一种亲水性的掺锌磁性纳米材料及其制备方法和在生物医学方面的应用

技术领域

本发明属于医疗生物材料领域，尤其是涉及一种亲水性的掺锌磁性纳米材料及其制备方法和在生物医学方面的应用。

背景技术

磁性纳米粒子(MNPs)在过去的半个世纪中得到了广泛的研究，从合成独特纳米粒子形状和复合结构的新方法到大量的MNPs表征技术，最后将其应用于许多生物医学和纳米技术的应用中，如生物成像，肿瘤治疗和生物传感等领域。调整MNPs的各项参数(如粒径、形貌、过渡金属掺杂量等)将使我们能够为特定的应用定制具有最佳性能的MNPs，从而提高它们的有效性。一些深入的研究已表明，磁性纳米材料由于其独特的磁响应性，可将外加磁场的能量转化为机械能和热能。此外，磁性纳米粒子介导的物理信号依赖于MNPs本身的磁学性能及磁场的参数，可定量输出作用于不同类型的细胞，进而调控细胞命运。

MNPs本身含有的Fe

研究MNPs介导的化学、物理、生物信号引起的细胞生物学效应对MNPs的设计和磁场的选择具有重要指导意义，尤其是中等强度极低旋转磁场(1T,20Hz以下)，因为在该磁场对小鼠和人体均无明显伤害，并且可能对肿瘤等疾病的治疗产生一定的效果。

发明内容

为了克服现有技术上存在的不足，提供一种亲水性的掺锌磁性纳米材料及其制备方法和在生物医学方面的应用。

本发明的第一目的可通过下列技术方案来实现：一种亲水性的掺锌磁性纳米材料，其特征在于：包括掺锌磁性纳米粒子；包覆于所述磁性纳米粒子上的亲水聚合物层；包覆有亲水聚合物层的磁性纳米材料的粒径范围为100nm-2μm。

优选的，所述亲水层聚合物含有羧基或羟基,可以是聚乙二醇磷酸酯、聚乙二醇-多巴胺、葡聚糖、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的任意一种。

优选的，所述掺锌磁性纳米粒子为Zn

本发明的第二个目的可以通过下列技术方案实现，一种亲水性的掺锌磁性纳米材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1：将含有铁元素的金属盐和含有锌元素的金属盐混入三元混合融合剂体系中进行反应，制备出二价过渡金属掺杂的磁性纳米材料，粒径范围为1nm-10nm。

步骤2：将二价过渡金属掺杂的磁性纳米材料在三元溶剂体系中通过快速配体交换法，制备出包覆有亲水聚合物的磁性纳米材料。

优选的，所述步骤1包括如下步骤：

S1.1：将含有铁的金属盐和含有锌元素的金属盐融入到去离子水中，制得前驱体铁盐和锌盐的混合液；

S1.2：将前驱体铁盐和锌盐的混合液混入三元混合溶剂体系中；

S1.3：将混有前驱体铁盐和锌盐的混合液的三元混合溶剂体系进行高温水热加热；

S1.4：将高温水热反应后的产物洗涤数次，进行沉淀离心；

S1.5:将所得到的沉淀保存于溶剂中，进而制得二价过渡金属掺杂的磁性纳米颗粒。

优选的，所述步骤2包括如下步骤：

S2.1：将聚乙二醇磷酸酯溶于四氢呋喃中，将溶有聚乙二醇磷酸酯溶于四氢呋喃和步骤一中所制得的二价过渡金属掺杂的磁性纳米颗粒混合，并加入去离子水，形成三元溶剂体系。

S2.2：对三元溶剂体系搅拌，之后利用分液漏斗进行分液，取下层溶液减压浓缩除去THF得到水溶性Zn

优选的，所述S1.1中：所述的含有铁元素的金属盐为六水合硫酸亚铁铵或氯化铁或硝酸铁中的至少一种；

所述S1.1中：所述的含有锌元素的金属盐，为七水合硫酸锌或氯化锌或硝酸锌中的至少一种；

所述S1.1中：铁氧体中掺杂二价过渡金属锌的范围为0-1；

所述S1.2中：所述的三元混合溶剂为含氢氧化钠/乙醇/油酸的三元混合溶剂体系；

所述S1.2中：在整个反应体系中，含铁的金属盐：含锌的金属盐：氢氧化钠：乙醇：油酸为(10-10000)mg:(10-2000)mg:(1-1000)mg:(10-10000)μl:(10-10000)μl,其中含铁的金属盐、含锌的金属盐和氢氧化钠以质量计算，乙醇和油酸以体积计算；

所述S1.3中：对混有前驱体铁盐和锌盐的混合液的三元混合溶剂体系的加热温度为230℃，加热时间为15h；

所述S1.4中：洗涤反应产物所使用的试剂为异丙醇或乙醇。

所述S1.5中：所述存储反应产物使用的溶剂可选自正己烷、甲苯、氯仿等中的一种。

优选的，S2.2，所述的三元溶剂体系为甲苯/四氢呋喃/水的三元溶剂体系，甲苯、四氢呋喃和水的比例为(10-100)ml:10ml:10ml。

本发明的第三个目的可以通过下列技术方案来实现，亲水性掺锌磁性纳米材料在磁致机械力中的应用：所述磁致机械力用于调控细胞的生理活动和癌症治疗等方面。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明所述的材料通过高温水热法即可得到，通过简单的配体交换法进行表面修饰功能化即可直接应用，步骤简单，操作方便，有利于反应程度和聚合程度的控制，产量较高，适合规模化生产；

2.本发明所制备的水溶性掺锌磁性纳米材料具有较高的饱和磁化强度，对外界磁场具有很强的磁响应性，从而为磁致机械力调控癌细胞的命运提供更精准和更可靠的有力工具。

附图说明

图1标尺为100nm的透射电镜照片。

图2为50nm的透射电镜照片。

图3为用PEG磷酸酯包裹的Zn

图4为改性的磁性纳米粒子在磁场作用下进入耐药性细胞的溶酶体的过程。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例如下所示，如无特殊说明，本申请所用原料和试剂均来自商业购买，未经处理直接使用，所用仪器设备采用厂家推荐的方案和参数。

一种亲水性的掺锌磁性纳米材料的制备具体包括如下步骤：

步骤一：将铁的金属盐和锌的金属盐融入到水中，制备前驱体铁盐和锌盐的混合液；铁氧体中掺杂二价过渡金属锌的范围为0-1。

步骤二，在前驱体铁盐和锌盐的混合液中加入油酸、乙醇和氢氧化钠，并对该溶液进行搅拌；其中，含铁的金属盐：含锌的金属盐：氢氧化钠：乙醇：油酸为(10-10000)mg:(10-2000)mg:(1-1000)mg:(10-10000)μl:(10-10000)μl,其中含铁的金属盐、含锌的金属盐和氢氧化钠以质量计算，乙醇和油酸以体积计算。

步骤三，将步骤二制得的溶液倒入反应釜中，在230℃下加热反应15h。

步骤四，将步骤三所制得的溶液自然静置至室温，然后加入乙醇，进行离心，之后获得沉淀；其中乙醇可以用异丙醇进行替代。

步骤五，将步骤四所获得沉淀从溶液中过滤出来，然后融入到甲苯之后，之后放入到冰箱中冷冻，进而可以得到二价过渡金属掺杂的磁性纳米材料；其中甲苯可以用自正己烷或者氯仿进行替代。

步骤六，将二价过渡金属掺杂的磁性纳米材料和聚乙二醇磷酸酯溶于四氢呋喃中；其中，甲苯、四氢呋喃、水形成三元溶剂体系，甲苯、四氢呋喃和水的比例为(10-100)ml:10ml:10ml。

步骤七，对步骤六所制得的溶液进行搅拌，之后之后利用分液漏斗进行分液，取下层溶液减压浓缩除去THF得到水溶性Zn

下面按照具体参数进行亲水性的掺锌磁性纳米材料的制备

实施例一，二价过渡金属掺杂的磁性纳米材料的制备

取0.68g六水合硫酸亚铁铵和0.15g七水合硫酸锌溶于20ml纯水中，超声溶解，将前驱体铁盐和锌盐的混合液加入到含有10ml油酸、10ml乙醇和1g氢氧化钠的体系中，搅拌一段时间至颜色变为较透明的深棕色，将其倒入反应釜中，在230℃下反应15h，待反应液自然冷却至室温后，向其中加入20ml乙醇并在6000r/min的转速下离心7min,所得沉淀重新溶解于2-3ml甲苯中，放入冰箱冷存，即得到粒径为7nm、锌掺杂量为0.2的球形四氧化三铁纳米颗粒(如图1和图2所示)。

实施例二，亲水聚合物的制备

取18.5g(18.5mmol)聚乙二醇单甲醚在70℃下真空干燥24h后溶于60mL四氢呋喃(THF)中。将1.7mL(18.5mmol)三氯氧磷溶于10mLTHF中，并将此溶液置于三口烧瓶中，冰浴条件下于15min内将聚乙二醇单甲醚THF溶液滴入三氯氧磷的THF溶液中，滴加完毕后，室温反应6h。随后冰浴下于15min内滴入5mL冰水，继续反应1h。反应溶液用氯仿萃取，氯仿溶液用无水硫酸镁干燥后旋蒸除去溶剂，70℃下真空干燥24h后得到聚乙二醇磷酸酯配体。

实施例三，水溶性磁性纳米材料的制备

取0.2g聚乙二醇磷酸酯溶于10mL的THF中，将此溶液与10mL油酸包覆的Zn

实施例四，水溶性掺锌MNPs对癌细胞进行机械杀伤的具体过程

1、将MCF-7和MCF-7/ADR细胞接种在培养皿中，在细胞培养箱中培养16h，使其贴壁生长。将所制备的PEG磷酸脂-Zn

2、2h磁场结束后，加入1ml的胰酶使细胞脱壁，吸出转移到离心管中，在1500rpm下离心5min，吸出上清液，加入2.5％戊二醛进行固定2h。之后离心去除戊二醛，加入PBS缓冲液，吹匀。

3、之后用酒精进行梯度脱水，每个浓度处理15min，然后进行包埋，用超薄切片机进行切片，接着进行染色，最后放到Hitachi H-7650型生物电镜下观察细胞内溶酶体状况，进行拍照(如图4所示)。

观察到PEG磷酸脂-Zn

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。