CN108498808A - 一种表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子及其制备方法和应用 - Google Patents

一种表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子的制备方法,属于核磁共振成像技术领域,由本发明的制备方法制备得到的锰掺杂的硫化铜纳米粒子锰原子掺杂在硫化铜纳米粒子的晶格内,使其生物安全性大大提高,羧基聚合物配体包覆的纳米粒子具有极小的尺寸,能够迅速的通过肾脏排出体外;该方法制备的锰掺杂硫化铜纳米粒子具有很好的生物相容性,较小的流体动力学尺寸及很好的T1/T2弛豫系数,可以作为双功能造影剂使用,提供更为准确可靠的核磁共振影像。

Description

一种表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及核磁共振成像技术领域,尤其涉及一种锰掺杂的硫化铜纳米粒子的合成及其应用。
背景技术
核磁共振成像(MRI)技术广泛应用于医学研究及临床诊断。相对于计算机断层扫描成像(CT),正电子发射计算机断层扫描成像(PET/CT),单光子发射计算机断层扫描成像(SPECT)等以放射性检测为基础的成像技术,核磁共振成像具有较高的分辨率,不需要使用放射性同位素,能够得到软组织的解剖学信息及实现功能化成像等优点。这使其在临床诊断上得到大量的应用。但是相对于放射性成像方法,核磁共振的检测灵敏度较低,很多情况下需要使用造影剂增强成像效果,才能得到对诊断有帮助的图像。
锰离子及其配合物在MRI造影上有一定的应用。锰的配合物Mn-DPDP(Teslascan)在水溶液中的r1=2.8mM-1·s-1,r2=3.7mM-1·s-1,最高核磁信号出现在肾脏,已经得到FDA批准用于临床中的肝造影。Mn-DPDP的安全因子(LD50/effective dose)为540,远高于临床中常用的钆造影剂Gd-DTPA(安全因子60~100)。尽管锰离子及其配合物在核磁共振成像中得到了一定的应用,这些离子或小分子造影剂依然存在稳定性及潜在细胞/生物毒性的问题。为了提高造影剂的稳定性及弛豫系数,降低生物毒性,一个方法是将这些顺磁性原子/分子包裹起来,比较成功的例子是将钆原子或其配合物包裹在脂质体囊泡中,这种方法不仅改善了小分子造影剂的毒性及稳定性,同时也提高了造影剂的血液循环半衰期,增加了其在病灶部位的累积概率。但是与小分子造影剂(例如Gd-DTPA)相比,这种方法大大降低了造影剂的造影效果(r1从4.0mM-1·s-1降低至1.0mM-1·s-1),降低了MRI的检测灵敏度。
纳米材料在生物医药中的应用早已得到人们的关注并且由此而产生了一个新术语“纳米医药”。纳米材料的显著特点是大的比表面积和由此而来的表面多功能化,其可调整的三维尺寸/形状及独特的光/电/磁性质也使其与小分子或生物大分子完全不同。纳米粒子作为MRI造影剂最为常见的是以铁的氧化物或铁与其他金属/非金属形成的合金纳米材料,以葡聚糖T10(Dextran-T10)包覆的超顺磁氧化铁纳米粒子为代表的T2核磁共振造影剂上世纪90年代得到临床应用。近年来金属钆或锰的氧化物纳米粒子被合成及应用于MRI成像,但是其造影效果并不比小分子造影剂更理想,而且存在着难于从生物体内清除的问题。因此,得到一种既具有较高的检测灵敏度又具有低毒性且容易从体内排出的核磁共振造影剂具有重要临床意义。
发明内容
有鉴于此,本发明目的在于提供一种表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子及其制备方法和应用,该纳米粒子具有较高的生物安全性,且能够迅速的通过肾脏排出体外;可以作为双功能造影剂使用,提供更为准确可靠的核磁共振影像。
本发明提供了一种表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子的制备方法,包括以下步骤:
1)将可溶性铜盐、可溶性锰盐、含羧基的表面功能化分子和水混合后进行离子配位反应,得到配合物溶液;
2)将所述步骤1)得到的配合物溶液与硫化钠混合后进行粒子交换反应,得到离子交换反应液;
3)将所述纳米粒子反应液升温后进行生长反应,得到表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子。
优选地,所述步骤1)中可溶性铜盐为氯化铜、硫酸铜或硝酸铜。
优选地,所述步骤1)中可溶性锰盐为氯化锰、硫酸锰或硝酸锰。
优选地,所述步骤1)中含羧基的表面功能化分子为聚丙烯酸、柠檬酸、抗坏血酸或褐藻酸。
优选地,所述步骤1)中可溶性铜盐、可溶性锰盐和含羧基的表面功能化分子的摩尔比以铜离子、锰离子和含羧基的功能化分子中的羧基计为1:2~1:2.5。
优选地,所述步骤2)中升温后的温度为85~95℃。
优选地,中硫化钠与可溶性铜/锰盐的摩尔比为2:1。
优选地,所述步骤3)中纳米粒子成核/生长反应后还包括将得到的纳米粒子反应液进行透析或分子量截留膜离心过滤,所述透析用透析膜的分子量截留尺寸为分子量2000,所述分子量截留膜的分子量截留尺寸为2000。
本发明还提供了上述制备方法制备得到的表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子,所述纳米粒子的流体动力学尺寸为1~2纳米,所述纳米粒子中锰原子掺杂在硫化铜纳米粒子的晶格内,含羧基的表面功能化分子包裹在纳米粒子表面。
本发明还提供了上述表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子作为MRI造影剂或光声成像的造影剂的应用。
有益技术效果:本发明提供了一种表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子的制备方法,包括以下步骤:将可溶性铜盐、可溶性锰盐、羧基聚合物配体和水混合后进行配位反应得到配合物溶液;将得到的配合物溶液与硫化钠混合后进行纳米粒子成核反应,得到纳米粒子核反应液,将所述核反应液升温后进行纳米粒子生长反应,得到表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子。由上述方法制备得到的表面功能化锰掺杂的硫化铜纳米粒子锰原子掺杂在硫化铜纳米粒子的晶格内,使其生物安全性大大提高,聚丙烯酸羧基聚合物配体包覆的纳米粒子具有极小的尺寸(1-2纳米),能够迅速的通过肾脏排出体外;该方法制备的锰掺杂硫化铜纳米粒子具有很好的生物相容性,较小的流体动力学尺寸及很好的T1/T2弛豫系数,可以作为双功能造影剂使用,提供更为准确可靠的核磁共振影像。
附图说明:
图1为实施例1中聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子及氯化锰的R1弛豫系数与锰离子浓度的关系图;
图2为实施例1中聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子及氯化锰的R2弛豫系数与锰离子浓度的关系图;
图3为实施例1中不同锰元素浓度的聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子水溶液的核磁共振T1模式成像;
图4为与图3中锰元素浓度相同的氯化锰水溶液的核磁共振T1模式成像;
图5为实施例1中不同锰元素浓度的聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子水溶液的核磁共振T2模式成像;
图6为与图5中锰元素浓度相同的氯化锰水溶液的核磁共振T2模式成像;
图7为实施例1中得到的聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子在小鼠活体内的核磁共振成像;上左:注射纳米粒子前的肾脏核磁成像(箭头所示部位);上右:注射纳米粒子后的肾脏核磁成像(箭头所示部位);下左:注射纳米粒子前的肝脏核磁成像(箭头所示部位);下右:注射纳米粒子后的肝脏核磁成像(箭头所示部位);
图8为聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子(10-50皮摩尔)在小鼠体内的光声成像;L:肝脏;RK:右肾;LK:左肾;S:脾脏;
图9为实施例1~4中聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子的吸收光谱;
图10为实施例1~4中聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子的流体动力学尺寸;
图11为实施例5中褐藻酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子的吸收光谱。
具体实施方式
本发明提供了一种表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子的制备方法,包括以下步骤:
1)将可溶性铜盐、可溶性锰盐、含羧基的表面功能化分子和水混合后进行离子配位反应,得到配合物溶液;
2)将所述步骤1)得到的配合物溶液与硫化钠混合后进行纳米粒子成核反应,得到纳米粒子核反应液;
3)将所述纳米粒子核反应液升温后进行纳米粒子生长反应,得到表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子。
本发明将可溶性铜盐、可溶性锰盐、含羧基的表面功能化分子和水混合后进行离子配位反应,得到配合物溶液。
在本发明中,所述可溶性铜盐优选为氯化铜、硫酸铜或硝酸铜;所述可溶性锰盐优选为氯化锰、硫酸锰或硝酸锰;所述含羧基的表面功能化分子优选为聚丙烯酸、柠檬酸、抗坏血酸或褐藻酸。
在本发明中,所述含羧基的表面功能化分子聚丙烯酸的分子量优选为1800~2500,更优选为1800。
所述含羧基的表面功能化分子褐藻酸的分子量优选为120000-180000,更优选为120000。
在本发明中,所述可溶性铜盐、可溶性锰盐和含羧基的表面功能化分子的摩尔比以铜离子、锰离子和聚丙烯酸聚合物配体中的羧基计优选为1:2~1:2.5,更优选为1:2。使用80-100毫升水作为反应溶剂。
本发明对所述混合的方法没有特殊限定,选用本领域技术人员熟知的混合方法即可。
在本发明中,所述配合反应的温度优选为室温,所述配合反应的时间优选为5~10分钟。
在本发明中,所述配合反应优选在搅拌条件下进行,本发明对搅拌的方法没有特殊限定,选用本领域技术人员熟知的方法即可。
加入硫化钠溶液后反应物颜色从淡蓝色变为淡绿色,表明纳米粒子成核反应进行,随着反应时间延长,溶液颜色逐渐变成墨绿色,表明纳米粒子进行了生长反应。
得到配合物溶液后,本发明将得到的配合物溶液与硫化钠混合后进行纳米粒子的成核反应,得到纳米粒子核反应液。在本发明中,所述纳米粒子的成核反应过程中硫离子与铜/锰离子发生反应得到锰掺杂硫化铜纳米粒子。
在本发明中,所述成核反应的温度优选为室温,所述成核反应的时间优选为5~10min,更优选为6~8min。
在本发明中,所述硫化钠与可溶性铜盐的摩尔比优选为2:1~2.2:1,更优选为2:1。
在本发明中,所述硫化钠优选以硫化钠水溶液的形式加入,本发明对硫化钠水溶液的浓度没有特殊限定,选用本领域技术人员熟知的浓度即可。在本发明中,硫化钠的浓度优选为15~25g/L,更优选为20g/L。
本发明优选将硫化钠水溶液在搅拌下加入到配合物溶液中。本发明对搅拌的速率没有特殊限定,选用本领域技术人员熟知的搅拌速率即可。
得到粒子交换反应液后,本发明优选将离子交换反应液升温后进行纳米粒子生长反应,得到表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子。
在本发明中,所述升温后的温度优选为85~95℃,更优选为90℃。
本发明对升温速率没有特殊限定,任意升温速率均可。
在本发明中,所述纳米粒子生长反应后还包括纯化,所述纯化优选为透析法或分子量截留膜离心过滤法,所述透析法中透析膜的分子量截留优选为分子量2000,所述分子量截留膜法中膜的分子量截留优选为2000。
本发明还提供了上述制备方法制备得到的表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子,所述纳米粒子的流体动力学尺寸(直径)为1~2纳米,所述纳米粒子中锰原子掺杂在硫化铜纳米粒子的晶格内,羧基聚合物配体包裹在纳米粒子表面,所述锰元素占纳米粒子中金属元素摩尔数的10~40%。
羧基聚合物(如聚丙烯酸)用量优选为15-25毫克,更优选为20毫克。
本发明还提供了上述表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子在制备核磁共振成像造影剂或光声成像的造影剂中的应用。
为了更好地理解本发明,下面结合实施例进一步阐明本发明的内容,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子合成
(1)氯化铜(13毫克,0.1毫摩尔),氯化锰(3毫克,0.01毫摩尔)聚丙烯酸(PAA,Mw:1800)(20毫克,羧基摩尔数:0.278毫摩尔)室温下搅拌5-10分钟溶于80毫升去离子水中形成淡蓝色的配合物溶液。
(2)硫化钠(20毫克)的水溶液(1毫升)在搅拌下加入上述溶液中,室温下反应5~10分钟,反应溶液颜色从淡蓝逐渐变为墨绿,得到纳米粒子核反应液;
(3)将纳米粒子核反应液加热至90摄氏度,在该温度下搅拌反应30分钟进行生长反应后,冷至室温,通过透析(透析膜孔径为分子量2000)或分子量截取过滤(分子量2000)方法分离纯化得到聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子,其中锰元素摩尔掺杂量占整个纳米粒子金属元素10%。
对上述制得的聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子的R1及R2弛豫系数与锰离子浓度的关系曲线以及氯化锰R1及R2弛豫系数与锰离子浓度的关系曲线分别如图1和图2所示,在相同锰离子浓度下,CuMnS纳米粒子的弛豫系数R1(6.1mM-1·S-1)为MnCl2(氯化锰)(2.95mM-1·S-1)的两倍左右,在相同锰离子浓度下,CuMnS纳米粒子的弛豫系数R2(151.6mM-1·S-1)为MnCl2(氯化锰)(82.5mM-1·S-1)的两倍左右。由曲线函数关系得到的弛豫系数表明在相同锰浓度下纳米粒子的R1及R2为氯化锰的2倍左右,说明纳米粒子是更有效的造影剂。
图3为实施例1中不同锰元素浓度的聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子水溶液的核磁共振T1模式成像;
图4为与图3中锰元素浓度相同的氯化锰水溶液的核磁共振T1模式成像;
图5为实施例1中不同锰元素浓度的聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子水溶液的核磁共振T2模式成像;
图6为与图5中具有相同锰元素浓度相同的氯化锰水溶液的核磁共振T2模式成像。
由图3~图6可知在相同锰元素浓度下,聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子表现出比氯化锰更好的核磁共振造影效果。
图7为实施例1中得到的聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子(0.04-0.05微摩尔)在小鼠活体内的核磁共振成像,上左:注射纳米粒子前的肾脏核磁成像(箭头所示部位);上右:注射纳米粒子后的肾脏核磁成像(箭头所示部位);下左:注射纳米粒子前的肝脏核磁成像(箭头所示部位);下右:注射纳米粒子后的肝脏核磁成像(箭头所示部位)。从图像的对比可以看到注射纳米粒子造影剂后箭头所示部位明显变亮,显示纳米粒子在肝,肾等器官的累积并提高了这些器官的造影效果。
图8为聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子(10-50皮摩尔)在小鼠体内的光声成像(L:肝脏;RK:右肾;LK:左肾;S:脾脏)明亮处代表锰掺杂硫化铜纳米粒子的光声信号,其在肝脏,脾及肾均有明显累积并提高这些器官的造影效果。光声成像结果显示的纳米粒子生物分布与核磁共振结果相符。
实施例2
氯化锰用量为6毫克,其它步骤与实施例1相同,得到聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子,其中锰元素摩尔掺杂量占整个纳米粒子金属元素20%。
实施例3
氯化锰用量为9毫克,其它步骤与实施例1相同,得到聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子,其中锰元素摩尔掺杂量占整个纳米粒子金属元素30%。
实施例4
氯化锰用量为12毫克,其它步骤与实施例1相同,得到聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子,其中锰元素摩尔掺杂量占整个纳米粒子金属元素的40%。
图9为实施例1~4中聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子的吸收光谱,图中可以看出不同锰含量的硫化铜纳米粒子的吸收光谱不同,但是都在近红外光区(700-1100纳米)有明显的吸收,故可以作为光声成像的造影剂使用。
图10为实施例1~4中聚丙烯酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子的流体动力学尺寸(直径)。a线为含15%锰的纳米粒子,流体动力学尺寸为0.7纳米,b线为含10%锰的纳米粒子,流体动力学尺寸1.2纳米,c线为含36%锰的纳米粒子,流体动力学尺寸24纳米,d线为不含锰的硫化铜纳米粒子,流体动力学尺寸45纳米。这些结果表明纳米粒子的尺寸与掺杂锰的量相关。
实施例5
将实施例1~4中的聚丙烯酸替换为褐藻酸钠盐(Mw:120000-190000),其它步分别与实施例1~4相同,分别得到锰元素摩尔掺杂量占整个纳米粒子金属元素的10%、20%、30%和40%的褐藻酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子。
图11为实施例5中褐藻酸表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子的吸收光谱。图中可以看出不同锰含量的硫化铜纳米粒子的吸收光谱不同,但是都在近红外光区(700~1100纳米)有明显的吸收,故可以作为光声成像的造影剂使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子的制备方法,包括以下步骤:
1)将可溶性铜盐、可溶性锰盐、含羧基的表面功能化分子和水混合后进行离子配位反应,得到配合物溶液;
2)将所述步骤1)得到的配合物溶液与硫化钠混合后进行纳米粒子成核反应,得到纳米粒子核反应液;
3)将所述核反应液升温后进行纳米粒子生长反应,得到表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤1)中可溶性铜盐为氯化铜、硫酸铜或硝酸铜。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤1)中可溶性锰盐为氯化锰、硫酸锰或硝酸锰。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤1)中含羧基的表面功能化分子为聚丙烯酸、柠檬酸、抗坏血酸或褐藻酸。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤1)中可溶性铜盐、可溶性锰盐和含羧基的表面功能化分子的摩尔比以铜离子、锰离子和含羧基的表面功能化分子中羧基功能团计为1:2~1:2.5。
6.根据权利要求1~5任意一项权利要求所述的制备方法,其特征在于,所述步骤3)中升温后的温度为85~95℃。
7.根据权利要求1或5所述的制备方法,其特征在于,所述步骤2)中硫化钠与可溶性铜盐的摩尔比为2:1。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤3)中纳米粒子成核及增长反应后还包括纯化,所述纯化为将得到的纳米粒子反应液进行透析或分子量截留膜离心过滤,所述透析用透析膜的分子量截留尺寸为2000,所述分子量截留膜的截留尺寸为2000。
9.权利要求1~8任意一项所述的制备方法得到的表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子,其特征在于,所述纳米粒子的流体动力学尺寸为1~2纳米,所述纳米粒子中锰原子掺杂在硫化铜纳米粒子的晶格内,含羧基的表面功能化分子包裹在纳米粒子表面
10.权利要求9所述的表面功能化的锰掺杂硫化铜纳米粒子在制备核磁共振成像造影剂或光声成像的造影剂中的应用。
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