一种铁基磁性纳米晶磁共振T1造影剂的制备方法及其应用与流程

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一种铁基磁性纳米晶磁共振T1造影剂的制备方法及其应用与流程

本发明涉及一种超小铁基磁性纳米晶磁共振t1造影剂的制备方法以及其在磁共振t1加权成像中的应用。



背景技术:

近年来,随着纳米医学的发展,纳米材料在药物传输、疾病诊断以及治疗等生物医学领域展现出广阔的应用前景。其中,超顺磁性纳米颗粒作为造影剂在磁共振成像方面越来越成为研究热点。磁共振成像作为一种先进的医学影像诊断工具,可以实时无创地提供高空间分辨率的软组织解剖学信息,对疾病进行诊断与研究,同时可用于肿瘤的早期诊断。造影剂通过提高造影区域与背景的对比度可以显著提高磁共振成像的灵敏度。根据质子的纵向弛豫与横向弛豫效应造影剂可以分为两大类:可加速纵向弛豫速率的是t1造影剂,可加速横向弛豫速率的是t2造影剂。在磁共振成像中,发生加速纵向弛豫的区域会变亮而发生加速横向弛豫的区域会变暗。最初,超顺磁氧化铁主要作为t2加权造影剂,例如商业化的菲力磁(feridex)就是很典型的t2造影剂。但是在临床使用中,t2加权造影剂有一定的局限性。首先,其变暗的效果与组织内部出血或钙化、金属沉积等低信号区域易混淆导致误诊;而且,t2造影剂的高磁矩会诱导局部磁场的扰动,引起所谓的“bloomingeffect”,这个效应会放大影像部位而使得暗的图像模糊。因此相比t2造影剂,t1造影剂更有可能获得精准的高分辨图像。目前临床广泛使用的t1造影剂主要是钆类配合物,这些配合物在临床使用过程中存在诸多不足。1,由于快速的肾代谢,导致体内循环时间短,难以满足需要长扫描时间窗的高分辨成像;2,钆类配合物分解出自由的钆离子毒性大,而且美国食品药物监督管理局(fda)已经警告致命的肾源性系统纤维化与钆配合物造影剂有很大的关联。为了解决上述的钆配合物t1造影剂和传统超顺磁氧化铁t2造影剂在磁共振成像中存在的问题,开发新型的高效低毒磁共振铁基t1造影剂迫在眉睫。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种超小铁基磁性纳米晶磁共振t1造影剂的制备方法以及其在磁共振t1加权成像中的应用。

本发明研究发现超小铁氧体纳米晶可以作为高效的t1造影剂。根据理论研究表明,弛豫增强由外球与内球机制共同起作用而决定。t1造影剂的性能主要有两个因素决定,纵向弛豫效能r1和横向弛豫效能与纵向弛豫效能的比值r2/r1,r1越大且r2/r1越小t1造影剂性能越好。根据内球机制,超小铁基磁性纳米晶具有高的比表面积可以增大与水分子的相互作用,同时mn、ni等掺杂可以减小水分子在纳米颗粒表面相互作用的停留时间,可以有效提高纵向弛豫效能r1。根据外球机制,超小尺寸(小于5纳米)的纳米晶具有小的磁化强度值从而限制了其t2弛豫效应,从而降低了r2/r1。目前铁基磁性纳米颗粒主要是通过高温热分解法,共沉淀法,反胶束法和溶胶凝胶法制备,因为只有高温热分解法可以实现成核与生长分离以及扩散限制生长,因此,通过高温热分解法制备的铁基磁性纳米颗粒单分散性最好。就目前所报道的文献,通过高温热分解所制备的铁基磁性纳米颗粒尺寸相对比较大(大于5纳米),通常被作为t2造影剂。本发明通过使用芥酸铁,油酸锰/钴/镍/锌作为前驱物,制备出超小(小于5纳米)的铁基磁性纳米晶,而且本发明所制备的超小铁基磁性纳米晶可以作为新型t1造影剂。

本发明的具体实现过程如下:

一种铁基磁性纳米晶mfe2o4的制备方法,包括如下步骤:

(1)将三价铁盐与芥酸反应生成前驱物1芥酸铁;

(2)将二价金属盐与油酸反应生成前驱物2,所述二价金属离子为fe2+、mn2+、ni2+、co2+或zn2+

(3)将前驱物1、前驱物2和表面活性剂溶入高沸点有机溶剂高温热分解制得铁基磁性纳米晶mfe2o4,其中m为fe2+、mn2+、ni2+、co2+或zn2+

在上述方法中,使用芥酸铁作为前驱物,发明人发现使用该前驱物可以制备出超小铁基磁性纳米晶。

上述步骤(3)中,所述表面活性剂选自油醇、油酸、油胺、10-22个碳原子的醇或胺、三正辛基氧化膦(topo)、三正辛基膦(top)、油酸钠等。所述的高沸点有机溶剂为二苯醚(沸点257℃)、十六烯(沸点274℃)、二辛醚(沸点287℃)、二苄醚(沸点298℃)、十八烯(317℃)、二十烯(沸点330℃)、三辛胺(沸点365℃)。

上述步骤(3)中,所述表面活性剂与前驱物(1和2之和)的摩尔比为1:50-50:1。

上述步骤(3)中,在惰性气体保护下将前驱物1、前驱物2、表面活性剂、高沸点有机溶剂混合均匀,混合物先加热到80-200℃保持10-120分钟,然后升温至200-350℃回流反应10-120分钟,反应结束冷却至室温,加入乙醇/甲醇/丙酮得到沉淀,沉淀经过离心洗涤后重新分散在氯仿/正己烷/甲苯中制备形成磁流体。

前驱物在溶剂中的摩尔浓度为0.001-100mmol/ml。

将前驱物1、前驱物2和表面活性剂溶入高沸点有机溶剂高温热分解反应,升温速率为1-20℃/min。

将前驱物1、前驱物2和表面活性剂溶入高沸点有机溶剂高温热分解反应,优选的反应温度为180-350℃。

由于上述方法制备的超小铁基磁性纳米晶具备磁共振t1增强特性,超小铁基磁性纳米晶应用于造影剂增强的磁共振t1加权成像,特别是将超小铁基磁性纳米晶进行表面修饰与靶向性修饰后用于活体磁共振成像,具体方法为:用水相分散的配体对制得的超小铁基磁性纳米晶进行表面修饰与靶向性修饰后进行活体磁共振成像。

表面修饰所用的配体选自聚乙二醇类衍生物、脂质体类衍生物、多巴胺、3,4-二羟基苯基丙酸(3,4-dihydroxyhydrocinnamicacid)等生物相容性优良的配体,靶向性修饰使用分子、rna、抗体等可靶向肿瘤的物质。

作为优选方案,所制备的超小铁基磁性纳米晶进行膜过滤、超滤离心、透析等处理。

本发明的优点和积极效果:本发明所提供的超小铁基磁性纳米晶的制备方法操作简单、制备成本低。超小铁基磁性纳米晶产物具有纯度高、粒径小且粒径分布窄、尺寸可控、低生物毒性等优点,可以作为磁共振成像t1造影剂,具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是制备的芥酸铁红外光谱图(ftir);

图2是制备的芥酸铁的核磁共振氢谱图1hnmr;

图3是制备的芥酸铁质谱图;

图4(a)和(d)是本发明实施例1所制备的2nmmnfe2o4纳米晶的透射电镜(tem)图,图4(b)和(e)是本发明实施例2所制备的3nmmnfe2o4纳米晶的tem图,图4(c)和(f)是本发明实施例3所制备的3.9nmmnfe2o4纳米晶的tem图;

图5本发明实施例中所制备的2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶的x射线粉末衍射(xrd)图;

图6(a)本发明实施例中所制备的2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶的磁化强度随外加磁场变化图(磁滞回线);图6(b)本发明实施例中所制备的2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶的磁化强度随温度变化图;

图7a本发明实施例中所制备的2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶进行mri测试的t1加权信号图;图7b本发明实施例1所制备2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶进行mri测试的1/t1-[fe+mn]浓度的曲线示意图。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下参照附图并举实施例,对发明进一步详细说明。

实施例1:2nmmnfe2o4纳米晶的制备

(1)前驱体的合成

芥酸铁:5g六水合三氯化铁和18g芥酸溶于200ml甲醇,把混合溶液充分搅拌后,向其中滴加200ml甲醇含4gnaoh的溶液。生成的沉淀用甲醇和超纯水反复洗剂,放入真空干燥箱中30℃干燥4小时。

图1是所制备的芥酸铁的红外光谱图,从图中可以看出,所制备的芥酸铁显示出羧酸配合物的特征振动峰,芥酸铁的特征振动峰在1590cm-1,1531cm-1和1445cm-1,其中1590cm-1和1531cm-1是芥酸铁中羧基官能团的非对称振动峰;1445cm-1是芥酸铁的中羧基官能团的对称振动峰。

图2是所制备的芥酸铁的核磁共振氢谱图。将少许芥酸铁与油酸锰溶解在氘代氯仿中,装入核磁管进行测试。从图2测试结果可以看出芥酸铁不同化学环境下氢原子的化学位移与模拟结果都能匹配。

图3是所制备的芥酸铁的质谱图。将少许芥酸铁与油酸锰分散在甲醇或乙腈中进行质谱分析。

油酸锰:4g四水合氯化锰和14g油酸溶于150ml甲醇,把混合溶液充分搅拌后,向其中滴加200ml甲醇含4gnaoh的溶液。生成的沉淀用甲醇和超纯水反复洗剂,放入真空干燥箱中30℃干燥4小时。

(2)2nmmnfe2o4纳米晶的制备

分别称取3g芥酸铁、2g油酸锰和0.5g油醇,将其溶解到8g二苄醚中,氮气氛围下搅拌充分混合均匀;

混合物以15℃/min的速率升温至245℃,回流45min;

混合物降温到室温,10ml丙酮加到混合物,离心分离沉淀物,将沉淀物分散于10ml甲苯,重复3次。

实施例2:3nmmnfe2o4纳米晶的制备

前驱物芥酸铁和油酸锰的合成参考实施案例1。

3nmmnfe2o4纳米晶的制备:

分别称取4g芥酸铁、3g油酸锰、0.5g油醇和1g油酸,将其溶解到8g二辛醚中,氮气氛围下搅拌充分混合均匀;

混合物以15℃/min的速率升温至245℃,回流45min;

混合物降温到室温,10ml甲醇加到混合物,离心分离沉淀物,将沉淀物分散于10ml正己烷,重复3次。

实施例3:3.9nmmnfe2o4纳米晶的制备

前驱物芥酸铁和油酸锰的合成参考实施案例1。

3.9nmmnfe2o4纳米晶的制备:

分别称取5g芥酸铁、3g油酸锰、1g油醇和1g油酸,将其溶解到8g十八烯中,氮气氛围下搅拌充分混合均匀;

混合物以15℃/min的速率升温至255℃,回流45min;

混合物降温到室温,10ml乙醇加到混合物,离心分离沉淀物,将沉淀物分散于10ml氯仿,重复3次。

将大约2µl所制备的2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶滴在镀有碳膜的cu网上,自然干燥后,做透射电镜。图4分别是实施案例1、2、3所制备的2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶tem图。从图中可以看出,所制备的2nm、3nm和4nmmnfe2o4纳米晶粒径均匀,对纳米晶进行尺寸分布统计,结果显示平均尺寸分别为2nm、3nm和3.9nm。

图5是实施案例1、2、3所制备的2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶的xrd图(cu/kα靶,λ=0.15418nm)。从图2中可以看到反尖晶石结构的mnfe2o4纳米晶的(111)、(220)、(311)、(400)、(511)、(440)和(622)衍射峰,根据最强的(311)衍射峰的2θ=34.980°,由谢乐公式计算得到晶粒尺寸分别为2.07nm、2.98nm和4.29nmmnfe2o4纳米晶。

图6a是实施案例1、2、3所制备的2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶的磁化曲线。测试温度为300k。从图6a中可以看出,2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶的饱和磁化强度分别为18.59、24.91和29.18emu/g,其矫顽力和剩磁均为0,表明所制备的2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶均为超顺磁性。图6b是实施案例1、2、3所制备的2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶的磁化强度随温度变化图。测试外加磁场为20oe。从图6b中可以看出,2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶的转变温度分别为6、12.5和15k。

在对所制备的2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶进行mri测试之前,要对其进行转水相:使用表面聚合物为磷酸化聚乙二醇单甲醚(po-mpeg),具体操作步骤见中国专利201110263936.x。

图7a是对实施案例所制备的2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶转水相后进行mri测试的t1加权信号图。从上到下依次为2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米水溶胶进行mri测试的t1加权信号图;每一排从左到右依次为浓度逐渐减低的mnfe2o4纳米晶水溶胶。从图7a中可以看出2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米溶胶均具有t1加权信号,而且,t1加权信号均随着浓度的增加而增加。

图7b中分别是本实施例1、2、3所制备的2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米晶转水相后进行mri测试的1/t1-[fe+mn]浓度曲线图。由图计算得,2nm、3nm和3.9nmmnfe2o4纳米溶胶进行mri测试的r1值分别为8.43、8.23和6.98mm-1s-1

以上所述仅为发明的较佳实施例而已,并不用以限制发明,凡在发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在发明的范围之内。

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