一种对超低频磁场敏感的功能磁性纳米材料及其制备方法与流程

本发明属于纳米医学技术领域，涉及一种对超低频磁场敏感的功能磁性纳米材料及其制备方法。

背景技术：

近年来，磁性纳米材料因其自身特有的磁力性能和较好的生物相容性而被应用于各个领域，例如核磁共振成像、基因或药物的载体等，磁性纳米材料在肿瘤治疗领域被视为最有前景的纳米药物。尤其是在脑肿瘤治疗方面，通过多肽修饰的磁性纳米材料，具有跨越血脑屏障的能力，并可通过外加磁场来增强其跨越血脑屏障的效率。

目前，磁性纳米材料在肿瘤治疗方面的应用主要有两种方式：一是作为抗癌药物或基因的载体，在外加磁场作用下靶向到肿瘤部位；二是作为磁热疗法中的媒介。这两种治疗方法分别存在如下缺陷：磁性纳米材料作为抗癌药物载体，虽然在外加磁场的作用下能够提高靶向治疗效果，但是抗癌治疗价格昂贵且副作用大，药物在体内循环的过程中仍会作用到正常细胞，从而影响人体健康；磁热疗法就是利用外部磁场直接加热，其治疗原理是在肿瘤外部施加高频交变磁场，同时利用涡流效应使肿瘤组织吸收磁场能量产热升温，磁场工作频率从数兆赫至上千兆赫，功耗通常在300瓦至500瓦之间，因此，肿瘤周围的健康组织同样会吸收电磁波能量而受损伤，并且该方法对体内深层肿瘤的疗效仍不理想。此外，研究发现高频磁场对人体还存在一定的危害性。

随着磁性纳米材料治疗肿瘤时代的开启，磁诱导机械力破坏成为新兴的物理治疗方法。它以磁性纳米材料为“磁力刀”，通过交变磁场控制“磁力刀”运动，产生机械力破坏肿瘤细胞的生理功能，从而杀死肿瘤细胞。与其它两种治疗方法相比，机械力破坏杀死肿瘤细胞的治疗方法具有特有的优势，如毒副作用小、治疗效果好等。然而已有的研究都是采用微米级“磁力刀”在交变磁场中对肿瘤细胞产生机械力破坏，从而导致癌细胞死亡。由于微米级“磁力刀”尺寸较大，不容易被细胞内吞，且体内循环过程中容易堵塞血管，尤其是在脑肿瘤治疗过程中，因其尺寸过大而不易跨过血脑屏障，严重影响了治疗效果。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够安全有效地杀死肿瘤细胞的对超低频磁场敏感的功能磁性纳米材料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种对超低频磁场敏感的功能磁性纳米材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

(1)磁性纳米材料的制备：

(1-1)分别将乙酰丙酮锌及乙酰丙酮铁加入至有机溶剂A中，并混合均匀；

(1-2)在280-300℃下反应25-35min，冷却后加入有机溶剂B；

(1-3)静置后得到固体沉淀，将该固体沉淀洗涤后，分散于有机溶剂C中，即得到所述的磁性纳米材料；

(2)功能磁性纳米材料的制备：

(2-1)将活化羧基后的聚丙烯酸与多巴胺混合后，搅拌使其充分反应；

(2-2)加入氨基化聚乙二醇，搅拌使其充分反应，后经透析、干燥，得到多巴胺-聚丙烯酸-聚乙二醇；

(2-3)分别将磁性纳米材料及多巴胺-聚丙烯酸-聚乙二醇溶于有机溶剂D中，超声40-60min后，搅拌使其充分反应，得到水溶性磁性纳米材料；

(2-4)将水溶性磁性纳米材料溶于MES缓冲液中，活化羧基后，加入PBS缓冲液，之后加入靶向基团，搅拌使其充分反应，即得到所述的功能磁性纳米材料。

将功能磁性纳米材料水洗后，分散于PBS缓冲液中，待需要时取用。

本发明通过对磁性纳米材料进行表面改性，制得功能磁性纳米材料。

MES缓冲液为2-(N-吗啡啉)乙磺酸缓冲液，PBS缓冲液为磷酸盐缓冲液，EDC为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，NHS为N-羟基琥珀酰亚胺。

所述的有机溶剂A为油酸与二苄醚的混合物，并且油酸与二苄醚的体积比为1-2:10；所述的有机溶剂B为无水乙醇，所述的有机溶剂C为甲苯，所述的有机溶剂D为N,N-二甲基甲酰胺。

步骤(1-1)所述的混合过程中，通入氩气作为保护气。

步骤(1-3)中，静置时间为4-12h，所述的洗涤过程中，洗涤剂包括乙醇或甲苯中的一种或两种。

步骤(2-1)中，聚丙烯酸的活化羧基工艺为：将聚丙烯酸溶于N,N-二甲基甲酰胺中，之后分别加入EDC及三乙胺，搅拌10-20min即可，每1mL N,N-二甲基甲酰胺中加入3-4mg所述的聚丙烯酸，所述的聚丙烯酸、EDC及三乙胺的质量比为18:92-98:0.5-1。

步骤(2-2)中，加入氨基化聚乙二醇后，搅拌4-12h使其充分反应。所述的干燥为冷冻干燥，该冷冻干燥过程中，温度为-55℃至-45℃，压力为0.1-0.12atm。

步骤(2-3)中，超声后，搅拌4-12h使其充分反应。

步骤(2-4)中，所述的MES缓冲液的pH值为4-4.5，所述的PBS缓冲液的pH值为8.5-9.5，活化羧基工艺为：分别加入EDC及NHS，搅拌10-20min即可，所述的水溶性磁性纳米材料、EDC及NHS的质量比为8:45-50:65-70。

步骤(2-4)中，所述的靶向基团为表皮生长因子、HER2抗体或PSMA抗体。

步骤(1-1)中，所述的乙酰丙酮锌及乙酰丙酮铁的摩尔比为3:1-3，每1mL有机溶剂A中，加入20-30mg所述的乙酰丙酮锌；

步骤(1-2)中，所述的有机溶剂B与步骤(1-1)中所述的有机溶剂A的体积比为1:4-6；

步骤(1-3)中，每1mL有机溶剂C中，加入8-12mg固体沉淀。

步骤(2-1)中，所述的聚丙烯酸与多巴胺的质量比为3:7-10；

步骤(2-2)中，所述的氨基化聚乙二醇与步骤(2-1)中所述的多巴胺的质量比为125:21-27；

步骤(2-3)中，所述的磁性纳米材料与多巴胺-聚丙烯酸-聚乙二醇的质量比为1:0.8-1.5，每1mL有机溶剂D中，加入0.8-1.1mg所述的磁性纳米材料；

步骤(2-4)中，每1mL MES缓冲液中，加入2-4mg所述的水溶性磁性纳米材料，所述的MES缓冲液与PBS缓冲液的体积比为1:1-3，所述的靶向基团与水溶性磁性纳米材料的质量比为1:17-23。

一种采用所述的方法制备而成的对超低频磁场敏感的功能磁性纳米材料。

所述的超低频磁场为超低频旋转磁场，该超低频旋转磁场的频率范围为0.5-20Hz。

本发明中，多巴胺的作用为：提供酚羟基，与磁性纳米材料中的Fe原子形成铁氧键，从而将多巴胺-聚丙烯酸-聚乙二醇成功地修饰在磁性纳米材料表面；氨基化聚乙二醇的作用主要是改善磁性纳米材料的生物相容性；通过将靶向基团修饰在水溶性磁性纳米材料上，能够使制得的功能磁性纳米材料具有靶向肿瘤细胞的功能，其中，表皮生长因子能够靶向脑肿瘤细胞，HER2抗体能够靶向乳腺肿瘤细胞，PSMA抗体能够靶向前列腺肿瘤细胞。

本发明中，磁性纳米材料通过表面特异性修饰后，成为功能磁性纳米材料，具有肿瘤细胞靶向功能，可以明显增强细胞内吞效率；在超低频旋转磁场作用下发生自组装，随着磁场旋转在细胞内部扰动，从而对癌细胞产生机械力破坏。这种机械力物理治疗的方法能够代替昂贵的药物治疗和副作用极大的放射疗法。

本发明中，功能磁性纳米材料对超低频磁场的敏感度高，生物安全性好；具有靶向肿瘤细胞的功能，可以提高其在肿瘤部位富集的效率。所使用的超低频旋转磁场，对人体不存在负面影响。通过改变功能磁性纳米材料表面的靶向基团，使其可应用于其它肿瘤的治疗。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明制得的功能磁性纳米材料对超低频旋转磁场敏感，能够避免高频磁场对人体的不利影响，且超低频旋转磁场装置具有体积小、结构简单、成本低、操作简便等特点；通过靶向基团的修饰，使功能磁性纳米材料具有靶向肿瘤细胞的功能，在超低频磁场作用下，能够安全有效地杀死肿瘤细胞，且纳米级的功能磁性纳米材料更有利于被细胞内吞，在体内循环过程中不会堵塞血管，能够跨过血脑屏障，大大提高了对肿瘤的治疗效果；

2)通过选择不同的靶向基团，实现对不同癌细胞、肿瘤组织的精准治疗，且治疗过程安全有效，不会影响到正常细胞的功能。

附图说明

图1为实施例1中制备得到的功能磁性纳米材料的TEM图谱；

图2为实施例1中制备得到的功能磁性纳米材料的磁化曲线图谱；

图3为实施例1中制备得到的功能磁性纳米材料的水力学直径分布图谱；

图4为实施例1中制备得到的功能磁性纳米材料用于脑肿瘤细胞治疗的细胞TEM图谱；

图中标记说明：

1—功能磁性纳米材料、2—脑肿瘤细胞。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

一种对超低频磁场敏感的功能磁性纳米材料，其制备方法如下：

(一)磁性纳米材料的制备：

(1)将乙酰丙酮锌与乙酰丙酮铁按3:2的摩尔比加入到50mL三口烧瓶中；

(2)加入油酸和二苄醚；

(3)通入保护气，并搅拌至固体完全分散在油酸和二苄醚中；

(4)加热到290℃，反应30min；

(5)反应结束后，待温度降至室温，向反应体系中加入无水乙醇；

(6)静置过夜，出现黑色固体沉淀，用乙醇和甲苯清洗固体沉淀数次，之后分散在甲苯中，得到磁性纳米材料。

(二)功能磁性纳米材料的制备：

(1)将聚丙烯酸(PAA)溶解在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，加入EDC和三乙胺搅拌15min活化羧基；

(2)加入多巴胺(DA)继续搅拌过夜，反应完全后加入EDC/NHS活化羧基15min，接着加入氨基化聚乙二醇(PEG-NH₂)继续搅拌过夜；

(3)将步骤(2)的产物透析、冷冻干燥后得到粉末产物DA-PAA-PEG；

(4)称量等质量的磁性纳米材料和DA-PAA-PEG均匀分散在的DMF中，超声50min，磁搅拌过夜，得到水溶性磁性纳米材料；

(5)将水溶性磁性纳米材料溶解在pH值为4.2的MES缓冲液中，加入EDC/NHS活化15min后，加入2倍体积的碱性PBS缓冲液，接着迅速加入表皮生长因子(EGF)室温搅拌过夜，即制得功能磁性纳米材料。

对制得的功能磁性纳米材料进行表征测试，具体步骤如下：

(1)将功能磁性纳米材料水洗后，分散在PBS缓冲液中；

(2)进行灭菌处理后，与脑肿瘤细胞共培养24h，并用培养基洗去多余的功能磁性纳米材料；

(3)将细胞暴露在超低频磁场中，30min后观察细胞的形貌和结构。

图1为功能磁性纳米材料的TEM图谱，由图1可以看出，功能磁性纳米材料呈立方体状，尺寸均一且大都分布在65nm左右，表明制备出了纳米级的功能磁性纳米材料。

图2为功能磁性纳米材料的磁化曲线图谱，由图2可以看出，功能磁性纳米材料有较高的饱和磁化强度(98emu/g)。

图3为实施例1中制备得到的功能磁性纳米材料的水力学直径分布图谱，由图3可以看出，功能磁性纳米材料的粒径分布均匀，且达到了纳米级别。

图4为功能磁性纳米材料用于脑肿瘤细胞治疗的细胞TEM图谱，由图4可以看出，经过功能磁性纳米材料1的作用之后，脑肿瘤细胞2内的溶酶体膜结构明显受到破坏，细胞呈现凋亡状态。

实施例2：

一种对超低频磁场敏感的功能磁性纳米材料，其制备方法具体包括以下步骤：

(1)磁性纳米材料的制备：

(1-1)分别将按摩尔比3:1称量的乙酰丙酮锌及乙酰丙酮铁加入至油酸与二苄醚的混合物中，使每1mL油酸与二苄醚混合物中，加入20mg乙酰丙酮锌，之后通入氩气作为保护气，搅拌至混合均匀，其中，油酸与二苄醚的体积比为1:10；

(1-2)在280℃下反应35min，冷却后加入无水乙醇，其中，无水乙醇与步骤(1-1)中油酸与二苄醚混合物的体积比为1:4；

(1-3)静置4h后得到固体沉淀，将该固体沉淀用乙醇洗涤后，分散于甲苯中，使每1mL甲苯中，加入8mg固体沉淀，即得到磁性纳米材料；

(2)功能磁性纳米材料的制备：

(2-1)将聚丙烯酸溶于N,N-二甲基甲酰胺中，之后分别加入EDC及三乙胺，搅拌10min以活化聚丙烯酸的羧基，再加入多巴胺，使聚丙烯酸与多巴胺的质量比为3:7，搅拌使其充分反应，其中，每1mL N,N-二甲基甲酰胺中加入4mg聚丙烯酸，聚丙烯酸、EDC及三乙胺的质量比为18:92:1；

(2-2)加入氨基化聚乙二醇，使氨基化聚乙二醇与步骤(2-1)中多巴胺的质量比为125:21，搅拌使其充分反应，后经透析、干燥，得到多巴胺-聚丙烯酸-聚乙二醇；

(2-3)分别将按质量比1:0.8称取的磁性纳米材料及多巴胺-聚丙烯酸-聚乙二醇溶于N,N-二甲基甲酰胺中，使每1mL N,N-二甲基甲酰胺中，加入1.1mg磁性纳米材料，超声40min后，搅拌使其充分反应，得到水溶性磁性纳米材料；

(2-4)将水溶性磁性纳米材料溶于pH值为4的MES缓冲液中，使每1mL MES缓冲液中，加入4mg水溶性磁性纳米材料，之后分别加入EDC及NHS，搅拌10min以活化羧基，其中，水溶性磁性纳米材料、EDC及NHS的质量比为8:45:70，之后再加入pH值为8.5的PBS缓冲液，使MES缓冲液与PBS缓冲液的体积比为1:1，之后加入表皮生长因子作为靶向基团，使靶向基团与水溶性磁性纳米材料的质量比为1:17，搅拌使其充分反应，即得到功能磁性纳米材料。

实施例3：

一种对超低频磁场敏感的功能磁性纳米材料，其制备方法具体包括以下步骤：

(1)磁性纳米材料的制备：

(1-1)分别将按摩尔比3:3称量的乙酰丙酮锌及乙酰丙酮铁加入至油酸与二苄醚的混合物中，使每1mL油酸与二苄醚混合物中，加入30mg乙酰丙酮锌，之后通入氩气作为保护气，搅拌至混合均匀，其中，油酸与二苄醚的体积比为2:10；

(1-2)在300℃下反应25min，冷却后加入无水乙醇，其中，无水乙醇与步骤(1-1)中油酸与二苄醚混合物的体积比为1:6；

(1-3)静置12h后得到固体沉淀，将该固体沉淀用甲苯洗涤后，分散于甲苯中，使每1mL甲苯中，加入12mg固体沉淀，即得到磁性纳米材料；

(2)功能磁性纳米材料的制备：

(2-1)将聚丙烯酸溶于N,N-二甲基甲酰胺中，之后分别加入EDC及三乙胺，搅拌20min以活化聚丙烯酸的羧基，再加入多巴胺，使聚丙烯酸与多巴胺的质量比为3:10，搅拌使其充分反应，其中，每1mL N,N-二甲基甲酰胺中加入3mg聚丙烯酸，聚丙烯酸、EDC及三乙胺的质量比为18:98:0.5；

(2-2)加入氨基化聚乙二醇，使氨基化聚乙二醇与步骤(2-1)中多巴胺的质量比为125:27，搅拌使其充分反应，后经透析、干燥，得到多巴胺-聚丙烯酸-聚乙二醇；

(2-3)分别将按质量比1:1.5称取的磁性纳米材料及多巴胺-聚丙烯酸-聚乙二醇溶于N,N-二甲基甲酰胺中，使每1mL N,N-二甲基甲酰胺中，加入0.8mg磁性纳米材料，超声60min后，搅拌使其充分反应，得到水溶性磁性纳米材料；

(2-4)将水溶性磁性纳米材料溶于pH值为4.5的MES缓冲液中，使每1mL MES缓冲液中，加入2mg水溶性磁性纳米材料，之后分别加入EDC及NHS，搅拌20min以活化羧基，其中，水溶性磁性纳米材料、EDC及NHS的质量比为8:50:65，之后再加入pH值为9.5的PBS缓冲液，使MES缓冲液与PBS缓冲液的体积比为1:3，之后加入HER2抗体作为靶向基团，使靶向基团与水溶性磁性纳米材料的质量比为1:23，搅拌使其充分反应，即得到功能磁性纳米材料。

实施例4：

一种对超低频磁场敏感的功能磁性纳米材料，其制备方法具体包括以下步骤：

(1)磁性纳米材料的制备：

(1-1)分别将按摩尔比3:2称量的乙酰丙酮锌及乙酰丙酮铁加入至油酸与二苄醚的混合物中，使每1mL油酸与二苄醚混合物中，加入25mg乙酰丙酮锌，之后通入氩气作为保护气，搅拌至混合均匀，其中，油酸与二苄醚的体积比为1.2:10；

(1-2)在290℃下反应30min，冷却后加入无水乙醇，其中，无水乙醇与步骤(1-1)中油酸与二苄醚混合物的体积比为1:5；

(1-3)静置8h后得到固体沉淀，将该固体沉淀分别用乙醇和甲苯洗涤后，分散于甲苯中，使每1mL甲苯中，加入10mg固体沉淀，即得到磁性纳米材料；

(2)功能磁性纳米材料的制备：

(2-1)将聚丙烯酸溶于N,N-二甲基甲酰胺中，之后分别加入EDC及三乙胺，搅拌15min以活化聚丙烯酸的羧基，再加入多巴胺，使聚丙烯酸与多巴胺的质量比为3:8，搅拌使其充分反应，其中，每1mL N,N-二甲基甲酰胺中加入3.6mg聚丙烯酸，聚丙烯酸、EDC及三乙胺的质量比为18:95.85:0.76；

(2-2)加入氨基化聚乙二醇，使氨基化聚乙二醇与步骤(2-1)中多巴胺的质量比为125:24，搅拌使其充分反应，后经透析、干燥，得到多巴胺-聚丙烯酸-聚乙二醇；

(2-3)分别将按质量比1:1称取的磁性纳米材料及多巴胺-聚丙烯酸-聚乙二醇溶于N,N-二甲基甲酰胺中，使每1mL N,N-二甲基甲酰胺中，加入1mg磁性纳米材料，超声50min后，搅拌使其充分反应，得到水溶性磁性纳米材料；

(2-4)将水溶性磁性纳米材料溶于pH值为4.3的MES缓冲液中，使每1mL MES缓冲液中，加入3mg水溶性磁性纳米材料，之后分别加入EDC及NHS，搅拌15min以活化羧基，其中，水溶性磁性纳米材料、EDC及NHS的质量比为8:49:69，之后再加入pH值为9的PBS缓冲液，使MES缓冲液与PBS缓冲液的体积比为1:2，之后加入PSMA抗体作为靶向基团，使靶向基团与水溶性磁性纳米材料的质量比为1:20，搅拌使其充分反应，即得到功能磁性纳米材料。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。