CN111643665B

CN111643665B - 磁性氧化铁纳米材料在雄性避孕中的应用

Info

Publication number: CN111643665B
Application number: CN202010661009.2A
Authority: CN
Inventors: 孙斐; 丁伟华; 李文清; 陈志川
Original assignee: Nantong University
Current assignee: Nantong University
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2040-07-10
Also published as: CN111643665A

Abstract

本发明公开了磁性氧化铁纳米材料在制备避孕药品中的应用，属于生物医药技术领域。通过制备具有不同粒径尺寸和不同表面配体的磁性氧化铁纳米材料，验证了利用磁性氧化铁纳米材料的磁热效应可对小鼠睾丸进行高效加热，小鼠睾丸经磁热效应作用后，其精子浓度和活力及生育率都明显下降。因此，可以利用磁性氧化铁纳米材料的磁学特征和磁热效应，实现高效、安全、简便、无创的雄性可逆避孕。

Description

磁性氧化铁纳米材料在雄性避孕中的应用

技术领域

本发明属于生物医药技术领域，具体涉及磁性氧化铁纳米材料在雄性避孕，特别是制备避孕药品中的应用。

背景技术

高效、安全的避孕方式是生殖健康的必要条件。传统的避孕方式大多是通过女性避孕实现。尽管近几十年来已发展出多种避孕方式供女性选择，如口服避孕药、上避孕环、皮下埋植剂等，但是这些避孕方法都存在潜在副作用。而在雄性避孕领域中，除了避孕套和输精管结扎外，几乎没有其他可靠、有效的避孕方式。此外，研究雄性避孕对宠物节育、畜牧性别筛选也具有潜在意义。目前，国际上对雄性避孕的研究主要集中在药物抑制和精子阻断两个方向，但药物分子存在副作用大、药效时间短等固有局限，精子阻断也存在可逆性差、手术过程易引起出血等缺陷，因此，开发一种高效、安全、简便、无创的雄性可逆避孕方法一直是生殖领域的研究难点。

热避孕法是利用高温抑制精子功能实现雄性可逆性避孕的方法。高温可逆避孕的作用体现在：雄性动物的生育能力依赖于温度变化，睾丸受热将会抑制精子发生，导致不育；当热源去除，一段时间后生精功能可得到恢复。热水浴是科学界最早用于系统性研究热避孕的手段，最初的研究已表明热避孕法是一种安全、可逆的避孕方法。然而，由于热水浴法加热效率低、靶向性差，要想得到最佳避孕效果需提高水浴温度和延长水浴时间，而人体在此条件下通常难以忍受。此外，虽然超声热和微波热也可以使睾丸升温，但是缺乏靶向性，易造成其他组织的热损伤。

近年来，随着纳米技术的飞速发展，纳米材料在生物学、医学等领域显示出了巨大的应用潜力。但已有研究公开的金纳米棒和金纳米材料仍存在着易造成创伤、实际应用性差的缺陷。

发明内容

为了解决现有纳米材料的光热效应在雄性热避孕应用中存在的缺陷，本发明设计利用磁性氧化铁纳米材料的磁热效应实现高效、安全、简便、无创的雄性可逆避孕。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

磁性氧化铁纳米材料在制备避孕药品中的应用。

磁性氧化铁纳米材料在制备雄性避孕药品中的应用。

进一步地，所述磁性氧化铁纳米材料是以柠檬酸钠为表面配体的磁性Fe₃O₄。

进一步地，所述磁性氧化铁纳米材料是以聚乙二醇为表面配体的磁性Fe₃O₄。

有益效果：

1. 磁热可逆避孕：基于磁性氧化铁纳米材料的磁热效应实现雄性避孕，避免了光热效应的组织损伤和穿透力弱等缺点。

2. 靶向、无创避孕：利用磁性氧化铁纳米材料的磁性特质，尾静脉注射在外加磁场导航下，氧化铁纳米材料在睾丸中富集实现靶向加热，不仅可以避免对其他组织的热损伤，还可以减少材料在其他组织器官富集引起的副作用。

3. 材料可降解：磁性氧化铁纳米材料具有极好的生物相容性，可降解成铁离子被生物体吸收，安全性好。

附图说明

图1为实施例1中三种磁性氧化铁纳米材料在体外的磁热性能分析图。

图2为实施例2中PEG@Fe₃O₄-50在交变磁场中对小鼠睾丸的加热情况。其中：IONPs表示PEG@Fe₃O₄-50，25A、30A表示交变磁场的输出电流。

图3为实施例3中PEG@Fe₃O₄-50的磁热效应对小鼠精子质量的影响，(a) 为CASA系统分析的精子形貌对比图，(b)为精子浓度与活力变化对比图。

图4为实施例4中磁性氧化铁纳米材料（PEG@Fe₃O₄-50）对小鼠生育率的影响。

图5为实施例5中实验组与对照组小鼠睾丸中铁含量对比图。

图6为实施例6中小鼠睾丸和肝脏中铁含量随时间变化图。

具体实施方式

高效、安全的避孕方式是生殖健康的必要条件。雄性避孕手段中除避孕套和输精管结扎外，几乎没有其他可靠的避孕方式，因此发展安全、高效、简便的雄性避孕方式具有重要意义。由于雄性动物的生育能力是温度依赖的，高温会影响抑制精子发生，因此对睾丸加热可实现雄性避孕。随着纳米生物医学的不断发展，研究表明磁性氧化铁纳米材料独特的磁学特征和磁热效应使其具有对生物体进行靶向加热的能力。此外，氧化铁纳米材料在生物体内可被降解，具有极好的生物相容性和安全性，已在欧洲被批准用于对肿瘤治疗的临床试验。

发明人前期制备了具有不同粒径尺寸和不同表面配体的磁性氧化铁纳米材料，预实验结果表明：利用磁性氧化铁纳米材料的磁热效应可对小鼠睾丸进行高效加热；通过改变氧化铁纳米材料的浓度、磁场性质等条件可以精确调控加热温度；小鼠睾丸经磁热效应作用后，其精子浓度和活力及生育率都明显下降；氧化铁纳米材料经尾静脉注射并在磁场导航下，可靶向到达睾丸中。因此，发明人推测基于磁性氧化铁纳米材料的磁学特征和磁热效应，可以实现高效、安全、简便、无创的雄性可逆避孕。本发明有望为雄性避孕提供新方法，对纳米医学的发展起到积极作用。

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按照本领域常规条件。

发明人前期已经制备出三种磁性氧化铁纳米材料，分别是柠檬酸钠为表面配体、粒径尺寸分别为50 nm、100 nm的CA@Fe₃O₄-50、CA@Fe₃O₄-100，以及PEG为配体的粒径尺寸为50 nm的PEG@Fe₃O₄-50。

CA@Fe₃O₄-50的制备步骤为：首先，将FeCl₃·6H₂O（3 mmol）、Na₃Cit（2.4 mmol）和PEG(600)（60 mmol）在超声作用下溶解于70 mL乙二醇中，向混合溶液中加入CH₃COONa （3mmol）并在快速搅拌条件下继续反应1h。然后，将溶液置于100 mL含有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在200 ℃条件下反应10 h。之后，反应物冷却至室温，经过滤、超声分散、重复洗涤后得到产物，将其分散于二次水中备用。

通过调节铁盐浓度和反应时间，即可制得CA@Fe₃O₄-100。

PEG@Fe₃O₄-50的制备步骤为：将Fe(NO₃)₃·9H₂O（1 mmol）与PEG(600)（20 mmol）混合溶于水后，加热至80℃保持0.5h。然后，将温度升高至265℃保持0.5h后降为160℃，并通入N₂直至反应结束。反应过程中，溶液由澄清透明的红色逐渐变为棕黑色，表明氧化铁纳米材料的形成。随后，将溶液冷却至室温后，加入乙醇-乙醚（1:5）混合液。经离心、干燥得到产物，将其分散于二次水中备用。

实施例1

三种磁性氧化铁纳米材料的磁热效应分析

分别研究氧化铁纳米材料的粒径尺寸、浓度、表面配体及交变磁场的频率、功率对其磁热效应的影响，获得磁热性能优化规律。

如图1所示，三种氧化铁纳米材料在交变磁场作用下，温度随时间不断升高，最终趋于稳定；在具有相同粒径尺寸的氧化铁纳米材料中，以PEG为表面配体的氧化铁纳米材料的磁热性能较好；在CA为修饰配体的氧化铁纳米材料中，粒径尺寸对其产热性能的影响变化不大；在PEG为表面配体的氧化铁纳米材料中，材料浓度越大、升温趋势越强。以上结果表明，改变氧化铁纳米材料的粒径尺寸、表面配体以及浓度可以有效调控材料的加热温度，为雄性热避孕法提供了理论基础。

实施例2

磁性氧化铁纳米材料可以对小鼠睾丸进行高效加热

基于实施例1氧化铁纳米材料在体外的磁热效应分析结果，本实施例选取以PEG为配体的氧化铁纳米材料（PEG@Fe₃O₄-50），测试将其原位注射到小鼠睾丸后，在交变磁场中小鼠睾丸的温度变化情况。

如图2所示，注射PBS的对照组小鼠在交变磁场（AMF）中，其睾丸温度随时间恒定不变；只注射PEG@Fe₃O₄-50的小鼠在室温下、无交变磁场时，睾丸温度也恒定无改变。当PEG@Fe₃O₄-50和交变磁场同时存在时，小鼠睾丸在4min内可被快速加热到相应温度；睾丸加热温度随着注射纳米材料的浓度、磁场功率、时间变化而改变。

以上结果表明，磁性氧化铁纳米材料在交变磁场中可以对小鼠睾丸进行高效加热；改变材料的浓度和磁场条件可以精确控制升温效应。此结果为将磁性氧化铁纳米材料的磁热效应用于雄性避孕提供了直接依据。

实施例3

PEG@Fe₃O₄-50的磁热效应对小鼠精子质量的影响

将雄性ICR小鼠分为2组（N=5），在睾丸原位注射及尾静脉注射加磁场导航下磁热效应作用的避孕效果，以PBS作为对照（Control），处理组为IONPs (43 ℃)，处理10分钟后，取附睾尾精子，应用计算机辅助精子分析（CASA）检测小鼠的精子浓度和活力变化。

图3为小鼠睾丸在原位注射PEG@Fe₃O₄-50升温至43℃条件下加热10 min，在24 h后用CASA系统检测小鼠的精子浓度和活力变化。结果表明小鼠的精子浓度和活力都明显降低，为磁性氧化铁纳米材料的磁热效应在雄性避孕中的应用验证了可能性。

实施例4

磁性氧化铁纳米材料的磁热效应对小鼠生育率的影响

将雄性ICR小鼠随机分为6组（每组N=5只），以下条件处理10分钟：PBS、PBS+AMF、IONPs、AMF-IONPs (37 ℃)、AMF-IONPs (43 ℃)、AMF-IONPs (45℃)，将处理后第7、30、60天的每只雄鼠与两只雌鼠交配，记录雌鼠的怀孕情况和生育后代数量，并观察新生小鼠的外观、行为等有无异常。以评估材料在睾丸原位注射及尾静脉注射加磁场导航下磁热效应作用的避孕效果。

如图4所示，与PBS（29 ℃）处理组相比，0.5 mg/Ml IONPs + AMF 25A (37 ℃)处理组小鼠生育率下降到15%，1.0 mg/mL IONPs + AMF 25A (43 ℃) 处理组小鼠生育率下降到6%，1.0 mg/Ml IONPs + AMF 30A (45 ℃) 处理组小鼠生育率下降到0；而PBS + AMF30A (31 ℃)、1.0 mg/ml IONPs (29 ℃)处理组小鼠的生育率正常；所有新生小鼠的外观、行为等正常、无畸形。结果表明，通过调控氧化铁纳米材料的磁热效应对小鼠睾丸的加热温度可以很好地控制小鼠的生育能力。

实施例5

磁性究、氧化铁纳米材料在小鼠体内的靶向性

为探究氧化铁纳米材料在小鼠体内的靶向性，发明人基于氧化铁纳米材料的磁性特质，采用尾静脉注射法，在磁场导航下对小鼠睾丸中材料的富集情况进行了初步研究。发明人将ICR雄性小鼠随机分为实验组和对照组，两组同时尾静脉单次注射氧化铁纳米材料溶液（PEG@Fe₃O₄-50），实验组小鼠在睾丸处放置磁铁（MF），对照组不放置磁铁。分别处理2h与4 h后，将小鼠处死，用ICP-MS检测睾丸中铁含量变化。

如图5所示，与对照组相比，睾丸处放置磁铁2h与4h后的实验组小鼠睾丸中铁含量都有所升高，氧化铁纳米材料的注射浓度越大，睾丸中铁含量升高越明显。

此结果说明，氧化铁纳米材料在进入小鼠体内后可以在磁场导航下靶向到达睾丸中，为材料经尾静脉注射对睾丸靶向加热的实现提供了理论依据。

实施例6

磁性氧化铁纳米材料在小鼠体内的代谢性

尾静脉单次注射PEG@Fe₃O₄-50溶液（1.0 mg/mL）于小鼠体内，分别在处理后第30min、1 h、6 h、24 h、3 d、5 d、7 d处死，收集肝和睾丸，用ICP-MS检测铁含量变化。

如图6所示，小鼠尾静脉注射PEG@Fe₃O₄-50溶液后，睾丸中铁含量在0~24h内先升高，随后逐渐降低，说明睾丸中的铁逐渐被代谢排出；小鼠肝脏中的铁含量在6h时达到最高，随后明显降低被代谢排出。（更长时间后的铁含量变化待测）。以上结果表明氧化铁纳米材料在小鼠体内可被降解排出、安全性好。

Claims

1.磁性氧化铁纳米材料作为唯一活性成分在制备与交变磁场结合使用的雄性避孕药品中的应用，其特征在于：

所述磁性氧化铁纳米材料是以聚乙二醇为表面配体的磁性Fe₃O₄，磁性氧化铁纳米材料的粒径为50nm；

所述交变磁场的输出电流为25A或30A。