CN105126125A

CN105126125A - 一种氧化锌-钆-药物复合纳米粒子及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN105126125A
Application number: CN201510576839.4A
Authority: CN
Inventors: 熊焕明; 马莹莹; 王天伊
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2015-09-12
Filing date: 2015-09-12
Publication date: 2015-12-09

Abstract

本发明属纳米材料技术领域，具体为一种氧化锌-钆-药物复合纳米粒子及其制备方法和应用。该复合纳米粒子由氧化锌纳米晶内核、聚合物外壳、通过配位键修饰的钆（III）离子、表面负载的抗癌药物分子四个部分构成，具有良好的稳定性、出色的发光性能、优越的磁弛豫率，可以应用于细胞和小动物荧光成像、磁共振成像、小鼠肿瘤的治疗等。其制备方法是先通过两步共聚反应在氧化锌纳米粒子表面包覆聚合物，然后利用聚合物携带的大量羧基与钆（III）离子配位使纳米粒子具有磁性，最后在纳米离子表面负载上药物分子。这种纳米粒子载药平台不仅有良好的荧光-磁共振双成像功能、高载药率和释放率，而且本身毒性低，在小鼠体内完全降解无残留，和抗癌药物本身相比表现出优秀的生物安全性和给药专一性。

Description

一种氧化锌-钆-药物复合纳米粒子及其制备方法和应用

技术领域

本发明属纳米材料技术领域，具体涉及一种集荧光成像、磁共振成像、抗癌药物负载与释放多种功能于一体的氧化锌-钆-药物复合纳米粒子及其制备方法和应用。

背景技术

癌症已经成为21世纪多发病和常见病，严重地威胁着人类的身体健康和生命。常用癌症的化疗方法虽然可以在一定程度上抑制癌症的恶化，但是在治疗过程中不可避免地伤及正常细胞和健康组织，最终会破坏病人的免疫***。纳米技术和生物医学的结合产生了纳米药物载体，这类新材料能够高效负载抗癌药物，利用肿瘤周围组织的微环境或者癌细胞内部的微环境进行靶向性地释放抗癌药物，以避免对健康组织细胞的伤害。同时，在治疗过程中用标记技术如磁共振成像、荧光成像进行实时的监测可以提高治疗效果。因此，多功能纳米载药平台最近几年得到了广泛而深入的研究，这类平台能够把难溶于水、生物毒性大的药物准确地投放到肿瘤细胞内部，显示出卓越的性能。但是，常用的纳米平台如高分子微球和介孔二氧化硅等材料体积过大难以降解***，含重金属成分的纳米粒子如稀土化合物存在着积累性中毒的风险，开发利用生物安全性高的纳米载药平台对实际应用有重大价值。

氧化锌作为一种安全无毒的材料，是美国食品和药物管理局（FoodandDrugAdministration）认证的安全物质（FDA代码21CFR182.8991），已经广泛地应用于防晒霜、皮肤消炎软膏、婴儿尿片、防臭内衣等商品中。氧化锌量子点作为一种价格低廉且功能多样的纳米材料，通过化学合成可以调变其荧光性能、增强其在生物体系中的稳定性以及安全性。过去十年，大量的研究证明氧化锌纳米粒子对生物细胞和小动物都有较高的安全性。另外，氧化锌量子点具有pH响应的特点，在肿瘤内部弱酸环境中可以完全分解释放抗癌药物。因此，利用氧化锌纳米粒子作为抗癌药物的载药运输平台不仅具有天然的对肿瘤组织靶向选择性，而且不残留任何有害的物质，氧化锌量子点自身的荧光有助于对药物运输释放过程的监测。不过，氧化锌量子点的荧光位于黄绿光区，无法穿透动物活体，向氧化锌纳米平台引入磁性造影剂，则能监测小动物肿瘤治疗的过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种集荧光成像、磁共振成像、抗癌药物负载与释放多种功能于一体的“氧化锌-钆-药物”复合纳米粒子及其制备方法和应用。

本发明提供的“氧化锌-钆-药物”复合纳米粒子，由氧化锌纳米晶内核、聚合物外壳、通过配位键修饰的钆（III）离子、表面负载的抗癌药物分子四个部分构成。具体由以下步骤制备得到：

（1）有机锌盐在有机溶剂中水解，生成光致发光的氧化锌纳米粒子；有机锌盐在有机溶剂中水解，生成光致发光的氧化锌纳米粒子；使这种共聚物包覆的氧化锌纳米粒子在水溶液、缓冲溶液、细胞培养液和动物血液中都能稳定发光；

（2）向步骤（2）得到的氧化锌纳米粒子水溶液中加入氯化钆，利用共聚物支链上大量的羧基与钆（III）离子配位，形成稳定的“氧化锌-钆”复合纳米粒子，该”复合纳米粒子由于钆的磁性和特殊的配位空间结构而具备优异的弛豫率；

（3）将步骤（3）得到的“氧化锌-钆”复合纳米粒子水溶液，与抗癌药物（如阿霉素（DOX）、克唑替尼、尼达尼布、AZD9291等）混合，利用药物分子与纳米粒子之间的相互作用，包括氢键、配位、静电吸附、疏水作用等方式，将药物分子负载到纳米粒子表面；再经过反复透析除去水溶液中未负载的药物，将溶液浓缩、冻干，获得“氧化锌-钆-药物”复合纳米粒子，为粉末状。

步骤（1）中，有机锌盐在有机溶剂中水解，生成光致发光的氧化锌纳米粒子的具体操作过程（氧化锌量子点的合成过程）为：0.4-0.5克的甲基丙烯酸锌粉末置于三口烧瓶中，加入无水乙醇作为溶剂，加热至其完全溶解（低于90摄氏度）；待其冷却至室温后，加入0.05-0.07克的偶氮异丁腈（AIBN）和3.5-4毫升的PEGMEMA，在磁力搅拌的作用下加热保持回流；5-15分钟后，加入20-30毫升的氢氧化锂溶液（0.14摩尔每升）和0.05-0.07克的偶氮异丁腈（AIBN）；于回流状态下磁力搅拌0.5-1.5小时；待其冷却至室温后，放入透析袋中，于去离子水中透析1天以上，得到ZnO量子点。

步骤（2）中，利用共聚物支链上大量的羧基与钆（III）离子配位，形成稳定的“氧化锌-钆”复合纳米粒子的具体操作过程为：在10毫升的氧化锌量子点(0.941毫克/升)的水溶液中加入2-3毫升的Gd3+的水溶液（10毫摩尔/升），在室温下搅拌过夜，之后在柠檬酸钠水溶液中透析用来除去未反应的Gd3+，再在去离子水溶液中透析1天以上，得到ZnO-Gd纳米粒子。

本发明制得的“氧化锌-钆-药物”复合纳米粒子，其直径可以在2～20纳米范围内调节，发光的波长在450~650纳米范围内可调变，量子产率在30%以上。每个粒子上钆（III）离子的平均数量在20～200个范围内可调，其纵向弛豫率在20～80每毫摩尔每秒范围内变化。抗癌药物的负载量（按质量百分比计）0~20%（优选1~20%）范围内调变。

本发明制得的“氧化锌-钆-药物”复合纳米粒子，在作为生物体内的荧光成像与磁共振成像物质，用于生物体内的荧光成像与磁共振成像。

本发明制得的“氧化锌-钆-药物”复合纳米粒子，可作为肿瘤治疗的药物载体，用于***方面。

本发明制得的“氧化锌-钆-药物”复合纳米粒子，溶解到不同pH值的缓冲溶液中，利用氧化锌纳米粒子在弱酸性条件下分解的特征释放药物。当pH在7.0~8.0范围，该纳米粒子非常稳定；当pH在6.0~7.0范围，氧化锌纳米粒子缓慢分解；当pH在5.0~6.0范围，氧化锌纳米粒子在24小时内就能完全分解释放全部药物，是一种高效的pH响应的药物载体。在癌细胞和动物肿瘤中，pH一般在5.0~6.0范围，因此这种“氧化锌-钆-药物”复合纳米粒子具备选择性杀死肿瘤细胞的功能。

本发明提出的“氧化锌-钆-药物”复合纳米粒子，可以对各种动物细胞和小鼠肿瘤进行荧光成像分析。由于其突出的弛豫率（比商品化的“钆-二乙基三胺五乙酸”高10倍以上），可利用纵向弛豫时间（T1）权重的磁共振成像技术对小鼠肿瘤进行活体检测。

本发明得到的“氧化锌-钆-药物”复合纳米粒子，对多种癌细胞的体外毒性实验证明，其杀死癌细胞的速度和效率明显高于相同浓度的抗癌药物本身；对小鼠肿瘤注射实验的跟踪结果表明，其抑制肿瘤生长的效果明显高于相同浓度的抗癌药物本身。

附图说明

图1为实施例1的产品的高分辨透射电子显微镜照片。从图1上可以看出，纳米粒子的直径为3纳米。

图2为氧化锌-钆-阿霉素、氧化锌-钆、钆（III）离子以及钆-二乙基三胺五乙酸水溶液在0.55特斯拉磁场下测得的横向弛豫时间的倒数与钆（III）离子浓度的相关直线，拟合直线的斜率则为横向弛豫率。从图中可以知道实施例1中得到的最终产物其横向弛豫率值为64.63每毫摩尔每秒，远远大于商业用钆-二乙基三胺五乙酸的弛豫率，也即表明该纳米粒子是一个非常好的纵向弛豫时间（T1）造影剂。

图3为实施例1的产品在小鼠肿瘤内部的荧光成像和核磁成像的照片。在图中可以清晰的看到，在530纳米的激光激发下，纳米粒子发射出很强的荧光信号。而在肿瘤部位也能观察到明显的磁共振成像信号增强，其信号是注射过生理盐水的小鼠肿瘤的4倍。本发明产品可以结合两种不同的成像方式在辅助治疗成像方面有潜在的应用。

图4为实施例1中的产品通过瘤内注射到小鼠的肿瘤里，进行小鼠的肿瘤治疗。从图中可以清晰的看出，但是注射过实施例1中的产品的小鼠其肿瘤增长得到很大程度的抑制，甚至其抑制效果更为明显。

图5为本发明制备流程图示。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例1

（1）氧化锌（ZnO）量子点的合成

称取0.47克的甲基丙烯酸锌粉末置于三口烧瓶中，加入25毫升的无水乙醇，加热至72℃至其完全溶解。待其冷却至室温后，加入0.06克的偶氮异丁腈（AIBN）和3.75毫升的聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯（PEGMEMA），在磁力搅拌的作用下加热至72℃；10min后，加入25毫升的氢氧化锂溶液（0.14摩尔/升）和0.06克的偶氮异丁腈（AIBN）。于72℃下磁力搅拌1小时。待其冷却至室温后，放入透析袋中，于去离子水中透析3天，得到聚合物修饰的ZnO量子点。

（2）氧化锌-钆纳米粒子的合成

在10毫升的聚甲基丙烯酸单甲醚修饰的氧化锌量子点(0.941毫克/毫升)的水溶液中加入2.35毫升的氯化钆水溶液（10毫摩尔/升），在室温下搅拌过夜，之后在柠檬酸钠水溶液中透析4小时用来除去未反应的钆（III）离子，再在去离子水溶液中透析2天得到氧化锌-钆纳米粒子。

（3）氧化锌-钆-阿霉素纳米粒子的合成

在20毫升的氧化锌-钆纳米粒子的水溶液中加入2毫升的阿霉素水溶液，在室温下搅拌过夜，颜色从橘红色变为紫色，之后用去离子水透析二天除去未反应的阿霉素。

实施例2

制备方法和实施例1相同，但是步骤（2）中使用的氯化钆（10毫摩尔/升）为2.35毫升，搅拌时间改为15天，其他条件不变。在这种条件下，钆（III）离子可以和氧化锌表面的羧基进行充分的配位作用，其纵向弛豫率弛豫率为55.3每毫摩尔每秒。

实施例3

制备方法和实施例1相同，但是步骤（2）中使用的氯化钆（10毫摩尔/升）为1毫升，其他条件不变。在这种条件下，氧化锌表面的Gd离子较少，其纵向弛豫率弛豫率为47.2每毫摩尔每秒。

实施例4

制备方法和实施例1相同，但是步骤（2）中使用的氯化钆（10毫摩尔/升）为2.7毫升，其他条件不变。在这种条件下，氧化锌表面的Gd离子较多，其纵向弛豫率弛豫率为57.89每毫摩尔每秒。

实施例5

制备方法和实施例1相同，但是步骤（2）中使用的氯化钆（10毫摩尔/升）为0.17毫升，其他条件不变。在这种条件下，氧化锌表面的Gd离子较少，其纵向弛豫率弛豫率为33.6每毫摩尔每秒。

实施例6

称取甲基丙烯酸锌0.235克，溶解于20毫升二缩三乙二醇（TEG）中，在磁力搅拌下加热到72oC至其完全溶解。冷却至室温后加入0.05克的偶氮异丁腈和20毫升0.05摩尔/升的2-氨基乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐的二缩三乙二醇（TEG）溶液，加热至65℃并在65℃反应10分钟。之后再加入0.05克的偶氮异丁腈和20毫升0.1摩尔/升的LiOH的二缩三乙二醇（TEG）溶液在72oC下反应1小时。得到的溶液冷却至室温后转移到透析袋中，透析三天，即得到表面含有羧基的氧化锌纳米粒子。其余的条件不变，最终得到的氧化锌纳米药物载体，其纵向弛豫率弛豫率为51.4每毫摩尔每秒。

实施例7

制备方法和实施例6相同，将2-氨基乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐换为甲基丙烯酰胺，得到同样表面具有羧基的氧化锌量子点，其他的条件不变。最终得到的核壳结构的氧化锌纳米载体。其纵向弛豫率弛豫率为43.7每毫摩尔每秒。

实施例8

制备方法和实施例1相同，但是步骤（3）中将阿霉素替换成克唑替尼、最终得到的氧化锌纳米载体。其纵向弛豫率弛豫率为54.7每毫摩尔每秒。

实施例9

制备方法和实施例1相同，但是步骤（3）中将阿霉素替换成尼达尼布，最终得到的氧化锌纳米载体。其纵向弛豫率弛豫率为51.32每毫摩尔每秒。

实施例10

制备方法和实施例1相同，但是步骤（3）中将阿霉素替换成AZD9291，最终得到的氧化锌纳米载体。其纵向弛豫率弛豫率为50.47每毫摩尔每秒。

Claims

1.一种氧化锌-钆-药物复合纳米粒子，其特征在于，由氧化锌纳米晶内核、聚合物外壳、通过配位键修饰的钆（III）离子、表面负载的抗癌药物分子四个部分构成。

2.根据权利要求1所述的氧化锌-钆-药物复合纳米粒子，其特征在于，直径在2～20纳米范围内，发光的波长在450~650纳米范围内，量子产率在30%以上；每个粒子上钆（III）离子的平均数量在20～200个范围内，其纵向弛豫率在20～80每毫摩尔每秒范围内变化；抗癌药物的负载量按质量百分比计为1~20%。

3.根据权利要求1所述的氧化锌-钆-药物复合纳米粒子，其特征在于，所述抗癌药物为阿霉素、克唑替尼、尼达尼布或AZD9291。

4.一种如权利要求1-3之一所述的氧化锌-钆-药物复合纳米粒子的制备方法，其特征在于具体步骤为：

（1）有机锌盐在有机溶剂中水解，生成光致发光的氧化锌纳米粒子；并通过自由基引发的表面聚合反应在氧化锌纳米粒子形成“疏水-亲水”共聚物壳层，使这种共聚物包覆的氧化锌纳米粒子在水溶液、缓冲溶液、细胞培养液和动物血液中都能稳定发光；

（2）向步骤（2）得到的氧化锌纳米粒子水溶液中加入氯化钆，利用共聚物支链上大量的羧基与钆（III）离子配位，形成稳定的“氧化锌-钆”复合纳米粒子；

（3）将步骤（3）得到的“氧化锌-钆”复合纳米粒子水溶液，与抗癌药物混合，利用药物分子与复合纳米粒子之间的相互作用，将药物分子负载到纳米粒子表面；再经过反复透析，除去水溶液中未负载的药物，将溶液浓缩、冻干，获得“氧化锌-钆-药物”复合纳米粒子，为粉末状。

5.根据权利要求4所述的氧化锌-钆-药物复合纳米粒子的制备方法，其特征在于：

步骤（1）中，有机锌盐在有机溶剂中水解，生成具有“疏水-亲水”共聚物壳层且光致发光的氧化锌纳米粒子的具体操作过程为：0.4-0.5克的甲基丙烯酸锌粉末置于三口烧瓶中，加入无水乙醇作为溶剂，加热至其完全溶解；待其冷却至室温后，加入0.05-0.07克的偶氮异丁腈和3.5-4毫升的PEGMEMA，在磁力搅拌的作用下加热保持回流；5-15分钟后，加入20-30毫升0.14摩尔每升的氢氧化锂溶液和0.05-0.07克的偶氮异丁腈；于回流状态下磁力搅拌0.5-1.5小时；待其冷却至室温后，放入透析袋中，于去离子水中透析1天以上，得到ZnO量子点。

6.根据权利要求4所述的氧化锌-钆-药物复合纳米粒子的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，利用共聚物支链上大量的羧基与钆（III）离子配位，形成稳定的“氧化锌-钆”复合纳米粒子的具体操作过程为：在10毫升0.941毫克/升的氧化锌量子点的水溶液中加入2-3毫升10毫摩尔/升的Gd³⁺的水溶液，在室温下搅拌过夜，之后在柠檬酸钠水溶液中透析用来除去未反应的Gd³⁺，再在去离子水溶液中透析1天以上，得到ZnO-Gd纳米粒子。

7.如权利要求1所述的氧化锌-钆-药物”复合纳米粒子，作为在生物体内的荧光成像与磁共振成像物质的应用。

8.如权利要求1所述的氧化锌-钆-药物”复合纳米粒子，作为肿瘤治疗药物栽体的应用。