CN106659802A - 用于引导和靶向按需物质递送的纳米结构的载体 - Google Patents

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Abstract

公开了用于制造和实现纳米级和微米级结构的载体的方法、系统和装置，以便提供用于不同应用的分子和生化物质的定向、靶向和按需递送，所述不同应用包括人和动物中的疾病的诊断和/或治疗(治疗诊断学)。在一些方面，可以合成纳米碗形式的纳米结构载体，其可以包括可以在需要时打开的可启动的封盖微粒(并且在一些实施过程中可关闭)。在一些方面，可以合成中空的多孔纳米微粒形式的纳米结构载体，所述中空的多孔纳米微粒具有官能化的内部和/或外部，所述官能化的内部和/或外部连接有效负荷物质和用于物质有效负荷的磁定向递送和控制释放的物质。

Description

用于引导和靶向按需物质递送的纳米结构的载体
相关申请的交叉引用
本专利文件要求2014年6月13日提交的美国临时专利申请号US62/012,136和发明名称为“用于磁引导的治疗剂的纳米级(nanoscale)结构(NANOSCALE STRUCTURES FORMAGNETICALLY-GUIDED THERANOSTICS)”以及2014年7月25日提交的美国临时专利申请号US62/029,373和发明名称为"用于靶向和按需(on-demand)递送分子物质的纳米结构的载体(NANOSTRUCTURED CARRIERS FOR TARGETED AND ON-DEMAND DELIVERY OF MOLECULARSUBSTANCES)"的优先权和利益。将上述专利申请的全部内容作为本专利文件的公开内容的组成部分参考。
有关联邦资助研究或研发的声明
本发明由政府资助在国立卫生研究院(National Institutes of Health)(NIH)资助的资助金R01DA024871与国立药物滥用研究所(National Institute on Drug Abuse)(NIDA)资助的资助金R01DA025296下进行。政府在本发明中拥有一定权利。
技术领域
本专利文件涉及使用纳米级材料技术的系统、装置和方法。
背景技术
纳米技术提供用于制造具有以分子或原子等级为特征的结构、装置和系统的方法，例如，在一些应用中，一至数百的纳米范围的结构。例如，可以将纳米级装置配置成与一些较大分子例如生物分子、例如酶类似的大小。用于生成纳米结构、纳米装置或纳米系统的纳米大小的材料可以展示出不同的独特特性，例如，包括光学特性，这些特性在较大尺寸的相同材料中不存在，且这类独特的特性可以被开发于广泛的应用。
发明内容
公开了用于制造和实现设计(engineered)的纳米级结构的技术、系统和装置，所述设计的纳米级结构用于携带物质和提供该物质在生物系统中的定向、靶向和受控递送。
在一个方面，用于携带有效负荷的纳米结构装置包括：内部微粒结构，其包括内部微粒结构的内腔的开口；至少部分在内部微粒结构的外表面上形成的外壳结构；外壳结构内的多个磁性纳米微粒；和能够使分子有效负荷以化学方式连接内部微粒结构的内腔表面上的官能化层，其中磁性纳米微粒被构造成与外磁场发生相互作用，以便磁引导(steer)纳米结构装置。
在一个方面，生产纳米结构的方法包括在芯微粒上形成内部微粒结构，其中所述芯微粒部分被内部微粒结构的结构包裹(encase)；使纳米微粒与内部微粒结构的结构的外表面连接；在覆盖至少连接的纳米微粒的一些的内部微粒结构的结构外表面上形成涂层；和从内部微粒结构中除去芯微粒，其中除去的芯微粒在内部微粒结构的结构的外表面内形成内腔和形成从内部微粒结构的结构的外表面的开口。
在一个方面，制造载体结构的方法包括通过在芯微粒上连接多个掩蔽(mask)微粒形成模板，所述掩蔽微粒在所连接的芯微粒的外表面上形成掩蔽区；使纳米微粒连接模板的未掩蔽表面，其中掩蔽微粒防止纳米微粒连接外表面的掩蔽区；通过连接的纳米微粒的材料生长形成未掩蔽表面上的涂层产生模板的未掩蔽表面上的壳结构；和通过从模板中除去掩蔽微粒产生多孔的载体结构，其中除去的掩蔽微粒在壳结构的外表面与芯微粒外表面之间形成开口。
在一个方面，制造载体结构的方法包括通过使多个掩蔽微粒连接的芯微粒上形成模板，所述掩蔽微粒在所连接的芯微粒的外表面上形成掩蔽区；使纳米微粒连接模板的未掩蔽表面，其中掩蔽微粒防止纳米微粒连接外表面的掩蔽区；通过使未掩蔽表面上连接的纳米微粒材料生长成岛状结构，在模板的未掩蔽表面上生成不连续的岛状结构(islandstructure)；通过在模板的未掩蔽表面上和不连续的岛状结构上形成外层产生壳结构，其中所产生的壳结构包括具有包埋在外层的内表面上的岛状结构的外层；和通过从模板中除去掩蔽微粒产生载体结构，其中除去的掩蔽微粒形成在壳结构的外表面和芯微粒的外表面之间延伸的开口。
在一个方面，纳米微粒包括构造的壳以便包括中空内部和在中空内部与壳外表面之间延伸的一个或多个开口；连接至壳的中空内部或外表面之一或两者的磁性纳米微粒，其中磁性纳米微粒被构造成与外磁场发生相互作用，以便磁引导纳米微粒；和通过能够使分子有效负荷连接至壳表面的连接分子使分子有效负荷连接至壳。
在一个方面，制造微粒的方法包括在芯微粒上形成第一官能化层，以便产生官能化的芯微粒，其中所形成的第一官能化层在芯微粒表面产生相对于芯微粒表面上电荷相反的电荷；在官能化的芯微粒上形成第二官能化层，以便产生双官能化的芯微粒，其中所形成的第二官能化层在官能化的芯微粒表面上生成不同于第二官能化层形成之前的带相反电荷的表面；通过在双官能化的芯微粒上连接多个掩蔽微粒形成模板，其中掩蔽微粒在其表面上包括相对于双官能化的芯微粒相反的电荷，且其中掩蔽微粒在其所连接的双官能化的芯微粒外表面上形成掩蔽区；通过在双官能化的芯微粒的未掩蔽表面上形成涂层产生双官能化的芯微粒的未掩蔽表面上的壳结构，其中掩蔽微粒防止涂层连接至外表面的掩蔽区；和通过除去掩蔽微粒和双官能化的芯微粒产生官能化中空的多孔微粒，其中除去的掩蔽微粒形成在壳结构的中空内部与外表面之间延伸的开口。在所述方法的一些实施方式(implementations)中，例如，所述方法还可以包括，在除去掩蔽微粒和双官能化的芯微粒之前，通过使用具有与壳结构相反电荷的材料涂敷层，在壳结构表面上形成层；和通过除去掩蔽微粒和双官能化的芯微粒产生双官能化中空的多孔微粒，其中除去的掩蔽微粒形成在壳结构的中空内部与层的外表面之间延伸的开口。
本专利文件中所述的主题可以按照提供如下特征的一种或多种的特定方式实施。所公开的技术包括可以用于和生物体体内和体外的各种诊断和治疗应用的多官能(multi-functional)纳米微粒平台。在一些实施方案中，例如，所公开的纳米微粒可以被生产为纳米级碗样(bowl-like)结构(例如纳米碗)，其具有能够携带和递送有效负荷物质的中空内部和官能化内部和/或外部表面，并且可以任选地被赋予可以在需要时打开和关闭以释放有效负荷的封盖(cap)结构。在一些实施方式中，例如，所公开的纳米结构技术可以作为递药胶囊、受保护的酶载体实施，用于在检测试验中隔离检测反应种类；和/或作为隔离和受限的化学催化剂实施。在一些实施方案中，例如，所公开的纳米结构可以被生产为纳米/微米级载体结构，例如纳米级威浮球样(wiffle ball-like)结构和纳米级高尔夫球样结构，其具有中空或实心内部和多孔壳，所述壳具有官能化的内和/或外表面，并且能够磁性引导，从而确保控制释放有效负荷、改善细胞摄取和其它特征。例如，可以应用实施所公开的技术，所述应用包括、但不限于靶向/按需递送分子和材料，以便诊断和/或治疗(治疗诊断学)人和动物的疾病。
附图简述
图1显示用于合成所公开技术的纳米碗载体结构的示例性制造方法的说明性示意图。
图2显示在内部加载有效负荷和选择性官能化以在外部包括靶向分子的示例性纳米微粒载体的说明性示意图。
图3显示使用包含巯基的硅烷官能化的马来酰亚胺用于与二氧化硅面接(interfacing)的实例的示意图。
图4A和4B显示描述使用激光辅助的或RF加热纳米碗结构的氧化铁纳米微粒释放或打开/关闭示例性纳米碗载体的封盖结构以控制释放有效负荷的示例性方法的说明性示意图。
图4C显示关闭、打开和分离状态的示例性纳米碗结构的可切换和可拆卸的闩锁结构的实例的示意图。
图5显示所公开的纳米载体的示例性实施方式的说明，其中强磁体可以优先将示例性磁响应纳米碗拉出血流和进入所关注的组织。
图6显示示例性修饰的二氧化硅纳米微粒的FTIR光谱图。
图7显示所公开技术的制造方法的示例性实施方式的示例性结果的图像。
图8显示所公开的使用模板定向法生产示例性纳米碗结构的技术的示例性制造方法的图示。
图9A和9B显示描述由聚苯乙烯芯和二氧化硅模板制成的示例性模板的扫描电子显微镜检查(SEM)图像。
图10显示具有增加厚度的聚苯乙烯模板的卫星微粒(satellite particle)上形成的纳米碗的二氧化硅外部的示例性制造的结构的SEM图像。
图11A显示使用表明官能化的芯和卫星微粒模板生产纳米碗结构的示例性制造方法的说明性示意图。
图11B-11D显示在示例性纳米碗制造方法实施过程中得到的微粒的示意图和相关SEM图像。
图12显示用于生产二氧化硅橄榄-样纳米结构的示例性制造方法的图示。
图13A-13D显示在不同反应时间内使用60mM TEOS生产的示例性偏心二氧化硅/聚苯乙烯微粒的SEM图像。
图14A-14E显示使用不同TEOS浓度形成的示例性纳米级橄榄结构的SEM图像。
图15A-15E显示使用60mM TEOS浓度、应用不同大小的模板合成的示例性纳米级橄榄结构的SEM图像和数据图。
图16A-16C显示用于使用胺类、羟基和硫酸酯官能化的示例性聚苯乙烯纳米球的分析的SEM图像和附带数据图。
图17显示描述合成用于形成所述结构的不同反应的多孔和中空/多孔的载体结构的示例性制造方法的说明性示意图。
图18A显示金壳上包括二氧化硅壳的示例性载体结构的说明性示意图。
图18B显示包埋在二氧化硅壳内部的金岛上包括二氧化硅壳的示例性载体结构的说明性示意图。
图19显示包括加入图18A的示例性金/二氧化硅壳内部的氧化铁纳米微粒的示例性载体结构的说明性示意图。
图20显示包括内部具有分子和外部具有靶向分子的图18B的示例性二氧化硅壳/金岛的选择性官能化的示例性载体结构的说明性示意图。
图21A-21F显示示例性多孔和中空/多孔纳米载体结构的SEM图像。
图22A和22B显示可以用于在双-官能化模板结构上制造所公开的技术的多孔中空纳米-/微米-微粒的示例性合成方法的说明性示意图。
图23A和23B显示图22A和22B的示例性中空的多孔的纳米合成方法的实施过程中得到的微粒实例的SEM图像。
图24显示用于制造多孔纳米-/微米-级高尔夫球和中空的多孔纳米-/微米-级威浮球的示例性合成方法的说明性示意图。
图25A-25F显示使用不同甲醛浓度和金离子浓度制备的示例性镀金模板微粒的SEM图像。
图26A和26B显示来自使用200nm芯的示例性金高尔夫球合成方法阶段的SEM图像。
图27显示描述所公开的用于生产示例性复合磁性纳米级碗-样结构(‘纳米碗’)的技术的示例性制造方法的说明性示意图。
图28A-28F显示包括使用示例性制造方法生产的示例性微粒的电子显微镜检查图像的图像。
图29显示胺-修饰的詹纳斯(Janus)模板的FTIR数据图。
图30A和30B显示示例性纳米碗的壳的磁性滞后和UV/Vis数据图。
图31A-31C显示除去聚苯乙烯之前和之后示例性官能化磁金-二氧化硅的宽视野图像和数据图。
图32A-32F显示通过水凝胶介质引导的示例官能化磁性纳米碗的缩时(timelapse)图像和数据图。
图33显示有和没有示例性金/二氧化硅纳米碗的Rho B的拉曼光谱数据图。
图34显示当羧化聚苯乙烯微粒被加入到二氧化硅溶液-凝胶反应中时形成的示例性cPS-二氧化硅詹纳斯微粒的说明性示意图和附带图像。
图35A显示使用具有不同直径cPS芯的小二氧化硅制造方法生产的示例性微粒的图像。
图35B包括DLS直方图数据图。
图36显示使用具有不同直径cPS芯的大的二氧化硅制造方法生产的示例性微粒的电子显微照片和附带DLS直方图。
图37显示通过经改变TEOS/PS之比生成的示例性小的二氧化硅方法生产的示例性PS/二氧化硅复合物的图像。
图38显示通过经改变TEOS/PS之比生成的示例性大的二氧化硅方法生产的示例性PS/二氧化硅复合物的图像。
图39显示詹纳斯微粒形成过程中芯的作用的示例性模型的说明性示意图。
图40显示示例性合成方法的说明性示意图。
图41显示示例性官能化微粒的SEM图像。
图42显示俘获金胶体微粒的示例性二氧化硅高尔夫球的说明性示意图。
图43显示具有俘获金纳米微粒的季铵官能化凹孔(pits)的合成的二氧化硅高尔夫球的SEM图像。
发明详述
公开了用于制造和实现设计的纳米级结构的技术、系统和装置，所述设计的纳米级结构用于携带物质并且提供在生物系统中定向、靶向和受控递送以及释放所述物质。所公开的技术包括多官能纳米微粒平台，其可以用于体内和体外的活生物体的各种诊断和治疗应用。所公开的多官能纳米微粒平台提供可控定向和引导设计的纳米微粒至纳米微粒所施用的生物系统中的特定区域(例如组织、器官或区)的能力。例如，所公开的纳米微粒可以被构造成作为对磁场响应而运动，使得当施用于人体受试者血流或通过人体受试者的消化系统摄入时，所述纳米微粒被外部施加的磁场引导至所关注的组织或器官(例如胰腺、乳腺、前列腺、脑、淋巴结等)，所述外部施加的磁场可以将施用的微粒聚集在靶向区域中。所公开的多官能纳米微粒平台提供特异性地靶向和结合选择细胞的能力。例如，所公开的纳米微粒可以被构造成包括靶向配体，其可以与其中引导纳米微粒的区域中的选定细胞上的相应受体发生相互作用。所公开的多官能纳米微粒平台提供封闭和保护一种或多种物质(例如有效负荷)的能力，并且允许有效负荷通过外部刺激例如在通过选定细胞摄取纳米微粒(例如胞吞)时按需主动或控制释放。在所公开技术的一些实施方式中，可以生产多官能纳米微粒以便在微粒的内部提供一种化学官能团，例如用于吸引和/或连接有效负荷，并且在微粒的外部上提供独特的不同化学基团，例如其可以用于封盖或密封微粒。例如，所公开的纳米微粒可以被构造成包括固定密封纳米微粒体上的开口(例如所有开口)的封盖，其通向其中包含有效负荷的中空内部区。所述封盖可以连接至纳米微粒体，使得它可以通过外部刺激可控地例如按需打开和关闭。
在纳米级结构(纳米结构)的一些实施方式中，例如，纳米结构可以下述形式合成：纳米级碗-样结构(‘纳米碗’)，所述纳米级碗-样结构(‘纳米碗’)被赋予一个或多个可以按需被打开和关闭的可启动的封盖。纳米碗的示例性应用可以包括该纳米碗内携带的分子和其它小物质的区域靶向/按需递送和控制释放，用于诊断和/或治疗(治疗诊断学)人和动物疾病。在设计物质结构的一些实施方式中，例如，可以合成具有中空内部和多孔壳(具有官能化内和/或外表面的)纳米级和/或微米级载体结构，用于物质有效负荷的磁性引导递送和控制释放，这可以促进在期望区域通过靶细胞的所述物质的细胞摄取，同时将非靶向摄取和免疫应答最小化。
所公开的纳米碗的示例性实施方案
在本申请技术的一些方面，可以使用易溶于水的化学物质使所公开的纳米级结构化载体形成作为围绕包含羧化物(carboxylate)的芯微粒的不对称碗。另外，对于这种示例性不对称纳米级碗结构，可以进行适应性改变，从而允许被添加到壳内部和外部的不同修饰。在一些实施方式中，例如，这类修饰可以包括例如通过添加纳米碗载体的氧化铁/金壳产生对磁响应性的纳米-载体。
用于生产示例性纳米碗载体的制造方法可以包括如下技术的一种或多种：(i)通过围绕羧化物修饰的芯形成的二氧化硅纳米碗的不对称生长合成纳米-载体；(ii)对纳米碗载体结构进行修饰，包括，例如，通过对纳米碗的内和外表面的差别官能化进行；对二氧化硅表面进行修饰，包括，通过烷氧基硅烷和/或通过除去芯进行；(iii)产生纳米级封盖结构，其连接至纳米碗载体的主体(例如壳)并且其可以打开/关闭用于从纳米碗内部控制释放示例性载荷(例如分子和材料)，其中可以通过使用物理和/或化学能(例如来自生物系统外部的外部来源，例如外部施加的磁场或通过在靶细胞或组织处或其内部的内部来源，例如pH条件或与胞内核苷酸、酶或细胞器的相互作用)启动纳米-载体的封盖打开/关闭；(iv)将示例性分子有效负荷(例如药物、图像造影剂等)载入纳米碗；(v)从纳米碗中控制释放分子有效负荷；(vi)使用二氧化硅顶部上的金或其它金属壳对纳米碗外表面进行外表面修饰，使用惰性或生物相容性材料(例如聚乙二醇或类似惰性聚合物)钝化和/或添加靶向部分以便改善细胞更新(例如靶向配体，包括肽类、寡核苷酸、蛋白质或其它，以便与整联蛋白或其它细胞受体发生相互作用)；和/或(vii)将氧化铁纳米微粒加入到示例性二氧化硅纳米碗结构的外部或内部，其可以用于在外部磁场下引导纳米-载体至生物系统(例如活生物体)中的特定位置。
图1-5显示用于生产和实现所公开的纳米级结构化载体的示例性纳米结构和制造技术的说明性示意图。图1显示用于合成示例性纳米碗载体的制造方法的说明性示意图，其描述用于生产纳米碗结构的不同反应。图2显示内部加载有效负荷(例如药物)并且选择性官能化以便外部包括靶向分子的示例性纳米微粒载体的说明性示意图。图3显示马来酰亚胺被用于与二氧化硅面接的包含巯基的硅烷官能化的实例的示意图。图4A和4B显示描述示例性方法的说明性示意图，所述示例性方法使用激光辅助的或RF加热纳米碗结构的氧化铁纳米微粒和/或金壳释放或打开/关闭示例性纳米碗载体的封盖结构，用于控制释放有效负荷，例如，在一些实施方案中，这可以导致保持就位的封盖结构通过DNA释放。图5显示所公开的纳米-载体的示例性实施方式的说明，其中强磁体可以优先将示例性磁响应纳米碗从血流中拉出并且使其进入所关注的组织。
图1显示用于合成示例性纳米碗载体主体的所公开的技术的示例性制造方法100。在该实例中，合成方法100使用二氧化硅纳米碗微粒111在官能化的芯微粒112、例如羧化物官能化的芯微粒(例如聚苯乙烯芯微粒)上不对称形成，正如方法101中所示。在一些实施方式中，合成方法100可以包括，使二氧化硅纳米碗微粒111表面官能化的过程102，例如使用包含胺的烷氧基硅烷使表面胺官能化，其被描述为过程102中所示的表面或层111A。在二氧化硅纳米碗微粒111表面修饰后，示例性合成方法100可以包括将氧化铁纳米微粒113和金纳米微粒种子114添加到示例性二氧化硅纳米碗微粒111外部，这可以使其以静电方式连接至表面，正如过程103和104中所示。例如，氧化铁和金纳米微粒种子可以被配置成大约5-15nm。示例性合成方法100可以包括形成涂层115，例如通过在示例性接种的纳米碗微粒111的外表面上的金纳米种子114之间产生填充材料来进行，正如过程105中所示。例如，生产填充材料涂层115可以包括将示例性接种的二氧化硅纳米碗111/聚苯乙烯芯112复合物置于离子金溶液中并且添加填充金纳米种子114之间空间的还原剂。在一些实施方式中，例如，涂层115可以在二氧化硅纳米碗微粒111上作为外壳生长。在图1中所示的实例中，金纳米微粒种子114促进生长位置，从而在二氧化硅纳米碗微粒111上产生外部金壳。最终，示例性合成方法100可以包括除去示例性芯微粒112，正如过程106中所示。在一些实施方式中，例如，正如过程107中所示，示例性合成方法100可以包括例如使用不同的适合的溶剂和酸进一步向下浸蚀纳米碗微粒111的示例性二氧化硅材料，以便扩展二氧化硅纳米碗载体主体120的中空内部区。
图2显示使用不同分子修饰示例性纳米碗载体的外和/或内表面的示例性官能化方法，例如，得到内部加载有效负荷230和选择性官能化以便外部包括靶向分子225的纳米碗载体主体220。例如，正如图2中所示，对于示例性二氧化硅纳米碗主体120的内表面，烷氧基硅烷化学物质可以用于各种分子载荷或有效负荷例如包括药物或造影剂在内的分子形成界面(interface)。图3显示使用用于与二氧化硅发生面接的包含巯基的硅烷的马来酰亚胺官能化的实例的示意图。涉及图2，例如，对于示例性二氧化硅纳米碗主体120的外表面，带有游离巯基或胺的任意分子可以用于自发地连接至示例性金涂层的表面。这可以用于例如连接钝化剂，如聚乙二醇或靶向部分。正如图2的实例所示，纳米碗载体主体220可以包括纳米碗载体主体220的外表面(例如示例性金涂层115的外表面)上的官能化层211以便连接靶向剂225或钝化剂。
所公开的纳米碗可以被构造成包括包含分子载荷或有效负荷的盖(例如封盖)，其可以在需要使用外部刺激时被可控地打开。在一些实施方案中，例如，可以使用DNAorigami、完全包囊和包裹微粒的脂质体或聚合物生成所述封盖。在一些实施方案中，例如，可以将所述封盖选择性地置于纳米碗腔上，以密封具有内部俘获的示例性载荷(例如任意药物、造影剂等)的纳米-载体。图4A和4B说明示例性激光辅助的或RF-辅助的加热技术以便可控地打开和关闭所述封盖。纳米碗载体可以在其邻近位置释放有效负荷。在一些实施方式中，这可以牵涉使所述封盖上(例如覆盖微粒)与DNA束缚。例如，DNA的熔点基于核苷酸组成和长度可高度调节的。使用～50nm大小的示例性封盖微粒并且使用连接至封盖微粒和载体的纳米碗结构的DNA的互补链，可以生成热敏感性垫或密封物。或者，例如，脂质体也可以用于密封微粒。
实例如图3、4A和4B中所示，示例性纳米碗表面(图3)和示例性载体封盖结构和与纳米碗结构的连接机制(图4A和4B)，用于可控地打开/关闭载体以便加载和释放载荷至纳米碗内部和从其中离开。例如，载荷或有效负荷230(例如药物、造影剂或其它类型载荷)如图3中所示被官能化至纳米碗载体主体220内部区，例如官能化至示例性二氧化硅纳米碗微粒111的内表面。为了差别官能化，可以使用药物或造影剂修饰纳米碗载体主体220内部。一种用于连接的这样的实例是使用烷氧基硅烷修饰药物(一甲基奥瑞他汀E(monomethylauristatin E)，MMAE)，如图3中所示。此外，例如，封盖的纳米碗载体可以用于将药物封闭在内部并且可控地打开封盖结构以便能够释放药物。可以将有效负荷/载荷加载入示例性纳米碗载体主体220的内腔并且用可以通过外部刺激连接并且可控地启动以便打开和关闭的示例性封盖微粒密封。在一些实例中，可以将有效负荷(例如药物)加载入纳米碗载体主体(例如将纳米碗与高浓度的期望的有效负荷一起温育)，且封盖微粒可以通过自组装的单层(SAM)或其它类型的封盖微粒与纳米碗的官能化层的自组装连接至纳米碗并且密封开口(例如将有效负荷封闭在内部区域内)。在另外的实例中，封盖微粒可以通过DNA开关连接至纳米碗并且密封开口(例如将有效量有效负荷封闭在内部区域内)，其中将DNA的切换开关“ON”切换至打开(OPEN)位置，以便使有效负荷扩散入腔，且其中将DNA切换开关“OFF”切换至关闭(CLOSED)位置，以便将有效负荷密封在纳米碗内部。
有效负荷从纳米碗载体中的可控制释放放
在实施方式中，例如，可以使用多种机制的任意种操作所公开的纳米碗载体，以便使载荷/有效负荷(例如分子)连接至纳米-载体并且从该纳米-载体中释放所述载荷/有效负荷(例如分子)。在纳米碗载体的示例性实施方案中，包括内部官能化的载荷/有效负荷分子(例如药物、造影剂等)，化学连接基可以使活性分子与纳米碗结构(例如二氧化硅等)的内部区域形成界面。在MMAE的实例情况中，它通过胞内发现的酶敏感性二肽连接基(缬氨酸-瓜氨酸)保持连接至示例性二氧化硅内部。可以使用另外的化学连接基，它们对细胞外部的酶敏感，使得它也可以在那里释放其有效负荷。还可以使用对光、pH和敏感的另外的化学连接基，使得该化学连接基按需释放有效负荷。
在纳米-载体的示例性实施方案中，包括封盖或盖结构，纳米-载体可以被构造成在功能上对外部刺激有响应，例如磁性纳米微粒的RF加热或金壳的近红外(NIR)加热，例如，以便将封盖熔化掉(正如图4A中所示例的)或启动DNA开关/闩锁打开(正如图4B中所示例的)。当除去加热时，例如，DNA开关关闭，并且切断胶囊外部的治疗剂扩散。用于启动开关的可选方法可以包括使用另一条DNA链进行DNA置换或与另外的化学部分发生相互作用。
图4A显示纳米碗载体主体220内部区域中加载有效负荷230的示例性纳米碗载体400A的说明性示意图，其中封盖微粒420(例如金纳米微粒)对开口密封，使得有效负荷230被封闭在纳米碗载体400A内，并且不能渗漏出纳米碗载体400A。在纳米碗载体的该示例性实施方案中，封盖微粒420包括在封盖微粒420外表面上的官能化层411，例如具有特定核苷酸序列的核酸，所述官能化层411被配置成例如通过烷氧基硅烷键连接互补链415、例如具有官能化至纳米碗载体主体220内部区域的互补核苷酸序列的DNA链。包括纳米碗载体400A的核苷酸序列和互补链415的官能化层411可以形成分子铰链(例如核酸，例如DNA)，其连接至纳米碗载体主体220的二氧化硅内部区域和封盖微粒420，以使封盖微粒420结合纳米碗载体主体220，其可以基于外部刺激可控地被打开。正如图4A的示意图中所示，当将外部刺激(例如光刺激(例如激光)、RF刺激等)施加于纳米碗载体400A以导致纳米微粒113和/或金涂层115(产热)激发时，使得所述分子铰链415熔化，由此释放封盖微粒420并且能够释放有效负荷230’。
图4B显示纳米碗载体主体220内部区域中加载有效负荷230的示例性纳米碗载体400B的说明性示意图，其中使用可切换的闩锁结构440使封盖微粒420(例如金纳米微粒)对开口密封，使得有效负荷230被封闭在纳米碗载体400B内，并且不能渗漏出纳米碗载体400B。在纳米碗载体的该示例性实施方案中，封盖微粒420包括连接至纳米碗载体主体220的二氧化硅内部区域中的封盖微粒420的可切换闩锁结构440。在一些实施方式中，例如，可切换的闩锁结构440包括分子拉链和弹簧装置，例如DNA拉链弹簧传动装置。分子拉链和弹簧装置的实例描述在美国专利公开号US 2014/0080198A1中，将该文献的全部内容作为本专利文件公开内容的组成部分引入参考。例如，可以通过偶联至封盖微粒420的示例性分子拉链/弹簧传动装置440可控地阻塞开口，得到纳米微粒闸门机制，当特定刺激(例如互补核苷酸序列)被纳米碗载体400B识别时，其可以打开和分离或关闭开口。可切换闩锁结构440能够拉开拉链，使得其部分延伸以便从开口中开启封盖微粒420，由此使得有效负荷230’从纳米碗载体400B中释放。在另外的实施方式中，例如，可以通过施加外辐射(例如近红外加热金壳115、RF加热氧化铁纳米微粒113和/或金壳115)打开纳米碗载体400B的封盖微粒420。这类加热可以通过施加的辐射产生，使得示例性分子拉链/弹簧传动装置440可以打开，且除去加热可以关闭拉链并且重新密封微粒。
示例性分子拉链/弹簧传动装置440在一条臂上共价连接至纳米微粒(即封盖微粒420)，其足够大以阻塞纳米碗载体主体220开口。另一方面，示例性分子拉链/弹簧传动装置440共价连接至纳米碗载体主体220内部(例如在内部区域底部)。传动装置440的拉链结构的分子序列可以被设计成与核苷酸或病毒的RNA或DNA的某一序列互补。在该特异性链的识别时，拉链可以解开和开启胶囊中的开口。在一种应用中，例如，有效负荷230可以包括可以被载入纳米碗载体主体220的抗病毒药，且由此可以被释放入细胞，以便在纳米碗载体400B遇到具有与分子拉链/弹簧传动装置440互补序列的病毒时，治疗病毒感染。
图4C显示在配置为关闭、打开和分离状态的分子拉链/弹簧传动装置时可切换闩锁结构440的实例的示意图。关闭状态491的实例纳米碗载体包括通过一条臂连接至封盖微粒420并且通过另一条臂连接至纳米碗载体主体220内部的示例性分子拉链/弹簧传动装置，其中纳米碗载体主体220偶联有拉链结构的互补序列，使得内部区域的开口被封盖微粒420完全阻塞和密封。在如打开状态492中所示的互补核苷酸序列(例如病毒或其它寡核苷酸)识别时，拉链展开且纳米微粒开启胶囊开口，使得内部有效负荷被释放。作为再次缠绕和导致纳米碗载体成为关闭状态的可替代选择，例如，分子拉链/弹簧传动装置可以被配置成在与互补核苷酸杂交时使偶联臂与封盖微粒420分离，正如分离针头493中所示，使得封盖微粒420与纳米碗载体完全分离且释放有效负荷。
在图4A和4B的说明性示意图中所示的实施方案实例中，纳米碗载体400A和400B被构造成包括具有单一封盖微粒420的单一开口，以便对开口密封并且将有效负荷230封闭在载体内部区域内部。在另外的示例性实施方案中，例如，纳米碗载体400A和400B可以包括通过在制造过程中例如使用方法100使用多个芯微粒112形成的纳米碗载体主体120上的多个开口；且纳米碗载体400A和400B可以包括多个封盖微粒420和可传动释放机制(例如分子铰链结构415或可切换闩锁结构440)，以便对相应的开口密封并且将有效负荷230封闭在载体内部区域内部。
纳米碗载体至特定细胞的靶向
纳米-载体可以通过使靶向分子连接至微粒外部靶向至特定细胞。在使用金涂层的一些实例中(例如示例性纳米碗结构的金填充剂和/或镀层)，可以通过使用带有游离巯基或胺基团的靶向分子实现这一目的。巯基和胺基团自发地与金表面形成强键。外表面还可以被钝化配体如聚乙二醇修饰，以便改善血流中的循环时间。
纳米碗载体的磁性引导
在一些实施方式中，例如，可以将强外部磁体置于所关注的身体区域，且通过静脉内注射的纳米碗载体优先在接近磁体的局部组织内收集。例如，这在难以接近例如脑或深部癌瘤区域中是特别有用的。图5显示示例性纳米碗载体(例如纳米碗载体400A或400B)的示例性实施方式的说明，其中强磁体可以优先将示例性磁响应纳米碗拉出血流并且使其进入所关注的组织。
纳米碗合成的示例性制造方法和官能化
在一些实施方式中，所公开的制造方法可以包括使用基于溶液的方法生产磁敏感性金纳米碗结构的合成技术，实施所述基于溶液的方法可以生成具有两个可以被官能化的化学不同表面的微粒，如图1中所示。进行示例性制造方法的示例性实施方式，且一些示例性结构如图6和7中所示。图6显示示例性(N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基)三甲氧基硅烷(AEAPTMS)修饰的二氧化硅纳米微粒的FTIR光谱图。图7显示描述实施示例性制造方法和表征这类方法各自产物的结果的图像(例如图7的标度条(scale bar)表示50nm)。
制造方法的示例性实施方式包括使用二氧化硅/聚苯乙烯模板以便合成纳米碗结构。例如，在带有磁搅棒的玻璃小瓶中，制备去离子(DI)水、无水异丙醇和氢氧化铵的溶液。同时向所述溶液中，加入在剧烈搅拌的溶液形式的羧化聚苯乙烯(PS,100nm)和原硅酸四乙酯(TEOS)。将所述溶液搅拌2hrs。然后通过以1000g离心7min洗涤所述溶液，将沉淀重新悬浮于异丙醇2次和DI水2次。最终在2mL水中进行分散。
制造方法的示例性实施方式包括二氧化硅胺表面官能化技术。例如，将(N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基)三甲氧基硅烷(AEAPTMS)加入到无水乙醇中，形成1％(v/v)溶液。将一定量的SiO2/PS模板加入到所述溶液中，使官能化进行2hrs。此后，用无水乙醇和DI水将微粒洗涤2次。最终的洗涤后，将微粒重新悬浮于2mL DI水。
制造方法的示例性实施方式包括使氧化铁纳米微粒连接至载体。例如，氧化铁合成包括使FeCl3·6H2O和FeCl2·4H2O的混合物与氢氧化铵在氮气气氛中在80℃下反应，然后在添加油酸后使所述溶液反应1.5小时。用去离子水将制成的磁石纳米微粒洗涤至中性pH。例如，氧化铁稳定(使用柠檬酸盐)包括使油酸涂敷的纳米微粒在水中旋转，滗析水。然后将微粒悬浮于柠檬酸、氯仿和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合物中。然后将所述混合物在90℃在油浴中搅拌12小时。从油浴中拉出微粒，使其冷却至室温。随后使用磁体，通过添加分离的乙醇沉淀微粒。将微粒分散于丙酮中，再通过磁体分离3-4次，以除去所有痕量的游离柠檬酸。将柠檬酸盐修饰的微粒再悬浮于DI水。例如，氧化铁纳米微粒接种于模板微粒结构包括包括在45℃将胺修饰的模板微粒溶液和柠檬酸盐修饰的氧化铁溶液共同搅拌至少30min。为了从所述混合物中除去过量的游离氧化铁纳米微粒，将所述溶液重复离心至少2次。显示氧化铁连接在带正电荷的200nm SiO2上的示例性结果的图像如图7的D组中所示。
制造方法的示例性实施方式包括将金接种至载体。例如，制备金种溶液的方法包括如下步骤。在搅拌的同时用四(羟甲基)磷鎓氯化物(THPC)的浓溶液还原氢氧化钠(NaOH)和氯金酸(HAuCl4)。将所述溶液在4℃在冷藏箱中放置24小时，然后用于生成5nm大小金种。例如，金接种纳米碗模板包括使金纳米微粒连接至模板微粒，其中将胺-修饰的模板微粒溶液和胶体金溶液在45℃搅拌至少30min。为了除去过量的游离物，离心所述溶液，洗涤至少4次。当成功时，例如，典型地形成深红色沉淀，将其再分散于DI水。
制造方法的示例性实施方式包括通过镀金使在载体上形成外部涂层。例如，通过混合K2CO3、HAuCl4、DI水和在4℃下暗处过夜制备镀金溶液。该步骤将氯金酸转化成氢氧化金溶液。将一定量的金接种的模板微粒加入到相似量的相当的氯金酸中。将甲醛加入到镀金溶液中以启动镀层。使镀层进行30分钟；在此过程中，溶液从澄清变成深紫色。然后用DI水将微粒洗涤4次，以除去过量的金离子，再分散于2mL DI水中。
制造方法的示例性实施方式包括从载体结构中除去芯微粒。例如，在室温(RT)下将模板微粒放入过量的四氢呋喃(THF)2天。然后用水洗涤微粒以便除去痕量的THF。
制造方法的示例性实施方式包括除去部分载体结构。例如，通过浸蚀形成载体内腔。在聚苯乙烯溶解后，通过NaOH浸蚀载体，形成纳米碗结构，其中将官能化的二氧化硅纳米碗结构放入1M NaOH溶液1小时，随后使用HCl中和NaOH。
图7的图像显示所用示例性制造方法的不同方法实施方式的示例性结果。示例性二氧化硅/聚苯乙烯(SiO2/PS)模板微粒合成及其随后使用胺的修饰(例如，其中示例性表征结果如图6中所示)易于再现。示例性SiO2/PS模板微粒被生产为180-200nm直径，如图7的A组中所示。正如图6中所述FTIR光谱所显示的，模板上的二氧化硅成功地被二氧化硅和胺的标记修饰。正如图7B组中所示，用DMF处理微粒，在其后面遗留其中使用过聚苯乙烯微粒的腔。可以使用NaOH进一步浸蚀打开内腔，正如图7的C组图像中所示。首先使用胺修饰的商购可得到的200nm SiO2测试氧化铁和金的连接，以便观察它们是否可以被共同接种。然后将预先接种氧化铁的微粒(图7，D组)与金种一起温育。图7的E组显示这种双重接种。在一些实施方式中，镀金的二氧化硅微粒可以被配置成均匀的，而在另外的情况中，如图7的F组中所示，其可以被配置成零散的(patchy)。
表面官能化部分从示例性纳米碗中的示例性释放
一旦纳米碗载体被合成，则可以给它们加载任意各种分子有效负荷，例如药物，并且在纳米结构的化学上不同的表面上被靶向部分官能化。在靶向分子CPE和药物MMAE的示例性情况中，这些分子易于被修饰。例如，所述过程可以使用可以在胞内被酶裂解的缬氨酸瓜氨酸(VC)二肽连接基进行。或者，例如，对胞外肽类敏感的连接基也可以用于释放药物。
表面连接：为了二氧化硅表面的内部官能化，本文还通过用巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTS)取代包含巯基的硅烷使用用于示例性Mal-vc-MMAE–CPE连接的马来酰亚胺-硫化学，如图3中所示。可以加入过量的MPTS，以确保MPTS完全连接至vcMMAE。这类硅烷官能化策略可以用于使荧光团官能化，然后连接至二氧化硅。为了外部官能化，示例性靶向剂CPE290-319可以在肽的C-末端上使用半胱氨酸定制合成。这种巯基易于在水性条件下连接至金。官能化首先可以使用CPE290-319在过量的最大数量的CPE肽类中开始，所述肽类可以被压缩在微粒表面上。在离心和洗涤后，随即可以将微粒与MPTS-Mal-vc-MMAE一起温育。这种连接可以在乙醇中进行。
细胞靶向：可以使用抗-CPE抗体对处理细胞进行免疫组织化学来证实缀合物的胞吞作用。摄入的CPE290-319会在荧光显微镜上显示处于细胞的胞质溶胶中。为了测试细胞毒性，例如，人卵巢癌细胞系2008和OVCAR-3超表达密蛋白(claudin)-3和-4蛋白，且不同量的缀合物可以用于测试治疗效能。2008细胞中的密蛋白-3和密蛋白-4的敲低(knockdown)可以作为阴性对照。此外，可以将缀合物与游离MMAE和游离CPE290-319比较。在直至96小时的多个时间点，CPE290-319-vc-MMAE缀合物、游离MMAE和游离CPE290-319对培养物中肿瘤细胞的作用可以使用细胞计数试剂盒-8(Cell Counting Kit)试验评价。例如，为了敲低生成，可以实施如下操作。可以用慢病毒构建体递送的shRNAi处理2008细胞以敲低密蛋白-3或-4。同时敲低两种蛋白质可以导致细胞死亡。通过mRNA表达和蛋白质表达验证敲低可以使用逆转录酶PCR和蛋白质印迹进行。例如，为了缀合物的稳定性，可以实施如下操作。缀合物的稳定性可以通过在PBS中温育该缀合物并且在不同时间间隔检查降解产物来测试。此外，可以通过将连接基与组织蛋白酶-B一起温育并且使用LC/MS检查分离的MMAE测试连接基官能度。细胞死亡机制可以包括如下。例如，MMAE是高度有效的微管蛋白连接剂。蛋白质印迹可以检查CPE290-319-vc-MMAE处理的细胞与未处理细胞中游离微管蛋白与微管之比，以便证实MMAE靶向预期的蛋白质，从而诱导细胞凋亡。在一些实施方式中，例如，可以使用磁体定位微粒进行。例如，强磁体可以用于在培养皿中将微粒定位于确定的位置。
示例性纳米碗结构的示例性封盖
使用任意多种策略封盖示例性纳米碗主体。例如，这类封盖可以包括纳米碗的不可逆打开和纳米碗的可逆打开以及使用脂质体。
示例性DNA连接的金微粒作为封盖微粒的：纳米碗-封盖微粒可以包括被DNA官能化的金微粒，从而生成致密官能化的DNA微粒。在一些实例中，它牵涉使用～20个核苷酸的巯基基修饰的DNA用于起始官能化。然后因DNA上的磷酸盐，可以使盐的浓度升至较低静电排斥。可以进行第二轮的官能化以便生成致密的DNA官能化金微粒。为了使DNA连接至二氧化硅，可以使用胺官能化的互补DNA。可以使用羧乙基-硅烷三醇一钠溶液使二氧化硅被羧基官能化。该分子与二氧化硅表面上的无机羟基基团反应，得到用于胺官能化的DNA的连接点。然后EDC/NHS交联剂可以用于使羧基基团连接在胺上。在这些微粒被DNA官能化后，可以共同温育封盖微粒和纳米碗并且形成一种微粒。
封盖微粒与纳米碗主体的示例性连接不限于DNA或金微粒。其它不可逆连接可以对化学或酶降解有响应。此外，还可以包括应用可重复使用的、可切换的分子连接或打开和关闭的传动结构即阀门。
制造方法可以包括几点，此时，可以进行表征。一个实例包括，在完成DNA连接后，DNA连接染料如Sybr Green可以用于证实封盖微粒或纳米碗中存在DNA。另一个实例包括在封盖微粒退火后至纳米碗。这可以通过使用凝胶电泳比较退火的封盖和纳米碗各自与纳米碗和封盖微粒比较证实。另外，可以使用TEM使各微粒成像，以便显示成功组合。
为了示例性有效负荷(例如药物)加载，可以实施如下操作。例如，在纳米碗和封盖被退火前，可以加入高度过量的药物，并且在纳米碗和封盖退火时，药物在物理上应当保持被俘获在纳米碗的容积内。通过RF脉冲或NIR激光加热微粒应当将考虑加热至足以熔化互补DNA，且由此释放微粒。释放还可以通过化学方式进行，例如与互补DNA链的相互作用，使用添加其它肽类、离子或小分子的构型转化。
所公开的纳米碗的示例性实施方案
在所公开的技术的一些示例性实施方案中，所公开的纳米结构载体可以包括带有磁官能团的不对称金和二氧化硅纳米碗结构，其中用于制造这些示例性纳米结构载体的方法可以包括如下过程。示例性制造方法可以包括使用芯-卫星模板的过程，生成为包括单一较大的带负电荷的芯和许多较小的与之连接的带正电荷的卫星微粒而构造的纳米碗。模板微粒可以用于合成多孔金壳。示例性制造方法可以包括使用正电荷芯和负电荷卫星的过程，生成纳米碗结构，即芯-卫星模板，可以由它合成纳米碗结构。在示例性过程中，可以使用静电吸引其它材料例如包括金、二氧化硅和/或氧化铁围绕卫星微粒特定地合成纳米碗结构。示例性过程可以包括溶解芯-卫星模板以便从该模板中释放多个纳米碗。
可以将所公开的纳米结构载体作为具有可以储存特定载荷的确定封闭结构(例如纳米级碗-样结构)的递送系统应用。可以将所公开的纳米结构载体作为具有防止载荷被动渗漏(例如被动扩散)的孔的递送系统应用。可以将所公开的纳米结构载体作为具有可以按需打开和关闭的封盖的递送系统应用。可以使用本技术的模板辅助的方法将所公开的纳米结构载体制成不对称碗纳米结构的形式，其中示例性纳米碗结构选择性地围绕芯-卫星模板的卫星形成，例如使用静电吸引。
图8显示描述所公开的技术的示例性制造方法800的示意图说明，所公开的技术的示例性制造方法800使用芯-卫星模板定向的方法生产示例性纳米碗结构。各种材料可以用于使用示例性芯-卫星模板微粒-辅助的方法800生成不同的纳米碗结构，如图8中所示。使用方法800生产的纳米碗结构的实例可以包括二氧化硅纳米碗、金纳米碗和磁响应金纳米碗。方法800包括用于生产芯-卫星模板微粒810的过程801，所述芯-卫星模板微粒810被构造成包括较大的带负电荷的芯微粒811和较小的带正电荷的卫星微粒812。在一些实施方式中，例如，过程801可以包括以预定比例共同混合带负电荷的芯微粒和带正电荷的卫星微粒，例如小于1:100的芯与卫星微粒。例如，1:100芯与卫星微粒之比得到足够的卫星以便饱和全部芯微粒。带正电荷的卫星812可以选择性地被修饰以便吸引带负电荷的分子或纳米微粒。
方法800包括基于所生产的芯-卫星模板微粒810生产二氧化硅纳米碗结构822的过程802。例如，过程802可以包括无机二氧化硅围绕带正电荷的卫星微粒812生长和模板微粒、即芯微粒811和卫星微粒812溶解，得到多个合成的二氧化硅纳米碗结构822。所合成的二氧化硅纳米碗结构822包括外部二氧化硅壳结构和中空内部，包括中空内部的开口。
方法800包括基于所生产的芯-卫星模板微粒810生产金纳米碗结构832的过程803。例如，过程803可以包括形成金纳米微粒种子831，其被吸引至卫星微粒812，使金壳832通过金纳米微粒种子831在卫星微粒812上生长；和模板微粒、即芯微粒811和卫星微粒812溶解，以便释放金纳米碗结构833。所合成的金纳米碗结构833包括外部金壳和中空内部，包括中空内部的开口。
方法800包括基于所生产的芯-卫星模板微粒810生产磁响应金纳米碗结构844的过程804。过程804可以包括吸引氧化铁纳米微粒种子841和金纳米微粒种子831至带正电荷的卫星微粒812。过程804可以包括使金壳832通过内部包埋氧化铁纳米微粒841的金纳米微粒种子831在卫星微粒812上生长。过程804可以包括溶解模板微粒、即芯微粒811和卫星微粒812，导致形成磁响应金纳米碗结构844。所合成的磁响应金纳米碗结构844包括金壳内包埋氧化铁纳米微粒的外部金壳和中空内部，包括中空内部的开口。值得注意的是，可以使用图8中所示的示例性制造方法800使另外的材料生长和形成，以便成形并且产生所公开的技术的纳米碗结构。
图9A和9B显示扫描电子显微镜检查(SEM)图像，其显示出使用所公开的模板合成制造方法由带负电荷的1000nm聚苯乙烯芯(图9A中)和带正电荷的100nm(阳离子聚电解质官能化的)聚苯乙烯卫星(图9B)中生产的材料。例如，也可以由纯二氧化硅或二氧化硅和聚苯乙烯混合物制成模板。图10显示例如根据图8中所示方法在聚苯乙烯模板的卫星微粒上形成的纳米碗的二氧化硅外部的具有递增厚度(例如左至右)的示例性制造的结构的SEM图像。图10的SEM图像显示通过控制二氧化硅形成条件能够控制在卫星微粒上生长的示例性纳米碗的二氧化硅外部的厚度，所控制的条件例如，TEOS的量，包括中值量的TEOS(中间图像)和大量的TEOS(右侧图像)。
在一些实施方式中，例如，示例性的制造方法可以包括使用阳离子聚电解质(例如聚(二烯丙基二甲基氯化铵)或聚(烯丙基胺盐酸盐))涂敷羧化物-修饰的聚苯乙烯球(例如100nm直径)。示例性的制造方法可以包括静电吸引带负电荷的芯(例如1000nm直径)，例如其中芯可以由羧化物-修饰的聚苯乙烯和二氧化硅制成。然后，可接种卫星微粒并且镀金和/或涂敷二氧化硅或涂敷氧化铁。
在所公开的技术的一些示例性实施方案中，可以使用芯-卫星模板合成所公开的纳米碗结构，所述芯-卫星模板包括大的带正电荷的芯和许多较小的与之连接的带负电荷的卫星微粒。图11A显示使用表面官能化的芯和卫星微粒模板生产纳米碗结构(例如二氧化硅纳米碗)的一个实例的说明性示意图，其包括如下过程。正如图11A中所示，所述方法包括使带负电荷的芯微粒(例如1μm聚苯乙烯)使用涂层(例如聚合物涂层，例如聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA))官能化的过程1101，以便形成带正电荷的芯微粒表面。所述方法包括连接卫星微粒(例如100nm带负电荷的聚苯乙烯微粒(例如聚苯乙烯-COOH))的过程1102。所述方法包括过程1103，其使带正电荷的官能化的芯和带负电荷的卫星模板与带正电荷的硅烷反应，形成壳结构(例如二氧化硅壳结构)，例如QuATPmS或ATPmS等，视期望的表面修饰而定。所述方法包括过程1104，其通过除去官能化的芯–卫星模板、例如使用有机溶剂浸蚀掉聚苯乙烯和涂敷芯的聚合物(PDDA)生产纳米碗结构。图11B-11D显示示例性制造方法实施过程中得到的微粒的说明性示意图和相关的SEM图像。图11B中所示的SEM图像(A)显示100nmPS-COOH卫星，其通过电荷相互作用被连接至PDDA-涂敷的聚苯乙烯芯。图11C中所示的SEM图像(B)显示使用QuATPmS涂敷后的结构或花粉样团(polle)，例如，每个卫星的尺寸增加了20-30nm。图11D中所示的SEM图像(C)显示使用DMF的浸蚀过程后产生的纳米碗结构。图11B-11D中的示例性刻度条表示500nm。
示例性方法包括形成聚合物涂敷的模板的过程。例如，用DI水稀释特定量的1μm羧化物-修饰的聚苯乙烯；向所述溶液中分别加入剧烈搅拌溶液形式的NH4OH(29％)和聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)。聚合物涂敷的模板形成过程可以包括使反应进行，例如20分钟。例如，可以用4.5mL DI水稀释500μL 1μm PS-COOH(2.7％vol/vol)水溶液；然后可以加入320μL NH4OH(29％)，搅拌；在搅拌的同时，可以加入2.5mL 1％PDDA，保持搅拌20分钟。聚合物涂敷的模板形成过程可以包括洗涤溶液，例如通过以3200g离心15min和将沉淀再悬浮于DI水中3次和乙醇中2次来进行。聚合物涂敷的模板形成过程可以包括最终分散于80％乙醇的DI水溶液。
示例性方法包括使卫星微粒连接至聚合物涂敷的模板微粒的过程。例如，可以将1μm在80％乙醇中的PDDA涂敷的羧化物-修饰的聚苯乙烯与特定量的100nm羧化物-修饰的聚苯乙烯一起温育30分钟。然后可以通过以1000g离心5min将所述溶液洗涤3次。卫星微粒连接方法可以包括在乙醇中进行最终分散。
示例性方法包括通过胺表面官能化使二氧化硅官能化的过程。例如，可以将乙醇添加到产生的溶液中。官能化过程可以包括剧烈搅拌所述溶液。官能化过程可以包括向搅拌的溶液中添加少量N-(三甲氧基甲硅烷基丙基)-N,N,N-三甲基氯化铵，即在甲醇中50％(QuATPmS)。官能化过程可以包括使搅拌的反应进行例如2小时，然后将其加热至60℃，例如，同时再搅拌2小时。官能化过程可以包括通过离心、例如以3200g离心15min 3次用DI水洗涤反应溶液。
示例性方法包括过程形成聚电解质涂层或TMOS涂层。示例性方法包括除去示例性聚苯乙烯的过程。例如，模板除去过程可以包括将模板微粒置于过量的DMF中，同时搅拌和在100℃加热过夜。模板除去过程可以包括离心样品和再悬浮于DMF，例如重复3次。模板除去过程可以包括用水洗涤微粒以除去痕量的DMF。
所公开的詹纳斯纳米微粒的示例性实施方案
两种或更多种不同表面特性的胶体微粒(詹纳斯微粒)在催化、生物成像和递药中具有意义。偏心式纳米微粒是詹纳斯微粒的类型，其包括封闭大部分模板微粒的壳，从而使得部分模板表面暴露。公开了本技术所公开的纳米结构和制造方法的示例性实施方案，包括围绕詹纳斯模板(例如羧化物-修饰的聚苯乙烯芯)的二氧化硅壳构成的偏心式詹纳斯纳米微粒的溶液-凝胶合成。在用有机溶剂除去聚苯乙烯芯后合成纳米级碗-样结构。示例性詹纳斯模板(例如偏心式二氧化硅/聚苯乙烯微粒)和纳米碗结构可以用作用于位点专一的官能化或治疗诊断学的通用平台。
具有两种或更多种独特表面化学的胶体微粒可以称作詹纳斯微粒，例如在Roman神话的两面神像之后命名的。多表面化学的组合可以生成具有其自身独特特性的材料。詹纳斯微粒可以在催化、生物医学成像和药物递送中具有宽泛的应用。
所公开的技术包括溶液-凝胶、非-微乳化方法，其用于具有包囊詹纳斯模板(例如羧化物-修饰的聚苯乙烯芯)的二氧化硅壳(例如称作纳米级橄榄微粒或‘橄榄；)的偏心式二氧化硅微粒的受控合成。所公开的方法包括制造二氧化硅纳米微粒(溶液-凝胶)且可以包括添加羧基修饰的聚苯乙烯。描述了所公开的制造方法的示例性实施，其显示聚苯乙烯模板大小、表面官能化和原硅酸四乙酯(TEOS)浓度对詹纳斯模板-样微粒形态的作用，并且显示了用有机溶剂除去聚苯乙烯芯后示例性合成的纳米碗结构。纳米碗可以被设计成具有腔或中空内部区域，其可以用于储存有效负荷(例如治疗剂)并且在实施过程中可以被生物相容性材料结构封盖，用于治疗剂(例如造影剂分子和治疗剂)的有效和受控递送和释放。
用于实例实施的示例性方法和材料如下。例如，材料包括如下。得到羧化物(PS-COOH)修饰表面的球形胶体聚苯乙烯，其具有：50nm(实际45±6.2nm)直径，在水中2.6％；100nm(实际：85±6.7nm)直径，在水中2.62％；和200nm(实际：190±6.5nm)直径，在水中2.65％。得到具有胺(PS-NH2)修饰表面的聚苯乙烯，其具有：200nm(实际：230nm±16.1)直径，在水中2.5％；硫酸盐(PS-SO4)修饰表面的聚苯乙烯，在水中2.65％，200nm(实际194±9nm)直径和羟基(PS-OH)修饰表面，200nm直径(实际190±16.1nm)，在水中2.6％。得到氢氧化铵(NH4OH,29.79％)、二甲基甲酰胺(DMF)、TEOS(98％)和无水异丙醇(IPA)。在全部示例性实施方式中使用的去离子水使用具有18.2MΩ电阻的Millipore Advantage A10系统生产。
例如，实例微粒形成过程如下。在具有700μL H2O、4mL IPA和1.3mL NH4OH的20mL玻璃闪烁瓶中合成二氧化硅橄榄。向所述混合物中同时加入100μL聚苯乙烯球和83μL TEOS(60mM)，同时搅拌(另有描述的除外)。使所述溶液反应2小时，然后通过离心终止反应(另有描述的除外)。将反应混合物以500g离心5min；将上清液转(沉淀弃去)至新鲜15mL离心管并且以或大于3000g离心5min(例如3221g 5min)。将得到的沉淀分散于～15mL IPA。通过在IPA中(例如以3221g)离心2次洗涤微粒，然后再分散并且用H2O洗涤2次(例如通过以3221g离心)。
例如，微粒直径和成像技术的确定如下。使用动态光散射(DLS)或通过来自SEM图像的100个测量值的平均值测量微粒直径。例如，Brookhaven ZetaPlus DLS仪器用于测量溶液中的微粒尺寸。将每个样品测量5次，得到信号平均值。报告最大峰。直方图得自DLS或SEM测量值并且使用OriginPro 7.0绘图。为了成像，例如，使用钯喷涂样品以便改善成像，例如使用Emitech K575X喷涂器。SEM图像使用配备FEI Sirion柱的FEI XL30得到，以便能够超高分辨。
实例实施的示例性结果如下。图12显示在反应开始时使用羧化聚苯乙烯纳米微粒(PS-COOH)并且使用氢氧化铵溶液、IPA、DI水制造的示例性偏心式二氧化硅/聚苯乙烯微粒(例如二氧化硅纳米级橄榄)的示意图说明，其中添加TEOS和PS-COOH、以偏心方式围绕PS-COOH集中的二氧化硅。过量的PS-COOH产生具有在二氧化硅中包埋一个或多个模板的橄榄。使用有机溶剂(例如DMF)除去模板，生成二氧化硅纳米碗结构(例如无聚苯乙烯模板的橄榄)。在示例性的实施方式中，例如，橄榄的实际形成相当快速地发生，例如在前15-20分钟内，且反应从半透明溶液变换成不透明的白色溶液。另外的处理时间不影响橄榄的形态；它仅允许使微粒固化的时间，但不包裹暴露的聚苯乙烯。只要反应期限为18hr，则在SEM中观察到橄榄。反应通常在2hr后终止，例如，这确保不形成聚集物。图13A-13D显示反应溶液中1hr(图13A)、2hr(图13B)、3hr(图13C)和18hr(图13D)后使用60mM TEOS生产的示例性偏心式二氧化硅/聚苯乙烯微粒的SEM图像。聚苯乙烯模板始终保持部分暴露。
图14A-14E显示使用不同TEOS浓度形成的示例性纳米级橄榄结构的SEM图像，例如保持所有另外的反应剂恒定。示例性图像显示从递增TEOS浓度出现的两种趋势，例如(i)橄榄直径递增；和(ii)被二氧化硅覆盖的聚苯乙烯递增。使用如下TEOS浓度以便形成橄榄。每个示例性制造条件的平均橄榄直径和变异系数包括：(a)20mM(222nm,0.15)，如图14A中所示；(b)40mM(206nm,0.08)，如图14B中所示；(c)60mM(244nm,0.15)，如图14C中所示；(d)80mM(298nm,0.18)，如图14D中所示；和(e)100mM(539nm,0.34)，如图14E中所示。例如，调整TEOS浓度、同时保持每种另外的条件相同改变至二氧化硅封闭PS-COOH的程度。当TEOS浓度和聚苯乙烯的二氧化硅覆盖增加时，所以微粒大小正如DLS所测定的，如图14A中所示。在低TEOS浓度(例如20mM,40mM)下，半数至四分之三的聚苯乙烯表面被二氧化硅封闭。在较高浓度(例如80mM、100mM)下，二氧化硅几乎吞没聚苯乙烯。
例如，3种不同大小的PS-COOH用于研究模板大小对偏心式微粒形成的作用。使用60mM TEOS与标准反应条件、无PS、50nm、100nm和200nm直径PS-COOH模板合成微粒。图15A-15E显示使用60mM TEOS浓度、应用不同大小的模板、即不同直径的PS-COOH模板合成的示例性纳米级橄榄结构的SEM图像和数据图：(a)50nm，如图15A中所示；(b)100nm，如图15B中所示；(c)200nm直径，如图15C中所示；和(d)无模板，如图15D中所示。图15E显示描述使用50nm和100nm模板制成的橄榄的数据图，其显示当与无模板制成的二氧化硅样品比较时较小的平均直径。例如，未报告使用200nm模板进行橄榄合成的大小分布，因为二氧化硅难以围绕众多200nm模板包裹(例如它们聚集，遗留其中聚苯乙烯球曾经存在的凹印(imprint))。正如图15A和15B中SEM图像所示例的，50nm和100nm PS-COOH模板成功地制成偏心式纳米微粒。这些橄榄平均小于纯的二氧化硅微粒。然而，60mM TEOS混合物中包括的200nm PS-COOH显然难以形成或完全不形成。例如，从SEM图像中可以看出，二氧化硅试图围绕PS-COOH包裹，但并不成功，遗留圆形凹槽(indent)和大量聚集的微粒。比较具有200nm PS-COOH大小的纯二氧化硅微粒(例如350nm)，示例性结果启示，存在二氧化硅可以吞没PS-COOH的大小的上限。可以启示形成过程中二氧化硅与PS-COOH的相互作用归因于多个弱键。偏心式微粒的成功形成由此可以在生长时铰链连接，足以使二氧化硅通过物理方式俘获PS-COOH。
在示例性实施方式的示例性结果中，例如，模板微粒的表面官能度显然在橄榄形态上起重要作用。将200nm PS-NH2、PS-OH或PS-SO4加入60mM TEOS反应溶液得到完全被二氧化硅包囊的微粒。图16A-16C显示表征使用胺类(图16A)、羟基(图16B)和硫酸酯/盐(图16C)官能化的示例性200nm聚苯乙烯球的SEM图像和附带数据图，例如将它们加入到60mM TEOS溶液中。例如，这些聚苯乙烯球被二氧化硅均匀地涂敷，正如SEM和DLS分析数据图所证实的。例如，通过得到的微粒直径随聚苯乙烯模板大小增加和显示具有平滑形态的球形微粒的SEM图像观察到这一结果。因此，TEOS与PS-COOH之间的一些不确定的相互作用能够使示例性橄榄纳米结构形成，其不与包含另外的表面官能团的聚苯乙烯模板一起出现。
例如，示例性实施方式的示例性结果可以启示，二氧化硅与PS-COOH在形成过程中与多个弱键发生相互作用之间相互作用。例如，比较具有200nm PS-COOH大小的纯的二氧化硅微粒(350nm)，启示芯的大小与表面官能度在詹纳斯模板形成过程中起重要作用。詹纳斯模板的成功形成由此可以在生长时铰链，足以使二氧化硅通过物理方式俘获芯。
可以使用方法使二氧化硅围绕不同表面官能度的聚苯乙烯生长。在一些实施方式中，均匀的壳围绕胺-终止的聚苯乙烯生长，而二氧化硅岛围绕硫酸盐/酯终止的聚苯乙烯生长。那些实施方式与所述示例性实施方式之间的差异可能归因于所用水和氢氧化铵的相对量。上述那些实施方式使用3.5mL DI水和0.5mL氢氧化铵；水的体积高于氢氧化铵6倍。在所公开方法的示例性实施方式中，所用的水的体积约为所用氢氧化铵体积的一半。二氧化硅纳米微粒的直径(例如使用方法形成的那些)对于反应条件中的较小改变都高度敏感并且对于壳的形成可能亦是如此。
例如，因为示例性纳米级橄榄结构在同一微粒上包含二氧化硅和羧基基团，所以化学部分如靶向部分和治疗剂可以以空间确定的方式独立地连接。所述橄榄可以具有作为多功能递送平台的应用，因为它可以在纳米级上以空间方式构成不同的化学部分，这是在现存递药系统如纳米脂质体或二氧化硅中不常见的特征。或者，例如，通过除去聚苯乙烯，所述橄榄变成具有用于治疗剂或诊断剂的内部载体空间的纳米碗。然后所公开的纳米碗可以被生物相容性材料封盖，包括PLGA、脂质体和脱乙酰壳多糖。
对于治疗剂从纳米碗结构中的有条件释放和控制释放，例如封盖(例如封盖微粒)，有效负荷可以通过与DNA的特异性相互作用、酶加工或环境触发器如温度和pH而被释放。现存的递送系统提出具有孔或开放表面，其能够被动和/或连续释放其载荷(造影剂分子或治疗剂)。所公开的纳米碗结构可以用于控制释放造影剂分子或治疗(治疗诊断)剂。
所公开的纳米/微米球结构的示例性实施方案
在本技术的一些方面中，公开了技术、系统和装置，其用于制造和实现纳米/微米级载体结构，其具有中空的和多孔壳官能化的内和/或外表面并且能够磁性引导，它们能够控制释放有效负荷、改善细胞摄取和其它特征。在一些实施方式中，所公开的技术的纳米/微米级载体结构可以用于靶向和按需递送用于人和动物中异常病理学情况和疾病的诊断和/或治疗的分子和小分子(例如重组治疗诊断剂)。
具有100nm至100μm直径的中空的、多孔微米-和纳米-粒在催化、光电子学、生物传感、治疗剂和诊断剂的纳米递送、细胞培养和毒素清除方面具有特别的意义。这类微粒结构用于包囊和储存。在一些情况中，纳米微粒被另外的元素、例如金或允许任务定向的官能化的自组装的有机分子表面修饰。这种额外的官能化可以包括对光、温度、pH和其它环境线索的反应性。例如，金通常具有许多非常具有吸引力的光物理学特性，这些特性能够被利用于成像和热操作。金可以用于设计不同结构，包括实心球和杆体、中空结构例如纳米笼和芯/壳结构。
在一些实施方案中，例如，所公开的技术可以包括用于生产纳米/微米载体结构的制造方法，通过制造包括芯微粒的模板微粒来进行，所述芯微粒被用于制造可以因期望应用被官能化的选择材料形成的多孔和/或中空/多孔壳结构的掩蔽微粒覆盖。在一些实施方案中，例如，可以将壳结构制成金纳米级或微米级高尔夫球，其具有实体二氧化硅芯，所述芯具有带有连通芯的凹孔或孔的外部金壳表面。在一些实施方案中，例如，可以将壳结构制成具有带有连通中空内部的孔的金壳表面的中空的和多孔的金纳米级或微米级威浮球。这些实施方案可以进一步被修饰允许容纳二氧化硅壳内的金层或岛，由此促进使外的实体(例如氧化铁微粒、分子、钝化剂)连接至载体结构内部。
在一些实施方案中，例如，用于生产所公开的纳米/微米级载体结构的制造方法可以包括如下过程的一个或多个。示例性制造方法可以包括：(i)合成花粉-样模板微粒，其具有与之连接的较大中心微粒和较小卫星微粒，例如所述微粒可以由二氧化硅、聚苯乙烯或两者的组合制成；其中该合成可以包括(i.a.)将小的金纳米微粒(例如～5nm)添加至花粉-样模板外部；(i.b.)使用金纳米微粒使较大的金岛或金壳生长；和/或(i.c)通过在分步溶解二氧化硅中溶解模板生成多孔高尔夫球-样壳或中空的和多孔的威浮球-样壳。示例性的制造方法可以包括(ii)对模板进行修饰，其可以包括使示例性二氧化硅层围绕金岛或金壳生长和/或将氧化铁纳米微粒添加至示例性二氧化硅高尔夫/威浮球-样壳的外和/或内表面。示例性的制造方法可以包括(iii)使结构(例如球/微粒)的内和外表面差别官能化；用烷氧基硅烷修饰示例性二氧化硅表面并且除去芯。示例性的制造方法可以包括(iv)将分子有效负荷(例如例如药物、图像造影剂等)载入壳。例如，可以载入壳的分子有效负荷可以包括药物、造影剂、酶、蛋白质、激素、糖蛋白、糖脂、核酸、适体、脂质和/或者金属的、聚合的或陶瓷的纳米微粒。示例性的制造方法可以包括(v)从示例性威浮球中控制释放分子有效负荷。示例性的制造方法可以包括(vi)使用钝化层、例如包括聚乙二醇或类似的惰性聚合物对表面进行外表面修饰，并且添加靶向部分以便改善细胞摄取。示例性的制造方法可以包括(vii)在外部磁场作用下将示例性磁加载的高尔夫/威浮球载体结构导入特定位置。
可以将所公开的纳米/微米载体结构配置成能够是内表面双向官能化的微粒，例如，这归因于存在金和二氧化硅。磁性引导所公开的纳米/微米载体结构通过包含磁材料是可能的。所公开的制造方法可以使用基于同一模板的合成方法生产多种类型的微粒，例如两种示例性多孔高尔夫球-样载体结构和中空/多孔威浮球-样载体结构。所公开的制造方法可以生产这些多种微粒类型，其具有不同的大小，例如具有200nm或1μm直径。
图17-21显示用于生产和实现所公开的纳米/微米载体结构的制造技术的说明性示意图。
壳结构的示例性合成
图17显示描述生产用于形成结构的不同反应的多孔和中空/多孔的载体结构的示例性制造方法的说明性示意图，所形成的结构例如为多孔高尔夫球-样载体结构(纳米高尔夫球)和中空的和多孔的威浮球-样载体结构(纳米威浮球)。所述制造方法包括用于合成模板微粒的过程1701，所述模板微粒包括使掩蔽微粒连接至芯微粒，例如，可以通过静电相互作用连接。在过程1701的一些实施方式中，例如，带负电荷的卫星胶体聚苯乙烯球(例如～100nm)可以用作掩蔽微粒并且连接至较大阳离子二氧化硅芯微粒(例如～1μm)。所述制造方法包括使纳米微粒连接至芯微粒的未覆盖部分的过程1702。在过程1702的一些实施方式中，例如，胶体金连接至示例性二氧化硅芯微粒，其中示例性聚苯乙烯掩蔽微粒防止这类金连接在其中掩蔽微粒连接至芯微粒的区域上。例如，可以通过将小的金纳米微粒(例如～5nm)添加至花粉样模板的外部形成金层。所述制造方法包括通过使连接的纳米微粒在芯微粒的未覆盖部分上的材料生长形成层的过程1703，由此在模板上形成壳结构。在过程1703的一些实施方式中，例如，使用生产金壳的金纳米微粒使较大的金岛或区域在模板上生长。例如，可以将模板浸入氢氧化金溶液并且处理以便导致金种成核进入围绕模板的金壳。所述制造方法包括从模板中除去掩蔽微粒形成多孔的载体结构的过程1704。在过程1704的一些实施方式中，例如，在二氧化硅芯微粒上形成的具有外部金多孔壳的多孔高尔夫球结构可以通过溶解示例性聚苯乙烯掩蔽微粒形成。另外或可选地，所述制造方法包括通过除去微粒和芯微粒(或至少部分芯微粒)除去模板以形成中空的多孔的载体结构的掩蔽过程1705。在过程1705的一些实施方式中，例如，可以通过在分步溶解过程中溶解示例性聚苯乙烯掩蔽微粒和示例性二氧化硅芯、例如首先溶解掩蔽微粒且然后溶解芯微粒形成金多孔壳的中空的和多孔的威浮球结构。
模板和/或壳的示例性修饰
所述制造方法还可以包括对模板进行能够使壳差别官能化的表面修饰过程。在一些实施方式中，例如，所述制造方法可以包括使二氧化硅层围绕金壳生长的过程。图18A显示金壳1812上示例性载体结构包括二氧化硅壳1811的说明性示意图。在一些实施方式中，例如，所述制造方法可以包括形成金岛的过程。图18B显示包埋在二氧化硅壳1821内部的金岛1822上包括二氧化硅壳1821的示例性载体结构的说明性示意图。在一些实施方式中，例如，氧化铁纳米微粒可以被连接入壳的外部和/或内部。图19显示加入到图18A的示例性二氧化硅/金壳内部的包括氧化铁纳米微粒1933的示例性载体结构的说明性示意图。在一些实施方式中，例如，也可以将氧化铁纳米微粒1933置于壳的外部。
所述制造方法还可以包括对形成的壳结构进行能够使用不同分子使壳外部和/或内部官能化的表面修饰过程。图20显示示例性载体结构的说明性示意图，包括使用分子和/或小分子2040(例如，包括有效负荷，例如药物)在内部和使用靶向分子2050在外部使示例性二氧化硅壳1821/金岛1822的选择性官能化。所述制造方法可以包括使用二氧化硅表面，烷氧基硅烷化学使各种分子形成界面的过程。所述制造方法可以包括例如使用游离巯基或胺在金表面上连接分子的过程，所述游离巯基或胺自发地连接至金表面。例如，这可以用于连接钝化剂，如聚乙二醇或靶向部分。
具有有效负荷的示例性载体加载
为了差别官能化，例如，可以使用药物或造影剂修饰内部。一种这类用于连接的实例是使用连接至壳结构的烷氧基硅烷或基于材料连接至壳结构的连接分子修饰药物(一甲基奥瑞他汀E,MMAE)。
有效负荷从载体中的示例性释放
在一些实施方式中，化学连接基使活性分子与二氧化硅形成界面。可以使用的化学连接基可以选自对细胞内部或外部的酶敏感的那些，例如导致有效负荷在靶标处从载体中控制释放。另外的示例性化学连接基可以选自对光、pH和温度或其它刺激物敏感的那些，以便控制有效负荷递送。
载体结构可以靶向至特定细胞。例如，在使用威浮球结构(例如中空的和多孔的载体结构)的实施方式中，载体可以通过使靶向分子连接在壳的外部靶向至特定细胞。例如，对于外部金壳，这可以通过使用带有游离巯基或胺基团的靶向分子实现。巯基和胺基团与金表面自发地形成强键。外表面还可以被钝化配体如聚乙二醇修饰，以改善血流中的循环时间。
载体的示例性磁性引导
在使用制造的纳米/微米载体结构的一些实施方式中，例如，纳米高尔夫球和纳米威浮球，可以将强外部磁体置于所关注的身体区域上，且可以将载体经静脉内注入体内(例如在生物相容性溶液中)，以便优先集中于接近磁体的局部组织。例如，这对于难以接近的区域特别有用，例如脑或深部癌瘤。正如上述图5中所示，可以将纳米/微米载体结构(例如纳米高尔夫球或纳米威浮球)注入受试者(例如人或动物受试者)血流，且强磁体可以用于引导和定向(例如优先拉出)示例性磁响应载体(例如纳米球)离开血液并且进入所关注的组织。
用于纳米球载体合成和官能化的制造方法的示例性实施方式
在一些实施方式中，所公开的制造方法可以包括如下示例性合成技术，以便使用基于溶液的方法生产磁敏感性金/二氧化硅纳米球结构，如图17-20中所示。进行示例性制造方法的示例性实施方式，其中示例性结果如图21中所示。
PDDA对示例性二氧化硅微粒的表面官能化
胶体二氧化硅在高于～2.2的pH值下具有净负表面电荷。可以使用阳离子聚电解质例如聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDDA)逆转胶体二氧化硅表面上的净电荷。PDDA以静电方式连接至表面并且逆转胶体二氧化硅表面上的净电荷。聚合物中的季铵离子与胶体的脱质子化的硅烷醇基之间形成化学计算的盐键。这通过向5mL 2％胶体二氧化硅的分散体(pH≥11)中添加320μL氢氧化铵来进行。随后，在4℃下将所述溶液放入超声冰浴，且然后向所述混合物中加入5mL 1w％t PDDA水溶液。将得到的溶液保持在超声浴中20min。然后将包含所述溶液的试管以3200g离心10min，以除去未吸附的聚合物。将离心和再分散重复4次，在两者之间进行清洁容器的转换。将白色沉淀重新分散于5mL水。
示例性模板的合成
带负电荷的卫星胶体聚苯乙烯球连接至较大的阳离子二氧化硅芯。～100nm直径的羧基-官能化的聚苯乙烯球以静电方式被吸引至1000nm PDDA-官能化的二氧化硅。在2mL离心管中，将1mL PDDA-官能化的二氧化硅以3200g离心并且再分散于1mL EtOH中。在4℃下将包含PDDA-官能化的二氧化硅溶液的试管放入超声冰浴10min。然后向PDDA-官能化的二氧化硅中加入25μL羧基-官能化胶体聚苯乙烯水溶液，保持在超声冰浴中另外5min。然后将所述混合物以1000g离心5min，滗析，并且将淀重新分散于1mL水。
金种与模板的连接
具有1-3nm直径的胶体金纳米微粒用作镀金过程的金种。将54mL水和50μL 10M氢氧化钠彼此混合。在单独的容器中，用1mL水稀释12μL 80％四(羟甲基)磷鎓氯化物(THPC)，加入到原始溶液中，搅拌5min。向所述溶液中加入15mL 1％氯金酸，再持续搅拌30min。将金种溶液在4℃下静置24小时，然后使用。THPC同时还原氯金酸和稳定水溶液中的金纳米微粒，得到带有负电荷的金纳米微粒。推定金的堆积密度且完全转化成3nm金种，金种浓度为1.0×1016金种/mL。
通过共同添加100μL模板溶液和5mL金种溶液、同时剧烈搅拌使示例性金种连接至模板。将所述溶液在45℃搅拌至少30min。为从所述混合物中除去过量的游离金种，将所述溶液以1000g离心10min。将该离心步骤重复至少2次。最终，形成淡粉白色沉淀，将其重新分散于1mL水中。
示例性金壳的生长
使用氢氧化金溶液使金壳在带有连接的聚苯乙烯卫星的示例性金-接种的胶体二氧化硅模板上生长。在100mL瓶子中，通过将70mL5.37mM K2CO3搅拌10min、然后向所述溶液中添加3.15mL 1％氯金酸制备氢氧化金溶液。最初氢氧化金溶液为亮黄色，在冷藏前搅拌1小时后变澄清。将所述溶液在4℃下置于黑暗中24小时。然后用于电镀(plating)。然后将500μL金-接种的模板加入到15mL氢氧化金中并且剧烈混合5min，然后添加50μL 37％甲醛。甲醛添加通过将氢氧化金还原成金属金启动电镀过程。该步骤进行后快速添加5μL NH4OH。这导致金种围绕模板成核为壳。使用大玻璃杯将得到的溶液混合约3小时。然后将所述混合物以1000g离心5min以除去溶液。将该步骤重复至少4次。将沉淀重新分散于2mL水中。
示例性模板的溶解
当除去100nm聚苯乙烯卫星时，生成示例性金高尔夫球。离心后将镀金的模板重新分散于5mL二甲基甲酰胺(DMF)中。将包含所述溶液的试管在60℃下放入超声水浴中20min，然后以3200g离心10min并且重新分散于DMF中。将离心和使用DMF冲洗重复2次以上，然后再分散于水中。
通过经金高尔夫球分散于10％氢氟酸(HF)，同时在2mL离心管中除去二氧化硅芯制成中空金高尔夫球。将得到的混合物保持静置24小时。将该步骤再次重复。通过与水一起离心将中空金高尔夫球冲洗6次且然后再分散于2mL水中。
图21A-21F显示使用上述示例性合成技术的示例性多孔和中空/多孔纳米载体结构(例如金高尔夫球)的扫描电子显微照片(SEM)图像。图21A的图像(A)显示示例性1000nm聚苯乙烯/SiO2模板。图21B的图像(B)显示模板的示例性金种。图21C的图像(C)显示金壳生长。图21D的图像(D)显示较小聚苯乙烯的溶解(例如形成金高尔夫球)。图21E的图像(E)显示SiO2芯微粒的溶解(例如形成中空金威浮球)。图21F的图像(F)显示示例性1000nm金壳模板的广角视图。图21A-21E的图像中所示的标度条表示200nm。图21F的图像中所示的标度条表示2μm。
双官能化的中空的多孔纳米微粒的示例性实施方案
在所公开的技术的一些示例性实施方案中，中空的多孔纳米微粒(例如中空的多孔二氧化硅纳米球)、包括双向-官能化的中空的多孔纳米微粒可以在示例性分步静电组装过程中合成。图22A和22B显示可以用于在双向-官能化模板结构上制造所公开的技术的多孔中空纳米-/微米-微粒(例如二氧化硅纳米球)的示例性合成方法的说明性示意图，其中可以将所生产的多孔中空纳米微粒制成在微粒内部上具有一个化学官能团，而在微粒外部上具有另一个化学官能团。正如图22A中所示，所述方法包括使带负电荷的芯微粒官能化的过程2201，例如形成涂层，从而在芯微粒上提供带正电荷的表面。例如，在过程2201的一些实施方式中，通过第一涂层(例如PDDA)来涂敷1μm修饰的羧化聚苯乙烯微粒以形成带正电荷的芯微粒。所述方法包括再修饰官能化微粒的过程2202，从而形成第二涂层，以便在带负电荷的芯上的带正电荷的第一官能化层上得到带负电荷的官能化表面，例如，由此产生双-官能化的芯微粒。例如，在过程2202的一些实施方式中，第二涂层(例如聚(丙烯酸)(PAA))可以在芯微粒上形成，以便形成双-官能化的芯微粒的带负电荷的表面。所述方法包括使带正电荷的卫星微粒连接至多层涂敷的带负电荷的芯微粒的过程2203。例如，在过程2203的一些实施方式中，双-官能化聚合物涂敷的芯(例如PAA-PDDA-PS)可以连接至100nm胺修饰的聚苯乙烯微粒。所述方法包括在芯-卫星模板上形成壳(例如二氧化硅壳)的过程2204。例如，在过程2204的一些实施方式中，带正电荷的硅烷(例如QuATPmS)可以生长在带负电荷的PAA-PDDA-PS芯上，同时避免生长在带正电荷的卫星上，从而在芯微粒上产生二氧化硅壳。在所述方法的一些实施方式中，如图22A中所示，例如，所述方法包括除去芯-卫星模板和产生中空的多孔纳米微粒(例如中空的多孔二氧化硅纳米球)的过程2205。例如，在过程2205的一些实施方式中，用有机溶剂浸蚀芯和卫星微粒。而在所述方法的一些实施方式中，如图22B中所示，例如，所述方法可以包括过程2205前在壳上形成外部官能化表面(例如涂层)的过程2206，其中所述涂层包括与壳带相反的电荷。例如，在过程2206的一些实施方式中，原硅酸四乙酯(TEOS)可以用于在双-官能化的芯模板上的二氧化硅壳上形成最终的薄层。
在图22A和22B中所述方法的一些实施方案中，例如，方法可以使用过程2201中起始带正电荷的芯微粒实施，以便形成具有带负电荷的表面的官能化的芯微粒。过程2202可以包括在芯微粒上形成带正电荷的第二涂层，以便形成双-官能化的芯微粒，使得过程2203包括使带负电荷的卫星微粒连接至双-官能化的芯微粒的带正电荷的外表面。过程2204可以包括使用带负电荷的涂层材料形成壳(例如带负电荷的硅烷形成二氧化硅壳)，使得过程2206可以包括在壳上形成带正电荷的外部官能化的表面。
图23A和23B显示示例性中空的多孔纳米球合成方法的实施过程中得到的实例微粒的SEM图像。图23A和23B中的示例性标度条表示200nm。
示例性方法包括形成聚合物涂敷的模板的过程。例如，用DI水稀释特定量的1μm羧化物-修饰的聚苯乙烯；向所述溶液中以剧烈搅拌溶液的形式分别加入NH4OH(29％)和聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)。聚合物涂敷的模板形成过程可以包括使反应进行，例如20分钟。聚合物涂敷的模板形成过程可以包括，例如通过以3200g离心15min和将沉淀再悬浮于DI水3次洗涤溶液。然后，将沉淀在悬浮于DI水中。聚合物涂覆的模板形成过程可以包括添加一定量的聚(丙烯酸)(PAA)，同时溶液搅拌，例如其中所述过程允许相反电荷的聚电解质(PAA)在PDDA上组装。允许反应20分钟。然后，聚合物涂覆的模板形成过程可以包括，例如通过以3200g离心15min和将沉淀再悬浮于DI水3次洗涤溶液。最终分散可以在80％乙醇的DI水溶液中进行。
示例性方法包括使卫星微粒连接至聚合物涂敷的模板微粒的过程。例如，将1μmPAA/PDDA涂敷的羧化物-修饰的在80％乙醇中的聚苯乙烯微粒与特定量的100nm氨基-修饰的聚苯乙烯一起温育30分钟。然后通过以1000g离心5min将所述溶液洗涤3次。最终分散在乙醇中进行。卫星微粒连接过程可以包括在乙醇中进行最终分散。
示例性方法包括通过胺表面官能化使二氧化硅官能化的过程。例如，可以将乙醇加入到产生的溶液中。官能化过程可以包括剧烈搅拌所述溶液。官能化过程可以包括向搅拌的溶液中加入少量N-(三甲氧基甲硅烷基丙基)-N,N,N-三甲基氯化铵的50％甲醇溶液(QuATPmS)。官能化过程可以包括允许搅拌的反应进行，例如2小时，然后加热至60℃，例如，同时再搅拌2小时。官能化过程然后可以包括通过离心、例如以3200g离心15min 3次用DI水洗涤反应溶液。
示例性方法包括除去示例性聚苯乙烯的过程。例如，模板除去过程可以包括将模板微粒置于过量的DMF中，同时搅拌和在100℃加热过夜。模板除去过程可以包括离心样品和再悬浮于DMF，例如重复3次。模板除去过程可以包括用水洗涤微粒以除去痕量的DMF。
中空纳米金高尔夫球和威浮球的示例性实施方案
中空的、多孔纳米微粒例如纳米-载体、纳米脂质体、纳米壳、中间多孔天然有机材料具有催化、光电子学和生物传感的广泛应用，以便递送治疗剂和诊断剂。众多这些中空纳米结构由基于硅的材料或有机聚合物制成且通常被金属和用于任务定向的官能化的自组装的有机分子涂敷。描述了这类多孔和中空的多孔纳米结构及其使用模板合成方案的制造方法的示例性实施方案。例如，在另外的载体结构设计中，如下所述的示例性制造方法能够生产：(i)具有带有凹孔的实心二氧化硅芯和金表面的纳米级球(例如纳米高尔夫球)；和(ii)表面上带有中空金壳和孔的纳米级球，例如无二氧化硅(例如纳米威浮球)。在一些实施方式中，例如，通过将带负电荷的100nm直径聚苯乙烯珠接触带正电荷的1微米直径二氧化硅芯生成模板。随后镀金和溶解聚苯乙烯珠产生具有等距离直径(例如100nm)的凹孔的金壳，类似于高尔夫球。此外，通过溶解二氧化硅芯，生成具有孔的中空高尔夫球。示例性制造方法的所公开的模板策略可以适用于另外的金属和氧化物。
所公开的技术的示例性中空的、多孔微米-和纳米-微粒可以用于各种应用，包括催化、光电子学、生物传感、治疗剂和诊断剂的纳米递送、细胞培养和毒素清除。这类结构因存在孔也用于包囊和储存。纳米微粒可以被另外的元素表面修饰，例如金或能够工作定向的官能化的自组装的有机分子。这种额外的官能化可以包括对光、温度、pH和其它环境线索的反应性。
金通常具有许多非常具有吸引力的光物理学特性，其能够被利用于成像以及热操作，例如，包括表面等离子共振(SPR)、表面增强的拉曼光谱法(SERS)和光热加热。在生物学应用中，金是生物相容性的且可被包含巯基的配体和靶向分子修饰。
生成中空的、多孔金纳米结构因其光学响应表面及其储存或催化的能力而也是富有吸引力的。在先在制备这类纳米结构时的尝试限于大尺寸(数十个微米大小范围)。使用所公开的技术，例如，可以设计和生成可控大小的金壳高尔夫球和中空金威浮球(例如200nm和1μm直径，如本文所述示例性实施方式中所示)，其具有可控大小的特征，例如凹孔大小和孔径，这表明本纳米结构制造技术的可伸缩性。
进行示例性实施方式以便制造和表征示例性纳米级和微米级金高尔夫球和金威浮球。使用下列示例性材料。得到具有羧化物修饰的表面(PS-COOH,2.73wt％水溶液)与100nm直径的胶体聚苯乙烯球、具有200nm或1000nm直径(2wt％的水溶液)的球形胶体二氧化硅(SiO2)和聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDDA)Mw～8,500(28wt％的水溶液)。得到四(羟甲基)磷鎓氯化物(THPC)(80％的水溶液)和氢氧化钠(NaOH,10M)。得到碳酸钾(K2CO3)、甲醛(37％)、氢氧化铵(NH4OH)(29.79％)、氢氟酸(HF,48％)和二甲基甲酰胺(DMF)和无水乙醇(EtOH)。得到为粉末和制备成1wt％水溶液的氯金酸(HAuCl4)。在全部实施方式中使用的水使用具有18.2MΩ电阻的Millipore Advantage A10系统生产。
示例性的制造方法可以包括用PDDA使二氧化硅微粒表面官能化的过程。胶体二氧化硅在高于～2.2的pH值下具有净负表面电荷。可以使用阳离子聚电解质例如PDDA逆转胶体二氧化硅表面上的净电荷。PDDA以静电方式连接至表面并且逆转胶体二氧化硅表面上的净电荷。聚合物中的季铵离子与胶体的脱质子化的硅烷醇基之间形成化学计算的盐键。这通过向5mL 2％胶体二氧化硅的分散体(pH≥11)中添加320μL氢氧化铵来进行。随后，在4℃下将所述溶液放入超声冰浴，且然后向所述混合物中加入5mL 1w％t PDDA水溶液。将得到的溶液保持在超声浴中20min。然后将包含所述溶液的试管以3200g离心10min，以除去未吸附的聚合物。将离心和再分散重复4次，在两者之间进行清洁容器的转换。最终冲洗时，将二氧化硅沉淀重新分散于5mL水中。
示例性的制造方法可以包括合成模板的过程。例如，使带负电荷的卫星胶体聚苯乙烯球连接至较大的阳离子二氧化硅芯。～100nm直径的羧基-官能化聚苯乙烯球以静电方式被吸引至1000nm PDDA-官能化的二氧化硅。例如，在2mL离心管中，以3200g离心1mLPDDA-官能化的二氧化硅并且再分散于1mL EtOH中。在4℃下将包含PDDA-官能化的二氧化硅溶液的试管放入超声冰浴10min。然后将25μL羧基-官能化胶体聚苯乙烯水溶液加入到PDDA-官能化的二氧化硅中，并且保持在超声冰浴中另外的5min。然后将所述混合物以1000g离心5min，滗析并且将沉淀重新分散于1mL水中。
示例性的制造方法可以包括使金种连接至模板的过程。例如，将具有1-3nm直径的胶体金纳米微粒用作镀金过程的金种。在这些示例性实施方式中，胶体金接种溶液的用途依赖于在其合成过程中混合反应物的次序和方法。例如，可以通过共同混合54mL水和50μL10M氢氧化钠制备它们。在单独的容器中，用1mL水稀释12μL 80％THPC，静置5min，然后加入到氢氧化钠水溶液中。然后将所述混合物再搅拌5min，然后添加2mL 1wt％HAuCl4。所述溶液变成棕红色，搅拌30min，然后储存在4℃下(例如24小时，然后所用)。将金种溶液在4℃下静置24小时，然后使用。THPC同时还原氯金酸和稳定在水溶液中的金纳米微粒，得到带有负电荷的金纳米微粒。例如，推定金的堆积密度和完全转化成3nm金种，金种浓度为1.0×1016金种/mL。
通过共同添加100μL模板溶液和5mL金种溶液、同时剧烈搅拌使金种连接至模板。将所述溶液在45℃搅拌至少30min。为了从所述混合物中除去过量的游离金种，将所述溶液以1000g离心10min。将该离心过程重复至少2次。最终，淡红白色沉淀形成，重新分散于1mL水中。
示例性的制造方法可以包括使金壳生长的过程。例如，通过示例性无电镀过程使金种生长成互联的金壳结构(例如在金-接种的带有连接的聚苯乙烯卫星的胶体二氧化硅模板上)。例如，通过将70mL 5.37mM K2CO3水溶液搅拌10min、然后添加3.15mL 1wt％HAuCl4制备氢氧化金(Au(OH)3)储备溶液(例如183μM)。氢氧化金溶液最初为亮黄色的，在冷藏前搅拌1小时后变澄清。将所述溶液置于4℃下黑暗中老化24小时，然后用于电镀。然后将500μL金-接种的模板加入到15mL氢氧化金溶液中，剧烈搅拌5min，然后添加50μL 37％甲醛。例如，添加甲醛通过将氢氧化金还原成金属金启动电镀过程。该工艺步骤后快速添加5μL29％NH4OH。例如，所述过程导致金种成核进入围绕模板的壳。使用大玻璃杯(例如电转烤肉架)混合得到的溶液和翻滚约3小时。然后将所述混合物以1000g离心5min，滗析以除去废物并且再分散于水中。将该工艺过程重复至少4次。将沉淀再分散于2mL水中。
示例性的制造方法可以包括除去模板(例如通过溶解)和形成金高尔夫球结构的过程。例如，当除去100nm聚苯乙烯卫星时，生成金高尔夫球，例如通过经离心后再分散于5mL DMF用溶剂溶解聚苯乙烯。离心后将镀金的模板再分散于5mL DMF。将包含所述溶液的试管在60℃下放入超声水浴20min，然后以3200g离心10min并且再分散于DMF中。将离心和使用DMF冲洗重复2次以上，然后再分散于水中。
在所述方法的一些实施方式中，例如，示例性的制造方法可以包括除去二氧化硅芯和形成中空金威浮球结构的过程。例如，通过经将金高尔夫球分散于10％HF中、例如同时在2mL离心管中除去二氧化硅芯制成中空金高尔夫球，其中将得到的混合物保持静置24小时。离心高尔夫球并且用HF浸蚀1次以上。再通过与水一起离心冲洗中空金球(例如威浮球)(例如6次)，然后再分散于2mL水中。
例如，使用FEI XL30SFEG UHR显微镜在5kV加速电压下得到扫描电子显微镜检查(SEM)图像。
图24显示用于制造多孔纳米-/微米-级高尔夫球和中空的多孔纳米-/微米-级威浮球的示例性合成方法的说明性示意图。图24中所示的实例产生金纳米高尔夫球和金纳米威浮球。正如该示意图中所示，在金接种过程2401中，被带有以静电方式连接的较小聚苯乙烯(PS)卫星球的阳离子聚电解质(PDDA)官能化的二氧化硅芯微粒用于选择性地连接其PDDA-官能化的二氧化硅芯上的纳米大小的胶体金。显示无电镀过程2402，其描述使纳米大小的金种生长为互联的金壳。通过溶解聚苯乙烯卫星合成金高尔夫球微粒，如过程2403中所示。在所述方法的一些实施方式中，如过程2404中所示，随后溶解二氧化硅芯完成中空的多孔金威浮球微粒的合成。
示例性合成方法的示例性实施方式产生如下实例结果。通过使100nm羧基-修饰的聚苯乙烯连接至1000nm PDDA-官能化的二氧化硅芯合成模板。通过在合成过程中改变聚苯乙烯球的浓度，可以将连接至二氧化硅芯的聚苯乙烯球的量控制到饱和，其中实例如图21A的SEM图像中所示。这可以归因于静电排斥，其限制可以连接至表面的聚苯乙烯微粒数量。金壳形成包括小金种连接至模板和填充种子之间的间隙的无电镀过程。例如，金种具有负表面电荷并且被THPC单层稳定。这将金种吸引至模板上带正电荷的PDDA-官能化的二氧化硅的表面。由于类似原因，所以种子的负表面电荷防止连接至模板上的聚苯乙烯。这些种子由此用作接下来的部分金壳形成的成核部位，其中实例如图21B的SEM图像中所示。金壳生长通过将金离子还原成金属金来完成。生长优先发生在预先形成的金表面即金接种的模板上。当种子生长时，它们彼此接触并且最终围绕接种的部分模板形成完整的金壳，其中实例如图21C中的SEM图像所示。在金壳形成后，模板微粒溶解可以生成金高尔夫球微粒(例如图21D的SEM图像中所示的实例)或中空的多孔微粒(例如图21E的SEM图像中所示的实例)。例如，通过溶解聚苯乙烯珠，生成金高尔夫球。此外，例如，将二氧化硅溶于HF稀溶液产生内部中空的多孔壳。金高尔夫球形成的进一步检验显示聚集未随目前的反应条件发生，其中实例如图21F的SEM图像所示。
金壳的厚度和完整性根据种子在模板上的表面覆盖度、金还原动力学和金离子/模板比决定。例如，模板上较为致密的金接种意味着金种不必生长为较大，以便接触相邻种子。经测定，二氧化硅上金种的饱和极限约为30％表面覆盖度，无盐。可以预计模板芯上金接种密度接近饱和极限。
通过改变甲醛浓度和金离子浓度控制模板微粒上的金壳生长。图25A-25C显示使用递增甲醛浓度例如7μL(图25A)、50μL(图25B)和100μL(图25C)制备的15mL 183μM氢氧化金电镀溶液的镀金模板微粒的SEM图像；示例性标度条表示100nm。图25D-25F显示使用50μL37％甲醛与不同量的氢氧化金溶液例如2.5mL(图25D)、5mL(图25E)和15mL(图25F)的镀金模板微粒的SEM图像；示例性标度条表示500nm。例如，推定充分接种的模板，厚度和完整性还受限于甲醛/金反应动力学。由于反应自由能是高度有利的，所以模板上的金沉积率是壳形成的决定性因素。在添加甲醛时，金生长不足以使金种彼此接触。这导致金壳不完整。为了形成完整的金壳，如图25A-25C中所示需要较高浓度的甲醛。金覆盖度也可能受限，只要不存在足量的覆盖模板的金离子存在于溶液中。这显然基于图25D-25F中所示的示例性结果，其中增加具有相同量的甲醛的金溶液体积得到更完整和较厚的金壳。例如，使用较少的金，模板具有尚未消失的不同金岛。例如，使用更多的镀金属溶液，金壳从斑点生长成粗壳且最终生长成更为平滑的壳。如果足够厚的壳生长，则金封闭聚苯乙烯。
示例性实施方式包括生产较小的模板，其使用带正电荷的200nm PDDA二氧化硅芯和带负电荷的100nm羧基-修饰的聚苯乙烯生成。图26A和26B显示来自使用示例性200nm芯的示例性金高尔夫球合成过程阶段的SEM图像。图26A的SEM图像显示包含PDDA-官能化200nm二氧化硅芯和100nm羧化物-修饰的聚苯乙烯卫星的胶体分层模板微粒。图26B中的SEM图像显示完成无电镀金过程后和除去聚苯乙烯卫星前的微粒。
使用两种不同材料构成的所公开的分层模板结构，可以生产具有潜在极为不同的应用的相同微粒的两种变化形式(例如纳米/微米高尔夫球和纳米/微米威浮球)。例如，金高尔夫球的孔具有二氧化硅底且允许它们选择性地被官能化。中空金威浮球的空白中心提供不能被金高尔夫球利用的储存容量并且可以用于储存和释放治疗诊断剂。
所公开的磁定向的纳米碗的示例性实施方案
在本技术的一些方面，公开了用于制造和实现复合纳米-/微米-级载体的技术、系统和装置，所述复合纳米-/微米-级载体将不同特性合并在同一载体上，其可以用于各种应用，包括递药、催化和生物学成像。例如，使用所公开的技术的模板合成方法，可以使用二氧化硅/聚苯乙烯詹纳斯模板生产示例性磁金/二氧化硅纳米碗。示例性纳米碗可以被制造成包括3层结构，包括被金壳涂敷的二氧化硅芯和夹心在其中的小氧化铁纳米微粒。例如，在该示例性制造方法的实施方式中，仅在詹纳斯模板的二氧化硅上选择性镀金可以确保当模板中的聚苯乙烯被溶解掉且遗留在二氧化硅内部时，仅所述碗的外部被金涂敷。例如，这允许得到具有金外部和二氧化硅内部的磁响应纳米碗。
图27显示描述用于生产示例性复合磁性纳米级碗-样结构(‘纳米碗’)的所公开的技术的示例性制造方法的说明性示意图。所述方法包括用于合成二氧化硅/聚苯乙烯詹纳斯模板的过程2701，例如在图12中。在所述方法的一些实施方式中，例如，所述方法可以包括修饰表面(例如在二氧化硅/聚苯乙烯詹纳斯模板上形成胺-官能化表面)以便促进随后连接纳米微粒的过程2702。所述方法包括使纳米微粒连接至詹纳斯模板、例如氧化铁和金纳米微粒的过程2703。所述方法包括使壳在詹纳斯模板上生长的过程2704。在过程2704的一些实施方式中，例如，过程2704包括使用内部分散的接种的模板(例如金和/或氧化铁纳米微粒)还原氯化金溶液。在所述方法的一些实施方式中，例如，壳的外表面可以进一步被修饰。例如，在金壳复合纳米碗的情况中，金表面被聚乙二醇修饰以保持微粒充分分散。所述方法包括形成进入橄榄内部的开口以形成纳米碗结构的过程2705。例如，金覆盖的模板通过将暴露的聚苯乙烯溶于有机溶剂变成磁碗。
示例性制造方法表示具有金外壳的复合磁性纳米碗和二氧化硅碗的自下而上的合成方法。描述了示例性制造方法和得到的复合磁性纳米碗微粒的示例性实施方式。例如，在包括围绕部分暴露的聚苯乙烯芯的二氧化硅壳的不对称二氧化硅/聚苯乙烯詹纳斯模板样模板上构建微粒。示例性实施方式显示使用电子显微镜检查、UV/vis&IR光谱法和磁力测定法的得到的微粒形成，并且显示这些实例纳米碗的磁响应转运。此外，拉曼光谱法显示这些微粒提供有效的SERS平台。
图28A-28F显示包括使用示例性制造方法生产的示例性微粒的电子显微镜检查图像的图像。图28A显示示例性詹纳斯模板形成的电子显微照片(例如二氧化硅/聚苯乙烯詹纳斯模板)。图28B显示示例性金和氧化铁纳米微粒连接在二氧化硅上的电子显微照片。图28C显示示例性金壳形成的电子显微照片。图28D显示除去聚苯乙烯芯的电子显微照片。图28E显示示例性镀金的微粒在溶液中的图像。图28F显示溶液中的示例性磁金/二氧化硅微粒吸引至容器外部磁体的图像。
图28A-28F中所示的示例性结果提供每一过程时形态改变的可视化显影。例如，用胺-硅烷修饰詹纳斯模板(AEAPTMS)产生正表面电荷，例如+20-30mV，正如根据ζ电位测定的。例如，依次连接带负电荷的15nm氧化铁(IONP)和3-5nm金(AuNP)纳米微粒，其中IONP被强负电荷修饰，且AuNP由四(羟甲基)磷鎓氯化物(THPC)在碱性条件下还原氯金酸(HAuCl4)来合成。例如，充分洗涤的IONP/AuNP詹纳斯模板的TEM图像(未显示)显示较大的IONP和较小的AuNP的致密的表面覆盖度。
组合接种和pH在模板的适当接种中起关键因素的作用。为了接种的模板保持在溶液中稳定，当使用静电组装方法时，需要电荷快速逆转。胺修饰的模板在仅IONP存在下通常聚集。制造商提供的IONP为亚饱和浓度且由此中和表面电荷(例如ζ电位典型地为-10-+10mV)而不是完全逆转它。例如，同时接种IONP和金，例如这归因于金种浓度足够高至逆转表面电荷并且稳定接种的模板。通过调整IONP和詹纳斯模板之比，例如，如果需要，壳上IONP的量可以进一步优化。此外，例如，pH是检验的因素，例如这归因于在碱性条件下合成金种溶液并且保持高度碱性(例如pH>9)。在这类高pH值下，例如，胺化的模板因二氧化硅表面上的大部分胺类脱质子化而通常为中性。将IONP加入接种溶液不会显著地降低pH，且在这些条件下接种的尝试导致大量聚集。IONP/金种溶液中用少量10mM HCl将pH调整至7-8产生无聚集的模板和IONP和金的成功接种，如图28B中的TEM观察到的。
在示例性的实施方式中，例如，通过将IONP/AuNP詹纳斯模板悬浮于HAuCl4电镀溶液并且在模板上还原金形成完整壳，例如，如图28C中所示。例如，恰在还原前将聚(乙烯吡咯烷酮)(40kDa)加入到所述溶液中，因为它在电镀过程中改善金表面覆盖度。在形成金壳后，将目前镀金的詹纳斯模板悬浮于DMF，并且溶解聚苯乙烯，例如，如图28D中所示。示例性实施方式的示例性结果显示，纳米碗在悬浮于溶液中时展示出深蓝绿色(teal)(图28E)，并且可以被磁吸引至容器侧壁(图28F)。
在示例性的实施方式中，例如，不同的表征方式用于证实不同过程的完成。例如，在詹纳斯模板形成后，用(3-氨基乙基氨基)丙基-三甲氧基硅烷(AEAPTMS)修饰詹纳斯模板表面，用FTIR证实。图29显示胺-修饰的詹纳斯模板的FTIR数据图。光谱显示相当于在1500和3600cm-1处的伯胺类的峰。此外，分别在1100和2100cm-1处更显著地观察到硅氧烷和甲硅烷基氢化物键。这些测定结果证实目前金纳米碗的吸光度测量值表明在840nm处形成吸光度峰，预示金壳围绕二氧化硅芯。
图30A和30B显示示例性纳米碗的壳的磁性滞后和UV/Vis数据图。图30A显示微粒的磁性滞后，这表明，尽管使用15nm铁磁微粒，但是复合微粒保持一定的铁磁特征。图30B显示镀金的纳米碗的UV/Vis光谱，例如，其中840nm处的峰预示成功形成金壳。例如，使用振动样品磁场计测定微粒的磁性滞后并且发现其为适度铁磁的。磁金壳纳米碗的饱和磁化强度为0.4-0.6emu/g。15nm IONPs在15nm大小时通常是超顺磁性的，但在这种特定情况中，复合微粒显然保持一定的具有显著的滞后现象的铁磁特征。
图31A-31C显示除去聚苯乙烯之前(图31A)和之后示例性聚乙二醇化磁金-二氧化硅的宽视野图像和数据图(图31B)。图31C显示除去聚苯乙烯之前(例如实心红色，264nm)和之后(例如斑点绿色，282nm)的附带DLS数据。例如，镀金詹纳斯模板和纳米碗的宽视野图像和DLS显示纳米碗的单分散性。聚乙二醇化镀金詹纳斯模板显示与在外二氧化硅表面上完全形成金壳一起形成的各微粒。在样品的264nm处的单峰揭示出的DLS数据显示与SEM图像中观察到的良好的一致性。在用THF除去聚苯乙烯后，例如，证实磁金纳米碗在SEM(图31B)和DLS(图31C中的实线)中为分散性的。例如，来自这些示例性实施方式的示例性数据显示在平均直径适度增加至282nm，而在两条曲线上运行t-检验显示两个群体彼此具有显著性差异。
图32A-32F显示通过水凝胶介质引导的示例性官能化磁性纳米碗的缩时图像和数据图。例如，示例性聚乙二醇化磁性纳米碗通过GelMA-co-A6ACA水凝胶被吸引至Nd-Fe-B磁体(图32A中的左侧所示)。图32B-32E显示引导的官能化磁性纳米碗分别通过随着0、9、27和52hr缩时的凝胶的示例性缩时图。正如缩时图像中所示，例如，凝胶右侧变成明显更蓝绿色，因为纳米碗浸润凝胶并且在左侧脱离。在更高的光学放大倍数下，例如，如图32F-32H中所示，在9、27和52hr时的凝胶分别显示在9小时右侧圆形区域中蓝绿色向前累积(图32F)，向左侧移动并且在27hr时以大约通过该凝胶路径三分之二的方式更多扩散(图32G)，且大部分微粒在52小时时通过凝胶(图32H)。例如，图32F-32H中的圆形曲线高亮显示可以随着时间进行在凝胶中观察到的显著性差异。图32I显示：描述每个图像中点状直线之间示例性线对比扫描的数据图显示在9小时右侧的较大量的反衬度(contrast)。使用27和52hr的反衬度水平，例如，表明大部分微粒已经通过，后面仅遗留痕量的纳米碗。对于图32F-32H中所示的图像，虚线之间的距离为2mm。
图32A-32H中所示的示例性数据显示纳米碗通过具有缩时图像的多孔材料的能力。在示例性的实施方式中，例如，明胶-甲基丙烯酸酯-共-N-丙烯酰基6-氨基己酸凝胶一侧上放置在一处进入的强稀土磁体并且在52小时期间内成像。在时程内聚乙二醇化纳米碗被吸引至磁体且微粒在凝胶中浸润可以被显影为预先澄清凝胶中的蓝绿色。例如，所述凝胶随时间的推移逐步变成更为蓝绿色；且在靠近检查中，微粒前部可以观察到浸润凝胶并且随时间的进展遍及扩散。
此外，示例性金/二氧化硅纳米碗可以用作SERS平台，其合并了连接拉曼报道分子的灵敏度和特异性的优点。例如，使用罗丹明B(Rho B)作为探针分子测试示例性纳米碗的SERS活性。当激发激光和拉曼散射声子频率接近局限性表面等离子共振频率时，SERS效应可以被最大化。例如，示例性纳米碗在840nm呈现最大吸收峰。基于此，示例性632和785nm激光用于这些示例性实施方式中的拉曼激发。图33显示使用和不使用金/二氧化硅纳米碗的Rho B的示例性拉曼光谱。图33显示0.1M罗丹明B在水溶液中的拉曼光谱的数据图(光谱(a))；金/二氧化硅纳米碗上的1×10-6M罗丹明的SERS光谱，150mW 632nm激发，30s获取(光谱(b))；和金/二氧化硅纳米碗上的1×10-6M罗丹明的SERS光谱，150mW 785nm激发，30s获取(光谱(c))。正如示例性数据中所示，存在拉曼强度的显著增加，例如，其中使用785nm激光激发的金/二氧化硅纳米碗上的SERS强度大于单一Rho B10-倍；且比使用632nm激光的相同样品强7-倍。
所公开的磁金成壳的纳米碗可以通过用生物相容性材料包括脂质体、脱乙酰壳多糖和PLGA密封碗用于各种应用，例如递药媒介物。例如，为了从所述碗中有条件的和控制释放治疗剂，可以通过与DNA的特异性相互作用、酶加工或环境触发器如温度和pH释放这类封盖。例如，所公开的纳米碗可以用于磁性引导递送和受控按需释放造影剂分子(治疗诊断)活性剂。
针对示例性詹纳斯微粒的芯大小的示例性实施方式
描述了检验羧化聚苯乙烯(cPS)芯大小对cPS-二氧化硅詹纳斯微粒形态(例如其大小和形状)的作用的示例性实施方式和结果。例如，在这些示例性实施方式中研究2种不同的二氧化硅大小和5种不同的cPS芯大小。来自电子显微镜检查(EM)和动态光散射(DLS)分析的示例性结果表明复合cPS-二氧化硅微粒获得了2种不同形状，例如(i)当cPS芯的大小远小于非-cPS二氧化硅(b-SiO2)球时，形成部分包囊的詹纳斯微粒；和(ii)当cPS芯大于或等于b-SiO2球时，例如，形成覆盆子-样结构而非詹纳斯微粒。例如，当cPS芯的大小远小于非-cPS二氧化硅(b-SiO2)球时，得到～100nm-500nm大小的cPS-二氧化硅詹纳斯微粒。示例性大小可变的纳米级詹纳斯微粒在多功能递送治疗诊断平台和催化中具有广泛应用。
例如，所述示例性实施方式检验cPS芯大小对cPS-二氧化硅形态的依赖性，例如，其中通过添加不同芯大小的(例如50-1000nm)cPS芯以形成小(例如～180nm)和大(例如380nm)b-SiO2纳米微粒生成cPS-二氧化硅微粒。用于分别生产示例性小b-SiO2和大b-SiO2的反应条件在本文中称作“小配方(recipe)”和“大配方”。使用b-SiO2纳米微粒大小作为参比评价芯大小对cPS-二氧化硅微粒形态的依赖性；且使用TEM、SEM和DLS评价微粒形态。不使用任何cPS芯，上述举出的配方生成小(例如～180nm)和大(例如～380nm)直径b-SiO2纳米微粒。
图34显示当将羧化聚苯乙烯微粒加入到二氧化硅溶液-凝胶反应中时形成的示例性cPS-二氧化硅詹纳斯微粒的说明性示意图和附带图像。在溶液-凝胶反应开始时添加cPS之后首先观察到形成cPS-二氧化硅詹纳斯微粒。正如图34中所示，可以通过平滑二氧化硅壳和其中恰恰二氧化硅满足cPS的表面上不同的凹陷来鉴定这些微粒。这些凹陷易于在SEM图像中识别，这归因于二氧化硅中的特征性圆形斑点。
首先通过保持反应体积恒定来研究大小依赖性。检验不同直径(50nm-400nm)的4种cPS芯的较小配方，同时检验5种不同cPS芯(50-1000nm)的大配方。
图35A显示使用具有不同直径cPS芯的小二氧化硅过程的示例性微粒的图像，例如，图像(a)中的50nm；图像(b)中的100nm；图像(c)中的200nm；图像(d)中的和400nm。图35A中的图像各自包括宽视野图像插入物，其显示示例性cPS-二氧化硅微粒的更详细的图像。通过添加50nm芯大小的小二氧化硅过程生成均匀大小的詹纳斯微粒。添加100nm芯生成具有尝试覆盖该芯的多个二氧化硅壳的微粒。当芯变大(例如200、400nm)时，二氧化硅围绕多个成块的(lumpy)壳中较大芯形成，且过量的二氧化硅合并成较小的微粒。对于较小的乙醇配方，小于小b-SiO2的芯(例如50nm)形成充分确定的詹纳斯微粒，如图35A的图像(a)中所示。然而，当PS芯直径类似地改变大小或远大于b-SiO2微粒时，二氧化硅开始涂敷簇状物(clumps)的cPS，如图35A的图像(b)中所示。簇状物变成更大量，且确定的覆盆子-样壳随着芯大小增加形成，正如图35A中的图像(c)和(d)中所示。二氧化硅完全涂敷cPS，遗留过量TEOS，围绕它形成纯的二氧化硅微粒，覆盆子壳和詹纳斯微粒形成也是相对均匀的，正如可以在宽视野图像中观察到的。图35B包括显示相应DLS分布的直方图数据图。
示例性实施方式显示当使用大二氧化硅配方改变芯大小时出现的类似趋势。图36显示使用应用不同直径cPS芯的大二氧化硅制造过程生产的示例性微粒的电子显微照片和附带DLS直方图。例如，图像和相应的直方图包括如下cPS芯大小：图像(a)中的50nm；图像(b)中的100nm；图像(c)中的200nm；图像(d)中的和400nm；和图像(e)中的1000nm。50和100nm芯大小相当于围绕新的部分包囊。中间大小的芯(例如200nm)显示形成覆盆子-样壳。非常大的芯(例如400、1000nm)显示cPS芯被覆盆子-样壳覆盖，所述覆盆子-样壳具有大于使用小二氧化硅过程形成的壳的二氧化硅簇状物。DLS直方图揭示出形成较大结构，并且证实较小的二氧化硅微粒。当使用50nm芯时，多个芯显然几乎完全被包囊在单一詹纳斯微粒中，如图36的(a)组中所示。当使用100nm芯时，二氧化硅对cPS的包囊明显减少，如图36的(b)组中所示。此外，形成具有较小cPS芯(例如50-100nm)的cPS-二氧化硅詹纳斯微粒，而直径大于相应的较小配方中的微粒。例如，使用接近大b-SiO2的微粒大小的中间大小的芯(例如200,400nm)，完整的二氧化硅壳使用不同水平的隆起块(bump)形成。例如，示例性200nm芯显示具有围绕壳的几个确定隆起块的完整二氧化硅壳，如图36的(c)组中所示。例如，示例性400nm芯显示这种趋势的较大进展，因为可以观察到在cPS芯外部上形成更多隆起块，如图36的(d)组中所示。例如，当芯(例如1000nm)远大于b-SiO2时，隆起块显然在二氧化硅表面上极为显著，如图36的(e)组中所示。
覆盆子-样壳(例如cPS芯>b-SiO2微粒)形成可能是不同TEOS/cPS之比而非芯大小的结果。为了解释这种可能性，对于使用相同配方制成的不同芯大小，使TEOS与cPS之比保持恒定。图37显示通过经改变TEOS/PS之比在1010(图像(a)、(b)和(c)；和在109(图像(d)、(e)和(f))生成的示例性小二氧化硅过程生产的示例性PS/二氧化硅复合物的图像。例如，当芯大小从200nm(例如图像(a)、(d))增加至400(例如图像(b)、(e))和增加至1000nm(例如图像(c)、(f))时，观察到隆起块更为显著且数量大于较大二氧化硅过程。从示例性实施方式的示例性结果中，显而易见，当芯大小增加时，二氧化硅壳开始变平滑(例如图像(c))或融合(例如图像(f))，例如，这取决于TEOS/PS之比。过量的二氧化硅融合成较小的二氧化硅微粒，且作为较小的球是显著的。从这些SEM图像中，覆盆子-样二氧化硅壳涂敷全部cPS芯，且溶液中任意过量的TEOS形成二氧化硅纳米微粒。改变TEOS/PS之比不会影响壳的总体形态。此外，以相同的TEOS/PS之比，当芯大小增加时，壳展示出多个显著的隆起块以及较大数量的隆起块。
图38显示通过经改变TEOS/PS之比在1010(图像(a)、(b)和(c)；和在109(图像(d)、(e)和(f))生成的示例性小二氧化硅过程生产的示例性PS/二氧化硅复合物的图像。经证实二氧化硅-包囊的cPS区别于实心二氧化硅微粒的方面在于其较大的直径和表面上的多个隆起块。例如，当芯大小从200nm(例如图像(a)、(d))增加至400(例如图像(b)、(e))和增加至1000nm(例如图像(c)、(f))时，隆起块变得更为显著且数量众多，其达到其中它们不能不能完全覆盖微粒表面的点。与图37中的示例性结果类似，覆盆子-样壳涂敷全部cPS芯，且过量的TEOS也形成二氧化硅纳米微粒，如图38的结果中所示。这些实例结果启示，改变TEOS/PS之比通常不会显著地影响覆盆子壳的总体形态。此外，当芯大小增加时，壳展示出更大量的隆起块。然而，在具有相同TEOS/PS之比和cPS芯大小处于小(例如形成小b-SiO2微粒的条件)与大(例如形成大b-SiO2微粒的条件)配方(例如图37的图像(a)与图38的图像(a))之间的比较样品中，使用小配方的二氧化硅壳上的各隆起块与大配方相比减少。
图39显示在詹纳斯微粒形成中芯的作用的示例性模型的说明性示意图。例如，当芯大小远小于b-SiO2粒径时，詹纳斯微粒形成。当芯和b-SiO2直径彼此大小接近时，覆盆子-样壳围绕仅带有几个隆起块的cPS形成。当芯远大于b-SiO2时，TEOS形成覆盆子-样壳，其具有围绕PS芯的大量圆形突出。芯与b-SiO2之间的大小差异越大，则隆起块越为明显和数量越多。另外，未掺入覆盆子壳的任意过量的TEOS随后形成与b-SiO2大小类似的二氧化硅纳米微粒。如果cPS芯直径保持相同且TEOS/PS之比增加，则逐步形成隆起块状二氧化硅壳，以便彼此融合，形成更为平滑的壳(图39的(b)组)。
用示例性詹纳斯二氧化硅纳米微粒詹纳斯微粒俘获胶体金纳米微粒的示例性实施方式
描述了示例性实施方式，其显示基于示例性双官能化的二氧化硅纳米微粒的金纳米微粒(GNPs)俘获器平台(二氧化硅高尔夫球)，所述平台能够以物理方式将不同大小的GNPs吸附在pH受控的缓冲液中。例如，使用不均匀分层模板合成衍生的二氧化硅高尔夫球，同时使用分散于具有预定溶液离子强度的pH受控缓冲液中的二氧化硅高尔夫球俘获一个或多个胶体GNPs。呈现实例获取的扫描电子显微镜(SEM)图像以便使GNPS定位于二氧化硅高尔夫球上。所公开的技术的这种示例性生物相容性俘获器平台模板确保较大的官能化的二氧化硅芯，其具有以物理方式吸附至二氧化硅芯表面的100nm直径的聚苯乙烯微粒。在一个实例中，通过在官能化的二氧化硅芯上选择性地涂敷二氧化硅、随后用有机溶剂溶解聚苯乙烯微粒制造具有100nm凹孔的生物相容性俘获器平台。例如，俘获器平台在再循环医疗GNPs中是相当有用的，从而可以提供用于在人体医疗保健中GNPs的有经济意义的持续应用的有价值的工具。俘获器平台还可以潜在地应用于从植物组织或细胞中非侵害性采集GNPs，从而促进金蓄积，提供用于采集GNPs作为天然产物的有价值的工具。
‘Greener’，更持续性的GNP合成和分选方法可以通过更依赖于生物合成方法、随后是使用二氧化硅高尔夫球的非侵害性GNP俘获和较少依赖于毒性化学合成方法来实现。使用示例性修饰的分层模板策略与不同芯(例如二氧化硅)和卫星(例如聚苯乙烯)材料，这些示例性实施方式的结果显示，可以通过不均匀分层模板策略实现二氧化硅纳米微粒的选择性表面官能化目的。还证实，不均匀分层模板策略与其均匀复本同样是大小可变的。例如，显示二氧化硅高尔夫球能够将胶体金纳米微粒俘获在pH受控缓冲液内部。
官能化NP的合成和二氧化硅高尔夫球的制备使用如下过程，例如：(1)PS连接的模板合成；(2)模板上TEOS电镀；和(3)PS浸蚀。通过经FEI XL30SFEG UHR SEM的扫描电子显微镜检查(SEM)从形态上评价胺和季铵官能化NP制造和二氧化硅高尔夫球制备的示例性结果。例如，通过预制的模板微粒上的TEOS自组装合成二氧化硅高尔夫球。该反应由浓铵催化。通过使较小的100nm PS微粒以物理方式分别吸附在胺官能化1000nm二氧化硅微粒和季铵官能化1000nm二氧化硅微粒上制备模板微粒。随后，例如，通过在水浴中将所述微粒溶于加热至60℃的DMF，从二氧化硅高尔夫球表面浸蚀出100nm PS微粒。图40显示示例性合成方法的说明性示意图。图40显示示例性应用于二氧化硅高尔夫球合成中的不均匀分层模板过程。(a)组显示示例性二氧化硅芯(例如灰色)；(b)组显示被(3-氨基丙基)-三甲氧基硅烷(APTMS)或N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N,N,N-三甲基氯化铵的壳官能化的示例性二氧化硅芯(例如绿色)，所述(3-氨基丙基)-三甲氧基硅烷(APTMS)或N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N,N,N-三甲基氯化铵的壳上以静电方式连接了较小的聚苯乙烯(PS)卫星球(例如蓝色)，如(c)组中所示。(d)组显示生长为官能化壳外部互联二氧化硅壳的示例性TEOS壳。(e)组显示聚苯乙烯卫星溶解完成了二氧化硅高尔夫球微粒的合成。
图41显示示例性官能化微粒、例如来自使用1000nm二氧化硅芯的二氧化硅高尔夫球合成过程阶段的官能化微粒的SEM图像。例如，(a)组显示通过胺或季铵官能化1000nm二氧化硅球表面上100nm羧化物-修饰的聚苯乙烯自组装生成的模拟花粉的结构。(b)组显示TEOS在胺官能化壳上生长后，除去聚苯乙烯提供模拟多孔高尔夫球的结构(箭头指示孔)。(c)组显示TEOS在胺官能化壳上生长后，除去聚苯乙烯提供模拟多孔高尔夫球的结构(箭头指示孔)。
APTMS量和N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N,N,N-三甲基氯化铵的量在合成过程中可变，且最终，两种化合物的量均被调节至饱和。二氧化硅NPs和羧化PS NPs的浓度和表面官能化化学物质的量均说明PS NPs在芯微粒表面上的密度。
在PS浸蚀过程中，例如，评价氯仿、甲苯和二甲基甲酰胺(DMF)浸蚀掉PS的能力。期望的溶剂溶解PS并且防止PS粘结至二氧化硅高尔夫球，而不是仅软化PS。在这些示例性实施方式中，例如，DMF作用最佳。在这些示例性实施方式中，例如，氯仿的密度高至微粒难以从溶液中被离心出来。此外，氯仿仅从微粒表面浸蚀出大部分PS，而遗留在PS上的是粘性的，即高尔夫球凹孔可能被PS覆盖。在这些示例性实施方式中，例如，甲苯也无法充分除去PS微粒。因此，DMF用于除去PS，例如用DMF 3次，同时保持水浴中温度在60℃。
在这些示例性实施方式中，例如，用季铵官能化的二氧化硅高尔夫球俘获GNPs仅在pH受控缓冲液中进行。通过在水或水-乙醇混合物中的俘获反应无法观察到用二氧化硅高尔夫球吸附GNPs。俘获反应在5种不同种类的介质中进行，例如水、80％乙醇水溶液、20％乙醇水溶液、20％在邻苯二甲酸氢钾缓冲液中的乙醇和邻苯二甲酸氢钾缓冲液。通过在邻苯二甲酸氢钾缓冲液中的俘获反应测试40nm和20nm GNPs。将离心后处理的比例谨慎地保持在500rcp以确保GNP俘获不归因于机械力，而是在缓冲液中的电吸附。在这些示例性实施方式中，例如，用二氧化硅高尔夫球俘获40nm和20nm GNPs，如图42和43中所示。在二氧化硅高尔夫球凹孔内部观察到GNPs。例如，对于40nm GNPs，在凹孔中实现单一GNP俘获。例如，对于20nm GNPs，2-3个GNPs可以优选被1个凹孔俘获。
图42显示俘获金胶体微粒的示例性二氧化硅高尔夫球的说明性示意图。(a)组显示带有凹孔内部官能化季铵的示例性二氧化硅高尔夫球微粒(例如绿色)。(b)组显示示例性二氧化硅高尔夫球微粒将具有单一GNP的40nm GNPs俘获在每个凹孔中。(c)组显示示例性二氧化硅高尔夫球微粒将具有多个GNPs的20nm GNPs俘获在每个凹孔中。
图43显示具有俘获GNPs的季铵官能化凹孔的合成的二氧化硅高尔夫球的SEM图像。图像(a)和(c)显示示例性二氧化硅高尔夫球微粒将具有单一GNP的40nm GNPs俘获在每个凹孔中(箭头指示被控俘获的GNPs)。图像(b)和(d)显示示例性二氧化硅高尔夫球微粒将例如具有多个GNPs的20nm GNPs俘获在每个凹孔中(箭头指示剂被控俘获的GNPs)。
应用由2种不同材料制成的不均匀合成模板，制造具有能够植物冶金(phytomining)或医疗应用的2种二氧化硅高尔夫球。二氧化硅高尔夫球的凹孔具有胺或季铵官能化的底，并且可以促进它们进一步被选择性地官能化。季铵官能化的二氧化硅高尔夫球优先将<50nm的胶体金微粒俘获在pH＝4缓冲液中。单一俘获和多次俘获依赖于目标金胶体微粒的大小。
示例性实施方式包括电泳迁移率模型和ζ电位测量。例如，凹孔的吸引电场强度的评估如下所述。
当将胶体二氧化硅浸入水溶液时，它从微粒表面处的质子化/脱质子化变成带电荷。局部静表面电荷密度σ依赖于微粒大小。例如，具有2nm直径的二氧化硅微粒的σ的值大于具有500nm直径的二氧化硅微粒的σ的值4倍。当胶体二氧化硅微粒直径增加时，微粒上的表面电荷密度下降。随大小的增加，微粒的表面电荷密度接近平板的表面电荷密度。
平板附近的电荷和电位分布通过Poisson-Boltzmann方程控制，其中φ是流体内的电位；F是法拉第常数；Ci0和zi是体积摩尔浓度和ith离子种类的化合价。二氧化硅纳米微粒的表面电荷密度可以通过完全多-粒子电荷管理模型模型化，并且显示为通过给出，其中KA和KB是2种推定的质子化反应的平衡常数，为[H+]s，且Ntotal其为纳米微粒的固/液界面上硅烷醇官能团的总数位置密度。Ntotal的值通过下式给出：在示例性模型中，估计值是使用理想化条件在球体表面上各凹孔的静电场强度，且球体表面近似值为带负电荷的无穷大板的近似值，且我们将凹孔近似为正点电荷。
静电场强度表示为：
和
ET＝Es-Ep＝0
其中R0是距表面的距离，其中净电场ET＝0。此外，其中a是胶体微粒的半径，且为1/κ，其为德拜长度。当a·k＞＞1时，微粒表面上的总电荷与ζ电位成正比(即QT∝ζ)。
实施例
下列实施例是本技术的几个实施方案的示例。可以在如下列出的实施例之前或如下列出的实施例之后提供本技术另外的示例性实施方案。
在本技术的一个实施例中(实施例1)，用于生产递送有效负荷的纳米结构的方法包括在芯微粒上形成壳结构，以便生成模板，其中芯微粒部分被壳结构封闭；使纳米微粒连接至壳结构的外表面；在覆盖至少一些连接的纳米微粒的壳结构的外表面上形成涂层；从模板中除去芯微粒，其中除去的芯微粒形成具有来自外表面的开口的壳结构的内腔；和在壳结构的内腔中载入分子有效负荷。
实施例2包括如实施例1中的方法，其中壳结构包括二氧化硅。
实施例3包括如实施例1中的方法，其中芯微粒上形成不对称形状的壳结构。
实施例4包括如实施例1中的方法，其中壳结构包括实质上500nm或更小的大小。
实施例5包括如实施例1中的方法，其中芯微粒包括聚苯乙烯。
实施例6包括如实施例5中的方法，其中聚苯乙烯芯微粒被羧化物-末端涂层官能化。
实施例7包括如实施例5中的方法，其中聚苯乙烯芯微粒包括实质上150nm或更小的大小。
实施例8包括如实施例1中的方法，还包括在连接纳米微粒前，以化学方式修饰壳结构的外表面。
实施例9包括如实施例1中的方法，其中纳米微粒包括氧化铁纳米微粒和金纳米微粒之一或两者。
实施例10包括如实施例9中的方法，其中氧化铁纳米微粒包括5-15nm的大小。
实施例11包括如实施例9中的方法，其中形成涂层包括在壳结构的外表面上纳米微粒的至少一些之间产生填充材料。
实施例12包括如实施例11中的方法，其中生产填充材料包括将模板放入离子金溶液和添加金的还原剂，由此在连接至外表面的金纳米微粒之间形成金材料并且涂敷氧化铁纳米微粒。
实施例13包括如实施例1中的方法，其中纳米微粒的静电相互作用使纳米微粒连接至壳结构的外表面。
实施例14包括如实施例1中的方法，还包括在加载前，浸蚀内腔内的至少部分壳结构以便从壳结构中除去材料。
实施例15包括如实施例1中的方法，其中所述加载包括用能够使分子有效负荷连接至壳结构的连接分子使壳结构外表面或壳结构内腔的内表面的至少一种官能化。
实施例16包括如实施例15中的方法，还包括通过将刺激施加于壳结构以导致分子有效负荷从连接分子中化学分离来释放所述分子有效负荷。
实施例17包括如实施例16中的方法，其中施加刺激包括提供化学物质、发光、改变pH环境或改变温度的至少一种。
实施例18包括如实施例1中的方法，还包括使封盖微粒连接至壳结构以便覆盖开口和将分子有效负荷包含在内腔内，其中连接封盖微粒以允许可控地运动，从而基于外部刺激暴露开口。
实施例19包括如实施例18中的方法，其中通过封盖微粒表面上形成的自组装单层(SAM)的分子自组装使封盖微粒连接至壳结构。
实施例20包括如实施例18中的方法，其中用具有核苷酸的互补序列的2条链的核酸使封盖微粒连接至壳结构，第一条链连接至封盖微粒，而互补的第二条链连接至壳结构的内腔。
实施例21包括如实施例18中的方法，还包括通过将外部刺激施加于壳结构以导致封盖微粒的可控运动以暴露壳结构的开口来释放分子有效负荷。
实施例22包括如实施例21中的方法，其中施加外部刺激包括是施加热。
实施例23包括如实施例1中的方法，其中所述分子有效负荷包括造影剂、酶、蛋白质、激素、糖蛋白、糖脂、核酸、适体、脂质或者金属的、聚合的或陶瓷的纳米微粒的至少一种药物。
在本技术的一个实施例中(实施例24)，用于递送有效负荷的装置包括壳结构，其被构造成包括壳结构内腔的开口；至少在壳结构外表面上部分形成的涂层，且在涂层内包括多个磁性纳米微粒；和能够以化学方式使分子有效负荷连接至壳结构的内腔的表面上的官能化层。
实施例25包括如实施例24中的装置，其中壳结构包括二氧化硅。
实施例26包括如实施例24中的装置，其中壳结构包括实质上200nm或更小的大小。
实施例27包括如实施例24中的装置，其中磁性纳米微粒包括氧化铁纳米微粒。
实施例28包括如实施例24中的装置，其中磁性纳米微粒包括5-15nm的大小。
实施例29包括如实施例24中的装置，其中磁性纳米微粒能够与外部磁场发生相互作用以便以磁性引导纳米结构。
实施例30包括如实施例24中的装置，其中所述涂层包括金。
实施例31包括如实施例24中的装置，还包括与壳结构缀合的靶向配体分子，所述配体分子对目标结构上发现的报道分子具有亲和力，以便将壳结构吸引和结合至目标结构。
实施例32包括如实施例24中的装置，其中所述装置是可操作的以便可控地释放所述分子有效负荷，其通过将刺激施加于壳结构来进行，以便导致分子有效负荷从官能化层中化学分离。
实施例33包括如实施例32中的装置，其中所述刺激包括化学物质、光、pH环境或温度的至少一种。
实施例34包括如中实施例24的装置，其中所述分子有效负荷包括药物、造影剂、酶、蛋白质、激素、糖蛋白、糖脂、核酸、适体、脂质或者金属的、聚合的或陶瓷的纳米微粒的至少一种。
在本技术的一个实施例中(实施例35)，用于递送有效负荷的装置包括壳结构，其被构造成包括壳结构内腔的开口；至少在壳结构外表面上部分形成的涂层，且在涂层内包括多个磁性纳米微粒；和连接至壳结构以覆盖开口并且在内腔内包含分子有效负荷的封盖微粒，其中封盖微粒连接至壳结构能够使得封盖微粒可控地运动，以便基于外部刺激暴露开口。
实施例36包括如实施例35中的装置，其中通过封盖微粒表面上形成的自组装单层(SAM)的分子自组装使封盖微粒连接至壳结构。
实施例37包括如实施例35中的装置，其中用具有核苷酸的互补序列的2条链的核酸使封盖微粒连接至壳结构，第一条链连接至封盖微粒，而互补的第二条链连接至壳结构的内腔。
实施例38包括如实施例35中的装置，其中所述装置是可操作的以便可控地释放所述分子有效负荷，其通过将热施加于壳结构来进行，以便导致封盖微粒可控地运动，从而暴露壳结构的开口。
实施例39包括如中的装置实施例21，其中施加热包括射频(RF)加热或近红外(NIR)加热。
实施例40包括如实施例35中的装置，其中壳结构包括二氧化硅。
实施例41包括如实施例35中的装置，其中壳结构包括实质上200nm或更小的大小。
实施例42包括如实施例35中的装置，其中磁性纳米微粒包括氧化铁纳米微粒。
实施例43包括如实施例35中的装置，其中磁性纳米微粒包括5-15nm的大小。
实施例44包括如实施例35中的装置，其中磁性纳米微粒能够与外部磁场发生相互作用，以便磁性引导纳米结构。
实施例45包括如实施例35中的装置，其中所述涂层包括金。
实施例46包括如实施例35中的装置，还包括与壳结构缀合的靶向配体分子，所述配体分子对目标结构上发现的受体分子具有亲和力，以便将壳结构吸引和连接至目标结构。
实施例47包括如中的装置实施例35，其中所述分子有效负荷包括药物、造影剂、酶、蛋白质、激素、糖蛋白、糖脂、核酸、适体、脂质或者金属的、聚合的或陶瓷的纳米微粒的至少一种。
在本技术的一个实施例中(实施例48)，用于生产材料结构的方法包括通过在芯微粒上连接多个掩蔽微粒形成模板，所述掩蔽微粒在它们所连接的芯微粒的外表面上形成掩蔽区；使纳米微粒连接至模板的未掩蔽表面，其中所述掩蔽微粒防止纳米微粒连接至外表面的掩蔽区；通过连接的纳米微粒的材料生长在未掩蔽的表面上形成涂层，以便在模板的未掩蔽表面上形成壳结构；和从模板中除去掩蔽微粒，其中除去的掩蔽微粒形成在壳结构的内部区和外表面之间延伸的开口以封闭芯微粒，由此产生多孔的载体结构。
实施例49包括实施例48的方法，其中掩蔽微粒通过静电相互作用连接至芯微粒。
实施例50包括实施例49的方法，其中芯微粒包括阳离子二氧化硅且掩蔽微粒包括聚苯乙烯。
实施例51包括实施例48的方法，其中纳米微粒包括金纳米微粒。
实施例52包括实施例51的方法，其中金纳米微粒包括5nm或更小的大小。
实施例53包括实施例48的方法，其中形成涂层包括将模板微粒浸入包含纳米微粒的外部材料的溶液，导致成核和围绕模板微粒生长。
实施例54包括实施例53的方法，其中纳米微粒包括金纳米微粒且所述溶液包括氢氧化金，形成包括产生成核进入金壳结构的金种。
实施例55包括实施例54的方法，其中多孔的载体结构包括在二氧化硅芯微粒上形成的外部金多孔壳。
实施例56包括实施例48的方法，其中除去包括溶解溶液中的掩蔽微粒。
实施例57包括实施例48的方法，还包括从模板中除去至少部分芯微粒以便产生中空的、多孔的载体结构。
实施例58包括实施例48的方法，还包括在从模板中除去掩蔽微粒之前形成围绕多孔的载体结构的外层，其中多孔的载体结构包括具有外层内表面上包埋的涂层的外层；和从模板中除去至少部分芯微粒以便产生中空的、多孔的载体结构。
实施例59包括实施例58的方法，其中外层包括二氧化硅，且涂层包括金。
实施例60包括实施例48的方法，其中通过连接的纳米微粒的材料生长在未掩蔽表面上形成涂层，在模板的未掩蔽表面上形成涂层的不连续的岛状结构；和进一步包括在从模板中除去掩蔽微粒之前形成围绕壳结构的外层，其中多孔的载体结构包括具有在外层内表面上包埋的岛状结构的外层；和从模板中除去至少部分芯微粒以产生中空的、多孔的载体结构，其具有在外层内表面上包埋的岛状结构。
实施例61包括实施例60的方法，其中外层包括二氧化硅，且所述岛状结构包括金。
实施例62包括实施例58的方法，还包括将磁性纳米微粒加入到内表面，产生中空的、多孔的载体结构；和/或将磁性纳米微粒加入到外表面，产生中空的、多孔的载体结构。
实施例63包括实施例62的方法，其中磁性纳米微粒包括氧化铁纳米微粒。
实施例64包括实施例48的方法，还包括向多孔的载体结构中加载分子有效负荷，其中所述加载包括用能够连接分子有效负荷的连接分子使涂层官能化。
实施例65包括实施例58、60或62的方法，还包括向中空的、多孔的载体结构中加载有效负荷，其中所述加载包括用能够连接分子有效负荷的连接分子使内表面或外表面的至少一种官能化。
实施例66包括实施例64或65的方法，还包括释放分子有效负荷，其通过向载体结构上施加刺激，以导致分子有效负荷从连接分子中化学分离来进行。
实施例67包括实施例66的方法，其中施加刺激包括提供化学物质、发光、改变pH环境或改变温度的至少一种。
在本技术的一个实施例中(实施例68)，微粒装置包括壳结构，其被构造成包括壳结构的内部区域与外表面之间延伸的一个或多个开口；连接至壳结构的内部区域或外部区域之一或两者的磁性纳米微粒；和用使分子有效负荷连接至壳结构表面的连接分子连接至壳结构的分子有效负荷。
实施例69包括实施例68的装置，其中磁性纳米微粒包括氧化铁纳米微粒。
实施例70包括实施例68的装置，其中壳结构包括围绕内层形成的外层。
实施例71包括实施例70的装置，其中外层包括二氧化硅，且内层包括金。
实施例72包括实施例70的装置，其中内层包含不连续的岛状结构。
实施例73包括实施例72的装置，其中外层包括二氧化硅，且岛状结构包括金。
实施例74包括实施例68的装置，其中所述分子有效负荷包括药物、造影剂、酶、蛋白质、激素、糖蛋白、糖脂、核酸、适体、脂质和/或者金属的、聚合的或陶瓷的纳米微粒的至少一种。
尽管本专利文件包含许多特征，但是不应当将它们视为对任何发明或要求保护的范围的限定，而被视为描述对特定发明的特定实施方案特定的特征。本专利文件中单独实施方案上下文中描述的一些特征也可以以单一实施方案的组合形式实施。相反，单一实施方案上下文中所述的不同特征也可以以多个实施方案单独或以任意适合的亚组合的方式实施。此外，尽管可以将上述特征描述为以一些组合的方式起作用，且甚至最初照此要求保护，但是来自要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况中可以从该组合中排除，并且要求保护的组合可以涉及亚组合或亚组合的变化形式。
类似地，尽管称作可以按照特定次序描述在附图中，但是不应当将其理解为需要这类操作按照所示的特定次序或依次进行，或进行全部示例性的操作，以便达到期望的结果。此外，本专利文件中所述的实施方案中的各种系统构件的分离不应当被理解为在所有实施方案中都需要这类操作。
仅描述了几种实施方式和实施例，而可以基于本专利文件中所述和示例的进行另外的实施、强化和改变。

Claims (95)

1.用于携带有效负荷的纳米结构装置，包括：
内部微粒结构，其包括内部微粒结构的内腔的开口；
至少部分在内部微粒结构外表面上形成的外壳结构；
在外壳结构内的多个磁性纳米微粒；和
能够以化学方式使分子有效负荷连接至内部微粒结构的内腔表面上的官能化层，
其中所述磁性纳米微粒被构造成与外部磁场发生相互作用以便磁性引导所述纳米结构装置。
2.权利要求1的装置，其中所述内部微粒结构包括二氧化硅。
3.权利要求1的装置，其中所述内部微粒结构包括实质上200nm或更小的大小。
4.权利要求1的装置，其中所述磁性纳米微粒包括氧化铁纳米微粒。
5.权利要求1的装置，其中所述磁性纳米微粒包括5-15nm的大小。
6.权利要求1的装置，其中所述外壳结构包括金。
7.权利要求1的装置，其中所述外壳结构包括在所述外壳结构内的多个金纳米微粒。
8.权利要求1的装置，还包括：
与所述内部微粒结构缀合的靶向配体分子，所述靶向配体分子对靶细胞上发现的受体分子具有亲和力以使内部微粒结构结合至靶细胞。
9.权利要求1的装置，其中所述纳米结构装置是可操作的，以便在刺激施加于所述纳米结构装置时，导致所述分子有效负荷从官能化层分离，从而可控地从内腔中将分子有效负荷释放至所述纳米结构装置的外部。
10.权利要求9的装置，其中所述刺激包括化学物质、光、pH环境或温度中的至少一种。
11.权利要求的1装置，其中所述分子有效负荷包括药物、造影剂、酶、蛋白质、激素、糖蛋白、糖脂、核酸、适体、脂质或者金属的、聚合的或陶瓷的纳米微粒中的至少一种。
12.权利要求1的装置，还包括：
连接至所述内部微粒结构的封盖微粒，以便覆盖开口并且将分子有效负荷封闭在内腔内，其中将所述封盖微粒连接至内部微粒结构允许封盖微粒可控的运动以便基于释放刺激暴露开口。
13.权利要求12的装置，其中所述封盖微粒通过所述封盖微粒表面上形成的自组装的单层(SAM)的分子自组装连接至所述内部微粒结构。
14.权利要求12的装置，其中所述封盖微粒通过具有核苷酸的互补序列的两条链的核酸连接至所述内部微粒结构，第一条链连接至所述封盖微粒，且互补的第二条链连接至所述内部微粒结构的内腔。
15.权利要求12的装置，其中所述装置是可操作的，以便通过加热所述纳米结构装置，导致所述封盖微粒可控的运动以便暴露所述内部微粒结构的开口，从而可控地释放分子有效负荷。
16.权利要求15的装置，其中所述加热通过外部施加的辐射导致，包括射频(RF)能量或近红外(NIR)能量。
17.权利要求12的装置，其中所述封盖微粒通过分子拉链结构连接至所述内部微粒结构，其中所述分子拉链结构包括：
双链分子，其包括在一端上连接至拉链成员的铰链成员，所述拉链成员包括偶联至被动链的结合链，其中所述结合链包括与被动链核苷酸单元的相应互补序列杂交的核苷酸单元的序列，其中所述被动链的核苷酸的互补序列包括一个或多个合成核碱基；
第一臂成员，其包括双链分子结构，所述双链分子结构通过第一条连接链连接至拉链成员的结合链，所述第一条连接链使所述第一臂成员连接至所述结合链并且连接至内腔；和
第二臂成员，其包括双链分子结构，所述双链分子结构通过第二条连接链连接至拉链成员的被动链，所述第二条连接链使第二臂成员连接至被动链并且连接至所述封盖微粒。
18.权利要求17的装置，其中所述装置是可操作的，以便通过使具有互补序列的化学物质遇到结合链的核苷酸单元的序列，导致分子拉链结构拉开拉链并且允许所述封盖微粒从所述内部微粒结构的开口开启，从而可控地释放分子有效负荷，其中所述化学物质能够通过从结合链的核苷酸单元释放被动链的核苷酸单元偶联结合链。
19.权利要求17的装置，其中所述装置是可操作的，以便通过加热所述纳米结构装置，导致分子拉链结构拉开拉链并且允许所述封盖微粒从所述内部微粒结构的开口开启，从而可控地释放分子有效负荷。
20.权利要求19的装置，其中所述加热通过外部施加的辐射导致，包括射频(RF)能量或近红外(NIR)能量。
21.用于生产纳米结构的方法，包括：
在芯微粒上形成内部微粒结构，其中所述芯微粒部分地被所述内部微粒结构封闭；
使纳米微粒连接至所述内部微粒结构的外表面；
在所述内部微粒结构的外表面上形成涂层，其覆盖至少一些所连接的纳米微粒；和
从所述内部微粒结构中除去所述芯微粒，其中除去的芯微粒在所述内部微粒结构的外表面内形成内腔和来自所述内部微粒结构的外表面的开口。
22.权利要求21的方法，其中所述内部微粒结构包括二氧化硅。
23.权利要求21的方法，其中所述内部微粒结构在所述芯微粒上以不对称形状形成。
24.权利要求21的方法，其中所述内部微粒结构包括实质上500nm或更小的大小。
25.权利要求21的方法，其中所述芯微粒包括聚苯乙烯。
26.权利要求25的方法，其中所述聚苯乙烯芯微粒被羧化物-末端涂层官能化。
27.权利要求25的方法，其中所述聚苯乙烯芯微粒包括实质上150nm或更小的大小。
28.权利要求21的方法，还包括：
在连接纳米微粒之前，以化学方式修饰所述内部微粒结构的外表面。
29.权利要求21的方法，其中所述纳米微粒包括氧化铁纳米微粒和金属纳米微粒之一或两者。
30.权利要求29的方法，其中所述氧化铁纳米微粒或所述金属纳米微粒或它们两者包括5-15nm的大小。
31.权利要求29的方法，其中形成所述涂层包括在所述内部微粒结构的外表面上的至少一些纳米微粒之间产生填充材料。
32.权利要求31的方法，其中产生所述填充材料包括将连接至内部微粒结构的金属纳米微粒合并在所述金属的离子溶液中，和添加所述金属的还原剂，由此在连接至外表面的金属纳米微粒之间形成填充材料，其涂敷所述氧化铁纳米微粒。
33.权利要求29的方法，其中所述金属纳米微粒包括金。
34.权利要求1的方法，其中连接纳米微粒包括促进所述纳米微粒与所述内部微粒结构外表面之间的静电相互作用。
35.权利要求1的方法，还包括：
浸蚀内腔内的至少部分内部微粒结构，以便从所述内部微粒结构中除去材料。
36.权利要求21的方法，还包括：
给所述内部微粒结构的内腔加载分子有效负荷。
37.权利要求36的方法，其中所述分子有效负荷包括药物、造影剂、酶、蛋白质、激素、糖蛋白、糖脂、核酸、适体、脂质或者金属的、聚合的或陶瓷的纳米微粒的至少一种。
38.权利要求36的方法，其中所述加载包括使用连接分子将所述内部微粒结构的外表面或所述内部微粒结构的内腔的内表面的至少一种官能化，所述连接分子能够使分子有效负荷连接至所述内部微粒结构。
39.权利要求38的方法，还包括：
通过将刺激施加于所述内部微粒结构，导致分子有效负荷从连接分子中化学分离，从而释放所述分子有效负荷。
40.权利要求39的方法，其中施加刺激包括提供化学物质、发光、改变pH环境或改变温度的至少一种。
41.权利要求36的方法，还包括：
使封盖微粒连接至所述内部微粒结构，以便覆盖开口和在内腔内包含分子有效负荷，其中所述封盖微粒能够在外部刺激下运动以暴露开口。
42.权利要求41的方法，其中所述连接包括形成封盖微粒表面的自组装的单层(SAM)；和使SAM的向外端与内腔缀合。
43.权利要求41的方法，其中所述连接包括形成核酸，所述核酸具有与封盖微粒和内腔的核苷酸互补序列的2条链，其中第一条链连接至封盖微粒，且互补的第二条链连接至所述内部微粒结构的内腔。
44.权利要求41的方法，其中使封盖微粒连接至内部微粒结构包括使第一臂上的分子拉链结构连接至所述内部微粒结构的内腔，且第二臂连接至所述封盖微粒，其中所述分子拉链结构包括：
双链分子，其包括在一端上连接至拉链成员的铰链成员，所述拉链成员包括偶联至被动链的结合链，其中所述结合链包括与被动链核苷酸单元的相应互补序列杂交的核苷酸单元的序列，其中所述被动链的核苷酸的互补序列包括一个或多个合成核碱基；
第一臂成员，其包括双链分子结构，所述双链分子结构通过第一条连接链连接至拉链成员的结合链，所述第一连接链使所述第一臂成员连接至所述结合链；和
第二臂成员，其包括双链分子结构，所述双链分子结构通过第二条连接链连接至拉链成员的被动链，所述第二条连接链使第二臂成员连接至被动链。
45.权利要求41的方法，其中所述外部刺激包括射频(RF)能量或近红外(NIR)能量，其导致加热，从而开启来自开口的封盖微粒。
46.用于制造载体结构的方法，包括：
通过使多个掩蔽微粒结合在芯微粒上形成模板，所述掩蔽微粒在其中它们所连接的芯微粒外表面上形成掩蔽区；
使纳米微粒连接至模板的未掩蔽表面，其中所述掩蔽微粒防止纳米微粒连接至外表面的掩蔽区；
通过在所述连接的纳米微粒的材料生长在未掩蔽表面上形成涂层，从而在模板的未掩蔽表面上产生壳结构；和
通过从模板中除去掩蔽微粒产生多孔的载体结构，其中除去的掩蔽微粒形成在壳结构的外表面与芯微粒的外表面之间延伸的开口。
47.权利要求46的方法，其中所述掩蔽微粒通过静电相互作用连接至所述芯微粒。
48.权利要求47的方法，其中所述芯微粒包括阳离子二氧化硅且所述掩蔽微粒包括聚苯乙烯。
49.权利要求47的方法，其中所述芯微粒包括1μm或更小的大小，且所述掩蔽微粒包括100nm或更小的大小。
50.权利要求47的方法，其中所述芯微粒包括具有官能化层的聚苯乙烯微粒，所述官能化层包括聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)，且其中所述掩蔽微粒包括聚苯乙烯微粒，其具有带有羧化末端的外部官能化涂层。
51.权利要求46的方法，其中所述纳米微粒包括金纳米微粒。
52.权利要求51的方法，其中所述金纳米微粒包括5nm或更小的大小。
53.权利要求46的方法，其中形成涂层包括将模板浸入包含纳米微粒材料的溶液，从而导致成核和在模板未掩蔽表面上生长。
54.权利要求53的方法，其中所述纳米微粒包括金纳米微粒，且所述溶液包括氢氧化金，所述形成包括产生成核为金壳结构的金种。
55.权利要求46的方法，其中所述多孔的载体结构包括在二氧化硅芯微粒上形成的外部金多孔壳。
56.权利要求46的方法，其中从模板中除去掩蔽微粒包括在有机溶剂中溶解所述掩蔽微粒。
57.权利要求46的方法，还包括：
使磁性纳米微粒连接至所述多孔的载体结构的外表面。
58.权利要求46的方法，还包括：
给所述多孔的载体结构加载分子有效负荷，其中所述加载包括使用连接分子使通过开口暴露的芯微粒或壳结构的表面或者它们两者官能化，所述连接分子能够连接分子有效负荷。
59.权利要求46的方法，还包括：
从模板中除去至少部分芯微粒，产生中空的多孔的载体结构。
60.权利要求59的方法，还包括：
使磁性纳米微粒连接至所述中空的多孔的载体结构的壳结构的表面。
61.权利要求59的方法，还包括：
给所述中空的多孔的载体结构加载分子有效负荷，其中所述加载包括使用连接分子使所述壳结构表面官能化，所述连接分子能够连接分子有效负荷。
62.权利要求46的方法，还包括：
在从模板中除去掩蔽微粒之前，围绕所述壳结构形成外层，从而产生双层壳结构；和
在从模板中除去掩蔽微粒之后，从模板中除去至少部分芯微粒，从而产生中空的多孔双层载体结构。
63.权利要求62的方法，其中外层包括二氧化硅，且所述壳结构包括金。
64.权利要求62的方法，还包括：
使磁性纳米微粒连接至中空的多孔双层载体结构的表面。
65.权利要求62的方法，还包括：
给所述中空的多孔双层载体结构加载分子有效负荷，其中所述加载包括使用连接分子使所述中空的多孔双层载体结构的内表面或外表面官能化，所述连接分子能够连接分子有效负荷。
66.权利要求58、61或65的方法，其中所述分子有效负荷能够基于刺激可控地被释放，所述刺激包括化学物质、发光、pH环境改变或温度改变的至少一种，从而导致分子有效负荷从所述载体结构分离。
67.用于制造载体结构的方法，包括：
通过使多个掩蔽微粒连接在芯微粒上形成模板，所述掩蔽微粒在其中它们所连接的芯微粒外表面上形成掩蔽区；
使纳米微粒连接至模板的未掩蔽表面，其中所述掩蔽微粒防止纳米微粒连接至外表面的掩蔽区；
在模板的未掩蔽表面上生成不连续的岛状结构，通过使连接的纳米微粒材料在未掩蔽表面上生长来进行，形成所述岛状结构；
通过在模板的未掩蔽表面上和不连续岛状结构上形成外层产生壳结构，其中所产生的壳结构包括外层，其具有在外层内表面上包埋的岛状结构；和
通过从模板中除去掩蔽微粒产生载体结构，其中除去的掩蔽微粒形成在壳结构的外表面与芯微粒的外表面之间延伸的开口。
68.权利要求67的方法，其中所述掩蔽微粒通过静电相互作用连接至所述芯微粒。
69.权利要求68的方法，其中所述芯微粒包括阳离子二氧化硅，且所述掩蔽微粒包括聚苯乙烯。
70.权利要求68的方法，其中所述芯微粒包括1μm或更小的大小，且所述掩蔽微粒包括100nm或更小的大小。
71.权利要求68的方法，其中所述芯微粒包括带有官能化层的聚苯乙烯微粒，所述官能化层包括聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)，且其中所述掩蔽微粒包括具有带有羧化末端的外部官能化涂层的聚苯乙烯微粒。
72.权利要求67的方法，其中所述纳米微粒包括金纳米微粒。
73.权利要求72的方法，其中所述金纳米微粒包括5nm或更小的大小。
74.权利要求67的方法，其中生成不连续岛状结构包括将模板浸入包含所述纳米微粒材料的溶液，从而导致岛状结构的成核和在模板的未掩蔽表面上的生长。
75.权利要求74的方法，其中所述纳米微粒包括金纳米微粒，且所述溶液包括氢氧化金，其中生成不连续岛状结构包括产生成核为金岛状结构的金种。
76.权利要求67的方法，其中从模板中除去掩蔽微粒包括在有机溶剂中溶解所述掩蔽微粒。
77.权利要求67的方法，还包括：
给所述载体结构加载分子有效负荷，其中所述加载包括使用连接分子使所述载体结构表面官能化，所述连接分子能够连接有效负荷。
78.权利要求67的方法，还包括：
通过从模板中除去至少部分芯微粒产生中空的多孔载体，使得至少一些岛状结构在所述中空的多孔载体内腔中的外层的内表面上暴露。
79.权利要求78的方法，其中所述壳结构外层包括二氧化硅，且所述壳结构的岛状结构包括金。
80.权利要求78的方法，还包括：
使磁性纳米微粒连接至所述中空的多孔的载体结构的内表面；或
使磁性纳米微粒连接至所述中空的多孔的载体结构的外表面。
81.权利要求80的方法，其中所述磁性纳米微粒包括氧化铁纳米微粒。
82.权利要求78的方法，还包括：
给所述中空的多孔的载体结构加载分子有效负荷，其中所述加载包括使用连接分子使所述中空的多孔的载体结构的内表面或外表面官能化，所述连接分子能够连接分子有效负荷。
83.权利要求77或82的方法，其中所述分子有效负荷能够基于刺激被可控地释放，所述刺激包括化学物质、发光、pH环境改变或温度改变的至少一种，从而导致所述分子有效负荷从所述载体结构分离。
84.纳米微粒，包括：
壳，其被构造成包括中空内部和在中空内部与壳的外表面之间延伸的一个或多个开口；
连接至所述中空内部或壳的外表面之一或两者的磁性纳米微粒，其中所述磁性纳米微粒被构造成与外部磁场发生相互作用以便磁性引导所述纳米微粒；和
通过连接分子使分子有效负荷连接至所述壳，所述连接分子能够使所述分子有效负荷连接至所述壳表面。
85.权利要求84的纳米微粒，其中所述磁性纳米微粒包括氧化铁纳米微粒。
86.权利要求84的纳米微粒，其中所述壳包括围绕内层形成的外层。
87.权利要求86的纳米微粒，其中所述外层包括二氧化硅，且所述内层包括金。
88.权利要求86的纳米微粒，其中所述内层被构造成包括不连续岛状结构。
89.权利要求88的纳米微粒，其中所述外层包括二氧化硅，且所述岛状结构包括金。
90.权利要求84的纳米微粒，其中所述分子有效负荷包括药物、造影剂、酶、蛋白质、激素、糖蛋白、糖脂、核酸、适体、脂质以及/或者金属的、聚合的或陶瓷的纳米微粒的至少一种。
91.用于制造微粒的方法，包括：
在芯微粒上形成第一官能化层，从而产生官能化的芯微粒，其中形成的第一官能化层在芯微粒表面上生成与芯微粒表面电荷相反的电荷；
在官能化的芯微粒上形成第二官能化层，从而产生双-官能化的芯微粒，其中形成的第二官能化层在官能化的芯微粒表面上生成与第二官能化层形成之前带相反电荷的表面；
通过在双-官能化的芯微粒上连接多个掩蔽微粒形成模板，其中所述掩蔽微粒在其表面上包括与双-官能化的芯微粒的相反电荷，且其中所述掩蔽微粒在它们所连接的双-官能化的芯微粒的外表面上形成掩蔽区；
通过在双-官能化的芯微粒的未掩蔽表面上形成涂层在所述双-官能化的芯微粒的未掩蔽表面上产生壳结构，其中所述掩蔽微粒防止所述涂层连接至外表面的掩蔽区；和
通过除去所述掩蔽微粒和所述双-官能化的芯微粒产生官能化中空的多孔微粒，其中除去的掩蔽微粒形成在所述壳结构中空的内部和外表面之间延伸的开口。
92.权利要求91的方法，还包括：
在除去所述掩蔽微粒和所述双-官能化的芯微粒之前，通过使用与所述壳结构带相反电荷的材料涂覆层，从而在所述壳结构上形成所述层；和
通过除去所述掩蔽微粒和所述双-官能化的芯微粒产生双-官能化中空的多孔微粒，其中除去的掩蔽微粒形成在所述壳结构中空的内部和所述层的外表面之间延伸的开口。
93.权利要求92的方法，其中所述双官能化的中空的多孔微粒包括二氧化硅。
94.权利要求92的方法，其中：
所述芯微粒包括羧化聚苯乙烯微粒；
所述第一官能化层包括聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDDA)，从而形成官能化的芯微粒的带正电荷的表面；
所述第二官能化层包括聚(丙烯酸)(PAA)，从而形成双-官能化的芯微粒的带负电荷的表面；
所述掩蔽微粒包括胺-修饰的聚苯乙烯微粒；和
所述涂层包括带正电荷的硅烷材料；和
所述层包括原硅酸四乙酯(TEOS)，
其中所述双官能化的中空的多孔微粒包括具有带相反电荷的外表面和内表面的二氧化硅。
95.权利要求91的方法，其中所述芯微粒包括1μm或更小的大小，且所述掩蔽微粒包括100nm或更小的大小。
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