基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒及其制备方法，先将铁盐和碳源加入水中，采用水热反应合成Fe3O4@C颗粒；使用双氧水氧化处理Fe3O4@C颗粒；使用PEG接枝经双氧水氧化处理后的Fe3O4@C，接枝反应结束后，对反应液进行透析、分离、洗涤和干燥，得到基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒。本发明专利技术通过水热条件下自组装合成具有核壳结构的Fe3O4@C磁性纳米粒，接着利用双氧水氧化和PEG接枝两种后期修饰手段，改变Fe3O4@C碳壳表面官能团种类和数目，成功将大量PEG修饰在碳壳上，从而获得具有高度亲水性和生物相容性的Fe3O4@C纳米颗粒。

Hydrophilic iron carbon composite nanoparticles based on hydrogen peroxide and PEG modification and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒及其制备方法
本专利技术属于核磁共振成像造影剂领域，特别涉及一种基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒及其制备方法。
技术介绍
磁共振成像(MRI)是一种收集核磁共振现象产生的信号，再重建图像的成像技术，它具有最高的软组织分辨率，被广泛用于医学诊断和各种病理研究。在应用中常常需要造影剂改变周围环境中氢质子的弛豫时间，从而增强核磁共振成像的对比度，以利于病灶组织与正常组织之间结构区分，进而提高诊断能力。因此，开发核磁共振成像造影剂成为了医学界的热点问题。依据改变弛豫时间的不同可以分为两类：一类是钆螯合剂为代表的T1造影剂，特异性影响氢质子的纵向弛豫时间，使核磁共振成像信号正增强。另一类是以四氧化三铁(Fe3O4)纳米粒为代表的T2造影剂，特异性影响氢质子的横向弛豫时间，使核磁共振成像信号负增强。与钆配位化合物相比，Fe3O4纳米粒子的优点在于无毒以及磁学性质较强。然而，Fe3O4纳米颗粒直接用于造影剂具有以下缺点：①在水溶液中极易被氧化和发生团聚；②某些化学方法制备的Fe3O4纳米粒表面含有大量的有机溶剂，不适合直接在生物体内使用；③粒径较大、水溶性差。因此，提高Fe3O4纳米粒的抗氧化性、生物相容性及在水中的分散稳定性，是其成功用作MRI造影剂的关键。碳元素是构成生命体的重要元素之一，碳材料具有良好的生物相容性和化学稳定性，如在纳米颗粒的外周紧密包覆而形成碳壳层，则可大幅提高纳米颗粒的化学稳定性，也有望降低潜在的生物毒性。由此产生的问题是碳包覆的纳米颗粒表面有很强的疏水性，不利于MRI成像应用。因此，需要后期修饰手段提高铁碳纳米颗粒的亲水性。聚乙二醇(PEG)是高亲水性聚合物，它对纳米颗粒的修饰可以提高纳米颗粒的水溶性和生物相容性，并延长其在体内的血液循环时间(Pengetal.,Biomaterials2012,33,1107-1119)。这是由于PEG本身具备大量亲水性的醚键，并且PEG的毛刷作用可以有效屏蔽体内蛋白与纳米颗粒作用。但是，由于铁碳纳米粒中碳壳的化学稳定性高，不易再外接修饰基团，从而限制了铁碳纳米材料的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒及其制备方法，制得的铁碳复合纳米颗粒化学稳定性高、不易团聚，且核磁共振响应信号强。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：包括以下步骤：(1)将铁盐和碳源加入水中，采用水热反应合成Fe3O4@C颗粒；(2)使用双氧水氧化处理Fe3O4@C颗粒；(3)使用PEG接枝经双氧水氧化处理后的Fe3O4@C，接枝反应结束后，对反应液进行透析、分离、洗涤和干燥，得到基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒。进一步地，步骤(1)中，铁盐包括三氯化铁、硝酸铁或硫酸铁；碳源包括葡萄糖、蔗糖、果糖或淀粉。进一步地，步骤(1)中，铁盐和碳源之间的摩尔比为0.1～1；每0.01mol的碳源加入0.04～0.4L的去离子水中。进一步地，步骤(1)中在水热反应之前，水中还加入有尿素，尿素和碳源之间的摩尔比例为5～50。进一步地，步骤(1)的水热反应是在180～300℃反应10～24h。进一步地，步骤(1)的水热反应结束后，冷却并收集沉淀，将沉淀洗涤干燥后得到Fe3O4@C颗粒。进一步地，步骤(2)中，双氧水氧化处理Fe3O4@C颗粒的具体步骤是：将Fe3O4@C颗粒和双氧水按质量比为0.01～0.1混合，在20～100℃搅拌1～12h，分离后洗涤干燥，完成氧化处理；其中双氧水的质量分数为30％。进一步地，步骤(3)中，使用PEG接枝经双氧水氧化处理后的Fe3O4@C的具体步骤包括：先将双氧水氧化处理后的Fe3O4@C加入到含有1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和N-羟基丁二酰亚胺的超纯水中，在10～100℃搅拌均匀，得到混合液A；再向混合液A中加入PEG，搅拌反应2～48h，完成接枝；其中，双氧水氧化处理后的Fe3O4@C、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、N-羟基丁二酰亚胺、超纯水和PEG之间的比例为(0.1～1)g：(20～400)mg：(10～200)mg：(5～50)ml：(0.1～1)g。进一步地，步骤(3)中，PEG包括氨基PEG或羟基PEG，其分子量为100～10000。进一步地，该纳米颗粒是以纳米四氧化三铁颗粒为核心，纳米四氧化三铁颗粒上包裹碳壳层，碳壳层上连接PEG；碳壳包覆的纳米四氧化三铁的粒径在20～300nm之间，碳壳厚度在5～100nm之间。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术首先以水热法合成碳层包裹的Fe3O4纳米颗粒；再利用简单的双氧水氧化处理，使碳层暴露羧基基团，可有效提高Fe3O4@C纳米粒碳壳表面-COOH基团数量，为下一步PEG接枝提供更多的结合位点，增强修饰效果。使用PEG与碳层上羧基基团反应，通过化学键接枝修饰在Fe3O4@C表面，实现纳米颗粒的亲水改性。其中碳铁核壳结构为MRI成像功能基团，聚乙二醇为亲水基团。本专利技术通过水热条件下自组装合成具有核壳结构的Fe3O4@C磁性纳米粒，接着利用双氧水氧化和PEG接枝两种后期修饰手段，改变Fe3O4@C碳壳表面官能团种类和数目，成功将大量PEG修饰在碳壳上，从而获得具有高度亲水性和生物相容性的Fe3O4@C纳米颗粒。本专利技术方法工艺简单，反应条件温和，易于操作，成本较低，经“双氧水+PEG”修饰后的Fe3O4@C纳米粒亲水性和生物相容性显著提高，可长时间在水中均匀稳定分散，具备增强的核磁共振成像性能，。检索国内外文献，尚没有发现基于"双氧水+PEG"修饰的高度亲水的Fe3O4@C纳米颗粒的制备方法，及其用于MRI造影剂研究的相关报道。本专利技术纳米颗粒具有以下优点：(1)其结构是以纳米四氧化三铁颗粒为核心，外围包裹碳壳层，碳壳层上连接PEG，借助于碳的包裹，Fe3O4@C的稳定性和分散性要好于无包碳的Fe3O4纳米粒子，并且本专利技术制备的Fe3O4@C粒径分布较窄，碳层厚度均匀。(2)本专利技术制备的亲水Fe3O4@C磁性纳米颗粒粒径较小、弛豫率高、造影效果显著，同时具有良好的水溶性、胶体稳定性、生物相容性，对生物体无不良影响，在核磁共振成像诊断领域有潜在的应用价值。(3)本专利技术碳壳包覆的纳米四氧化三铁的整体粒径在20～300nm之间，碳壳厚度在5～100nm之间；经超声分散后静置1h仍均匀分散，无聚集沉淀；应用于T2及T2*的核磁共振成像模式，成像TR时间在50～200ms之间，成像TE时间在1000～3500ms之间。附图说明图1是本专利技术Fe3O4@C纳米颗粒的结构图。图2是本专利技术Fe3O4@C的透射电镜图像。图3是Fe3O4@C(右)和商用Fe3O4纳米粒(左)的不同浓度的核磁共振T2成像结果。图4是Fe3O4@C的横向弛豫计算。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术是以碳水化合物为碳源合成具有核壳结构的磁性铁碳纳米粒，利用双氧水氧化和PEG接枝修饰两个步骤提高Fe3O4@C的亲水性，得到亲水核壳型Fe3O4@C纳米粒，用于核磁共振成像造影剂。其制备方法具体步骤如下：(1)以水热法合成碳层包裹的F本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将铁盐和碳源加入水中，采用水热反应合成Fe3O4@C颗粒；(2)使用双氧水氧化处理Fe3O4@C颗粒；(3)使用PEG接枝经双氧水氧化处理后的Fe3O4@C，接枝反应结束后，对反应液进行透析、分离、洗涤和干燥，得到基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将铁盐和碳源加入水中，采用水热反应合成Fe3O4@C颗粒；(2)使用双氧水氧化处理Fe3O4@C颗粒；(3)使用PEG接枝经双氧水氧化处理后的Fe3O4@C，接枝反应结束后，对反应液进行透析、分离、洗涤和干燥，得到基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，铁盐包括三氯化铁、硝酸铁或硫酸铁；碳源包括葡萄糖、蔗糖、果糖或淀粉。3.根据权利要求1所述的基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，铁盐和碳源之间的摩尔比为0.1～1；每0.01mol的碳源加入0.04～0.4L的去离子水中。4.根据权利要求1所述的基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤(1)中在水热反应之前，水中还加入有尿素，尿素和碳源之间的摩尔比例为5～50。5.根据权利要求1所述的基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤(1)的水热反应是在180～300℃反应10～24h。6.根据权利要求1所述的基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤(1)的水热反应结束后，冷却并收集沉淀，将沉淀洗涤干燥后得到Fe3O4@C颗粒。7.根据权利要求1所述的基于双氧水和PEG修饰的亲水铁碳复合纳米颗粒的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨金帆，张素风，张璐璐，张宏宇，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61