刺激響應(yīng)性磁性納米顆粒的制作方法
【專利說明】刺激響應(yīng)性磁性納米顆粒
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年5月29日提交的美國專利申請?zhí)?1/828,268(其公開內(nèi)容在此 通過引用整體并入本文）的權(quán)益。
[0003] 政府許可權(quán)的聲明
[0004] 本發(fā)明是在由國立衛(wèi)生研究院授予的邸000252和R44GM100558下通過政府資助進 行的。政府具有本發(fā)明的某些權(quán)利。
[000引背景
[0006]最近已對用于診斷和成像應(yīng)用的磁性納米顆粒(mNP)技術(shù)的開發(fā)表現(xiàn)出相當(dāng)大的 興趣。相較于較大的磁性顆粒，較小的納米顆粒(NP)顯示在其擴散和超順磁性性質(zhì)上的潛 在優(yōu)勢。磁泳遷移率被定義為物體在磁場存在的情況下的加速度，其決定將物體運動控 制在磁場內(nèi)的能力。室溫及W上溫度下的單個顆粒的被定義為
[0008] 其中ii〇是磁常數(shù)，Ms,C是mNP的飽和磁距，Dc是mNP的直徑，kB是玻爾茲曼常數(shù)，n是介 質(zhì)粘度，W及T為溫度。由于它們的小粒度導(dǎo)致隨機化的磁距，mNP的iim通常很小。運對于其 中小mNP的良好擴散性質(zhì)是有利的（例如，當(dāng)將mNP用于經(jīng)由抗體-抗原相互作用捕獲診斷性 祀時)應(yīng)用造成固有挑戰(zhàn)。在一個方面，小的顆粒顯示更好的締合和結(jié)合性質(zhì)，但在另一方 面它們的小的尺寸降低磁性捕獲效率。
[0009] 克服mNP的小iim的方法包括使用利用多個mNP標(biāo)記的較大的大分子或物體，從具有 較大Ms,C的材料制備mNP,使用不可逆聚集的mNP,或使用高磁梯度。然而，大多數(shù)運些方法導(dǎo) 致良好擴散性質(zhì)的損失。此外，高磁梯度需要大量線圈和高電流。具有高Ms,C的材料通常是 金屬或合金并且由于它們的高表面/體積比，它們易于發(fā)生可降低其Ms,C的氧化事件。mNP至 較大結(jié)構(gòu)的預(yù)先聚集導(dǎo)致表面/體積比的永久性降低和mNP良好擴散性質(zhì)的減弱。存在對還 可在小磁場中被容易地分離的具有良好擴散性質(zhì)的mNP的需要。
[0010] 刺激響應(yīng)性("智慧"或"智能")材料和分子響應(yīng)外部刺激諸如抑;溫度;紫外可見 光;離子強度;某些化學(xué)物質(zhì)(諸如多價離子、具有任一種電荷的聚離子或酶底物諸如葡萄 糖）的濃度；W及光福照或暴露于電場后的小變化而顯示突然的性質(zhì)改變。通常地運些改變 在除去刺激后是完全可逆的。
[0011] 聚(N-異丙基丙締酷胺KPNIPAAm)是溫度響應(yīng)性聚合物，其顯示聚合物可逆聚集 的最低臨界溶解溫度化CST)。低于LCST，PNIPAAm鏈水合W形成膨脹的結(jié)構(gòu)；高于LCST， PNIPAAm鏈脫水W形成皺縮的結(jié)構(gòu)。該性質(zhì)歸因于水分子與疏水基團尤其是異丙基的熱可 逆相互作用，從而在低于LCST時導(dǎo)致低賭、疏水結(jié)合的水分子W及在LCST和高于LCST時導(dǎo) 致那些水分子的釋放。利用PNIPAAm對mNP的修飾產(chǎn)生可在溫度循環(huán)通過LCST時在溶液中可 逆聚集的納米顆粒。
[0012] 利用經(jīng)PNIPAAm修飾的mNP的先前工作依賴于顆粒的合成后化學(xué)修飾?；痠u等人通 過共沉淀FeCh和FeCh合成化3〇4鐵磁流體。隨后將鐵磁流體與PNIPAAm溶液混合，并交聯(lián)W 形成磁性多聚網(wǎng)絡(luò)。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來合成Fe3〇4顆粒。Deng, Y.等人， Adv .Mater. 15，1729-1732，2003。將顆粒用氧化娃層涂覆，并用3-氨丙基S甲氧基硅烷修飾 W引發(fā)NIPAAm的沉淀聚合。在兩種方法中，合成后官能化需要多個步驟并且可導(dǎo)致顆粒聚 集。存在對制備刺激響應(yīng)性聚合物修飾的mNP的方法的需要，所述方法不需要廣泛的合成后 工作步驟并且導(dǎo)致最低限度的顆粒聚集。
[0013]用于刺激響應(yīng)性mNP的先前合成策略還包括鐵前體Fe(CO)S在膠束內(nèi)的熱解。例 如，在100°C將Fe(CO)迪射進含有3.6mM形成膠束的PNIPAAm的四乙二醇二甲酸溶液。使用 可逆片段化鏈轉(zhuǎn)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)鏈轉(zhuǎn) 移劑合成具有末端膠束形成部分的PNIPAAm(約化化）（參見，例如，Lai等人，Langmuir. 23
[13] :7385-7391,2007)。在鐵前體注射進含有PNIPAAm膠束的四乙二醇二甲酸溶液后，將溶 液升至190°C，并回流6小時，隨后純化W提供具有靠近刺激響應(yīng)性mNP的金屬氧化物核屯、的 膠束形成基團的刺激響應(yīng)性HiNP。參見，例如，美國專利第8，507，283和7，981，688號。
[0014] 刺激響應(yīng)性材料和分子在生物醫(yī)學(xué)/制藥領(lǐng)域中W及生物技術(shù)和相關(guān)工業(yè)中具有 許多可能的應(yīng)用。智能綴合物、智能表面、智能聚合膠束和智能水凝膠均都已被研究用于各 種診斷、分離、細胞培養(yǎng)、藥物遞送和生物加工應(yīng)用。
[0015] 盡管開發(fā)了用于診斷和成像應(yīng)用的mNP技術(shù)，但仍然存在對于具有良好擴散性質(zhì) W及具有可逆地聚集成較大結(jié)構(gòu)的能力的刺激響應(yīng)性mNP和用于制備該納米顆粒的更簡單 方法的需要。本公開內(nèi)容尋求實現(xiàn)運些需要和提供進一步的相關(guān)優(yōu)勢。
[0016] 概述
[0017] 本概述被提供來W簡化形式介紹概念的選擇，其在下文的詳細描述中被進一步描 述。本概述并不旨在鑒別要求保護的主題的關(guān)鍵特征，也不旨在用于幫助限制要求保護的 主題的范圍。
[0018] 在一個方面，本公開內(nèi)容表征了用于制備刺激響應(yīng)性磁性納米顆粒的方法，其包 括（1)提供混合物，所述混合物包含在大氣壓下具有大于150°C的沸點的溶劑、包含與選自 Fe、Ni、C;r、Co、Gd、Dy和Mn的元素的金屬陽離子配位的馨合劑的金屬絡(luò)合物、W及刺激響應(yīng) 性聚合物;和(2)加熱該混合物W提供刺激響應(yīng)性磁性納米微粒，其中所述刺激響應(yīng)性聚合 物不包含末端膠束形成基團。
[0019] 在另一個方面，本公開內(nèi)容表征了刺激響應(yīng)性磁性納米微粒，其包含金屬氧化物 核屯、和包圍金屬氧化物核屯、的殼，所述殼包含含有末端簇酸醋基團的刺激響應(yīng)性聚合物。 所述末端簇酸醋基團與金屬氧化物核屯、直接配位并且所述刺激響應(yīng)性聚合物不包含末端 膠束形成基團。
[0020] 在另一個方面，本公開內(nèi)容表征了使用刺激響應(yīng)性磁性納米顆粒的方法。
[0021 ] 附圖描述
[0022] 當(dāng)與附圖結(jié)合起來考慮時，本公開內(nèi)容的前述方面和許多伴隨的優(yōu)勢將變得更容 易理解，其通過參考下文的詳細描述也會更好地理解，其中：
[0023] 圖1是制備本公開內(nèi)容的mNP的方法的實施方案的流程圖。
[0024] 圖2A-2C是捕獲和釋放本公開內(nèi)容的mNP的實施方案的方法的示意圖。
[0025] 圖3A-3D是顯示本公開內(nèi)容的刺激響應(yīng)性mNP的實施方案的結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的圖。 mNP包含在聚合物的近端末端不包含膠束形成基團的親水刺激響應(yīng)性聚合物。圖3A是顯示6 個不同mNP批次的粒度的圖，如通過動態(tài)光散射測量的。圖3B是顯示mNP的31°C的最低臨界 溶解溫度化CST)(溫度反應(yīng)性的量度）的圖。圖3C是顯示mNP的刺激響應(yīng)性聚合物對Fe的質(zhì) 量比的圖，如通過熱重分析測量的。圖3D是顯示mNP在低于(22°C)和高于(37°C化CST下的分 離效率的圖。
[0026] 詳述
[0027] 本公開內(nèi)容提供刺激響應(yīng)性磁性納米顆粒(mNP)、制備mNP的方法和使用mNP的方 法。mNP包括金屬氧化物核屯、;和包含具有直接與金屬氧化物核屯、配位的末端基團的刺激響 應(yīng)性聚合物的殼。刺激響應(yīng)性聚合物至少在聚合物的近端末端(相對于金屬氧化物核屯、)上 不包含膠束形成基團。
[0028] 當(dāng)與在靠近mNP的金屬氧化物核屯、的聚合物末端上包含膠束形成基團的刺激響應(yīng) 性聚合物相比較時，本公開內(nèi)容的刺激響應(yīng)性聚合物（即，當(dāng)與金屬氧化物核屯、配位時，在 靠近mNP的金屬氧化物核屯、的聚合物末端上不具有膠束形成基團）提供許多優(yōu)勢。如將在下 文實施例1中所證明的，當(dāng)將在任何聚合物末端上不包含膠束形成基團的刺激響應(yīng)性聚合 物用于本公開內(nèi)容的方法時，相較于使用在聚合物末端上包含膠束形成基團的刺激響應(yīng)性 聚合物制備的mNP,產(chǎn)生了具有出人意料的改善性質(zhì)的mNP。具體地，使用在聚合物末端上包 含膠束形成基團的刺激響應(yīng)性聚合物制備的mNP具有低產(chǎn)率，尺寸較不均一，不能可再現(xiàn)地 合成，并且可不期望地不溶于水性環(huán)境。此外，利用在聚合物末端上具有膠束形成基團的刺 激響應(yīng)性聚合物制備的mNP可具有不期望的較大尺寸和較低的LCST值(即，接近室溫），運使 得納米顆粒在環(huán)境條件下的操作存在挑戰(zhàn)。
[0029]
[0030] ^說明書中的不同地方，W組或范圍公開了本公開內(nèi)容的化合物的取代基。特 別期望的是本公開內(nèi)容包括運樣的組和范圍的成員的每一個個別亞組合。例如，術(shù)語"Cl-6 烷基"特別地旨在個別地公開甲基、乙基、C3烷基、C4烷基、Cs烷基和Cs烷基。
[0031] 還應(yīng)理解，在單獨的實施方案的上下文中描述(為了清楚）的本公開內(nèi)容的某些特 性還可在單個實施方案中組合提供。
[0032] 相反地，在單個實施方案的上下文中描述(為了簡潔)的本公開內(nèi)容的各種特性還 可單獨地或W任何適當(dāng)?shù)膩喗M合提供。
[0033] 如本文中所用，術(shù)語"金屬絡(luò)合物"是指含金屬的化合物，其包含中屯、金屬原子或 離子和結(jié)合的分子或離子(即，配體)的周圍陣列。
[0034] 如本文中所用，術(shù)語"配位"或"配價"是指配體(例如，馨合劑）與中屯、金屬原子之 間形成的鍵，其中通常通過將電子從孤電子對提供至空金屬軌道中來將配體結(jié)合于中屯、原 子，W使得配體與所述原子配位。在一些實施方案中，不是將電子從孤電子對提供至空金屬 軌道中，而是有機配體諸如締控類的n鍵可與空金屬軌道配位。
[0035] 如本文中所用，術(shù)語"馨合劑"是指可與中屯、原子形成兩個或更多個單獨的配位鍵 的化合物。
[0036] 如本文中所用，術(shù)語"流體力學(xué)直徑"是指溶劑(例如，水）中水合的可溶性刺激響 應(yīng)性mNP的表觀尺寸，如通過動態(tài)光散射測量的。
[0037] 如本文中所用，術(shù)語"共聚物"是指作為兩種或更多種不同單體的聚合結(jié)果的聚合 物。各結(jié)構(gòu)單元的數(shù)目和性質(zhì)可在共聚物中單獨地控制。除非另外明確地聲明，否則可W W 完全隨機、隨機交替、規(guī)則交替、規(guī)則嵌段或隨機嵌段構(gòu)型排列結(jié)構(gòu)單元。完全隨機構(gòu)型可 W例女日為：x_x_y_z-x-y-y-z-y-z-z-z...或y-z-x-y-z-y-z-x-x. . . . O隨機交替構(gòu)型可從 為:x-y-x-z-y-x-y-z-y-x-z…，規(guī)則交替構(gòu)型可W為:x-y-z-x-y-z-x-y-z…。規(guī)則嵌段構(gòu) 型具有W下一般構(gòu)型：? ?，x-x-x-y-y-y-z-z-z-x-x-x…，而隨機嵌段構(gòu)型具有一般構(gòu)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，術(shù)語"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-取代的贓晚-4-基"是指用非氨取代基諸如例如烷基替代贓晚基的NH的氨原子。
[0039] 如本文中所用，術(shù)語"烷基"是指直鏈或支鏈完全飽和的（無雙鍵或=鍵)控(僅有 碳和氨煙。烷基的實例包括，但不限于，甲基、乙基、丙基、異丙基、T基、異下基、仲下基、叔 下基、戊基和己基。如本文中所用，"烷基"包括"亞烷基"基團，其是指具有兩個而非一個用 于與其它基團鍵合的開放化合價的直鏈或支鏈完全飽和的控基。亞烷基的實例包括但不限 于：亞甲基、-C出-、亞乙基、-C出C此-、亞丙基、-C此C此C此-、正亞下基、-C此C此C出C此-、仲亞 下基和-C出C出CH(C出)-。本公開內(nèi)容的烷基可任選地被一個或多個氣基取代。