一种两亲超顺磁性磁共振造影剂及其制备方法

专利名称：一种两亲超顺磁性磁共振造影剂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种超顺磁性磁共振造影剂及其制备方法，具体说，是涉及一种
以MnFe204纳米粒子为核，具有既亲水又亲油的两亲壳结构的超顺磁性磁共振造 影剂及其一种工艺简单、制造成本低、可工业化实施的制备方法。
背景技术：
磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)是一种20世纪80年代以后发
展起来的最重要的先进医学影像技术，具有分辨率高、成像参数多、使用安全等 突出优点，在医学诊断和基础研究方面有着巨大的应用潜力。MRI造影剂是用来 缩短成像时间、提高成像对比度和清晰度的一种成像增强对比剂，它能够改变局 部组织中水质子的弛豫速率，提高正常与患病部位的成像对比度从而显示体内器 官的功能与状态。MRI造影剂主要有顺磁性造影剂和超顺磁性造影剂两大类。超 顺磁性造影剂由于其在人体内的分布具有特异性、使用剂量少、安全、毒副作用 小以及用途广泛等优点，已成为目前研发的热点。超顺磁性造影剂的磁距远远大 于顺磁性物质，弛豫效能高，可通过尺寸选择或特异性表面分子修饰实现对特定 组织的靶向，并有独特的跨膜机理，可实现细胞内分子靶向。超顺磁性造影剂的 血液半衰期、体内分布状态与其粒子的大小和表面状态有直接的关系。粒径较小 的造影剂具有较长的血液循环时间，并且具有穿过血管壁、细胞间隙、细胞膜、 血脑屏障等各种生理屏障的能力。制备超顺磁性造影剂的关键在于如何制备出磁 性能优异(高饱和磁化强度和初始磁化率)的超顺磁性材料，以及在此基础上对 磁性纳米粒子表面进行修饰，形成具有核壳结构的磁性纳米粒子，以增强其稳定 性、水溶性和生物相容性，并降低其毒性。
目前已经许可上巿和正在临床实验的超顺磁性造影剂绝大多数由四氧化三铁 颗粒核心和外面包覆的一层葡聚糖高聚物组成，粒径约为25 40纳米，其合成工 艺复杂、制造成本高、粒径较大、结晶度低、饱和磁化强度小、MRI成像效果差、 表面包覆层的厚度不均。最近，中国专利文献CN101002951公开了一种表面包覆 有多元醇分子的四氧化三铁纳米粒子，粒子的直径为1 20纳米，其制备方法是将
3含铁化合物在多元醇溶液中经高温反应、冷却、沉淀、分离、分散于水溶液并过 滤除菌。虽然此发明在一定程度上解决了该类造影剂合成工艺复杂、制造成本高、 粒径较大、结晶度低、饱和磁化强度小、MRI成像效果差、表面包覆层的厚度不
均的问题，具有结晶度高、饱和磁化强度大、MRI成像效果好、粒子直径小、表 面包覆层薄而均匀的优点及制备方法具有操作简单、容易控制、反应效率高、原 料易得、成本低廉、易于实现大规模工业化生产的优点。但研究表明四氧化三 铁(即铁酸铁)纳米材料的磁矩和R2系数都很低，不能适于先进的磁共振成像的 应用。要适于先进的磁共振成像的应用，需要一种新型的具有较髙的磁化率、可
以增强质子核自旋的驰豫过程、特别是可以减少横向驰豫时间T2的磁性纳米材料。
因研究证明在MnFe204 、 FeFe204、 CoFe204、 NiFe204这几种铁酸盐中，MnFe204 的磁性最大，对横向驰豫时间的影响也较大，能可望成为更好的磁共振造影剂， 以适于先进的磁共振成像的应用。因此，开发制备工艺简单、制造成本低，且具 有粒径小、高结晶度、饱和磁化率高、驰豫能力强、生物兼容性好、毒性小及稳 定性好，以MnFe204纳米粒子为核的超顺磁性磁共振造影剂，是磁共振造影剂的发 展方向和需求。

发明内容
本发明的目的是提供一种粒径小、高结晶度、饱和磁化率高、驰豫能力强、 生物兼容性好及在水溶液中分散性好、稳定性好，以MnFe204纳米粒子为核的超 顺磁性磁共振造影剂及其一种工艺简单、制造成本低、可工业化实施的制备方法， 以克服现有技术的缺陷，满足先进的磁共振成像的需求。
为实现上述发明目的，本发明釆用的技术方案如下
本发明提供的两亲超顺磁性磁共振造影剂，是以MnFe204纳米粒子为核，其特 征在于MnFe204纳米粒子的表面均匀地包覆有多元醇分子，且多元醇分子外端的 部分羟基与9-氯甲酸芴甲酯通过酰氯反应形成两亲性的外壳结构。
所述MnFe204纳米粒子的平均粒径为5 ~ 25nm。
所述多元醇可选丙三醇、三甘醇、四甘醇、五甘醇等高沸点的多元醇，优选 四甘醇。
本发明所述的两亲超顺磁性磁共振造影剂的制备方法，其具体操作如下 将摩尔比为2: 1的三乙酰丙酮铁和二乙酰丙酮锰加入多元醇中，控制三乙酰 丙酮铁在多元醇中的摩尔浓度为0.04~0.2mol/L;进行无水无氧搡作，在惰性气体保护下加热反应体系，当温度升到100 14(TC时，保温反应1 3小时；接着继续 升温，当温度升到200 22(TC时，保温反应1 3小时；再接着继续升温，当温度 升到285 305'C时，保温反应1~3小时；反应完成，自然冷却到室温，离心分离， 用无水乙醇洗涤沉淀，于15 30。C真空干燥10 20小时，即得表面包覆有多元醇 分子的MnFe204纳米粒子；
称取表面包覆有多元醇分子的MnFe204纳米粒子和9-氯甲酸苟甲酯 (Fmol-Cl),溶于无水N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，控制9-氯甲酸荀甲酯与表 面包覆有多元醇分子的MnFe204纳米粒子的质量比为1:2 1:4，表面包覆有多元 醇分子的MnFe204纳米粒子在DMF中的浓度为2g/L ~4g/L;进行无水无氧操作， 在惰性气体保护下于15 3(TC反应10~12小时；用透析袋透析反应体系，离心透 析液，用无水乙醇洗涤沉淀，于15 30。C真空干燥15 20小时，即得以MnFe204 纳米粒子为核的两亲超顺磁性磁共振造影剂。
所述多元醇可选丙三醇、三甘醇、四甘醇、五甘醇等高沸点的多元醇，优选 四甘醇。
本发明以MnFe204纳米粒子为核，通过使多元醇分子中的醚氧原子与 MnFe204纳米粒子中的金属离子产生配位，从而使多元醇分子均勻的包覆在 MnFe204纳米粒子的表面，然后借助多元醇分子外端的羟基与Fmoc-Cl通过酰氯 反应将其修饰成两亲性的外壳结构。因为表面均勻地包覆有多元醇分子的 MnFe204纳米粒子，其表面的羟基之间具有氢键作用和静电作用，相对而言比较 容易沉降，通过Fmoc-Cl修饰，MnFe204纳米粒子表面的部分羟基与Fmoc-Cl发 生酰氯反应，这样得到的纳米粒子的表面是既有亲水基团羟基，也有Fmoc-Cl另 一端的疏水基团，即得到的纳米粒子为两亲性的。由于亲水基团和疏水基团之间 具有排斥力，使得该纳米粒子在水中的分散性很好，即使在强磁场中也不易沉降。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果
1、 本发明的两亲超顺磁性磁共振造影剂的核一MnFe204纳米粒子，为单晶， 具有单分散性、超顺磁性、粒径小、粒径大小均匀可控及良好的可重复性等优点， 能为科学研究与临床应用带来巨大的方便。
2、 本发明的两亲超顺磁性磁共振造影剂的两亲性外壳结构，使所制备的造影 剂具有良好的生物兼容性，在水溶液中具有极高的稳定性和很好的分散性。
3、 因本发明是通过使多元醇分子中的醚氧原子与MnFe204纳米粒子中的金属 离子产生配位，从而使多元醇分子均勻的包覆在MnFe204纳米粒子的表面，然后借助多元醇分子外端的羟基与Fmoc-Cl通过酰氯反应得到两亲性的外壳结构，因
此本发明的两亲超顺磁性磁共振造影剂的包覆层外壳具有厚度均匀的优点。
4、 因本发明的两亲超顺磁性磁共振造影剂的饱和磁化率达到40emu/g,横向 驰豫率R2达到189.302 FemM"V1，且对细胞的毒性很小，可显著降低MRI的T2
信号，因此可开发成先进的磁共振成像造影剂，以克服现有技术的缺陷。
5、 本发明的方法具有操作简单、成本低廉、对设备的要求低及易于实现大规 模工业化生产的优点。


图l为本发明中的9-氯甲酸芴甲酯(Fmoc-Cl)的化学结构式。
图2为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的核一MnFe204纳米粒 子的透射电子显微镜(TEM)照片。
图3为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的核一MnFe204纳米粒 子的高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)照片。
图4为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的核一MnFe204纳米粒 子的X-射线衍射(XRD)谱图。
图5为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的透射电子显微镜(TEM) 照片。
图6为实施例l所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的红外谱图(IR)。 图7为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂在25。C的磁滞回线图。 图8为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的细胞毒性测试结果图。 图9为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的丁2加权成像图。 图10为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂在水溶液中的L驰豫 率(1AT2)相对于Fe,农度拟合的直线图。
图11为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的活体T2加权成像图。
具体实施例方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明，其目的仅在于更好理解本发明的内 容而非限制本发明的保护范围。实施例中所用的9-氯甲酸芴甲酯(Fmoc-Cl)，其 化学结构式见图1所示，该样品是由东京化成工业株式会社制造，分析纯，为纯 度大于97.0%的固体粉末。实施例l
本实施例提供的两亲超顺磁性磁共振造影剂的制备方法，具体操作如下
将2mmo1三乙酰丙酮铁和lmmol乙酰丙酮锰加入30ml的四甘醇中；进行无 水无氧操作，在惰性气体保护下加热反应体系，当温度升到120'C时，保温反应2 小时；接着继续升温，当温度升到21(TC时，保温反应2小时；再接着继续升温， 当温度升到295C时，保温反应2小时；反应完成，自然冷却到室温，离心分离， 用无水乙醇洗涤沉淀，于25'C真空干燥15小时，即得黑色的表面包覆有四甘醇分 子的MnFe204纳米粒子。
称取上述制得的表面包覆有多元醇分子的MnFe204纳米粒子15mg和9-氯甲 酸芴甲酯(Fmol-Cl) 60mg,溶于4ml无水N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，进行 无水无氧操作，在惰性气体保护下于25。C反应12小时；用透析袋透析反应体系， 离心透析液，用无水乙醇洗涤沉淀，于25。C真空干燥20小时，即得以MnFe204 纳米粒子为核的两亲超顺磁性磁共振造影剂。
图2为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的核一MnFe204纳米粒 子的透射电子显微镜(TEM)照片，由图可见所制备的MnFe204纳米粒子尺寸均 一，且具有很好的单分散性，平均尺寸大约是10nm，属于超顺磁性的尺寸范围。
图3为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的核一MnFe204纳米粒 子的高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)照片，由图可见所制备的旨^04纳米粒 子是单晶。
图4为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的核一MnFe204纳米粒 子的X-射线衍射(XRD)谱图，是由DMAX2000X-射线衍射仪测试得到，该衍 射仪为Cu/Ka-辐射(XM).15405nm) (40kV, 40mA),该图进一步说明了本实施例所 制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的核为MnFe204纳米单晶。
图5为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的透射电子显微镜(TEM) 照片，从该图可以看出所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂仍具有尺寸均一和很 好的单分散性，平均尺寸大约还是lOnm,仍属于超顺磁性的尺寸范围。
图6为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的红外图谱(IR)，其中 1为经过表面修饰后的两亲超顺磁性磁共振造影剂，2为两亲超顺磁性磁共振造影 剂的核一MnFe204纳米粒子。从该图可以看出经过表面修饰后的MnFe204纳米 粒子的红外谱图发生了明显的变化,其中在1558cm"和1419cm"处出现了羰基峰， 并且在2953cm"处的峰也明显增强。
7图7为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂在25。C的磁滞回线图，
由该图可以看出该造影剂具有超顺磁性，饱和磁化率达到40emu/g。
图8为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的细胞毒性测试结果图， 该测试是将人宫颈癌细胞系Hela细胞接入50ml体积的细胞培养瓶中，在37。C、 饱和湿度、5。/。C02孵箱中培养而得，培养体系为含10。/。FCS的DMEM培养基(含 10°/。胎牛血清、100U/ml青霉素、100ng/ml链霉素和l。/。谷氨酰胺，pH7.2~7.4)。 由该图可见当所制备的造影剂的浓度达到100ug/ml时，细胞的存活率达81%, 由此表明所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂对细胞的毒性很小。
图9为实施例l所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的T2加权成像图，该图是 由0.5T的磁共振成像仪测试而得，具体参数为TR/TE=4000/60ms,选层厚度为 0.6mm，谱宽SW^50KHz,接收机增益RG二3。由该图可见随着造影剂中Fe" 浓度的逐渐增加，MRI的T2信号逐渐变暗。
图10为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂在水溶液中的丁2驰豫 率(1AT2)相对于Fe,农度拟合的直线图，直线的斜率即为横向驰豫率R2，由该 图可见所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂具有很强的驰豫能力，横向驰豫率 R2达到189.302 FemM"V1。
图11为实施例1所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的活体T2加权成像图，
是将所制备的两亲超顺磁性磁共振造影剂的水溶液通过尾部静脉注入20g的昆明 鼠体内，然后观B式该造影剂对小鼠体内的不同器官的T2信号的影响情况，所用仪 器为MicroMR-25成像仪，(上海纽迈电子科技有限公司生产，脉冲序列多层自旋 回波；TR(重复时间)360ms; TE(回波时间)6ms,相位编码步数128;釆 样点数200;累加次数8;层数9。其中a图为打造影剂前的横断面扫描照片， b图为打造影剂后的横断面扫描照片，由该图可见所制备的两亲超顺磁性磁共振 造影剂可显著降低MRI的T2信号。 实施例2
本实施例提供的两亲超顺磁性磁共振造影剂的制备方法，具体操作如下 将2mmo1三乙酰丙酮铁和lmmol乙酰丙酮锰加入10ml的四甘醇中；进行无 水无氧操作，在惰性气傳:保护下加热反应体系，当温度升到10(TC时，保温反应3 小时；接着继续升温，当温度升到200。C时，保温反应3小时；再接着继续升温， 当温度升到285。C时，保温反应3小时；反应完成，自然冷却到室温，离心分离， 用无水乙醇洗涤沉淀，于25X:真空干燥15小时，即得黑色的表面包覆有四甘醇分子的MnFe204纳米粒子。
称取上述制得的表面包覆有多元醇分子的MnFe204纳米粒子15mg和9-氯甲 酸芴甲酯(Fmol-Cl) 30mg，溶于7ml无水N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，进行 无水无氧搡作，在惰性气i^保护下于3(TC反应IO小时；用透析袋透析反应体系， 离心透析液，用无水乙醇洗涤沉淀，于25匸真空干燥20小时，即得以MnFe204 纳米粒子为核的两亲超顺磁性磁共振造影剂。
实验结果表明本实施例所制备的产物仍具有粒径小、高结晶度、饱和磁化 率高、驰豫能力强、生物兼容性好及毒性小，可显著降低MRI的T2信号的优点。
实施例3
本实施例提供的两亲超顺磁性磁共振造影剂的制备方法，具体操作如下
将2mmo1三乙酰丙酮铁和lmmol乙酰丙酮锰加入50ml的四甘醇中；进行无 水无氧操作，在惰性气体保护下加热反应体系，当温度升到140。C时，保温反应l 小时；接着继续升温，当温度升到220。C时，保温反应l小时；再接着继续升温， 当温度升到305。C时，保温反应l小时；反应完成，自然冷却到室温，离心分离， 用无水乙醇洗涤沉淀，于25。C真空干燥15小时，即得黑色的表面包覆有四甘醇分 子的MnFe204纳米粒子。
称取上述制得的表面包覆有多元醇分子的MnFe204纳米粒子15mg和9-氯甲 酸芴甲酯(Fmol-Cl) 45mg,溶于5ml无水N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，进行 无水无氧搡作，在惰性气傳:保护下于2(TC反应12小时；用透析袋透析反应体系， 离心透析液，用无水乙醇洗涤沉淀，于25。C真空干燥20小时，即得以MnFe204 纳米粒子为核的两亲超顺磁性磁共振造影剂。
实验结果表明本实施例所制备的产物仍具有粒径小、高结晶度、饱和磁化 率高、驰豫能力强、生物兼容性好及毒性小，可显著降低MRI的T2信号的优点。
另外，本发明人的实验结果表明实施例1中所用的四甘醇可被丙三醇、三 甘醇、四甘醇、五甘醇等高沸点的多元醇等同替代。
权利要求
1. 一种两亲超顺磁性磁共振造影剂，是以MnFe2O4纳米粒子为核，其特征在于MnFe2O4纳米粒子的表面均匀地包覆有多元醇分子，且多元醇分子外端的部分羟基与9-氯甲酸芴甲酯通过酰氯反应形成两亲性的外壳结构。
2. 根据权利要求l所述的两亲超顺磁性磁共振造影剂，其特征在于所述 MnFe204纳米粒子的平均粒径为5 ~ 25nm。
3. 根据权利要求l所述的两亲超顺磁性磁共振造影剂，其特征在于所述多 元醇为丙三醇、三甘醇、四甘醇或五甘醇。
4. 根据权利要求3所述的两亲超顺磁性磁共振造影剂，其特征在于所述多 元醇为四甘醇。
5. —种权利要求l所述的两亲超顺磁性磁共振造影剂的制备方法，其特征在 于，其具体操作如下将摩尔比为2: 1的三乙酰丙酮铁和二乙酰丙酮锰加入多元醇中，控制三乙酰 丙酮铁在多元醇中的摩尔浓度为0.04-0.2mol/L;进行无水无氧操作，在惰性气体 保护下加热反应体系，当温度升到100 14(TC时，保温反应1 3小时；接着继续 升温，当温度升到200 22(TC时，保温反应1 3小时；再接着继续升温，当温度 升到285 305i:时，保温反应1~3小时；反应完成，自然冷却到室温，离心分离， 用无水乙醇洗涤沉淀，于15 30'C真空干燥10 20小时，即得表面包覆有多元醇 分子的MnFe204纳米粒子；称取表面包覆有多元醇分子的MnFe204纳米粒子和9-氯甲酸荀甲酯，溶于无 水N-二甲基甲酰胺溶剂中，控制9-氯甲酸荀甲酯与表面包覆有多元醇分子的 MnFe204纳米粒子的质量比为1:2 1:4，表面包覆有多元醇分子的MnFe204纳米 粒子在DMF中的浓度为2g/L~4g/L;进行无水无氧操作，在惰性气体保护下于 15 3(TC反应10-12小时；用透析袋透析反应体系，离心透析液，用无水乙醇洗 涤沉淀，于15-3(TC真空干燥15~20小时，即得以MnFe204纳米粒子为核的两 亲超顺磁性磁共振造影剂。
6. 根据权利要求5所述的两亲超顺磁性磁共振造影剂的制备方法，其特征在 于所述多元醇为丙三醇、三甘醇、四甘醇或五甘醇。
7. 根据权利要求6所述的两亲超顺磁性磁共振造影剂的制备方法，其特征在 于所述多元醇为四甘醇。
全文摘要
本发明公开了一种两亲超顺磁性磁共振造影剂及其制备方法，该造影剂是以MnFe₂O₄纳米粒子为核，在MnFe₂O₄纳米粒子的表面均匀地包覆有多元醇分子，且多元醇分子外端的部分羟基与9-氯甲酸芴甲酯通过酰氯反应形成两亲性的外壳结构。其制备方法是首先以多元醇为溶剂，高温热解乙酰丙酮铁及锰得到表面包覆有多元醇分子的MnFe₂O₄纳米粒子，然后利用9-氯甲酸芴甲酯与纳米粒子表面的多元醇羟基发生酰氯反应。本发明的造影剂具有粒径小、高结晶度、饱和磁化率高、驰豫能力强、生物兼容性好、毒性小及稳定性好的优点。本发明的制备方法具有操作简单、成本低廉、对设备的要求低及易于实现工业化生产的优点。
文档编号A61K49/06GK101518656SQ20091004926
公开日2009年9月2日 申请日期2009年4月14日 优先权日2009年4月14日
发明者张翠侠, 红 杨, 杨仕平, 田启威 申请人:上海师范大学