CN1712488A - 肿瘤磁致热疗用纳米发热剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
肿瘤磁致热疗用纳米发热剂的制备方法是一种用于肿瘤磁致热疗的功能材料的制备方法，该方法包括三个连续的步骤：1)采用湿化学共沉淀方法来制备Fe3O4纳米粒子，通过控制反应物比例和增加反应体系的体积来控制Fe3O4纳米粒子的尺寸，产物通过磁分离洗涤3－4次后，用水稀释成2－4g/l水基Fe3O4磁性液体；2)然后在90－100℃、pH＝2－3、搅拌条件下通入空气进行氧化处理4－5h，形成水基γ－Fe2O3磁性液体；3)冷却后按总铁量的5－10％加入谷氨酸进行表面修饰，保持pH＝3±0.1条件下搅拌4－5h，磁分离洗涤3－4次后，得稳定的水基γ－Fe2O3/Glu磁性液体即纳米发热剂，根据需要定溶成不同的浓度0－20g/l。
Description
技术领域
本发明是一种用于肿瘤磁致热疗的功能材料的制备方法，属于生物与医学纳米材料制造的技术领域。
背景技术
磁致热疗法是一种正在发展的有前途的肿瘤治疗手段，它是借助分布到肿瘤组织中的磁性材料(发热剂)在外加交变磁场中的升温效应来达到治疗目的，是肿瘤热疗的一种。一般要求磁性材料能转化外加交变磁场的能量使肿瘤组织升温到42-47℃，从而杀死肿瘤细胞。由于纳米磁性颗粒易于分散和给药，并且比微米或更大尺寸微球吸收更多磁场能量，可以降低对外加交变磁场输出功率的要求，或者降低给药量，因而得到了广泛研究和极大重视，特别对于我国肝癌患者占全世界相关肿瘤的最高比例，以及江苏苏北一些地区为高发区的事实来看，这项技术的发展无疑具有非常重要的社会意义，将为推动我国生命关怀事业的进步作出贡献。
就国内的发展情况来看，除了研发用来提供交变磁场的相关医疗设备，在大量进行细胞和动物实验的基础上进一步推进临床试验和应用外，大力发展稳定性和升温效果更好的具有自主知识产权的纳米磁性材料相关产品，研发相关生产工艺，具有非常重要的意义。这不仅是为了提高疗效、降低给药量，而且是为了使我国在这个领域的研究与开发快速占据一席之地，拥有自己的知识产权，推动产业化的发展。
肿瘤磁致热疗对磁性纳米材料(以磁性液体的形式使用，即纳米发热剂)的性能要求主要包括升温效果、稳定性和生物兼容性三个方面。升温效果主要取决于使用的外交变磁场的频率和强度、以及使用的磁性材料的性能(如材料种类、浓度和粒子尺寸大小等)。提高外交变磁场的频率和强度能有效改善升温效果，但是以增加设备设计制造难度和成本为代价，并且过高的磁场频率和强度将对人体带来危害，存在一个使用安全性的限制，一般要求磁场频率在100-200kHz和强度在15kA/m以下，这就对如何通过提升磁性材料性能来达到更好的升温效果提出了挑战。由于生物兼容性的要求，选择的材料种类受到很大限制，一般选择氧化铁类，其毒性低，而且可以通过合适的尺寸、形状和表面控制以达到治疗效果的要求。我们的理论研究和大量实验结果表明通过对氧化铁磁性纳米粒子进行尺寸选择和优化可以在很大程度上提高其升温效果和治疗效果。研究表明在氧化铁磁性纳米粒子直径在50nm以上时升温效果随着增加粒子尺寸而降低，但是在50nm以下的尺寸范围内，升温效果随着增加粒子尺寸而提高，因此需要选择50nm以下的较大尺寸的粒子。但是，较大尺寸的颗粒由于磁偶极相互作用易于聚集而难于形成稳定的磁性液体，因此选择15-30nm直径的Fe3O4纳米粒子通过氧化、酸化和表面修饰处理可形成稳定的磁性液体，同时又能很好地满足升温的要求。对于小于15nm的氧化铁颗粒，则升温效果不够理想。这样，通过尺寸选择，就避免了目前包括德国、俄罗斯、日本等国在内的使用较小尺寸的氧化铁(一般小于15nm)通过较高的磁场频率或强度以满足升温要求的局限。另外，从目前国内外研究情况来看，使用常温下湿化学共沉淀方法一般只能获得小于20nm的氧化铁粒子，可能是因为他们使用的反应体系较小并且没有注意到反应体系体积的影响。我们发现增加反应体系的体积，并结合反应物比例的调节，可以突破这个尺寸上限，并且还满足了批量制备的要求。
发明内容
技术问题：针对肿瘤磁致热疗对所需纳米发热剂升温效果、稳定性和生物兼容性的要求，提出了一种肿瘤磁致热疗用纳米发热剂的制备方法，通过尺寸优化制备、氧化酸化处理和表面修饰加以综合解决的方案，以期提高磁性液体肿瘤热疗技术的治疗效果。
技术方案：本发明以磁性液体肿瘤热疗应用为背景，通过尺寸优化制备、氧化酸化处理和表面修饰来提升肿瘤磁致热疗用氧化铁磁性纳米发热剂的使用性能。
肿瘤磁热疗用氧化铁磁性纳米发热剂制备包括三个连续的步骤：1).采用湿化学共沉淀方法来制备Fe3O4纳米粒子，通过控制反应物比例和增加反应体系的体积来控制Fe3O4纳米粒子的尺寸，产物通过磁分离洗涤3-4次后，用水稀释成2-4g/l水基Fe3O4磁性液体；2).然后在90-100℃、pH＝2-3、搅拌条件下通入空气进行氧化处理4-5h，形成水基γ-Fe2O3磁性液体；3).冷却后按总铁量的5-10％加入谷氨酸进行表面修饰，保持pH＝3+0.1条件下搅拌4-5h，磁分离洗涤3-4次后，得稳定的水基γ-Fe2O3/Glu磁性液体即纳米发热剂，根据需要定溶成不同的浓度0-20g/l。
氧化铁纳米粒子的尺寸控制方法：
(1)采用湿化学共沉淀方法来制备Fe3O4纳米粒子时，将质量浓度为2.5％氨水溶液加入到搅拌条件下的FeCl3和FeSO4混合溶液中，直至pH＝9时停止加入氨水，继续搅拌1h后停止反应，整个反应过程通氮气进行保护。此步骤中，可通过控制FeCl3和FeSO4的比例来控制得到Fe3O4纳米粒子的尺寸，随着减小Fe3+/Fe2+比例从1.8到1.3，粒子尺寸增加；另外，随着增加反应体系的体积，得到的Fe3O4纳米粒子的尺寸增加。综合调节这两个因素，可控制得到的Fe3O4纳米粒子尺寸在8-40nm范围内可调。
(2)降低氧化过程(步骤2)的pH，酸溶过程也能在一定程度上减小粒子尺寸。
考虑到批量制备和磁性液体稳定性和升温效果的要求，选择50升反应釜、Fe3+/Fe2+＝1.4-1.7、氧化pH＝2-3的制备条件，可得到15-30nm范围内不同尺寸的γ-Fe2O3纳米粒子。这个尺寸的磁性纳米粒子不仅具有很好的升温效果(特异性能量吸收率SAR＞100W/g of Fe)，而且通过氧化、酸化和表面修饰后可满足医用稳定性的要求。
本发明提出了一种通过尺寸优化制备、氧化酸化处理和表面修饰综合提高γ-Fe2O3磁性纳米发热剂升温效果和稳定性的制备方法，为提高肿瘤热疗效果提供了保证。
创新性地提出了一种通过尺寸选择与优化提高磁性纳米发热剂升温效果的方法，从而降低了对交变磁场发生设备频率和强度的要求，减小了设备制造难度和成本，从而可在对人体安全的磁场频率和强度条件下实现对肿瘤的热疗。一个优化的氧化铁纳米粒子尺寸范围是15-30nm。
制备工艺上，通过增加反应体系的体积，并结合反应物比例的调节，突破了以往常温共沉淀法获得氧化铁纳米粒子的尺寸上限，获得了20nm以上的氧化铁纳米粒子，提高了升温效果，并且还满足了批量制备的要求。
酸性条件下氧化处理降低了纳米颗粒的磁性，从而降低了粒子间的磁偶极相互作用，增加了粒子在水中的稳定性，但是氧化前后粒子尺寸和升温效果基本不变(氧化时pH＞2.7)。这个条件下，粒子表面质子化，所带正电荷增加，也增加了粒子稳定性。
酸性条件下用谷氨酸对氧化铁纳米粒子表面进行修饰，不仅增加了粒子稳定性，而且在粒子表面引入了功能性基团，便于进一步连接生物功能性分子。
有益效果：
(1)提出了一种通过尺寸优化制备、氧化处理、酸化和表面修饰综合提高γ-Fe2O3磁性纳米发热剂升温效果和稳定性的制备方法。生产工艺简单，设备投资少，易于实现不同表面修饰的产品的系列化研发。
(2)氧化铁材料和表面修饰分子谷氨酸满足生物安全性要求。
(3)通过增加反应体系的体积，并结合反应物比例的调节，突破了以往常温共沉淀法获得氧化铁纳米粒子的尺寸上限，获得了20nm以上的氧化铁纳米粒子，提高了升温效果，并且还满足了批量制备的要求。产物优异的升温效果降低了对交变磁场发生设备频率和强度的要求，减小了设备制造难度和成本，从而可在对人体安全的磁场频率和强度条件下实现对肿瘤的热疗。
(4)酸性条件下氧化处理降低了纳米颗粒的磁性，从而降低了粒子间的磁偶极相互作用，增加了粒子在水中的稳定性，但是氧化前后粒子尺寸和升温效果基本不变(氧化时pH＞2.7)。这个条件下，粒子表面质子化，所带正电荷增加，也增加了粒子稳定性。
(5)酸性条件下用谷氨酸对氧化铁纳米粒子表面进行修饰，不仅增加了粒子稳定性，而且在粒子表面引入了功能性基团，便于进一步连接生物功能性分子。
附图说明
图1是稳定的γ-Fe2O3/Glu水基磁性纳米发热剂的制备流程。
具体实施方式
步骤(1)：
采用湿化学共沉淀方法来制备Fe3O4纳米粒子，反应在1升烧杯或5升烧杯或50升高速搅拌反应釜中进行，反应原料FeCl3和FeSO4按Fe3+/Fe2+＝1.4-1.7之间某一比例混合并加入烧杯或反应釜中，搅拌条件下将2.5％氨水溶液通过加料漏斗加入到烧杯或反应釜中与铁盐进行化学反应，直至pH＝9时停止加入氨水，继续搅拌1h后停止反应，整个反应过程通氮气进行保护。
步骤(2)：
制备得到的Fe3O4纳米粒子，通过磁分离洗涤3-4次后，用水稀释成2-4g/l水基Fe3O4磁性液体，然后在90-100℃、pH＝2-3、搅拌条件下通入空气进行氧化处理4-5h，形成水基γ-Fe2O3磁性液体。
步骤(3)：
氧化得到的水基γ-Fe2O3磁性液体冷却后，按总铁量的5％或7％或10％加入谷氨酸进行表面修饰，保持pH＝3±0.1条件下搅拌4-5h，磁分离洗涤3-4次后，得到稳定的水基γ-Fe2O3/Glu磁性液体，即纳米发热剂，可根据需要定溶成不同的浓度(0-20g/l)。得到的γ-Fe2O3纳米粒子尺寸在15-30nm之间，具有很好的升温效果(特异性能量吸收率SAR＞100W/g of Fe)，稳定性满足医用要求。
对于步骤1，当共沉淀反应进行在1升烧杯中，当Fe3+/Fe2+取不同的比例(1.41，1.50，1.67)，对应得到的Fe3O4纳米粒子直径分别为16.0±4.1nm，15.3±3.2nm和14.5±2.6nm；
当共沉淀反应进行在5升烧杯中，当Fe3+/Fe2+取不同的比例(1.41，1.50，1.67)，对应得到的Fe3O4纳米粒子直径分别为21.4±6.3nm，17.3±3.4nm和15.1±2.8nm；
当共沉淀反应进行在50升反应釜中，当Fe3+/Fe2+取不同的比例(1.41，1.50，1.67)，对应得到的Fe3O4纳米粒子直径分别为28.5±4.6，27.5±4.3nm，18.2±3.7nm。
对于步骤3，增加表面修饰分子谷氨酸的加入量，对进一步增加最终得到的γ-Fe2O3/Glu纳米粒子的稳定性贡献较小，考虑到成本问题，可选择低量使用。
Claims (2)
1、一种肿瘤磁致热疗用纳米发热剂的制备方法，其特征在于制备的方法包括三个连续的步骤：
1).采用湿化学共沉淀方法来制备Fe3O4纳米粒子，通过控制反应物比例和增加反应体系的体积来控制Fe3O4纳米粒子的尺寸，产物通过磁分离洗涤3-4次后，用水稀释成2-4g/l水基Fe3O4磁性液体；
2).然后在90-100℃、pH＝2-3、搅拌条件下通入空气进行氧化处理4-5h，形成水基γ-Fe2O3磁性液体；
3).冷却后按总铁量的5-10％加入谷氨酸进行表面修饰，保持pH＝3±0.1条件下搅拌4-5h，磁分离洗涤3-4次后，得稳定的水基γ-Fe2O3/Glu磁性液体即纳米发热剂，根据需要定溶成不同的浓度0-20g/l。
2、根据权利要求1所述的肿瘤磁致热疗用纳米发热剂的制备方法，其特征在于Fe3O4纳米粒子的尺寸控制方法为：采用湿化学共沉淀方法来制备Fe3O4纳米粒子时，将质量浓度为2.5％氨水溶液加入到搅拌条件下的FeCl3和FeSO4混合溶液中，直至pH＝9时停止加入氨水，继续搅拌1h后停止反应，整个反应过程通氮气进行保护；此步骤中，通过控制FeCl3和FeSO4的比例来控制得到Fe3O4纳米粒子的尺寸，随着减小Fe3+/Fe2+比例从1.8到1.3，粒子尺寸增加；另外，随着增加反应体系的体积，得到的Fe3O4纳米粒子的尺寸增加。综合调节这两个因素，可控制得到的Fe3O4纳米粒子尺寸在15-30nm范围内可调。
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| CN100372908C (zh) | 2008-03-05 |
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