CN113069544A - 一种磁性水凝胶器件及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁性水凝胶器件，所述水凝胶器件以水凝胶为主体结构，水凝胶中装有多个磁性纳米颗粒。本发明还公开了上述磁性水凝胶器件的制备方法以及其在神经磁刺激中的应用。本发明的磁性水凝胶器件相比于单独磁性纳米颗粒具有更强的超顺磁性，同时在生物体内不易扩散，不易代谢(延长了磁性材料在生物体内的代谢时间)，能够克服单独磁性纳米颗粒在生物体内易扩散且易代谢的问题，进而进一步提高了磁性纳米颗粒在生物体内的生物磁效应时间，减少了神经调控中频繁注射纳米药物带来的损伤，并且其在发挥电磁效应同时，还能发挥力效应，进而协同提高对神经细胞的离子通道活化能力。

Description

一种磁性水凝胶器件及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种磁性水凝胶器件，还涉及上述磁性水凝胶器件的制备方法以及其在神经磁刺激中的应用。

背景技术

近些年，磁性纳米颗粒被广泛应用于生物医学领域。磁性纳米颗粒在磁场的作用下可以产生独特的生物磁效应，其已被用于神经调控，肿瘤靶向造影，肿瘤治疗等生物医学领域。目前已有报道使用磁性氧化铁纳米颗粒注射到特定神经核团结合外磁场作用进行神经调控，但是磁性纳米颗粒在生物体内易扩散且容易代谢而影响治疗的精准度和时效性，而反复给药又会带来创伤和感染风险。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中使用磁性纳米颗粒进行神经调控过程中存在的磁性纳米颗粒在生物体内易扩散且容易代谢导致影响治疗效果的问题，提供一种磁性水凝胶器件。

本发明还提供上述磁性水凝胶器件的制备方法以及其在神经磁刺激中的应用。

技术方案：本发明所述的磁性水凝胶器件，所述水凝胶器件以水凝胶为主体结构，水凝胶中装有多个磁性纳米颗粒。

其中，所述水凝胶器件呈球状，球状水凝胶器件的粒径为100～200μm。

其中，所述磁性纳米颗粒为外部包裹有聚葡萄糖山梨醇羧甲醚的三氧化二铁纳米颗粒。

上述磁性水凝胶器件的制备方法，包括如下步骤：

(1)配制前驱液：将海藻酸钠加入水中，在室温下剧烈搅拌溶解形成质量分数为2.5～4％的母液；将母液(海藻酸钠溶液-利用具有粘性的海藻酸钠溶胶与重金属盐交联反应形成凝胶网络)与磁性纳米颗粒溶液混合，并往混合液中加入去离子水剧烈搅拌，配制成前驱液；前驱液中，海藻酸钠的质量分数为1.8～2％，磁性纳米颗粒的浓度1-4mg/mL；海藻酸钠浓度太高，导致溶液粘度太高，微球不容易成型，毛细管也容易堵塞，浓度太低，形成的球粒径不均匀；

(2)配制接收液：往质量分数为2～3％的氯化钙溶液中加入无水乙醇(无水乙醇用于调节接收液的密度，使微球下沉)，形成接收液；其中，氯化钙溶液与无水乙醇的混合体积比为3：1～2：1；

(3)制备磁性水凝胶器件：在培养皿中倒入接收液，并将具有单通道的微流控芯片固定在培养皿上方，使微流控芯片的玻璃出口竖直向下；用注射器吸取配制好的前驱液(磁性纳米颗粒/海藻酸钠混合液)，利用注射泵将前驱液注入微流控芯片入口的金属针尖内；将高压电源的正极连接在微流控芯片入口的金属针尖上，负极与培养皿内接收液连接；启动注射泵，推进速度为30-31μL/min，打开高压电源，电压幅值为10-12kV，通过静电作用，磁性纳米颗粒/海藻酸钠混合液喷入接收液中形成微球，交联反应并静置后，用纯水洗涤微球，最后将微球保存在水溶液中备用。水凝胶中磁性纳米颗粒的含量，按铁元素质量计为5.1～10ng。

其中，步骤(1)中，磁性纳米颗粒溶液中磁性纳米颗粒的浓度为23～23.5mg/mL(按铁元素质量计)。

其中，步骤(3)中，所述微流控芯片采用金属制平口针头作为微流控芯片入口，微流控芯片内的流道为毛细玻璃管，微流控芯片用树脂密封针头出口与流道入口；流道尾端内径逐渐变窄(流道尾端内径逐渐变窄能够提高出口的压力)。

其中，针头内流体流动方向与流道内流体流动方向相互垂直。

上述磁性水凝胶器件在神经磁刺激中的应用。

其中，将磁性水凝胶器件分散于注射液中，通过脑定位将注射液注射到特定的神经核团，外加旋转磁场对磁性水凝胶器件进行遥控，磁性水凝胶器件在磁场下产生电和力的效应。

其中，所述旋转磁场的磁场强度＜0.5T，产生的为0.5～30Hz的脉冲序列磁场。

本发明的磁性水凝胶器件相比于单独磁性纳米颗粒具有更强的超顺磁性的原因为：溶胶在高压电场作用下从毛细管被拉扯到接受液中形成凝胶，氧化铁纳米颗粒在凝胶网络内形成团簇结构。在电场作用下，由于磁性纳米颗粒偶极之间的协同耦合作用，磁性纳米颗粒排列相比游离的磁性纳米颗粒更加有序，因此磁性纳米颗粒偶极作用增强，进而磁性增强，同时磁性纳米颗粒有序排列还会使材料具有更高的磁化强度。因此本发明的磁性水凝胶器件中的铁元素具有更强的磁性。同时氧化铁纳米颗粒被束缚在水凝胶中，减少了向外部的扩散，同时海藻酸钠在人体的代谢周期长，因此本发明水凝胶器件可以使磁性纳米颗粒在体内贮存的时间更长。

有益效果：本发明的磁性水凝胶器件相比于单独磁性纳米颗粒具有更强的超顺磁性，同时在生物体内不易扩散，不易代谢(延长了磁性材料在生物体内的代谢时间)，能够克服单独磁性纳米颗粒在生物体内易扩散且易代谢的问题，进而进一步提高了磁性纳米颗粒在生物体内的生物磁效应时间，减少了神经调控中频繁注射纳米药物带来的损伤，并且在发挥电磁效应同时，还能发挥力效应，进而协同提高对神经细胞的离子通道活化能力。本发明制备方法能够制备出结构均一、球状的磁性水凝胶器件。

附图说明

图1为本发明使用的微流控芯片结构图；

图2为本发明制备磁性水凝胶器件的设备结构图；

图3为本发明制得的磁性水凝胶器件的显微镜图；

图4为本发明制得的磁性水凝胶器件与纳米氧化铁的磁滞回线图；

图5为c-Fos蛋白阳性细胞的计数统计图；

图6为氧化铁纳米颗粒注射到神经核团的随时间的核磁共振图像。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

本发明磁性水凝胶器件的制备方法，包括如下步骤：

(1)配制前驱液：将海藻酸钠加入水中，在室温下剧烈搅拌溶解形成质量分数为2.5％的母液；将母液(海藻酸钠溶液)与磁性纳米颗粒的浓度为23mg/mL(按铁元素质量计)的磁性纳米颗粒溶液混合，并往混合液中加入去离子水剧烈搅拌，配制成前驱液；前驱液中，海藻酸钠的质量分数为2％，磁性纳米颗粒的浓度1mg/mL；

(2)配制接收液：往质量分数为2％的氯化钙溶液中加入无水乙醇，形成接收液；其中，氯化钙溶液与无水乙醇的混合体积比为2：1；

(3)制备磁性水凝胶器件：在培养皿中倒入10mL接收液，并将具有单通道的微流控芯片固定在培养皿上方，使微流控芯片的出口竖直向下，出口平面距离培养皿液面高度为6cm；用注射器吸取2mL配制好的前驱液(磁性纳米颗粒/海藻酸钠混合液)，将注射器放置在注射泵上，并用塑料软管将注射器出口与微流控芯片针尖入口连接，将高压电源的正极连接在微流控芯片入口的金属针尖上，负极与培养皿内接收液连接；启动注射泵，推进速度为30μL/min，打开高压电源，电压幅值为10kV，通过静电作用，磁性纳米颗粒/海藻酸钠混合液喷入接收液中形成微球，交联反应并静置1h后，用纯水洗涤微球5次即可，将微球保存在水溶液中备用，如图2所示；

其中，如图1所示，本发明使用的微流控芯片采用金属制平口针头作为微流控芯片入口，微流控芯片内的流道为毛细玻璃管，微流控芯片用树脂密封针头出口与流道入口；流道尾端内径逐渐变窄，出口处内径80μm，外径220μm；其中，针头内流体流动方向与流道内流体流动方向相互垂直。

实施例2

本发明磁性水凝胶器件的制备方法，包括如下步骤：

(1)配制前驱液：将海藻酸钠加入水中，在室温下剧烈搅拌溶解形成质量分数为4％的母液；将母液(海藻酸钠溶液)与磁性纳米颗粒的浓度为23.5mg/mL(按铁元素质量计)的磁性纳米颗粒溶液混合，并往混合液中加入去离子水剧烈搅拌，配制成前驱液；前驱液中，海藻酸钠的质量分数为1.8％，磁性纳米颗粒的浓度1mg/mL；

(2)配制接收液：往质量分数为2％的氯化钙溶液中加入无水乙醇，形成接收液；其中，氯化钙溶液与无水乙醇的混合体积比为3：1；

(3)制备磁性水凝胶器件：在培养皿中倒入10mL接收液，并将具有单通道的微流控芯片固定在培养皿上方，使微流控芯片的出口竖直向下，出口平面距离培养皿液面高度为6cm；用注射器吸取2mL配制好的前驱液(磁性纳米颗粒/海藻酸钠混合液)，将注射器放置在注射泵上，并用塑料软管将注射器出口与微流控芯片针尖入口连接，将高压电源的正极连接在微流控芯片入口的金属针尖上，负极与培养皿内接收液连接；启动注射泵，推进速度为30μL/min，打开高压电源，电压幅值为10kV，通过静电作用，磁性纳米颗粒/海藻酸钠混合液喷入接收液中形成微球，交联反应并静置1h后，用纯水洗涤微球5次即可，将微球保存在水溶液中备用。

如图3所示，本发明制得的磁性水凝胶器件具有较为均一和规则的球型，平均粒径为114.6±5.8μm。

如图4所示，本发明制得的磁性水凝胶器件中磁性纳米颗粒的磁滞回线，铁的饱和磁化强度为111emu/g,比单独的磁性纳米颗粒磁性更强(单独磁性纳米颗粒饱和磁强度为65emu/g)，从而水凝胶中的氧化铁显示出更强的磁性，这是由于水凝胶内的氧化铁纳米颗粒被束缚在凝胶网络中，相互之间耦合作用更强，因此显示出更强的磁性。将本发明磁性水凝胶器件注射到特定核团，运用器件对磁场的响应，作用一定磁场强度和频率的旋转磁场，器件可以通过物理作用(球型结构对神经细胞的撞击作用)以及电磁作用达到精准刺激神经的目的，从而进行精准的神经调控。

将实施例1制得的磁性水凝胶器件与磁性纳米颗粒分别介导神经磁刺激：

将氧化铁纳米颗粒(计铁元素质量0.5μg)注射到小鼠的左背外侧前额叶，对注射部位施加旋转磁场(10Hz，磁场峰值100mT)，每天刺激5分钟，连续刺激五天，c-Fos蛋白(神经元激活的特定生物标志物)的表达量显著增加，从初始状态(刺激前)的32提高到98，增加了三倍，说明磁性纳米颗粒介导的神经磁刺激可以活化神经元。将本发明制得的5个磁性水凝胶器件(计铁元素质量25.5ng)注射到小鼠的左背外侧前额叶，施加旋转磁场(10Hz，磁场峰值100mT)，每天刺激5分钟，连续刺激五天，c-Fos蛋白(神经元激活的特定生物标志物)的表达量显著增加，从一开始的32达到95，和使用0.5μg铁元素质量的氧化铁纳米颗粒相当，说明将氧化铁纳米颗粒制备成水凝胶器件，一方面能够将氧化铁纳米颗粒聚集，减少磁性纳米颗粒在体内的扩散，同时水凝胶内磁性纳米颗粒相互之间耦合作用更强，能够显示出更强的磁性；另一方面，球状水凝胶器件不仅能够利用电磁效应对神经元激活，而且还能通过撞击作用对神经元激活，进而大大提高神经活化效率，因此注射本发明的水凝胶器件，只需要少量的铁元素质量，c-Fos阳性细胞数量就可以达到注射0.5μg氧化铁纳米颗粒时产生的c-Fos阳性细胞数量。

另外，磁性纳米颗粒在注射到小鼠核团存在代谢的问题。如图6所示，将磁性纳米颗粒注射到小鼠的室旁核，前两周可以以较高浓度存在，在两周后逐渐减少，四周左右已经大部分代谢，说明磁性纳米颗粒在脑部代谢较快。而制备成水凝胶器件后，有效束缚磁性纳米颗粒，减少了磁性纳米颗粒在生物体内的扩散和代谢，能够显著提高磁性纳米颗粒生物体内的滞留时间，滞留时间可达至少3个月，从而减少了多次注射带来的繁琐和风险。

Claims (10)

1.一种磁性水凝胶器件，其特征在于：所述水凝胶器件以水凝胶为主体结构，水凝胶中装有多个磁性纳米颗粒。

2.根据权利要求1所述的磁性水凝胶器件，其特征在于：所述水凝胶器件呈球状，球状水凝胶器件的粒径为100～200μm。

3.根据权利要求1所述的磁性水凝胶器件，其特征在于：所述磁性纳米颗粒为外部包裹有聚葡萄糖山梨醇羧甲醚的三氧化二铁纳米颗粒。

4.权利要求1所述的磁性水凝胶器件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)配制前驱液：将海藻酸钠加入水中，在室温下剧烈搅拌溶解形成质量分数为2.5～4％的母液；将母液与磁性纳米颗粒溶液混合，并往混合液中加入去离子水剧烈搅拌，配制成前驱液；前驱液中，海藻酸钠的质量分数为1.8～2％，磁性纳米颗粒的浓度1-4mg/mL；

(2)配制接收液：往质量分数为2～3％的氯化钙溶液中加入无水乙醇，形成接收液；其中，氯化钙溶液与无水乙醇的混合体积比为3：1～2：1；

(3)制备磁性水凝胶器件：在培养皿中倒入接收液，并将具有单通道的微流控芯片固定在培养皿上方，使微流控芯片的玻璃出口竖直向下；用注射器吸取配制好的前驱液，利用注射泵将前驱液注入微流控芯片入口的金属针尖内；将高压电源的正极连接在微流控芯片入口的金属针尖上，负极与培养皿内接收液连接；启动注射泵，推进速度为30-31μL/min，打开高压电源，电压幅值为10-12kV，通过静电作用，前驱液喷入接收液中形成微球，交联反应并静置后，用纯水洗涤微球，最后将微球保存在水溶液中备用。

5.根据权利要求4所述的磁性水凝胶器件的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，磁性纳米颗粒溶液中磁性纳米颗粒的浓度为23～23.5mg/mL。

6.根据权利要求4所述的磁性水凝胶器件的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述微流控芯片采用金属制平口针头作为微流控芯片入口，微流控芯片内的流道为毛细玻璃管，微流控芯片用树脂密封针头出口与流道入口；流道尾端内径逐渐变窄。

7.根据权利要求6所述的磁性水凝胶器件的制备方法，其特征在于：针头内流体流动方向与流道内流体流动方向相互垂直。

8.权利要求1所述的磁性水凝胶器件在神经磁刺激中的应用。

9.根据权利要求8所述的磁性水凝胶器件在神经磁刺激中的应用，其特征在于：将磁性水凝胶器件分散于注射液中，通过脑定位将注射液注射到特定的神经核团，外加旋转磁场对磁性水凝胶器件进行遥控，磁性水凝胶器件在磁场下产生电磁效应和力效应。

10.根据权利要求9所述的磁性水凝胶器件在神经磁刺激中的应用，其特征在于：所述旋转磁场的磁场强度＜0.5T，产生的为0.5～30Hz的脉冲序列磁场。

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