水溶性MnS纳米颗粒的制备方法及该纳米颗粒作为磁共振成像造影剂的用途与流程

本发明涉及化学合成领域，具体而言，涉及一种水中均匀分散的MnS纳米颗粒的制备方法，以及该MnS纳米颗粒作为磁共振成像造影剂的用途。

背景技术：
磁共振成像(MRI)是医学领域中一项重要的影像诊断技术，该技术利用磁共振现象从人体中获得电磁信号，并构建出人体结构信息，进而诊断疾病。由于一些顺磁和超顺磁粒子中电子自旋产生的举办磁场能够改变其临近的氢核的磁共振弛豫时间T1和T2，并且这些粒子在组成不同的地方聚集的浓度较高，所以通常用作造影剂来提高核磁共振成像的对比度。目前商品化的MRI造影剂主要是含Gd、Mn的配位大分子类化合物，例如马根维显(Gd-DTPA)、莫迪斯(Gd-BOPTA)、泰乐影(Mn-DPDP)等。但是它们的造影性能与安全性能有待进一步提高，因此近年来人们开始研究新型的纳米磁共振造影剂。例如Md.WasiAhmad等人报道了Gd2O3纳米颗粒的制备和作为造影剂的应用(potentialdualimagingnanoparticle:Gd2O3nanoparticle,scientificreports,doi:10.1038/srep08549,2015年2月24日)。然而Gd具有较高的毒性，容易引发系统性肾原纤维化疾病和肾原纤维化皮肤病。为此，基于Mn的低毒性纳米造影剂有望取代含Gd的造影剂，如CN102614533A中报道了一种水溶性MnO造影剂的制备方法和应用，J.Xiao等人报道了Mn3O4作为造影剂的应用(ultrahighrelaxivityandsafeprobesofmanganeseoxidenamoparticlesforinvivoimaging,scientificreports, doi:10.1038/srep03424,2013年12月5日)。CN104225629A中公开了一种KMnF3的造影剂的制备方法及用途。然而上述现有技术中含锰纳米造影剂仍然存在弛豫效率和稳定性较较低的现状，因此研究制备毒性小、弛豫效率高、稳定性好的T1造影剂仍然是化学领域和医学领域共同面临的挑战之一。

技术实现要素：
本发明的一个目的在于提供一种水中均匀分散的MnS纳米颗粒的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：步骤1：将摩尔比为1:3的MnCl2和硫代乙酰胺加入容器中，然后顺次加入辛醇、辛胺、丙酮和油酸作为反应溶剂，搅拌混合均匀。之后移入反应釜的聚四氟乙烯内衬中，充氮气2至30分钟，排除内衬里的空气。拧紧釜盖后将反应釜放入到100-200℃的电热鼓风干燥箱中，并保持30分钟至6小时。反应完成后取出反应釜自然冷却到室温状态，将反应釜中的反应物离心，去除上清液，得到了MnS沉淀。其中基于1摩尔的MnCl2，作为反应溶剂的辛醇、辛胺、丙酮和油酸的总体积为20L-100L。作为溶剂的辛醇、辛胺、丙酮和油酸的重量比为3:2-4:1-3:0.5-1。步骤2：将步骤1中得到的MnS沉淀分散在环己烷中，存放于带有聚四氟乙烯盖子的安碚瓶中，摇匀静置使MnS沉淀均匀分散在环己烷中，形成棕黄色均一、透明状溶液；其中基于1摩尔的MnS沉淀，环己烷的体积为1L-20L。步骤3：将0.1至0.15重量份的二水合柠檬酸钠溶解在10重量份的二次 水中，配制成柠檬酸钠的水溶液；取0.5-1重量份的步骤2中得到的MnS的环己烷溶液，加入到柠檬酸钠的水溶液中，在80至90℃下剧烈搅拌5至20分钟，将MnS由有机相转移到水相中，同时并蒸发掉环己烷，得到黄色均一透明的MnS分散的水溶液。优选地，根据本发明的均匀分散的MnS纳米颗粒的制备方法，其中在步骤1中电热鼓风干燥箱温度为120-180℃，反应釜保持1小时至5小时；其中基于1摩尔的MnCl2，作为反应溶剂的辛醇、辛胺、丙酮和油酸的总体积优选为30L-70L；作为溶剂的辛醇、辛胺、丙酮和油酸的重量比为3:3:1-3:0.5-1。步骤2中基于1摩尔的MnS沉淀，环己烷的体积为5L-15L。优选地，根据本发明的均匀分散的MnS纳米颗粒的制备方法，其中在步骤1中在电热鼓风干燥箱中反应釜保持1小时至3小时；其中基于1摩尔的MnCl2，作为反应溶剂的辛醇、辛胺、丙酮和油酸的总体积为优选为35L-60L，最优选为50L；作为溶剂的辛醇、辛胺、丙酮和油酸的重量比优选为3:3:3:1。步骤2中基于1摩尔的MnS沉淀，环己烷的体积为7L-12L，最优选为10L。本发明的另一个目的在于提供一种由上述方法制备的水中均匀分散的MnS纳米颗粒。本发明的另一个目的在于提供MnS纳米颗粒作为新型的磁共振造影剂的用途。有益效果根据本发明的MnS纳米颗粒作为MRI造影剂具有低的毒性、高纵向弛 豫效率r1、高度稳定性，以及良好的成像效果。附图说明图1为根据实施例1中步骤2得到的MnS沉淀的XRD图谱；图2a和图2b为根据实施例1中步骤2得到的MnS沉淀的不同放大倍数的TEM照片；图3为根据实施例1中步骤2得到的MnS沉淀的SEM照片；图4为根据实施例1中步骤2得到的MnS沉淀的XPS图谱；图5a为根据实施例1中步骤2得到的MnS沉淀的SAED图，5b为根据实施例1中步骤2得到的MnS分散在环己烷中的光学图片，图5c为根据实施例1中步骤2得到的MnS纳米颗粒的HRTEM图，图5d为根据实施例1中步骤2得到的MnS纳米颗粒的EDX图谱；图6为根据实施例1中步骤3得到的经过相转移后的MnS纳米颗粒的TEM照片；图7a和图7b分别为根据实施例1中步骤2得到的MnS纳米颗粒(相转移前)和步骤3得到的MnS纳米颗粒(相转移后)的IR光谱图；图8a和图8b分别为MnS纳米颗粒在水溶液和BSA溶液中的纵向弛豫率的测量图；图9a和图9b分别为MnS纳米颗粒的水溶液和BSA溶液的加权成像图片；图10为α-MnS纳米颗粒的细胞毒性测试图；图11a和图11b分别为造影剂老鼠体内肾脏和肝脏造影及代谢过程的动态图片；图12为显影增强效果的定量图；图13为根据对比实施例1得到的MnS沉淀的TEM照片；图14为根据对比实施例2得到的MnS沉淀的TEM照片；图15为根据对比实施例3得到的MnS沉淀的TEM照片。具体实施方式根据本发明的均匀分散的MnS纳米颗粒的制备方法，其中在步骤1中采用辛醇、辛胺、丙酮和油酸作为反应溶剂，所述辛醇、辛胺、丙酮和油酸的重量比为3:2-4:1-3:0.5-1，优选为3:3:1-3:0.5-1，更优选为3:3:3:1。所述辛胺具有一定的还原性，所述油酸为表面活性剂。通过调节各种组分的比例可以影响产品的形貌，例如当辛醇:辛胺:丙酮:油酸为3:5:3:2和3:5:3:4时，甚至无法得到MnS沉淀，这说明辛胺为MnCl2和硫代乙酰胺的反应提供了还原性的反应条件，并且当辛胺过量时，反而妨碍了反应的进行，即使通过加大作为表面活性剂的油酸用量，也无法使反应顺利进行。然而当不含有辛胺时，虽然可以得到MnS沉淀，但颗粒粒径过大，且不能形成形貌规整的颗粒，因此适当的辛胺还原性反应条件对本发明的反应的顺利进行非常重要。其中油酸为表面活性剂，当反应溶剂中不包含油酸时，反应产物MnS沉淀团聚严重，且颗粒粒径不够均匀。另外，步骤1中反应温度为100-200℃，优选为120-180℃。当反应温度过高时，颗粒团聚严重，且后期在环己烷中不易分散；而反应温度低于100℃时，反应不能完全进行。因此通过作为反应溶剂的各组分的配比以及例如反应温度和反应时间等 反应条件，可以控制最终产物的形貌、粒度分布等性质。在步骤3中采用二水合柠檬酸钠作为MnS相转移的助剂，基于100重量份的溶剂二次水，所述二水合柠檬酸钠的量为1至1.5重量份，当所述二水合柠檬酸钠小于该范围时，则MnS不能实现完全相转移。以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。实施例1步骤1：称量0.0252gMnCl2(0.2mmol)和0.0452g硫代乙酰胺(0.6mmol)，放在洁净的小烧杯中，顺次加入3mL辛醇、3mL辛胺、3mL丙酮、1mL油酸，搅拌10分钟使其混合均匀，之后移入20mL反应釜的聚四氟乙烯内衬中，充N25分钟，排除内衬里的空气。拧紧釜盖后将反应釜放入到150度的电热鼓风干燥箱中，并保持60分钟。反应结束后取出反应釜自然冷却到室温状态，离心，去除上清液，得到了MnS沉淀。步骤2：将步骤1中得到MnS沉淀分散在2mL环己烷中，存放于带有聚四氟乙烯盖子的安碚瓶中，摇匀静置，沉淀很好的分散在环己烷中，形成棕黄色、均一、透明状溶液。步骤3：称量0.125g二水合柠檬酸钠溶解在10mL的二次水中配制成柠檬酸钠水溶液。用1mL移液枪量取0.7mL在步骤2中得到的MnS的环己烷分散溶液，加入到柠檬酸钠的水溶液中，在90度下，剧烈搅拌大约15分钟，成功将MnS由有机相转移到水相中，同时并蒸发掉环己烷，得到黄色均一透明的MnS的水溶液。图1为根据实施例1中步骤2得到的MnS沉淀的XRD图谱，其中峰强度比较高、峰宽比较窄表明产物结晶度高，且没有其他的杂质峰出现表明所合成的MnS纳米颗粒纯度高，杂质含量小。得到的MnS纳米颗粒的晶胞参数由JADE5计算得到：a＝5.224nm、b＝5.224nm、c＝5.224nm。所合成的α-MnS纳米团簇为立方相，空间群为Fm3m(225)，对应的标准卡片号为06-0518(a＝5.223nm、b＝5.223nm、c＝5.223nm)，计算值与标准卡片基本相吻合。图2a和图2b为根据实施例1中步骤2得到的MnS沉淀的不同放大倍数的TEM照片，该TEM照片表明合成的MnS纳米颗粒在环己烷体系中分散性很好、形貌可控、尺寸均匀，粒径大约为90nm左右。图2b更好地表明合成的MnS纳米颗粒的尺寸与形貌，而且表明该纳米颗粒可能由许多小颗粒构成。图3为根据实施例1中步骤2得到的MnS沉淀的SEM照片，该照片表明所合成的MnS纳米颗粒为单分散的纳米颗粒结构，表面粗糙，粒径大约为90nm左右。但是因为颗粒较小，更高放大倍数的SEM图无法获得。图4为根据实施例1中步骤2得到的MnS沉淀的XPS图谱，其中图谱a出现Mn、S、O、C的峰，C和O来自于分子表面的有机物，这表明样品含有Mn和S元素，在误差允许的范围内，从峰面积可以计算出Mn和S的摩尔比大约是1:1；图谱b是Mn2p轨道的高分辨XPS：653.4eV和641.0eV分别是Mn2+的2p1/2和2p3/2的结合能，645.4eV和658.2eV分别是他们半峰；图谱c是S的2p轨道的高分辨XPS图谱，其中161.8eV和160.8eV分别是S2p1/2andS2p3/2的结合能，表明S是以负二价的形式存在。Mn2p和S2p图谱与文献中报道的MnS的数据基本一致。图5a为根据实施例1中步骤2得到的MnS沉淀的SAED图，其表明所合成的MnS纳米颗粒为多晶，而且还可以看到几个晶面；图5b为根据实施例1中步骤2得到的MnS分散在环己烷中的光学图片，其中可以看到MnS很好的分散在环己烷中，形成了棕黄色均匀透明的真溶液，且丁达尔效应非常明显；图5c为根据实施例1中步骤2得到的MnS纳米颗粒的HRTEM图，其中可以清晰的看到纳米颗粒的晶格条纹，进一步表明所合成的纳米颗粒结晶度高，图中面间距大约为0.18nm，对应立方相MnS(220)的面间距；图5d为根据实施例1中步骤2得到的MnS纳米颗粒的EDX图谱，该图谱出现Mn、S、C、Cu元素，其中C、Cu来源于碳支持膜，S与Mn的摩尔比大约是1.07:1，表明两元素以MnS的形式存在。图6为根据实施例1中步骤3得到的经过相转移后的MnS纳米颗粒的TEM照片，由该照片可以看到经过相转移后的MnS纳米颗粒分散成了粒径为5nm左右的纳米颗粒，且纳米颗粒在水溶液中稳定的单分散开来，该纳米颗粒可以更好的用来MRI成像。图7a为根据实施例1中步骤2得到的MnS纳米颗粒(相转移前)的IR光谱图，图7b为根据实施例1中步骤3得到的MnS纳米颗粒(相转移后)的IR光谱图，其中624cm-1位置处为Mn-S键的振动峰，表明转相前后，未破坏Mn-S键。2925cm-1位置处的C-H键振动峰在相转移后消失，表明MnS从有机相转移到水相。而且由于溶剂的变化，峰的位置发生了移动、峰面积也有所变化。实验实施例1：弛豫率及造影效果的测量1、用水稀释用二次水将实施例1中制备的MnS水溶液稀释成5份不同浓度梯度的溶液，溶液浓度由ICP-MS测得分别为0.063mM、0.157mM、0.314mM、0.471mM、0.550mM。将5份样品分别称装在小型离心管中，待用。打开MRIAnalyzing&ImagingsystemMicroMR20-025H-I仪器的射频开关，队列名称设为Q-FID，将标准油样放入石英管中，放入25mm探头线圈内，调整参数。队列名称设为Q-IR，然后将标准油样换为浓度最小的样品，放入石英管中，获得Tw(重复采样等待时间)和NTI(反转时间个数)。再将标准油样换为浓度最大的标准油样，得到T值，用于后面加权成像的使用。接着进行造影剂的测量，新建一个测量项目，将测量名称、参数队列、样品序列均填写完全，依次测量上述5份不同浓度的样品，结果中，斜率即为弛豫率。结果表明实施例1中制备的MnS水溶液产物的纵向弛豫率为3.401s-1mM-1。接着，进行加权成像的测量。打开梯度开关，首先用标准油样确定参数，进行预扫描，设置选择合适的位置、厚度和视野大小。之后依次放入上述5份不同浓度梯度的样品，保存图像。2、用BSA溶液稀释称取0.482g的BSA(牛血清白蛋白)，加二次水10mL，配制生理浓度的BSA溶液(0.725mM)。用该浓度的BSA溶液稀释转相后的MnS的水溶液，配制成不同浓度梯度的MnS·BSA溶液(0.157mM、0.314mM、0.471mM、0.550mM)。然后如同上述1中所述相同的方式测量纵向弛豫率及造影效果。结果表明MnS·BSA溶液的纵向弛豫率为8.695s-1mM-1。图8a和图8b分别为MnS纳米颗粒在水溶液和BSA溶液中的纵向弛豫 率的测量图；其中图8a表明MnS纳米颗粒在水溶液中的纵向弛豫率为3.401s-1mM-1，其中图8b表明MnS纳米颗粒在BSA溶液中的纵向弛豫率为8.695s-1mM-1。通常采用r1(纵向弛豫效率，简称纵向弛豫率)评价T1造影剂的性能，图8中的纵坐标R＝1/T1(R为弛豫速率)。它们之间的关系如下：1/T1＝1/T10+r1*C。其中1/T1为存在造影剂时测出来的弛豫速率，1/T10为纯水的弛豫速率，r1为纵向弛豫效率，C为水溶液的浓度。图9a和图9b分别为MnS纳米颗粒的水溶液和BSA溶液的加权成像图片，可以清晰的看到无论在水溶液还是在BSA溶液中，浓度由小到大，图片越来越亮，造影效果明显。实验实施例2：细胞毒性实验用不同浓度梯度的MnS水溶液(0μg/mL、10μg/mL、30μg/mL、50μg/mL、70μg/mL)培养HepG2细胞12h，计算细胞的存活率。(一)、HepG2细胞培养1、将细胞种于12孔板中，用10％FBS的DMEM培养基培养细胞，待细胞数量达到12孔板的50％左右加入MnS水溶液处理。2、不加MnS水溶液的细胞作为0h细胞数对照，分别用0μg/ml、10μg/ml、30μg/ml、50μg/ml、70μg/ml的Mn处理细胞12h。(二)、细胞计数、数据处理1、0h、12h的MnS水溶液处理后，将10％FBS(胎牛血清)的DMEM培养基吸出，然后用PBS(磷酸盐缓冲溶液)清洗一遍细胞，用1ml4％的多聚甲醛固定细胞。2、用2mlPBST(PBS溶液加上Tween-20后配成的缓冲溶液)洗去多聚甲醛，洗四次共30min。3、用0.5％TritonX100(PBS配制)通透5min。4、用5％FBS(PBST配制)封闭30min。5、室温避光孵育DAPI(荧光染料的一种)，1h。6、用2mlPBST洗去DAPI，洗四次共30min。7、用倒置荧光显微镜拍片。8、用ImageJ软件进行计数，处理数据后，在Excel中作图。图10为α-MnS纳米颗粒的细胞毒性测试的数据图，从图中可以看到细胞存活率均在80％以上，说明可以用于活体成像。实验实施例3：活体成像实验进行活体成像，检测造影剂在老鼠体内造影及代谢过程。实验所用的老鼠体重约为20g，从斯派克实验中心购买，所用核磁共振成像仪器的型号为MesoMR60，参数设置如下：FOVRead＝100mm，FOVPhase＝100mm，TR＝300ms，TE＝13.5ms，SliceWidth＝3.0mm，SliceGap＝0.5mm，NS＝8，K空间大小192*256。待老鼠麻醉后，放入40mm探头线圈内，使用核磁共振成像软件及MSE序列采集老鼠的冠状面图像，通过MRI-T1加权成像观察其造影代谢过程，分别在注射药品前0min、注射药品后(12.5umol/kg，100μL的样品溶液)的10min、1h、4h成像，结果以bmp格式保存。图11a和图11b分别为造影剂老鼠体内肾脏和肝脏造影及代谢过程的动态图片，其中图a可清晰的看到小鼠肾脏在注射造影剂之前、注射造影剂10min、1h、4h之后的变化，造影剂在通过尾静脉注入老鼠体内，肾脏组织 在造影10min后明显变亮，在60min后肾脏T1造影效果达到最佳，造影4h后肾脏组织基本代谢完毕。图b可清晰的看到小鼠肝脏在注射造影剂之前、注射造影剂10min、1h、4h之后的变化，造影剂在通过尾静脉注入老鼠体内，肾脏组织在造影10min后明显变亮，在60min后肝脏T1造影效果达到最佳，造影4h后肾脏组织基本代谢完毕。从图11中可以看出老鼠通过尾静脉注射造影剂后，对于肝脏及肾脏有造影效果，同样都是在造影10min后发挥效果，在造影60min后T1效果达到最强，代谢4h后基本代谢完毕。图12为显影增强效果的定量图，由该图可以看到：肾脏和肝脏都是在1h左右T1效果达到最佳，肾脏增强效果可提高约30％，肝脏增强效果可提高约32％。对比实施例1按照实施例1中步骤1相同的方式合成MnS，不同之处在于采用3mL辛醇、3mL辛胺、0mL丙酮、1mL油酸作为溶剂，即溶剂不含丙酮。图13为根据本对比实施例得到的MnS沉淀的TEM照片，从照片中可以看到制备的MnS纳米颗粒粒度不均匀，且团聚严重。对比实施例2按照实施例1中步骤1相同的方式合成MnS，不同之处在于采用3mL辛醇、0mL辛胺、3mL丙酮、1mL油酸作为溶剂，即溶剂不含辛胺。图14为根据本对比实施例得到的MnS沉淀的TEM照片，从照片中可以看到制备的MnS颗粒粒度过大，已不再是纳米颗粒的团聚体，后期无法分散。对比实施例3按照实施例1中步骤1相同的方式合成MnS，不同之处在于采用3mL辛醇、3mL辛胺、3mL丙酮、0mL油酸作为溶剂，即溶剂不含油酸。图15为根据本对比实施例得到的MnS沉淀的TEM照片，从照片中可以看到制备的MnS纳米颗粒粒度不均匀，且团聚严重，这将会严重影响作为造影剂的显影效果。根据实施例1和对比实施例1至3的TEM照片比较可以看出，根据本发明的制备方法制备的MnS纳米颗粒粒径分布均匀，且后期易于分散；同时，实验实施例1至3的数据也可以看出根据本发明的制备方法制备的均匀分散的MnS纳米颗粒水溶液可以作为磁共振成像造影剂使用，且成像效果优良。