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新型纳米材料、纳米颗粒 新型纳米材料、纳米颗粒 医学实验 04 付雅斌 郑强 孙宇 刘潜 【摘要】纳米材料，是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1nm100nm）调制的 各种固体超细材料，它包括零维的原子团蔟（几十个原子的聚集体）和纳米微粒，其具有独 特的性质。本文主要介绍三种新型纳米材料:量子点、胶体金技术和磁纳米颗粒，并简要介 绍其结构、制备及应用。 【关键词】纳米材料；量子点；胶体金技术；磁纳米颗粒 【正文】 纳米”是英文namometer的译名。另一种说法“纳米”一词源自于拉丁文“nano”，意 思是“矮小”。纳米是一个度量单位，是一个长度单位。纳米材料构筑的物质，是看不到， 摸不着的微细物质。1 纳米，即 1nm=10 -9m，也就是十亿分之一米，相当于 4 个原子的直径。 红血球大约为 200-300nm，细菌为 200-600nm，病毒只有几十纳米。 11 纳米材料与纳米结构的定义 纳米材料与纳米结构的定义 广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1100mm）或由 他们作为基本单元构成的材料。 纳米结构是指由纳米尺度的基本单元按照一定的规律构建或 组装成的一维、二维或三维体系。 2纳米材料的特性 2纳米材料的特性 （1）表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质 上的变化。例如粒子直径为 10 纳米时，微粒包含 4000 个原子，表面原子占 40%；粒子直径 为 1 纳米时，微粒包含有 30 个原子，表面原子占 99%。主要原因就在于直径减少，表面原 子数量增多。再例如，粒子直径为 10 纳米和 5 纳米时，比表面积分别为 90 米 2/克和 180 米 2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机 纳米粒子会吸附气体等等。 （2）小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深 度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力 学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二 氧化硅颗粒在 20 纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石 制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应 用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。 （3）量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。 当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材 料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子 吸收光线能力非常强，在 1.1365 千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不 透明。 （4）宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应， 它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。 下面将介绍三种新型纳米材料：量子点、胶体金技术量子点、胶体金技术和磁纳米颗粒磁纳米颗粒 1量子点 1量子点 11 量子点的概述 11 量子点的概述 在对生物大分子进行结构和功能关系的研究中, 我们常用的分子标记荧光基团包括化 学合成的有机荧光染料和遗传基因编码的荧光蛋白, 它们都属于有机荧光基团。 在用于生物 分子的结构与功能研究时, 有机荧光基团有两个主要不足: 即荧光持续时间短和不适于多 色观察。归其原因为有机荧光基团的抗光漂白能力差; 荧光光谱宽, 易发生光谱重叠 1。 量子点(quantum dot，qds)是一种直径在 1100nm,能够接受激发光产生荧光的半导体 纳米晶粒。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在 100 纳米(nm)以下，外观恰似一极小的点 状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应(quantum confinement effect)特别显著。 当半导体纳米晶粒的尺寸与其激子玻尔半径(约 510nm)相接近时,半导 体纳米粒子能带的带隙随粒子半径的减少而增加,导致其吸收光谱和荧光光谱的蓝移。由于 量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，因此量子点又被称为“人造原子” (artificial atom) 2。 关于荧光探针基本参数的概念， 一个是摩尔消光系数， 消光系数是物质对光的吸收的大 小值，而摩尔消光系数是在溶液浓度为 1mol/l，光程厚度为 lcm 时的消光系数，其单位是 l/(mol.cm)，用表示。值是物质的一个特征常数，由物质的性质与光的波长而定。同一 物质在不同的波长所测得的值不同。 一般采用值最大的波长进行测定。 由于量子点的光 学特性，其摩尔消光系数较高，有利于其吸收激发光，提高荧光发射速率。另一个是量子产 率， 荧光量子产率也叫荧光效率或量子效率， 它表示物质发射荧光的能力， 通常用下式表示： =发射荧光分子数/激发分子总数或=发射荧光量子数/吸收光量子数。量子点量子产率较高， 在相同激发光条件下发射荧光较高。 12 量子点的结构 12 量子点的结构 最初合成的量子点是一种能高效发光的硒化镉(cdse)颗粒。在此基础上,目前已研制出 多种由不同材料。其中,由硒、镉原子串相连形成的半导体核心, 能在宽频紫外光的激发下 发射特定颜色的荧光。 zns外壳不但能保护核心原子,还可以和某些功能集团如巯基、 亲和素 等结合,为量子点提供新的特性。这种小微粒的吸收光谱可从紫外光延伸到可见光。吸收光 谱的波长由粒子的大小和组成决定,粒子越大波长越长。 一种典型的水溶性核-壳型qds应该包括：一个半导体核（如cdse、cds、cdte） ，其直径 决定荧光的波长；一个半导体外壳以提高量子产率，该半导体材料要比核具有更大的带如 zns） ；一个亲水层以保证其水溶性。 在目前的生物医学研究领域，将 qds 与生物分子结合的最常用方法是通过链（霉）亲和 素生物素系统结合，即亲和素共价结合于 qds 表面，然后与生物素化的生物分子（如蛋 白和抗体）结合。这种方法简便易行且结合效果良好。 13 量子点的制备 13 量子点的制备 量子点的制备有许多方法可以利用,它们通常是用金属有机化合物为原材料,在具有配 位性质的有机溶剂环境中完成的。借助这类方法制备的量子点,不但具有工艺简单、种类繁 多、易于表面修饰和控制粒径分布外,还便于结合使用其它能改进纳米颗粒性能的方法 3。 一种较成熟的( cdse) zns量子点制备方法, 是采用topo作为有机配位溶剂,用二甲基镉 (ch3)2cd 和topse(trioctylphosphine selenide)做前体。在将前体迅速注射到剧烈搅拌 的topo高温溶液(350 )后,短时间内即有大量的cdse纳米颗粒晶核形成。 然后,迅速降低温 度至240,以阻止cdse纳米颗粒继续成核,随后将溶液升温到260280并维持一定时间。 此时, cdse纳米颗粒发生缓慢生长。通过对反应液吸收光谱的定期测定,监测晶体的生长。 当晶体生长到所需要的尺寸时,将反应液冷却到60,并加入丁醇防止topo凝固。随后,加入 过量的甲醇使cdse纳米颗粒沉淀,并通过离心得到cdse量子点。为了获得均匀尺寸的cdse纳 米颗粒,可采用尺寸选择沉淀法(size-selectivep recipitation) ,通过控制cdse纳米颗粒 溶液中丁醇和甲醇的量,使不同粒径的晶粒分批沉淀,从而得到单分散的cdse纳米颗粒。 14 量子点的特点 14 量子点的特点 相比较传统有机荧光染料，量子点有如下的优点： （1） 量子点可以采用两种元素成分合成或三元素成分合成的方法,使其荧光发射光谱覆盖了 从近紫外光(400nm)到近红外光(2000nm)的光谱范围。 因此,可以制备在这一光谱范围内的荧 光光谱各异的量子点。 （2）传统有机染料的荧光谱峰宽且不对称,并且吸收光谱窄,若要观察到多种染料的荧光, 必须同时用多种不同波长的激光来激发。而量子点的荧光光谱狭窄且对称,而其吸收光谱很 宽,可以被任何波长小于其荧光波长的光所激发,激发波长几乎涵盖从紫外到远红外区的整 个光谱范围。并且同一波长的光能激发不同大小的量子点。因此,可以选择一种使生物体自 身荧光尽可能小的激发光来同时激发不同大小的量子点,使其发出多种颜色的荧光,以实现 对多种分子目标的同时成像和跟踪。 （3） 由于量子点的摩尔消光系数大约是有机染料的10-50倍,在激发光子通量相同的情况下, 量子点的吸收速率将比有机染料快10-50倍,由此增加了荧光发射速率,使量子点的荧光发射 光强是有机荧光染料的10-20倍。 此外,量子点的光漂白作用很小,光化学性质十分稳定,不易 因化学作用和生物代谢降解,荧光可持续数周或更长时间,能动态观察细胞或蛋白质的动力 学过程,不会对组织细胞造成伤害。而且它可经受反复多次激发,不容易发生荧光淬灭。 （4）较长的激发态寿命使量子点的荧光能够从背景荧光中分离出来。量子点具有较大 的斯托克位移(stocks shift)和狭窄对称的光谱峰,因而在同时使用具有不同光谱特征的 量子点时,它们的发射光谱不会或很少出现交叠(overlap),从而克服了有机荧光染料的这些 固有缺陷，又进一步提高了量子点的探测灵敏度。因此,光谱特征各异的量子点在标记生物 分子时,可以将其荧光光谱移到生物体自身荧光少的区域,易于识别、分析。另外,通过控制 量子点的大小和组成“调谐”其发射波长,还能获得多种可分辨的颜色 4。 15 量子点的生物医学中的应用 15 量子点的生物医学中的应用 不少研究者已将量子点作为荧光探针引入到生物和医学研究领域中, 如对dna和蛋白质 分子的标记、 对细胞膜蛋白和全细胞的标记及对活细胞和活体动物体内的标记影像进行长时 间的跟踪观察等。 量子点探针分为非特异性和特异性两种。 非特异性的探针仅用于对全细胞的跟踪, 或对 活动物体内量子点踪迹的跟踪。 量子点探针的特异性取决于结合其上的功能分子。 如果量子 点探针上结合的功能分子是一抗、 受体分子的配体和具位点识别的肽链, 就可直接标记靶分 子; 如果是链霉亲和素、 生物素和二抗等则需经由一种连接分子(linker)或两种连接分子对 靶分子进行标记。 （1）标记生物大分子 量子点在生物分子标记方面,已有许多突破性进展。科学家们只需将不同尺寸的量子点 嵌入高分子材料制成的小珠中,就能微调小珠的颜色。这些颜色能细微改变的小珠,通过 “multip lexing”过程,能标记106个不同的蛋白质或基因序列。jaiswal等和jorin等通过 两步操作来实现量子点标记。第一步是使生物素化的基本抗体和量子点与抗生物素蛋白结 合。在连接的基础上,第二步经由重组g2多肽形成抗生物素蛋白桥。wu等通过用疏水的改良 聚丙烯酸包被量子点,已成功的使之结合到免疫球蛋白g和链霉亲和素。 并证实它能准确的结 合并标记在细胞表面蛋白、细胞支架蛋白和细胞核内的蛋白质上。另外,量子点的外壳被某 些物质(硅酸或某些连接因子如:巯基乙酸、dhla等)修饰后,可以溶于水。 （2）作为生物探针的量子点 量子点水溶性问题的解决,以及表面活性基团能导致量子点与生物大分子耦联的发现, 为量子点作为生物探针用于探测活细胞体系,实现了突破性进展。 alivisatos等报道,通过静 电引力、 氢键作用或特异的配体-受体相互作用,可以将生物分子结合在量子点的表面。 采用 两种大小不同的量子点同时标记3t3小鼠的成纤维细胞时,发射红色荧光的量子点能特异地 结合于f2肌动蛋白丝,而发射绿光的量子点则与尿素和乙酸结合。 由此,人们便可同时在细胞 中观察到红色和绿色的荧光。借助巯基乙酸中的巯基与量子点表面zn原子的结合,可以实现 对量子点表面的修饰。一方面,巯基乙酸中的游离羧基能使量子点具有可溶性,另一方面,它 还可与不同的生物分子,例如蛋白质、多肽、核酸等,共价结合。用此法将转铁蛋白与量子点 共价交联时,可通过受体介导的内吞作用,将量子点转运进hela细胞中,且连接了量子点的转 铁蛋白仍然具有生物活性。 （3）量子点在肿瘤研究中的应用 基于量子点相对于有机荧光染料的优点,wang等用最大激发波长605nm的量子点(qd605) 连接抗生物素蛋白链菌素和单克隆抗体来探测不同样本(固定细胞,组织切片和异种嫁接物) 中的卵巢癌标记cal25,证明了量子点可以标记肿瘤细胞,且可作为新型的荧光探针被用于免 疫组织化学中,且量子点的标记信号比传统有机染料fitc强得多。 另外,利用多光子荧光显微 镜,可同时监测多达36种细胞内的量子点,并且可应用于对深层组织中肿瘤细胞的探查。 美国 佐治亚州tech和emory大学生物医学工程系副教授聂舒明先生(音译) ,正试用量子点来提高 临床诊断结果以早期检出癌症。 纳米微粒发光时,可作为细胞和基因的标记物,使科学家们能 快速分析癌症患者的活检组织,从而医生便能采取最有效的治疗方法。 在mri和pet中,可用量 子点探头做造影标记物,进行体内分子成像,也可在光学显微镜检查中用它做荧光示踪物。 这 些标记物可跟踪细胞中的特异性蛋白质,以诊断癌症,或监测药物治疗的效果。 由于量子点发 光时具有鲜艳的荧光色,科学家就期望用它们来标记难以检测的分子,如癌细胞中的甚至艾 滋病毒中的分子,提高诊断检查的灵敏性。 目前,包括聂教授在内的一些科学家们正在研究将 量子点连接药物或其它治疗物的方法,以摧毁癌细胞。这些量子点可将控制的药量传输到某 一类型的细胞中。相信随着量子点技术的不断发展,用量子点标记的药物对肿瘤疾病进行治 疗的方法指日可待 3。 16 前景与展望 16 前景与展望 量子点目前还不能对活细胞内的靶分子进行有效标记。 其障碍在于没有合适的方法将其 送入细胞内。 用微注射和电转方法将量子点送入细胞内方法不能很好地控制转入量, 过多的 量子点容易产生非特异性背景噪声。 此外, 量子点的稳定性仍然受到诸多因素的影响。 以zns/cdse结构的水溶性量子点为例, 酸性环境对量子点荧光强度和稳定性有较大影响。在ph值为24时, 量子点几乎没有荧光, 而在ph值为12时达到最大, ph值中性时, 荧光强度居中。量子点荧光强度还和环境中cd 2+相 关。 通过水溶性处理和/或功能化处理后的量子点在直径和分子量上都会增大。例如亲和素 的分子量为67ku, 蛋白a的分子量为30ku, 而抗体的分子量为150ku, 肽链的大小随长度和 组成而变化。 一个量子点和抗体这样的功能分子结合的比例至少在13至15, 而与肽链的 结合价则高达120左右,混以peg后也有70左右。最后量子点探针的大小约为500750ku, 直 径可达到2030 nm左右。所以, 量子点探针对细胞内分子的标记有很大的阻碍。 量子点技术是生物技术的一个方面, 它的潜在的价值虽然能在生物标记和生物成像中 发挥很多的作用, 但是它不能取代现有的成熟技术, 如基于基因技术的荧光蛋白的体内表 达等。它的价值在于对目前应用技术的扩展, 并在医学诊断和介入性治疗中有很广阔的前 景。 在细胞成像方面,通过观察量子点标记分子与其靶分子相互作用的部位,及其在活细胞内 的运行轨迹,有可能为信号传递的分子机制提供更多的新线索,为阐明细胞生长发育的调控 及癌变规律提供直观依据,这是目前常用的有机荧光染料无法实现的。毫无疑问, 随着技术 的不断进步与完善, 量子点在生物和医学研究领域的应用会愈来愈广泛 1。 2胶体金技术 2胶体金技术 21 概述 21 概述 胶体金技术是最近发展起来的一种新兴技术， 但是其发展十分迅速， 可以作为临床的诊 断试剂、作为微量核酸探测的探针，从蛋白质到核酸，从宏观到微观，快速简便，具有高度 的特异性，结果也比较直观，还有虽然需要用金，但是其试剂及样品用量很少的特点，所以 其应用范围很广，并且还有许多未知的东西有待我们研究。 我们已知氯金酸(haucl4)在还原剂作用下， 可聚合成一定大小的金颗粒， 形成带负电的 疏水胶溶液， 由于静电作用而成为稳定的胶体状态。 胶体金颗粒的基础金核并非是理想的圆 球核，较小的胶体金颗粒基本是圆球形的，较大的胶体金颗粒多呈椭圆形。在电子显微镜下 可观察胶体金的颗粒形态。 由一个基础金核及包围在外的双离子层构成， 紧连在金核表面的 是内层负离子，外层离子层 h+则分散在胶体间溶液中，以维持胶体金游离于溶胶间的悬液 状态。 胶体金正是应用了这个原理，由于 胶体金表面所带负电荷，与蛋白质所带 的正电荷基团相吸附形成了比较牢固的 结合。目前的制备胶体金的主要方法是 柠檬酸钠还原法 5，可以方便地从氯金 酸制备各种不同粒径、也就是不同颜色 的胶体金颗粒。 还有科学家 6利用紫外 光短时间来照射还原缩氨酸，还原缩氨 酸通过自组装作用来形成纳米圆环结 构，然后用其制备单分散的胶体金，胶 体金的粒径大小由纳米圆环的腔体决 定。然后长时间照射缩氨酸圆环，制备 好的单分子胶体金便被释放出来，这种 方法提示我们可以利用这一原理来运输 药物然后精确打击靶位，可是研究结果 表明， 应用类似方法的结果甚至不如传统的药物皮下注射的方法。 这是由于人体内的环境比 实验环境要复杂许多， 大部分的胶体金及其药物并没有到达靶位。 因此就要对靶点的特异性 进行研究，然后对胶体金进行必要的表面修饰。 尽管与其他金属胶体相比金胶是较稳定的,但当金胶溶液被稀释、遇电解质和温度的急 剧变化、 长时间光照时都会使其聚集和变性。 为了提高稳定性,可在金胶表面修饰其他分子。 与其他胶体一样,金胶的稳定性取决于胶粒之间的范德华引力和双电层的斥力。范德华引力 驱使胶粒团聚,双电层斥力使胶粒稳定。另外,由于金胶的密度比其他分子类型的胶体要高, 所以重力的影响不可忽视,特别是颗粒较大的金胶。 用柠檬酸钠制备的金胶,颗粒越小表面电 荷密度就越高,双电层的斥力大,而且质量较小,所以小颗粒金胶的稳定性比大颗粒金胶高。 当纳米粒子表面修饰上其他分子后,粒子本身催化性质以及其他性质也被改变。将表面含有 许多氨基的树枝状聚合物修饰到金胶表面,这种聚合物有较大的空隙和渗透性,既能使外侧 的小分子渗入到金胶表面,又能使金胶在水中稳定。此时金胶的颗粒为23nm。到目前为止 人们已研究了其他一些分子在纳米金胶上修饰,如芳烃巯基化合物、硅烷化合物、以及能溶 于水的巯基钠盐化合物和羧基化合物等。 2.2 应用 2.2 应用 胶体金又叫做纳米金和免疫金，不同的名称用于不同的应用之中。 2.2.1免疫金标记技术 免疫金标记技术 电镜下可以观察到a、b 二组均呈明显的阳性反应,胶体金颗粒均匀地分布在细胞核内及胞 浆内 7。 免疫金标记技术主要利用了金颗粒具有高电子密度的特性， 在金标蛋白结合处， 在显微 镜下可见黑褐色颗粒， 当这些标记物在相应的配体处大量聚集时， 肉眼可见红色或粉红色斑 点， 因而用于定性或半定量的快速免疫检测方法中， 这一反应也可以通过银颗粒的沉积被放 大，称之为免疫金银染色。 2.2.2 胶体金免疫层析法（gica） 胶体金免疫层析法（gica） 该技术主要是将特异性的抗体 y2y3 以条带状固定在 nc 膜上， 胶体金标记试剂 y1 吸附 在结 探针及其应用 探针及其应用 或遗传疾病dna 序列的检测， 于上文所述的免疫金标记技 术不 合垫上， 当待测样品含 hcg 的尿液加到试纸条一端的样品垫上后， 通过毛细作用向前移 动，溶解结合垫上的胶体金标记试剂后相互反应，再移动至固定的抗体 y2 和 y3 的区域时， 待测物和金标试剂的复合物又与之发生特异性结合而被截留， 聚集在检测带上， 通过可目测 的胶体金标记物得到直观的显色结果。 而流离标记物则越过检测带， 达到与结合标记物自动 分离的目的。 2.2.3 纳米金生物纳米金生物 纳米金还可以用于对特定病原 同，将dna 的 3端修饰巯基,5端修饰荧光染料,利用巯基与纳米金之间的共价吸引 力将dna 连接到纳米金上制成探针,同时 5端的荧光染料也由于化学键的作用连到了纳米 金颗粒上,造成荧光染料 100 %的荧光猝灭。当该探针与其互补的靶序列杂交后,5端的荧 光染料会从纳米金颗粒上脱离,荧光信号恢复,从而可用于超灵敏的dna检测 8。这是利用胶 体金作为载体用荧光进行标记， 而免疫金标记技术则是利用胶体进行直接标记， 与蛋白结合 后显色。二者的原理不同。 2.2.3 前景与展望 3 前景与展望 红色，不需要加入发色试剂，省却了酶标的致癌性底物及终止液的步骤， 对人 3.磁纳米颗粒磁纳米颗粒 材料有金属合金、铁氧体、c-fe2o3、fe3o4等,其中以c-fe2o3和fe3o4 应用 2 磁性纳米颗粒的制备2 磁性纳米颗粒的制备 性纳米颗粒应该具有较小的粒径和较好的单分散性以使其具有 均一 流体分散在高分子溶液中,利用喷雾干燥制得磁性微球 5 ,例如将纳 米磁 冷冻凝聚法 体分散在高分子溶液中,再加入液体石蜡,搅拌。低温冷却后加入有 胶体金本身为 体无毒害，金标记物比酶标记物更稳定，试验结果可以长期保存而不腿色，以及前文所 述的优点，使得胶体金拥有广泛的研究前景。如临床医学诊断和病理研究,在分子水平上研 究和理解病变的机理,实现可定向输送和释放的靶向性药物等。这些都为未来纳米金的应用 指明了方向。但如何在微观尺度上使纳米金探针的信号放大,使人们可以利用传统的仪器进 行检测是未来要解决的主要问题之一 9。同时生物分析化学边缘学科的特点,也要求我们析 掌握多种知识,加强知识创新,促进开发应用 10。 3.1 磁纳米颗粒的概述磁纳米颗粒的概述 现在较为常用的磁性 最多。当铁磁材料的粒子处于单畴尺寸时,矫顽力(hc)将呈现极大值, 粒子进入超顺磁 性状态。磁性纳米材料具有许多不同于常规材料的独特效应, 如量子尺寸效应、表面效应、 小尺寸效应及宏观量子隧道效应等,这些效应使磁性纳米粒子具有不同于常规材料的光、 电、 声、热、磁、敏感特性。当磁性纳米粒子的粒径小于其超顺磁性临界尺寸时,粒子进入超顺 磁性状态,无矫顽力和剩磁。众所周知,对于块状磁性材料(如fe、co、ni),其体内往往形成 多畴结构以降低体系的退磁场能。 纳米粒子尺寸处于单畴临界尺寸时具有高的矫顽力。 小尺 寸效应和表面效应导致磁性纳米粒子具有较低的居里温度。另外,磁性纳米粒子的饱和磁化 强度(ms)比常规材料低, 并且其比饱和磁化强度随粒径的减小而减小。 当粒子尺寸降低到纳 米量级时,磁性材料甚至会发生磁性相变。磁性纳米材料也具有良好的磁导向性、较好的生 物相容性、 生物降解性和活性能基团等特点,它可结合各种功能分子,如酶、 抗体、 细胞、 dna 或rna等,因而在靶向药物、控制释放、酶的固定化、免疫测定、dna和细胞的分离与分类等 领域可望有广泛的应用。 3.3. 作为一种理想的载体,磁 的物理、化学和生物性能;而在磁性能方面应具有尽可能高的比饱和磁化强度和低的剩 余磁化强度。高的比饱和磁化强度有利于提高磁控靶向时的可操作性;低的剩余磁化强度可 避免使用过程中的磁性团聚, 剩余磁化强度为零的超顺磁纳米颗粒可以完全消除磁性团聚, 这就解决了微球在保存和应用时不稳定的难题。 通常单分散一定尺寸的磁性纳米颗粒的制备 可以通过严格控制反应条件来制备。目前,磁性纳米微球多是在高分子材料成球过程中加入 纳米磁性材料使其被包裹或作为反应的一部分而形成纳米微球,其制备是磁性微球制备的关 键所在。 在微球中应用的高分子材料应具有生物兼容性、 无毒性、 有一定机械强度和稳定性, 主要由合成高分子和生物高分子组成。不同类型的磁性微球制备方法不同,常用的方法有喷 雾干燥、冷冻凝聚法、乳化固化法、包埋法和聚合法等多种方法。 3.2.1 喷雾干燥法 喷雾干燥法是将磁 流体分散在聚丙烯腈的n,n-二甲基甲酰胺溶液中,混合均匀后进行喷雾干燥得外形规 整、 粒径分布较窄、 磁含量约15%的聚丙烯腈磁性微球,得到的磁性微球可作为固定化酶的载 体。 3.2.2 冷冻凝聚法是将磁流 机溶 分子溶于一种油性的挥发性溶剂中,将磁性材料加入到聚合物溶液 中, 于高分子溶液中,通过雾化、絮凝、沉积、蒸发等方法得到内部包有磁性 粒子 分散到含有单体的溶液或乳液中,利用引发剂引发单体进行聚合反应,即 可得 3 磁纳米颗粒在生物医药领域的应用3 磁纳米颗粒在生物医药领域的应用 粒制造靶向输送医疗药物,是目前医药学研究的热点。通常的靶向纳米 药物 颗粒化。 效的主要因素,骨架材料的 选择 剂搅拌、过滤、洗涤可得到包覆fe3o4的磁性微球。不过有机溶剂的加入可能引入毒性物 质,使得制备出的磁性微球的应用受到一定限制。张胜等制备的包裹超微fe3o4和平阳霉素的 明胶磁性微球具有较好的靶向性和缓释性。 3.2.3 乳化固化法 乳化固化法是先将高 超声分散,再在适当的温度和搅拌条件下逐滴加入到含有乳化剂的水相中,产生乳液。在 常压下自由挥发或用真空抽提使溶剂挥发, 产物可以通过洗涤、 过滤和离心等方法得到纳米 微球。纳米粒子的制备过程中,可以采用高速搅拌或者超声振荡等手段以保持磁性微球良好 的分散性, 避免团聚。 3.2.4 包埋法 将磁性粒子分散 的高分子微球,常用的包埋材料有纤维素、尼龙、磷脂、聚酰胺、聚丙烯酰胺等, 徐慧 显利用葡聚糖制备了具有较好的单分散性磁性葡聚糖微球,董聿生采用反相悬浮包埋技术合 成了多分散性的磁性葡聚糖微球。 3.2.5 聚合法 将磁性粒子均匀 到内部包有一定量磁性微粒的高分子微球。 该法得到的高分子微球磁响应性强。 主要方 法有悬浮聚合、 分散聚合和乳液聚合等, 采用不同的聚合方法,可制备不同粒径的磁性微球。 3.3. 3.3.1 磁靶向药物 利用磁性纳米颗 载体是运用了载体对机体各组织或病变部位亲和力的不同,或将单克隆抗体与载体结合, 使药物能够转运到特定的治疗部位,但如果制备的载药颗粒过大,如处于微米量级, 可能会 引起血栓样血管栓塞,甚至导致死亡,而纳米级的磁性颗粒可以解决这个问题。 磁性纳米颗粒 的粒径比毛细血管通路还小1-2个数量级,用其作为定向载体,通过磁性导向系统控制,可将 药物靶向输送到病变部位释放,以增强疗效。制备出生物相容性和单分散性较好的无机磁性 纳米颗粒载体(主要为铁系氧化物),再用生物高分子(氨基酸、多肽、蛋白质、酶等) 包覆磁 性纳米颗粒载体,再将包覆好的磁性载体与药物分子结合,将这种载有药物分子的磁性纳米 粒子注射到生物体内,在外加磁场的作用下,通过纳米颗粒的磁性导向性使药物更准确地移 向病变部位,增强其对病变组织的靶向性,有利于提高药效,达到定向治疗的目的,从而降低 药物对正常细胞的伤害,改变目前放疗和化疗中正常细胞和癌细胞统统被杀死的状况,减少 副作用。动物临床实验证实, 载药磁性纳米微粒具有高效、低毒、高滞留性的优点,它在治 疗结束后可以通过人体肝脏和脾脏自然排泄。 磁性纳米药物载体一般通过下面3种方式结合: (1)药物与高分子先结合成颗粒, 磁性颗粒再吸附其表面; (2)磁性颗粒和高分子先结合成颗粒再吸附药物; (3)磁性颗粒、药物、高分子一起混合经均匀化后再 磁性高分子颗粒作为药物载体,其中控制释放速率是影响药 对控释作用具有一定的影响,而搅拌速度和成型温度对颗粒控释作用也有很大影响。纳 米颗粒中特有的微型水解通道的多少、宽窄及交联程度是决定颗粒能否控释的主要因素,而 搅拌速率和成型温度对颗粒中最后形成的微型通道程度起决定作用。 早期应用的载体多为葡 聚糖磁性毫微粒(dextran mnp),但易被res系统吞噬,被动靶向于肝脾,难于实现其他组织的 靶向给药。后来,有人改变载体的表面的性能,使其具有一定负电性,可更好地应用于主动靶 向治疗。 3.3.2 细胞分离和免疫分析 究中一种十分重要的技术,高效的细胞分离在临床中是首要 的、重要的步骤。这种细胞分离技术在医疗临床诊断上有广范的应用,例如治疗癌症需在辐 的方法,它对蛋白质、抗原、抗体及细胞的定量 3.3 磁性纳米颗粒对蛋白酶的吸附及固定化 通过物理吸附、交联、共价偶合等方式将 他们 3.4 基因治疗 ,医学领域提出了“基因治疗”这一概念,即将遗传物质导入细胞或组织, 进行 细胞分离是生物细胞学研 射治疗前将骨髓抽出,且要将癌细胞从骨髓液中分离出来。传统的细胞分离技术主要采用离 心法,利用密度梯度原理进行分离,时间长、 效果差。 随着合成磁性粒子的发展, 免疫磁性粒 子在分离细胞方面已经获得了快速的发展经动物临床试验已获成功。 其中最重要的是选择一 种生物活性剂或者其他配体活性物质(如抗体、荧光物质、外源凝结素等) ,根据细胞表面糖 链的差异,使其仅对特定细胞有亲和力,从而达到分离、 分类以及对其种类、 数量分布进行研 究的目的。 磁性粒子用于细胞分离需要考虑以下几个因素: 不与非特定细胞结合、 具有灵敏 的磁响应性、在细胞分离介质中不凝结。 免疫分析在现代生物分析技术中是一种重要 分析发挥着巨大的作用。在免疫检测中,经常利用一些具有特殊物理化学性质的标记物如放 射性同位素、酶、胶体金和有机荧光染料分子等对抗体(或抗原)进行偶联标记,在抗体与抗 原识别后, 通过对标记物的定性和定量检测而达到对抗原(或抗体)检测的目的。 由于磁性纳 米颗粒性能稳定,较易制备,可与多种分子复合使粒子表面功能化,如果磁性颗粒表面引接具 有生物活性的专一性抗体,在外加磁场的作用下,利用抗体和细胞的特异性结合,就可以得到 免疫磁性颗粒,利用它们可快速有效地将细胞分离或进行免疫分析,具有特异性高、分离快、 重现性好等特点,同时磁性纳米颗粒具有超顺磁性,为样品的分离、 富集和提纯提供了很大方 便, 因而磁性纳米颗粒在细胞分离和免疫检测方面受到了广泛关注。 3. 生物高分子例如酶等都具有很多官能团,可以 固定在磁性颗粒的表面。用磁性纳米颗粒固定化酶的优点是:易于将酶与底物和产物分 离;可提高酶的生物相容性和免疫活性；能提高酶的稳定性,且操作简单、成本较低。制备吸 附蛋白酶的磁性高分子颗粒的过程可以概括为:制备磁流体,在对磁流体中的磁性纳米颗粒 用大分子包覆或联结,所形成的磁性高分子载体可用作亲和吸附的磁性亲和载体。作为酶的 固定化载体,磁性高分子颗粒有利于固定化酶从反应体系中分离和回收,还可以利用外部磁 场控制磁性材料固定化酶的运动和方向,从而代替传统的机械搅拌方式,提高固定化酶的催 化效率。 磁性高分子颗粒作为酶的固定化载体还具有以下优点:固定化酶可重复使用,降低成 本;可以提高酶的稳定性,改善酶的生物相容性、免疫活性、亲疏水性;分离及回收酶的操作 简单,适合大规模连续化操作。 3. 20世纪70年代 疾病的治疗即将遗传物质导入组织或细胞进行疾病治疗。 目前常用病毒载体和脂质体载 体, 病毒载体存在制备困难,装载外源dna大小有限制,能诱导宿主免疫反应及潜在的致瘤性 等缺点。 多价阳离子聚合物, 如目前广泛应用的脂质体,具有病毒载体的优点,而没有病毒载 体的缺点。 但是聚合物的颗粒大小是影响转染效率的因素之一。 磁性纳米粒子的出现克服了 它们的缺点。磁性材料直径可达10 nm 以下,在外磁场作用下具有靶向性。磁性材料外部包 裹生物高分子,从而增强了生物相容性,对细胞无毒,而且在血管中循环时间大大延长。目前 要控制阳离子聚合物大小的合成方法还不很成熟,且阳离子聚合物的细胞毒性是影响转染的 突出问题。磁性四氧化三铁生物纳米颗粒的制作简单,直径可达10 nm 以下,具有比表面积效 应和磁效应。在纳米颗粒的表面可吸附大量dna。在外加磁场的作用下,可具有靶向性。且四 氧化三铁的晶体对细胞无毒。为达到生物相容性,在磁性四氧化三铁的晶体表面可很容易地 包埋生物高分子,如多聚糖,蛋白质等形成核壳式结构。由于纳米颗粒有巨大表面能,有多个 结合位点,因而携带能力优于其他载体,且转染效率高于目前使用的载体,因此磁性生物纳米 颗粒可成为较好的基因载体。 3.3.4 磁性纳米材料应用于生物医学领域的局限性及应用展望 4 磁性纳米材料应用于生物医学领域的局限性及应用展望 的工艺, 在此基础上人们已 经能 性与颗粒的尺寸、 颗粒尺寸的分布、 颗粒的形状和晶体结构密切相关, 分子在磁性纳米颗粒的组装结合机理,以提高组装的结合力和结合量,发 料在生物医学领域的应用研究才刚刚起步,但随着磁性纳米材料的产 参考文献】 物标记中的应用 熊雄, 吴政星, 徐涛 医学分子生物学杂志, 2006, 3 3 记及其应用 李琨，焦嫦亮，尹翔，王顺伟 现代临床医学生物工程学杂志 4 的量子点 王岚,王刚,刘文晶,鲍修增 哈尔滨工业大学学报2006， 8 2004 ,126 : 7935 7939 8 or j r. doctoral dissertation of indiana university , usa.2002. 122 147 10针及