AMPS(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸)、N-乙烯基甲酰胺(NVA)、N-乙烯基乙酰胺(NVA)(最后两个可在聚合后被水解成聚乙烯胺)、氨乙基甲基丙烯酸酯(AEMA)、磷酰基丙烯酸乙酯(PEA)或甲基丙烯酸酯(PEMA)。pH敏感性聚合物还可从氨基酸合成为多肽(例如，多聚赖氨酸或多聚谷氨酸)，或衍生自天然存在的聚合物诸如蛋白质(例如，溶菌酶、白蛋白、酪蛋白)或多糖(例如，海藻酸、透明质酸、角叉菜胶、壳聚糖、羧甲基纤维素)或核酸诸如DNA。pH响应性聚合物通常含有侧挂pH敏感性基团诸如-OPO(OH)2、-COOH或-NH2基团。通过pH响应性聚合物，pH的小变化可刺激相分离，类似于温度对PNIPAAm溶液的作用(Fujimura等人，Biotech.Bioeng.29:747-752,1987)。通过将热敏感性NIPAAm与少量(例如，少于10摩尔百分比)pH敏感性共聚单体诸如AAc随机共聚合，共聚物将显示温度和pH敏感性。在其中共聚单体不被电离的pH下，该共聚物的LCST将几乎不受影响，有时甚至降低几度，但如果pH敏感性基团被电离，则其会显著升高。当pH敏感性单体以较高含量存在时，温度敏感性组分的LCST响应可被“消除”(例如，在达到和高于100℃未看到相分离)。本公开内容的pH敏感性聚合物在近端末端或在近端和远端末端两者上不具有胶束形成基团。
可合成pH和温度敏感性单体的接枝和嵌段共聚物，所述共聚物独立地保留pH和温度转换。Chen,G.H.和A.S.Hoffman,Nature373:49-52,1995。例如，具有pH敏感性嵌段(聚丙烯酸)和温度敏感性嵌段(PNIPAAm)的嵌段共聚物可用于本公开内容。本公开内容的具有pH和温度敏感性的接枝和嵌段共聚物在近端末端或在近端和远端末端两者上不具有胶束形成基团。
光敏聚合物
光响应性聚合物通常含有侧挂于或沿着聚合物的主链的发色基团，并且当暴露于适当波长的光时，可从反式形式异构化至顺式形式，其是偶极且更亲水的并且可引起可逆聚合物构象变化。其它光敏化合物还可通过光刺激从相对非极性的疏水的非电离状态转换为亲水的离子状态。
在侧挂光敏基团聚合物的情况下，光敏染料诸如芳族偶氮化合物或均二苯代乙烯衍生物，可缀合于反应性单体(例外是染料诸如叶绿酸，其已具有乙烯基)随后与其它常规单体均聚或共聚，或使用如上所述的链转移聚合与温度敏感性或pH敏感性单体共聚合。还可将光敏基团缀合于不同的(例如，温度)响应性聚合物的一个末端。许多用于这样的染料缀合单体合成的方案是已知的。
虽然侧挂和主链光敏聚合物可被合成并用于本文所述的方法和应用，但优选的光敏聚合物及其共聚物通常从含有光敏侧挂基团的乙烯基单体合成。这些类型的单体的共聚物通过利用“标准”水溶性共聚单体诸如丙烯酰胺以及还用温度或pH敏感性共聚单体诸如NIPAAm或AAc来制备。本公开内容的光敏聚合物和共聚物在近端末端或在近端和远端末端两者上不具有胶束形成基团。
光敏化合物可以是染料分子，所述染料分子在其吸收某些波长的光时异构化或被电离，从而将其从疏水性构象转换为亲水性构象，或它们可以是当吸收某些波长的光时放热的其它染料分子。在前者的情况下，单独的异构化可引起链膨胀或塌陷，而在后一种情况下，只有当其也是温度敏感性时，聚合物才会沉淀。
光响应性聚合物通常含有侧挂于聚合物的主链的发色基团。已使用过的典型发色基团是芳族重氮染料(Ciardelli,Biopolymers23:1423-1437,1984；Kungwatchakun和Irie,Macromol.Chem.,RapidCommun.9:243-246,1988；Lohmann和Petrak,CRCCrit.Rev.Therap.DrugCarrierSystems5:263,1989；Mamada等人，Macromolecules23:1517,1990，其每一篇通过引用并入本文)。当将该类型的染料暴露于350-410nm的紫外光时，芳族重氮染料的反式形式(其为更疏水的)被异构化为顺式形式，其为偶极且更亲水的，并且这可导致聚合物构象变化，从而使混浊的聚合物溶液变澄清，这取决于针对骨架的染料缀合程度和骨架的主单元的水溶性。对约750nm可见光的暴露会逆转该现象。还可将这样的光敏染料沿着骨架的主链掺入，使得因染料的光诱导异构化而引起的构象变化会导致聚合物链构象变化。侧挂染料至亲水或疏水状态的转化也可导致个别链扩张或收缩其构象。当聚合物主链含有光敏基团(例如，偶氮苯染料)时，光刺激的状态可实际上收缩并在光诱导异构化后变得更亲水。光敏聚合物可包括具有侧挂或骨架偶氮苯基团的聚合物。
特定离子敏感性聚合物
还可将多糖(诸如角叉菜胶)用作刺激响应性聚合物，所述多糖将其构象例如作为对特定离子诸如钾或钙的暴露的函数从随机构象改变成有序构象。在另一个实例中，可通过暴露于钙来胶化海藻酸钠的溶液。其它特定离子敏感性聚合物包括具有侧挂离子螯合基团诸如组氨酸或EDTA的聚合物。
双或多敏感性聚合物
如果光敏聚合物也是热敏感性的，则沿着骨架缀合的发色基团至更疏水或亲水构象的紫外光或可见光刺激的转化还可刺激共聚物的溶解或沉淀，这取决于聚合物组成和温度。如果染料吸收光并将其转化为热能而非刺激异构化，则当系统温度接近相分离温度时，局部加热也可刺激温度敏感性聚合物诸如PNIPAAm的相变。通过乙烯基单体共聚合沿着一个骨架掺入多个敏感性诸如温度和光敏感性、或温度和pH敏感性的能力给响应性聚合物-蛋白缀合物的合成和性质赋予极大多能性。例如，可使用结合蛋白识别位点的染料，并且光诱导异构化可引起染料从结合袋的松动或脱离(Bieth等人，Proc.Natl.Acad.Sci.USA64:1103-1106,1969)。这可用于通过将染料缀合于温度响应性聚合物诸如可从Carbide获得的环氧乙烷-环氧丙烷(EO-PO)随机共聚物的游离末端来操纵亲和过程。这些聚合物-(CH2CH2O)x-(CH2CHCH3O)y-具有两个反应性末端基团。取决于EO/PO比率、分子量和浓度，相分离点(浊点)可在大范围内变化，并且一个末端可用配体染料进行衍生，另一个末端用-SH反应性基团诸如乙烯基砜(VS)进行衍生。
再次参照图1，制备刺激响应性纳米颗粒的方法还包括步骤110，其包括加热混合物以提供刺激响应性mNP。通过所述方法产生的刺激响应性mNP具有下文中更详细描述的类型。
在一些实施方案中，在包含氧的大气(例如，环境大气)下进行加热步骤。在其它实施方案中，在基本上无氧(例如，95％无氧、97％无氧、99％无氧或更多)的大气下进行加热步骤。加热步骤可以是至100℃和240℃之间(例如，介于140℃和240℃之间、介于160℃和200℃之间、介于160℃和190℃之间、介于170℃和240℃之间或介于190℃和240℃之间)的温度。在一些实施方案中，加热步骤包括在对应于溶剂的沸点的温度下回流混合物。在一些实施方案中，可在压力下进行加热步骤。例如，可在从1巴(例如，从50巴、从100巴、从150巴)至200巴(例如，至150巴、至100巴、至50巴)的大气压的压力下进行加热步骤。加热步骤可以进行从1小时(例如，从2小时、从4小时、从6小时或从8小时)至10小时(例如，至8小时、至6小时、至4小时或至2小时)的持续时间。
在一些实施方案中，在加热步骤后，通过在其中刺激响应性mNP是不可溶的溶剂(例如，疏水性溶剂，诸如戊烷)中沉淀来分离刺激响应性mNP。可以例如通过正切流动过滤、通过透析或通过超滤来纯化刺激响应性mNP。
磁性纳米颗粒
在另一个方面，上述方法提供了刺激响应性mNP，其包含金属氧化物核心；和围绕所述金属氧化物核心的壳。所述壳包含刺激响应性聚合物，其具有与金属氧化物核心直接配位的末端基团，诸如羧酸酯、伯胺和/或仲胺。所述刺激响应性聚合物至少在聚合物的近端末端上不包含胶束形成基团。
在一些实施方案中，刺激响应性纳米颗粒包含含有从金属阳离子形成的磁性金属氧化物的核心。磁性金属氧化物的非限制性实例包括，例如氧化铁(例如，三氧化二铁、氧化亚铁)、氧化镍、氧化镍、氧化铬、氧化钆、氧化镝、氧化锰或其任意组合。
在一些实施方案中，刺激响应性聚合物通过刺激响应性聚合物上的末端官能团(例如，羧酸酯、伯胺、仲胺、羟基、醛、酮、叠氮化物和/或酰肼)与核心配位。刺激响应性聚合物不包含能够在相对于金属氧化物核心的近端聚合物末端上或在相对于金属氧化物核心的近端和远端聚合物末端两者上形成胶束的基团(烷基、芳基、疏水性共聚物嵌段、多肽等)。在一些实施方案中，刺激响应性聚合物在任何末端上不具有胶束形成基团。在一些实施方案中，刺激响应性聚合物不具有胶束形成基团(例如，在任何末端如侧挂基团上或在聚合物骨架上无胶束形成基团)。
在某些实施方案中，刺激响应性聚合物包括N-异丙基丙烯酰胺的聚合物和共聚物，并且N-异丙基丙烯酰胺的聚合物和共聚物包括具有下式的远离金属氧化物核心的末端：
在一些实施方案中，刺激响应性mNP包括1:1至3:1(例如，2:1至3:1，或1:1至2:1)的刺激响应性聚合物对金属氧化物的质量比。例如，聚合物对金属氧化物的质量比可以为2:1。聚合物的质量比可以例如通过热重分析法根据刺激响应性聚合物分解质量损失和聚合物去除后剩余质量的比率来测定。
在一些实施方案中，刺激响应性纳米颗粒具有从10nm(例如，从20nm、从30nm或从40nm)至60nm(例如，至40nm、至30nm或至20nm)的流体力学直径。例如，刺激响应性纳米颗粒可具有10nm至35nm(例如，15nm至30nm)的流体力学直径。刺激响应性纳米颗粒可响应刺激诸如温度、pH、光、电场和/或离子强度。
聚合物捕获
结合对。在一些实施方案中，刺激响应性mNP包括具有用于共价偶联捕获分子的远端末端官能团的聚合物。刺激响应性聚合物上的末端官能团是指任何可被衍生以使其与捕获部分诸如羧基、羟基和胺基反应的可反应基团。末端官能团可被衍生以形成反应性基团诸如硫醇、酮、N-羟基琥珀酰亚胺酯、N-羟基马来酰亚胺酯、四氟苯基酯、五氟苯酯、羰基咪唑、碳二亚胺酯、乙烯基砜、丙烯酸酯、苄基卤、甲苯磺酸酯、三氟乙基磺酸酯、醛、酰肼、酰卤、对-硝基酚酯和氢过氧化物。在一个实施方案中，刺激响应性聚合物上的末端官能团是羧基。
可通过共价键(包括但不限于酰胺键、酯键、醚键、硫醚键、二硫键、腙键、缩醛键、缩酮键、酮键、酸酐键、氨酯键、脲键和氨基甲酸酯键)将刺激响应性聚合物上的末端官能团与捕获分子偶联。在一个实施方案中，将生物素部分通过酰胺键偶联至刺激响应性聚合物。
可将末端官能团共价偶联至捕获分子，诸如蛋白质、核酸寡聚物(DNA或RNA)、抗体、抗原、酶或酶底物。还可通过共价或非共价相互作用将捕获部分与靶分子诸如蛋白质、核酸寡聚物(DNA或RNA)、抗原、抗体、酶或酶底物偶联。在一个实施方案中，将末端官能团偶联于生物素(捕获分子)以提供生物素化的纳米颗粒。在一个实施方案中，还可将生物素化的纳米颗粒缀合于链霉抗生物素蛋白(靶分子)以产生可偶联至生物素化的靶分子的链霉抗生物素蛋白缀合的生物素化纳米颗粒。
捕获分子和靶分子形成结合对。各自具有针对另一个(例如，抗原和抗体)的亲和力。每一个捕获分子和靶分子可以是各种不同的分子，包括肽、蛋白质、多糖或寡糖、糖蛋白、脂质和脂蛋白及核酸，以及具有明确的生物活性的合成有机或无机分子，诸如抗生素或抗炎剂，其结合于靶位点，诸如细胞膜受体。示例性蛋白包括抗体(单克隆、多克隆、嵌合、单链或其重组形式)、其蛋白/肽抗原、蛋白/肽激素、链霉抗生物素蛋白、抗生物素蛋白、蛋白A、蛋白G、生长因子及其各自的受体、DNA结合蛋白、细胞膜受体、内体膜受体、核膜受体、神经元受体、视觉受体和肌肉细胞受体。示例性寡核苷酸包括DNA(基因组或cDNA)、RNA、反义、核酶和RNA酶P的外部引导序列，并且大小可从短的寡核苷酸引物变化至大至整个基因。碳水化合物包括肿瘤相关碳水化合物(例如，Lex、唾液酸化Lex、Ley以及被鉴定为与肿瘤相关的其它碳水化合物，如美国专利号4,971,905(通过引用并入本文)中描述的)、与细胞粘着受体相关的碳水化合物(例如，Phillips等人，Science250:1130-1132,1990)以及特异于细胞膜受体的其它特定碳水化合物结合分子及其模拟物。
在所述蛋白当中，链霉抗生物素蛋白作为本文中描述的其它捕获部分-靶分子结合对系统的模型是特别有用的。链霉抗生物素蛋白在使用非常强缔合的链霉抗生物蛋白-生物素亲和络合物的许多分离和诊断技术中是重要的组分。(Wilchek和Bayer,Avidin-BiotinTechnology,NewYork,AcademicPress,Inc.,1990；和Green,Meth.Enzymol.184:51-67)。蛋白G是结合IgG抗体的蛋白(Achari等人，Biochemistry31:10449-10457,1992，以及Akerstrom和Bjorck,J.Biol.Chem.261:10240-10247,1986)，其也可用作模型系统。代表性免疫亲合分子包括工程化单链Fv抗体(Bird等人，Science242:423-426,1988和属于Ladner等人的美国专利号4,946,778(通过引用并入))、Fab、Fab′和单克隆或多克隆抗体。
在一个实施方案中，捕获分子是抗体，并且靶分子是抗原。在另一个实施方案中，捕获分子和靶分子是蛋白。在另一个实施方案中，捕获分子是核酸(DNA或RNA)，并且靶分子是互补核酸(DNA或RNA)。在另一个实施方案中，靶分子是核酸(DNA或RNA)并且捕获分子是蛋白。在另一个实施方案中，捕获分子是细胞膜受体，并且靶分子是配体。在另一个实施方案中，捕获部分是酶并且靶分子是底物。在另一个实施方案中，捕获分子是生物素，并且靶分子是链霉抗生物素蛋白或抗生物素蛋白。在另一个实施方案中，靶部分是细胞(例如，活细胞)。
使用刺激响应性纳米颗粒的方法
在其它方面，本公开内容提供了使用纳米颗粒的方法。
在一个实施方案中，本公开内容提供了用于捕获靶的方法，包括：
(a)将包含靶的介质与多个刺激响应性mNP接触，其中每个纳米颗粒包含与靶具有反应性的捕获部分；
(b)施加外部刺激以提供聚集的纳米颗粒；
(c)使聚集的纳米颗粒经历磁场，以提供磁性聚集的纳米颗粒；和
(d)除去刺激和磁场以再生纳米颗粒，其中再生的纳米颗粒还包含靶。
在上述方法中，外部刺激可以是温度、pH或光。在一个实施方案中，刺激响应性mNP是温度响应性纳米颗粒，并且外部刺激是温度(例如，温度的变化)。在一个实施方案中，刺激响应性mNP是pH响应性纳米颗粒，并且外部刺激是pH。在一个实施方案中，刺激响应性mNP是光响应性纳米颗粒，并且外部刺激是光。在一个实施方案中，刺激响应性mNP是离子响应性纳米颗粒，并且所述外部刺激是特定离子的离子强度。
本公开内容提供了用于捕获诊断性靶的方法，包括：
(a)将包含诊断性靶的介质与多个温度响应性mNP接触，其中每个纳米颗粒包含与诊断性靶具有反应性的捕获部分；
(b)使介质的温度升高至高于纳米颗粒的最低临界溶解温度以提供热聚集的纳米颗粒；
(c)将热聚集的纳米颗粒经历磁场，以提供磁性聚集的纳米颗粒；和
(d)使温度降低至低于纳米颗粒的最低临界溶解温度并除去磁场以再生纳米颗粒，其中再生的纳米颗粒还包含诊断性靶。
在一个实施方案中，本公开内容提供了用于浓缩诊断性靶的方法，包括：
(a)将包含诊断性靶的介质与多个温度响应性mNP接触，其中每个纳米颗粒包含与诊断性靶具有反应性的捕获部分；
(b)将介质的温度升高至高于纳米颗粒的最低临界溶解温度以提供热聚集的纳米颗粒；
(c)将热聚集的纳米颗粒经历磁场以提供磁性聚集的纳米颗粒；和
(d)将温度降至低于纳米颗粒的最低临界溶解温度并除去磁场以再生纳米颗粒，其中再生的纳米颗粒还包含诊断性靶。
在上述方法中，可重复步骤(b)至(d)。
在上述方法中，诊断性靶分子和捕获部分各自具有针对彼此的亲和力并且能够形成结合对。如本文中所用，术语“诊断性靶”是指指示患病状况的分子或对毒素的暴露的指示剂，或已向受试者施用并且其浓度将被监控的治疗药物。
在一个实施方案中，诊断性靶分子是抗体并且捕获部分是抗原。在一个实施方案中，诊断性靶分子是抗原并且捕获部分是抗体。在一个实施方案中，诊断性靶分子是核酸寡聚物(RNA或DNA)，并捕获部分是互补核酸寡聚物。在一个实施方案中，诊断性靶分子是核酸寡聚物(RNA或DNA)，并且捕获部分是蛋白。在一个实施方案中，诊断性靶分子是蛋白并且捕获部分是核酸寡聚物(RNA或DNA)。在一个实施方案中，诊断性靶分子是酶并且捕获部分是底物。在一个实施方案中，诊断性靶分子是酶底物并且捕获部分是酶。
本公开内容的双重磁和热响应性mNP被设计来促进诊断性靶分离和/或测定。温度响应性mNP随着温度在高于和低于LCST下循环而可逆地聚集。mNP的聚集导致有效粒度的增加，从而有利于利用小的施加磁场对纳米颗粒进行磁分离。当温度被逆转低于LCST并除去施加的场时，可快速回收经捕获的纳米颗粒。mNP可具有作为mNP在暴露于磁场后可从溶液分离的量的量度的分离效率。在一些实施方案中，可测量给定波长上的上清液的吸光度，可将吸光度的损失与对照mNP溶液的吸光度相比较，并且吸光度的损失可被定量为分离效率。在一些实施方案中，分离效率可为80％或更高(例如，90％或更高、95％或更高、97％或更高、98％或更高或99％或更高)。
图2A-2C是捕获和释放本公开内容的mNP的实施方案的代表性方法的示意图。参照图2A，PNIPAAmmNP210包含在具有壁204的容器202中。当温度低于PNIPAAmmNP的LCST时，mNP210是可溶的且在溶液中自由扩散。PNIPAAmmNP的尺寸可提供具有低磁泳迁移率的mNP，以使得它们在低于LCST时不被所施加的磁场捕获。从而在低于LCST下mNP可扩散并作为分离的纳米颗粒捕获靶212。参照图2B，在施加高于mNP的LCST的温度刺激后，mNP聚集以形成聚集的mNP220。只有当温度升至高于LCST并且当施加磁场(在底部容器壁204)时，聚集的mNP才被捕获。参照图2C，当温度降低至低于LCST时，温度诱导聚集的可逆性质导致经捕获的聚集的mNP的释放和再扩散以及mNP210扩散再进入反应溶液。
利用刺激响应性纳米颗粒的测定
本公开内容还提供了用于使用刺激响应性纳米颗粒的测定。
在一个实施方案中，本公开内容提供了用于检测诊断性靶的测定，包括：
(a)将诊断性靶与多个刺激响应性mNP接触，其中每个纳米颗粒包含具有针对诊断性靶的亲和力的捕获部分；
(b)通过将诊断性靶与刺激响应性mNP组合来形成纳米颗粒缀合物；
(c)通过施加外部刺激来聚集纳米颗粒缀合物；
(d)通过使聚集的纳米颗粒缀合物经历磁场来进一步聚集纳米颗粒缀合物；
(e)通过除去刺激和磁场来再生纳米颗粒缀合物；和
(f)分析包含诊断性靶的再生纳米颗粒。
在上述方法中，通过将诊断性靶与刺激响应性mNP组合来形成纳米颗粒缀合物提供了包含结合于捕获部分的诊断靶的缀合物。在上述方法中，通过除去刺激和磁场来再生纳米颗粒缀合物提供了被释放的、自由流动的纳米颗粒缀合物，在其中诊断性靶结合于捕获部分。
包含诊断性靶的再生纳米颗粒可在将诊断性靶从纳米颗粒释放或不释放的情况下进行分析。
诊断性靶可以是指示患病状况的分子、或对毒素的暴露的指示剂、或已向受试者施用并且其浓度将被监控的治疗药物。诊断性靶可以是与疾病相关的任何蛋白、抗体或核酸。在一个实施方案中，诊断性靶是针对乙型肝炎病毒的抗体。在一个实施方案中，诊断性靶是针对丙型肝炎病毒的抗体。在一个实施方案中，诊断性靶分子是针对AIDS病毒的抗体。在一个实施方案中，诊断性靶分子是疟疾寄生虫抗原，或者抗疟原虫抗体，或寄生代谢产物，或疟原虫核酸片段。在一个实施方案中，诊断性靶分子是针对结核菌的抗体。在一个实施方案中，诊断性靶分子是登革热病毒或抗体。
使用mNP的方法、装置和测定描述于例如美国专利号8,507,283和7,981,688以及PCT/US2011/035256中，其每一篇的公开内容通过引用整体并入本文。
下面的实施例被包括用于举例说明的目的，而非限制所描述的实施方案。
实施例
代表性刺激响应性磁性纳米颗粒的制备和表征
在本实施例中，描述了本公开内容的代表性温度响应性纳米颗粒的制备、表征和使用。
前体试剂的合成
将油酸铁(Fe-oleate3)用作刺激响应性磁性纳米颗粒(mNP)的铁来源。按照先前公开的方法制备油酸铁。参见，例如，Park等人，NatureMaterials,3:891-895,2004。
简而言之，将油酸钠(TCI，>97％)和氯化铁(III)六水合物(SigmaAldrich,97％)溶解在己烷、乙醇和去离子水的混合溶剂系统中。将溶液在70℃回流4小时，在去离子水中洗涤3次，干燥，以产生粘稠的暗红色油状物。产率＝75％。通过1H-NMR在以300MHz于CDCl3中运行的BrukerAvance分光计上确认组成。
在本实施例中，刺激响应性聚合物响应温度的变化。温度响应性亲水性聚合物基于N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体并利用可逆加成断裂链转移(RAFT)技术来合成，如描述于例如Chiefari,J.等人，LivingFree-RadicalPolymerizationbyReversibleAddition-FragmentationChainTransfer:TheRAFTProcess.Macromolecules,31:5559-5562,1998中。利用多角度激光散射(WyattminiDAWNTREOS)和折光率(WyattOptilabT-rEX)检测器通过尺寸排阻层析测定分子量和分子量分布。如上所述的，聚合物组成通过1H-NMR来确认。
mNP的合成和纯化
在典型的反应中，在圆底烧瓶中装入0.9g刺激响应性聚合物和50mL四(乙二醇)二甲醚(Sigma,≥99％)。将溶液在100℃加热30分钟，以溶解聚合物。随后，将1.369g油酸铁添加至烧瓶中。将温度升高到190℃(加热速率～3.5℃/分钟)，并在190℃保持6小时，在此期间溶液颜色从暗红变成黑色。将反应物冷却至<100℃，并从戊烷中沉淀。将沉淀的mNP重新溶解在四氢呋喃中并从戊烷中沉淀进行另外2次。沉淀后，将mNP在真空中干燥过夜。将干燥的mNP溶解于去离子水中至～4mg/mL，随后利用Vivaflow50100kDaPES筒(Sartorius)通过切向流过滤(TFF)进行纯化。在TFF后，将mNP浓缩至>50mg/mL，随后冻干。产率为31±2.0％(n＝6)。
mNP的表征
mNP的流体力学尺寸在1mg/mL(于去离子水中)下通过动态光散射(DLS)利用BrookhavenInstrumentsZetaPALS仪进行测量。6个不同mNP批次的数量加权平均直径示于图3A和表1中。
利用紫外可见光分光光度计通过在将mNP从25℃加热至37℃时跟随mNP溶液的透光度来测量最低临界溶解温度(LCST)(图3B)。在LCST(31℃)下，mNP聚集，从而导致溶液透光度减小。
通过热重分析(TGA)在TAInstrumentsTGAQ50上测量聚合物:铁的质量比(图3C)。
mNP分离效率是在暴露于简单磁体2分钟后可从溶液分离的mNP的量的量度。将mNP溶液(2mg/mL，于10mM的具有5％血清的PBS中)暴露在22℃或37℃条件下持续2分钟。将所述溶液保持在22℃或37℃，随后将其放置在定制设计的磁座中持续2分钟。在TecanSafire2读板器上测量上清液的吸光度(500nm)。将吸光度的损失与mNP对照溶液相比较，并将其定量为分离效率(图3D)。
表1.刺激响应性mNP的结构和功能性质(数据表示为6个不同mNP批次的平均值±标准偏差，并且小的偏差表示mNP生产过程的可再现性)。
性质 测量
尺寸 22nm±3.8nm
22℃分离 4.5％±3.3％
37℃分离 98％±0.84％
LCST 31℃±0.85℃
聚合物:Fe的质量比 2.0±0.20％
结果
通过1H-NMR测定油酸铁络合物的组成，所述测定显示油酸的适当位移和积分值。亲水性刺激响应性聚合物为6.18±0.455kDa，多分散指数为1.03±0.007(n＝5)，如通过尺寸排阻层析测量的。低多分散性指数为RAFT的有利特征。此处，其表示聚合物几乎是单分散的，这导致响应温度的变化从亲水性聚合物至疏水性聚集体的快速和离散的转换。
图3A显示6个不同mNP批次的流体力学直径(数量加权平均值)，如通过DLS测量的。这些mNP批次的直径在18nm至28nm的范围内。仪器误差约为5nm。LCST描述了亲水性聚合物聚集成疏水性团块时的温度，该温度通过浊点或溶液透光度来测量(图3B)。基于NIPAM的聚合物的LCST通常为约32℃，这与mNPLCST值一致。因此，使用mNP的聚合物掺入不影响该聚合物的刺激响应性行为。
在TGA期间，快速加热干燥样品，这导致有机材料蒸发或燃烧，从而导致样品质量的减少。此处，TGA用于测量掺入在mNP的无机氧化铁纳米颗粒核心周围的聚合物的量。在～100℃下的质量损失为约5％，并且代表未通过冻干除去的水的损失。聚合物分解在宽范围的温度(～250-400℃)下发生。剩余的质量通常为32％，这代表了mNP的氧化铁核心。聚合物:铁的质量比示于表1中，并根据主要分解质量损失和剩余质量来计算。
分离效率(图3D)是mNP的重要功能性质。在低于LCST的22℃下，mNP是可溶的并且太小而不能用简单磁体来分离(分离效率～5％)。在高于LCST时，mNP形成容易用简单磁体分离(分离效率～98％)的大聚集体。因此，mNP的刺激响应性行为转换成有用的功能特征。
图3B-3D显示来自单个代表性mNP批次的数据。来自6个不同批次的mNP的同样性质(平均值±标准偏差)示于表1中。小的标准偏差表明mNP的生产产生了具有可再现的结构和功能性质的mNP。
还用含有近端胶束形成末端基团的基于NIPAM的刺激响应性聚合物产生了刺激响应性mNP(n＝3)。然而，这些mNP显示不良的结构和功能特性。3个批次中有一个是不溶于水的。产率低得多(18±4％)。mNP尺寸大得多(57±18nm)，这可能解释了在22℃下的较高分离效率(8±4％)。较低的LCST值(27±3℃)接近室温，这可允许mNP在标准台式操作过程中聚集。此外，较大的标准偏差表示，与利用无胶束形成末端基团的刺激响应性亲水性聚合物制备的那些mNP不同，这些mNP不能再现地产生。
结论
实施例1证明了本公开内容的刺激响应性mNP的实施方案的合成容易性和可再现性。该刺激响应性mNP在与使用在近端末端上含有胶束形成基团的刺激响应性聚合物制备的刺激响应性mNP相比较时，显示优越的特性。
虽然已举例说明和描述了示例性实施方案，但应理解，可在不背离本公开内容的精神和范围的情况下在其中进行各种改变。

Claims (28)

1.一种制备刺激响应性磁性纳米颗粒的方法，包括：
提供混合物，其包含
在大气压下具有大于150℃的沸点的溶剂；
包含与选自Fe、Ni、Cr、Co、Gd、Dy和Mn的元素的金属阳离子配位的螯合剂的金属络合物；
和刺激响应性聚合物；以及
将所述混合物加热以提供刺激响应性磁性纳米颗粒，
其中所述刺激响应性聚合物不包含末端胶束形成基团。
2.权利要求1的方法，其中所述溶剂具有大于2.4的极性指数。
3.权利要求1的方法，其中所述溶剂选自二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、乙酰丙酮、苯甲醚、苄腈、环己酮、N,N-二甲基苯胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、苄醇、环己醇、二乙二醇、正庚醇、正辛醇、二甲苯、甲苯及其任意组合。
4.权利要求1的方法，其中所述溶剂包括寡聚乙二醇醚。
5.权利要求1的方法，其中所述溶剂是四乙二醇二甲醚。
6.权利要求1的方法，其中所述螯合剂包含选自羧酸、伯胺、仲胺及其任意组合的官能团。
7.权利要求1的方法，其中所述螯合剂选自C8-C28脂肪酸、二吡啶、4-乙烯基吡啶、乙二胺和乙二胺四乙酸以及其衍生物。
8.权利要求1的方法，其中所述螯合剂是油酸。
9.权利要求1的方法，其中所述混合物包含浓度为5mg/mL至110mg/mL的金属络合物。
10.权利要求1的方法，其中所述刺激响应性聚合物包含N-异丙基丙烯酰胺的聚合物和共聚物。
11.权利要求10的方法，其中用选自羧酸、伯胺、仲胺、硫醇、羟基、醛、酮、叠氮化物、酰肼及其任意组合的末端官能团取代N-异丙基丙烯酰胺的聚合物和共聚物。
12.权利要求1的方法，其中所述混合物包含浓度为2mg/mL至75mg/mL的刺激响应性聚合物。
13.权利要求1的方法，其中在包含氧的大气下进行所述加热步骤。
14.权利要求1的方法，其中所述加热步骤包括加热至介于100℃和240℃之间的温度。
15.权利要求1的方法，其中所述加热步骤包括加热至介于140℃和240℃之间的温度。
16.权利要求1的方法，其中所述加热步骤包括回流所述混合物，进行1至10小时的持续时间。
17.权利要求1的方法，其中所述刺激响应性纳米颗粒包含含有从所述金属阳离子形成的磁性金属氧化物的核心。
18.权利要求17的方法，其中所述磁性金属氧化物选自三氧化二铁、氧化亚铁及其组合。
19.权利要求17的方法，其中所述刺激响应性聚合物通过所述刺激响应性聚合物上的末端官能团与所述核心配位。
20.权利要求1的方法，其中所述刺激响应性纳米颗粒响应选自温度、pH、光、电场和离子强度的刺激。
21.权利要求1的方法，其中所述刺激响应性纳米颗粒具有10nm至60nm的流体力学直径。
22.一种刺激响应性磁性纳米颗粒，其包含：
金属氧化物核心；和
围绕所述金属氧化物核心的壳，所述壳包含含有末端羧酸酯基团的刺激响应性聚合物，
其中所述末端羧酸酯基团与所述金属氧化物核心直接配位并且其中所述刺激响应性聚合物不包含末端胶束形成基团。
23.权利要求22的刺激响应性磁性纳米颗粒，其中所述金属氧化物核心包含选自氧化铁、氧化镍、氧化镍、氧化铬、氧化钆、氧化镝和氧化锰的金属氧化物。
24.权利要求22的刺激响应性磁性纳米颗粒，其中所述刺激响应性聚合物不包含能够在相对于所述金属氧化物核心的近端末端和远端末端上形成胶束的烷基、芳基、疏水性共聚物嵌段或多肽。
25.权利要求22的刺激响应性磁性纳米颗粒，其中所述刺激响应性聚合物包含N-异丙基丙烯酰胺的聚合物和共聚物。
26.权利要求22的刺激响应性磁性纳米颗粒，其中所述刺激响应性聚合物包含具有下式的远离金属氧化物核心的末端
27.权利要求22的刺激响应性磁性纳米颗粒，其中所述纳米颗粒具有10nm至60nm的流体力学直径。
28.权利要求22的刺激响应性磁性纳米颗粒，其中所述纳米颗粒包含约1:1至3:1的刺激响应性聚合物对金属氧化物的质量比。
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