專利名稱：腫瘤磁致熱療用納米發(fā)熱劑的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于腫瘤磁致熱療的功能材料的制備方法，屬于生物與醫(yī)學納米材料制造的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磁致熱療法是一種正在發(fā)展的有前途的腫瘤治療手段，它是借助分布到腫瘤組織中的磁性材料(發(fā)熱劑)在外加交變磁場中的升溫效應來達到治療目的，是腫瘤熱療的一種。一般要求磁性材料能轉(zhuǎn)化外加交變磁場的能量使腫瘤組織升溫到42-47℃，從而殺死腫瘤細胞。由于納米磁性顆粒易于分散和給藥，并且比微米或更大尺寸微球吸收更多磁場能量，可以降低對外加交變磁場輸出功率的要求，或者降低給藥量，因而得到了廣泛研究和極大重視，特別對于我國肝癌患者占全世界相關(guān)腫瘤的最高比例，以及江蘇蘇北一些地區(qū)為高發(fā)區(qū)的事實來看，這項技術(shù)的發(fā)展無疑具有非常重要的社會意義，將為推動我國生命關(guān)懷事業(yè)的進步作出貢獻。
就國內(nèi)的發(fā)展情況來看，除了研發(fā)用來提供交變磁場的相關(guān)醫(yī)療設備，在大量進行細胞和動物實驗的基礎(chǔ)上進一步推進臨床試驗和應用外，大力發(fā)展穩(wěn)定性和升溫效果更好的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的納米磁性材料相關(guān)產(chǎn)品，研發(fā)相關(guān)生產(chǎn)工藝，具有非常重要的意義。這不僅是為了提高療效、降低給藥量，而且是為了使我國在這個領(lǐng)域的研究與開發(fā)快速占據(jù)一席之地，擁有自己的知識產(chǎn)權(quán)，推動產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。
腫瘤磁致熱療對磁性納米材料(以磁性液體的形式使用，即納米發(fā)熱劑)的性能要求主要包括升溫效果、穩(wěn)定性和生物兼容性三個方面。升溫效果主要取決于使用的外交變磁場的頻率和強度、以及使用的磁性材料的性能(如材料種類、濃度和粒子尺寸大小等)。提高外交變磁場的頻率和強度能有效改善升溫效果，但是以增加設備設計制造難度和成本為代價，并且過高的磁場頻率和強度將對人體帶來危害，存在一個使用安全性的限制，一般要求磁場頻率在100-200kHz和強度在15kA/m以下，這就對如何通過提升磁性材料性能來達到更好的升溫效果提出了挑戰(zhàn)。由于生物兼容性的要求，選擇的材料種類受到很大限制，一般選擇氧化鐵類，其毒性低，而且可以通過合適的尺寸、形狀和表面控制以達到治療效果的要求。我們的理論研究和大量實驗結(jié)果表明通過對氧化鐵磁性納米粒子進行尺寸選擇和優(yōu)化可以在很大程度上提高其升溫效果和治療效果。研究表明在氧化鐵磁性納米粒子直徑在50nm以上時升溫效果隨著增加粒子尺寸而降低，但是在50nm以下的尺寸范圍內(nèi)，升溫效果隨著增加粒子尺寸而提高，因此需要選擇50nm以下的較大尺寸的粒子。但是，較大尺寸的顆粒由于磁偶極相互作用易于聚集而難于形成穩(wěn)定的磁性液體，因此選擇15-30nm直徑的Fe3O4納米粒子通過氧化、酸化和表面修飾處理可形成穩(wěn)定的磁性液體，同時又能很好地滿足升溫的要求。對于小于15nm的氧化鐵顆粒，則升溫效果不夠理想。這樣，通過尺寸選擇，就避免了目前包括德國、俄羅斯、日本等國在內(nèi)的使用較小尺寸的氧化鐵(一般小于15nm)通過較高的磁場頻率或強度以滿足升溫要求的局限。另外，從目前國內(nèi)外研究情況來看，使用常溫下濕化學共沉淀方法一般只能獲得小于20nm的氧化鐵粒子，可能是因為他們使用的反應體系較小并且沒有注意到反應體系體積的影響。我們發(fā)現(xiàn)增加反應體系的體積，并結(jié)合反應物比例的調(diào)節(jié)，可以突破這個尺寸上限，并且還滿足了批量制備的要求。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題針對腫瘤磁致熱療對所需納米發(fā)熱劑升溫效果、穩(wěn)定性和生物兼容性的要求，提出了一種腫瘤磁致熱療用納米發(fā)熱劑的制備方法，通過尺寸優(yōu)化制備、氧化酸化處理和表面修飾加以綜合解決的方案，以期提高磁性液體腫瘤熱療技術(shù)的治療效果。
技術(shù)方案本發(fā)明以磁性液體腫瘤熱療應用為背景，通過尺寸優(yōu)化制備、氧化酸化處理和表面修飾來提升腫瘤磁致熱療用氧化鐵磁性納米發(fā)熱劑的使用性能。
腫瘤磁熱療用氧化鐵磁性納米發(fā)熱劑制備包括三個連續(xù)的步驟1).采用濕化學共沉淀方法來制備Fe3O4納米粒子，通過控制反應物比例和增加反應體系的體積來控制Fe3O4納米粒子的尺寸，產(chǎn)物通過磁分離洗滌3-4次后，用水稀釋成2-4g/l水基Fe3O4磁性液體；2).然后在90-100℃、pH＝2-3、攪拌條件下通入空氣進行氧化處理4-5h，形成水基γ-Fe2O3磁性液體；3).冷卻后按總鐵量的5-10％加入谷氨酸進行表面修飾，保持pH＝3+0.1條件下攪拌4-5h，磁分離洗滌3-4次后，得穩(wěn)定的水基γ-Fe2O3/Glu磁性液體即納米發(fā)熱劑，根據(jù)需要定溶成不同的濃度0-20g/l。
氧化鐵納米粒子的尺寸控制方法(1)采用濕化學共沉淀方法來制備Fe3O4納米粒子時，將質(zhì)量濃度為2.5％氨水溶液加入到攪拌條件下的FeCl3和FeSO4混合溶液中，直至pH＝9時停止加入氨水，繼續(xù)攪拌1h后停止反應，整個反應過程通氮氣進行保護。此步驟中，可通過控制FeCl3和FeSO4的比例來控制得到Fe3O4納米粒子的尺寸，隨著減小Fe3+/Fe2+比例從1.8到1.3，粒子尺寸增加；另外，隨著增加反應體系的體積，得到的Fe3O4納米粒子的尺寸增加。綜合調(diào)節(jié)這兩個因素，可控制得到的Fe3O4納米粒子尺寸在8-40nm范圍內(nèi)可調(diào)。
(2)降低氧化過程(步驟2)的pH，酸溶過程也能在一定程度上減小粒子尺寸。
考慮到批量制備和磁性液體穩(wěn)定性和升溫效果的要求，選擇50升反應釜、Fe3+/Fe2+＝1.4-1.7、氧化pH＝2-3的制備條件，可得到15-30nm范圍內(nèi)不同尺寸的γ-Fe2O3納米粒子。這個尺寸的磁性納米粒子不僅具有很好的升溫效果(特異性能量吸收率SAR＞100W/g of Fe)，而且通過氧化、酸化和表面修飾后可滿足醫(yī)用穩(wěn)定性的要求。
本發(fā)明提出了一種通過尺寸優(yōu)化制備、氧化酸化處理和表面修飾綜合提高γ-Fe2O3磁性納米發(fā)熱劑升溫效果和穩(wěn)定性的制備方法，為提高腫瘤熱療效果提供了保證。
創(chuàng)新性地提出了一種通過尺寸選擇與優(yōu)化提高磁性納米發(fā)熱劑升溫效果的方法，從而降低了對交變磁場發(fā)生設備頻率和強度的要求，減小了設備制造難度和成本，從而可在對人體安全的磁場頻率和強度條件下實現(xiàn)對腫瘤的熱療。一個優(yōu)化的氧化鐵納米粒子尺寸范圍是15-30nm。
制備工藝上，通過增加反應體系的體積，并結(jié)合反應物比例的調(diào)節(jié)，突破了以往常溫共沉淀法獲得氧化鐵納米粒子的尺寸上限，獲得了20nm以上的氧化鐵納米粒子，提高了升溫效果，并且還滿足了批量制備的要求。
酸性條件下氧化處理降低了納米顆粒的磁性，從而降低了粒子間的磁偶極相互作用，增加了粒子在水中的穩(wěn)定性，但是氧化前后粒子尺寸和升溫效果基本不變(氧化時pH＞2.7)。這個條件下，粒子表面質(zhì)子化，所帶正電荷增加，也增加了粒子穩(wěn)定性。
酸性條件下用谷氨酸對氧化鐵納米粒子表面進行修飾，不僅增加了粒子穩(wěn)定性，而且在粒子表面引入了功能性基團，便于進一步連接生物功能性分子。
有益效果(1)提出了一種通過尺寸優(yōu)化制備、氧化處理、酸化和表面修飾綜合提高γ-Fe2O3磁性納米發(fā)熱劑升溫效果和穩(wěn)定性的制備方法。生產(chǎn)工藝簡單，設備投資少，易于實現(xiàn)不同表面修飾的產(chǎn)品的系列化研發(fā)。
(2)氧化鐵材料和表面修飾分子谷氨酸滿足生物安全性要求。
(3)通過增加反應體系的體積，并結(jié)合反應物比例的調(diào)節(jié)，突破了以往常溫共沉淀法獲得氧化鐵納米粒子的尺寸上限，獲得了20nm以上的氧化鐵納米粒子，提高了升溫效果，并且還滿足了批量制備的要求。產(chǎn)物優(yōu)異的升溫效果降低了對交變磁場發(fā)生設備頻率和強度的要求，減小了設備制造難度和成本，從而可在對人體安全的磁場頻率和強度條件下實現(xiàn)對腫瘤的熱療。
(4)酸性條件下氧化處理降低了納米顆粒的磁性，從而降低了粒子間的磁偶極相互作用，增加了粒子在水中的穩(wěn)定性，但是氧化前后粒子尺寸和升溫效果基本不變(氧化時pH＞2.7)。這個條件下，粒子表面質(zhì)子化，所帶正電荷增加，也增加了粒子穩(wěn)定性。
(5)酸性條件下用谷氨酸對氧化鐵納米粒子表面進行修飾，不僅增加了粒子穩(wěn)定性，而且在粒子表面引入了功能性基團，便于進一步連接生物功能性分子。


圖1是穩(wěn)定的γ-Fe2O3/Glu水基磁性納米發(fā)熱劑的制備流程。
具體實施例方式
步驟(1)采用濕化學共沉淀方法來制備Fe3O4納米粒子，反應在1升燒杯或5升燒杯或50升高速攪拌反應釜中進行，反應原料FeCl3和FeSO4按Fe3+/Fe2+＝1.4-1.7之間某一比例混合并加入燒杯或反應釜中，攪拌條件下將2.5％氨水溶液通過加料漏斗加入到燒杯或反應釜中與鐵鹽進行化學反應，直至pH＝9時停止加入氨水，繼續(xù)攪拌1h后停止反應，整個反應過程通氮氣進行保護。
步驟(2)制備得到的Fe3O4納米粒子，通過磁分離洗滌3-4次后，用水稀釋成2-4g/l水基Fe3O4磁性液體，然后在90-100℃、pH＝2-3、攪拌條件下通入空氣進行氧化處理4-5h，形成水基γ-Fe2O3磁性液體。
步驟(3)氧化得到的水基γ-Fe2O3磁性液體冷卻后，按總鐵量的5％或7％或10％加入谷氨酸進行表面修飾，保持pH＝3±0.1條件下攪拌4-5h，磁分離洗滌3-4次后，得到穩(wěn)定的水基γ-Fe2O3/Glu磁性液體，即納米發(fā)熱劑，可根據(jù)需要定溶成不同的濃度(0-20g/l)。得到的γ-Fe2O3納米粒子尺寸在15-30nm之間，具有很好的升溫效果(特異性能量吸收率SAR＞100W/g of Fe)，穩(wěn)定性滿足醫(yī)用要求。
對于步驟1，當共沉淀反應進行在1升燒杯中，當Fe3+/Fe2+取不同的比例(1.41，1.50，1.67)，對應得到的Fe3O4納米粒子直徑分別為16.0±4.1nm，15.3±3.2nm和14.5±2.6nm；當共沉淀反應進行在5升燒杯中，當Fe3+/Fe2+取不同的比例(1.41，1.50，1.67)，對應得到的Fe3O4納米粒子直徑分別為21.4±6.3nm，17.3±3.4nm和15.1±2.8nm；當共沉淀反應進行在50升反應釜中，當Fe3+/Fe2+取不同的比例(1.41，1.50，1.67)，對應得到的Fe3O4納米粒子直徑分別為28.5±4.6，27.5±4.3nm，18.2±3.7nm。
對于步驟3，增加表面修飾分子谷氨酸的加入量，對進一步增加最終得到的γ-Fe2O3/Glu納米粒子的穩(wěn)定性貢獻較小，考慮到成本問題，可選擇低量使用。
權(quán)利要求
1.一種腫瘤磁致熱療用納米發(fā)熱劑的制備方法，其特征在于制備的方法包括三個連續(xù)的步驟1).采用濕化學共沉淀方法來制備Fe3O4納米粒子，通過控制反應物比例和增加反應體系的體積來控制Fe3O4納米粒子的尺寸，產(chǎn)物通過磁分離洗滌3-4次后，用水稀釋成2-4g/l水基Fe3O4磁性液體；2).然后在90-100℃、pH＝2-3、攪拌條件下通入空氣進行氧化處理4-5h，形成水基γ-Fe2O3磁性液體；3).冷卻后按總鐵量的5-10％加入谷氨酸進行表面修飾，保持pH＝3±0.1條件下攪拌4-5h，磁分離洗滌3-4次后，得穩(wěn)定的水基γ-Fe2O3/Glu磁性液體即納米發(fā)熱劑，根據(jù)需要定溶成不同的濃度0-20g/l。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腫瘤磁致熱療用納米發(fā)熱劑的制備方法，其特征在于Fe3O4納米粒子的尺寸控制方法為采用濕化學共沉淀方法來制備Fe3O4納米粒子時，將質(zhì)量濃度為2.5％氨水溶液加入到攪拌條件下的FeCl3和FeSO4混合溶液中，直至pH＝9時停止加入氨水，繼續(xù)攪拌1h后停止反應，整個反應過程通氮氣進行保護；此步驟中，通過控制FeCl3和FeSO4的比例來控制得到Fe3O4納米粒子的尺寸，隨著減小Fe3+/Fe2+比例從1.8到1.3，粒子尺寸增加；另外，隨著增加反應體系的體積，得到的Fe3O4納米粒子的尺寸增加。綜合調(diào)節(jié)這兩個因素，可控制得到的Fe3O4納米粒子尺寸在15-30nm范圍內(nèi)可調(diào)。
全文摘要
腫瘤磁致熱療用納米發(fā)熱劑的制備方法是一種用于腫瘤磁致熱療的功能材料的制備方法，該方法包括三個連續(xù)的步驟1)采用濕化學共沉淀方法來制備Fe
文檔編號C09K5/00GK1712488SQ200510041048
公開日2005年12月28日 申請日期2005年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月15日
發(fā)明者顧寧, 張宇, 馬明 申請人:東南大學