DE68920778T2

DE68920778T2 - Magnetisch anziehbare Teilchen und Herstellungsverfahren.

Info

Publication number: DE68920778T2
Application number: DE68920778T
Authority: DE
Inventors: Robert Edward Burrell; Gerard Flynn; Paul Groves; Jean Victor Sang
Original assignee: Anagen Ltd
Current assignee: Alfa Wasserman SpA
Priority date: 1988-05-24
Filing date: 1989-05-23
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2009-05-24
Also published as: EP0343934B1; DE68920778D1; EP0343934A3; JP2757964B2; ATE117829T1; US5662824A; JPH0238318A; EP0343934A2; ES2066851T3; US5039559A; GR3015732T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von magnetisch anziehbaren Teilchen zur Verwendung bei biologischen Trennungen. Für solche Produkte besteht ein Absatzmarkt.

Hintergrund der Erfindung

Eine Vielzahl von Techniken ist für die Herstellung von keramischen Teilchen entwickelt worden, welche die Präzipitation eines Vorläufers des Pulvers aus einer wässrigen Lösung umfassen, die die gewünschten Kationen der kermaischen Teilchen enthalten. In vielen dieser Techniken wird die Lösung mit einem Reagenz gemischt, das die Kationen zu leicht reduzierbaren Verbindungen, wie Hydroxide, Carbonate, Oxalate etc., präzipitiert. Die Präzipitate werden von der Flüssigkeit abgetrennt und gesintert, um sie zum jeweiligen Oxid zu reduzieren. Eine besonders vorteilhafte Technik für die Entwicklung keramischer Teilchen in Mikrometer-Größe oder kleiner, ist in der am 19. August 1987 eingereichten, anhängigen, kanadischen Patentanmeldung Serien Nummer 544868-9 (EP-A- 0304243) beschrieben. Einer der beiden Erfinder ist auch der Miterfinder dieser Anmeldung.
Andere Techniken zur Herstellung keramischer Pulver werden in FR-A- 2,054,131 beschrieben. In der Patentschrift ist das Emulgieren einer wässrigen Lösung der metallischen Salze beschrieben, die die keramischen Teilchen bilden. Die Emulsion wird behandelt, um die Flüssigkeit zu entfernen und um die resultierende feste Phase zur Herstellung der keramischen Teilchen zu kalzinieren. Große Aufmerksamkeit ist auch der Entwicklung von Teilchen in Mikrometergröße zur Anwendung bei biologischen Verfahren geschenkt worden. Von besonderem Interesse ist die Entwicklung von magnetischen Teilchen, die agglomeriert oder individuell mit Material beschichtet sind, an dem biologische Substanzen haften können. Beispiele für die Verwendung magnetischer Teilchen in dieser Art und Weise sind beschrieben in US-A- 3,330,693; 4,152,210 und 4,343,901. Ferner ist in EP-A- 176,638 (veröffentlicht am 9. April 1986) die Verwendung von magnetischen Teilchen zur Immobilisierung von biologischen Proteinen beschrieben. Mehrere dieser Patentschriften erwägen die Beschichtung des magnetischen Kerns mit einem polymeren Material oder die Agglomeration mehrerer Teilchen in einem geeigneten Polymer wie es in der Patenschrift US-A- 4,343,901 beschrieben ist.
Die Verwendung von magnetischen Material im biologischen Bereich nimmt anhaltend zu, wodurch sich das Verlangen nach hochwertigerem Material vergrößert. In Betracht gezogen wird zum Beispiel die Verwendung solcher Teilchen für die Immobilisierung von Enzymen oder Antikörpern. Die Trennung von solchem Material von anderen nicht magnetischen Feststoffen unter Verwendung eines magnetischen Feldes, erlaubt Trennungen und Konzentrierungen, welche andernfalls schwierig oder sogar unmöglich durchzuführen sind. Abgesehen von der ermöglichten Trennung des Trägers von den suspendierten Stoffen in der Prozeßflüssigkeit, erlaubt die Leichtigkeit und die Kraft der magnetischen Sammlung die Verwendung von sehr kleinen Träger-Teilchen. Dies erlaubt die Verwendung von nicht porösen Teilchen, die trotzdem noch eine angemessene spezifische Fläche für Enzyme oder Antikörper aufweisen. Ein anderer Vorteil von solchen magnetischen Materialien ist ihre mögliche Verwendung in einem magnetisch stabilisierten Fließbett, wodurch sich weitere Optionen bei kontinuierlichen Reaktionssystemen bieten.
In den erwähnten Patentschriften ist eine Vielzahl von magnetischen Materialien, einschließlich Eisen, Nickel, Kobalt und ihrer Oxide genauso wie zusammengesetzte Materialien wie Ferrite, zur Präperation von magnetischen Träger-Matrizen verwendet worden. Jedoch haben solche Träger einige Nachteile. Erstens können Metallionen von unbeschichtetem Metall oder von Metall-Oxid-Oberflächen irreversibel einige Enzyme inhibieren, besonders wenn das Enzym direkt an der Metalloberfläche angeheftet ist. Es sind Verfahren ausgearbeitet worden, um das Enzym mit Hilfe von intermediären vernetzenden Agenzien an das anorganische Material anzuheften und/oder um das magnetische Material mit organischen Beschichtungen gemäß US-A- 4,152,210 zu beschichten.
Zur Beschichtung von magnetischen Material ist auch eine anorganische Beschichtung vorgeschlagen worden. In der Patentschrift US-A- 4343901 ist eine magnetische Träger- Matrix beschrieben, die ein poröses hochschmelzendes Oxid umfaßt, das im Inneren Teilchen aus ferromagnetischen Material von etwa 0,05 Mikrometer bis etwa 0,5 Mikrometer enthält. Das anorganische Oxid ist mit einem Polyamin imprägniert, das mit einem Überschuß eines bifunktionellen Reagenz vernetzt ist, um es mit funktionellen Gruppen auszustatten. Das hochschmelzende anorganische Oxid, welches durch eine Sol- Gel-Technik erhalten werden kann, wird vor der Verwendung kalziniert. Ferro-magnetische Materialien oberhalb einer Größe von 0,05 Mikrometer sind nicht superparamagnetisch und zeigen deswegen einen permanent zurückbleibenden Magnetismus. Überdies erscheint die vorgeschlagende Beschichtung nicht kontinuierlich zu sein. Darausfolgt, daß ein Verlust der Enzymaktivität nicht verhindert werden kann.
Beschichtete magnetische Teilchen sind auch für verschiedene andere Verwendungen vorgeschlagen worden. In der Patentschrift GB-A- 2064502 ist ein Verfahren zur Herstellung beschichteter magnetischer Teilchen für die Verwendung als Ionen-Austausch- Harz, Filtrierhilfsmittel oder Absorbenzmittel beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein Chrom-Hydrogel auf magnetische Teilchen präzipitiert, welche aufgrund eines Durchmessers von 0,05 bis 5 Mikrometer nicht superparamagnetisch sind. Der Gewichtsanteil der magnetischen Teilchen unter den beschichteten magnetischen Teilchen ist wenigstens 50 %, im allgemeinen 90 bis 98 %.

Zusammenfassung der Erfindung

Einerseits liefert diese Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von magnetisch anziehbaren Teilchen unter Verwendung von:
a) einer Vorläufer-Salz-Lösung oder eines Vorläufer-Sols oder einer Vorläufer Dispersion eines magnetischen Materials;
b) einer Vorläufer-Salz-Lösung oder eines Vorläufer-Sols eines beschichteten anorganischen Oxids; und
c) einer mit dem in a) und b) verwendeten wäßrigen Lösungsmittel nicht mischbaren inerten Flüssigkeit,
umfassend das Emulgieren von a) und b), entweder gemeinsam oder getrennt, in c), Überführung der Tröpfchen der Emulsion in ein Gel und Erwärmen der resultierenden Gel- Tröpfchen zur Bildung magnetisch anziehbarer Teilchen, die magnetisches Material umfassen, das von dem beschichtenden anorganischen Oxid umhüllt ist.
Andererseits liefert die vorliegende Erfindung in Wasser dispergierbare, magnetisch anziehbare Teilchen, die eine Menge von feinteiligem, superparamagnetischen Material oder "soft" magnetischen Material oder "low-Curie point" magnetischen Material, eingehüllt in ein anorganisches Oxid oder hydratisiertes Oxid -gebildet durch eine Gel- Technik-, umfassen. Diese Teilchen können durch Anlegen eines magnetischen Feldes leicht aus der Dispersion gebracht werden und lassen sich nach Aufheben des magnetischen Feldes leicht wieder disperdieren.
Andererseits liefert die Erfindung ein beschichtetes ferri-magnetisches Teilchen mit einem Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 100 Mikrometer, umfassend einen abgegrenzten Kern aus magnetischen Material, beschichtet mit einem Metalloxid ausgewählt aus der Gruppe Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, TiO&sub2;, ZrO&sub2;, Hydroxyapatit und deren Gemischen, wobei das Beschichtungsgewicht bei 1 bis 95 % des Kern-Gewichtes liegt und eine kontinuierliche Beschichtung über die gesamte Oberfläche des Kerns vorliegt, die einen Kontakt des Kerns mit umgebenden Medien verhindert.

detaillierte Beschreibung der Erfindung

Komponente a) ist eine Vorläufer-Salz-Lösung oder eine Vorläufer-Dispersion eines magnetischen Materials. Eine Vorläufer-Salz-Lösung kann ein Gemisch von Salzen sein, das im richtigen Verhältnis ausgewählt, nach Erhitzen zu dem gewünschten magnetischen Material führt.
Das magnetische Material kann entweder solches sein, welches superparamagnetische Teilchen bildet, oder eines das aus "soft" magnetischen Material oder aus "low Curie point" magnetischen Material besteht. Superparamagnetismus ist gekennzeichnet duch das Fehlen irgendeines meßbaren permanenten Magnetismus. Superparamagnetismus wird typischerweise gezeigt von magnetischen Teilchen mit einer Größe kleiner als etwa 30 nm. Superparamagnetische Materialien sind kommerziell erhältlich oder können leicht nach bekannten Methoden hergestellt werden. "Soft" magnetische Materialien sind solche, die schnell auf Änderungen des magnetischen Feldes reagieren und sind charakterisiert durch einen niedrigen permanenten Magnetismus. "Soft" magnetische Materialien beeinhalten eine Vielzahl von sogenannten Ferriten, wie Nickel-Zink-Ferrit. Teilchen, die entweder superparamagnetisches oder "soft" magnetisches Material beinhalten, haben den großen Vorteil, daß sie nicht nur bei Anlegen eines magnetischen Feldes leicht aus der Dispersion gebracht werden können, sondern daß sie auch nach Aufheben des magnetischen Feldes leicht wieder dispergiert werden können. Auch Teilchen mit magnetischen Kernen, die eine niedrige Curie-Temperatur haben, können nach Aufheben des magnetischen Feldes leicht wieder dispergiert werden, indem sie auf eine solche Temperatur erwärmt werden, die höher ist als die, bei der permanenter Magnetismus verloren geht. Es gibt viele magnetische Materialien mit niedrigen Curie-Temperaturen, wie Aluminiumoxid-substituierte Nickel- Ferrite, z. B. Nickel-Eisen(II)-Aluminate (NiFe2-2x Al2x O&sub4;), welche bei X=0,8 eine Curie-Temperatur unter 100ºC haben.
Komponente b) kann von einer Vielzahl von anorganischen Oxiden oder hydratisierten Oxiden gebildet werden, die Al&sub2;O&sub3;, TiO&sub2;, ZrO&sub2;, Cr&sub2;O&sub3;, Fe&sub2;O&sub3;, CeO&sub2;, In&sub2;O&sub3;, Ga&sub2;O&sub3;, SiO&sub2; oder deren Gemische oder Zusammensetzungen wie Hydroxyapatit einschließen. Diese werden vorzugsweise aus wässrigen, kolloidalen Dispersionen (Solen) abgeleitet, aber sie können auch organischen Ursprungs sein, z.B. hergeleitet von Metall- Alkoxiden.
Kolloidale Sole können nach bekannten Prozessierungstechniken entwickelt werden. Zum Beispiel kann eine Lösung des Metallsalzes mit wässrigen Ammoniak neutralisiert, gealtert und sodann mit Salpetersäure, auf einen pH von etwa 2 eingestellt, zur Bildung von Kolloiden peptisiert werden, die eine Teilchengröße von etwa 10-50 nm haben. Das kolloidale- oder Alkoxid-Ausgangs-Sol kann ferner verschiedene andere Komponenten z.B. wasserlösliche Salze enthalten, um die gewünschten Zusammensetzungen und Eigenschaften zu erreichen. Zum Beispiel können die Zusammensetzungen biokompatible Gläser oder Hydroxyapatite enthalten. Sol-Gemische können ebenso benutzt werden, um die verlangten Zusammensetzungseigenschaften zu erreichen. Ferner können reaktive Spezies inkorporiert werden, um Oberflächenstellen für nachfolgende Bindung an biologischen Komponenten, wie z. B. Enzyme oder deren Substrate zu liefern. Oberflächenaktive Agenzien können eingeschlossen werden, um gutgeformte Gel-Teilchen zu erzielen.
In einer anderen Methode kann eine Metall-Salz-Lösung anstelle des Sols verwendet werden.
Diese Methoden erlauben einen hohen Grad der Kontrolle über die Chemie der resultierenden Teilchen. Zum Beispiel ist gefunden worden, daß die Verwendung von Solen oder Lösungen auf der Basis von ZrO&sub2; oder TiO&sub2; zu Teilchen führt, die hohe Resistenz gegen Abbau und Auslaugen des umhüllten Materials haben. Ferner ist gefunden worden, daß die Verwendung von Solen oder Lösungen auf der Basis von SiO&sub2; oder Fe&sub2;O&sub3; zu Teilchen führt, die geringere Resistenz gegen Abbau und Auslaugen zeigen; die aber zahlreiche reaktive Stellen für die Bindung von Molekülen von biologischem Interesse haben. Die Verwendung von gemischten Solen und Lösungen kann zu Teilchen führen, die die gewünschte Kombination von Beständigkeit vor Abbau und Auslaugen sowie die biologisch reaktionsfähigen Stellen haben. Das Einverleiben eines Pulvers wie eines hochschmelzenden Metalloxids in das Sol oder die Lösung kann nützlich sein, um die spezifische Oberfläche der Teilchen zu erhöhen und so die Anzahl der verfügbaren Stellen zur Bindung von Molekülen von biologischem Interesse zu erhöhen. Das nicht magnetische hochschmelzende Oxid Material für diese Verwendung kann typischerweise eine Teilchengröße von 0,1 bis 10 Mikrometer (aber immer kleiner als die Größe der in Wasser dispergierten Teilchen) haben, und kann in einem Verhältnis von bis zu 40 Gew.% vorhanden sein.
Komponente c) ist eine mit dem in a) und b) verwendeten Lösungsmitteln nicht mischbare inerte Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit, deren Natur von nicht entscheidener Bedeutung ist, wird als kontinuierliche Phase einer Emulsion verwendet. Beispiele für geeignete Flüssigkeiten schließen chlorierte Hydrocarbone wie 1,1,1-Trichlorethan und Paraffinöl sowie Hydrocarbone wie Hexan, Heptan, Octan und Toluol mit ein. Die Methodik der Herstellung von Emulsionen ist ebenso wie die Auswahl einer geeigneten inerten Flüssigkeit bekannt.
Der erste Schritt des Verfahrens umfaßt das Emulgieren von Komponente a) und b) in c). In einer Ausführungsform wird feinteiliges magnetisches Material, in Form einer gefällten oder wässrigen Dispersion, in der Lösung oder dem Sol b) dispergiert und das resultierende Gemisch wird dann in der nicht mischbaren Flüssigkeit c) emulgiert. In einer anderen Ausführungsform werden die Komponenten a) und b) separat in Komponente c) entweder zur gleichen Zeit oder zu unterschiedlichen Zeiten, wie nachfolgend beschrieben, emulgiert.
Die Emulsion der Teilchen wird aufgebaut, um Tröpfchen der ausgewählten Größe, die kleiner als 100 Mikrometer und vorzugsweise kleiner als 5 Mikrometer sein kann, zu produzieren. Zur Förderung des Aufbaus der Emulsion wird vorzugsweise ein geeignetes Tensid eingesetzt. Tenside geben der Emulsion auch Stabilität, sobald sich die gewünschte Tröpfchengröße entwickelt hat. Tenside werden oft durch den hydrophilen-lipophilen- Balance (HLB) Wert klassifiziert. HLB-Werte werden empirisch bestimmt und liegen in der Regel zwischen 1 und 40. Tenside mit niedrigen HLB-Werten (d. h. kleiner als 10) werden als hydrophobe Emulgatoren zur Bildung von Wasser in Öl Emulsionen angesehen. Daher werden für den Aufbau einer Emulsion geeignete hydrophobe Emulgatoren wie Sorbitan Monooleat oder Span 80 (ICI, UK) benutzt, die einen HLB-Wert unter 10 haben.
Die Lösungen für diese Technik können z. B. unter Verwendung von destiliertem Wasser der erforderlichen Reinheit, die ein Einbringen von unerwünschten Kationen verhindert, hergestellt werden, wobei die gewünschten Kationen in Form geeigneter wasserlöslicher Salze (z. B. Nitrate, Carbonate, Acetate etc.) zugesetzt werden. Die Fraktion der Lösung kann theoretisch so hoch wie 74 Vol. % sein, was dem theoretisch maximalem Volumen entspricht, daß von dicht gepackten, einheitlichen, kugelförmigen Teilchen eingenommen werden kann. In der Praxis wird es vorgezogen geringere Fraktionen von ungefähr 30 bis 50 Vol.% zu verwenden, da höhere Konzentrationen eine Verformung der kugelförmigen Gestalt der dispergierten Phase zur Folge haben, die zu uneinheitlicher Größe der resultierenden beschichteten Teilchen führt.
Der nächste Schritt umfaßt die Behandlung der gebildeten Emulsion mit einem geeigneten Reaktionspartner, um die zuvor gebildeten Tröpfchen in ein Gel umzuwandeln. Dies wird gewöhnlich durch eine Änderung des pH-Wertes erreicht. Solch eine Änderung des pH-Wertes sollte ohne Bruch der Emulsion stattfinden, damit die Einheitlichkeit und Getrenntheit der gebildeten Tröpfchen erhalten bleibt. Solch eine Änderung des pH-Werte kann durch Einleiten von Ammoniak in die Emulsion oder durch Einleiten von Ammonium- Hydroxid oder eines flüssigen Amins wie Ethanolamin oder Hexamethylendiamin in die Emulsion erreicht werden. Andere geeignete Gase, welche durch die Lösung geleitet werden können, beinhalten CO&sub2;.
Das Ziel dieses Aspekts des Verfahrens ist, die in dem vorstehenden Prozeßschritt gebildeten Teilchen zu beschichten. Abhängig davon, wann die Beschichtungskomposition zu dem obenerwähnten Schritten hinzugegeben wird, kann eine Variation der Größe und der Form der Teilchen erreicht werden.
Gemäß eines Aspektes des Verfahrens können die kolloidalen Teilchen des Beschichtungsmetalloxids zu der wässrigen Lösung der Salze der Metallionen von Komponente a) vor der Bildung der Emulsion hinzugegeben werden. In diesem Fall stabilisieren die fein dispergierten Feststoffe, die zu der Salz-Lösung zugegeben werden, die Emulsion. Daher können sehr feine Teilchen in der Größenordnung von 1 Mikrometer erhalten werden. Dieses Phänomen der Stabilisierung von Emulsionen durch fein dispergierte Feststoffe ist bekannt. In dieser Situation kann die Oberfläche der Kolloide durch kontrollierte Adsorption von einigen oberflächenaktiven Agenzien wie Natriumdodecylsulfat (HLB größer als 10), welche die Teilchen hydrophob und daher bevorzugt benetzungsfähig durch die Öl-Phase machen, modifiziert werden.
Das Beschichtungsmaterial b) kann auch auf einer späteren Stufe hinzugegeben werden. In diesem Fall kann das Beschichtungsmaterial in Form von Kolloiden, suspendiert in einer wässrigen Lösung, oder in Form von einer wässrigen Lösung eingesetzt werden, die die jeweiligen Kationen oder Gemische der Kationen enthält. Die Benetzung der Emulsions-Tröpfchen durch solche Beschichtungen wird bevorzugt, bei denen hydrophile Tröpfchenoberflächen entstehen. Dies wird durch Zugabe eines Tensids mit einem hohen HLB-Wert, wie aliphatische Polyether wie Antarox CO 530TM mit einem HLB-Wert von 10,8 oder G1045 mit einem HLB-Wert von 11,5 oder Tween 80 mit einem HLB-Wert von 15 oder auch durch Gemische von Tensiden wie Tween 80 oder Span 80, die den geeigneten HLB-Wert (bevorzugterweise zwischen 11 und 14) ergeben, erreicht. ("Tween" und "Span" sind registrierte Warenzeichen von ICI.) Die Dispersion der Emulsions- Tröpfchen in der Beschichtungslösung wird durch einen Emulgator erreicht. Eine derartige Emulsionsbildung erzeugt eine Vielfach-Emulsion, d. h. eine Wasser in Öl in Wasser Emulsion, die gewöhnlich als w/o/w Emulsion bezeichnet wird. Es wurde gefunden, daß solch eine Vielfach-Emulsion stabiler und daher die Beschichtung einheitlicher war, wenn (i) die Emulsions-Tröpfchen durch Verdrängungs-Waschungen mit der Öl-Phase gewaschen wurden. Solche Waschungen waren erforderlich, um die überschüssige Menge von Micellen, gebildet im ersten Schritt des Emulgierens, zu entfernen, wobei (ii) die Menge des bei den Emulsions-Tröpfchen zurückbleibenden Öls minimal war.
Die Beschichtungsdicke kann durch Re-Emulgieren der Dispersion zur Herstellung einer zweiten Emulsion unter Verwendung des vorgenannten Tensids, Sorbitan Monooleat, in dem nicht mischbaren Lösungsmittel wie n-Heptan, eingestellt werden.
Nachdem das beschichtende Material in Form einer Lösung hinzugegeben ist, kann gemäß eines anderen Aspektes der Herstellung die zweite Emulsion mit einem geeigneten Reaktionspartner -wie zuvor dargelegt- reagieren, um die beschichteten keramischen Teilchen zu präzipitieren.
Bei biologischen Anwendungen ist es aufgrund der winzigen Partikel notwendig, daß jedes Teilchen vollständig mit dem inerten Metalloxid beschichtet ist, um Kontaminationen des biologischen Mediums mit dem inneren, potentiell toxischen Kern, der normalerweise irgendeine Art von magnetischer Eigenschaft hat, zu vermeiden.
Die Gel-Teilchen können auf üblicherweise Weise entwässert und danach aus der Emulsion wiedergewonnen werden. Gegebenenfalls werden die Gel-Teilchen zur Umwandlung zum Oxid oder hydratisiertem Oxid erhitzt. Dies kann typischerweise eine Erhitzung auf 250 bis 2000ºC sein. Die resultierenden Teilchen haben typischerweise einen Durchmesser von 0,1 bis 100 Mikrometer und umfassen magnetisches Material, das von einer Metalloxid-Beschichtung umhüllt ist, wobei das Gewichtsverhältnis von magnetischen Material zu Beschichtung 1:99 bis 95:5 beträgt. Die Teilchen können unregelmäßig sein; sind aber häufig kugelförmig. Verschiedene Herstellungsverfahren führen zu Teilchen, die unterschiedliche Charakteristika aufweisen:
-- Verfahren, bei denen zuerst das Dispergieren des ferromagnetischen Materials in einem wässrigen Sol eines beschichtenden, anorganischen Oxids erfolgt. Die Teilchen haben typischerweise einen Gehalt an magnetischen Material von unter 50 Gew.%, z. B von 1 bis 40 Gew. %. Sie sind typischerweise kugelförmig mit einer Durchschnittsgröße von 0,5 bis 10 Mikrometer. Sie umfassen eine Menge von feinteiligem magnetischen Material, das mit der Beschichtung umhüllt ist. Es ist erwartet worden, daß das magnetische Material gleichmäßig durch die Teilchen hindurch, mit einem signifikanten Anteil an der Oberfläche, der für Reagenzien zugänglich ist, verteilt sein würde. Es ist überraschenderweise gefunden worden, daß dies nicht der Fall ist. Das ferromagnetische Material ist im wesentlichen umhüllt, und wenig oder gar kein Material -typischerweise weniger als 10%- ist an der Oberfläche zugänglich. Dies ist sogar so, wenn Schritte durchgeführt werden, die die Teilchen bis zu einem gewissen Grad porös machen. Es ist ein Vorteil, daß das ferromagnetische Material so gut von den biologischen Prozessen isoliert ist, die an den Teilchen stattfinden.
-- Verfahren, bei denen eine wässrige Lösung des Vorläufers des magnetischen Materials in der in Wasser nicht mischbaren Flüssigkeit emulgiert wird. Die Teilchen umfassen einen abgegrenzten Kern von magnetischem Material, der mit einem Metalloxid beschichtet ist, wobei typischerweise die Beschichtung 5 bis 50 Gew. % des Kerns beträgt. Die neuen Teilchen haben im allgemeinen einen Durchmesser im Bereich von 5 Mikrometer und weniger; insbesondere im Bereich von 0,1 bis 2 Mikrometer. Diese können eine etwas irreguläre oder eine kugelförmige Gestalt haben.
Die magnetisch anziehbaren Teilchen dieser Erfindung können mit biologischen oder organischen Molekülen mit Affinität oder Adsorptionsfahigkeit für bestimmte andere biologische oder organische Moleküle gekoppelt werden. Teilchen, die so gekoppelt sind, können in einer Vielzahl von in vitro oder in vivo Systemen verwendet werden, die Trennungsschritte oder direkte Bewegung des gekoppelten Moleküls zu spezifischen Stellen erfordern. Eingeschlossene, aber nicht auf diese begrenzte, Anwendungen sind immunologische Assays, andere biochemische Assays, biochemische oder enzymatische Reaktionen, Affinitätschromatographie, Zellsortierung und diagnostische sowie therapeutische Methoden.
Diese Teilchen können als Träger für immobilisierte Enzyme, Antikörper, Antigene oder andere bioaktive Materialien verwendet werden. Die gegenwärtige Praxis, zum Beispiel bei der technischen Produktion von Lactose-freier Milch, ist, das Enzym β- Galaktosidase der Milch in einem konventionellen "stir band"-Reaktor zuzugeben und danach die spezifische Reaktion ablaufen zu lassen. Im Anschluß daran wird die Milch pasteurisiert, wobei das Enzym zerstört wird. Wenn andererseits das Enzym auf einem erfindungsgemäßem, magnetischen Teilchen immobilisiert wird, kann es durch magnetische Trennung zurückgewonnen und wiederverwendet werden. Das Verfahren dieser Erfindung ermöglicht die Herstellung beschichteter Teilchen, die Kerne einer Ferrit-Zusammensetzung haben, welche wenig oder keine Neigung haben, einen Restmagnetismus zu behalten. Somit hat irgendeine Wiederverwendung keine Teilchen-Aggregation zur Folge, welche direkt mit dem eisenhaltigen Material, zur Erhaltung der magnetischen Eigenschaften der ferrimagnetischen Zusammensetzung, verbunden ist. Die Verwendung dieser magnetischen Teilchen in solch einem Verfahren verbessert signifikant die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Andere Überlegungen beinhalten neue Therapien, welche für die Behandlung von Krankheiten wie Kindheits-Leukämie entwickelt worden sind. Gegenwärtige Behandlungsversuche umfassen die Verwendung von mit Magnetit imprägnierten Polystyrol-Perlen, welche mit biologisch-aktiven Substanzen beschichtet sind.
Diese biologischen Materialien erkennen spezifisch Leukämie-Zellen und binden an deren Oberfläche. Sie erlauben die Trennung von kranken und gesunden Zellen. Die gesunden Zellen können dann dem Patienten wieder zugeführt werden, nachdem alle verbleibenden Knochenmarkszellen durch aggressive Chemotherapeutika zerstört worden sind. Das Problem bei der existierenden Technologie ist, daß die magnetischen Teilchen, die gegenwärtig bei dieser Art der Therapie verwendet werden, ziemlich groß (d.h. im Bereich von 5 und mehr Mikrometer) sind. Kleinere Teilchen dieser Zusammensetzung sind wegen Oberflächen-Rauheit uneffektiv. Andererseits sind die beschichteten keramischen Teilchen dieser Erfindung glatt und klein, d. h. in der Größe von 1 bis 2 Mikrometer, und überwinden die Probleme der größeren, rauheren, magnetischen, imprägnierten Perlen für diese Anwendung.
Die erfindungsgemäßen Teilchen sind ferner für diagnostische Tests geeignet. Zum Beispiel umfaßt die Untersuchung von Blut gewöhnlich mehrere Zentrifugationsschritte, um die verschiedenen Fraktionen, die aus Zellen, Blutplättchen, Serum und Plasma bestehen, zu trennen. Falls magnetische Teilchen, beschichtet mit dem passenden immobilisierten, biologisch-aktiven Material, verwendet werden, können praktisch alle Zentrifugationsschritte eliminiert und somit schnelle, automatische Geräte zur Blutdiagnostik entwickelt werden. Dies würde zu bedeutend niedrigeren Diagnosekosten und zu einem Ansteigen der Testgeschwindigkeit führen.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Unter Rühren wurden 49,5 g FeCl&sub2; x 4H&sub2;O in 250 ml und 202,4 g Fe(NO&sub3;)&sub3; x 9H&sub2;O in 50 ml destilliertes Wasser gegeben. Die Lösungen wurden vereinigt und in 4,2 l wässriges NH&sub3; eingetragen, um das hydrierte Fe&sub3;O&sub4; zu präzipitieren, welches zur Entfernung von allem Salz mit Wasser gewaschen wurde. Der Verlauf der Waschschritte wurde durch Messung der Leitfähigkeit des Überstandes verfolgt und als ausreichend betrachtet, wenn die Leitfähigkeit < 1 mmho betrug. Die Zentrifugation des Präzipitats ergab 86 g, und es wurde durch gravimetrische Analyse gezeigt, daß sie 25 w/o Fe&sub3;O&sub4; enthalten.
73 g der erhaltenen Fe&sub3;O&sub4; Paste wurden unter Verwendung eines Mischers mit großen Scherkräften (high shear mixer) in 54 ml 370 gl&supmin;¹ ZrO&sub2; Sol dispergiert, wobei 100 ml destilliertes Wasser zur Verminderung der Viskosität auf ein annehmbares Niveau erforderlich waren. 50 ml dieses Gemisches wurden zu 150 ml eines nicht mischbaren organischen Lösungsmittels gegeben, das ein Tensid ( 2,8 w/o Span 80 /Genklene- Genklene ist ein eingetragenes Warenzeichen von ICI) enthält. Dann wurden unter Verwendung des Mischers mit großen Scherkräften das Gemisch zu Tröpfchen von Mikrometergröße dispergiert. Nach 1 Minute wurde NH&sub3; Gas eingeleitet, um die Mikrokugeln in ein Gel umzuwandeln. Die Teilchen wurden dann entwässert und bei 400ºC kalziniert.
Die erhaltenen Teilchen wurden magnetischen Feldern in der Größenordnung von + 10000 Oe bis -10000 Oe ausgesetzt. Der größte Magnetisierungsgrad der Teilchen war 37 e.m.u. pro Gramm. Eine graphische Darstellung wurde angefertigt, in der die Magnetisierung (ausgedrückt als Teil der maximal möglichen) gegen das angelegte magnetische Feld aufgetragen wurde. Die graphische Darstellung zeigte eine einzelne Linie, die durch den Ursprung läuft; keine Hysteresis-Schleifen wurden beobachtet. Dieses zeigt, daß die Teilchen superparamagnetisch sind und daß sie keine Magnetisierung zurückbehalten, wenn das magnetische Feld aufgehoben wird.
Wie aus den Ergebnissen im vorhergehenden Abschnitt vorhergesagt, wurden diese Teilchen durch Anlegen eines magnetischen Feldes leicht aus der wässrigen Dispersion gebracht und wurden nach Aufheben des magnetischen Feldes wieder leicht dispergiert.
Auslaugtests, die durch Mischen der Teilchen für 14 Stunden in einem auf pH 3 bzw. pH 11 eingestelltem, wässrigem Medium durchgeführt wurden, zeigten Eisen- Konzentrationen von 720 ppm bzw. 0 ppm (dies entspricht einer Auslaugung von 4% bzw. 0% des im magnetischen Kern enthaltenen Eisens). Solche Konzentrationen sind signifikant niedriger als solche, die bei kommerziell erhältlichen magnetischen Teilchen gefunden wurden, z. B. 4000 ppm bzw. 3 ppm.

Beispiel 2

Zirkoniumoxid beschichtete magnetische Teilchen

Gemäß Beispiel 1 wurden Teilchen mit 10%, 25%, 50% und 90% Fe&sub3;O&sub4; hergestellt. Die rasterelektronenmikroskopischen Bilder der Querschnitte der Teilchen zeigten folgendes:
- Bei 10% und 25 % Gehalt bildete die Menge von feinteiligem Fe&sub3;O&sub4; einen ziemlich dichten Kern, der vollständig von dem Oxid umhüllt ist, wobei kein magnetisches Material an der Teilchenoberfläche zu entdecken ist.
- Bei 50% Gehalt bildete die Menge von feinteiligem Fe&sub3;O&sub4; einen viel loseren Kern, der aber dennoch eine umgebende Schicht des Oxids hat, wobei wenig oder kein magnetisches Material an der Teilchenoberfläche erkennbar ist.
- Bei 90% Gehalt war die Menge von feinteiligem Fe&sub3;O&sub4; im Zentrum des Teilchens konzentriert, aber ein nennenswerter Anteil wurde an der Oberfläche gefunden.
Die Bestimmung der Porengröße bestätigte, daß bei 50% Gehalt der Anteil von Fe&sub3;O&sub4; auf der Teilchenoberfläche unbedeutend war.

Beispiel 3

ZrO&sub2;/TiO&sub2;/Fe&sub3;O&sub4; Gemisch.

3 g eines gemäß GB 1412937 (1975) hergestellten ZrO&sub2; Sols (Oxid-Äquivalent) wurden mit 4g TiO&sub2; Pulver (Forschungspulver von Tioxide Ltd.) einer Nenngröße von 0,4 Mikrometer für 5 Minuten in dem Mischer mit großen Scherkräften gemischt. 3 g eines feuchten, hydratisierten Fe&sub3;O&sub4; Pulvers wurden durch übliche Kopräzipitation hergestellt, nachfolgend hinzugefügt und das Gemisch wurde für weitere 5 Minuten in dem Mischer gemischt. Das Gesamtvolumen betrug 40 ml.
Das Gemisch wurde zu 150 ml Genklene (1,1,1,- Trichlorethan) / 1 % Sorbitanmonooleat (Span 80) gegeben und die Emulsion 15 Minuten bei 8500 u.p.m. in dem Mischer mit großen Scherkräften gemischt. Die kugelförmigen Teilchen wurden nachfolgend mit Ammoniak (NH&sub3;) Gas vollständig in ein Gel umgewandelt. Die Teilchen wurden entwässert und bei 400ºC kalziniert.
Das Produkt bestand aus Kügelchen eines ZrO&sub2;/TiO&sub2; Gemisches mit einem magnetischen Kern. Der typische Größenbereich war 2-3 Mikrometer, bei ausgezeichneter kugelförmiger Beschaffenheit, geringer Größenverteilung und guter mechanischer Stabilität der Teilchen.

Beispiel 4

TiO&sub2;/TiO&sub2;/Fe&sub3;O&sub4; Gemisch.

Die Herstellung erfolgte gemäß Beispiel 3 unter Verwendung von 3 g TiO&sub2; Sol, 4 g TiO&sub2; (O,4 Mikrometer "Passenger"; Tioxide Ltd.) und 3 g Fe&sub3;O&sub4;. Das Gemisch wurde in 150 ml Span/Genklene eingetragen und für 15 Minuten bei 300 u.p.m. gerührt. Die kugelförmigen Teilchen wurden so dann mit NH&sub3; Gas vollständig in ein Gel umgewandet.
Das Produkt war ein poröses TiO&sub2; Teilchen mit einem magnetischen Kern. Die Teilchengröße war 50-60 Mikrometer, bei guter kugelförmiger Beschaffenheit, enger Größenverteilung und guter mechanischer Festigkeit der Teilchen.

Beispiel 5

TiO&sub2;/TiO&sub2;/Fe&sub3;O&sub4; Gemisch.

Die Durchführung erfolgte gemäß Beispiel 4, jedoch wurde das Span/Genklene/Pulver Gemisch bei 8500 u.p.m. im Mischer mit großen Scherkräften gemischt. Das Produkt waren Teilchen von 2-3 Mikrometer mit guter kugelförmiger Beschaffenheit, einer engen Größenverteilung und guter mechanischer Festigkeit.

Beispiel 6

Fe&sub2;O&sub3;/Fe&sub3;O&sub4; Gemisch

Eine Suspension von 4,28 g Fe&sub3;O&sub4; wurde in 62,5 ml einer 2 M Fe(NO&sub3;)&sub3; Lösung eingetragen. Das Gemisch wurde homogenisiert und in 300 ml 5 % Span 80 enthaltenden Genklene dispergiert. Die Dispersion wurde 5 Minuten im Mischer mit großen Scherkräften gemischt und dann mittels NH&sub3; Gas in ein Gel umgewandelt. Die Teilchen wurden von dem Überstand getrennt, mit Aceton, Wasser und Ether gewaschen und bei 400ºC kalziniert.

Beispiel 7

Aluminiumoxid beschichtete magnetische Teilchen

Eine Vorläufer-Salz-Lösung wurde aus Eisen(III)nitrat und Lithiumnitrat in einem solchen Verhältnis in destilliertem Wasser angesetzt, daß Lithium-Ferrit (LiFe&sub5;O&sub8;) resultiert, wobei Trocknung und Aufschluß eine Zusammensetzung der Lösung aus 1010- g/l Fe (NO&sub3;)&sub3; x 9H&sub2;0 und 34,5 g/l LiNO&sub3; ergaben. Ein Sol aus kolloidalen Pseudoboehmit wurde durch bekannte Sol-Gel-Techniken hergestellt, mit Salpetersäure peptisiert und mit Natriumdodecylsulfat behandelt. Dieses Sol wurde in einem solchen Verhältnis in eine Salzlösung transferiert, daß ein Al&sub2;O&sub3;/LiFe&sub5;O&sub8; Quotient von 0,05 resultiert.
Die resultierende Sol-Lösung wurde dann unter Verwendung eines Brinkmann Homogenisators als Emulgator in n-Heptan emulgiert; die Emulsion besteht aus 30 Vol. % einer wässrigen Lösung, 70 Vol. % n-Heptan und beeinhaltet 5 Vol. % Span 80 als Tensid. Ammoniak-Gas wurde dann duch die Emulsion geleitet bis der pH-Wert auf etwa 10 bis 11 angestiegen war. Das Wasser und das Heptan wurden durch Sprühtrocknung entfernt und das resultierende Pulver wurde 2 h bei 700ºC kalziniert. Es wurde ein nicht agglomeriertes magnetisches Pulver mit der Größenverteilung von 0,1 bis 0,5 Mikrometer erhalten. Die TEM-Photographie des Pulvers zeigte, daß die Teilchen relativ unregelmäßige Formen haben. Die Dicke der Aluminiumoxid-Beschichtung ist mit 10 bis 20 Nanometer relativ einheitlich.

Beispiel 8

Zirkoniumoxid beschichtete magnetische Teilchen

Eine Vorläufer-Salz-Lösung wurde aus Nickelnitrat, Zinknitrat und Eisen(III)chlorid in destilliertem Wasser in einem Verhältnis hergestellt, daß Nickel-Zink-Ferrit (Ni0,38 Zn0,64 Fe&sub2;O&sub4;; nach Trocknung und Aufschluß) resultiert. Die Lösung wurde mit einem Zirkoniumoxid-Sol, suspendiert in Essigsäure-Lösung von Nycol Product Inc., in einem Verhältnis gemischt, daß ein Quotient ZrO&sub2;/Ni0,38 Zn0,64 Fe&sub2;O&sub4; von 0,20 resultiert.
Die erhaltene Sol-Lösung wurde dann emulgiert und nach Reaktion mit Ammoniak, wie in den vorhergehenden Beispielen, getrocknet und kalziniert. Die SEM-Untersuchung des Pulvers zeigt, daß die erhaltenen Teilchen Kügelchen mit einem Durchmesser zwischen 0,5 bis 0,8 Mikrometer sind.
Auslaugtests, die durch 24stündiges Mischen der Teilchen in 1N Salpetersäure durchgeführt wurden, zeigen, daß die Zirkoniumoxid-Beschichtung den magnetischen Kern sehr effektiv schützt, da keine erkennbare Auflösung des Eisens gemessen werden konnte.

Beispiel 9

Aluminiumoxid beschichtete magnetische Teilchen

In Beispiel 7 und 8 wurde das Sol vor dem Emulgieren der Salz-Lösung zugegeben. In diesem Beispiel wurde dieser Prozeßverlauf modifiziert, indem das Aluminiumoxid zu der emulgierten Salz-Lösung zugegeben wurde. Die Lösung enthält Zinknitrat, Nickelnitrat und Eisen(III)chlorid und wurde in n-Heptan emulgiert und solange mit Ammoniak behandelt bis der pH-Wert von 10 auf 11 angestiegen war. Die erhaltene Emulsion wurde mit frischem Heptan verdünnt, gemischt, zum Absetzen stehen gelassen und das überstehende Heptan entfernt. Dieser Waschschritt wurde dreimal wiederholt. Die Emulsion wurde dann unter Verwendung einer Dean-Stark-Entwässerungsfalle entwässert. Es wurde dann, wie zuvor beschrieben, gewaschen, einen Tag zum Absetzen stehengelassen und der Heptan- Überstand entfernt. Ein Aluminiumoxid-Sol, ähnlich dem aus Beispiel 11, indem 4 Vol. % eines auf HLB-Wert 13,0 eingestellten Tween 80 / Span 80- Gemisches hinzugefügt worden waren, wurde in dem Verhältnis in die Emulsion gebracht, daß ein Al&sub2;O&sub3;/Ni0,36 Zn0,64 Fe&sub2;O&sub4; Quotient von 0,20 resultiert. Das Gemisch wurde mit Ultraschall dispergiert und dann wieder in n-Heptan in dem Volumenverhältnis von 50% unter Verwendung von 2 Vol.% Span 80 als Tensid emulgiert. Das Wasser wurde nachfolgend durch Rückflußkochen der Emulsion und Abtrennung in der Entwässerungsfalle entfernt. Nach Entfernen der organischen Phase im Sprühtrockner wurde das Pulver 2 Stunden bei 700ºC kalziniert. Das erhaltene kalzinierte Pulver hatte eine Teilchengröße im Bereich von unter 1 Mikrometer und war kugelförmig mit einem Kern aus magnetischen Lithium-Ferrit in einer Aluminiumoxidhülle.
Auslaugtests zeigten, daß nach 24stündiger Immersion in 1 N Salpetersäure der Anteil des gelösten Eisens 0,55 ppm Fe&sub2;O&sub3; betrug. Diese Menge entspricht einer Auflösung von weniger als 0,1 % des gesamten Fe&sub2;O&sub3; im Ferrit-Kern.
Der spezifische Anteil von Protein (d.h. Prothrombin), der nach Immersion in eine Tris-HCl-Pufferlösung von pH 7,4 an den Teilchen gebunden war, wurde mit 0,57 ug pro Einheit Oberfläche der Teilchen (cm²) bestimmt. Diese Menge läßt sich mit der für andere bereits käufliche Träger, z. B. 0,47 ug/cm² für Polystyrol-Oberflächen und 0,33 ug/cm² für PVC-Oberflächen, unter den gleichen experimentellen Bedingungen vergleichen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von magnetisch anziehbaren Teilchen unter Verwendung von:

(a) einer Vorläufer-Salz-Lösung oder eines Vorläufer-Sols oder einer Vorläufer-Dispersion eines magnetischen Materials;

(b) einer Vorläufer-Salz-Lösung oder eines Vorläufer-Sols eines beschichtenden anorganischen Oxids; und

(c) einer mit dem in (a) und (b) verwendeten wäßrigen Lösungsmittel nicht mischbaren inerten Flüssigkeit,

umfassend das Emulgieren von (a) und (b), entweder gemeinsam oder getrennt, in (c), Überführung der Tröpfchen der Emulsion in ein Gel und Erwärmen der resultierenden Gel-Tröpfchen zur Bildung magnetisch anziehbarer Teilchen, die magnetisches Material umfassen, das von dem beschichtenden anorganischen Oxid umhüllt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das magnetische Material von (a) in der Lösung oder dem Sol (b) dispergiert wird und das anfallende Gemisch anschließend in (c) emulgiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein teilchenförmiges, nichtmagnetisches, hochschmelzendes Oxid in der Lösung oder dem Sol (b) dispergiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Lösung des magnetischen Material-Vorläufers (a) mit der Lösung oder dem Sol (b) vermischt wird und das erhaltene Gemisch sodann in (c) emulgiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Lösung des magnetischen Material-Vorläufers (a) in (c) emulgiert wird und die Tröpfchen der Emulsion in ein Gel überführt werden, sodann die erhaltenen Gel- Tröpfchen in der Lösung oder dem Sol (b) dispergiert werden und das erhaltene Gemisch in (c) emulgiert wird, die Tröpfchen der Emulsion in ein Gel umgewandelt werden und die erhaltenen Gel-Tröpfchen unter Bildung der in Wasser dispergierbaren, magnetisch anziehbaren Teilchen erhitzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die die dispergierten Gel-Tröpfchen enthaltende Lösung oder das Sol (b) in (c), in Gegenwart eines Tensids mit einem HLB-Wert von 10,8 bis 14 emulgiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das magnetische Material superparamagnetisch ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zur Umwandlung der wäßrigen Tröpfchen der Emulsion in ein Gel, die Emulsion mit Ammoniak oder einem Amin versetzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Gel-Tröpfchen auf eine Temperatur von 250-2000ºC erhitzt werden.

10. In Wasser dispergierbare, magnetisch anziehbare Teilchen, erhältlich nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, und umfassend eine Menge von feinteiligem, superparamagnetischen Material, eingehüllt in ein anorganisches Oxid, wobei die Teilchen durch Anlegen eines magnetischen Feldes leicht aus der Dispersion gebracht werden können und sich nach Aufheben des magnetischen Feldes leicht wieder dispergieren lassen.

11. Teilchen nach Anspruch 10, wobei das superparamagnetische Material ein Ferrit, wie Fe&sub3;O&sub4; umfaßt.

12. Teilchen nach Anspruch 10 oder 11, mit einem Anteil an magnetischen Material von 1 bis 95 Gew.-%.

13. Teilchen nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Teilchendurchmesser durchschnittlich 0,1 bis 100 Mikron beträgt.

14. Beschichtete ferrimagnetische Teilchen mit einem Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 100 Mikron, umfassend einen abgegrenzten Kern aus magnetischen Material, beschichtet mit einem Metalloxid, ausgewählt aus Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, TiO&sub2;, ZrO&sub2;, Hydroxyapatit und deren Gemischen, wobei das Beschichtungsgewicht bei 1 bis 95% des Kern-Gewichtes liegt und eine kontinuierliche Beschichtung über die gesamte Oberfläche des Kerns vorliegt, zur Verhinderung des Kontakts des Kerns mit umgebenden Medien.

15. Teilchen nach Anspruch 13, mit einem Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 10 Mikron und von kugelförmiger Gestalt mit glatten Oberflächen.

16. Teilchen nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei das magnetische Material ein Ferrit ist.

17. Dispersion der Teilchen nach einem der Ansprüche 10 bis 16 in einem wäßrigen Medium.