CN109939246B

CN109939246B - 一种小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN109939246B
Application number: CN201910318824.6A
Authority: CN
Inventors: 魏晶; 秦婧; 王根; 冯冰溪; 冯尤优
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2019-04-19
Filing date: 2019-04-19
Publication date: 2021-01-19
Anticipated expiration: 2039-04-19
Also published as: CN109939246A

Abstract

本发明公开了一种小尺寸的钆‑多酚聚合物纳米颗粒及其制备方法和应用。在含有聚乙烯吡咯烷酮的混合溶剂中，且在弱碱性条件下，采用醛类交联剂将多酚共价交联为多酚低聚物，再加入金属钆盐，金属钆盐与多酚低聚物通过金属‑有机配位交联形成小尺寸的钆‑多酚聚合物纳米颗粒；在反应过程中，通过调节聚乙烯吡咯烷酮的用量控制钆‑多酚聚合物纳米颗粒的尺寸。该方法操作简单，合成成本低，过程可控性强，可以实现对小尺寸(10‑100nm)金属‑多酚聚合物纳米颗粒的尺寸及组成的精确调控。由于该聚合物纳米材料易于功能化及靶向修饰，在医学成像、药物传递、光热治疗和生物传感等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于生物医用高分子材料技术领域，涉及一种小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒及其制备方法和应用。

背景技术

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术具有无创、无辐射、高空间分辨率等特点，已成为癌症及心血管疾病最有效的诊断手段之一。由于正常组织和病变组织仅表现出微小的信号差异，通常需要造影剂来提高成像的对比度。临床上通常采用钆螯合物(如Magnevist，化学名：二乙基三胺五乙酸合钆，英文缩写：Gd-DTPA)作为T₁型造影剂来提升分辨率。但是，钆螯合物会对肾脏造成损害。因此，降低造影剂使用剂量，提高分辨率及灵敏度，仍将是今后纳米造影技术研究和发展的一大挑战。纳米造影剂具有可调的尺寸大小、形状及结构、稳定性和潜在的多功能性等优势，可以有效提高MRI的分辨率，并赋予造影剂多种功能，有望实现多模态成像及诊疗一体化。开发新型无毒、高效、多功能的纳米造影剂将加快医学影像技术的发展，具有重要的意义。

单宁酸(TA)，是一种廉价、无毒的植物多酚，广泛存在中国的林特产品五倍子中。单宁酸具有很强的金属络合能力，可与多种金属离子形成金属-单宁酸聚合物，在药物传递、催化、抗菌、活细胞成像、细胞治疗、能源存储与转化等领域展现出良好的应用前景。以单宁酸为主要有机配体，硝酸钆为主要金属前驱物，制备小尺寸钆-单宁酸聚合物纳米颗粒作为MRI造影剂，有望实现低毒、高效、多功能的纳米造影剂的合成。但是，当前由于缺乏对钆和多酚组装调控的有效方法，导致所制备的钆-单宁酸聚合物通常具有大的粒径尺寸(微米级)，限制了其在生物体内的应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒及其制备方法和应用，该方法操作简单，合成成本低，过程可控性强，可以实现对小尺寸(10-100nm)金属-多酚聚合物纳米颗粒的尺寸及组成的精确调控。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒的制备方法，在含有聚乙烯吡咯烷酮的混合溶剂中，且在弱碱性条件下，采用醛类交联剂将多酚共价交联为多酚低聚物，再加入金属钆盐，金属钆盐与多酚低聚物通过金属-有机配位交联形成小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒；

其中，在反应过程中，通过调节聚乙烯吡咯烷酮的用量控制钆-多酚聚合物纳米颗粒的尺寸。

具体地，上述小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：

1)将聚乙烯吡咯烷酮溶解于水和乙醇的混合溶剂中，并调节pH值为8～10，得到无色溶液；

2)向无色溶液中加入新鲜配制的多酚溶液，搅拌混匀(5min)后加入含醛溶液，然后再继续搅拌反应12～24h，制得多酚低聚物；

3)向步骤2)的反应体系中加入金属钆盐溶液，搅拌反应12～24h，然后经透析法提纯，制得小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒。

优选地，步骤1)中，水和乙醇的混合溶剂中水和乙醇的体积比为(3～5)：1。

优选地，聚乙烯吡咯烷酮与多酚的质量比为(1～2)：1；含醛溶液与多酚的用量比为(2～5)mL：(0.1～0.3)g；金属钆离子与多酚的摩尔比为(1～3)：1。

优选地，含醛溶液为甲醛、乙醛或戊二醛；多酚为单宁酸、没食子酸或鞣花酸。

优选地，聚乙烯吡咯烷酮包括PVP-K15、PVP-K30、PVP-K60或PVP-K90。

优选地，金属钆盐为Gd(NO₃)₃、Gd₂(SO₄)₃或GdCl₃。

本发明还公开了采用上述的制备方法制得的小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒，该小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒的粒径为10～100nm，且钆含量可调。

优选地，粒径为20nm的钆-多酚聚合物纳米颗粒的纵向弛豫效率(r₁)为25.5nM^-1s^-1，r₂/r₁＝1.2。

本发明还公开了上述的小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒作为磁共振成像造影剂的应用，所述磁共振成像造影剂用于T₁加权磁共振成像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒的制备方法，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)保护的醛类交联策略制备钆-多酚聚合物纳米颗粒，首先在弱碱性条件下，用醛类交联剂将多酚(植物多酚)共价交联为多酚低聚物，然后引入金属离子Gd³⁺与多酚低聚物进一步配位交联，组装形成Gd-多酚聚合物纳米颗粒。反应过程中，通过引入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)能够保护纳米颗粒，防止纳米颗粒的团聚，通过调节PVP的加入量能够控制最终钆-多酚聚合物聚合物纳米颗粒的粒径尺寸。该方法操作简单，合成成本低，过程可控性强，可以实现对小尺寸(10-100nm)金属-多酚聚合物纳米颗粒的尺寸及组成的精确调控。

经本发明方法制备得到的小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒，具有超小的粒径(10-100nm)以及可调的钆含量。

进一步地，通过优化合成条件，制得平均粒径为20nm的钆-多酚聚合物纳米颗粒，其纵向弛豫效率(r₁)为25.5nM^-1s^-1，r₂/r₁＝1.2，且具有高分散性和稳定性等优势(在20天内聚合物颗粒不会发生聚沉并且颗粒尺寸保持稳定)。

基于上述材料本身的优势特性，本发明的小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒可作为纳米造影剂用于T₁加权的磁共振成像。同时，由于该聚合物纳米材料易于功能化及靶向修饰，在医学成像、药物传递、光热治疗和生物传感等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例1制备得到的Gd-TA聚合物纳米颗粒的相关实验结果；其中，(a)为Gd-TA聚合物纳米颗粒新鲜制备及静止20天后的光学照片；(b)为Gd-TA聚合物纳米颗粒的透射电镜照片；(c)和(d)分别为Gd-TA聚合物纳米颗粒的原子力显微镜照片及测得粒径大小；(e)为Gd-TA聚合物水合粒径分布图；

图2为Gd-TA聚合物纳米颗粒粒径随PVP质量变化的曲线图；

图3为实施例1制得的Gd-TA聚合物纳米颗粒作为造影剂的性能实验结果；其中，(a)为不同浓度Gd-TA聚合物和Magenvist与其磁豫率的关系；(b)为不同浓度Gd-TA聚合物和Magenvist的T₁加权磁共振成像性能；

图4为金属钆与没食子酸(Gd-GA)和金属钆与鞣花酸(Gd-EA)聚合物纳米颗粒的粒径分布；

图5为分别采用戊二醛和乙醛作为交联剂制备的金属钆与单宁酸(Gd-TA)聚合物纳米颗粒的粒径分布。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所提出的制备小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒是在弱碱性条件下，水/乙醇混合溶剂中，以多酚为有机配体及聚合物单体，醛类为交联剂，将多酚共价交联为多酚低聚物。然后加入金属前驱物(含有Gd³⁺)Gd³⁺和多酚低聚物进一步配位交联，组装形成Gd-多酚聚合物纳米颗粒。

具体制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)充分溶解于一定比例的水/乙醇混合溶剂中，调节溶液pH值为8-10。依次加入新鲜配制的多酚溶液和交联剂溶液，在室温下继续搅拌12-24h。

(2)在上述溶液中加入Gd(NO₃)₃溶液，继续搅拌12-24h，然后将所制备的样品透析36-48h去除未反应的小分子并提纯样品收集产物。

优选地，所使用有机配体多酚(植物多酚)包括单宁酸(TA)、没食子酸(GA)、鞣花酸(EA)等。

优选地，所使用的醛类交联剂包括甲醛、乙醛、戊二醛等。

优选地，所使用的混合溶剂为水/乙醇混合溶剂，调节pH所使用碱包括氨水、稀KOH(或NaOH)、tris碱等。

优选地，所使用的金属前驱物为不同种类含钆的盐，如Gd(NO₃)₃、Gd₂(SO4)₃、GdCl₃等。

优选地，所使用的PVP包括不同分子量等级的聚合物，如PVP-K15、K30、K60、K90等。

实施例1

(1)准确称取0.3g聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)，加入到35mL超纯水和10mL无水乙醇混合溶剂中，待充分溶解后加入0.3mL氨水(25wt％)调节pH为8-10，得到澄清透明的溶液。

(2)准确称取0.20g的单宁酸溶解于8mL超纯水，加入到上述溶液中，搅拌片刻后，再加入3mL甲醛溶液(3.7wt％)，继续搅拌12h。

(3)在上述溶液中加入1mL新鲜配制的Gd(NO₃)₃溶液(2wt％)，继续搅拌12h，得到Gd-TA聚合物纳米颗粒。

(4)通过分子截流量为14000的透析膜透析48h来去除未反应的小分子，以提纯样品。

如图1所示，本实施例制备得到的Gd-TA聚合物纳米颗粒具有超小的粒径(平均粒径约20.9nm)，且粒径分布均一。

以该聚合物纳米颗粒作为造影剂(图3)，在同样测试条件下和临床使用的马根维显(Magenvist)做对照，其纵向弛豫效率(r1)为25.5nM-1s-1(r2/r1＝1.2)，远远大于马根维显(r1＝3.7nM-1s-1)。证明其在磁共振成像中具有潜在的应用前景，有望替代临床使用的络合物造影剂。

此外，参见图2，为本实施例制得的Gd-TA聚合物纳米颗粒粒径随PVP质量变化的曲线图，从图2中可以看出随着体系中PVP质量的增加，Gd-TA聚合物纳米颗粒粒径而逐渐减小。

实施例2

(2)准确称取0.20g的没食子酸(GA)溶解于8mL超纯水，加入到上述溶液中，搅拌片刻后，再加入3mL甲醛溶液(3.7wt％)，继续搅拌12h。

(3)在上述溶液中加入1mL新鲜配制的Gd(NO₃)₃溶液(2wt％)，继续搅拌12h，得到Gd-GA聚合物纳米颗粒。

实施例3

(2)准确称取0.20g的鞣花酸(EA)溶解于8mL超纯水，加入到上述溶液中，搅拌片刻后，再加入3mL甲醛溶液(3.7wt％)，继续搅拌24h。

(3)在上述溶液中加入1mL新鲜配制的Gd₂(SO₄)₃溶液(2wt％)，继续搅拌12h，得到Gd-EA聚合物纳米颗粒。

如图4所示，为实施例2制备得到的金属钆与没食子酸(Gd-GA)和实施例3制备得到的金属钆与鞣花酸(Gd-EA)聚合物纳米颗粒的粒径分布结果，二者的平均粒径分别为18.7.nm和33.1nm。

实施例4

(2)准确称取0.20g的单宁酸(TA)溶解于8mL超纯水，加入到上述溶液中，搅拌片刻后，再加入3mL戊二醛(2.5wt％)继续搅拌12h。

(3)在上述溶液中加入1mL新鲜配制的Gd(NO₃)₃溶液(2wt％)，继续搅拌24h，得到Gd-TA聚合物纳米颗粒。

(4)通过分子截流量为14000的透析膜透析36h来去除未反应的小分子，以提纯样品。

实施例5

(2)准确称取0.20g的单宁酸(TA)溶解于8mL超纯水，加入到上述溶液中，搅拌片刻后(约3～5min)，再加入1ml乙醛(10wt％)继续搅拌18h。

(3)在上述溶液中加入1mL新鲜配制的GdCl₃溶液(2wt％)，继续搅拌12h，得到Gd-TA聚合物纳米颗粒。

如图5所示，为实施例4和实施例5分别采用戊二醛和乙醛作为交联剂制备的金属钆与单宁酸(Gd-TA)聚合物纳米颗粒的粒径分布，平均粒径分别为16.1nm和18.7nm。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)向无色溶液中加入新鲜配制的多酚溶液，搅拌混匀后加入含醛溶液，然后再继续搅拌反应12～24h，制得多酚低聚物；

3)向步骤2)的反应体系中加入金属钆盐溶液，搅拌反应12～24h，然后经透析法提纯，制得小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒；

其中，聚乙烯吡咯烷酮与多酚的质量比为(1～2)：1；

聚乙烯吡咯烷酮包括PVP-K15、PVP-K30、PVP-K60或PVP-K90。

2.根据权利要求1所述的小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，步骤1)中，水和乙醇的混合溶剂中水和乙醇的体积比为(3～5)：1。

3.根据权利要求1所述的小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，含醛溶液与多酚的用量比为(2～5)mL：(0.1～0.3)g；金属钆离子与多酚的摩尔比为(1～3)：1。

4.根据权利要求1所述的小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，含醛溶液为甲醛、乙醛或戊二醛；多酚为单宁酸、没食子酸或鞣花酸。

5.根据权利要求1所述的小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，金属钆盐为Gd(NO₃)₃、Gd₂(SO₄)₃或GdCl₃。

6.采用权利要求1～5中任意一项所述的制备方法制得的小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒，其特征在于，该小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒的粒径为10～100nm，且钆含量可调。

7.根据权利要求6所述的小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒，其特征在于，粒径为20nm的钆-多酚聚合物纳米颗粒的纵向弛豫效率(r₁)为25.5nM^-1s^-1，r₂/r₁＝1.2。

8.权利要求6或7所述的小尺寸的钆-多酚聚合物纳米颗粒在制备磁共振成像造影剂中的应用，其特征在于，所述造影剂用于T₁加权磁共振成像。