CN112133553B

CN112133553B - 一种水基磁流体的连续制备方法

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Publication number: CN112133553B
Application number: CN202011196394.4A
Authority: CN
Inventors: 洪若瑜; 李洪才; 林松
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2021-12-21
Anticipated expiration: 2040-10-30
Also published as: CN112133553A

Abstract

本发明专利公开了一种水基磁流体的连续制备方法，能够制备出稳定性高、成像性能佳以及生物活性优良的具有双信号核磁共振成像效果的四氧化三铁超顺磁性磁流体。所述具有双信号四氧化三铁属于纳米药物领域和核磁成像领域。该磁流体外层被氨基酸化的聚丙烯酸类包覆，内层是球形四氧化三铁纳米粒。本专利所涉及的四氧化三铁具有制备工艺简单、成分明确以及重复性高的优点，同时急性毒性以及长期毒性均在可接受范围内且毒性较低，并且具有良好的水溶性，为临床应用提供一定数据支持。

Description

一种水基磁流体的连续制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料以及药物制剂技术领域，具体涉及一种具有双信号磁成像和连续流制备工艺的超顺磁性四氧化三铁磁流体的制备方法以及磁性能检测。

背景技术

磁成像（Magnetic resonance imaging，MRI）是利用造影剂在组织或者组织液处，由体液或者水溶液中氢质子在外磁场的作用下产生弛豫时间，从而产生成像效果的一种成像检测手段。相较于其他成像手段，如现今广泛应用于临床的电脑断层扫描（CT），荧光光学成像（FOI）、超声成像（US），MRI成像具有明显优势，如：非侵入性，并提供高空间分辨率的组织三维图形且无辐射伤害和穿透深度限制，因此可广泛应用于现今肿瘤早期诊断以及组织深处血管造影成像等，而受到人们青睐。

至今磁成像根据成像信号的不同分为T₁信号和T₂信号，T₂信号造影主要是通过降低横向弛豫时间，使得暗视野更清晰，其对造影剂粒径要求相对较低，但由于是暗视野容易与体液以及钙质化组织产生混淆，同时易受强磁距影响而产生“开放性效应”而造成误诊；而T₁信号主要是降低纵向弛豫时间，来提高亮视野，但其对造影剂要求比较严格，必须是特殊的金属配合物或者粒径较小的磁流体才能产生效应的T₁信号，因此选择合适的造影剂成为磁成像的关键。

自第一代具有T₁信号的钆试剂应用到脑肿瘤处成像至今，发现钆试剂能够在血管内逃逸，并蓄积于脑部以及肾脏处，从而产生一定的肾毒性以及脑毒性，而限制其应用而且钆试剂造价较高且易受机体排斥；其它类型如二价锰金属造影剂因其较差的生物相容性而在应用上产生一定的限制，到目前为止，具有良好造影性能的造影剂仍以钆试剂为主，因此发展新型造影剂已刻不容缓。

以四氧化三铁纳米粒、γ-氧化铁纳米粒为主的第二代造影剂应用而生，因为铁元素电子最外层富含有五个孤电子，能够完美的切合造影剂的要求，而且铁元素作为机体的必需元素之一，不会引起机体产生免疫反应，因此人们希望借助铁氧体纳米粒能够在体内良好代谢的特性以及本身最外层较多的最外层电子来改善第一代造影剂在应用上的不足。至目前为止，以四氧化三铁为主的造影剂既能够产生T₂信号，也能够产生T₁信号，同时也具有同时产生T₁和T₂信号的新型造影剂，但目前基于一种信号的造影剂较多，但单纯的一种成像信号已无法满足临床准确诊断的要求，然而两者兼备的造影剂仍然很少，因此发展双模量造影剂刻不容缓。

本专利阐明了制备一种新型的同时具备T₁和T₂信号的四氧化三铁磁流体连续生产的制备方法，具有制备成本较低、工艺简单的特性，制备的四氧化三铁磁流体展现出良好的稳定性、超顺磁性、磁成像能力以及生物相容性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有造影剂在临床应用暴露出的稳定性差、粒度分布不均、造价高以及生物相容性差的缺点，制备一种新型的同时具备T₁和T₂信号的四氧化三铁磁流体的磁性纳米粒，展现出良好的稳定性、超顺磁性、磁成像能力以及生物相容性，可将之应用于生物医学领域中的MRI，且制备成本较低、工艺简单且能连续生产。

本发明通过“一步法”制备一种水基磁流体，操作制备方法简单，最关键是首次利用这种新合成的配体作为包覆剂，且合成过程连续简单实现量产，合成的磁性流体能够长期且稳定的存在于水相中，同时磁流体展现出较好的磁成像性能以及生物相容性较高。制备的磁流体同时具有T₁和T₂信号，是一种新型的双信号磁流体，长时间保持稳定（超过两个月），不发生团聚，具有较低甚至无细胞毒性，长期使用无持续毒性以及蓄积毒性，甚至不能引起机体免疫反应，高剂量使用时，仍然保持较高的安全性。该制备方法能够持续不断反应、分离纯化以及收集产品，实现量产。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

1）一种以丙烯酸类（丙烯酸、甲基丙烯酸等）和含硫醇的氨基酸（L-半胱氨酸、S-甲基-L-半胱氨酸）为原料，加入作为缩合剂的偶氮二异丁腈，其中生物相容性高的含有硫醇的氨基酸与偶氮二异丁腈的加入比例按照1:1~5:1（mol/mol），含硫醇氨基酸与丙烯酸类比例在1:20-1:200（mol/mol），以乙醇作为反应溶液，在氮气保护下，65~85℃加热回流反应4~6 h，后在脂溶性的低沸点有机溶液析出沉淀如：乙酸乙酯或冰乙醚；过滤干燥得到外包物（1），结构如下所示；

2）将外包物（1），Fe²⁺和Fe³⁺盐为原料，三者按照1:2:1~1:4:2（mol/mol）投料比，以水作为反应溶剂加入50-100 mL，起初用稀盐酸调节pH至4-6，保证原料完全溶解，后升温至90-110℃，用质量浓度为15~25％氨水溶液15-25 mL均匀滴加调节pH为9-11间，反应时间1-5 h，用截留分子量1w纤维柱对反应液透析8-16 h，浓缩即得到磁流体纳米粒。

3）采用连续流反应器对铁盐、外包物（1）以及氨水适当调制比例以及用恒流泵按照一定流速加入，从而达到混合均匀，形成均匀的纳米粒，并在90-110℃反应1-3 h，后在冷凝管中恒速冷却，后经蠕动泵恒速流进纤维柱进行透析纯化，最后收集产品。

本发明借助羧基配位包覆的磁性四氧化三铁流体具有以下特点：1.实现连续流反应，打破现今磁流体生产量较小的缺陷；2.利用高亲水性的原料（1）进行包覆，水溶性良好（a.水中快速溶解，b.水溶液反应时未见明显胶体感，c.高速离心未见沉淀），更稳定；3.利用羧基上的羰基以及羟基进行配位包覆，形成磁流体；4.形成磁流体时，溶液颜色由褐色迅速转化为黑色，易识别；5.含巯基的L-半胱氨酸或S-甲基-L-半胱氨酸作为原料之一，使得生物相容性更高，且铁盐在体内易代谢，无生物毒性和慢毒性，生物活性更加优良。

本发明采用以上技术方案，利用偶氮二异丁腈为缩合剂合成氨基酸化的聚丙烯酸类化合物，然后利用聚合物上富含的羧基进行配位，最终得到高亲水的磁性流体。本专利克服现今市售造影剂存在的生产量较小、生物毒性高的限制以及造影信号单一的缺陷，因此本发明的优点如下：1）体内稳定性更高，因表面被富含羧基的配体包覆，因此水溶性更高；2）制备工艺简单、产率高且重复率较高，同时实现连续反应，克服现今生产量较小的缺陷；3）适宜的粒径，可形成两种成像信号，分别是T₁信号和T₂信号，更有利于应用于实际医学检测成像上；4）生物毒性较低，利用人体内必须的铁元素作为核心，又用氨基酸化的有机层进行包覆，生物毒性更低；5）磁性流体克服现今T₁信号只能在肝脏、脾脏、淋巴以及血管上进行造影的局限，应用范围更加广泛。

本发明相较于之前单纯的丙烯酸类包覆的四氧化三铁纳米粒存在以下优势：1）以生物相容性更好的含巯基的氨基酸修饰的甲基丙烯酸作为外包层，生物毒性更低，另外提供优良的稳定性，在12000 rad/min离心20 min未见任何沉淀，同时在不同盐度以及酸碱度下（pH=2-12）均展现出良好的稳定性；2）直接制备超顺磁性流体，可直接应用，解决再分散带来的二次操作的繁琐过程；3）连续流制备方式，为工业化生产提供新方式，同时突破现今磁流体制备仅有克级生产量的局限以及之前未报到的连续流生产的方式用来扩大反应；4）磁成像方面，极小的超顺磁性磁流体可实现双模量成像解决目前单模量成像容易引起误诊的缺陷，更有利于医院的应用。

本发明所述的一种水基的四氧化三铁磁流体的制备方法，包括以下步骤：

（1）以丙烯酸类和含硫醇的氨基酸为原料，加入作为缩合剂的偶氮二异丁腈，以乙醇作为反应溶液，在氮气保护下，65~85℃加热回流反应4~6 h，将反应后的反应液加入脂溶性的低沸点有机溶液中析出沉淀，过滤干燥得到外包物；

（2）将外包物以水作为溶剂，用稀盐酸调节pH至4-6，调节温度在65~75℃，保证原料完全溶解，得到溶液A；将二价铁盐和三价铁盐溶解在pH为4-6的盐酸溶液中，得到溶液B；最后取质量浓度为25~28％的氨水溶液作为溶液C；

（3）用三个恒流泵分别将溶液A、溶液B和溶液C连续地加入到连续流反应器混合端，并同时进入连续流反应器内，通过流速控制溶液A和溶液B同时用完；

（4）将连续流反应器浸入90-110℃油浴中，缓慢恒速流动，全程保持N₂保护状态，反应1-5 h；

（5）待最先进入连续流反应器液体流出至冷凝器内后，进入连续冷凝阶段，并收集冷凝液，同时连续流反应器内再次加入下一批原料进行连续制备；

（6）用蠕动泵恒速将冷凝液加入到截留分子量1w纤维柱对反应液透析8-16 h；

（7）收集滤液，浓缩即得到磁流体纳米粒。

进一步的，丙烯酸类为丙烯酸、甲基丙烯酸、2-乙基丙烯酸或2-丙基丙烯酸。

进一步的，含硫醇的氨基酸为L-半胱氨酸、S-甲基-L-半胱氨酸。

进一步的，脂溶性的低沸点有机溶液为乙酸乙酯或冰乙醚。

进一步的，步骤（1）中含硫醇的氨基酸与偶氮二异丁腈加入量的摩尔比为1:1-5:1。

进一步的，步骤（1）中含硫醇的氨基酸与丙烯酸类加入量的摩尔比为1:20-1:200。

进一步的，步骤（2）中外包物、二价铁盐和三价铁盐用量的摩尔比为1:2:1-1:4:2。

进一步的，步骤（3）中控制连续流反应器内反应体系的pH为9-11。

所述的磁流体的外层被氨基酸化的聚丙烯酸类包覆，内层是球形四氧化三铁纳米粒。

附图说明

图1为本发明实例制备的磁流体的透射电镜图以及粒径分布图；

图2为本发明实例制备的磁流体的长期稳定性检测图；

图3为本发明实例制备的磁流体的不同Fe浓度的(Ⅰ)纳米磁性流体体外成像:(a)T₁ mapping ;(b)T₂ mapping；

图4为本发明实例制备的磁流体在3.0 T扫描仪的体外成像:(a)T₁纵向弛豫; (b)T₂横向弛豫；

图5为本发明制备的磁流体的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，本领域技术人员将会理解，以下实施例仅为本发明的优选实施例，以便更好地理解本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实例。

实施例1

称取甲基丙烯酸（MAA, 5 g, 58 mmol）、L-半胱氨酸（Cys, 0.07 g, 0.58 mmol）、2,2´-偶氮二异丁腈(AIBN, 0.095 g, 0.58 mmol)加入到含25 mL乙醇溶液的三颈瓶内，氮气保护下，升温至75℃，回流搅拌5 h，反应结束后冷却至室温，将反应液倒入冰乙酸乙酯中，析出大量沉淀，过滤，滤饼真空干燥（45℃），即得产品半胱氨酸化的聚甲基丙烯酸（产率85％）；

¹H-NMR (400 MHz, D₂O): δ 3.63 – 3.29 (m, 2H), 1.96 (s, 30H), 1.12 (d,J = 52.7 Hz, 68H).

FT-IR: 3166-3608 cm^-1 (O-H), 2994 cm^-1,1486 cm^-1(C-H),1705(-C=O), ,1390cm^-1(-CH)₃,1541 cm^-1(N-H),1443 cm^-1(-CH₃),1270 cm^-1(C-N),1178 cm^-1,1043 cm^-1,966cm^-1 (C-O), 800 cm^-1(-(CH)_n).

实施例2

（1）连续流反应器通氮气5min后关闭（排除空气影响），在250mL烧杯中，将2%（mol/mol，L-半胱氨酸：甲基丙烯酸）半胱氨酸化的聚甲基丙烯酸(2.0 g, 0.375 mmol)溶解在50mL pH = 4稀盐酸水溶液中，搅拌至全部溶解备用；

（2）将FeCl₃·6H₂O (0.81 mmol)和FeCl_2·6H₂O(0.41 mmol)用 3mL稀盐酸水溶液（pH = 4）溶解在25mL烧杯中备用，同时取23mL质量浓度为25％的氨水于另一个25mL烧杯备用；

（3）用三个恒流泵将上述三个反应液恒速加入到连续流反应器混合端，并同时进入连续反应器内，控制连续流反应器内反应体系的pH为10，通过流速控制溶液A和溶液B同时用完；

（4）将连续流反应器浸入在100℃油浴中，缓慢恒速流动，全程尽量保持N₂保护状态，反应1 h；

（5）待最先进入反应器液体流出至冷凝器内后，进入连续冷凝阶段，并收集冷凝液，同时连续反应器内再次加入下一批原料进行连续制备；

（6）用蠕动泵恒速将冷凝液加入到截留分子量1w纤维柱对反应液透析12 h；

（7）收集滤液，浓缩即得到连续流制备的磁流体纳米粒（Ⅰ,产率62%），平均粒径为6.2±1.2 nm。

通过连续进行进样，从而完成连续不间断的连续流反应达到扩大反应的目的。

FT-IR: 3250 cm^-1、1633 cm^-1(O-H), 2995 cm^-1(C-H),1697(-C=O),1541 cm^-1(N-H),1443 cm^-1(-CH₃),1250 cm^-1(C-N),1188 cm^-1,966 cm^-1 (C-O), 760 cm^-1(C-S),524cm^-1（Fe-O）.

实施例3

纳米磁流体的静置稳定性采用稳定指数来表示，测定新鲜的以及放置一定时间的纳米磁性流体的密度，稳定指数与放置时间的关系如图2所示。由图可以看出，纳米磁性流体在80天内，稳定性指数不会发生变化，同时采用12000 rad/min离心20min后也未见任何沉淀。最后，在不同酸碱度下（pH=1-14）检测磁流体的持续稳定性（0-60天），60天内，pH在2-12时，未见明显沉淀且粒径未见明显变化。综上：说明制备的纳米磁性流体具有优良的稳定性。

实施例4

分别量取含铁浓度为0~1 mM的水溶液，通过临床型西门子3.0 T磁共振扫描仪对不同浓度磁流体纳米粒（Ⅰ）进行体外T₁和T₂ mapping核磁共振显影，体外成像效果如图3所示。成像结果显示：r₁和r₂值分别为：10.177 mM^-1s^-1和50.123 mM^-1s^-1，r₂/r₁值为：4.925（介于1到8之间，符合双模量成像的条件）,如图4所示。

实施例5

通过MTT法测试制备的纳米磁性流体的细胞毒性。将人乳腺癌细胞MCF-7细胞株接种到96孔板中（200 μL）。加入不同Fe浓度的纳米磁性流体，经过24 h，48 h以及72 h连续培养后，分别测定其细胞存活率。结果显示：在160-2000μg/L的铁含量中，24h细胞存活率均超过95%，72h后，160-625μg/L的铁含量中，细胞存活率亦超过85%，足见磁流体在体外较低的毒性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种水基磁流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（3）用三个恒流泵分别将溶液A、溶液B和溶液C连续地加入到连续流反应器混合端，并同时进入连续流反应器内；

（7）收集滤液，浓缩即得到磁流体纳米粒；

丙烯酸类为丙烯酸、甲基丙烯酸、2-乙基丙烯酸或2-丙基丙烯酸；含硫醇的氨基酸为L-半胱氨酸、S-甲基-L-半胱氨酸；脂溶性的低沸点有机溶液为乙酸乙酯或冰乙醚；步骤（1）中含硫醇的氨基酸与偶氮二异丁腈加入量的摩尔比为1:1-5:1；步骤（1）中含硫醇的氨基酸与丙烯酸类加入量的摩尔比为1:20-1:200；步骤（2）中外包物、二价铁盐和三价铁盐用量的摩尔比为1:2:1-1:4:2；步骤（3）中控制连续流反应器内反应体系的pH为9-11。

2.根据权利要求1所述的制备方法制得的水基磁流体。

3.根据权利要求2所述的水基磁流体，其特征在于：所述的磁流体的外层被氨基酸化的聚丙烯酸类包覆，内层是球形四氧化三铁纳米粒。