一种SiO₂空心球超声成像造影剂材料及其制备方法和应用的制作方法

专利名称：一种SiO₂空心球超声成像造影剂材料及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明属于生物医学材料领域，具体涉及一种S^2空心球超声成像造影剂材料及其制备方法和应用。
背景技术：
超声成像是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性质上的差异，以波形、曲线或图像的形式显示和记录，借以进行疾病诊断的检查方法。由于其具有成像和诊断安全及时，对人体无创伤，价格低廉，轻便快捷，运用广泛等优点而具有重要的研究价值。目前在临床上应用已普及，是医学影像学中的重要组成部分。然而不同生物组织之间回波信号的不同常常会妨碍诊断的准确性，且与其他造影技术相比，对比度较低。为了克服这个缺陷， 目前研究者通常采用加入超声成像造影剂的方法得到特定组织的准确信息，所使用的超声造影剂多为由两亲性有机小分子或者聚合物组装而成的微泡。超声造影剂主要成分为微泡，其由两部分组成一是由糖类、脂质体、蛋白质或者多聚化合物构成的外壳，二是由气体(如CO2、全氟碳、SFf^n空气等)构成的核心。它的基本性质就是能够增强组织的回波能力，可以在成像中提高图像的清晰度和对比度，从而提高对疾病检测的灵敏度。目前报道最多的纳米级造影剂是纳米氟烷乳剂，核心是氟烷液体， 外层为脂质可连接配体，制成靶向纳米氟烷乳剂；另外一种是含有全氟丙烷气体的纳米微泡造影剂，由于其内部包裹为气体，故其背向散射回声较其它类型的纳米级造影剂相对较强。目前使用的超声造影剂多为由两亲性有机小分子或者聚合物组装而成的微泡。 这种囊泡存在很多问题，比如粒径难以控制；在超声波的作用下极易破裂，成像时间短，无法长期跟踪观察病变组织；且其在血液循环中的耐压性和稳定性也不够理想；回声特性较差，增强效果不明显。此外，功能化的脂质体或者聚合物的价格昂贵。因此如何构筑高效、 穿透力强、稳定性高、显像效果好的理想超声造影剂仍是目前研究的难点。无机SW2材料具有很好的生物相容性和机械稳定性，较大的比表面积且孔径可调，其表面可以很容易的修饰上氨基、巯基和羧基等官能团，便于与其它的生物活性分子相连接，得到多功能的纳米材料。目前SiO2微球的研究主要在药物运输以及药物释放等方面， 而将其应用于超声成像造影剂却很少见，特别是从纳米到微米级的不同粒径SiA空心球作为超声成像造影剂至今未见报道，因而有待于进一步研究。

发明内容
本发明的目的在于提供一种不同粒径的SiO2空心球超声造影剂材料及其制备方法，并将其应用于体外和体内超声成像。本发明的SiA空心球超声成像造影剂材料，其制备包括以下步骤(1)以直径在100 2000nm之间且粒径均一的聚苯乙烯(PQ微球、聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球或聚酰胺-胺微球为模板分散于乙醇中，升温至50 70°C，加入无机硅源，水解10 30min，然后加入氨水调节pH值至8 10，反应30 60min，再加入带有氨基的有机硅源反应10 12h，取沉淀得到表面带氨基的核壳结构微球；(2)在60 120°C条件下萃取8 IOh去除模板，得到表面带氨基的SW2空心球；(3)将表面带氨基的SW2空心球加入经活化羧基步骤的聚乙二醇(PEG)的二甲基亚砜或者N，N- 二甲基甲酰胺溶液中反应6 10h，取沉淀即得SW2空心球超声成像造影剂。由于聚乙二醇是一个很好的亲水基团，因此得到的SiA空心球具有很好的水溶性和分散性。步骤(1)中微球模板在乙醇分散液中的固含量为0. 5wt% Iwt%。步骤(1)所述的无机硅源为正硅酸乙酯或四甲氧基硅烷。步骤(1)中微球模板与无机硅源的质量比为0. 5 1 1。步骤(1)所述的带有氨基的有机硅源为3-氨基丙基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、 Y -氨基丙基三乙氧基硅烷或3-巯基丙基三甲氧基硅烷。步骤(1)中无机硅源与带有氨基的有机硅源的质量比为8 20 1。步骤O)中优用THF萃取去除模板，所述表面带氨基的核壳结构微球与THF用量比为 0. 5 2mg/mL。步骤(3)所述活化羧基步骤为将PEG溶解在二甲基亚砜(DMSO)中，按照 PEG EDC NHS = 1 1 1 3的摩尔比加入EDC和sulfo-NHS，搅拌活化羧基4 5h。步骤(3)中氨基与羧基的摩尔比为1 0. 8 1. 2。按照上述技术方案所得到的SW2空心球超声成像造影剂，包括SW2空心球，所述 SiO2空心球为中空球形结构，其内径为100 2000nm，壳层厚度为10 50nm，所述二氧化硅空心球上带有氨基并通过氨基与PEG相偶合。本发明所得到的S^2空心球超声成像造影剂常温下非常稳定，生物相容性非常好，在空腔内充入惰性气体后可应用于体内和体外的超声成像。本发明所需的原材料易得，价格低廉，所选用的表面修饰材料为聚乙二醇，其价格适宜，无毒，生物相容性好，常被用于生物医药研究中，是一种非常优良的生物有机大分子。 该发明为超声成像造影剂的合成提供了一种经济实用的新方法，该方法操作过程简单，设备要求低，所得到的不同粒径的S^2空心球分散性好、粒径均勻、表面光滑、空腔尺寸适宜、 壳层厚度均勻可控。


图1为本发明实施例1所制备的带氨基的S^2空心球超声成像造影剂的红外光谱图。图2为本发明实施例1制备的直径IOOnmSiO2空心球超声成像造影剂的透射电镜图。图3为本发明实施例1制备的直径IOOnmSiO2空心球超声成像造影剂在造影条件下的体外超声成像图。图4为本发明实施例2制备的直径200nmSiO2空心球超声成像造影剂的透射电
4镜图。图5为本发明实施例2制备的直径200nm SiO2空心球超声成像造影剂在造影条件下的体外超声成像图。图6为本发明实施例3制备的直径400nm SiO2空心球超声成像造影剂的透射电镜图。图7为本发明实施例3制备的直径400nm SiO2空心球超声成像造影剂在造影条件下的体外超声成像图。图8为没有加入S^2空心球超声成像造影剂时肝脏的体内超声成像图。图9为本发明实施例3制备的直径400nm SiO2空心球超声成像造影剂在造影条件下的肝脏的体内超声成像图。图10为本发明实施例4制备的直径1. 5 μ m SiO2空心球超声成像造影剂的透射电镜图。图11为本发明实施例4制备的直径1. 5 μ m SiO2空心球超声成像造影剂在造影条件下的体外超声成像图。图12为未加造影剂的生理盐水溶液在造影条件下的体外超声成像图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。实施例1 取5g固含量为7%的直径IOOnm的PS微球的无水乙醇分散液加入到40mL无水乙醇中，缓慢磁力搅拌并升温至50°C，待温度稳定后，加入0. 5g正硅酸四乙酯(TEOS)水解 IOmin,再加入5mL浓度为37 %的氨水，调节pH至8 10，继续反应30min，加入0. Ig3_氨基丙基硅烷(APS)，反应12h ；将得到的产物用蒸馏水和无水乙醇各离心洗涤两次，冷冻干燥，即得到表面带氨基的核壳结构PSfgS^2微球。取40mg的表面带氨基的核壳结构微球溶于40mL的四氢呋喃中，置于50mL 反应釜中，在120°C下反应他。用蒸馏水和无水乙醇各离心洗涤两次，冷冻干燥，即得到表面带氨基的S^2空心球。图2为所得到的带氨基的SW2空心球的红外光谱图。从图上看，3435cm-1处为N-H 的伸缩振动特征峰，2976CHT1为C-H的不对称伸缩振动特征峰，288 !^1为C-H的对称伸缩振动特征峰，1632cm-1为N-H的面内伸缩振动特征峰，1086^1为Si-O-Si的伸缩振动特征峰，807CHT1和466CHT1为Si-O的伸缩振动特征峰。由此可知，所制备的微球为表面带氨基的SiO2微球。用Fmoc-Cl法测试带氨基的S^2空心球的氨基密度，测得S^2微球的表面氨基密度。将分子量2000的聚乙二醇20mg(l*I(T2Himol)溶解在20mL的二甲基亚砜(DMSO) 中，按照 PEG EDC NHS= 1 1 2. 5 的摩尔比加入 2mg(l*l(T2mmol) 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和;3mg(2. 5*l(T2mm0l) N-羟基琥珀酰亚胺(sulfo-NHS)， 搅拌4h活化羧基。按照氨基与羧基的摩尔比为1 1的比例加入表面带氨基的SiO2空心球，室温缓慢搅拌10h，使反应充分进行。用蒸馏水和无水乙醇各离心洗涤两次，冷冻干燥， 即可得到生物相容性非常好的，表面修饰上聚乙二醇的SW2空心球。其透射电镜图如图2 所示，从图中可以看出，SiO2空心球尺寸均一，粒径约为lOOnm，具有较大的空腔，分散性良好，壳层厚度约为20nm。该图由JEOL JEM-2100透射电子显微镜测试得到的。将其用于体外超声成像，效果如图3所示，从图中可以看出，所制备的S^2空心球在体外可明显增强超声成像的对比度，显示出明显的超声成像效果，说明S^2空心球可以作为超声成像造影剂。实施例2 取5g固含量约为8%的直径200nm的PS微球的乙醇分散液加入到40mL无水乙醇中，缓慢磁力搅拌并升温至60°C。待温度稳定后，加入0.4g正硅酸四乙酯(TE0Q水解 IOmin,再加入5mL浓度为37 %的氨水，调节pH至8 10，继续反应30min，加入0. 05g 3-氨基丙基硅烷(APS)，反应12h。将得到的产物用蒸馏水和无水乙醇各离心洗涤两次，冷冻干燥，即得到表面带氨基的核壳结构PSfgS^2微球。取40mg的表面带氨基的核壳结构微球溶于50mL的四氢呋喃中，置于50mL 反应釜中，在100°c下反应10h。用蒸馏水和无水乙醇各离心洗涤两次，冷冻干燥，即得到表面带氨基的SiA空心球。用Fmoc-Cl法测试带氨基的S^2空心球的氨基密度，测得S^2微球的表面氨基密度。将分子量2000的聚乙二醇40mg (2*I(T2Himol)溶解在20mL的二甲基亚砜(DMSO) 中，按照 PEG EDC NHS = 1 1 2. 5 的摩尔比加入 4mg (2*l(T2mmol) 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和6mg(5*l(T2mm0l)N-羟基琥珀酰亚胺(sulfo-NHS)， 搅拌4h活化羧基。按照氨基与羧基的摩尔比为1 1的比例加入表面带氨基的SiO2空心球，室温缓慢搅拌6h，使反应充分进行。用蒸馏水和无水乙醇各离心洗涤两次，冷冻干燥， 即可得到生物相容性非常好的，表面修饰上聚乙二醇的SW2空心球。其透射电镜图如图4 所示。从图中可以看出，SW2空心球尺寸均一，粒径约为200nm，具有较大的空腔，分散性良好，壳层厚度约为10nm。将其用于体外超声成像，效果如图5所示，从图中可以看出，SiO2空心球有明显的增强造影作用。实施例3 取5g固含量为8%的直径约400nm的PS微球的乙醇分散液加入到40mL无水乙醇中，缓慢磁力搅拌并升温至50°C。待温度稳定后，加入0.4g正硅酸四乙酯(TE0Q水解 IOmin,再加入5mL浓度为37 %的氨水，调节pH至8 10，继续反应30min，加入0. 04g 3-氨基丙基硅烷(APS)，反应12h。将得到的产物用蒸馏水和无水乙醇各离心洗涤两次，冷冻干燥，即得到表面带氨基的核壳结构PSfgS^2微球。 取40mg的表面带氨基的核壳结构PSOSiA微球溶于40mL的四氢呋喃中，置于50mL 反应釜中，在100°C下反应他。用蒸馏水和无水乙醇各离心洗涤两次，冷冻干燥，即得到表面带氨基的SiA空心球。
用Fmoc-Cl法测试带氨基的S^2空心球的氨基密度，测得S^2微球的表面氨基密度。将分子量2000的聚乙二醇20mg( 1*1 (Γ2_ο 1)溶解在20mL的二甲基亚砜(DMSO) 中，按照 PEG EDC NHS= 1 1 2. 5 的摩尔比加入 2mg(l*l(T2mmol) 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和;3mg(2. 5*l(T2mm0l) N-羟基琥珀酰亚胺(sulfo-NHS)， 搅拌4h活化羧基。按照氨基与羧基的摩尔比为1 1的比例加入表面带氨基的SiO2空心球，室温缓慢搅拌8h，使反应充分进行。用蒸馏水和无水乙醇各离心洗涤两次，冷冻干燥，即可得到生物相容性非常好的，表面修饰上聚乙二醇的SW2空心球。其透射电镜图如图6所示。从图中可以看出，SiO2空心球尺寸均一，粒径约为 400nm，壳层厚度约为20nm。将其用于体外超声成像，效果如图7所示，从图中可以看出，S^2空心球超声成像造影效果非常好。图8为没有加入S^2空心球超声成像造影剂时肝脏的体内超声成像图。将本发明实施例3制备的直径400nm SiO2空心球超声成像造影剂用于体内超声成像，效果如图9所示，虚线圈出的部分为SiO2空心球超声成像造影剂。从图中可以看出， SiO2空心球在体内同样具有明显的增强造影作用。实施例4 取5g固含量为6%的直径约1. 5 μ m的PS微球的乙醇分散液加入到40mL无水乙醇中，缓慢磁力搅拌并升温至50°C。待温度稳定后，加入0.5g正硅酸四乙酯(TE0Q水解 IOmin,再加入5mL浓度为37 %的氨水，调节pH至8 10，继续反应30min，加入0. 05g 3-氨基丙基硅烷(APS)，反应10h。将得到的产物用蒸馏水和无水乙醇各离心洗涤两次，冷冻干燥，即得到表面带氨基的核壳结构PSfgS^2微球。取40mg的表面带氨基的核壳结构PSOSiA微球溶于40mL的四氢呋喃中，置于50mL 反应釜中，在100°C下反应他。用蒸馏水和无水乙醇各离心洗涤两次，冷冻干燥，即得到表面带氨基的SiA空心球。用Fmoc-Cl法测试带氨基的S^2空心球的氨基密度，测得S^2微球的表面氨基密度。将分子量2000的聚乙二醇40mg (2*I(T2Himol)溶解在20mL的二甲基亚砜(DMSO) 中，按照 PEG EDC NHS = 1 1 2. 5 的摩尔比加入 4mg (2*l(T2mmol) 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和6mg(5*l(T2mm0l)N-羟基琥珀酰亚胺(sulfo-NHS)， 搅拌4h活化羧基。按照氨基与羧基的摩尔比为1 1的比例加入表面带氨基的SiO2空心球，室温缓慢搅拌10h，使反应充分进行。用蒸馏水和无水乙醇各离心洗涤两次，冷冻干燥， 即可得到生物相容性非常好的，表面修饰上聚乙二醇的SW2空心球。其透射电镜图如图9 所示。从图中可以看出，SiO2空心球尺寸均一，粒径约为1. 5 μ m，壳层厚度约为50nm。将其用于体外超声成像，效果如图11所示，从图中可以看出，SiO2S心球有明显的增强造影作用。图12为本发明中未加造影剂的生理盐水溶液在造影条件下的体外超声成像图。 由图中可看出，生理盐水在造影条件下是没有超声信号的。
权利要求
1.一种SiA空心球超声成像造影剂，其特征在于，包括SW2空心球，所述二氧化硅空心球为中空球形结构，其内径为100 2000nm，壳层厚度为10 50nm，所述二氧化硅空心球上带有氨基并通过氨基与PEG相偶合。
2.权利要求1所述的S^2空心球超声成像造影剂材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)以直径在100 2000nm之间且粒径均一的PS微球、聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球或聚酰胺-胺微球为模板分散于乙醇中，升温至50 70°C，加入无机硅源，水解10 30min,然后加入氨水调节pH值至8 10，反应30 60min，再加入带有氨基的有机硅源反应10 12h，取沉淀得到表面带氨基的核壳结构微球；(2)在60 120°C条件下萃取8 IOh去除模板，得到表面带氨基的SW2空心球；(3)将表面带氨基的SW2空心球加入经活化羧基步骤的PEG的二甲基亚砜或者N，N-二甲基甲酰胺溶液中反应6 10h，取沉淀即得S^2空心球超声成像造影剂。
3.权利要求2所述SiO2超声成像造影剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中模板在乙醇分散液中的固含量为0. 5wt% Iwt %。
4.权利要求2所述SiO2超声成像造影剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的无机硅源为正硅酸乙酯或四甲氧基硅烷。
5.权利要求2所述SiO2超声成像造影剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中微球模板在乙醇分散液中的固含量为0. 5wt% Iwt %。
6.权利要求2所述SiO2超声成像造影剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的带有氨基的有机硅源为3-氨基丙基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、Y -氨基丙基三乙氧基硅烷或3-巯基丙基三甲氧基硅烷。
7.权利要求2所述SiO2超声成像造影剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中无机硅源与带有氨基的有机硅源的质量比为8 20 1。
8.权利要求2所述SiO2超声成像造影剂的制备方法，其特征在于，步骤O)中用THF 萃取除去模板，所述表面带氨基的核壳结构微球与THF用量比为0. 5 ang/mL。
9.权利要求2所述SiO2超声成像造影剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述活化羧基步骤为将PEG溶解在DMSO中，按照PEG EDC NHS = 1 1 1 3的摩尔比加入EDC和sulfo-NHS，搅拌活化羧基4 5h。
10.权利要求2所述SiO2超声成像造影剂的制备方法，其特征在于，步骤C3)中氨基与羧基的摩尔比为1 0.8 1.2。
11.权利要求1所述S^2超声成像造影剂用于体外和体内的超声成像。
全文摘要
本发明公开了一种SiO2空心球超声成像造影剂及其制备方法和应用，所述的SiO2空心球超声成像造影剂，包括SiO2空心球，所述SiO2空心球为中空球形结构，其内径为100～2000nm，壳层厚度为10～50nm，所述SiO2空心球上带有氨基并通过氨基与PEG相偶合。本发明所得到的SiO2空心球超声成像造影剂分散性好、表面光滑、空腔尺寸适宜、壳层厚度均匀可控；本发明实验装置简单，所需原材料易得，价格低廉，操作过程简单，副产物无公害，为超声成像造影剂的合成提供了一种经济实用的新方法。
文档编号A61K49/22GK102380110SQ20111035842
公开日2012年3月21日 申请日期2011年11月11日 优先权日2011年11月11日
发明者代安涛, 安璐, 张崇琨, 杨仕平, 胡鹤, 黄国胜 申请人:上海师范大学