可聚合量子点纳米粒子及其作为治疗剂、消融剂和纹身剂的用途
阅读：1037发布：2020-09-01
专利汇可以提供可聚合量子点纳米粒子及其作为治疗剂、消融剂和纹身剂的用途专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开涉及与配体缀合的 量子点 纳米粒子 ，特别是其中每一纳米粒子都与可聚合配体缀合的量子点纳米粒子。本公开还涉及制备这样的缀合量子点纳米粒子的方法，以及这样的缀合量子点纳米粒子作为 治疗 剂、 消融 剂和纹身剂的用途。，下面是可聚合量子点纳米粒子及其作为治疗剂、消融剂和纹身剂的用途专利的具体信息内容。
1.一种量子点纳米粒子缀合物，其中所述纳米粒子与可聚合配体相连。
2.权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物，其中所述量子点纳米粒子包括：
核半导体材料，和
外层，
其中所述外层包括与可聚合配体相连的官能化有机涂层。
3.权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物，其中所述可聚合配体选自由以下各项组成的组：丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类、二乙炔、氰基丙烯酸酯类、叠氮化物/炔烃对配体、及其任意组合。
4.权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物，其中所述可聚合配体包括丙烯酸酯类和甲基丙烯酸酯类。
5.权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物，其中所述可聚合配体是氰基丙烯酸酯。
6.权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物，其中所述可聚合配体是二乙炔。
7.权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物，其中所述可聚合配体通过化学或物理作用聚合。
8.权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物，其中每一量子点纳米粒子包含II-VI材料、III-V材料、I-III-VI材料、或者其任意合金或掺杂衍生物。
9.权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物，其中所述量子点纳米粒子还包含细胞摄取增强剂、组织穿透增强剂或其组合。
10.一种诱导细胞死亡的方法，所述方法包括：
i)使根据权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物与细胞接触；
ii)使用化学或物理作用引发可聚合配体的聚合。
11.权利要求10所述的方法，其中在聚合时诱导所述细胞死亡，并且使受影响的组织可视化。
12.一种治疗肿瘤并且使肿瘤可视化的方法，所述方法包括：
i)使根据权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物与肿瘤接触；
ii)使用化学或物理作用引发可聚合配体的聚合。
13.一种消融不需要的组织的方法，所述方法包括：
i)使根据权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物与不需要的组织接触；
ii)使用化学或物理作用引发可聚合配体的聚合。
14.权利要求13所述的方法，其中所述不需要的组织选自静脉曲张、毛细管扩张和蜘蛛痣。
15.根据权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物用于在聚合时诱导细胞死亡的用途。
16.根据权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物用于在聚合时诱导细胞死亡并且对受影响的组织进行成像的用途。
17.根据权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物用于恶性和良性肿瘤的可视化和治疗的用途。
18.根据权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物用于软肿瘤和实体瘤的可视化和治疗的用途。
19.根据权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物用于美容性纹身的用途。
20.根据权利要求1所述的量子点纳米粒子缀合物用于消融不需要的组织、静脉曲张、毛细管扩张和蜘蛛痣的用途。
可聚合量子点纳米粒子及其作为治疗剂、消融剂和纹身剂的
用途
发明领域
[0001] 本文公开的实施方案涉及与配体缀合的量子点纳米粒子，特别是其中每一纳米粒子都与可聚合配体缀合的量子点纳米粒子。实施方案还包括制备这样的缀合量子点纳米粒子的方法，以及这样的缀合量子点纳米粒子作为治疗剂、消融剂和纹身剂的用途。
[0002] 发明背景
[0003] 组织消融是用于治疗癌症的治疗方法之一。迄今为止，其一直基于使用激光、热、微波、射频和化学(比如乙醇)试剂作为消融共聚。参见例如Gillams，Cancer Imaging(癌症成像)，5，103-109，2005。然而，这样的方法倾向于导致缺乏特异性，以及高的损坏健康的周围组织的倾向。
[0004] 对具有例如在2-50nm范围内尺寸的颗粒(通常称为量子点或纳米晶)的制备和表征一直存在大量关注。量子点(QD)是具有独特的光学性质的荧光纳米粒子，所述独特的光学性质包括宽范围的激发、尺寸可调节的发射、窄的发射带宽、增强的亮度(由于高消光系数)、光稳定性、复用能力和使用单一激发源的同时多重发射。与通常的荧光染料不同，QD的独特性质能够实现多种潜在的医疗应用，包括未得到满足(unmet)的诊断、临床成像、靶向药物递送和光动力治疗。
[0005] 大部分实体瘤显示出特异的对纳米粒子的摄取和保留。这归因于提高的通透性和滞留效应(Enhanced Permeability and Retention，EPR)。纳米粒子本身可以提供肿瘤特异性积累。另外的特异性可以通过为纳米粒子配备与肿瘤特异性结合的配体来实现。纳米粒子本身不能诱导肿瘤死亡或消融，除非它们为了该目的进行官能化。
[0006] 发明概述
[0009] 所公开的实施方案包括量子点纳米粒子，其中每一纳米粒子都通过例如直接在量子点纳米粒子的无机表面上或在用于使纳米粒子水溶和生物相容的有机冠状物(corona)层上的脂族链、π-π堆叠、π相互作用、酰胺、酯、硫酯或硫醇锚固基团与可聚合配体结合(例如，共价键合或物理结合(通过离子配对或范德华相互作用))。在某些实施方案中的水溶性量子点纳米粒子在一些实施方案中包括一种半导体材料的核和至少一个不同半导体材料的壳，而在其他实施方案中，水溶性量子点纳米粒子包括带隙值通过组成分级合金化(compositionally graded alloying)而朝外增大的合金半导体材料。这样的实施方案例如可用于癌症在体外和在体内两者的可视化和治疗/消融(例如，实时的)。
[0011] 在一个实施方案中，本文所述的每一量子点纳米粒子都经由酰胺季键与可聚合配体共价相连。
[0012] 在一个实施方案中，每一量子点纳米粒子都包括：核半导体材料，和外层，其中所述外层包括用于使颗粒水溶和生物相容的有机涂料(官能化有机涂料)的冠状层(corona)，和可聚合配体。在一个实施方案中，每一量子点纳米粒子都包括一个或多个半导体材料壳，外壳包括外层，其中所述外层包括用于使颗粒水溶和生物相容的有机涂料(官能化有机涂料)的冠状层，和可聚合配体。
[0013] 在一个实施方案中，每一量子点纳米粒子都包括：合金化量子点和可聚合配体。
[0014] 在一个实施方案中，每一量子点纳米粒子都包括：掺杂量子点和可聚合配体。
[0018] 在一个实施方案中，可聚合配体包括丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯配体。例如，包括甲基丙烯酸酯配体的量子点纳米粒子可以通过以下方式聚合和交联：使用激发光诱导激子形成，所述激子形成进而可以引发丙烯酸酯聚合。
[0019] 在另外的实施方案中，光活性单体(比如，例如，甲基丙烯酰基-L-赖氨酸、4-甲基丙烯酰氧基-2-羟基二苯甲酮)可以单独地或与一种或多种标准单体组合地使用以增强量子点纳米粒子的聚合。
[0020] 在一个实施方案中，可聚合配体是氰基丙烯酸酯。
[0021] 在一个实施方案中，可聚合配体是肉桂酸缩水甘油酯或其衍生物。
[0023] 在一个实施方案中，每一量子点纳米粒子都基于量子点的荧光波长的颜色(比如，例如，绿色、黄色或红色)与可聚合配体缀合。应理解，本文所述的每一量子点纳米粒子都可以单独地调节从而以在整个可见光谱上以及超出整个可见光谱的特定波长发射，并且可以相对于所选择的可聚合配体调节。
[0024] 在本文所述的量子点纳米粒子中的任一种的一个实施方案中，纳米粒子包含II-VI材料、III-V材料、I-III-IV材料、或者其任意合金或掺杂衍生物。
[0025] 在一个实施方案中，本文所述的量子点纳米粒子中的任一种与约350nm至约1000nm以及进一步的约450nm至约800nm范围内的发射光谱相关联。
[0026] 在另外的实施方案中，本文所述的量子点纳米粒子中的任一种还可以包含细胞摄取增强剂(细胞穿透肽(CPP，如TAT、RGD或聚精氨酸))、组织穿透增强剂(例如，皂素、阳离子脂质、链球菌溶血素O(SLO))或其任意组合。细胞摄取增强剂的实例包括例如反式激活转录激活因子(TAT)、Arg-Gly-Asp(RGD)三肽或聚精氨酸肽。
[0027] 在另一实施方案中，提供了诱导细胞死亡的方法。
[0028] 在另一实施方案中，提供了诱导细胞死亡并且对受影响的组织进行成像的方法。
[0029] 在另一实施方案中，提供了可视化并且治疗肿瘤(恶性和良性两者)的方法。在另外的实施方案中，肿瘤是软的或实体的。
[0030] 在另一实施方案中，提供了消融不需要的组织(包括例如静脉曲张、毛细管扩张、蜘蛛痣(蜘蛛状血管病))的方法。
[0031] 在另一实施方案中，提供了美容性纹身的方法。
[0032] 在一个实施方案中，本文所述的方法中的任一种包括：i)使根据本文所述的实施方案中的任一个的量子点纳米粒子缀合物(例如，多个或一组量子点纳米粒子缀合物)与细胞、肿瘤或不需要的组织接触，和(ii)使配体聚合(例如，通过化学和/或物理作用引发聚合)。在实施方案的另外的方面，配体通过用能量源(例如光源，比如UV或可见光源)激发量子点纳米粒子而聚合。
[0034] 在一个实施方案中，在体内在体液(例如，血液、胰液、血浆、细针抽吸物)和/或组织样品中进行本文所述的方法中的任一种。在一个实施方案中，在体外在所获取和检查的体液和/或组织样品中进行本文所述的方法中的任一种。
[0036] 在另一方面，本发明提供了根据本文所述的实施方案中的任一个的配体-纳米粒子缀合物用于在聚合时诱导细胞死亡的用途。
[0037] 在另一方面，本发明提供了根据本文所述的实施方案中的任一个的配体-纳米粒子缀合物用于在聚合时诱导细胞死亡并且对受影响的组织进行成像的用途。
[0038] 在另一方面，本发明提供了根据本文所述的实施方案中的任一个的配体-纳米粒子缀合物用于恶性和良性肿瘤的可视化和治疗的用途。
[0039] 在另一方面，本发明提供了根据本文所述的实施方案中的任一个的配体-纳米粒子缀合物用于软肿瘤(soft tumor)和实体瘤的可视化和治疗的用途。
[0040] 在另一方面，本发明提供了根据本文所述的实施方案中的任一个的配体-纳米粒子缀合物用于美容性纹身的用途。
[0041] 在另一方面，本发明提供了根据本文所述的实施方案中的任一个的配体-纳米粒子缀合物用于消融不需要的组织、静脉曲张、毛细管扩张和蜘蛛痣(蜘蛛状血管病)的用途。
[0043] 图1A和1B描绘了示出与甲基丙烯酰基-L-赖氨酸和4-甲基丙烯酰氧基-2-羟基二苯甲酮缀合的量子点纳米粒子在暴露于UV光之前和之后的聚合的实例。
[0044] 图2描绘了量子点纳米粒子在癌症细胞中的摄取和聚合的示例性机理。
[0045] 图3描绘了示出与可聚合配体缀合并且被细胞摄取的量子点纳米粒子在暴露于UV光之前和之后的聚合的一个实例。
[0046] 图4描绘了示出与可聚合配体缀合并且被细胞摄取的量子点纳米粒子在暴露于UV光之前和之后的聚合的一个实例。
[0047] 发明详述
[0048] 本文公开了与癌症特异性结合配体缀合的量子点(QD)，所述癌症特异性结合配体具有在导致QD的光子发射的条件下在QD刺激时被检测到的能力。本文还公开了提供具有高安全性和生物相容性特征并且与可聚合物配体缀合的QD的某些实施方案。在某些实施方案中，QD被设计为生物相容的、无毒的荧光QD的缀合物。
[0049] 缩写：为了有利于理解本发明，并且为了避免解释本文权利要求时的疑惑，以下定义多个术语。本文所定义的术语具有与本发明相关领域普通技术人员通常理解的含义。除非在权利要求中列出，用于描述本发明的具体实施方案的术语不限定本发明。
[0050] DCC 二环己基碳二亚胺
[0051] DCM 二氯甲烷
[0052] DIC 异丙基碳二亚胺
[0053] EDC 1-乙基-3-(-3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐
[0054] HMMM 六甲氧基甲基三聚氰胺
[0055] In(MA)3 肉豆蔻酸铟
[0056] QD 量子点
[0057] 磺基-NHS N-羟基琥珀酰亚胺的磺基衍生物
[0060] 除非明确这样定义，诸如“一种(a)”、“一种(an)”和“所述(the)”的术语不打算是指单数实体，而是包括其具体实例可以用于说明的一般类别。当在权利要求书和/或说明书中与“包括”结合使用时，术语“一种(a)”或“一种(an)”的使用可以表示“一种(one)”，但是也可以符合“一种或多种”、“至少一种”和/或“一种或多于一种”。
[0061] 除非明确表明是指互相排斥的选择方案，否则术语“或”在权利要求书中的使用用于表示“和/或”。因此，除非另外说明，在一个选择方案的组中的术语“或”意指该组中的成员的“任意一个或组合”。另外，除非明确表明是指互相排斥的选择方案，否则短语“A、B和/或C”意指具有单独的要素A、单独的要素B、单独的要素C或合起来的A、B和C的任意组合。
[0062] 类似地，为了避免疑惑，并且除非另外明确表明是指互相排斥的选择方案，当与一列项目组合时，短语“......中的至少一个”意指来自列表的单一项目或列表中的项目的任意组合。例如，除非另外定义，短语“A、B和C中的至少一个”意指“来自组A、B、C中的至少一个或A、B和C的任意组合”。因此，除非另外定义，该短语要求所列举项目中的一个或多个，并且不一定是所列举项目的全部。
[0063] 术语“包括(comprising)”(以及其任意形式，比如“包括(comprise)”和“包括(comprises)”)、“具有(having)”(以及其任意形式，比如“具有(have)”和“具有(has)”)、“包含(including)”(以及其任意形式，比如“包含(includes)”和“包含(include)”)或“含有(containing)”(以及其任意形式，比如“含有(contains)”和“含有(contain)”)是包括性的或开放形式的，并且不排除另外的未记载的要素或方法步骤。
[0064] 如说明书和权利要求书中所使用的术语“有效的”意指足以提供或实现所需的、期望的或想要的结果。
[0065] 术语“约(about)”或“大约(approximately)”定义为接近于本领域普通技术人员所理解的，并且在一个非限制性实施方案中，该术语定义为在10％以内，在5％以内，在1％以内，并且在某些方面在0.5％以内。
[0066] QD是具有独特光学性质的荧光半导体纳米粒子。QD表示半导体材料的特定非常小尺寸形式，其中颗粒的尺寸和形状在光激发时产生量子力学效应。一般地，比如具有5-6nm半径的较大QD将发射在橙发射颜色或红发射颜色内的较长波长，而比如具有2-3nm半径的较小QD发射在蓝色和绿色内的较短波长，但是具体的颜色和尺寸取决于QD的组成。QD的发光比常规荧光染料(比如吲哚菁绿(ICG))中的任一种亮大约20倍，并且比其光稳定许多倍。重要地，QD停留时间由于其化学性质和纳米尺寸而更长。QD可以吸收和发射强得多的光强度。在某些实施方案中，QD可以配备有多于一个结合标记，形成双-或三-特异性纳米器件。
QD的独特性质实现了服务未满足需求的多种医疗应用。
QD的独特性质实现了服务未满足需求的多种医疗应用。
[0067] 在本文提供的实施方案中，将QD官能化以提供使得能够在水性环境(比如，例如在活细胞中的体内和体外应用)中使用QD的亲水性外层或冠状层。这样的QD称为水溶性QD。
[0068] 在一个实施方案中，QD可以表面配备有能够缀合的官能团(例如，COOH、OH、NH2、SH、叠氮化物、炔烃)。在一个示例性实施方案中，水溶性无毒QD是羧基官能化的或者成为羧基官能化的。例如，可以使用采用水溶性1-乙基-3-(-3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)的碳二亚胺连接技术将COOH-QD连接至目标抗体的胺末端。将羧基官能化的QD与EDC混合以形成活性O-酰基异脲(O-acylisourea)中间体，然后通过来自反应混合物中的单克隆抗体上的伯胺基的亲核攻击将其置换。如果需要，在与带有伯胺的抗体反应期间添加N-羟基琥珀酰亚胺的磺基衍生物(磺基-NHS)。利用磺基-NHS添加，EDC将NHS与羧基偶联，形成比O-酰基异脲中间体更稳定的NHS酯，同时允许在生理pH下与伯胺的高效缀合。在任一情况下，结果都是在QD和抗体之间的共价键。可以备选地使用其他化学反应，比如基于Suzuki-Miyaura交叉偶联、(4-(N-马来酰亚胺基甲基)环己烷-1-甲酸琥珀酰亚胺酯)(SMCC)或醛的反应。
[0069] 合成核与核-壳纳米粒子的方法例如在共同拥有的美国专利号7,867,556、7,867,557、7,803,423、7,588,828和6,379,635中公开。前述专利中每个的内容都以其整体通过引用结合于此。美国专利号9,115,097、8,062,703、7,985,446、7,803,423和7,588,828以及美国公开号2010/0283005、2014/0264196、2014/0277297和2014/0370690描述了制备大体积的高品质单分散QD的方法，其中每个专利的完整内容都通过引用结合于此。
[0070] 在一个实施方案中，采用核/壳颗粒，所述核/壳颗粒具有至少一种半导体组合物的中央区域或“核”，所述具有至少一种半导体组合物的中央区域或“核”包埋在一个或多个明显不同的半导体组合物的外层或“壳”中，或者被一个或多个明显不同的半导体组合物的外层或“壳”包覆。作为一个实例，核可以由In、P、Zn和S的合金组成，比如通过实施例1的描述形成，实施例1的描述涉及在ZnS分子簇上进行铟基(indium-based)QD的分子引晶，然后形成ZnS的壳。
[0071] 在其他实施方案中，所采用的水溶性QD纳米粒子包含带隙值或能量(Eg)通过分级合金化(graded alloying)代替核/壳QD的制备而朝外增大的合金半导体材料。带隙能量(Eg)是将电子从基态价带激发到空的导带所需的最小能量。
[0072] 分级化合金QD组成被认为是从在颗粒的中心处或附近到QD的最外表面在元素组成方面“分级”，而不是形成为被离散壳层覆盖的离散核。一个实例将是In1-xP1-yZnxSy分级合金QD，其中从QD的中心到表面，x和y逐渐从0增大到1。在这样的实例中，QD的带隙将从朝向中心的纯InP的带隙逐渐变化为在表面处的纯ZnS的更大带隙值。尽管纳米粒子的带隙取决于颗粒尺寸，但是ZnS的本体带隙比InP的本体带隙宽，使得分级合金的带隙将从QD的内部方面到表面逐渐增大。
[0073] 可以采用一锅法合成过程作为对本文实施例1中描述的分子引晶过程的改进。这可以通过以下方式实现：在如关于实施例1的“核”颗粒的产生描述的过程期间，逐渐减少加入到反应溶液中以保持颗粒生长的肉豆蔻酸铟和(TMS)3P的量，同时加入增加量的锌和硫的前体。因此，在一个实例中，将二丁酯和饱和脂肪酸放入反应烧瓶中并且利用加热脱气。引入氮并且升高温度。在搅拌下加入分子簇，比如例如ZnS分子簇[Et3NH]4[Zn10S4(SPh)16]。
温度随着分级合金前体溶液根据斜坡方案(ramping protocol)加入而升高，所述斜坡方案涉及加入逐渐减少浓度的第一半导体材料和逐渐增加浓度的第二半导体材料。例如，斜坡方案可以开始于加入溶解于二羧酸酯(比如例如癸二酸二正丁酯)中的肉豆蔻酸铟(In(MA)3)和三(三甲基甲硅烷基)膦(TMS)3P，其中加入的In(MA)3和(TMS)3P的量随时间逐渐减少以用逐渐增加浓度的硫化合物和锌化合物(比如(TMS)2S和乙酸锌)取代。随着In(MA)3和(TMS)3P的加入量减少，连同乙酸锌一起加入逐渐增加量的溶解于饱和脂肪酸(比如例如肉豆蔻酸或油酸)和二羧酸酯(比如癸二酸二正丁酯)中的(TMS)2S。以下反应将导致ZnS化合物的产生增加。随着添加继续，形成所需尺寸的QD颗粒，所述QD颗粒具有波长逐渐增大的发射最大值，其中InP和ZnS的浓度分级，即，朝向QD颗粒的中心的InP浓度最高，而在QD颗粒的外层上的ZnS浓度最高。当获得所需的发射最大值时，停止对反应的进一步添加，并且使所得分级合金颗粒退火，然后通过沉淀和洗涤分离颗粒。
温度随着分级合金前体溶液根据斜坡方案(ramping protocol)加入而升高，所述斜坡方案涉及加入逐渐减少浓度的第一半导体材料和逐渐增加浓度的第二半导体材料。例如，斜坡方案可以开始于加入溶解于二羧酸酯(比如例如癸二酸二正丁酯)中的肉豆蔻酸铟(In(MA)3)和三(三甲基甲硅烷基)膦(TMS)3P，其中加入的In(MA)3和(TMS)3P的量随时间逐渐减少以用逐渐增加浓度的硫化合物和锌化合物(比如(TMS)2S和乙酸锌)取代。随着In(MA)3和(TMS)3P的加入量减少，连同乙酸锌一起加入逐渐增加量的溶解于饱和脂肪酸(比如例如肉豆蔻酸或油酸)和二羧酸酯(比如癸二酸二正丁酯)中的(TMS)2S。以下反应将导致ZnS化合物的产生增加。随着添加继续，形成所需尺寸的QD颗粒，所述QD颗粒具有波长逐渐增大的发射最大值，其中InP和ZnS的浓度分级，即，朝向QD颗粒的中心的InP浓度最高，而在QD颗粒的外层上的ZnS浓度最高。当获得所需的发射最大值时，停止对反应的进一步添加，并且使所得分级合金颗粒退火，然后通过沉淀和洗涤分离颗粒。
[0074] 纳米粒子与介质的相容性以及纳米粒子的团聚易发性、光氧化和/或猝灭主要通过纳米粒子的表面组成来调节。关于在任何核、核-壳或核-多壳纳米粒子中的最终无机表面原子的配位可以是不完整的，在表面上具有高度反应性的“悬键”，其可以导致颗粒团聚。该问题通过用保护性有机基团(本文中称为加帽(capping)配体或加帽剂)使“裸”表面原子钝化(加帽)来克服。在核材料的情况下，颗粒的加帽或钝化防止颗粒团聚发生，而且保护颗粒免受其周围化学环境影响，并且向颗粒提供电子稳定化(钝化)。加帽配体可以是但不限于与颗粒的最外无机层的表面金属原子结合的路易斯碱。加帽配体的性质主要决定纳米粒子与特定介质的相容性。可以根据所需特性选择加帽配体。可以采用的加帽配体的类型包括但不限于硫醇基团、羧基、胺、膦、氧化膦、膦酸、次膦酸、咪唑、OH、硫醚和杯芳烃基团。除了杯芳烃以外，所有这些加帽配体都具有可以将加帽配体的中心锚固在颗粒表面上的头部基团。加帽配体的主体可以是直链的、环状的或芳族的。加帽配体本身可以是大的、小的、低聚物的或多齿的。配体的主体的性质和未结合到颗粒上的突出侧一起决定配体是否是亲水性的、疏水性的、两亲性的、负的、正的或两性离子的。
[0075] 在许多QD材料中，加帽配体是疏水性的(例如，烷基硫醇、脂肪酸、烷基膦、烷基氧化膦等)。因此，在纳米粒子的合成和分离之后，一般将纳米粒子分散于疏水溶剂(比如甲苯)中。这样的加帽纳米粒子一般不可分散于更极性的介质中。如果需要QD的表面改性，则最广泛使用的程序被认为是配体交换。在核合成和/或加壳(shelling)过程期间与纳米粒子的表面配位的亲脂性配体分子可以随后用极性/荷电的配体化合物交换。备选的表面改性策略将极性/荷电的分子或聚合物分子与已经与纳米粒子的表面配位的配体分子插层。然而，尽管某些配体交换和插层程序使纳米粒子与水性介质更相容，但是它们可能导致与相应未改性纳米粒子相比具有更低的量子产率(QY)和/或实质上更大尺寸的材料。
[0076] 对于体内和体外用途，如果没有要求，具有低毒性特征的QD是理想的。因此，对于一些用途，QD优选基本上不含重金属(比如镉、铅和砷)(例如，含有低于5重量％，比如低于4重量％、低于3重量％、低于2重量％、低于1重量％、低于0.5重量％、低于0.1重量％、低于0.05重量％或低于0.01重量％的重金属(比如镉、铅和砷))，或者不含重金属(比如镉、铅和砷)。在一个实施方案中，提供没有重金属(比如镉、铅和砷)的毒性降低的QD。
[0077] QD的独特性质实现了多种潜在的医疗应用，包括未得到满足的在活细胞中的体外和体内诊断。关于QD的医疗应用的主要关注之一是大部分研究集中于含有毒性重金属(比如镉、铅或砷)的QD。本文所述的生物相容且水溶性的无重金属QD可以安全地用于体外和体内两者的医疗应用。在某些实施方案中，提供体内相容的水可分散的无镉QD，其具有10-20nm的流体力学尺寸(在全IgG2抗体的尺寸大小的范围内)。在一个实施方案中，根据本文中实施例1和2中列出的程序制备体内相容的水可分散的无镉QD。在某些实施方案中，将体内相容的水可分散的无镉QD进行羧基官能化，并且进一步用配体结合部分进行衍生化。
[0078] 无镉、铅和砷的纳米粒子的实例包括包含如下半导体材料的纳米粒子：例如ZnS、ZnSe、ZnTe、InP、InSb、AlP、AlS、AlSb、GaN、GaP、GaSb、PbS、PbSe、AgInS2、CuInS2、Si、Ge及其合金和掺杂衍生物，特别是包含这些材料中一种材料的核和这些材料中的另一种材料的一个或多个壳的纳米粒子。
[0079] 在某些实施方案中，对无毒QD纳米粒子进行表面改性以使得它们能够是水溶性的并且具有如下的表面部分：所述表面部分通过将其暴露于配体相互作用剂来实现配体相互作用剂和QD表面的缔合而使得能够衍生化。配体相互作用剂可以包括链部分和对连接剂/交联剂具有特异的亲和性或反应性的官能团，这如下文所述。链部分可以是例如烷烃链。官能团的实例包括亲核体，比如硫基、羟基、甲酰胺基、酯基和羧基。配体相互作用剂可以还包括或可以不包括：对QD的表面具有亲和性的部分。这样的部分的实例包括硫醇、胺、羧基和膦。如果配体相互作用基团不包括这样的部分，则配体相互作用基团可以通过与加帽配体插层而与纳米粒子的表面缔合。配体相互作用剂的实例包括C8-20脂肪酸及其酯，比如例如肉豆蔻酸异丙酯。
[0080] 应注意，配体相互作用剂可以简单地由于用于合成纳米粒子的过程而与QD纳米粒子缔合，消除了将纳米粒子暴露于额外量的配体相互作用剂的需求。在这样的情况下，可以不需要将另外的配体相互作用剂与纳米粒子缔合。备选地或另外地，可以在合成和分离纳米粒子之后，将QD纳米粒子暴露于配体相互作用剂。例如，可以将纳米粒子在含有配体相互作用剂的溶液中温育一段时间。这样的温育或所述温育周期的一部分可以处于升高的温度以有利于配体相互作用剂与纳米粒子表面的缔合。在配体相互作用剂与纳米粒子表面的缔合之后，将QD纳米粒子暴露于连接剂/交联剂和表面改性配体。连接剂/交联剂包括对配体相互作用剂以及表面改性配体的基团具有特异亲和性的官能团。可以将配体相互作用剂-纳米粒子缔合复合物依次暴露于连接剂/交联剂和表面改性配体。例如，可以将纳米粒子暴露于连接剂/交联剂一段时间以实现交联，之后暴露于表面改性配体以将其并入纳米粒子的配体壳中。备选地，可以将纳米粒子暴露于连接剂/交联剂和表面改性配体的混合物，由此在单个步骤中实现交联和并入表面改性配体。
[0081] 在一个实施方案中，在分子簇化合物的存在下，在保持分子簇的完整性并且其作为意义明确的预制晶种或模板以提供与化学前体反应的成核中心的条件下提供QD前体，从而以足够大的规模制备高品质的纳米粒子用于工业应用。
[0082] 可用于本发明的合适类型的QD包括但不限于：包括以下类型的核材料(包括其任意组合或合金或掺杂衍生物)：
[0083] IIA-VIB(2-16)材料，其包含来自元素周期表的第2族的第一元素和来自元素周期表的第16族的第二元素，并且还包括三元和四元材料以及掺杂材料。合适的纳米粒子材料包括但不限于：MgS、MgSe、MgTe、CaS、CaSe、CaTe、SrS、SrSe、SrTe、BaS、BaSe、BaTe。
[0084] II-V材料，其包含来自元素周期表的第12族的第一元素和来自元素周期表的第15族的第二元素，并且还包括三元和四元材料以及掺杂材料。合适的纳米粒子材料包括但不限于：Zn3P2、Zn3As2、Cd3P2、Cd3As2、Cd3N2、Zn3N2。
[0085] II-VI材料，其包含来自元素周期表的第12族的第一元素和来自元素周期表的第16族的第二元素，并且还包括三元和四元材料以及掺杂材料。合适的纳米粒子材料包括但不限于：CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnO、HgS、HgSe、HgTe、CdSeS、CdSeTe、CdSTe、ZnSeS、ZnSeTe、ZnSTe、HgSeS、HgSeTe、HgSTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、HgZnS、HgZnSe、HgZnTe、CdZnSeS、CdZnSeTe、CdHgSeS、CdHgSeTe、CdHgSTe、HgZnSeS和HgZnSeTe。
[0086] III-V材料，其包含来自元素周期表的第13族的第一元素和来自元素周期表的第15族的第二元素，并且还包括三元和四元材料以及掺杂材料。合适的纳米粒子材料包括但不限于：BP、AlP、AlSb；GaN、GaP、GaSb；InN、InP、InSb、AlN和BN。
[0087] III-IV材料，其包含来自元素周期表的第13族的第一元素和来自元素周期表的第14族的第二元素，并且还包括三元和四元材料以及掺杂材料。合适的纳米粒子材料包括但不限于：B4C、Al4C3、Ga4C、Si、SiC。
[0088] III-VI材料，其包含来自元素周期表的第13族的第一元素和来自元素周期表的第16族的第二元素，并且还包括三元和四元材料。合适的纳米粒子材料包括但不限于：Al2S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2S3、Ga2Se3、GeTe；In2S3、In2Se3、Ga2Te3、In2Te3、InTe。
[0089] IV-VI材料，其包含来自元素周期表的第14族的第一元素和来自元素周期表的第16族的第二元素，并且还包括三元和四元材料以及掺杂材料。合适的纳米粒子材料包括但不限于：PbS、PbSe、PbTe、Sb2Te3、SnS、SnSe、SnTe。
[0090] 合适的纳米粒子材料可以具有来自元素周期表的过渡金属中任一族的第一元素和来自元素周期表的第16族的第二元素，并且还包括三元和四元材料以及掺杂材料。例如，I-III-VI材料具有来自元素周期表的第11族的第一元素、来自元素周期表的第13族的第二元素和来自元素周期表的第16族的第三元素，并且还包括四元的、更多元的和掺杂的材料。合适的纳米粒子材料包括但不限于：CuInS2、CuInSe2、CuGaS2、CuGaSe2、AgInS2、AgInSe2、NiS、CrS和AgS。
[0091] 在一个实施方案中，可用于本发明的QD包括但不限于：包含AgS的核材料。
[0092] 在本文所述的QD中的任一种的一个实施方案中，纳米粒子包括II-IV材料、III-V材料、I-III-VI材料、或者其任意合金或掺杂衍生物。
[0093] 在一个实施方案中，纳米粒子材料包括II-IV材料、III-V材料及其任意合金或掺杂衍生物。
[0094] 在本文所述的QD中的任一种的一个实施方案中，纳米粒子包括III-V材料或者其任意合金或掺杂衍生物。
[0095] 用于说明书和权利要求书的术语掺杂纳米粒子是指上述材料和包含一种或多种主族或稀土元素的掺杂剂的纳米粒子，这最通常是过渡金属或稀土元素，比如但不限于具有锰的硫化锌，比如掺杂有Mn+的ZnS纳米粒子。
[0096] 在一个实施方案中，QD基本上不含重金属(比如镉)(例如，含有低于5重量％，比如低于4重量％、低于3重量％、低于2重量％、低于1重量％、低于0.5重量％、低于0.1重量％、低于0.05重量％或低于0.01重量％的重金属(比如镉))，或者不含重金属(比如镉)。
[0097] 对于体内应用，不含重金属的半导体铟类纳米粒子或含有铟和/或磷的纳米粒子是优选的。
[0098] 在一个实施方案中，本文所述的QD中的任一种包括设置在纳米粒子核上的包含第一半导体材料的第一层。可以在第一层上设置包含第二半导体材料的第二层。
[0099] 合成
[0100] 可以使用以下合成步骤用于缀合。可以使用连接基团以在纳米粒子上的羧基官能团和在癌症特异性结合配体上的胺端基之间形成酰胺基。可以使用已知的连接基团，比如直接在QD的无机表面上的硫醇锚固基团。可以采用标准的偶联条件，并且其对本领域普通技术人员来说将会是已知的。例如，合适的偶联剂包括但不限于碳二亚胺，比如二环己基碳二亚胺(DCC)、二异丙基碳二亚胺(DIC)和1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)。在一个实施方案中，偶联剂是EDC。
[0101] 在一个实例中，可以将带有羧基端基的QD和可聚合配体在溶剂中混合。可以将偶联剂(比如EDC)加入混合物中。可以温育反应混合物。可以将粗制可聚合配体纳米粒子缀合物进行纯化和/或分离。
[0102] 可以使用标准固态纯化方法。多个用合适溶剂过滤和洗涤的循环可能是必须的以去除过量的未反应官能化配体和/或偶联剂。
[0103] 在另一方面，一个实施方案提供一种用于制备根据本文所述的实施方案中的任一个的配体纳米粒子缀合物的方法。在一个实施方案中，所述方法包括：i)使QD与可聚合配体接触以生成配体-纳米粒子缀合物，其中纳米粒子包含核半导体材料和外层，其中外层包含羧基。在一个实施方案中，偶联步骤i)包括：(a)使外层中的羧基与碳二亚胺连接基团反应以活化羧基，和(b)使活化的羧基与可聚合配体反应。
[0104] 在另外的实施方案中，所述方法还包括：ii)纯化配体纳米粒子缀合物。在另外的实施方案中，所述方法还包括：iii)分离配体纳米粒子缀合物。在一个实施方案中，所述方法包括步骤i)、ii)和iii)。
[0105] 在另外的实施方案中，所述方法还包括：ii)纯化QD。在另外的实施方案中，所述方法还包括：iii)分离特异性结合纳米粒子缀合物。在一个实施方案中，所述方法包括步骤i)、ii)和iii)。实施例
[0106] 可以使用标准缀合化学反应用于缀合。例如，制备纳米粒子可聚合配体缀合物的方法可以包括以下步骤：提供纳米粒子，提供偶联剂，提供可聚合配体，比如例如甲基丙烯酸2-氨基乙酯盐酸盐，和温育混合物以形成纳米粒子可聚合配体缀合物。然后可以将混合物纯化和分离以得到纳米粒子可聚合配体缀合物。
[0107] 可以选择温育条件以允许形成酰胺或酯。应理解，可以形成其他键(例如，共价键合和非共价键两者)。可以将可聚合配体与纳米粒子共价地、物理地、通过离子配对或范德华相互作用缀合。可以通过直接在QD的无机表面上或在用于使纳米粒子水溶和生物相容的有机冠状层上的酰胺、酯、硫酯或巯基锚固基团来形成键。
[0108] 可以采用用于偶联的标准温育条件。例如，偶联条件可以是在0.5至4小时范围内的溶液。偶联条件的温度范围可以在0℃至200℃的范围内。偶联条件在反应期间可以是恒定的或变化的。例如，反应条件可以是130℃进行一小时，然后升至140℃进行三小时。
[0109] 在一个实例中，可以将带有羧基端基的QD和可聚合配体在溶剂中混合。可以将偶联剂(比如EDC)加入混合物中。可以温育反应混合物。可以对粗制可聚合配体-QD纳米粒子缀合物进行纯化以得到缀合的QD纳米粒子缀合物。
[0110] 可以使用标准固态纯化方法。多个用合适溶剂过滤和洗涤的循环可能是必须的，以去除过量的未反应可聚合配体和EDC。
[0111] 之后可以将纳米粒子可聚合配体缀合物引入哺乳动物或组织中以进行对受影响的组织的实时成像和治疗。可聚合配体缀合物的施用可以是肠内的或胃肠外的。例如，可聚合配体缀合物可以皮下地、静脉内地、肌内地、局部地和经口地施用。实例包括弹丸式注射(bolus injection)或IV输注。
[0112] 官能化量子点(QD)缀合物的制备
[0113] 使用标准EDC化学反应将羧基官能化QD连接至甲基丙烯酸2-氨基乙酯盐酸盐。所得点具有悬挂的甲基丙烯酸酯基团，其被递送到目标组织并且通过用能量源激发QD而聚合。
[0114] 使用标准EDC化学将羧基官能化的红QD连接至甲基丙烯酰基-L-赖氨酸。所得QD具有悬挂的甲基丙烯酸酯基团，其通过在300-500nm的UV/可见激发而聚合。1000x放大率的荧光显微成像显示，与未照射的纳米粒子不同，当暴露于320nm UV时，纳米粒子聚集。参见图1A。QD可以被递送到目标组织并且通过用能量源激发QD而聚合。
[0115] 在一个实例中，如下使用疏水的相互作用力使羧基官能化的QD表面负载有4-甲基丙烯酰氧基-2-羟基二苯甲酮(式I)。在剧烈混合下向分散于1mL H2O中的100mg量的水溶性点(VivodotsTM 630纳米粒子(纳米技术有限公司，曼彻斯特，英国))中，加入100μL以100mg/mL溶解于DMSO中的4-甲基丙烯酰氧基-2-羟基二苯甲酮的溶液。
[0116]
[0117] 形成透明溶液，并且立即向所述透明溶液加入1mL的磷酸盐缓冲盐水(PBS，pH7.2)。尽管4-甲基丙烯酰氧基-2-羟基二苯甲酮不溶于水，但是溶液仍保持透明。这表明单体4-甲基丙烯酰氧基-2-羟基二苯甲酮能够在纳米粒子的表面上形成疏水相互作用并且利用其变得分散。然后使用0.22um注射器过滤器对透明溶液进行灭菌。
[0118] 将一小滴可聚合QD制备物固定在显微镜载玻片上，用玻璃盖玻片覆盖，然后使用6瓦手持UV等(UVP，LLC)以365nm波长照射5分钟。以相同方式准备对照载玻片，但是不照射该对照载玻片。然后使用荧光显微镜检查载玻片。如图1B所示，经照射的样品显示出明显的聚集。
[0119] 不需要的细胞的消融
[0120] QD可聚合配体缀合物被肿瘤细胞摄取。通过外部光源激发QD缀合物引发可聚合配体的聚合，造成点-点交联，从而导致组织内聚集和组织坏死或死亡。参见图2。
[0121] 在一个实例中，以0.5mg/mL将在补充有10％胎牛血清和可聚合QD样品(poly VivodotsTM 630纳米粒子)的McCoy培养基中培养的SKBR3人乳腺细胞加入PBS缓冲液中。在24小时培养以实现细胞摄取后，利用使用Texas红滤光器和20x物镜的蔡司(Zeiss)显微镜(Zeiss Axiovert 200m)的光源照射细胞。仅经照射的细胞显示出使用DAPI染色确认的显著的细胞损伤，如图3和4中所示。
[0122] 因此，可聚合QD能够应用于在哺乳动物组织内的指定不需要的细胞(比如，例如肿瘤)。可聚合QD被目标细胞摄取，并且在用光源(来自QD自身或外部来源)照射时造成聚合和细胞死亡。不需要的细胞的其他实例包括软的、实体的、恶性的和良性的肿瘤。其他实例包括静脉曲张、毛细管扩张和蜘蛛痣(蜘蛛状血管病)。
[0123] 聚合还有助于对在哺乳动物组织内的不需要的细胞的成像。
[0124] 量子点缀合物用于美容性纹身的用途
[0125] QD可聚合配体缀合物还可以用于美容性纹身。在该实施方案中，将QD可聚合配体缀合物递送到目标组织(例如，真皮和表皮)。在这个实施方案中，可聚合配体囊封颜料墨水。一旦被递送，可聚合配体可以从纳米粒子解离，之后被来自纳米粒子的照射光激发，导致聚合。配体的聚合将产生通过皮肤可视的结构。
[0126] 另外，深色墨水中的黑光和辉光(glow)已经用于纹身。深色墨水中的辉光吸收并且保留光，然后在变黑的条件下通过磷光过程发光。黑光墨水在黑暗中不发光，但是与不可见的UV光反应，通过荧光产生可见的辉光。典型的辉光墨水包含聚甲基丙烯酸甲酯(97.5％)和荧光染料微球(2.5％)。
[0127] 将QD可聚合配体缀合物注入皮肤中。一旦被递送，配体可以从纳米粒子解离，之后被来自纳米粒子的照射光激发，导致聚合。在深色墨水中的黑光和辉光的情况下，例如，可以施用另外的通过UV光的激发来产生荧光。
[0128] 应理解，美容性纹身通过破坏配体之间的键可以是可逆的。这可以通过施加适当的能量以安全地破坏哺乳动物中的键来进行。
[0129] 根据前述说明，本发明的这些和其他优点对本领域技术人员将是明显的。因此，本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的广义发明构思的情况下可以对上述实施方案进行变化或改变。应理解，本发明不限于本文所述的具体实施方案，而旨在包括在本发明的范围和精神内的所有变化和改变。
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