CN114344489A - 一种多模态FePt@Fe3O4纳米造影剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种多模态FePt@Fe3O4纳米造影剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多模态FePt@Fe3O4纳米造影剂及其制备方法和应用。本发明多模态FePt@Fe3O4纳米造影剂为表面修饰有聚乙二醇的FePt@Fe3O4无机纳米粒子；所述FePt@Fe3O4无机纳米粒子是以FePt合金为核、Fe3O4为壳的纳米晶，整体尺寸为5～20nm但不为20nm，核区尺寸为1～10nm。本发明提供的FePt@Fe3O4纳米造影剂能够在MRI强磁场中提供积极的T1‑T2对比度，且在超低场磁成像中提供明显的剩磁信号，实现全新的T1‑T2‑ULF多模态成像，可用于医学影像、靶向治疗、可视化追踪等领域，具有显著的现实意义和实用价值。

Description

一种多模态FePt@Fe3O4纳米造影剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种以FePt@Fe3O4为基础的磁共振成像/超低场磁成像的多模态纳米造影剂的制造方法和应用，属于生物与医学纳米材料技术领域。
背景技术
磁共振成像(MRI)具有软组织对比度高、空间分辨率高、无电离辐射、临床适用性广等优点，是一种极具价值的非侵入性成像手段。但是由于内在灵敏度低的限制，通常需要在高于1T的强磁场下工作。纳米造影剂由于与周围水质子的相互作用，缩短了附近水分子的纵向(T1)或横向(T2)弛豫时间，可以进一步提高MRI的灵敏度，获得信息丰富的图像。其中，T1加权成像能使的相关病灶部位呈现明亮的变化，能更好的区分组织，深受临床医生的欢迎。
超低场(ULF)磁成像可以采用光学原子磁力仪为高灵敏度的磁场检测器，在低于1mT的超低场环境下，借助纳米磁性粒子的剩磁信号，无需使用外界强磁场，实现分子、细胞及活体动物的成像。多种成像模式的组合可以产生互补的诊断信息，并提供优于单一模式的协同优势。因此，开发出一种具备MRI及超低场磁成像的T1-T2-ULF多模态纳米造影剂，对推动临床前和转化研究中的超低场磁成像技术和生物医学影像诊断的发展有重大意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种多模态FePt@Fe3O4纳米造影剂及其制备方法和应用，该纳米造影剂是以FePt@Fe3O4为基础的磁共振成像/超低场磁成像的T1-T2-ULF多模态纳米造影剂，合成方法简便可重现，经表面修饰后生物相容性高；通过优化控制反应物投放浓度和比例，合成获得的造影剂能够在强磁场下提供积极的T1-T2对比度，且在超低场环境下提供明显的剩磁信号，实现T1-T2-ULF多模态成像，使此造影剂在生物医学和临床应用中具有很大的潜力。
第一方面，本发明保护一种多模态FePt@Fe3O4纳米造影剂，其为表面修饰有聚乙二醇的FePt@Fe3O4无机纳米粒子；所述FePt@Fe3O4无机纳米粒子是以FePt合金为核、Fe3O4为壳的纳米晶，整体尺寸为5～20nm但不为20nm，核区尺寸为1～10nm。
上述的多模态FePt@Fe3O4纳米造影剂中，所述FePt@Fe3O4无机纳米粒子的整体尺寸具体可为8.5～16.5nm、8.5nm、12.5nm或16.5nm；所述核区尺寸具体可为3.3～4.5nm、3.3nm或4.5nm。
第二方面，本发明保护所述的多模态FePt@Fe3O4纳米造影剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将铂源、铁源、稳定剂、还原剂和溶剂组成的体系搅拌抽真空，随后在惰性气氛中回流，得到所述FePt@Fe3O4无机纳米粒子；
(2)在所述FePt@Fe3O4无机纳米粒子的表面修饰聚乙二醇，得到PEG/FePt@Fe3O4核壳纳米晶。
上述的制备方法中，所述铂源、所述铁源、所述稳定剂、所述还原剂和所述溶剂的摩尔比可为1:(4～20):(20～100):(2～10):(100～1000)，具体可为1:(4～20):(20～100):(3～3.6):(125～625)、1:6:20:3.6:140、1:4:20:3:125、1:6.7:33:3:208或1:20:100:3:625；
所述铂源可为乙酰丙酮铂；
所述铁源可为乙酰丙酮铁、羰基铁或油酸铁；
所述稳定剂可为油胺、油酸和癸酸中的一种或多种，如摩尔比为1:1的油胺和油酸；
所述还原剂可为1,2-十六烷二醇或1,10-癸二醇；
所述溶剂可为十八烯、十六烯、二苄醚或角鲨烷。
上述的制备方法中，所述搅拌抽真空的温度可为30～80℃，具体可为80℃；时间可为15～60分钟，具体可为30～60分钟、30分钟或60分钟；
所述回流的温度可为250～350℃，具体可为300℃；时间可为0.5～4小时，具体可为0.5小时或0.75小时。
所述惰性气氛可为氮气或氩气。
上述的制备方法中，所述回流结束后可采用如下方法进行后处理：在所述反应后的体系中加入不良溶剂(如乙醇)离心收集沉淀，将所述沉淀加入良性溶剂(如环己烷)离心收集上清液。产物最终以分散在良性溶剂(如环己烷)的形式存在。
上述的制备方法中，所述FePt@Fe3O4无机纳米粒子与所述聚乙二醇的投料质量比可为(1～5)：9，具体可为(1.5～4.0)：1、(1.6～3.6)：9、2：9、2.4：9、3.6：9或1.6：9；
所述聚乙二醇可为修饰有双磷酸、2,3-二巯基丁二酸双羧基或多巴胺的聚乙二醇,以双磷酸修饰的聚乙二醇为例，其对所述FePt@Fe3O4无机纳米粒子的修饰作用是由磷酸基团上的P＝O与Fe形成配位而达成的；不同基团修饰的聚乙二醇用于修饰FePt@Fe3O4无机纳米粒子的反应温度、时间和溶剂都相同。
所述聚乙二醇的分子量可为2K～5K。
进一步地，所述聚乙二醇为修饰有双磷酸的聚乙二醇；
所述修饰的温度可为30～50℃，时间可为8～24小时，具体可为12小时。
上述的制备方法中，所述修饰可在良性溶剂(如四氢呋喃)中进行，具体步骤可如下：在搅拌条件下，将所述聚乙二醇的四氢呋喃溶液滴加至所述FePt@Fe3O4无机纳米粒子的四氢呋喃溶液中进行修饰。所述聚乙二醇的四氢呋喃溶液的质量浓度可为10～100mg/ml；所述FePt@Fe3O4无机纳米粒子的四氢呋喃溶液的质量浓度可为3～10mg/ml。
上述的制备方法中，所述修饰后可采用如下方法进行后处理：在所述修饰后的体系中加入不良溶剂(如环己烷)离心收集沉淀，再加入良性溶剂(如四氢呋喃)振荡分散后进行真空干燥；将所述真空干燥后的产物加水在截留分子量为10～100K(如100K)的超滤管中离心超滤，收集滤液。产物最终以分散在水中的形式存在。
第三方面，本发明保护所述的多模态FePt@Fe3O4纳米造影剂在作为磁共振成像/超低场磁成像的T1-T2-ULF多模态纳米造影剂中的应用。
现有技术中还没有报道过T1-T2-ULF多模成像造影剂，同时也没有核壳界面调控T1-T2 MRI双模成像的技术方法。相比于传统10-100nm Fe3O4和1-10nm FePt纳米晶的T2造影剂，本发明提供的FePt@Fe3O4纳米造影剂，通过核壳界面结构的调控，能够在MRI强磁场中提供积极的T1-T2对比度，且在超低场磁成像中提供明显的剩磁信号，实现全新的T1-T2-ULF多模态成像，可用于医学影像、靶向治疗、可视化追踪等领域，具有显著的现实意义和实用价值。
附图说明
图1为实施例1制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的TEM表征。
图2为实施例2制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的TEM表征。
图3为实施例3制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的TEM表征。
图4为实施例4制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的TEM表征。
图5为对比例制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的TEM表征。
图6为实施例1-4制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的X射线衍射图。
图7为实施例1制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的电子衍射图。
图8为实施例1-4制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的水动力学半径。
图9为实施例1-4制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂在300K下的磁滞回线。
图10为实施例1-4制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的MRI T1加权成像。
图11为实施例1-4制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的MRI T2加权成像。
图12为对比例制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的MRI T1 T2加权成像。
图13为实施例1制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的细胞毒性。
图14为实施例1制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的小鼠肿瘤T1与T2成像。
图15为实施例1制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的超低场扫描曲线图。
图16为实施例1制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂标记肿瘤细胞的超低场活体磁成像。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域普通技术人员进行进一步改进的指南，并不以任何方式构成对本发明的限制。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中的PEG为双磷酸修饰的PEG(DP-PEG 2000-Mal，分子量为2K～5K)，由MAL-PEG2000-NH2合成得到，MAL-PEG2000-NH2购自西安瑞禧，产品货号为R-1404-X。DP-PEG2000-Mal合成方法：将2.0g H3PO3，20ml H2O，1.0ml浓盐酸溶解充分后，加入Mal-PEG-NH2(4.0g)，油浴升温至90℃。用恒压漏斗缓慢滴加3.0ml甲醛(37％溶液)，升温至110℃，恒温反应90min后关闭反应，降至室温。将反应液转移至150ml的单口烧瓶内，70℃旋蒸，去除溶剂。加50～70ml乙醇形成粘稠后，加入15ml乙醇溶解，砂芯漏斗过滤至锥形瓶中。用500ml冰***沉淀，并-20℃静置30min，抽滤得到沉淀，再加入15～20ml乙醇溶解。重复沉淀2次，最后一次沉淀转移至小烧杯中，常温真空干燥24h，最后-20℃密封保存。
实施例1、合成FePt@Fe3O4多模态纳米造影剂(c4.5s12.5)
在50ml的三口烧瓶中加入0.5mmol的乙酰丙酮铂、3mmol乙酰丙酮铁、5mmol油酸、5mmol油胺、1.8mmol的1,2-十六烷二醇和10ml(35mmol)十六烯，80℃下搅拌抽真空60分钟，随后在氮气中进行300℃高温回流30分钟。反应结束后降至室温，加乙醇6000r/min离心分离10分钟沉淀后，再加环己烷离心分离取上清液，重复离心分离操作2次，产物分散至环己烷，置于4℃冰箱中待用。在上述2ml油相样品(质量浓度约18mg/ml)中加入40ml丙酮6000r/min离心分离10分钟取沉淀(约36mg)，再加入4ml四氢呋喃40℃低温搅拌，并缓慢滴加30mg/ml的PEG四氢呋喃溶液3ml。反应12小时后，加45ml环己烷5000r/min离心分离5分钟取沉淀，加4ml四氢呋喃震荡分散，重复离心震荡3次。真空干燥后加水，转移至截留分子量为100k的超滤管，5000r/min离心超滤10min，最后将滤芯中液体转移至样品瓶，置于4℃冰箱中保存，即FePt@Fe3O4多模态纳米造影剂。
所得FePt@Fe3O4多模态纳米造影剂的TEM图如图1，具有明显的核壳结构，外壳边长和内核直径分别为12.5nm和4.5nm，所以在此标记为c4.5s12.5。其X射线衍射图如图6，出现FePt标准卡片(04-0326，蓝色)与Fe3O4标准卡片(19-0629，黑色)的混合衍射峰。c4.5s12.5的电子衍射图如图7，圆环分别对应FePt的(110)晶面与Fe3O4的(220)、(311)、(440)晶面。c4.5s12.5的水动力学半径如图8所示，表现出良好的水溶液稳定性。c4.5s12.5的磁滞回线如图9所示，MRI T1和T2加权成像如图10和11所示，纵向弛豫率r1和横向弛豫率r2如表1。对比下面其他实施例制备的造影剂，因c4.5s12.5具有最佳的饱和磁化强度及T1-T2对比度，特进行如图13细胞毒性评估，测试与4T1小鼠乳腺癌细胞共同培养24h后的细胞活性。选择5周龄的BALB/c雌鼠(体重20-25g)进行小鼠皮下瘤成像，每只小鼠右后臀注射5*106个4T1细胞，培养约一周后肿瘤直径达到4-5mm，此时对小鼠进行造影剂c4.5s12.5尾静脉注射(注射量为4mg/kg)，随后使用1.5T小动物磁成像仪进行MRI成像。得到的MRI T1与T2成像如图14，肿瘤区域的T1与T2成像同时在注射后1h表现出最明显的信号变化。c4.5s12.5的超低场扫描曲线如图15，表现出明显的pT量级超低场剩磁信号。将c4.5s12.5标记的4T1细胞皮下注射进小鼠体内，利用超低场原子磁力仪进行超低场成像。对扫描磁场曲线的数据进行反演模拟，得到活体小鼠内肿瘤细胞群的空间定位。其超低场活体磁成像如图16，在231mm处显示精准定位，表明可进行超低场细胞示踪应用研究。
实施例2、合成FePt@Fe3O4多模态纳米造影剂(c3.3s8.5)
在50ml的三口烧瓶中加入0.5mmol的乙酰丙酮铂、2mmol乙酰丙酮铁、5mmol油酸、5mmol油胺、1.5mmol的1,2-十六烷二醇和20ml(62.5mmol)十八烯，80℃下搅拌抽真空30分钟，随后在氮气中进行300℃高温回流30分钟。反应结束后降至室温，加乙醇6000r/min离心分离10分钟沉淀后，再加环己烷离心分离取上清液，重复离心分离操作2次，产物分散至环己烷，置于4℃冰箱中待用。在上述2ml油相样品(质量浓度约12mg/ml)中加入40ml丙酮6000r/min离心分离10分钟取沉淀，再加入4ml四氢呋喃40℃低温搅拌，并缓慢滴加30mg/ml的PEG四氢呋喃溶液3ml。反应12小时后，加45ml环己烷5000r/min离心分离5分钟取沉淀，加4ml四氢呋喃震荡分散，重复离心震荡3次。真空干燥后加水，转移至截留分子量为100k的超滤管，5000r/min离心超滤10min，最后将滤芯中液体转移至样品瓶，置于4℃冰箱中保存，即FePt@Fe3O4多模态纳米造影剂。
所得FePt@Fe3O4多模态纳米造影剂的TEM图如图2，具有明显的核壳结构，外壳边长和内核直径分别为8.5nm和3.3nm，所以在此标记为c3.3s8.5。其X射线衍射图如图6，出现FePt标准卡片(04-0326，蓝色)与Fe3O4标准卡片(19-0629，黑色)的混合衍射峰。c3.3s8.5的水动力学半径如图8所示，表现出良好的水溶液稳定性。c3.3s8.5的磁滞回线如图9所示，MRI T1和T2加权成像如图10和11所示，纵向弛豫率r1和横向弛豫率r2如表1。对比下面实施例3和4的造影剂，c3.3s8.5因其整体尺寸较小，具有较大的r1值，T1加权成像效果较好。
实施例3、合成FePt@Fe3O4多模态纳米造影剂(c3.3s12.5)
在50ml的三口烧瓶中加入0.3mmol的乙酰丙酮铂、2mmol乙酰丙酮铁、5mmol油酸、5mmol油胺、0.9mmol的1,2-十六烷二醇和20ml(62.5mmol)十八烯，80℃下搅拌抽真空30分钟，随后在氮气中进行300℃高温回流45分钟。反应结束后降至室温，加乙醇6000r/min离心分离10分钟沉淀后，再加环己烷离心分离取上清液，重复离心分离操作2次，产物分散至环己烷，置于4℃冰箱中待用。在上述2ml油相样品(质量浓度约10mg/ml)中加入40ml丙酮6000r/min离心分离10分钟取沉淀，再加入4ml四氢呋喃40℃低温搅拌，并缓慢滴加30mg/ml的PEG四氢呋喃溶液3ml。反应12小时后，加45ml环己烷5000r/min离心分离5分钟取沉淀，加4ml四氢呋喃震荡分散，重复离心震荡3次。真空干燥后加水，转移至截留分子量为100k的超滤管，5000r/min离心超滤10min，最后将滤芯中液体转移至样品瓶，置于4℃冰箱中保存，即FePt@Fe3O4多模态纳米造影剂。
所得FePt@Fe3O4多模态纳米造影剂的TEM图如图3，具有明显的核壳结构，外壳边长和内核直径的分别为12.5nm和3.3nm，所以在此标记为c3.3s12.5。其X射线衍射图如图6，出现FePt标准卡片(04-0326，蓝色)与Fe3O4标准卡片(19-0629，黑色)的混合衍射峰。c3.3s12.5的水动力学半径如图8所示，表现出良好的水溶液稳定性。c3.3s12.5的磁滞回线如图9所示，MRI T1和T2加权成像如图10和11所示，纵向弛豫率r1和横向弛豫率r2如表1。对比实施例2和4的造影剂，c3.3s12.5因其整体尺寸适中，具有平衡的r1和r2值。可通过优化反应物投放浓度和比例，控制纳米晶整体尺寸不变的情况下，增大内核尺寸，调节核壳结构的界面效应，获取更佳的T1-T2双模成像效果。
实施例4、合成FePt@Fe3O4多模态纳米造影剂(c3.3s16.5)
在50ml的三口烧瓶中加入0.1mmol的乙酰丙酮铂、2mmol乙酰丙酮铁、5mmol油酸、5mmol油胺、0.3mmol的1,2-十六烷二醇和20ml(62.5mmol)十八烯，80℃下搅拌抽真空60分钟，随后在氮气中进行300℃高温回流30分钟。反应结束后降至室温，加乙醇6000r/min离心分离10分钟沉淀后，再加环己烷离心分离取上清液，重复离心分离操作2次，产物分散至环己烷，置于4℃冰箱中待用。在上述2ml油相样品(质量浓度约8mg/ml)中加入40ml丙酮6000r/min离心分离10分钟取沉淀，再加入4ml四氢呋喃40℃低温搅拌，并缓慢滴加30mg/ml的PEG四氢呋喃溶液3ml。反应12小时后，加45ml环己烷5000r/min离心分离5分钟取沉淀，加4ml四氢呋喃震荡分散，重复离心震荡3次。真空干燥后加水，转移至截留分子量为100k的超滤管，5000r/min离心超滤10min，最后将滤芯中液体转移至样品瓶，置于4℃冰箱中保存，即FePt@Fe3O4多模态纳米造影剂。
所得FePt@Fe3O4多模态纳米造影剂的TEM图如图4，具有明显的核壳结构，外壳边长和内核直径的分别为16.5nm和3.3nm，所以在此标记为c3.3s16.5。其X射线衍射图如图6，出现FePt标准卡片(04-0326，蓝色)与Fe3O4标准卡片(19-0629，黑色)的混合衍射峰。c3.3s16.5的水动力学半径如图8所示，表现出良好的水溶液稳定性。c3.3s16.5的磁滞回线如图9所示，MRI T1和T2加权成像如图10和11所示，纵向弛豫率r1和横向弛豫率r2如表1。对比实施例2和3的造影剂，c3.3s16.5因其整体尺寸较大，具有较大的r2值，T2加权成像效果较好。
表1、实施例1-4制备的FePt@Fe3O4纳米造影剂的纵向弛豫率r1和横向弛豫率r2
Figure BDA0003456584330000071
对比例、多模态成像效果不佳的FePt@Fe3O4纳米造影剂(c4.5s20)
在50ml的三口烧瓶中加入0.3mmol的乙酰丙酮铂、2mmol乙酰丙酮铁、15mmol油酸、15mmol油胺、1.8mmol的1,2-十六烷二醇和10ml(35mmol)十六烯，80℃下搅拌抽真空30分钟，随后在氮气中进行300℃高温回流45分钟。反应结束后降至室温，加乙醇6000r/min离心分离10分钟沉淀后，再加环己烷离心分离取上清液，重复离心分离操作2次，产物分散至环己烷，置于4℃冰箱中待用。在上述2ml油相样品(质量浓度约18mg/ml)中加入40ml丙酮6000r/min离心分离10分钟取沉淀，再加入4ml四氢呋喃40℃低温搅拌，并缓慢滴加30mg/ml的PEG四氢呋喃溶液3ml。反应12小时后，加45ml环己烷5000r/min离心分离5分钟取沉淀，加4ml四氢呋喃震荡分散，重复离心震荡3次。真空干燥后加水，转移至截留分子量为100k的超滤管，5000r/min离心超滤10min，最后将滤芯中液体转移至样品瓶，置于4℃冰箱中保存，即FePt@Fe3O4多模态纳米造影剂。
所得FePt@Fe3O4多模态纳米造影剂的TEM图如图5，具有明显的核壳结构，外壳边长和内核直径的分别为20nm和4.5nm，所以在此标记为c4.5s20。其MRI T1和T2加权成像如图12所示，对比实施例1的造影剂，c4.5s20因其整体尺寸过大，虽然具有较强的T2加权成像效果，但T1加权成像效果明显不佳。

Claims (7)

1.一种多模态FePt@Fe3O4纳米造影剂，其为表面修饰有聚乙二醇的FePt@Fe3O4无机纳米粒子；所述FePt@Fe3O4无机纳米粒子是以FePt合金为核、Fe3O4为壳的纳米晶，整体尺寸为5～20nm但不为20nm，核区尺寸为1～10nm。
2.权利要求1所述的PEG/FePt@Fe3O4核壳纳米晶的制备方法，包括如下步骤：
(1)将铂源、铁源、稳定剂、还原剂和溶剂组成的体系搅拌抽真空，随后在惰性气氛中回流，得到所述FePt@Fe3O4无机纳米粒子；
(2)在所述FePt@Fe3O4无机纳米粒子的表面修饰聚乙二醇，得到所述PEG/FePt@Fe3O4核壳纳米晶。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述铂源、所述铁源、所述稳定剂、所述还原剂和所述溶剂的摩尔比为1:(4～20):(20～100):(2～10):(100～1000)；
所述铂源为乙酰丙酮铂；
所述铁源为乙酰丙酮铁、羰基铁或油酸铁；
所述稳定剂为油胺、油酸和癸酸中的一种或多种；
所述还原剂为1,2-十六烷二醇或1,10-癸二醇；
所述溶剂为十八烯、十六烯、二苄醚或角鲨烷。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：所述搅拌抽真空的温度为30～80℃，时间为15～60分钟；
所述回流的温度为250～350℃，时间为0.5～4小时。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述FePt@Fe3O4无机纳米粒子与所述聚乙二醇的质量比为(1.5～4.0)：1；
所述聚乙二醇为修饰有双磷酸、2,3-二巯基丁二酸双羧基或多巴胺的聚乙二醇；
所述聚乙二醇的分子量为2K～5K。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述聚乙二醇为修饰有双磷酸的聚乙二醇；
所述修饰的温度为30～50℃，时间为8～24小时。
7.权利要求1所述的多模态FePt@Fe3O4纳米造影剂在作为磁共振成像/超低场磁成像的T1-T2-ULF多模态纳米造影剂中的应用。
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