多功能含钆空心介孔普鲁士蓝纳米诊疗剂及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米材料技术领域和生物医学材料领域，具体涉及一种具有优异的核磁共振成像(MRI)，光声成像以及光热转换性能的含钆空心介孔普鲁士蓝(HGPB)纳米粒子，作为一种实现多模式成像引导下对肿瘤热疗，化疗等治疗的多功能纳米诊疗剂及其制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，恶性肿瘤的发病率在我国呈现显著的增长趋势。恶性肿瘤已超过心血管疾病，成为城市居民首要致死病因，严重威胁人类的生命与健康，给社会、家庭和个人带来极大的负担和痛苦。国际上对恶性肿瘤的治疗黄金准则是，早发现早治疗，争取在肿瘤细胞未扩散前实现肿瘤高效治疗，以挽救更多的生命。因此，研究和发展高性能、低成本、使用方便的肿瘤早期检测与治疗，特别是早期肿瘤普查和术中监控成像及高效肿瘤治疗技术是我国社会与科技发展战略的特别需要，具有巨大的科学意义。
[0003]肿瘤的早期诊断与治疗一直是医学界的难题和研究热点，特别是兼具有诊断和监控、治疗等功能为一体的关键科学技术研究更是科学界关注的热点。磁共振成像(Magneticresonace imaging, MRI)利用生物体不同组织在外磁场影响下产生不同的共振信号来成像，信号的强弱取决于组织内水的含量和水分子中质子的弛豫时间。此成像技术具有非侵入性诊断、高分辨解剖学成像和定量评估发病机理等优点，在临床上得到了广泛的应用。?\加权磁共振成像技术使信号强度增强，具有更高的检测准确性，因此成为MRI研究的热点。Gd的配合物在临床MRI疾病的诊断中发挥了重要的作用。光声成像是近年来发展起来的一种无损医学成像方法，其原理是当脉冲激光照射到生物组织中时，组织的光吸收将产生光声信号，生物组织的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过测量光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像，成为目前开展癌症早期检测和治疗监控的重要手段之一。
[0004]据统计几乎所有病人会发生严重的毒副作用，90%病人出现不同程度的耐药性，半数以上初诊患者出现肿瘤转移等。纳米生物技术的出现为肿瘤的高效治疗和减少毒副作用提供了新的途径。近年来一种基于纳米载体的新颖的光热治疗技术引起了广泛的关注。它将具有近红外光热转换功能的纳米载体材料，选择性累积到肿瘤部位，然后仅对肿瘤区域局部实施近红外光照，使肿瘤细胞间和细胞内的纳米材料吸收近红外光，并高效地转化为热能，使肿瘤产生局部超高温度，从而轻易将肿瘤细胞杀死。这种近红外光介导的热量肿瘤靶向传递，保证了治疗中不会对正常组织造成损伤，显著提高了热疗的安全性与有效性。这种治疗模式即为肿瘤“光热治疗”，其最大特点是从理论上实现了对几乎所有实体肿瘤的有效治疗，包括对放化疗失败和产生耐药性肿瘤的高效治疗，同时不会产生放化疗伴随的毒副作用而导致的患者生存质量下降。
[0005]因此，若能提供一种能同时作为有效的核磁共振成像和光声成像造影剂，且可以对肿瘤实现光热治疗和化疗的纳米诊疗剂，将具有良好的临床应用前景。
[0006]中国专利CN102397562A公开一种由普鲁士蓝负载Gd3+的造影剂，中国专利CN103449477A公开一种含有钆元素的普鲁士蓝纳米材料造影剂，但是这些造影剂中，钆仅吸附于普鲁士蓝中，而且普鲁士蓝粒子不具有空腔和介孔，无法装载抗肿瘤药物等。此外这些造影剂不能对其近红外吸收进行有效地调节，不仅不能实现更加高效的光声成像和光热治疗，还不能作为灵敏度可调控的化学探针。
【发明内容】
[0007]针对现有技术所存在的上述问题和需求，本发明旨在提供一种多功能含钆空心介孔普鲁士蓝的纳米诊疗剂及其制备方法和用于肿瘤等重大疾病的准确诊断和高效治疗方面的生物医学应用。
[0008]—方面，本发明提供一种多功能含钆空心介孔普鲁士蓝纳米诊疗剂，所述纳米诊疗剂为具有介孔且内部空心的含钆普鲁士蓝纳米颗粒，其中铁元素与钆元素的摩尔比为(0.8 ?200)
[0009]本发明的空心介孔纳米诊疗剂生物相容性好，?\加权磁共振成像性能优异，在近红外区域具有强吸收，且具有优异的光热转换性能，相比于其他普鲁士蓝的纳米粒子在成像和治疗肿瘤方面都有提升。基于HGPB的纳米诊疗系统中，通过调节铁钆的比例，实现对其核磁共振成像性能进行调节，铁钆的比例越小，其纵向弛豫率就越大，加权核磁共振成像性能越好；由于钆离子在结构中不同的位置，影响氰桥以及与之结合的离子电子密度和轨道能量，通过调节铁钆的比例，就可以实现HGPB在近红外区域的吸收，从而实现对光声成像和光热治疗效率的调控。此外，由于其空心介孔结构、良好的生物相容性和生物安全性，赋予了其作为药物载体的巨大应用潜力，可以实现对化疗药物等的担载。该纳米诊疗系统大大提高了对肿瘤的诊断和治疗效率，达到诊断和治疗一体化的目的，解决了传统肿瘤光热治疗中热量在肿瘤内部分布不均对肿瘤消融不完全，导致肿瘤易于复发、化疗毒副作用大等临床应用难题，具有良好的临床应用前景。
[0010]较佳地，所述纳米颗粒的动力学光散射粒径为100?600nm，空腔的尺寸范围为80 ?200nm。
[0011]较佳地，所述纳米颗粒具有微孔和介孔，其中微孔的大小为0.5?2nm，介孔的大小为2.5?15nm。
[0012]较佳地，在所述纳米颗粒的空腔和/或孔道中装载有抗肿瘤药物和/或基因。
[0013]另一方面，本发明提供上述多功能含钆空心介孔普鲁士蓝纳米诊疗剂的制备方法，包括以下步骤:
(1)将均匀分散有钆源、铁源、具有良好生物相容性和还原性的有机高分子保护剂和酸的混合溶液在60?120°C保温一段时间后，分离出固体，即得含钆的普鲁士蓝纳米粒子；
(2)将所得的含钆的普鲁士蓝纳米粒子与具有良好生物相容性和还原性的有机高分子保护剂和酸混合均匀并于100?160°C保温一段时间后，分离出固体，即得所述纳米诊疗剂。
[0014]本发明的制备方法原料价格低廉易得、制备方法简单、易于批量生产。
[0015]较佳地，步骤(1)中，所述钆源为钆的水溶性盐，所述铁源为铁氰化钾、铁氰化钠和亚铁氰化钾中的至少一种，所述具有良好生物相容性和还原性的有机高分子保护剂为聚乙烯吡咯烷酮和/或壳聚糖，所述酸为盐酸和/或硫酸。
[0016]较佳地，步骤(1)中，在所述混合溶液中，钆源、铁源、具有良好生物相容性和还原性的有机高分子保护剂的质量比为1: (0.2?100): (100?2000)，所述钆源的浓度为
0.01?0.5mol/L，所述酸的浓度为0.0001?2mol/L，保温时间为4?72小时。
[0017]较佳地，步骤(1)中，所述混合溶液的制备包括以下步骤:
a)将钆源、聚乙烯吡咯烷酮和酸充分混合形成钆源，以及将铁源、聚乙烯吡咯烷酮和酸充分混合形成铁源溶液；
b)在搅拌下将钆源溶液滴加到铁源溶液中，滴加完毕后继续搅拌1?6小时。
[0018]较佳地，步骤⑵中，所述具有良好生物相容性和还原性的有机高分子保护剂为聚乙烯吡咯烷酮和/或壳聚糖，所述酸为盐酸和/或硫酸，所述酸的浓度为1?4mol/L。
[0019]较佳地，步骤⑵中，含钆的普鲁士蓝纳米粒子、具有良好生物相容性和还原性的有机高分子保护剂、酸的质量比为1: (0.5?10): (0.5?5)，保温时间为1?5小时。
[0020]再一方面，本发明还提供上述多功能含钆空心介孔普鲁士蓝纳米诊疗剂在制备兼具核磁共振成像、光声成像和光热治疗作用的纳米诊疗剂中的应用，或者在制备介质折射率传感器中的应用。
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例1所得HGPB纳米粒子的透射电子显微镜(TEM)照片以及制备流程；
图2为本实施例1所得HGPB纳米粒子的元素mapping图(Gd、Fe、C、N和K)；
图3为本发明实施例1所得HGPB纳米粒子对应的UV?vis吸收曲线；
图4实施例1所得不同浓度的HGPB纳米粒子在激光的照射下，溶液温度随时间的变化曲线图；
图5为本发明实施例1所得不同浓度HGPB纳米粒子的光声信号值曲线以及对应的光声图片；
图6为本发明实施例1所得HGPB纳米粒子的体外1/?\?浓度曲线图；
图7为本发明实施例1所得HGPB纳米粒子的体外1/Τ2?浓度曲线图；
图8为本发明实施例1中制备的含有不同钆量的HGPB纳米粒子溶液的UV?vis吸收曲线；图9为本发明实施例1所得HGPB纳米粒子的折射率与最大吸收峰的关系曲线。
【具体实施方式】
[0022]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0023]本发明针对现有核磁共振成像造影剂在临床应用上的瓶颈，通过在普鲁士蓝结构中引入钆元素，在近红外区域具有可调控性，形成多功能纳米诊疗剂。该纳米诊疗剂可以作为有效的核磁共振成像和光声成像造影剂，用于肿瘤的诊断和监控治疗过程以及治疗效率。此外，该纳米粒子可以对肿瘤实现光热治疗，有效地消除肿瘤。
[0024]本发明提供了一种多功能含钆空心介孔普鲁士蓝(HGPB)纳米粒子，所述的HGPB纳米粒子包括具有介孔、内部空心