一种顺磁性纳米材料、其制备方法和作为核磁共振造影剂的用途与流程

本发明属于医学材料领域，特别涉及一种以gd6(oh)2(flupo3)3(tbuco2)10(h2o)6(简称gd6)为核(其中flupo3为2，7-二叔丁基-9-(9-甲基)芴基膦酸，tbuco2为2，2-甲基丙酸)，以双亲性嵌段高分子聚苯乙烯-co-聚马来酸-co-聚乙二醇(简称psma-peg)为壳的顺磁性纳米材料、其制备方法和作为核磁共振造影剂的用途。

背景技术：

多中心金属簇合物是指由含氮、氧等单齿或多齿有机配体与金属离子发生配位后，形成的具有多个金属离子中心的配合物，多金属簇合物因在单一分子中含有多个金属离子中心，其在光学、催化、生物医药等领域广泛应用。其中，稀土元素钆(gd)因其原子中的4f电子轨道存在7个未成对的电子，这是稀土元素中最大数的不成对电子，使得钆具有非常大的磁力矩，在众多领域中有特殊应用，如在磁冷冻技术中钆-钾-石榴石可作为磁泡记忆装置中的媒体物质，当其受到垂直方向上的磁场时，磁场加强不久后就产生磁场消失现象，可用于信息储存。此外，作为顺磁性的gd³⁺离子，其还可作为核磁共振成像(mri)造影剂，然而裸露的gd³⁺离子毒性较大，不宜直接注射入活体动物中，目前临床上通常将gd³⁺包裹在有机配体中，以此显著提升gd元素在体内的代谢速度并降低gd的毒性，如临床上最常用的核磁共振造影剂是钆喷葡酸的衍生物。

mri造影剂能增加不同组织间的明暗对比，可以使病变组织与其周围环境之对比突显出来以更方便判断影像明暗，由于核磁共振成像的造影机制，其在软组织造影成像中有不可替代的作用，且作为一种非辐射成像方式，核磁共振成像对被测人损害非常微小，被认为是一种较为安全的临床成像手段，由于某些病灶难以在核磁共振中清晰地表现出来，在临床上核磁共振成像还需要造影剂辅助才能达到良好造影效果。据统计，临床上约45％的核磁共振成像案例需要借助造影剂才能达到发现病灶的效果。

目前，临床上商用的钆喷葡酸衍生物其弛豫率较低，但这类钆喷葡酸的衍生物剂量需求较大，且目前用于mri造影剂的钆配合物通常只含一个钆原子，而含有多个钆的簇合物造影效果更好，目前还没有被大量开发。根据所罗门-布伦伯根-摩根理论(solomon-bloembergen-morgantheory)，t1加权核磁共振造影剂的目的是通过造影剂中的顺磁性离子与造影环境中的水分子相互作用，使其能够显著缩短水分子的纵向弛豫时间，从而达到更高的造影信号值。t1加权核磁共振造影剂的有效部分，也就是具有高顺磁性的离子(在此以gd³⁺为例)，当多个gd³⁺集中在一个分子的范围内，也就是形成簇合物，则其能够达到协同作用。这种协同作用使得，造影剂溶液中的部分水分子可能既是直接受gd³⁺离子与之配位影响的内界水分子，也是受与之相邻gd³⁺离子影响的外界水水分子，这种两个或多个gd³⁺的共同作用，将能有效提高造影剂的纵向弛豫率，从而达到更好的造影效果。此外，分散在水中的造影剂单元在溶液中的整体翻转时间也将对造影剂的性能具有显著的影响。因此，将钆簇合物分子束缚在高分子层中，即形成高分子包裹的钆簇合物纳米粒子，则更能够显著提高造影剂的造影能力。造影性能更优良的造影剂使得临床上一方面可以使用更少的造影剂的量，在到达令人满意效果的同时降低造影剂中重金属对身体的毒害，另一方面，在使用相同的重金属的量时，新型造影剂能够达到更好的造影效果，从而为临床的诊断提供更加可靠的核磁共振图像。

技术实现要素：

鉴于此，本发明的目的在于提供以gd6(oh)2(flupo3)3(tbuco2)10(h2o)6(简称gd6)为核，其中flupo3为2，7-二叔丁基-9-(9-甲基)芴基膦酸，tbuco2为2，2-甲基丙酸，以双亲性嵌段高分子聚苯乙烯-co-聚马来酸-co-聚乙二醇(简称psma-peg)为壳的顺磁性纳米材料，该材料粒径均一，分散性及水溶性良好、磁学性能优异。

本发明的另一目的在于提供上述顺磁性纳米材料的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述顺磁性纳米材料作为核磁共振造影剂的用途，作为核磁共振t1加权造影剂。

本发明的上述目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的第一方面，顺磁性纳米材料是以gd6(oh)2(flupo3)3(tbuco2)10(h2o)6为核、以双亲性嵌段高分子聚苯乙烯-co-聚马来酸-co-聚乙二醇为壳的顺磁性纳米粒子；其中，

所述顺磁性纳米粒子的水合粒径为110nm，其经干燥后所得粒子的粒径为85～86nm；

所述顺磁性纳米粒子的zeta表面电位为-32mv；

在干燥状态下具有重元素钆的纳米粒子内层粒径为45～46nm；

所述顺磁性纳米粒子的纵向弛豫率59.02mm^-1s^-1；

所述gd6(oh)2(flupo3)3(tbuco2)10(h2o)6中，flupo3为2，7-二叔丁基-9-(9-甲基)芴基膦酸，tbuco2为2，2-甲基丙酸，其晶体结构中一个gd6簇合物分子内存在6个钆原子。

本发明的第二方面，上述顺磁性纳米材料的制备方法，具体地，包括以下步骤：

(1)gd6的合成：称取flupo3h2(2，7-二叔丁基-9-(9-甲基)芴基膦酸，0.1mmol，0.0374g)、[gd2(^tbuco2)6(^tbuco2h)6](十二(2，2-二甲基丙酸)二钆，0.1mmol，0.1532g)和^tbuco2h(2，2-二甲基丙酸，0.4mmol，0.0408g)，在慢搅拌下分别溶于8ml乙腈和8ml二氯甲烷，常温搅拌反应24小时后过滤静置，室温挥发，得无色透明大块菱形晶体gd6簇合物；

(2)psma-peg的制备：取4mg聚苯乙烯-co-聚马来酸酐共聚物(分子量1600，2.5μmol)与2.5mg氨基聚乙二醇(分子量500，5μmol)，两者的摩尔比为1:2，溶于4ml四氢呋喃中，60℃回流反应24小时，得psma-peg；

(3)gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的制备：将1.625mg上述psma-peg(0.625μmol)、0.4mggd6(0.124μmol)溶解在5ml四氢呋喃中，两者的摩尔比为5：1，搅拌5min后超声30分钟，再在超声条件下快速加入10ml纯水，继续超声30分钟；再将所得混合液放入截留分子量为8000～14000道尔顿的透析袋中透析，得到gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的水溶液。

本发明的第三方面，上述料gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子作为核磁共振造影剂的用途。

进一步，所述gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子作为核磁共振t1加权造影剂。

进一步，所述gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的使用量为0.01mmolgd/kg体重。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过挥发结晶制备gd6簇合物，然后通过亲水疏水相互作用力用psma-peg将gd6包裹起来，得到具有核壳结构的gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子，所得纳米粒子粒径均匀、分散性良好，且纳米粒子的核磁共振造影剂相比于传统的小分子核磁共振造影剂，其能够利用实体肿瘤的高通透性和滞留效应，以实现对实体肿瘤更显著的成像造影效果。

2、本发明利用多钆中心的簇合物，可以达到优异的核磁共振成像造影效果，一方面在使用同等钆量时成像效果更好，另一方面在达到同等成像效果时可以降低造影剂的使用量，减少重金属钆对人体的毒性。

附图说明

图1是本发明中gd6(oh)2(flupo3)3(tbuco2)10(h2o)6的晶体结构。通过晶体结构可以看到，在一个gd6簇合物分子中存在6个钆原子并均集中在一个分子内部，通过所罗门-布洛伯根-摩根理论的解释，可以发现其能显著增加材料的纵向弛豫率，从而达到更好的造影效果。

图2是本发明中gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的水合动力学直径。通过水和动力学表征可以看到，gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的水和动力学直径为110纳米，表明gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子具有较好的被动靶向肿瘤特性，同时又不会因为粒径过大而影响其在体内的代谢。

图3是本发明中gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的zeta电位表征图。通过zeta表面电位表征可以看到，gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的zeta表面电位为-32mv，表明gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子之间的电荷排斥力较强，gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子不容易发生团聚现象，材料的稳定性良好。

图4是本发明中gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的扫描电子显微镜图像。通过电子扫描显微镜可以看到，gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子在干燥状态下的粒径约为85.6纳米，同时可以看到gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子具有良好的完整的球型形貌，且均一性良好，保证材料在应用时效果的均匀性。

图5是本发明中gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的透射电子显微镜图像。通过电子透射显微镜可以看到，gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子在干燥状态下具有重元素钆的纳米粒子内层粒径约为45.2纳米，同时可以看到gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子内层具有良好的完整的球型形貌，且均一性良好，保证了材料在应用时效果的均匀性。

图6是本发明中gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的横向以及纵向弛豫率表征。通过弛豫率表征发现，gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的纵向弛豫率(59.02mm^-1s^-1)是临床上使用的钆喷酸葡胺纵向弛豫率(4.49mm^-1s^-1)的约13倍，由此可知gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子具有良好的t1-加权核磁共振造影效果。

图7是本发明中gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子与商用钆喷酸葡胺在不同钆浓度下的t1加权核磁共振成像效果图。通过此t1加权核磁共振成像效果图，在同等测试条件以及同等钆浓度下，gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子溶液的核磁共振图的亮度值显著高于商用的钆喷酸葡胺，在溶液层次中证明gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子造影效果优异。

图8是本发明中gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的动物t1加权核磁共振成像效果图。通过此动物的t1加权核磁共振成像效果图，可以在活体层次上说明gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子具有良好的核磁造影效果。

图9是本发明中gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的动物t1加权核磁共振成像图中肿瘤处的亮度值在不同时间点的统计表。通过此表可以看到gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子对动物肿瘤的核磁共振成像造影具有良好功效。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步说明：

实施例

制备gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子，具体步骤为：

(1)称取flupo3h2(0.1mmol，0.0374g)，[gd2(^tbuco2)6(^tbuco2h)6](0.1mmol，0.1532g)和^tbuco2h(0.4mmol，0.0408g)在慢搅拌下溶于8ml乙腈以及8ml二氯甲烷，常温搅拌反应24小时后过滤静置，室温挥发，约四天后长出无色透明大块菱形晶体gd6。

(2)取4mg聚苯乙烯-co-聚马来酸酐共聚物(分子量1600)与2.5mg氨基聚乙二醇(分子量500)，两者的摩尔之比为1：2，溶于4ml四氢呋喃中，60℃回流反应24小时，获得聚合物psma-peg。

(3)将含有2.25mgpsma-peg、0.4mggd6溶解在5ml四氢呋喃中，搅拌5min，然后超声30分钟，然后在超声条件下快速加入10ml纯水，继续超声30分钟。最后再将混合液放入截留分子量为8000～14000道尔顿的透析袋中，透析后得到gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的水溶液。

参见图1、2、4和5所示，图1为步骤(1)中无色透明大块菱形晶体gd6的晶体结构，在一个gd6簇合物分子中存在6个钆原子并均集中在一个分子内部，通过所罗门-布洛伯根-摩根理论的解释，可以发现其能显著增加材料的纵向弛豫率，从而达到更好的造影效果；图2可知，gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的水合动力学直径为110纳米；图4是本发明中gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的扫描电子显微镜图像。通过电子扫描显微镜可以看到，gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子在干燥状态下的粒径约为85.6纳米，同时可以看到gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子具有良好的完整的球型形貌，且均一性良好，保证材料在应用时效果的均匀性；图5是本发明中gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的透射电子显微镜图像。通过电子透射显微镜可以看到，gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子在干燥状态下具有重元素钆的纳米粒子内层粒径约为45.2纳米，同时可以看到gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子内层具有良好的完整的球型形貌，且均一性良好，保证了材料在应用时效果的均匀性。

效果例

配制浓度为0.2、0.1、0.05、0.025、0mm钆浓度的gd6-psma-peg溶液，表征其在0.5t磁场强度下的纵向弛豫率与核磁共振成像，配置同等gd浓度的商用造影剂钆喷葡酸胺，并在同等条件下测试其纵向弛豫率与核磁共振成像；其中，临床上商用的核磁核磁共振造影剂钆喷葡酸胺的推荐用量为0.1mmolgd/kg体重，gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的使用量为0.01mmolgd/kg体重。

参见图6，分析gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的纵向弛豫率(r1)与横向弛豫率(r2)，通过测试不同钆元素浓度的gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子水溶液的0.5t磁场强度下的弛豫时间，可以测得gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子的纵向弛豫率为59.02s^-1mm^-1，其横向弛豫率为66.63s^-1mm^-1，而同等条件下，临床上商用的核磁共振造影剂钆喷酸葡胺注射液在同等条件下的横向弛豫率为4.49s^-1mm^-1，而横向弛豫率为5.06s^-1mm^-1。更高的弛豫率意味着gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子相较于临床上商用的钆喷酸葡胺注射液，其进入体内后更能够有效缩短组织中质子的t1和t2弛豫时间，从更能够增强图像的清晰度和对比度，为临床诊断提供更好的可靠性。

参见图7，gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子溶液在0.5t场强下的t1-加权核磁共振成像，并于同等gd浓度的钆喷酸葡胺注射液在相同条件下的对比，通过核磁共振图像可以看到，在同等钆浓度的条件下，gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子溶液具有信号更亮的图像。通过这一图像可以表明，在使用同等钆量时，gd6-psma-peg顺磁性纳米粒子成像效果更好，临床上有利于显著降低造影剂的使用量，减少重金属钆对人体的毒性。

参见图8和9，对带有4t1移植瘤的小鼠，尾静脉注射gd6-psma-pegnps材料(用量为商用钆喷酸葡胺钆用量的1/10)。以空气和水作为内参，用matlab软件处理得到的数据图，经过处理后的图像为图8，空气的亮度被调节至20，水的平均亮度值被调节至150。通过上述图像可以看到，在使用钆喷酸葡胺钆用量的1/10的条件下，gd6-psma-pegnps能够达到良好的mri造影效果。通过对其肿瘤处的亮度值进行分析，得到图9，可以看到其在肿瘤中富集在90min达到最大，且在此之后逐渐衰减，并在约300min时完全排出肿瘤。