刺激响应性磁性纳米颗粒的制作方法
【专利说明】刺激响应性磁性纳米颗粒
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年5月29日提交的美国专利申请号61/828,268(其公开内容在此 通过引用整体并入本文）的权益。
[0003] 政府许可权的声明
[0004] 本发明是在由国立卫生研究院授予的邸000252和R44GM100558下通过政府资助进 行的。政府具有本发明的某些权利。
[000引背景
[0006]最近已对用于诊断和成像应用的磁性纳米颗粒(mNP)技术的开发表现出相当大的 兴趣。相较于较大的磁性颗粒，较小的纳米颗粒(NP)显示在其扩散和超顺磁性性质上的潜 在优势。磁泳迁移率被定义为物体在磁场存在的情况下的加速度，其决定将物体运动控 制在磁场内的能力。室溫及W上溫度下的单个颗粒的被定义为
[0008] 其中ii〇是磁常数，Ms,C是mNP的饱和磁距，Dc是mNP的直径，kB是玻尔兹曼常数，n是介 质粘度，W及T为溫度。由于它们的小粒度导致随机化的磁距，mNP的iim通常很小。运对于其 中小mNP的良好扩散性质是有利的（例如，当将mNP用于经由抗体-抗原相互作用捕获诊断性 祀时)应用造成固有挑战。在一个方面，小的颗粒显示更好的缔合和结合性质，但在另一方 面它们的小的尺寸降低磁性捕获效率。
[0009] 克服mNP的小iim的方法包括使用利用多个mNP标记的较大的大分子或物体，从具有 较大Ms,C的材料制备mNP,使用不可逆聚集的mNP,或使用高磁梯度。然而，大多数运些方法导 致良好扩散性质的损失。此外，高磁梯度需要大量线圈和高电流。具有高Ms,C的材料通常是 金属或合金并且由于它们的高表面/体积比，它们易于发生可降低其Ms,C的氧化事件。mNP至 较大结构的预先聚集导致表面/体积比的永久性降低和mNP良好扩散性质的减弱。存在对还 可在小磁场中被容易地分离的具有良好扩散性质的mNP的需要。
[0010] 刺激响应性("智慧"或"智能")材料和分子响应外部刺激诸如抑;溫度;紫外可见 光;离子强度;某些化学物质(诸如多价离子、具有任一种电荷的聚离子或酶底物诸如葡萄 糖）的浓度；W及光福照或暴露于电场后的小变化而显示突然的性质改变。通常地运些改变 在除去刺激后是完全可逆的。
[0011] 聚(N-异丙基丙締酷胺KPNIPAAm)是溫度响应性聚合物，其显示聚合物可逆聚集 的最低临界溶解溫度化CST)。低于LCST，PNIPAAm链水合W形成膨胀的结构；高于LCST， PNIPAAm链脱水W形成皱缩的结构。该性质归因于水分子与疏水基团尤其是异丙基的热可 逆相互作用，从而在低于LCST时导致低赌、疏水结合的水分子W及在LCST和高于LCST时导 致那些水分子的释放。利用PNIPAAm对mNP的修饰产生可在溫度循环通过LCST时在溶液中可 逆聚集的纳米颗粒。
[0012] 利用经PNIPAAm修饰的mNP的先前工作依赖于颗粒的合成后化学修饰。化iu等人通 过共沉淀FeCh和FeCh合成化3〇4铁磁流体。随后将铁磁流体与PNIPAAm溶液混合，并交联W 形成磁性多聚网络。1111，(：丄.和胖.￥.化111^.化17111.5。1.，？日的4:化17111.化6111.43,5923-5934,2005。Wang等人也共沉淀FeCl 3和FeCl 2来合成Fe3〇4颗粒。Deng, Y.等人， Adv .Mater. 15，1729-1732，2003。将颗粒用氧化娃层涂覆，并用3-氨丙基S甲氧基硅烷修饰 W引发NIPAAm的沉淀聚合。在两种方法中，合成后官能化需要多个步骤并且可导致颗粒聚 集。存在对制备刺激响应性聚合物修饰的mNP的方法的需要，所述方法不需要广泛的合成后 工作步骤并且导致最低限度的颗粒聚集。
[0013]用于刺激响应性mNP的先前合成策略还包括铁前体Fe(CO)S在胶束内的热解。例 如，在100°C将Fe(CO)迪射进含有3.6mM形成胶束的PNIPAAm的四乙二醇二甲酸溶液。使用 可逆片段化链转移聚合，利用2-(十二烷基硫烷基硫代幾基硫烷基)-2-甲基丙酸(DMP)链转 移剂合成具有末端胶束形成部分的PNIPAAm(约化化）（参见，例如，Lai等人，Langmuir. 23
[13] :7385-7391,2007)。在铁前体注射进含有PNIPAAm胶束的四乙二醇二甲酸溶液后，将溶 液升至190°C，并回流6小时，随后纯化W提供具有靠近刺激响应性mNP的金属氧化物核屯、的 胶束形成基团的刺激响应性HiNP。参见，例如，美国专利第8，507，283和7，981，688号。
[0014] 刺激响应性材料和分子在生物医学/制药领域中W及生物技术和相关工业中具有 许多可能的应用。智能缀合物、智能表面、智能聚合胶束和智能水凝胶均都已被研究用于各 种诊断、分离、细胞培养、药物递送和生物加工应用。
[0015] 尽管开发了用于诊断和成像应用的mNP技术，但仍然存在对于具有良好扩散性质 W及具有可逆地聚集成较大结构的能力的刺激响应性mNP和用于制备该纳米颗粒的更简单 方法的需要。本公开内容寻求实现运些需要和提供进一步的相关优势。
[0016] 概述
[0017] 本概述被提供来W简化形式介绍概念的选择，其在下文的详细描述中被进一步描 述。本概述并不旨在鉴别要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助限制要求保护的 主题的范围。
[0018] 在一个方面，本公开内容表征了用于制备刺激响应性磁性纳米颗粒的方法，其包 括（1)提供混合物，所述混合物包含在大气压下具有大于150°C的沸点的溶剂、包含与选自 Fe、Ni、C;r、Co、Gd、Dy和Mn的元素的金属阳离子配位的馨合剂的金属络合物、W及刺激响应 性聚合物;和(2)加热该混合物W提供刺激响应性磁性纳米微粒，其中所述刺激响应性聚合 物不包含末端胶束形成基团。
[0019] 在另一个方面，本公开内容表征了刺激响应性磁性纳米微粒，其包含金属氧化物 核屯、和包围金属氧化物核屯、的壳，所述壳包含含有末端簇酸醋基团的刺激响应性聚合物。 所述末端簇酸醋基团与金属氧化物核屯、直接配位并且所述刺激响应性聚合物不包含末端 胶束形成基团。
[0020] 在另一个方面，本公开内容表征了使用刺激响应性磁性纳米颗粒的方法。
[0021 ] 附图描述
[0022] 当与附图结合起来考虑时，本公开内容的前述方面和许多伴随的优势将变得更容 易理解，其通过参考下文的详细描述也会更好地理解，其中：
[0023] 图1是制备本公开内容的mNP的方法的实施方案的流程图。
[0024] 图2A-2C是捕获和释放本公开内容的mNP的实施方案的方法的示意图。
[0025] 图3A-3D是显示本公开内容的刺激响应性mNP的实施方案的结构和功能性质的图。 mNP包含在聚合物的近端末端不包含胶束形成基团的亲水刺激响应性聚合物。图3A是显示6 个不同mNP批次的粒度的图，如通过动态光散射测量的。图3B是显示mNP的31°C的最低临界 溶解溫度化CST)(溫度反应性的量度）的图。图3C是显示mNP的刺激响应性聚合物对Fe的质 量比的图，如通过热重分析测量的。图3D是显示mNP在低于(22°C)和高于(37°C化CST下的分 离效率的图。
[0026] 详述
[0027] 本公开内容提供刺激响应性磁性纳米颗粒(mNP)、制备mNP的方法和使用mNP的方 法。mNP包括金属氧化物核屯、;和包含具有直接与金属氧化物核屯、配位的末端基团的刺激响 应性聚合物的壳。刺激响应性聚合物至少在聚合物的近端末端(相对于金属氧化物核屯、)上 不包含胶束形成基团。
[0028] 当与在靠近mNP的金属氧化物核屯、的聚合物末端上包含胶束形成基团的刺激响应 性聚合物相比较时，本公开内容的刺激响应性聚合物（即，当与金属氧化物核屯、配位时，在 靠近mNP的金属氧化物核屯、的聚合物末端上不具有胶束形成基团）提供许多优势。如将在下 文实施例1中所证明的，当将在任何聚合物末端上不包含胶束形成基团的刺激响应性聚合 物用于本公开内容的方法时，相较于使用在聚合物末端上包含胶束形成基团的刺激响应性 聚合物制备的mNP,产生了具有出人意料的改善性质的mNP。具体地，使用在聚合物末端上包 含胶束形成基团的刺激响应性聚合物制备的mNP具有低产率，尺寸较不均一，不能可再现地 合成，并且可不期望地不溶于水性环境。此外，利用在聚合物末端上具有胶束形成基团的刺 激响应性聚合物制备的mNP可具有不期望的较大尺寸和较低的LCST值(即，接近室溫），运使 得纳米颗粒在环境条件下的操作存在挑战。
[0029]
[0030] ^说明书中的不同地方，W组或范围公开了本公开内容的化合物的取代基。特 别期望的是本公开内容包括运样的组和范围的成员的每一个个别亚组合。例如，术语"Cl-6 烷基"特别地旨在个别地公开甲基、乙基、C3烷基、C4烷基、Cs烷基和Cs烷基。
[0031] 还应理解，在单独的实施方案的上下文中描述(为了清楚）的本公开内容的某些特 性还可在单个实施方案中组合提供。
[0032] 相反地，在单个实施方案的上下文中描述(为了简洁)的本公开内容的各种特性还 可单独地或W任何适当的亚组合提供。
[0033] 如本文中所用，术语"金属络合物"是指含金属的化合物，其包含中屯、金属原子或 离子和结合的分子或离子(即，配体)的周围阵列。
[0034] 如本文中所用，术语"配位"或"配价"是指配体(例如，馨合剂）与中屯、金属原子之 间形成的键，其中通常通过将电子从孤电子对提供至空金属轨道中来将配体结合于中屯、原 子，W使得配体与所述原子配位。在一些实施方案中，不是将电子从孤电子对提供至空金属 轨道中，而是有机配体诸如締控类的n键可与空金属轨道配位。
[0035] 如本文中所用，术语"馨合剂"是指可与中屯、原子形成两个或更多个单独的配位键 的化合物。
[0036] 如本文中所用，术语"流体力学直径"是指溶剂(例如，水）中水合的可溶性刺激响 应性mNP的表观尺寸，如通过动态光散射测量的。
[0037] 如本文中所用，术语"共聚物"是指作为两种或更多种不同单体的聚合结果的聚合 物。各结构单元的数目和性质可在共聚物中单独地控制。除非另外明确地声明，否则可W W 完全随机、随机交替、规则交替、规则嵌段或随机嵌段构型排列结构单元。完全随机构型可 W例女日为：x_x_y_z-x-y-y-z-y-z-z-z...或y-z-x-y-z-y-z-x-x. . . . O随机交替构型可从 为:x-y-x-z-y-x-y-z-y-x-z…，规则交替构型可W为:x-y-z-x-y-z-x-y-z…。规则嵌段构 型具有W下一般构型：? ?，x-x-x-y-y-y-z-z-z-x-x-x…，而随机嵌段构型具有一般构型：… x-x-x-z-z-x-x-y-y-y-y-z-z-z-x-x-z-z-z----〇
[0038] 如本文中所用，术语"取代的"或"取代"意欲指用除H外的取代基替代氨原子。例 如，"N-取代的赃晚-4-基"是指用非氨取代基诸如例如烷基替代赃晚基的NH的氨原子。
[0039] 如本文中所用，术语"烷基"是指直链或支链完全饱和的（无双键或=键)控(仅有 碳和氨煙。烷基的实例包括，但不限于，甲基、乙基、丙基、异丙基、T基、异下基、仲下基、叔 下基、戊基和己基。如本文中所用，"烷基"包括"亚烷基"基团，其是指具有两个而非一个用 于与其它基团键合的开放化合价的直链或支链完全饱和的控基。亚烷基的实例包括但不限 于：亚甲基、-C出-、亚乙基、-C出C此-、亚丙基、-C此C此C此-、正亚下基、-C此C此C出C此-、仲亚 下基和-C出C出CH(C出)-。本公开内容的烷基可任选地被一个或多个氣基取代。