JP2006104051A - 均一な粒度を有する親水性金属酸化物ナノ粒子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２０nm以下の球形粒子で、かつ、常磁性を有する酸化鉄粉末を有機溶液中で合成して粒子の均一性を確保し、この粒子を化学的表面改質によって親水性に転換することにより、均一の粒度を有する親水性酸化鉄ナノ粒子を提供する。
【解決手段】 金属酸化物ナノ粒子は、金属酸化物コアと、該コアの金属成分と同一元素により構成されて、コアの表面に形成されたシェルとから構成されるナノ粒子と、前記シェルの金属元素と共有結合する元素及び親水性官能基を含む有機物と、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、均一な粒度を有する親水性の金属酸化物ナノ粒子に係るもので、詳しくは、疎水性の金属酸化物ナノ粒子を化学的に表面改質することにより分散性を向上した親水性ナノ粒子及びその製造方法に関する。

本発明は、多様な種類の疎水性金属酸化物ナノ粒子に水性溶液中で分散する性質を提供するので、医療用ナノ粒子などの多様な分野に適用できるようにするものである。

界面活性剤を含む有機溶液中から得られる金属酸化物は、その粒子の表面が界面活性剤によって保護される。しかしながら、この粒子を極性溶媒に入れると、界面活性剤が剥げられて粒子同士が結合して沈殿が発生する。よって、極性溶媒内における粉末の化学的安全性及び分散性を確保するためには、親水性官能基を保有した有機リガンドとナノ粒子との間に物理的な相互作用でなく化学的な共有結合が形成されなければならない。しかしながら、一般に金属酸化物の表面は反応性がないため、有機リガンドと強い化学結合を形成することが不可能である。

酸化鉄ナノ粒子［γ−Ｆｅ₂Ｏ₃（マグヘマイト（maghemite））及びＦｅ₃Ｏ₄（マグネタイト（magnetite））］は、特異な磁気的性質及び化学的安全性による磁気共鳴画像、細胞の分離及び精製、並びに薬物伝達の医療用ナノ粒子としての有用性が知られて、これに関する研究が活発に行われている。前記酸化鉄ナノ粒子を医療用に活用するためには、２０nm以下の球形粒子にしなければならず、さらに、粒子分布の均一性、超常磁性の確保、無毒性、水溶液中における分散性と生体親和性、標的指向性などの色々な要求条件を満足しなければならない。最近までの研究によると、２０nm以下の超常磁性球形粒子の合成は特に難しいものではない。生体親和性及び標的指向性は、前述した以外の条件を全て満足した上で付与される特性である。

前述の条件中、特に、優れた粒子均一度を有するため生体内における物理的及び化学的性質の制御が容易であると共に、体液のような水性溶液中での分散性を確保したナノ粒子はまだ報告されていない。伝統的に、水性溶液中での合成は、親水性粒子を得るため水溶液中での分散は可能であるが、粒子均一度が劣化する。最近開発された有機溶液中での合成は、粒子の均一性は優れているが、粒子が疎水性であるため、水溶液中に分散されずに沈殿するという問題点があった。

従って、有機溶液中での合成によって粒子の均一度を確保し、この粒子を表面改質によって親水性に転換することにより水溶液中での分散性を確保した後に次の段階に進む方法を利用することが好ましい。このような方法として、最近、粒子均一性を確保した疎水性ナノ粒子を親水性及び生体親和性のある高分子で物理的にコーティングし、これを医療用に利用する研究が報告されている。しかしながら、この場合は、高分子及びナノ粒子が、安定した共有結合でなく、静電気的相互作用又は配位結合、若しくはファンデルワールス力（Van der Waals' force）だけで接触しているため、長期間保管しようとすると、ナノ粒子が沈殿するなどの問題点があった。

他の方法として、酸化鉄ナノ粒子を親水性のシリカでコーティングした後、１−アミノプロピルトリメトキシシラン（1-aminopropyl trimethoxysilane）のような物質を加えてシリカ表面と共有結合をする一方、表面にアミノ官能基を露出させて親水性を確保する方法もある。しかしながら、この場合は、シリカのコーティング過程で各ナノ粒子が個別的にコーティングされずに、多数のナノ粒子がシリカによって集団にコーティングされるという問題点があった。

従って、本発明は、前述したような問題点を解決するために提案されたもので、本発明の目的は、粒子の均一性及び安定性（分散性）を向上した親水性を付与した金属酸化物ナノ粒子及びその製造方法を提供することにある。

また、本発明の目的は、医療用材料として広く使用できる良好な分散性を有した親水性酸化鉄ナノ粒子を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に係る金属酸化物ナノ粒子は、金属酸化物コアと、前記コアの金属成分と同一元素からなって前記コアの表面に形成されるシェルとから構成されるナノ粒子と、前記シェルの金属元素と共有結合する元素及び親水性官能基を含む有機物と、を含む。

また、本発明に係る金属酸化物ナノ粒子の製造方法は、界面活性剤を含む有機溶液内で前駆体の熱分解及び酸化過程を通じて金属酸化物ナノ粒子を合成する過程と、前記金属酸化物ナノ粒子を含む溶液に不活性雰囲気下で前記前駆体をさらに添加して熱分解し、前記金属酸化物ナノ粒子の表面に前記金属成分が化学量論的に多い（富化された）層を形成する過程と、前記金属酸化物ナノ粒子を含む溶液に前記金属元素と共有結合する元素及び親水性官能基を含む有機物を添加して還流し、前記ナノ粒子の表面上の金属元素が前記有機物の元素と共有結合を形成する過程と、を含む。

また、本発明の実施例によると、２０nm以下の球形粒子で、かつ、常磁性を有する酸化鉄粒子を有機溶液上で合成して粒子の均一性を確保し、この粒子が化学的表面改質によって親水性に変化することにより、均一の粒度を有する親水性酸化鉄ナノ粒子が提供される。

本発明によると、金属酸化物ナノ粒子の粒度均一性が向上し、また極性溶媒に対する分散性が大きく向上する。特に、本発明の実施例によると、２０nm以下の球形粒子、粒子均一度、常磁性、化学的安全性及び水溶液中での分散性などを確保した酸化鉄ナノ粒子を提供することにより、疾病の診断や治療などを高感度に実行する医療用基礎素材として活用することができる。

図１を参照して本発明による金属酸化物ナノ粒子の構造を説明すると、コアとしての金属酸化物ナノ粒子１０の表面に金属成分が化学量論的に多いシェル（shell）１４が形成され、シェル１４は、有機物の一構成元素（本発明の実施例では、硫黄）（Ｓ）と共有結合によって化学的に強く結合されている。コア１０とシェル１４を構成する金属成分は同一元素である。前記有機物（（Ｃ_nＨ_2n-x）(ＦＧ)_b）中、ｎは１乃至２０から選択される整数を示し、（Ｃ_nＨ_2n-x）は直鎖状又は分岐状若しくは環状の炭化水素を示し、ＦＧは、親水性官能基を示し、例えば、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ₂、−ＳＨのような官能基である。また、前記有機物は、分子内に１つ乃至２つのメルカプト（mercapto）（ＨＳ−）基と親水性基（ＦＧ）とを有しているため、金属酸化物ナノ粒子と１つ乃至２つの共有結合を形成することができ、後続段階でも、反応分子に１つ乃至２つの結合部位を提供することができる（例えば、３−メルカプトプロピオン酸（3-mercaptopropionic acid）、２−アミノエタンチオール（2-aminoethanethiol）、ジメルカプト−スクシンイミド酸（dimercapto-succinimid acid））。また、コアは、他の形態のコア／シェルを含むことができる。図１で、ａ及びｂは、１乃至２から選択される整数であり、ｘは、ａ又はｂによって下記の関係を満たす。
ａ＝ｂ＝１であるとき、ｘ＝０；
ａ＝１、ｂ＝２又はａ＝２、ｂ＝１であるとき、ｘ＝１；
ａ＝ｂ＝２であるとき、ｘ＝２

界面活性剤を含む有機溶液内で、鉄の有機金属前駆体を熱分解して酸化鉄ナノ粒子を得ると、酸化鉄粒子の表面は、界面活性剤によって保護される。このような粒子の構造は、粒子表面と界面活性剤の極性頭部（polar head）間の静電気的相互作用又は配位結合などの弱い力によって維持されており、界面活性剤の非極性尾部は外側に向かっている。従って、このような粒子を水又はアルコールのような極性溶媒に入れると、その瞬間、界面活性剤が剥げて粒子が固まって沈殿が発生する。

従って、親水性官能基を有する有機リガンドとナノ粒子との間に物理的な相互作用でない、化学的共有結合が形成されないため、水溶液中に粉末の化学的安定性と分散性を確保することができない。なお、普通は、金属酸化物の表面は反応性がないので、有機リガンドと化学結合を形成しない。

このような問題点を解決するために、後述する本発明の実施例によると、界面活性剤によって保護された酸化鉄ナノ粒子の表面に薄い鉄金属層を形成することにより、ナノ粒子の外層の金属成分を化学量論的に多くし、ここに有機物として３−メルカプトプロピオン酸（ＭＰＡ）[ＨＳ（ＣＨ₂）₂ＣＯＯＨ]を前記表面鉄金属層と化学的に結合させることにより、Ｆｅ−Ｓ共有結合によって化学的安定性を確保し、また末端のカルボン酸によって親水性を確保した。

このような本発明に係る酸化鉄ナノ粒子及び３−メルカプトプロピオン酸は、直接化学結合を形成しないが、酸化鉄ナノ結晶の外層の鉄金属成分を多くすることにより、鉄と３−メルカプトプロピオン酸の硫黄原子間にＦｅ−Ｓ共有結合を形成するように誘導する。また、カルボン酸は、生体分子に豊富なアミノ基とアミド結合によって連結されることにより、生体親和性及び標的指向性改質段階へ進むための官能基を提供することもある。

図２は、本発明に係る酸化鉄ナノ粒子の表面改質過程を示した模式図で、図示されたように、第Ｉ段階で、界面活性剤を含む有機溶液に前駆体であるＦｅ（ＣＯ）₅を添加して温度を上げて還流することにより、前記前駆体が熱分解して混合酸化鉄（Ｆｅ^2＋とＦｅ^3＋）ナノ粒子が形成される。このナノ粒子を含む溶液の温度を８０℃に維持しながら空気を注入して酸化反応を進行させた後、再び還流することにより、γ−酸化鉄ナノ粒子１０が形成された反応溶液を製造する。この酸化鉄ナノ粒子の表面には、界面活性剤１２が付着している。界面活性剤１２は、ＲＮＨ₂又はＲＣＯＯＨ（ここで、Ｒは炭化水素鎖の長さが６つ以上からなるアルキル（alkyl）又はアルケニル（alkenyl））若しくはこれらの混合物である。一方、前記有機溶液は、ジベンジルエーテル（dibenzylether）及びジフェニルエーテル（diphenylether）、ジオクチルエーテル（dioctylether）、オクタデセン（octadecene）中いずれか１つを選択して使用することができる。

次に、第II段階では、第Ｉ段階で得られた反応溶液の温度を１００℃に維持し、溶液に不活性雰囲気ガスとして窒素を注入した後、Ｆｅ（ＣＯ）₅である前駆体をさらに添加して還流することにより、既存に製造されたγ−酸化鉄ナノ粒子の上に鉄金属層、又は鉄金属成分が化学量論的に多い層１４を形成する。これは、不活性雰囲気と界面活性剤の有機溶液中でＦｅ（ＣＯ）₅前駆体を熱分解すると、鉄ナノ粒子が生成される原理を利用したものである。すなわち、鉄金属成分が新しい核を生成して成長する代わりに、既存の酸化鉄ナノ粒子の表面に添加されるメカニズムを経て表面に鉄金属層を生成するか、又は、鉄金属成分が化学量論的に多い表面層を有するコア／シェル形態のナノ粒子を生成する。

次いで、第III段階で、前記第II段階で得られたナノ粒子にナノ粒子の金属元素と共有結合する元素及び親水性官能基を含む有機物（例えば、３−メルカプトプロピオン酸）を添加して還流反応を実施することにより、ナノ粒子と前記有機物間に共有結合（例えば、Ｆｅ−Ｓ）を形成する。又は、前記ナノ粒子の金属元素と共有結合する元素及び親水性官能基を含有する有機物とＮａＯＨ又はＫＯＨとを含むアルカリ性メタノール溶液を前記ナノ粒子に添加した後、室温でかき回して反応させることにより、前記ナノ粒子の表面上の金属元素と前記有機物の元素間に供給結合を形成することもできる。形成された酸化鉄ナノ粒子は、親水性官能基（ＦＧ）の３−メルカプトプロピオン酸のカルボキシル基（ＣＯＯＨ）が露出するので、親水性を有することになり、よって、水に対する分散性が向上し、追加的な反応に参加できる官能基を提供するという効果がある。

このような表面改質は、酸化鉄だけでなく全ての種類の金属酸化物に適用される。すなわち、有機溶液中で金属酸化物のナノ粒子を生成し、その表面に同一種類の金属成分を提供し得る前駆体を熱分解して添加反応させることにより、金属成分が化学量論的に多い表面を提供して親水性官能基を含む有機物の構成元素との共有結合を誘導する。

その後、生体親和性高分子や標的指向性分子などとのアミド結合又はエステル結合などを行なう。

以下、本発明に係る金属酸化ナノ粒子の実施例を参照して親水性に表面改質された金属酸化物ナノ粒子の製造方法をより詳細に説明する。

実施例１
疎水性γ−酸化鉄ナノ粒子の製造
窒素雰囲気下でオレイン酸１．９３ml（６．０９mmol）をジオクチルエーテル２０mlに溶かして１００℃に維持した。次いで、Ｆｅ（ＣＯ）₅前駆体０．４０ml（３．０４mmol）を加えて温度を上げて２時間還流した。その後、この溶液を８０℃に維持して、空気を溶液中に１６時間の間注入した後、再び２時間還流して疎水性γ−酸化鉄ナノ粒子を製造した。

実施例２
γ−酸化鉄ナノ粒子の表面に鉄金属層をコーティング
実施例１の溶液を１００℃に維持して溶液中に窒素を注入した後、Ｆｅ（ＣＯ）₅前駆体０．０４ml（０．３０４ mmol）を加えて還流することにより、酸化鉄ナノ粒子の表面に鉄金属成分が化学量論的に多い層を形成した。この粒子のＸ線回折パターンと透過電子顕微鏡写真を図３の（ａ）及び図４にそれぞれ示す。

実施例３
γ−酸化鉄ナノ粒子の親水性改質
実施例２の溶液１５mlに３−メルカプトプロピオン酸０．０３９ml（０．４５mmol）を加えて還流することにより、Ｆｅ−Ｓ共有結合によって安定化し、表面に露出したカルボキシル基（ＣＯＯＨ）によって親水性を有するγ−酸化鉄ナノ粒子を製造した。この粉末のＸ線回折パターンと透過電子顕微鏡写真を図３の（ｂ）及び図５に示す。また、Ｆｅ−Ｓ共有結合を示すＸＰＳ分析結果を図６に示す。
実施例２と３、すなわち、表面改質前（左側試験管）と表面改質後（右側試験管）のナノ粒子をトルエンと水に分散した写真を図７に比較して示した。図７を参照すると、表面改質後のナノ粒子が水によく分散していることが分かる。

実施例４
γ−酸化鉄ナノ粒子の親水性改質
実施例２の溶液１mlにクロロホルム（ＣＨＣｌ₃）２５mlを加えて希釈した。この溶液に室温で予め用意した３−メルカプトプロピオン酸０．０５molｅ／Ｌ及びＮａＯＨ０．０６molｅ／Ｌを含むメタノール３mlを加えて超音波とボルテックス（vortex）を用いて混合した。これに２５mlの水と２５mlのメタノールを添加した後、磁石で粒子を分離し、またメタノールで洗浄することにより、Ｆｅ−Ｓ共有結合によって安定化し、表面に露出したカルボキシル基（ＣＯＯＨ）によって親水性を有するγ−酸化鉄ナノ粒子を製造した。この粒子の透過電子顕微鏡写真とＦＴ−ＩＲスペクトルを図８及び図９に示し、水に対する分散性及びその他の物理化学的性質が実施例３から得た粒子と同一であることを確認した。

実施例５
γ−酸化鉄ナノ粒子の親水性改質
実施例２の溶液１mlにクロロホルム（ＣＨＣｌ₃）２５mlを加えて希釈した。この溶液に室温で予め用意した２−アミノエタンチオール０．０５molｅ／Ｌ及びＮａＯＨ０．１１molｅ／Ｌを含むメタノール３mlを加えて超音波とボルテックス（vortex）を用いてかき混ぜた。これに２５mlの水と２５mlのメタノールを添加した後、磁石で粒子を分離し、またメタノールで洗浄することにより、Ｆｅ−Ｓ共有結合によって安定化し、表面に露出したアミン基（ＮＨ₂）によって親水性を有するγ−酸化鉄ナノ粒子を製造した。この粒子の透過電子顕微鏡写真とＦＴ−ＩＲスペクトルを図１０及び図１１に示し、水に対する分散性及が優れていることを確認した。

本発明に係る金属酸化物ナノ粒子の構造を示した模式図である。 本発明に係る金属酸化物ナノ粒子の製造工程を示した模式図である。 本発明の実施例２と３で合成したナノ粒子のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンである。 本発明の実施例２で合成したナノ粒子の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）イメージである。 本発明の実施例３で表面改質した親水性ナノ粒子の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。 本発明の実施例３でＦｅ−Ｓ共有結合を表すＸＰＳ分析結果を示すグラフである。 本発明の実施例２の疎水性ナノ粒子をトルエン層（上層）に、実施例３の親水性ナノ粒子を水層（下層）に分散した写真である。 本発明の実施例４で合成したナノ粒子の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。 本発明の実施例４で合成したナノ粒子の赤外線分光スペクトルである。 本発明の実施例５で合成したナノ粒子の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。 本発明の実施例５で合成したナノ粒子の赤外線分光スペクトルである。

符号の説明

１０：金属酸化物ナノ粒子（コア）
１２：界面活性剤
１４：金属層（シェル）

Claims (9)

1. 金属酸化物コアと、該コアの金属成分と同一元素により構成されて、前記コアの表面に形成されるシェルとから構成されるナノ粒子と、
   前記シェルの金属元素と共有結合する元素及び親水性官能基を含む有機物と、
   を含むことを特徴とする金属酸化物ナノ粒子。
2. 前記金属が鉄であり、前記有機物の前記金属元素と共有結合する元素が硫黄であることを特徴とする請求項１記載の金属酸化物ナノ粒子。
3. 前記シェルの金属成分が、前記コアの金属成分より化学量論的に多いことを特徴とする請求項１記載の金属酸化物ナノ粒子。
4. 界面活性剤を含む有機溶液中で金属酸化物の前駆体の熱分解及び酸化工程により金属酸化物ナノ粒子を合成する過程と、
   前記金属酸化物ナノ粒子を含む溶液に不活性雰囲気下で前記前駆体をさらに添加して熱分解し、前記金属酸化物ナノ粒子の表面に前記金属成分が化学量論的に多い層を形成する過程と、
   前記金属酸化物ナノ粒子を含む溶液に前記金属元素と共有結合する元素及び親水性官能基を含む有機物を添加し、前記ナノ粒子の表面上の金属元素が前記有機物の元素と共有結合を形成する過程と、
   を含むことを特徴とする金属酸化物ナノ粒子の製造方法。
5. 前記金属が鉄であり、前記有機物が（ＨＳ）_ａ（Ｃ_nＨ_2n-x）（ＦＧ）_bであり、ここで、ｎは１〜２０から選択された整数で、ａ及びｂは１〜２から選択される整数で、ｘは、ａ又はｂによって下記の関係を満たし、ＦＧは親水性官能基であることを特徴とする請求項４記載の金属酸化物ナノ粒子の製造方法。
   ａ＝ｂ＝１であるとき、ｘ＝０；
   ａ＝１、ｂ＝２又はａ＝２、ｂ＝１であるとき、ｘ＝１；
   ａ＝ｂ＝２であるとき、ｘ＝２
6. 前記有機溶液が、ジベンジルエーテル、ジフェニルエーテル、ジオクチルエーテル、オクタデセンから選択されることを特徴とする請求項４記載の金属酸化物ナノ粒子の製造方法。
7. 前記界面活性剤が、ＲＮＨ₂、ＲＣＯＯＨ又はこれらの混合物から選択され、ここで、Ｒは炭化水素鎖が６つ以上のアルキル又はアルケニルであることを特徴とする請求項４記載の金属酸化物ナノ粒子の製造方法。
8. 前記金属酸化物ナノ粒子を含む溶液に前記金属元素と共有結合する元素及び親水性官能基を含む有機物を添加し、前記溶液を還流することを特徴とする請求項４記載の金属酸化物ナノ粒子の製造方法。
9. 界面活性剤を含む有機溶液中で金属酸化物の前駆体の熱分解及び酸化工程により金属酸化物ナノ粒子を合成する過程と、
   前記金属酸化物ナノ粒子を含む溶液に不活性雰囲気下で前記前駆体をさらに添加して熱分解し、前記金属酸化物ナノ粒子の表面に前記金属成分が化学量論的に多い層を形成する過程と、
   前記金属酸化物ナノ粒子を含む溶液に前記金属元素と共有結合する元素及び親水性官能基を含有する有機物を含むアルカリ性メタノール溶液を添加した後、室温で反応させることにより、前記ナノ粒子の表面上の金属元素が前記有機物の元素と共有結合を形成する過程と
   を含むことを特徴とする金属酸化物ナノ粒子の製造方法。