专利名称：一种钆稳定的无定形碳酸钙纳米复合材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及多功能纳米材料，更具体地涉及一种新型的稳定化无定形碳酸钙(ACC)多功能纳米材料。
背景技术：
目前，可见到以下一些关于稳定ACC的研究报道英国(CrystEngComm (晶体工程通讯)，2011年13卷第952至956页)报道了 Mg稳定ACC的方法，并对Mg诱导ACC矿化方面做了相关研究。德国(Advanced Materials (先进材料),1996年第8卷第222页至226)发现了生物大分子对ACC的稳定作用，研究了天然ACC中各种氨基酸的含量，甘氨酸和丝氨酸的含量在ACC当中占很大比例，然而天冬氨酸在结晶碳酸钙中占的比例最大。该杂志在2005年·第17卷第2217页报道了用肌醇六磷酸来稳定ACC，从而得到空心的球状结构。但是其中所得到的ACC的粒径太大，只能局限在矿化机理方面的研究，而不适合做生物学应用。荷兰(Journalof Crystal Growth (晶体生长杂志),2008 年第 310 卷第 3779 页至3787)报道了聚合物聚丙烯酸(PAA)和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)对ACC的稳定，以及在醇水体系中的稳定时间，只是做了一些单纯的机理研究，并未做出应用性的研究，且此中方法在醇水体系中的稳定时间较短，无法适应诸多生物学应用。以上所有ACC方面的研究都集中在矿化机理方面的研究，没有把碳酸钙这种传统的矿化材料与生物医学应用结合起来，尤其，它们都没有提及用磁性元素钆(Gd)来稳定ACC以获得具有广泛生物医学应用的多功能纳米材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种用磁性元素钆(Gd)来稳定无定形碳酸钙(ACC)以获得新型多功能纳米材料。在一方面，本发明提供了一种通过用元素钆(Gd)来稳定无定形碳酸钙(ACC)获得的多功能纳米材料(也称为“ACC-Gd多功能纳米材料”)。在另一方面，本发明提供了一种通过在上述ACC-Gd纳米材料中引入合适聚合物或生物大分子而获得的多功能纳米材料(本文中称为“ACC-Gd-聚合物纳米材料”)。在一个优选实施方式中，所述聚合物或生物大分子是选自PAA、PSS和水溶性氨基酸中的一种或多种。在另一方面，本发明提供了一种用于制备上述ACC-Gd多功能纳米材料的方法，所述方法包括将Gd引入到ACC中以使ACC稳定，从而获得所述ACC-Gd多功能纳米材料。。在一个优选实施方式中，首先将钙(Ca)盐溶液和Gd盐溶液混合，然后加入碳酸盐溶液，在剧烈搅拌下反应，过滤并干燥后的得到所述ACC-Gd多功能纳米材料。在一个优选实施方式中，使用等体积等浓度的所述Ca盐溶液和所述碳酸盐溶液。在一个优选实施方式中，使用的所述Ca盐溶液和所述碳酸盐溶液的浓度为O. IM-ο. 5M。在一个优选实施方式中，所述Ca盐溶液是CaCl2溶液，所述Gd盐溶液是GdCl3溶液，所述碳酸盐溶液是Na2CO3溶液。在一个优选实施方式中，所述Ca盐溶液和所述Gd盐溶液按摩尔比以[Ca2+]/[Gd3+] = 1-10，即以[Gd3+]/[Ca2+] = 1/10-1 的量使用。在另一方面，本发明提供了一种用于制备上述ACC-Gd-聚合物多功能纳米材料的方法，所述方法包括在根据前述方法中制备的ACC-Gd中加入合适聚合物或生物大分子，从而获得所述ACC-Gd-聚合物多功能纳米材料。在另一方面，提供了上述ACC-Gd或ACC-Gd-聚合物多功能纳米材料用作载药或MRI造影剂的应用。本发明通过用元素Gd来稳定无定形碳酸钙ACC获得了新型的多功能纳米材料，其 中由于Gd处于无定形碳酸的晶格中，大大降低了 Gd的毒性，同时作为磁性元素的Gd具有很好的造影效果，所以所述多功能纳米材料可用于MRI造影剂。此外，为了增加材料的水溶性而引入一些聚合物如PM’所获得的例如ACC-Gd-PAA由于ACC本身就显负电性，加上PAA强负电基团的引入，使所述多功能纳米材料对正电的材料(如阿霉素(DOX))具有很强的吸附能力，故在载药等领域具有非常广阔的应用前景。
图I是根据本发明实施例I 3中获得的ACC-Gd纳米材料([Gd3+] / [Ca2+]摩尔比分别为1/3、1/4和1/5)的X射线衍射分析图。图2是根据实施例2 3中获得的ACC-Gd纳米材料在空气中静置一周后的X射线衍射分析图。图3是根据实施例3中获得的ACC-Gdv5的扫描电子显微镜图。图4是根据实施例7中获得的ACC-Gdv5-PAA的红外光谱图。图5是根据实施例7中获得的ACC-Gdv5-PAA在去离子水中放置4个月的X射线衍射分析图。图6是根据实施例7中获得的ACC-Gdv5-PAA载附阿霉素(DOX)的照片(图中质量比 ACC/D0X = 1/2) ο图7 是根据实施例 7 中获得的 ACC-Gdv3-PAA、ACC-Gdl74-PAA, ACC-Gdl75-PAA 作为Tl型造影剂的核磁共振图像，(其中从上到下本发明获得的ACC-Gd-PAA纳米材料的浓度逐渐增加)。
具体实施例方式本发明的发明人出乎意料地发现，通过将元素钆(Gd)引入到无定形碳酸钙(ACC)中而可以使ACC稳定，从而获得新型的多功能纳米材料。具体地，通过将元素钆(Gd)掺杂到无定形碳酸钙(ACC)中，该元素Gd处于无定形ACC的晶格中而使ACC稳定，阻止了 ACC的结晶，由此可同时实现将磁性元素与绿色的无定形碳酸钙结合，得到新型ACC-Gd多功能纳米材料。进一步地，通过向该ACC-Gd多功能材料中引入合适的聚合物或生物高分子而增加该多功能纳米材料的水溶性，进而得到ACC-Gd-聚合物多功能纳米材料,这样的多功能纳米在生物医学中具有广泛的应用。本发明获得的多功能纳米材料，不仅具有碳酸钙这种传统的矿化材料的很多有益性质，而且由于Gd的磁性，同时由于Gd位于ACC的晶格中而被ACC包围，这样大大降低了元素Gd本身的毒性，所以所获得的纳米材料可用于MRI造影剂。此外，本发明通过在上述ACC-Gd纳米材料中添加合适的聚合物或生物高分子，可以获得ACC-Gd-聚合物多功能纳米材料。例如通过本发明可获得ACC-Gd-PAA多功能纳米材料，其由于ACC本身就显负电性，而PAA强负电基团的引入，使所获得的多功能纳米材料对带正电的材料如阿霉素(DOX)具有很强的吸附能力，故在载药等领域也有非常广阔的应用前景。在本发明的ACC-Gd纳米材料的制备方法中，通过将元素Gd掺杂到ACC中以使ACC稳定，从而获得稳定化的ACC，即ACC-Gd纳米材料。在一个优选实施方式中，首先将钙(Ca)盐溶液和钆(Gd)盐溶液混合，然后加入碳酸盐溶液，在剧烈搅拌下反应，过滤并干燥后得到所述ACC-Gd多功能纳米材料。优选地，可以使用等体积等浓度的所述Ca盐溶液和所述碳酸盐溶液。 在一个优选实施方式中，使用的所述Ca盐溶液和所述碳酸盐溶液的浓度均在O. 1M-0. 5M的范围。优选地，所述Ca盐溶液是CaCl2溶液，但也可以使用其他Ca盐溶液如Ca (NO3) 2溶液；所述Gd盐溶液是GdCl3溶液，但也可以使用其他Gd盐溶液如Gd (NO3) 3溶液；所述碳酸盐溶液是Na2CO3溶液，但也可以使用其他碳酸盐溶液如K2CO3溶液。对于这些盐溶液的选择，对于本领域技术人员来说是已知的。在一个优选实施方式中，所述Ca盐溶液和所述Gd盐溶液按摩尔比以[Ca2+]/[Gd3+] = 1-10(或者[Gd3+]/[Ca2+] = 1/10-1)的量使用。本发明用于制备ACC-Gd-聚合物多功能纳米材料的方法包括在上述ACC-Gd纳米材料中加入合适聚合物或生物大分子，从而获得所述ACC-Gd-聚合物多功能纳米材料。在一个优选实施方式中，所述聚合物或生物大分子是选自PAA、PSS和水溶性氨基酸中的一种或多种。本发明获得的ACC-Gd或ACC-Gd-聚合物多功能纳米材料可用作载药或MRI造影剂。在一个具体实施方式
中，首先是将元素Gd掺入到无定形碳酸钙(ACC)中，例如通过配制25ml O. IM CaCl2溶液和5ml O. IM GdCl3溶液([Ca2+] / [Gd3+]摩尔比在1-10之间即可)，将其共混后，加入25ml O. IMNa2CO3溶液，剧烈搅拌均匀后得到白色沉淀，迅速用乙醇将沉淀离心洗漆(例如以4000r/min离心3min)三遍得到ACC-Gd固体沉淀,于真空干燥箱中室温烘干得到ACC-Gd固体粉末。在另一个具体实施方式
中，为了增加ACC-Gd纳米材料的水溶性，引入一些聚合物，例如配制25ml O. IM CaCl2溶液和5ml O. IM GdCl3溶液，例如以摩尔比[Ca2+]/[聚合物]=4/1加入聚合物如PAA或PSS，将其共混后，再加入25ml O. IM Na2CO3溶液，剧烈搅拌均勻后得到白色沉淀，迅速用乙醇将沉淀离心洗漆(4000r/min, 3min)三遍得到ACC-Gd-聚合物固体沉淀，于真空干燥箱中室温烘干得到ACC-Gd-聚合物固体粉末。在本发明中，Gd能够将反应中形成的碳酸钙稳定在无定形状态，并且将碳酸钙粒径维持在纳米级，虽然元素Gd本身有一定的毒性，但由于在Gd掺入到无定形碳酸钙中，其中Gd处于ACC的晶格中，可以大大的降低其毒副作用，从而增加其生物相容性，这样获得的多功能纳米材料更适于生物医学上的应用例如作为载药或MRI造影剂。以下结合实施例对本发明ACC-Gd-PAA的制备方法做具体的说明。实施例I制备ACC-Gdv3(这里的下标1/3表示[Gd3+]/[Ca2+]的摩尔比为1/3)纳米材料将25ml O. IM CaCl2溶液和5ml O. 167M GdCl3溶液混合于IOOml锥形瓶内，再加入25ml O. IMNa2CO3溶液，剧烈搅拌均匀后得到白色沉淀，迅速用乙醇将沉淀离心(4000r/min，3min)洗涤三遍得到ACC-Gd1/3固体沉淀，于真空干燥箱中室温烘干24小时得到ACC-Gd1/3固体粉末。如图I所示，X射线衍射分析图显示所获得的ACC-Gdv3粉末中的碳酸钙为无定形相，即ACC。实施例2制备ACC-Gdv4(这里的下标1/4表示[Gd3+]/[Ca2+]的摩尔比为1/4)纳米材料类似于实施例1，将25ml O. IM CaCl2溶液和5ml O. 125M GdCl3溶液混合，再加入25ml O. IM Na2CO3溶液，剧烈搅拌均匀后迅速用乙醇将沉淀离心洗涤三遍，经烘干得到ACC-Gdv4固体粉末。如图I所示，X射线衍射分析图显示所获得的ACC-Gd1/4粉末中的碳酸钙为无定形相，即 ACC。实施例3制备ACC_Gd1/5 (这里的下标1/5表示[Gd3+]/[Ca2+]的摩尔比为1/5)纳米材料类似于实施例1，将25ml O. IM CaCl2溶液和5ml O. IM GdCl3溶液混合，再加入25ml O. IMNa2CO3溶液，剧烈搅拌均匀后迅速用乙醇将沉淀离心洗涤三遍，经烘干得到ACC-Gdv5固体粉末。如图I所示，X射线衍射分析图显示所获得的ACC-Gd1/5粉末中的碳酸钙为无定形相，即 ACC。实施例4制备ACC-Gdvitl(这里的下标1/10表示[Gd3+]/[Ca2+]的摩尔比为1/10)纳米材料类似于实施例1，将25ml O. IM CaCl2溶液和5ml O. 05M GdCl3溶液混合，再加入25ml O. IMNa2CO3溶液，剧烈搅拌均匀后迅速用乙醇将沉淀离心洗涤三遍，经烘干得到ACC-Gdvitl固体粉末。通过X射线衍射分析图(未示出)表明所获得的八0-6(11/1(|粉末中的碳酸钙为无定形相，即ACC。实施例5制备ACC_Gd1/5纳米材料过程与实施例3相同，只是使用25ml O. 3MCaCl2溶液、5ml O. 3M GdCl3溶液和25ml O. 3M Na2CO3溶液。通过X射线衍射分析图(未示出)表明所获得的ACC-Gd1/5粉末中的碳酸钙为无定形相，即ACC。实施例6制备ACC_Gd1/4纳米材料过程与实施例2相同，只是使用25ml O. 5MCaCl2溶液、5ml O. 625M GdCl3溶液和25ml O. 5M Na2CO3溶液。通过X射线衍射分析图(未示出)表明所获得的ACC-Gd1/4粉末中的碳酸钙为无定形相，即ACC。实施例7制备ACC-Gdv5-PAA纳米材料类似于实施例3，首先将25ml O. IMCaCl2溶液和5mlO. IM GdCl3溶液混合，然后以摩尔比[Ca2+]/[PAA] = 4/1的量加入PAA (Mw = 1800)，在充分共混后，再加入25ml O. IM Na2CO3溶液，剧烈搅拌均匀后迅速用乙醇将沉淀离心洗涤三遍，经烘干得到ACC-Gdv5-PAA粉末。类似地，可以制备ACC-Gdv3-PAA和ACC_Gd1/4-PAA纳米材料。通过X射线衍射分析图(未示出)表明所获得的ACC-Gd1/5-PAA、ACC-Gd1/3-PAA和ACC-Gdl74-PAA粉末中的碳酸钙为无定形相，即ACC。对于本发明实施例获得的纳米材料，下面将结合附图予以进一步说明。图I为本发明实施例I 3中获得的ACC-Gd纳米材料([Gd3+] / [Ca2+]摩尔比分别为1/3、1/4和1/5)的X射线衍射分析图。如图I所示，掺入Gd后的碳酸钙为无定形相，SPACC,同时说明Gd的掺入可以使纳米ACC稳定而获得新型多功能纳米材料。图2为本发明实施例2和3中获得的ACC-Gd纳米材料在空气中静置一周后的X射线衍射分析图。如图2所示，从静置一周后的稳定性来看，实施例3([Gd3+]/[Ca2+]的摩尔比为1/5)中获得的ACC-Gdv5纳米材料出现的碳酸钙结晶峰比实施例2([Gd3+]/[Ca2+]的摩尔比为1/4)中获得的ACC-Gd1/4的碳酸钙结晶峰强，这表明随着Gd掺入量的增加，ACC的稳定效果增强。另外，从其他角度例如经济角度看，Gd掺入量不能过大，S卩[Gd3+]/[Ca2+]的摩尔比优选在I以下。··
图3是本发明实施例3中获得的ACC-Gdv5纳米材料的扫描电子显微镜图。如图3可以看出，所获得的ACC-Gdv5粉末均为球形小颗粒,其粒径均在IOOnm以下,这样的纳米级材料非常适合用于生物医学的应用。图4是本发明实施例7中获得的ACC-Gd1/5-PAA纳米材料的红外光谱图。如图4所不,在86501^1处的圆滑峰和在1419011'ΗδδαιΓ1处分开的双峰为典型的ACC的红外光谱峰，此表明在引入聚合物PAA后，获得的产物仍为ACC。图5是本发明实施例7中获得的ACC-Gdv5-PAA纳米材料置于去离子水中4个月的X射线衍射分析图。从图5可以看出，该纳米材料的X射线衍射分析图与图I中的结果类似，基本上无结晶峰出现，表明此时的碳酸钙仍然是无定形相，证实所获得的ACC-Gdv5-PAA纳米材料在水溶液中具有很好的稳定性。图6为本发明实施例7中获得的ACC-Gdv5-PAA纳米材料载附阿霉素(DOX)的照片，其中本发明得到的ACC-Gdv5-PAA为白色沉淀，而DOX为红色水溶性材料。从图6可以看出，照片中的红色沉淀表明有相当多的红色DOX吸附到ACC-Gdv5-PAA纳米材料上，这充分说明本发明获得的ACC-Gdv5-PAA纳米材料对DOX有很强的吸附能力。进一步地，为了计算该纳米材料对DOX的利用率，将吸附过DOX的ACC-Gdv5-PAA纳米材料离心(8000r/min，5min)，得到的上清液中的DOX是未被吸附的D0X，由于DOX具有荧光，故测量上清液的荧光值。再配置不同浓度的D0X，经荧光分光光度计测得其荧光值以获得标准曲线。通过上述上清液的荧光值，可以在标准曲线中得出相应的DOX的浓度，从而可以计算出被本发明的纳米材料吸附的DOX的量。作为结果，经测试后计算得出本发明的该纳米材料对DOX的利用率是97. 20% (图中质量比ACC/D0X = 1/2)。图7 为本发明实施例 7 中获得的 ACC-Gd1Z3-PAA、ACC-Gdl74-PAA 和 ACC-Gdv5-PAA纳米材料作为Tl型造影剂的核磁共振图像，其中从上到下本发明获得的纳米材料的浓度(cone.)逐渐增加，重复时间TR = 4000ms,回波时间TE = 500ms, DIff表示去离子水。从图7可以清晰的看出，从上到下，随着本发明的纳米材料浓度的增大，造影强度越来越亮，即上述纳米材料的造影效果随着浓度的变化而变化，浓度越大，造影强度越强。而且，在图7中，上述纳米材料中的Gd浓度从左到右逐渐减少，即分别为ACC-Gdv3-PAA、ACC-Gdv4-PAA和ACC-Gd1/5-PAA，而对于相同浓度的不同纳米材料，从图7可以看出，处于同一横排的纳米材料样品从左到右的造影强度越来越暗，也就是说随着Gd浓度逐渐减少，造影强度越来越弱。因此，从上述可以看出，Gd可以稳定ACC，并且本发明获得的ACC-Gd和ACC-Gd-聚合物例如ACC-Gd-PAA是在载药和MRI造影剂等生物医学领域有广阔的应用前景，例如作为 载药或造影剂。以上已对本发明进行了详细描述，但本发明并不局限于本文所描述具体实施方式
。本领域技术人员理解，在不背离本发明范围的情况下，可以做出其他更改和变形。本发明的范围由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种通过用元素钆(Gd)来稳定无定形碳酸钙(ACC)获得的ACC-Gd多功能纳米材料。
2.—种ACC-Gd-聚合物多功能纳米材料，所述ACC-Gd-聚合物纳米材料通过在根据权利要求I所述的ACC-Gd纳米材料中引入合适聚合物或生物大分子而获得。
3.根据权利要求2所述的ACC-Gd-聚合物多功能纳米材料，其特征在于，所述聚合物或生物大分子是选自PAA、PSS和水溶性氨基酸中的一种或多种。
4.一种用于制备权利要求I所述的ACC-Gd多功能纳米材料的方法，所述方法包括将Gd引入到ACC中以使ACC稳定，从而获得所述ACC-Gd多功能纳米材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，首先将钙(Ca)盐溶液和Gd盐溶液混合，然后加入碳酸盐溶液，在剧烈搅拌下反应，过滤并干燥后的得到所述ACC-Gd多功能纳米材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使用等体积等浓度的所述Ca盐溶液和所述碳酸盐溶液。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使用的所述Ca盐溶液和所述碳酸盐溶液的浓度为O. 1M-0. 5M。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述Ca盐溶液是CaCl2溶液，所述Gd盐溶液是GdCl3溶液，所述碳酸盐溶液是Na2CO3溶液。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述Ca盐溶液和所述Gd盐溶液按摩尔比以[Ca2+]/[Gd3+] = 1-10 的量使用。
10.一种用于制备权利要求2或3所述的ACC-Gd-聚合物多功能纳米材料的方法，所述方法包括在权利要求I所述的或权利要求4-9中任一项所述的方法制备的ACC-Gd多功能纳米材料中加入合适聚合物或生物大分子，从而获得所述ACC-Gd-聚合物多功能纳米材料。
11.根据权利要求I或2所述的ACC-Gd或ACC-Gd-聚合物多功能纳米材料用作载药或MRI造影剂的应用。
全文摘要
本发明公开了一种通过用元素钆(Gd)来稳定无定形碳酸钙(ACC)获得的ACC-Gd多功能纳米材料及其制备方法和应用，以及一种通过在前述ACC-Gd纳米材料中引入合适聚合物或生物大分子而获得的ACC-Gd-聚合物多功能纳米材料及其制备方法和应用。本发明通过用Gd来稳定无定形碳酸钙ACC获得了新型的多功能纳米材料，而且，由于Gd处于无定形碳酸钙的晶格中，大大降低了Gd本身的毒性，同时作为磁性元素的Gd具有很好的造影效果，所以本发明的多功能纳米材料可用于MRI造影剂。
文档编号C08K3/08GK102895664SQ201210372149
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者俞书宏, 隋聪, 陆杨 申请人:中国科学技术大学