[发明专利]官能化纳米颗粒及其制备和使用方法

说明书

描述了一种通用的表面修饰方法用于，例如，以纳米颗粒(NP)表面上的各种类型的不同官能配体(官能团)以模块化和正交的方式官能化NP，例如，PEG化的纳米颗粒。它能够合成，例如，五官能的PEG化纳米颗粒，其将多种特性整合到单个NP中，所述多种特性例如荧光检测、特异性细胞靶向、放射性同位素螯合/标记、比率型pH传感和药物递送，同时整个NP尺寸保持为，例如，低于10nm。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年5月19日提交的美国临时申请号62/508,703的优先权，其公开内容通过引用并入本申请。

关于联邦资助研究的声明

本发明是在美国国立卫生研究院授予的授权号为CA199081的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。

发明领域

本公开总体上涉及表面官能化的纳米颗粒及其制备和使用方法。更具体地，本公开涉及表面官能化的二氧化硅和铝硅酸盐纳米颗粒。

背景技术

虽然，二氧化硅纳米颗粒(SNP)由于其较大的表面积、惰性和较高的生物相容性，在潜在的治疗/诊断应用方面颇具吸引力。但是，大多数SNP具有10nm的尺寸。

大于12nm的颗粒无法从体内有效清除，并且还有不利的一点是分布于肝脏和其他器官/组织，从而潜在地使这些组织暴露于有毒元素之下(特别是如果这些大于10nm的SNP具有药物和/或放射性修饰时更是如此)。直径为约8nm的颗粒能在体内停留约1天，10-11nm的约3-5天，但是如果大于12nm，则不会被清除或清除得非常缓慢。

目前，超小无机纳米颗粒作为用于癌症诊断治疗的纳米药物正迅速受到关注。由于具有多官能性和多价效应，某些有机纳米药物已经比常规化疗药物更具竞争力。无机纳米颗粒还使纳米药物的构建元素多样化，并可能具有一些优势，这些优势与其固有的物理特性和较低的制造成本相关。将纳米颗粒从实验室安全地转化到临床需要克服许多重大的科学和法规上的障碍。最重要的标准是良好的生物分布及其时间演变(药代动力学，PK)曲线。肾脏清除的尺寸阈值低于10nm。直到今天，仅合成了少数无机纳米颗粒平台，其具有小于10nm的尺寸，能允许实现有效的肾脏清除。在这其中只有被称为Cornell点或简称为C点的尺寸10nm的聚乙二醇包被的(PEG化)荧光核-壳二氧化硅纳米颗粒(SNP)获得了美国食品药品监督管理局(FDA)的批准，能作为研究型新药(IND)首次用于人体临床试验。虽然黑色素瘤患者的首个临床试验结果让人充满希望，但是对于这种尺寸小于10nm的荧光有机-无机杂化SNP来说，仍然存在一些合成方面的困难。

首先，所有以前关于C点型SNP合成的努力都遵循改良的方法，这个方法将醇用作溶剂。然而，对于在生物学或临床应用中使用的材料，优选水作为反应介质。这将大大简化合成和清洁流程，减少挥发性废物，从而大大加快颗粒的生产并且使其更具成本效益。此外，虽然方法被广泛用于生产直径从数十纳米到微米级的SNP，但是由于醇中的反应动力学限制，10nm及以下的粒径处于该合成方法对尺寸控制的极限。

其次，用PEG共价覆盖二氧化硅颗粒表面可能比较棘手，因为在PEG化的过程中表面电荷的损失可能会导致颗粒聚集或至少扩大粒径的分布。对于超小颗粒，由于颗粒表面能的增加，这种效应更为明显，因此限制了颗粒的单分散性和尺寸控制能力。

第三，由于在高于其等电点、pH 2-3时二氧化硅表面荷负电，因此在二氧化硅和荧光团之间的静电斥力的作用下，将带负电基团的硅烷缀合的有机荧光染料共价包封于SNP的效率很低。这对于活体组织中成像应用最需要的近红外(NIR)发射染料来说尤其如此。NIR染料具有较大的离域π电子体系，要溶于水通常需要在其外围形成多个带负电的官能团(例如硫酸盐)。这些染料的包封效率低是一个问题，因为它们的一般成本为$200-$300/毫克，并且在初始合成后对通常使用的硅烷-染料缀合物进行重新使用是比较困难的。