專利名稱：一種釓穩(wěn)定的無定形碳酸鈣納米復合材料及制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多功能納米材料，更具體地涉及一種新型的穩(wěn)定化無定形碳酸鈣(ACC)多功能納米材料。
背景技術：
目前，可見到以下一些關于穩(wěn)定ACC的研究報道英國(CrystEngComm (晶體工程通訊)，2011年13卷第952至956頁)報道了 Mg穩(wěn)定ACC的方法，并對Mg誘導ACC礦化方面做了相關研究。德國(Advanced Materials (先進材料),1996年第8卷第222頁至226)發(fā)現(xiàn)了生物大分子對ACC的穩(wěn)定作用，研究了天然ACC中各種氨基酸的含量，甘氨酸和絲氨酸的含量在ACC當中占很大比例，然而天冬氨酸在結晶碳酸鈣中占的比例最大。該雜志在2005年·第17卷第2217頁報道了用肌醇六磷酸來穩(wěn)定ACC，從而得到空心的球狀結構。但是其中所得到的ACC的粒徑太大，只能局限在礦化機理方面的研究，而不適合做生物學應用。荷蘭(Journalof Crystal Growth (晶體生長雜志),2008 年第 310 卷第 3779 頁至3787)報道了聚合物聚丙烯酸(PAA)和聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)對ACC的穩(wěn)定，以及在醇水體系中的穩(wěn)定時間，只是做了一些單純的機理研究，并未做出應用性的研究，且此中方法在醇水體系中的穩(wěn)定時間較短，無法適應諸多生物學應用。以上所有ACC方面的研究都集中在礦化機理方面的研究，沒有把碳酸鈣這種傳統(tǒng)的礦化材料與生物醫(yī)學應用結合起來，尤其，它們都沒有提及用磁性元素釓(Gd)來穩(wěn)定ACC以獲得具有廣泛生物醫(yī)學應用的多功能納米材料。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種用磁性元素釓(Gd)來穩(wěn)定無定形碳酸鈣(ACC)以獲得新型多功能納米材料。在一方面，本發(fā)明提供了一種通過用元素釓(Gd)來穩(wěn)定無定形碳酸鈣(ACC)獲得的多功能納米材料(也稱為“ACC-Gd多功能納米材料”)。在另一方面，本發(fā)明提供了一種通過在上述ACC-Gd納米材料中引入合適聚合物或生物大分子而獲得的多功能納米材料(本文中稱為“ACC-Gd-聚合物納米材料”)。在一個優(yōu)選實施方式中，所述聚合物或生物大分子是選自PAA、PSS和水溶性氨基酸中的一種或多種。在另一方面，本發(fā)明提供了一種用于制備上述ACC-Gd多功能納米材料的方法，所述方法包括將Gd引入到ACC中以使ACC穩(wěn)定，從而獲得所述ACC-Gd多功能納米材料。。在一個優(yōu)選實施方式中，首先將鈣(Ca)鹽溶液和Gd鹽溶液混合，然后加入碳酸鹽溶液，在劇烈攪拌下反應，過濾并干燥后的得到所述ACC-Gd多功能納米材料。在一個優(yōu)選實施方式中，使用等體積等濃度的所述Ca鹽溶液和所述碳酸鹽溶液。在一個優(yōu)選實施方式中，使用的所述Ca鹽溶液和所述碳酸鹽溶液的濃度為O. IM-ο. 5M。在一個優(yōu)選實施方式中，所述Ca鹽溶液是CaCl2溶液，所述Gd鹽溶液是GdCl3溶液，所述碳酸鹽溶液是Na2CO3溶液。在一個優(yōu)選實施方式中，所述Ca鹽溶液和所述Gd鹽溶液按摩爾比以[Ca2+]/[Gd3+] = 1-10，即以[Gd3+]/[Ca2+] = 1/10-1 的量使用。在另一方面，本發(fā)明提供了一種用于制備上述ACC-Gd-聚合物多功能納米材料的方法，所述方法包括在根據(jù)前述方法中制備的ACC-Gd中加入合適聚合物或生物大分子，從而獲得所述ACC-Gd-聚合物多功能納米材料。在另一方面，提供了上述ACC-Gd或ACC-Gd-聚合物多功能納米材料用作載藥或MRI造影劑的應用。本發(fā)明通過用元素Gd來穩(wěn)定無定形碳酸鈣ACC獲得了新型的多功能納米材料，其 中由于Gd處于無定形碳酸的晶格中，大大降低了 Gd的毒性，同時作為磁性元素的Gd具有很好的造影效果，所以所述多功能納米材料可用于MRI造影劑。此外，為了增加材料的水溶性而引入一些聚合物如PM’所獲得的例如ACC-Gd-PAA由于ACC本身就顯負電性，加上PAA強負電基團的引入，使所述多功能納米材料對正電的材料(如阿霉素(DOX))具有很強的吸附能力，故在載藥等領域具有非常廣闊的應用前景。


圖I是根據(jù)本發(fā)明實施例I 3中獲得的ACC-Gd納米材料([Gd3+] / [Ca2+]摩爾比分別為1/3、1/4和1/5)的X射線衍射分析圖。圖2是根據(jù)實施例2 3中獲得的ACC-Gd納米材料在空氣中靜置一周后的X射線衍射分析圖。圖3是根據(jù)實施例3中獲得的ACC-Gdv5的掃描電子顯微鏡圖。圖4是根據(jù)實施例7中獲得的ACC-Gdv5-PAA的紅外光譜圖。圖5是根據(jù)實施例7中獲得的ACC-Gdv5-PAA在去離子水中放置4個月的X射線衍射分析圖。圖6是根據(jù)實施例7中獲得的ACC-Gdv5-PAA載附阿霉素(DOX)的照片(圖中質量比 ACC/D0X = 1/2) ο圖7 是根據(jù)實施例 7 中獲得的 ACC-Gdv3-PAA、ACC-Gdl74-PAA, ACC-Gdl75-PAA 作為Tl型造影劑的核磁共振圖像，(其中從上到下本發(fā)明獲得的ACC-Gd-PAA納米材料的濃度逐漸增加)。
具體實施例方式本發(fā)明的發(fā)明人出乎意料地發(fā)現(xiàn)，通過將元素釓(Gd)引入到無定形碳酸鈣(ACC)中而可以使ACC穩(wěn)定，從而獲得新型的多功能納米材料。具體地，通過將元素釓(Gd)摻雜到無定形碳酸鈣(ACC)中，該元素Gd處于無定形ACC的晶格中而使ACC穩(wěn)定，阻止了 ACC的結晶，由此可同時實現(xiàn)將磁性元素與綠色的無定形碳酸鈣結合，得到新型ACC-Gd多功能納米材料。進一步地，通過向該ACC-Gd多功能材料中引入合適的聚合物或生物高分子而增加該多功能納米材料的水溶性，進而得到ACC-Gd-聚合物多功能納米材料,這樣的多功能納米在生物醫(yī)學中具有廣泛的應用。本發(fā)明獲得的多功能納米材料，不僅具有碳酸鈣這種傳統(tǒng)的礦化材料的很多有益性質，而且由于Gd的磁性，同時由于Gd位于ACC的晶格中而被ACC包圍，這樣大大降低了元素Gd本身的毒性，所以所獲得的納米材料可用于MRI造影劑。此外，本發(fā)明通過在上述ACC-Gd納米材料中添加合適的聚合物或生物高分子，可以獲得ACC-Gd-聚合物多功能納米材料。例如通過本發(fā)明可獲得ACC-Gd-PAA多功能納米材料，其由于ACC本身就顯負電性，而PAA強負電基團的引入，使所獲得的多功能納米材料對帶正電的材料如阿霉素(DOX)具有很強的吸附能力，故在載藥等領域也有非常廣闊的應用前景。在本發(fā)明的ACC-Gd納米材料的制備方法中，通過將元素Gd摻雜到ACC中以使ACC穩(wěn)定，從而獲得穩(wěn)定化的ACC，即ACC-Gd納米材料。在一個優(yōu)選實施方式中，首先將鈣(Ca)鹽溶液和釓(Gd)鹽溶液混合，然后加入碳酸鹽溶液，在劇烈攪拌下反應，過濾并干燥后得到所述ACC-Gd多功能納米材料。優(yōu)選地，可以使用等體積等濃度的所述Ca鹽溶液和所述碳酸鹽溶液。 在一個優(yōu)選實施方式中，使用的所述Ca鹽溶液和所述碳酸鹽溶液的濃度均在O. 1M-0. 5M的范圍。優(yōu)選地，所述Ca鹽溶液是CaCl2溶液，但也可以使用其他Ca鹽溶液如Ca (NO3) 2溶液；所述Gd鹽溶液是GdCl3溶液，但也可以使用其他Gd鹽溶液如Gd (NO3) 3溶液；所述碳酸鹽溶液是Na2CO3溶液，但也可以使用其他碳酸鹽溶液如K2CO3溶液。對于這些鹽溶液的選擇，對于本領域技術人員來說是已知的。在一個優(yōu)選實施方式中，所述Ca鹽溶液和所述Gd鹽溶液按摩爾比以[Ca2+]/[Gd3+] = 1-10(或者[Gd3+]/[Ca2+] = 1/10-1)的量使用。本發(fā)明用于制備ACC-Gd-聚合物多功能納米材料的方法包括在上述ACC-Gd納米材料中加入合適聚合物或生物大分子，從而獲得所述ACC-Gd-聚合物多功能納米材料。在一個優(yōu)選實施方式中，所述聚合物或生物大分子是選自PAA、PSS和水溶性氨基酸中的一種或多種。本發(fā)明獲得的ACC-Gd或ACC-Gd-聚合物多功能納米材料可用作載藥或MRI造影劑。在一個具體實施方式
中，首先是將元素Gd摻入到無定形碳酸鈣(ACC)中，例如通過配制25ml O. IM CaCl2溶液和5ml O. IM GdCl3溶液([Ca2+] / [Gd3+]摩爾比在1-10之間即可)，將其共混后，加入25ml O. IMNa2CO3溶液，劇烈攪拌均勻后得到白色沉淀，迅速用乙醇將沉淀離心洗漆(例如以4000r/min離心3min)三遍得到ACC-Gd固體沉淀,于真空干燥箱中室溫烘干得到ACC-Gd固體粉末。在另一個具體實施方式
中，為了增加ACC-Gd納米材料的水溶性，引入一些聚合物，例如配制25ml O. IM CaCl2溶液和5ml O. IM GdCl3溶液，例如以摩爾比[Ca2+]/[聚合物]=4/1加入聚合物如PAA或PSS，將其共混后，再加入25ml O. IM Na2CO3溶液，劇烈攪拌均勻后得到白色沉淀，迅速用乙醇將沉淀離心洗漆(4000r/min, 3min)三遍得到ACC-Gd-聚合物固體沉淀，于真空干燥箱中室溫烘干得到ACC-Gd-聚合物固體粉末。在本發(fā)明中，Gd能夠將反應中形成的碳酸鈣穩(wěn)定在無定形狀態(tài)，并且將碳酸鈣粒徑維持在納米級，雖然元素Gd本身有一定的毒性，但由于在Gd摻入到無定形碳酸鈣中，其中Gd處于ACC的晶格中，可以大大的降低其毒副作用，從而增加其生物相容性，這樣獲得的多功能納米材料更適于生物醫(yī)學上的應用例如作為載藥或MRI造影劑。以下結合實施例對本發(fā)明ACC-Gd-PAA的制備方法做具體的說明。實施例I制備ACC-Gdv3(這里的下標1/3表示[Gd3+]/[Ca2+]的摩爾比為1/3)納米材料將25ml O. IM CaCl2溶液和5ml O. 167M GdCl3溶液混合于IOOml錐形瓶內，再加入25ml O. IMNa2CO3溶液，劇烈攪拌均勻后得到白色沉淀，迅速用乙醇將沉淀離心(4000r/min，3min)洗滌三遍得到ACC-Gd1/3固體沉淀，于真空干燥箱中室溫烘干24小時得到ACC-Gd1/3固體粉末。如圖I所示，X射線衍射分析圖顯示所獲得的ACC-Gdv3粉末中的碳酸鈣為無定形相，即ACC。實施例2制備ACC-Gdv4(這里的下標1/4表示[Gd3+]/[Ca2+]的摩爾比為1/4)納米材料類似于實施例1，將25ml O. IM CaCl2溶液和5ml O. 125M GdCl3溶液混合，再加入25ml O. IM Na2CO3溶液，劇烈攪拌均勻后迅速用乙醇將沉淀離心洗滌三遍，經烘干得到ACC-Gdv4固體粉末。如圖I所示，X射線衍射分析圖顯示所獲得的ACC-Gd1/4粉末中的碳酸鈣為無定形相，即 ACC。實施例3制備ACC_Gd1/5 (這里的下標1/5表示[Gd3+]/[Ca2+]的摩爾比為1/5)納米材料類似于實施例1，將25ml O. IM CaCl2溶液和5ml O. IM GdCl3溶液混合，再加入25ml O. IMNa2CO3溶液，劇烈攪拌均勻后迅速用乙醇將沉淀離心洗滌三遍，經烘干得到ACC-Gdv5固體粉末。如圖I所示，X射線衍射分析圖顯示所獲得的ACC-Gd1/5粉末中的碳酸鈣為無定形相，即 ACC。實施例4制備ACC-Gdvitl(這里的下標1/10表示[Gd3+]/[Ca2+]的摩爾比為1/10)納米材料類似于實施例1，將25ml O. IM CaCl2溶液和5ml O. 05M GdCl3溶液混合，再加入25ml O. IMNa2CO3溶液，劇烈攪拌均勻后迅速用乙醇將沉淀離心洗滌三遍，經烘干得到ACC-Gdvitl固體粉末。通過X射線衍射分析圖(未示出)表明所獲得的八0-6(11/1(|粉末中的碳酸鈣為無定形相，即ACC。實施例5制備ACC_Gd1/5納米材料過程與實施例3相同，只是使用25ml O. 3MCaCl2溶液、5ml O. 3M GdCl3溶液和25ml O. 3M Na2CO3溶液。通過X射線衍射分析圖(未示出)表明所獲得的ACC-Gd1/5粉末中的碳酸鈣為無定形相，即ACC。實施例6制備ACC_Gd1/4納米材料過程與實施例2相同，只是使用25ml O. 5MCaCl2溶液、5ml O. 625M GdCl3溶液和25ml O. 5M Na2CO3溶液。通過X射線衍射分析圖(未示出)表明所獲得的ACC-Gd1/4粉末中的碳酸鈣為無定形相，即ACC。實施例7制備ACC-Gdv5-PAA納米材料類似于實施例3，首先將25ml O. IMCaCl2溶液和5mlO. IM GdCl3溶液混合，然后以摩爾比[Ca2+]/[PAA] = 4/1的量加入PAA (Mw = 1800)，在充分共混后，再加入25ml O. IM Na2CO3溶液，劇烈攪拌均勻后迅速用乙醇將沉淀離心洗滌三遍，經烘干得到ACC-Gdv5-PAA粉末。類似地，可以制備ACC-Gdv3-PAA和ACC_Gd1/4-PAA納米材料。通過X射線衍射分析圖(未示出)表明所獲得的ACC-Gd1/5-PAA、ACC-Gd1/3-PAA和ACC-Gdl74-PAA粉末中的碳酸鈣為無定形相，即ACC。對于本發(fā)明實施例獲得的納米材料，下面將結合附圖予以進一步說明。圖I為本發(fā)明實施例I 3中獲得的ACC-Gd納米材料([Gd3+] / [Ca2+]摩爾比分別為1/3、1/4和1/5)的X射線衍射分析圖。如圖I所示，摻入Gd后的碳酸鈣為無定形相，SPACC,同時說明Gd的摻入可以使納米ACC穩(wěn)定而獲得新型多功能納米材料。圖2為本發(fā)明實施例2和3中獲得的ACC-Gd納米材料在空氣中靜置一周后的X射線衍射分析圖。如圖2所示，從靜置一周后的穩(wěn)定性來看，實施例3([Gd3+]/[Ca2+]的摩爾比為1/5)中獲得的ACC-Gdv5納米材料出現(xiàn)的碳酸鈣結晶峰比實施例2([Gd3+]/[Ca2+]的摩爾比為1/4)中獲得的ACC-Gd1/4的碳酸鈣結晶峰強，這表明隨著Gd摻入量的增加，ACC的穩(wěn)定效果增強。另外，從其他角度例如經濟角度看，Gd摻入量不能過大，S卩[Gd3+]/[Ca2+]的摩爾比優(yōu)選在I以下?！ぁ?br> 圖3是本發(fā)明實施例3中獲得的ACC-Gdv5納米材料的掃描電子顯微鏡圖。如圖3可以看出，所獲得的ACC-Gdv5粉末均為球形小顆粒,其粒徑均在IOOnm以下,這樣的納米級材料非常適合用于生物醫(yī)學的應用。圖4是本發(fā)明實施例7中獲得的ACC-Gd1/5-PAA納米材料的紅外光譜圖。如圖4所不,在86501^1處的圓滑峰和在1419011'ΗδδαιΓ1處分開的雙峰為典型的ACC的紅外光譜峰，此表明在引入聚合物PAA后，獲得的產物仍為ACC。圖5是本發(fā)明實施例7中獲得的ACC-Gdv5-PAA納米材料置于去離子水中4個月的X射線衍射分析圖。從圖5可以看出，該納米材料的X射線衍射分析圖與圖I中的結果類似，基本上無結晶峰出現(xiàn)，表明此時的碳酸鈣仍然是無定形相，證實所獲得的ACC-Gdv5-PAA納米材料在水溶液中具有很好的穩(wěn)定性。圖6為本發(fā)明實施例7中獲得的ACC-Gdv5-PAA納米材料載附阿霉素(DOX)的照片，其中本發(fā)明得到的ACC-Gdv5-PAA為白色沉淀，而DOX為紅色水溶性材料。從圖6可以看出，照片中的紅色沉淀表明有相當多的紅色DOX吸附到ACC-Gdv5-PAA納米材料上，這充分說明本發(fā)明獲得的ACC-Gdv5-PAA納米材料對DOX有很強的吸附能力。進一步地，為了計算該納米材料對DOX的利用率，將吸附過DOX的ACC-Gdv5-PAA納米材料離心(8000r/min，5min)，得到的上清液中的DOX是未被吸附的D0X，由于DOX具有熒光，故測量上清液的熒光值。再配置不同濃度的D0X，經熒光分光光度計測得其熒光值以獲得標準曲線。通過上述上清液的熒光值，可以在標準曲線中得出相應的DOX的濃度，從而可以計算出被本發(fā)明的納米材料吸附的DOX的量。作為結果，經測試后計算得出本發(fā)明的該納米材料對DOX的利用率是97. 20% (圖中質量比ACC/D0X = 1/2)。圖7 為本發(fā)明實施例 7 中獲得的 ACC-Gd1Z3-PAA、ACC-Gdl74-PAA 和 ACC-Gdv5-PAA納米材料作為Tl型造影劑的核磁共振圖像，其中從上到下本發(fā)明獲得的納米材料的濃度(cone.)逐漸增加，重復時間TR = 4000ms,回波時間TE = 500ms, DIff表示去離子水。從圖7可以清晰的看出，從上到下，隨著本發(fā)明的納米材料濃度的增大，造影強度越來越亮，即上述納米材料的造影效果隨著濃度的變化而變化，濃度越大，造影強度越強。而且，在圖7中，上述納米材料中的Gd濃度從左到右逐漸減少，即分別為ACC-Gdv3-PAA、ACC-Gdv4-PAA和ACC-Gd1/5-PAA，而對于相同濃度的不同納米材料，從圖7可以看出，處于同一橫排的納米材料樣品從左到右的造影強度越來越暗，也就是說隨著Gd濃度逐漸減少，造影強度越來越弱。因此，從上述可以看出，Gd可以穩(wěn)定ACC，并且本發(fā)明獲得的ACC-Gd和ACC-Gd-聚合物例如ACC-Gd-PAA是在載藥和MRI造影劑等生物醫(yī)學領域有廣闊的應用前景，例如作為 載藥或造影劑。以上已對本發(fā)明進行了詳細描述，但本發(fā)明并不局限于本文所描述具體實施方式
。本領域技術人員理解，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，可以做出其他更改和變形。本發(fā)明的范圍由所附權利要求限定。
權利要求
1.一種通過用元素釓(Gd)來穩(wěn)定無定形碳酸鈣(ACC)獲得的ACC-Gd多功能納米材料。
2.—種ACC-Gd-聚合物多功能納米材料，所述ACC-Gd-聚合物納米材料通過在根據(jù)權利要求I所述的ACC-Gd納米材料中引入合適聚合物或生物大分子而獲得。
3.根據(jù)權利要求2所述的ACC-Gd-聚合物多功能納米材料，其特征在于，所述聚合物或生物大分子是選自PAA、PSS和水溶性氨基酸中的一種或多種。
4.一種用于制備權利要求I所述的ACC-Gd多功能納米材料的方法，所述方法包括將Gd引入到ACC中以使ACC穩(wěn)定，從而獲得所述ACC-Gd多功能納米材料。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，首先將鈣(Ca)鹽溶液和Gd鹽溶液混合，然后加入碳酸鹽溶液，在劇烈攪拌下反應，過濾并干燥后的得到所述ACC-Gd多功能納米材料。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，使用等體積等濃度的所述Ca鹽溶液和所述碳酸鹽溶液。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，使用的所述Ca鹽溶液和所述碳酸鹽溶液的濃度為O. 1M-0. 5M。
8.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述Ca鹽溶液是CaCl2溶液，所述Gd鹽溶液是GdCl3溶液，所述碳酸鹽溶液是Na2CO3溶液。
9.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述Ca鹽溶液和所述Gd鹽溶液按摩爾比以[Ca2+]/[Gd3+] = 1-10 的量使用。
10.一種用于制備權利要求2或3所述的ACC-Gd-聚合物多功能納米材料的方法，所述方法包括在權利要求I所述的或權利要求4-9中任一項所述的方法制備的ACC-Gd多功能納米材料中加入合適聚合物或生物大分子，從而獲得所述ACC-Gd-聚合物多功能納米材料。
11.根據(jù)權利要求I或2所述的ACC-Gd或ACC-Gd-聚合物多功能納米材料用作載藥或MRI造影劑的應用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過用元素釓(Gd)來穩(wěn)定無定形碳酸鈣(ACC)獲得的ACC-Gd多功能納米材料及其制備方法和應用，以及一種通過在前述ACC-Gd納米材料中引入合適聚合物或生物大分子而獲得的ACC-Gd-聚合物多功能納米材料及其制備方法和應用。本發(fā)明通過用Gd來穩(wěn)定無定形碳酸鈣ACC獲得了新型的多功能納米材料，而且，由于Gd處于無定形碳酸鈣的晶格中，大大降低了Gd本身的毒性，同時作為磁性元素的Gd具有很好的造影效果，所以本發(fā)明的多功能納米材料可用于MRI造影劑。
文檔編號C08K3/08GK102895664SQ201210372149
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權日2012年9月28日
發(fā)明者俞書宏, 隋聰, 陸楊 申請人:中國科學技術大學