CN1693411A - 一种荧光微球及其喷雾干燥制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光微球及其喷雾干燥制备方法和应用，本发明通过喷雾干燥方法将近红外荧光物质和磁性纳米颗粒包埋到高分子微球中，或者是将金纳米颗粒与磁性纳米颗粒包埋到高分子微球中，成球与包埋一步完成。微球中还可以进一步包埋抗癌药物，微球表面还将连接具有识别功能的生物分子。本发明所获得的微球可通过近红外荧光物质或金纳米颗粒在激发光的激发下所产生的热效应来摧毁肿瘤细胞，或同时利用抗癌药物的毒杀作用和近红外荧光物质或金纳米颗粒产生的热效应来治疗肿瘤。微球中的磁性纳米颗粒可将微球定位或固定于肿瘤部位。本发明获得的微球还可用于生物医学的标记示踪中。

Description

一种荧光微球及其喷雾干燥制备方法和应用

技术领域

本发明涉及的是一种荧光微球及其制备方法，尤其涉及的是一种通过喷雾干燥法制备磁性近红外荧光微球和金微球的方法，以及将获得的荧光微球用于生物医学中的标记示踪、疾病诊断和治疗中，属于纳米技术、化学化工和生物医学的交叉领域。

背景技术

荧光标记示踪技术是生物学领域的支柱技术，能发射荧光的物质除了传统的有机荧光染料分子和金纳米颗粒外，还包括半导体量子点纳米粒子，此外，还有稀土元素化合物。它们不仅可以作为一种荧光标记示踪的探针，还可以用于疾病尤其是肿瘤的治疗中。

自从1998年Nie的研究小组和Alivisators的研究小组相继在《Science》上发表了将量子点作为纳米生物荧光探针使用的具有重要意义的论文以来，量子点在生物医学中的应用在国际上引起了研究者们广泛地关注。量子点在生物医学中的应用，可使人们更深入地了解药物的作用机制、细胞的信号转导、基因芯片中蛋白质之间的相互作用以及肿瘤分子生物学机理等，并可以减少人们对人类基因进行编码的工作量。量子点的量子尺寸效应使其对疾病的诊断与治疗、药学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学以及分子生物学等领域的科学研究产生巨大而深远的影响。

近红外荧光量子点是指在近红外光区发射荧光的半导体纳米微晶，包括由单一半导体材料组成的近红外荧光量子点纳米粒子，以一种半导体纳米粒子为核，另一种无机材料为壳的核-壳型近红外荧光量子点纳米复合粒子，以及近红外荧光量子点量子阱结构的纳米复合粒子等。近红外荧光量子点的光学性质稳定，荧光量子产率高。在近红外光的激发下，近红外荧光量子点发射的近红外荧光所产生的热效应足以杀死肿瘤细胞。

能产生近红外荧光的物质还有近红外荧光有机染料分子，它是生物学上常用的标记示踪材料，包括罗丹明类染料，花箐类染料，方酸箐类染料，噻嗪类和口恶嗪类染料，酞箐类及其络合物染料，BODIPY类染料等。这些近红外有机染料在DNA杂交测序、免疫检测、基因重组检测、肿瘤的早期诊断等方面具有广泛的应用，这些染料分子发射的近红外荧光亦可用于肿瘤的热疗中。

金纳米颗粒是生物学上常用的荧光探针，金纳米粒子在吸收近红外光后本身会发热，可用于肿瘤的热疗。

肿瘤热疗是一种物理疗法，在国内外倍受人们关注。热疗方法的原理是利用正常细胞与癌细胞之间的耐热差别，将癌细胞部位加热到43℃左右而使癌细胞死亡。肿瘤热疗的方法包括组织间射频消融热疗、高能聚焦超声、微波热疗、以及通过全身加热使体温升高到39.5℃～41.5℃维持2～4小时来进行热疗，等。此外，研究表明，可以利用纳米磁性粒子在交变磁场作用下产生的热来杀伤肿瘤。

最近，美国赖斯大学和得克萨斯大学的L.R.Hirsch等研究人员将金纳米颗粒吸附到硅纳米颗粒上，形成以110±10nm的硅为核，10nm厚度的金为壳的核-壳式纳米复合粒子。他们将这种纳米颗粒注入实验鼠肿瘤部位，并采用近红外光进行激发，结果纳米颗粒在吸收近红外光后很快产生热量，在4到6分钟之内，肿瘤就因内部温度过高而致死，而肿瘤周围的健康组织并未受损[L.R.Hirsch，etal.Nanoshell-mediated near-infrared thermal therapy oftumors under magnetic resonace guidance.PNAS，2003，100(23)：13549-13554]。这些研究表明，纳米技术可用于肿瘤的热疗，而且还可能较传统的热疗方法具有更好的优越性。

L.R.Hirsch等人的方法可使肿瘤细胞和组织在很短的时间内就因热而受到遭受到杀伤，而正常细胞和组织可免受伤害，这是纳米技术与生物医学的非常好的结合，对于肿瘤的治疗具有重大意义。然而，L.R.Hirsch等人制备的纳米复合粒子不具备靶向治疗肿瘤的功能。而且，裸露的金属纳米颗粒在体内可能释放金属离子，对生物体产生毒性。

发明内容

针对已有技术存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种荧光微球；

本发明的目的之二在于提供这种荧光微球的制备方法；

本发明的目的之三在于提供这种荧光微球的应用。

本发明的发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种荧光微球，是由高分子、近红外荧光物质和磁性粒子或者由高分子、金纳米颗粒和磁性粒子组成，所述的近红外荧光物质为近红外荧光量子点或近红外荧光的有机分子中的一种，当为近红外荧光量子点或金纳米颗粒时，荧光微球的组成及配比为：磁性粒子0.1～40wt％，近红外荧光量子点或金纳米颗粒1～50wt％，余量为高分子；当为近红外荧光的有机分子时，荧光微球的组成及配比为：磁性粒子0.1～90wt％，近红外荧光的有机分子0.01～5wt％，余量为高分子。以上百分数均为重量百分数。

还可以在高分子、近红外荧光物质和磁性粒子的混合溶液中加入抗癌药物，或者在高分子、金纳米颗粒和磁性粒子的混合溶液中加入抗癌药物。

所述的微球，是以干燥粉末状态保存，或直接分散在水相中，水相中含有增强微球悬浮稳定性的表面活性剂、高分子，这些表面活性剂或高分子的浓度为0.05～5wt％；所述的微球的形状为球形、椭球形、降落伞形或其他不规则形状，粒径为0.5～20μm。

所述的微球，表面修饰有抗体、配体、多肽、细胞因子、核酸或半乳糖中的一种或一种以上的生物分子，它们与微球之间的作用为吸附、化学键合。

本发明所述的近红外荧光物质是指近红外荧光量子点，尤其是指由II-VI族或III-V族元素组成的在近红外区发射荧光的半导体纳米微晶，包括单一半导体材料组成的近红外荧光量子点纳米粒子，如InP，InAs，CdTe，HgS，HgSe，等；以一种半导体纳米粒子为核，另一种无机材料为壳的核-壳型近红外荧光量子点纳米复合粒子，如CdS/HgS，HgS/CdS，CdTe/HgTe，CdSe/HgSe，InAs/ZnSe等；以及近红外荧光量子点量子阱结构的纳米复合粒子如CdSe/HgSe/CdSe，CdS/HgS/CdS等中的任意一种或任意几种的组合。近红外荧光量子点粒度为2～20nm。近红外荧光量子点纳米粒子表面可修饰能增强粒子稳定性或增强粒子亲水性或增强粒子亲油性的分子，如亲水性分子、疏水性分子、表面活性剂等。

所述的近红外荧光物质是指所有能在光的激发下可发射近红外荧光的有机分子，包括罗丹明类染料，花箐类染料，方酸箐类染料，噻嗪类和口恶嗪类染料，酞箐类及其络合物染料，BODIPY类染料等可发射近红外荧光的有机分子中的任意一类中的任意一种或任意几种的组合。

所述的磁性粒子是指磁性氧化铁，尤其是指四氧化三铁和三氧化二铁中的一种，粒度在1nm～50nm之间。磁性粒子表面可修饰能增强粒子稳定性或增强粒子亲水性或增强粒子亲油性的分子，如亲水性分子、疏水性分子、表面活性剂等。

所述的高分子是指天然高分子，半合成高分子和合成高分子中的任意一种或几种的组合。所述的高分子尤其是指人血清白蛋白，牛血清白蛋白，小牛酪蛋白，鸡蛋白，玉米蛋白，淀粉，明胶，阿拉伯胶，海藻酸盐，壳聚糖，甲基纤维素，乙基纤维素，羧甲基纤维素，羧丙甲纤维素，邻苯二甲酸醋酸纤维素，丁醋酸纤维素，琥珀酸醋酸纤维素，聚氨基酸，聚碳酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸乙酯，聚丙烯酸树脂，聚乳酸，聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物，聚合酸酐，乙交酯丙交酯共聚物，ε-己内酯丙交酯嵌段共聚物，羧甲基葡聚糖，聚苯乙烯中的任意一种或任意几种的组合。

本发明的制备方法如下：

本发明将高分子、近红外荧光物质和磁性粒子的混合溶液通过喷雾干燥方法获得微球，形成以近红外荧光物质与磁性粒子为芯材，高分子为骨架的复合粒子。

本发明还将高分子、金纳米颗粒和磁性粒子的混合溶液通过喷雾干燥方法获得微球，形成以金纳米颗粒与磁性粒子为芯材，高分子为骨架的复合粒子。

所述的通过喷雾干燥方法获得微球，混合溶液是通过气流式雾化器、压力式雾化器、旋转式雾化器、超声波雾化器中的任意一种进行雾化成液滴的。待喷雾干燥的混合溶液浓度为0.1～60wt％，进料速度为0.5～100mL·min^-1，进风温度为10～200℃，出风温度由设备自动调节。载气为惰性气体或空气。本发明将通过改变喷雾干燥过程的雾化状况、干燥温度、液滴飞行的速度和喷雾干燥的溶液的种类、溶液的粘度等来控制微球的形貌和粒度分布。喷雾干燥是以水或以有机溶剂为溶剂的，获得球形、椭球形、降落伞形、和其他不规则形状，粒径为0.5～20μm。

所述的通过喷雾干燥方法获得微球，是指喷雾干燥的混合溶液在干燥室内因受热而使溶剂挥发，直接获得不溶于水的微球。或者是通过喷雾干燥获得微球后，进一步通过加热使微球中的高分子(如蛋白质)发生变性，获得不溶于水的微球。或者是指在待喷雾干燥的混合溶液中加入胶联剂，然后喷雾干燥。获得的微球中，同时包埋磁性粒子与近红外荧光物质或同时包埋磁性粒子与金纳米颗粒。

配制喷雾干燥溶液时，可在高分子、近红外荧光物质和磁性粒子的混合溶液中加入抗癌药物，或者在高分子、金纳米颗粒和磁性粒子的混合溶液中加入抗癌药物，然后按上述任一方法进行喷雾干燥。获得的微球可进一步通过加热干燥或冷冻干燥除去微球中残留的溶剂。

所述的微球用于生物或人体内时，对微球进行灭菌，灭菌方式为加热灭菌或热压灭菌或滤过除菌或紫外灯辐照或其他无菌操作中的一种。

所述的微球用于肿瘤的治疗中。利用纳米磁性粒子在磁场的导向下将微球靶向到肿瘤部位或固定在肿瘤部位，在肿瘤部位放置激发光源，通过近红外荧光物质或金纳米颗粒在激发光的激发下所产生的热效应来治疗肿瘤；或同时利用抗癌药物的毒杀作用和近红外荧光物质或金纳米颗粒产生的热效应来治疗肿瘤。所述的微球还用于生物医学的标记示踪研究，如免疫检测、DNA杂交和测序、细胞和组织器官的成像。

本发明将近红外荧光物质和磁性粒子通过喷雾干燥方法包埋于高分子微球中，形成以近红外荧光物质与磁性粒子为芯材，高分子为骨架的复合粒子。本发明还将高分子、金纳米颗粒和磁性粒子的混合溶液通过喷雾干燥方法获得微球，形成以金纳米颗粒与磁性粒子为芯材，高分子为骨架的复合粒子。复合粒子中还可以进一步包埋抗癌药物，表面还可以连接具有识别功能的生物分子。本发明提供的荧光微球具有靶向性治疗、生物相容性好、光学性质稳定等优点，可用于生物医学中的标记示踪以及肿瘤的热疗中。此外，本发明采用的喷雾干燥方法具有微球粒度和形貌易控制、效率高、可批量生产等优点。在生物医学的标记示踪、肿瘤的诊断和热疗中具有广阔的应用前景。

具体实施方式

下面结合具体的实施例进一步说明本发明是如何实现的：

实施例1：

将适量浓度的近红外荧光量子点CdTe、纳米Fe₃O₄以及牛血清白蛋白(BSA)水溶液进行混合，作为喷雾干燥的前驱体溶液。该前驱体溶液中，溶质浓度为30wt％。喷雾干燥时，进料速度为5mL·min^-1，进风温度为60℃，出风温度50±2℃，雾化盘转速为20000r·min^-1。载气为空气。获得的粉末在120℃下继续干燥，使BSA变性。

结果得到干燥的粉末样品，微观形貌为球形，粒度为1～3μm，当前驱体溶液中BSA浓度为1wt％时，获得的是规则的表面较光滑的微球；当前驱体溶液中BSA浓度为20wt％时，部分微球表面有凹陷和孔洞。所有微球均不溶于水，在荧光显微镜下有红色荧光，在试管中，可用磁铁将粉末吸引于试管壁的一侧。此外，通过调整CdTe和Fe₃O₄以及BSA的加入量，可方便地获得含0.1～40wt％磁性粒子、1～50wt％CdTe的BSA微球。

实施例2：

将适量浓度的近红外荧光量子点CdTe、纳米Fe₃O₄以及牛血清白蛋白(BSA)水溶液进行混合，作为喷雾干燥的前驱体溶液。该前驱体溶液中，溶质浓度为60wt％，喷雾干燥时，进料速度为0.5mL·min^-1，进风温度为60℃，出风温度50±2℃，雾化盘转速度为20000r·min^-1。载气为空气。获得的粉末在120℃下继续干燥，使BSA变性。

结果得到粒度为5～20μm的球形粒子，其光学性质，磁学性质以及水溶性等与实施例1的产物相似。

实施例3：

将适量浓度的近红外荧光量子点CdTe、纳米Fe₃O₄以及牛血清白蛋白(BSA)水溶液进行混合，作为喷雾干燥的前驱体溶液。该前驱体溶液中，溶质浓度为0.1wt％，喷雾干燥时，进料速度为100mL·min^-1，进风温度为200℃，雾化盘转速度为20000r·min^-1。载气为空气。

结果得到粒度主要分布在800nm～3μm的粒子，个别粒子仅为500nm。大部分微球表面有凹陷和孔洞，微球不溶于水。其光学性质，磁学性质以及水溶性等亦与实施例1的产物相似。

实施例4：

将金纳米颗粒溶液和Fe₃O₄米颗粒水溶液以及BSA水溶液进行混合，混合液中，溶质浓度为4wt％，其中BSA占3wt％。进料速度为5mL·min^-1，进风温度为100℃，出风温度为85℃，雾化盘转速为20000r·min^-1。收集粉末。

结果表明，获得的产物绝大部分为球形，粒度主要分布在3～10μm，表面不光滑。在试管中，可用磁铁将粉末吸引于试管壁的一侧。在荧光显微镜下，有红色荧光。

实施例5：

将20mL适量浓度的近红外荧光量子点CdTe溶液、20mL适量浓度的纳米Fe₃O₄溶液以及50mL浓度为0.1wt％壳聚糖进行混合，然后加入1mL浓度为0.1wt％的戊二醛或甲醛为交联剂，混合后，进行喷雾干燥，进料速度为5mL·min^-1，进风温度为120℃，出风温度为90~95℃，雾化盘转速为20000r·min^-1。

结果表明，获得的为5～20μm的球形粉末粒子，在试管中，亦可用磁铁将粉末吸引于试管壁的一侧。在荧光显微镜下，有鲜红色荧光。

实施例6：

将适量的近红外荧光量子点CdTe粉末和适量的纳米Fe₃O₄粉末加入到50mL浓度为1wt％乙基纤维素的乙醇溶液中进行混合，超声波处理10分钟，作为喷雾干燥的前驱体溶液。喷雾干燥时进料速度为5mL·min^-1，进风温度为10℃，雾化盘转速为20000r·min^-1。对获得的产物进一步在80℃干燥1h。

结果表明，获得的为十分干燥的粉末，产物绝大部分为球形，少部分为空心粒子，粒度为2～10μm。微球的磁性和荧光与实施例1相似。

实施例7：

以最大发射波长为680nm硅酞菁衍生物(LaJolla Blue)代替实施例1中的CdTe，按实施例3相同的方法制备同时包埋LaJollaBlue和Fe₃O₄的微球。

结果得到的微球的形貌和粒度分布与实施例1接近。有较强的荧光和磁性。

实施例8：

将适量阿霉素、近红外荧光量子点CdTe粉末以及纳米Fe₃O₄粉末加入到50mL浓度为1wt％乙基纤维素的乙醇溶液中进行混合，超声波处理10分钟，然后进行喷雾干燥，进料速度为5mL·min^-1，进风温度为50℃，雾化盘转速为20000r·min^-1。获得的产物再冷冻干燥10h，以除去残留的乙醇。

结果得到淡红色粉末，产物的粒度与形貌与实施例1相似，可用磁铁将粉末吸于试管壁的一侧。在荧光显微镜下，粉末粒子有明亮的红色荧光。

实施例9：

以实施例1制备的同时包埋CdTe和Fe₃O₄的BSA粉末微球为原料，将它们分别分散于含0.2％Tween-80的生理盐水中，记为微球1；另以实施例8制备的同时包埋阿霉素、CdTe和Fe₃O₄的乙基纤维素微球为原料，将它们分别分散于含0.2％Tween-80的生理盐水中，记为微球2。

取Balb/C小鼠20只，体重为20±2g，雌性。在小鼠的左后腿部种上S180细胞，两星期后肿瘤大小约为0.5～1cm。将小鼠随机分5组，每组4只。

对第1组小鼠：剃去小鼠肿瘤部位的体毛，取微球1混悬液0.3mL，进行瘤中注射，在肿瘤上方放置一块圆盘形磁铁，并采用近红外光激发肿瘤部位。

对第2组小鼠：剃去小鼠肿瘤部位的体毛，取微球1混悬液0.3mL，进行瘤中注射，在肿瘤上方放置一块圆盘形磁铁。

对第3组小鼠：剃去小鼠肿瘤部位的体毛，取微球2混悬液0.3mL，进行瘤中注射，在肿瘤上方放置一块直径为1cm的圆盘形磁铁，并采用近红外光激发肿瘤部位。

对第4组小鼠：剃去小鼠肿瘤部位的体毛，取微球2混悬液0.3mL，进行瘤中注射，在肿瘤上方放置一块直径为1cm的圆盘形磁铁。

对第5组小鼠：剃去小鼠肿瘤部位的体毛，然后不经过任何其他处理。

经过7～10的实验，结果发现，相比较第5组小鼠，第1、3、4组小鼠的肿瘤生长明显受到抑制，其中第3组小鼠的肿瘤缩小得最显著。第2组小鼠的肿瘤的生长亦有一定的抑制。

实施例10：

将实施例1制备的同时包埋CdTe和Fe₃O₄的BSA粉末微球分散于去离子水中，然后向其中加入适量半乳糖进行混合，室温下偶联3小时。

结果得到了表面修饰有半乳糖的磁性白蛋白荧光微球，这种微球具有主动和被动双重靶向(或定位)治疗的功能，可用于受体介导的靶向治疗，也可以作为荧光探针用于细胞的识别与分离。

Claims (10)

1、一种荧光微球，是由高分子、近红外荧光物质和磁性粒子或者由高分子、金纳米颗粒和磁性粒子组成，所述的近红外荧光物质为近红外荧光量子点或近红外荧光的有机分子中的一种，当为近红外荧光量子点或金纳米颗粒时，荧光微球的组成及配比为：磁性粒子0.1～40wt％，近红外荧光量子点或金纳米颗粒1～50wt％，余量为高分子；当为近红外荧光的有机分子时，荧光微球的组成及配比为：磁性粒子0.1～90wt％，近红外荧光的有机分子0.01～5wt％，余量为高分子，以上百分数均为重量百分数。

2、根据权利要求1所述的一种荧光微球，其特征在于：在高分子、近红外荧光物质和磁性粒子组成的微球中加入抗癌药物，或者在高分子、金纳米颗粒和磁性粒子的混合溶液中加入抗癌药物。

3、根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的一种荧光微球，其特征在于：所述的微球，是以干燥粉末状态保存，或直接分散在水相中，水相中含有增强微球悬浮稳定性的表面活性剂、高分子，这些表面活性剂或高分子的浓度为0.05～5wt％；所述的微球的形状为球形、椭球形、降落伞形或不规则形状中的一种，粒径为0.5～20μm。

4、根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的一种荧光微球，其特征在于：所述的微球，表面修饰有抗体、配体、多肽、细胞因子、核酸或半乳糖中的一种或一种以上的生物分子，它们与微球之间的作用为吸附、化学键合。

5、根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的一种荧光微球，其特征在于：所述近红外荧光量子点为由II-VI簇或III-V簇元素组成的在近红外区发射荧光的半导体纳米微晶；所述的近红外荧光物质为罗丹明类染料、花箐类染料、方酸箐类染料、噻嗪类和口恶嗪类染料、酞箐类及其络合物染料或BODIPY类染料中的任意一种或一种以上的组合；所述近红外荧光量子点纳米粒子表面修饰有能增强粒子稳定性或增强粒子亲水性或增强粒子亲油性的分子。

6、根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的一种荧光微球，其特征在于：所述的磁性粒子为四氧化三铁或三氧化二铁中的一种，粒度在1nm～50nm之间；磁性粒子表面修饰能增强粒子稳定性或增强粒子亲水性或增强粒子亲油性的分子。

7、根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的一种荧光微球，其特征在于：所述的高分子是指天然高分子，半合成高分子和合成高分子中的任意一种或一种以上的组合。

8、权利要求1-7所述的荧光微球，其制备方法如下：以水或有机溶剂为溶剂，将高分子、近红外荧光物质和磁性粒子的混合溶液或将高分子、金纳米颗粒和磁性粒子的混合溶液通过喷雾干燥方法获得微球，形成以近红外荧光物质或金纳米颗粒与磁性粒子为芯材，高分子为骨架的复合粒子；用于生物或人体内时，对微球进行灭菌；混合溶液通过气流式雾化器、压力式雾化器、旋转式雾化器、超声波雾化器中的任意一种雾化成液滴，待喷雾干燥的混合溶液浓度为0.1～60wt％，进料速度为0.5～100mL·min^-1，进风温度为10～200℃，出风温度由喷雾干燥设备自动调节，载气为惰性气体或空气。

9、权利要求8所述的荧光微球的制备方法，其特征在于：所述的通过喷雾干燥方法获得微球，是指喷雾干燥的混合溶液在干燥室内因受热而使溶剂挥发，直接获得不溶于水的微球；或者混合溶液通过喷雾干燥获得微球后，进一步通过加热使微球中的高分子发生变性，获得不溶于水的微球；或者在待喷雾干燥的混合溶液中加入高分子的胶联剂，然后喷雾干燥，获得不溶于水的微球。

10、根据权利要求1-7所述的荧光微球，用于肿瘤的治疗中或用于生物医学的标记示踪研究中。