（无机化学专业论文）磁性纳米载药微球的制备与表征.pdf

摘要 磁性纳米载药微球是由超顺磁性纳米粒子，抗癌药物和骨架材料共同构成，在外加 磁场作用下，选择性的到达肿瘤区域释放药物，使药物在肿瘤组织的细胞水平发挥作用， 而对正常细胞无太大影响，在治疗恶性肿瘤方面表现出十分广阔的前景。目前，虽然磁 性纳米载药微球在靶向治疗中表现出独特的优势，但国内外磁性药物靶向治疗的整体发 展水平仍然处于基础研究阶段，还存在许多不足。因此如何制备粒径小、磁化率高、载 药量高、释放性能好的载药微粒成为进一步研究的重点内容。 本文的主要研究内容： 1 四氧化三铁的制备及表征 采用化学共沉淀法制备纳米f e 3 0 4 粒子，考察了铁盐的物质的量之比、铁盐的浓度、 p h 值、反应温度、熟化温度以及沉淀剂的浓度对产物性能的影响。通过x 射线衍射 ( x r d ) ，振动样品磁强计( v s m ) ，扫描电镜( s e m ) ，透射电镜( t e m ) ，红外光谱( i r ) 等手 段对产物进行了表征，得出了制备纳米f e 3 0 4 粒子的最佳条件：f e 2 + f e 3 + 的物质的量之 比为l ：1 7 ，铁盐浓度0 7 m o l l ，反应的p h 值为l o ，反应温度3 0 ，熟化温度为6 0 7 0 。c ，氨水浓度为2 m 0 1 几。最佳制备条件下产物的x 射线粉末衍射表明该产物为f e 3 0 4 ， 晶型单一，纯度高，粒径约为1 7 n m ；透射电镜表明所制备的粒子为球状，分御均匀： 由振动样品磁强计测得其比饱和磁化强度为6 8 6 7 e m 彬g 。 2 磁性壳聚糖纳米微粒的制备及表征 根据离子凝胶法反应原理，对两步法制备纳米四氧化三铁壳聚糖磁性微粒的条件进 行了进一步的探索和研究，分别考察了壳聚糖的浓度、三聚磷酸钠的浓度、壳聚糖的加 入体积以及三聚磷酸钠的体积对产物性能的影响。为了优化实验过程，综合考虑以上四 个因素，我们设计了四个因素四种水平的j 下交实验，通过x 射线衍射( x r d ) ，振动样品 磁强计( v s m ) ，扫描电镜( s e m ) ，透射电镜( t e m ) ，红外光谱( i r ) 等手段对产物进行了表 征。得出了制备磁性壳聚糖纳米微粒的最佳条件：壳聚糖的浓度为2 m m l ，加入量为 2 0 m l ，三聚磷酸钠的浓度为2 m m l ，加入量为3 m l ，所得产物的形貌为球形，粒径约 为5 0 n m ，比饱和磁化强度为5 3 8 e m u g 。 3 5 氟尿嘧啶壳聚糖磁性微球的制备及表征 我们以壳聚糖为骨架材料，选用5 氟尿嘧啶为药物，对纳米f e 3 0 4 粒子进行包覆， 制备了5 氟尿嘧啶壳聚糖纳米磁性微球。通过x 射线衍射( x r d ) ，振动样品磁强计 ( v s m ) ，透射电镜( t e m ) ，红外光谱( i r ) 等手段来表征产物。考察了5 。氟尿嘧啶浓度， 壳聚糖浓度对微球载药量及包封率的影响，随着5 氟尿嘧啶的加入量的增加，载药量呈 现增大的趋势，当载体材料壳聚糖的浓度增加时包封率先增大后减小。最后我们考察了 药物的释放性能，研究发现磁性壳聚糖载药微球的体外释药曲线可归纳为三个阶段：突 释阶段，扩散阶段，平衡阶段。当制备条件为5 氟尿嘧啶加入量3 0 0 m g ，壳聚糖浓度 4 m m l 时，所得产物微球的药物释放百分率约为9 2 。对释放曲线进行拟合，发现释 放曲线符合一级释放模型，其拟合方程为：y = 3 0 7 2 5 4 7 e x p ( 0 0 1 2 5 6 x ) 。 j v 关键词：纳米载药微球f e 3 0 45 氟尿嘧啶磁性 a b s t r a c t m a g n e t i cd m gn a n o s p h e r e sc o n s i s to fm a g n e t i cn a i l o p a n i c l e s ，d r u ga n df r 锄e w o r k m a t e r i a l s ，i tc o u l db es e l e c t i v e l yl o c a l i z e dt ot h et r a g e t s i t eo ft u n n o rb ye x t e r n a lm a g n e t i c f i e l da n dt h u s “a c h i e v eh i g hd 九j gc o n c e n t r a t i o nt ot h ec e l la n dr e d u c eu n d e s i r a b i et o x i c e f 托c t s t h e r e f o r e ，m a g n e t i cd 1 1 j gn a n o s p h e r e sh a v er e c e i v e dg r e a ta n d 丽d ea t t e n t i o ni nt h e n e l do fc a n c e rt r e a t m e n t c u r r e n t l y ，a l t h o u g hm a g n e t i cd r u gn a n o s p h e r e ss h o ws p e c i a l a d v a n t a g eo nt h et a r g e tt r e a t m e n to ft h et u m o r ，t h ew h o l ed e v e l o p m e n tl e v e lo ft h ed o m e s t i c a n da b r o a ds t i l il i e si nt h ef o u d 锄e n t a ls t a g e ，i ta l s oe x i s t sm u c hs h o r t a g e t h e r e f o r e ，w ep u t o u rr e s e a r c he m p h a s i so np r e p a r a t i o no ft h es u p e r i o rp a r t i c l ed i 锄e t e r ， h i g hm a g n e t i c s u s c e p t i b i l i t y ，p a r t i c l e sc a n 了i n gah i g ht h em e d i c i n er a t e t h em a i nc o n t e n ti nt h i sp a r e ra sf o l l o w s ： 1 t h ep r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fi a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e db yc h e m i c a lc o p r e c i p i t a t i o np r o c e s s r e a c t a n t m o i a rr a t i o ，t h ec o n c e n t r a t i o no fm o l y s i t e ，p hv a l u e ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，c u r i n gt e m p e r a t u r e a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fp r e c i p i t a t o rw e r ef - o u n dt od r 枷a t i c a l l yi n f l u e n c et h ep r o p e n i e s t h e p r o p e n yw e r eo b t a i n e d a n dm e a s u r e db yx r d ，v s m ，s e m ，t e ma n di r t h eo p t i m a l m a n u f a c t u r i n gc o n d i t i o nw e r ed e t e m l i n e da sf o l l o w s ：t h er a t i oo fm o l 2 u rw a sl ： 1 7 ， t h e c o n c e n t r a t i o no fm o l y s i t ew a so 7m o l l ，p hv a l u ew a slo ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s30 。c ， c u r i n gt e m p e r a t u r ew a s6 0 - 7 0 a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fp r e c i p i t a t o rw a s2 m o l l t h ex - r a y d i f h a c t i o ni n d i c a t e st h a tt h ef e 3 0 4p a r t i c l e so b t a i n e df o mo p t i m a lm a n u f h c t u r i n gc o n d i t i o n a r ep u r e p a n i c l e sa n dt h ea v e r a g ed i 锄e t e ri s17 m n t h es a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o no ft h e p a r t i c l e si s6 8 6 7 e m u g 2 t h ep r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no ff e 3 0 4 c h i t o s a nc o m p o s i t en a n o s p h e r e s f e 3 0 4 c h i t o s a nc o m p o s i t en a n o s p h e r e sw e r eb a s e do ni o n i cg e l a t i o np r o c e s s ，w ec a r r i e d o nt h ef u n h e rq u e s ta n dr e s e a r c h t h ei n f l u e n c e so fp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n sw a ss t u d i e d ， i n c l u d i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fc h i t o s a na n ds o d i u mt r i p o l y p h o s p h a t e ，t h ev o l u m eo fc h i t o s a n a n ds o d i u mt r i p o l y p h o s p h a t e i no r d e rt og a i nt h eb e s tp a r a m e t e r sf o rp r e p a r i n gn a n o s p h e r e s ， t h ei n f l u e n c e sw e r ee v a l u a t e db yo r t h o g o n a l - d e s i g n i n gm e t h o d t h eo p t i m a lm a n u f a c t u r i n g c o n d i t i o nw e r ed e t e r m i n e da sf o l l o w s ：t h ec o n c e n t r a t i o no fc h i t o s a nw a s2m g m l ，t h e v c o n c e n t r a t i o no fs o d i u mt r i p o l y p h o s p h a t ew a s2 m m l ，t h ev o l u m eo fc h i t o s a n 、v a s2 0 m la n d t h ev o l u m eo fs o d i u mt r i p o l y p h o s p h a t ew a s3m 1 i tw a si n d i c a t e dt h a tt h ea v e r a g es i z eo f c o m p o s i t en a l l o s p h e r e si sa b o u t5 0 1 1 m 锄dt h es a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o ni s5 3 8e m “g 3 t h ep r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fm a g n e t i cd m g n a n o s p h e r e s t h i s s u b je c t w a st o s y n t h e s i z em a g n e t i cd r u gn a n o s p h e r e s ， w ec o u p l e d d r u g 5 - f l u o r o u r a c i l ( 5 一f u )t of e 3 0 4b a s e do nt h e仔锄e w o r ko fc h i t o s a n t h ee n c a p s u l a t i o n e f e i c i e n c yo f5 - f ua n dd 1 1 l gl o a d i n gw a si n f l u n c e db yt h ec h i t o s a nc o n c e n t r a t ea n dt h e5 一f u c o n c e n t r a t e d r u gr e l e a s e i n gp r o p e r t yo fm a g n e t i cd m gn a n o s p h e r e sw a ss t u d i e d ，t h er e l e a s e b e h a v i o ro f5 - f ue x h i b i t e dat r i p h a s i cp a t t e mc h a r a c t e r i z e db yaf a s tr e l e a s es t a g e ，s p r e a d s t a g ea n db a l l e n c es t a g e t h ep e r c e n t a g eo f9 2 o ft h et o t a l5 - f ul o a d e di nm a g n e t i cd 门j g n a n o s p h e r e sc o u l db er e l e a s e d t h e5 一f ur e l e a s ef r o mn a n o s p h e r e sc o u l db ed e s c r i b e db yt h e f o l l o w i n ge q u a t i o n ：y 2 3 0 7 - 2 5 4 7 幸e x p ( 一o o12 5 6 x ) v i k e yw o r d s ：d r u gn a n o s p h e r e sf e 3 0 4 5 一f l u o r o u r a c i l m a g n e t i c 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文磁性纳米载药微球的制备与表征，是在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均己在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者( 签名) ：淫、| 会 晰芏月为同 指导教师确认( 签名) ： 功o 年皇月习| 二l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部| j 或机构 送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北师范大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在年解密后适用本授权书) 论文作者( 签名) ：潭j 、鸯 硼扩年上月3 p 同 指导教师( 签名) ： 2 0 0 9 年r 月3 ，矿、 一矿 留明 第1 章文献综述 磁性纳米材料具有粒径小，比表面积大，偶联容量高等特点，其表面能和表面张力 随粒径的下降急剧增加，又具有超顺磁性，可以在磁场下聚集和定位，因此在化学、冶 会、电子、航天、生物和医学等领域展现出广阔的应用前景【l2 1 。运用于生物医学领域 的纳米材料具有生物相容性、小尺寸效应、良好的磁导向性、生物降解性和可结合各种 功能分子，如酶、抗体、细胞等，因而在靶向药物、酶的固定化、免疫测定、细胞的分 离与分类等领域可望有广泛的应用3 - 5 1 。而将磁性纳米粒子应用于制造靶向输送医疗药 物及其在生物体内的药效与代谢方面的研究，是将无机制备化学、药物化学、生命科学 等学科有机结合起来的交叉课题，也是目前医药学研究的热点之一【6 】。 磁性载药纳米微粒是将药物与适当的磁活性成分配制在药物定向系统中，它能够在 足够强的外磁场作用下，将载体定向于靶区，使其所含药物定位释放，集中在病变部位 发挥作用以期最大限度地增强药物的疗效，同时使药物的不良反应降至最低，从而只 有高效、准确定位和低毒的特点1 7 】，这种磁性载药纳米微粒是近年来国内外大力研究的 一种新的靶向制剂，目前还处于实验阶段。由于磁性载药微粒在动、静脉系统中的应用 有许多问题仍未完全解决，因此对磁性四氧化三铁载药微粒的研究具有重要的医学意义 和广阔的应用f i 景，尤其是对纳米颗粒形念控制、表面处理，释放性能等方面的研究意 义重大。 1 1磁性载药微球的特性 磁性载药微球越柬越受到人们的关注，有着十分广泛的应用前景。它主要有以下四 个特性【8 l ： ( 1 ) 表面效应和体积效应 表面效应是指超细微粒的表面原子数与总原子数之比随着微粒粒径变小而急剧增 大，表面原子的晶体场环境和结合能与内部原子的不同，具有很大的化学活性，其表面 能大大增加。这是由于表面原子的周围缺少相邻原子而具有不饱和性，易与其它原了结 合而稳定下来，可见表面效应是一种影响化学特性的因素。体积效应是指由二r 超细微粒 包含的原子数减少而使带电能级加大，从而使物质的些物理性质因能级的不连续性而 发生异常，上述两个效应可具体反应在微球比表面积激增，微球官能团密度及选择性吸 收能力变大，达到吸附平衡的时j r j 缩短。粒子的稳定性大大提高。 ( 2 ) 良好的靶向性 磁性药物微球在外加磁场作用下，可以方便的进行分离与磁性导向。当磁性四氧化 三铁晶体的直径小于3 0 姗时，具有超顺磁性，即在外加磁场中具有强磁性，没有磁场时 磁性很快消失。 ( 3 ) 生物相容性和可降解性 磁性载药微球要具有生物相容性和可降解性。多数生物高分子如多聚糖，蛋白质类 具有良好的生物相容性和可降解性。它们在人体内安全无毒，可降解，不与人体组织器 官产生免疫原性。 ( 4 ) 功能基团特性 由于磁性载药微球旱面含有高分子骨架材料，具有多种活性功能基团，如 0 h ，c 0 0 h ，一c h o ，一n h 2 等，就可以连接具有生物活性的物质，如药物、免疫蛋白、生物 酶等。 1 2 磁性载药纳米微球的结构组成 磁性载药纳米微球可有三种结构形式【9 1 ，1 核壳结构，即由磁性材料组成核部，岛 分子骨架材料作为壳层：2 壳一核结构，即将高分子材料作为核部，外面包裹磁性材料： 3 壳核壳结构，即最外层和核部为高分予材料，中f 日j 层为磁性材料。这三种结构一 ， 第一种是以磁性材料为核部，可以在高分子外层连接所需携带的药物、抗体等，这足i - j 前研究较多的一种结构形式，具有粒径小，磁性强的优势。 核壳结构的磁性纳米载药微球的“核”是磁性纳米颗粒，“壳”是高分子骨架材 料，壳上挂有具有一定疗效的药物，例如抗肿瘤药等。显然，在这罩磁性纳米颗粒起导 向作用，是导向或靶向材料。 1 3 磁性纳米微球在生物医学中的应用 1 3 1 磁靶向给药 磁靶向给药系统( m t d d s ) 是近年来研究的一种新型靶向给药体系，这种磁性载 药纳米微粒靶向给药的优点1 0 ，l | 】：( 1 ) 将药物随着载体被吸附到革巴区周围，使靶区很快 达到所需浓度，在其他部位分布量相应减少，因此可以降低给药剂量；( 2 ) 药物极人部 分在局部作用，相对减少了药物对人体正常组织的副作用，特别是降低对肝、脾、肾等 造血和排泄系统的损害；( 3 ) 加速产生药效，提高疗效。磁性纳米微球广泛用于药物的 载体，尤其是作为抗癌药物的研究较多。它对于治疗离表皮较近的癌症例如皮肤癌，乳 腺癌，食道癌等，已经显示出较好的效果。1 9 7 8 年w i d d e r 【1 2 1 首先采用白蛋白作为载体材 料，用加热固化方法制备了阿霉素白蛋白磁性微球，然后把阿霉素白蛋白磁性微球用于 大鼠进行微球的毒理性实验和靶向性研究，结果说明其无明显的毒性且具有很好的靶向 性，大鼠靶部位阿霉素的含量明显高于非靶部位。1 9 9 4 年，l u b b e f l 3 】课题组率先把磁性药 物靶向治疗应用于临床试验，在肿瘤的对侧血管注射磁性阿霉素，试验结果表明，患者 对磁性靶向药物的耐受性很好。应用核磁共振x 线体层照相技术、药代动力学和组织学 检测证明，在大约一半的患者中磁性药物可成功地到达肿瘤部位。 1 3 2 细胞的分离 有效的细胞分离是临床和免疫学的基本而重要的步骤。在磁性高分子微球表面接上 具有生物活性的吸附剂或配基，然后与目标细胞结合，加上外磁场将细胞分离、分类，即 磁性细胞分离，是一种有效的细胞分离方法。磁性微球在细胞分离中的应用之一是血液 中红细胞的分离：另一种应用是在临床进行自身骨髓移植时用于清除骨髓中己转移的癌 细胞、异体骨髓移植时清除骨髓中的t 细胞等【14 1 。与传统的方法相比，它可以直接从原 样中将目标细胞分离出来，并且磁分离细胞的结合和洗脱过程比较温和，不会对细胞产 生破坏。j h u n uc h a t t e r j e e 等1 1 5 】在白蛋白磁性微球( a l b m m s ) 和聚苯乙烯磁性微球( p s m m s ) 表面接上凝血素，用于红细胞的分离。研究发现用血凝素修饰聚苯乙烯微球和白蛋白微 球后，其具有良好的结合红细胞的能力。白蛋白微球与合成的聚合物微球相比较史具优 势，因为经白蛋白微球分离后的红细胞能重新注射进入病人的体内。 1 3 3固定化酶 固定化酶是指利用物理吸附或化学结合法将自由酶固定到载体上以提高酶的操作 稳定性和反复回收利用酶的技术。磁性微球用于固定化酶，利于固定化酶从反应体系中 分离和回收，操作简便。同时利用外部的磁场可控制固定化酶的运动方式和方向，外加 磁场作用下分离快速，可替代传统的机械搅拌，提高酶的催化效率。z u z a n a 等i i6 1 利用磁 性p ( h e m a c o e d m a ) 来固定半乳糖氧化酶，试验结果表明固定后氧化酶具有的高活性几 乎相当于其本身活性。 1 3 4 核酸( d n a ) 提取 样品制备的质量，尤其是d n a 分离的效果，是衡量d n a 技术的基本标准。经典的d n a r n a 分离方法有柱分离法和一些包括沉积、离心步骤的方法。这些方法的缺点是耗时多， 难以自动化，不能用于分析小体积样品，分离不完全。使用磁性高分子微球进行核酸分离 可避免这些局限，可以实现生物大分子的分离纯化。0 s l e r f l 7 1 研究了利j 】磁性非特定蛋 白质微球分离特定或非特定性的核酸序列，分离效果显著。 1 4 磁性纳米微粒 1 4 1 磁性纳米微粒的性质1 9 】 磁性纳米微粒的一般尺寸在1 到1 0 0 n m ，它除了在物理，化学方面具有纳米材料的介 观性质外，还具有特殊的磁性能介观磁性，主要有： ( 1 ) 量子尺寸效应 在纳米材料中，微粒尺寸达到与光波波长或其他相干波长等物理特征尺寸相当或更 小时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散态，并使能隙变宽的现象叫纳米 材料的量子尺寸效应。纳米半导体微粒存在不连续，被占据的最高被占据分子轨道和未 被占据的最低分子轨道能级。当能级的平均问距大于热能，磁能，静电能，光予能，超 导念的凝聚能时，就会产生异于宏观的效应。在低温磁场下，含奇数电子的纳米磁粉的 磁化率都遵从居罩外斯定律( 磁化率与温度密切相关) ，而含偶数电子的纳米磁粉 的磁化率都为零。 ( 2 ) 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。由于量子力学的作用，一些宏观物体 特别是纳米磁粉或膜层中的宏观粒子以隧道方式穿过势垒，从而导致磁化强度，磁通量 等磁性的变化，这就是磁性宏观量子隧道效应。 ( 3 ) 小尺寸效应 当材料处于纳米级别时，物质系统因其结构和组成的尺寸而出现异常的物理、化学、 生物特性。纳米微粒尺寸减小到一临界尺寸时，周期性的边界条件将会被破坏，声、光、 电和磁热力学等特性呈现出新的小尺寸效应，例如当磁性颗粒尺寸减小到一临界尺寸， 以致畴壁的增长大于静磁能的降低时，整个颗粒成为一个单畴体，从而获得最低能量而 稳定结构。由于磁性载体的粒径足够小，所以比表面激增，官能团密度及选择性吸附能 力变大，可以在细胞水平上产生有效的治疗。此外，由于磁性载体具有较高的选择性吸 附能力，所以它们的载药能力也较大，一般随着粒径的减小其载药和药物的包埋量也提 高。 ( 4 ) 磁相变温度的变化 一些纳米磁粉的相变温度与同质宏观材料的相变温度是不相同的，例如f e 3 0 4 块状 材料的相变温度为1 1 9 k ，但8 舯的f e 3 0 4 磁微粉的v e 刑e y 温度却低于8 0 k 。 ( 5 ) 超顺磁性 由单畴磁粉构成的单畴磁性材料在一定临界线度以下和临界温度以上不会出现磁 滞曲线现象，即剩余磁化强度和矫顽力都为零，而且不同温度下的磁化曲线化为 m m s h t 曲线时将相互重合。这与磁性原子，分子的顺磁性相似，称为超顺磁性。 ( 6 ) 表面磁性 纳米磁性材料表面原子具有比体内更低的对称性，因此将会产生表面向异性，表面 积增大。例如丫f e 2 0 3 和c r o ：纳米磁粉的表面为非共线磁结构，但此分的内部为共线结 构。 1 4 2 磁性材料的选择 由于人类及动物体内血管构造的特殊性，在生物医学上使用的靶向药物材料对于磁 性纳米颗粒有特殊的要求，例如粒径较小，否则会阻塞毛细血管或者不能在体内流通， 一般要在1 0 2 0 n m 以内，并且要具有较好的磁学性能。一般来说，主要的磁性物质有 f e 3 0 4 、，f e 2 0 3 、p t 、n i 、c o 等，考虑到体内的代谢、降解作用及成本问题，般选用 纳米四氧化三铁做磁性纳米微球核壳结构的核心材料。纳米f e 3 0 一具有高的比表面积， 具有较强的吸附能力，当粒径小于3 0 n m 时，具有超顺磁性，在外加磁场作用下可实现靶 向定位。研究证实，在许多生物体内存在以四氧化三铁为主的强磁性矿物晶粒，其中一 部分是外界污染造成，然而更多的是生物自身合成的，这表明四氧化三铁具有生物梢容 性1 2 0 2 。动物临床实验证实，四氧化三铁在治疗结束后可以通过人体肝脏和脾脏自然排 泄。因此，f e 3 0 。纳米粒子是生物磁导向技术最有自，j 途的载体核心材料之一。 1 4 3f e ，0 及其制备方法 f e 3 0 4 又称磁性氧化铁，是一种重要的尖品行型铁氧体，是电的良导体。x 射线研 究结果证明，f e 3 0 4 是f e ( i i ) 和f e ( i i i ) 混合氧化态的化合物或f e ( i i i ) 酸盐，像m 3 0 4 一样， 即化学式为f e ( 1 i ) f e ( i i i ) 【f e ( i i i ) 0 4 】习惯上仍用f e 3 0 4 表示，但不能看成f e 0 和f e 2 0 3 的混 合氧化物。f e 3 0 4 是由f e “，f e 3 + 和0 2 通过离子键而组成的复杂离子晶体，离子问的排 列方式与尖晶石构型相仿。尖晶石的化学式为a b 2 0 4 ，其晶体的基本结构是由o 厶按等 径圆球立方密堆积( c c p ) 排列起来的，而a 2 + ，b ”等正离子填充在负离子形成的空隙中” 立方密堆积的排列中密置层按a b c a b c 的方式叠加。在这利，等径圆球的堆积中留卜两 种f i 同类型的空隙：四面体空隙和八面体空隙。这两类空隙如图1 1 所示1 2 2 1 ，由图叮见， 叫面体空隙是由一层三个球和另一层一个球形成( 如图1 2 ) ，因四个球的球心指向l i 删 面体的顶点，此四个球所包围的空隙就称为四面体空隙。八面体窄隙是由一层二i 个球 图1 2 正四面体空隙图1 3 止八面体空隙 尖晶石构型的一种重要变体是反尖晶石构型，即b 【a b 】0 4 型，这罩b 离子有一半在 四面体空隙中，a 离子和另一半b 离子在八面体的空隙中。f e 3 0 4 就属于这种反式构型 即1 2 的f e 3 + 在四面体空隙中，而f e 2 + 和其余l 2 f e 3 + 离子在八面体空隙中，故其构型可j 1 j f e ( i i i ) f e ( i i ) f e ( i i i ) 】0 4 来表示。因为晶体中含有交替排列着的f e 2 + 和f e 3 + ，电子很容易凶 电场影响从f e 2 + 转移到f e 3 + ，因而四氧化三铁具有较高的导电性。 文献报道f e 3 0 。磁性纳米粒子的制备方法很多，例如化学共沉淀法、微乳液法( w o 或o w ) 、溶胶凝胶法、水热法以及其它一些方法。这些方法各有自己的优势和不足， 适合不同的原料、后续工艺的要求等，分述如下。 1 4 3 1 化学共沉淀法 化学共沉淀法是一种较为简洁的制备方法，依据的基本原理为： f e 2 + + 2 f e 3 + + 8 0 h 一= f e 3 0 4 + 4 h 2 0 一般做法是将f e c l 2 和f e c l 3 溶液按一定比例混合，将过量的n h 3 h 2 0 溶液作为沉 6 淀剂，快速加入至上述铁盐混合溶液中，并在一定温度下高速搅拌，得到f e 3 0 4 沉淀物。 产物经磁分离、洗涤、干燥，得到纳米级f e 3 0 4 颗粒。也可以是磁分离后反复洗涤，产 物仍分散于水中而不分离干燥，直接用于下步操作。 秦润华等【2 3 】在n 2 保护下，利用共沉淀法，通过控制制备过程中f e 2 + 、f e 3 + 的摩尔 比、晶化温度、晶化时间、沉淀剂浓度等条件，得到强磁性的、粒径为1 6 8 n m 左右的 f e 3 0 4 纳米粒子。利用该工艺也可在无氮气保护下，制备出粒径为1 0 m n 左右的粒子， 产物用稀盐酸处理后无明显团聚、分散状态良好【2 4 】。采用此种方法制备的f e 3 0 。粒子一 般呈球形，粒径约在5 2 0 r 蚰之间，粒径分布比较均匀。因此，无论是粒径范围还是颗 粒形态，这种方法的产品还是比较适合作为磁靶向微球“核心”的。另外，研究发现熟 化温度对f e 3 0 4 粒子的磁性有很大的影响，如果温度适宜，经过熟化后，粒子的比饱和 磁化强度会有明显的提高【2 5 1 ，这对于制备磁性纳米粒子非常有利。化学共沉淀法具有工 艺简单、生产成本低等优点，但在实际操作中也会遇到一些比较难以解决的问题，例如 f e 2 + 在混合和反应过程中易被氧化，造成原料配比不准确，产物纯度降低：反应产物易 呈胶体状态，难以分离和洗涤，造成产物有害杂质含量高；由于混合和搅拌过程不均匀， 造成产物颗粒分和不均匀，另外，反应的p h 值，反应时间，反应温度和熟化温度对反 应结果都有影响。 1 4 3 2 微乳液法 微乳液法1 2 6 】是近年发展起来的一种制备纳米或亚微米级颗粒的新方法。它是山表面 活性剂、油相、水相及助溶剂等在适当比例下混合，自发形成的热力学稳定体系，具有 低黏度、各向同性和外观透明或半透明等特点。该体系中有大量油包水( w o ) 或水包 油( 0 w ) 形成的微乳球，即微小反应器。这些微小反应器通过搅拌可以互相碰樟而结 合，内部的反应物发生反应，此时由于反应器变大而使体系变的不稳定，会再分丌，所 以体系中的微乳球大小可以基本保持在一定的范围内。由于化学反应被限制在极其微小 的水( 油) 核内，且可以通过调整微乳液组成和结构实现水( 油) 核的控制，所以不但 可以得到微小的产物颗粒，也可以实现对粒径分析i 的控制。近年来，利用微乳液作为反 应介质越来越引起人们的兴趣，其中w o 型微乳液用于制备纳米微粒冠示 “极其广阔的 应用日，景。 微乳液法所用的w 0 或者0 w 体系有多种，油相可以为煤油、苯及甲苯等，表嘶活 性剂更是多种多样，而助剂是根据表面活性剂的种类来确定的，一般为醇类。例如利用 工业级煤油作为油相，a e 0 3 + t x l o 作为表面活性剂，萨丁醇为助溶剂，分别在f e ”f e ”水 溶液和n a o h 水溶液中形成w 0 微乳液，采用双乳液混合法制备纳米磁性f e 3 0 4 微粒【2 7 j ， 其平均粒径为3 0 4 0 m ，不如化学共沉淀法的产品小。但其产物物相单一，明显优于化 学共沉淀法。a n u r om 等在a o t h 2 0 n h e p t 锄c e 体系中，将一定比例的f e 2 + 和f e 3 + 微 乳液与含n h 3 h 2 0 的微乳液混合，制得4 n m 的f e 3 0 4 。 但是，由于微乳液法采用的是一个多组分体系，除有机相和水相外还有大量的表面 活性剂及助剂，这些物质往往造成产物分离和提纯的困难，例如该工艺制备的纳米f e 3 0 。 在分离时会吸附大量的“油相 和表面活性剂，洗涤时会产生大量泡沫和乳化液，容易 造成产物流失和洗涤剂的浪费，而且残留的有机相对产物的应用性能产生影响。此外， 该工艺中由于反应器在体系中所占的比例较小，单位体积产出率比较低，并且存在溶剂 回收困难、污染环境等缺点，所以至今工业化水平都比较低。从当日仃的研究动态看，人 们仍然缺乏对微乳液法上述困难的关注，而多是注重产物颗粒大小和粒径分布的控制研 究。作者认为，解决上述困难的关键是产物的分离和微乳液体系的循环利用。其途径设 想如下，一种是直接再利用分离后的微乳液体系，即在分离后的乳液中分别加入两种反 应物，混合后再反应，或者是一半使用分离母液，一半使用新乳液，这样循环一定次数 后再分别回收有机相和水相。另一种是直接将分离后的母液破乳分离，回收有机溶剂， 其成本肯定高于第一种方法。此外，加强分离方法和分离设备的研究也是工作的晕点之 ，因为分离效果越好，产物的沈涤和提纯就越容易进行，母液中残留的产物也越少， 越利于母液回收利用。对于磁性纳米微球的制备来说，对f e 3 0 4 微粒的要求更加严格， 不能残留任何对人体有害的有机物质，所以采用该工艺制备磁性材料有一定困难。 1 4 3 3 溶胶一凝胶法 溶胶凝胶法的基本原理是用含高化学活性组分的化合物作自仃驱体，在液相下将这 些原料均匀混合，并进行水解、缩合等化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系， 溶胶经陈化后胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构或纤维状结构的凝胶，凝胶网络 问充满了失去流动性的溶剂，溶剂蒸发后就得到干凝胶。干凝胶经过分解或烧结制备f j j 具有纳米结构的材料。 周洁等【2 9 1 以k o h 、k n 0 3 、f e s 0 4 为原料，用溶胶凝胶法制备f e 3 0 4 纳米粒子，其研 究结果表明，此法通过改变各反应物的浓度，可以制备不同粒径的f e 3 0 4 磁性颗粒，当 溶液中c ( f e 2 + ) 与c ( o h 。) 正好反应或c ( o h 。) 过量时，f e 3 0 4 纳米颗粒粒径在4 0 5 0 n m 左右： 当c ( f e 2 + ) 过量4 5 m m o l l 时，颗粒粒径在6 0 8 0 n m 左右；当c ( f e 2 + ) 过量3 3 5 m m o l l h 寸， 颗粒粒径在2 8 0 2 4 0 n r n 左右：当c ( f e ”) 过量很多时，颗粒粒径会增大到微米级。通过v s m 8 测试可知随着f e 3 0 4 的粒径增大，矫顽力( h 。) 的值减小。 该工艺的优点是混合均匀，工艺条件易于控制，对于一些通常需要在高温同相条件 下才能得到的难熔氧化物和盐类，可以实现在较低的温度制备。但该工艺产物容易团聚， 得到粒径较大的二次颗粒，尤其是需要煅烧分解的体系更是容易出现烧结现象。对于包 覆法制备磁性纳米微球来说，颗粒重新分散在液相中比较困难，很难实现单分散状态。 因此该工艺的不太适合磁性纳米微球磁性“核心”的制备。此外，该工艺溶剂用量较大， 回收成本比较高，环境污染较大，而且产物的微观形态和粒径分布控制比较困难，因此 需要改进探索的内容不少。 1 4 3 4 水热法 水热法制备粉体常采用固体粉术或新配制的凝胶作为前驱体。离子经历了溶解，结 品过程，该法具有纯度高，晶形小，大小可控等特点。何秋星等【3u l 以铁盐，亚铁盐为原 料，加入表面活性剂s d s ，通过优化条件得到平均粒径为2 7 n m ，晶形为球形的四氧化三 铁。f a nr 1 3 1 】将f e s 0 4 ，n a 2 s 2 0 3 混合后放入高压釜中，缓慢加入n a o h ，反应温度为1 4 0 ， 2 小时后冷却洗涤干燥，得到5 0 舢准球型四氧化三铁。y u a n - h u iz h e n g 等| 3 2 j 在双( 2 乙馨) 磺基琥珀酸钠存在下，使f e ( n 0 3 ) 3 4 h 2 0 与5 0 的水合肼在高压釜中反应，最终值得粒径 为2 7 n r n 的四氧化三铁。 该工艺的特点是产品纯度高、分散性好、粒径和品型比较容易控制，并可以葙前1 对 较低的温度下获得一些通常只有在高温下获得的物质。但该工艺也有产物粒径较人的小 足，例如其产物粒径通常在2 0 n m 以上，对于磁性纳米微球的制备所需的磁核来说有点偏 大。而该工艺将产物粒径控制在2 0 m 以下又比较困难，所以不太适合生物靶向药物的制 备方面。 1 4 3 5 其他方法 四氧化三铁纳米颗粒的制备方法很多，除上述各种常见方法外，还有高温分解 【f e ( c 0 ) 5 ，f e ( c u p ) 3 等】法、激光热分解、气相溶胶喷射热分解法、超声波法| 3 3 】、多元醇还 原法、络合物分解法1 3 4 】，甚至还有气体保护下的研磨法。例如，陈辉以油酸为表而活 忭剂，通过高温分解铁有机物制备粒径为1 4 n m ，尺寸分布均匀，具有规则立方结构n 勺磁 性f e 3 0 4 纳米微粒。而g e r a r d ofg o y a 【3 6 1 则利用球磨法将磁粉混合物与甲醇混合导入钢瓶， 并密封在氩气中进行研磨，制得的f e 3 0 4 粒径在7 1 0 肿。但总体j ：看，这些办法| - j 前j 丕 停留在实验审研究阶段，而且因设备、成本等方面的限制，未束也比较难以实现人规模 l ：业化生产，在磁性纳米微球导向药物制备方面的应用还有很长的路要走。 9 1 5 骨架材料 作为磁性纳米微球的核心，四氧化三铁纳米颗粒的外表面需要包覆一层或多层壳层 材料，即高分子骨架材料，这种骨架材料的主要作用是挂载和释放抗癌药物，因此不但 应具有一定的厚度或“容积”，更要有一定的通透性以便药物的渗透和释出。此外，这 种高分子材料要能在体内代谢，代谢产物无毒且能经皮肤、胆汁、肾等排出体外。显然， 这些材料应有一定的亲水性，以保证药物在细胞内、外体液中溶解和分散而不出现明显 的沉积。 符合这些条件的材料主要是生物类高分子物质【3 7 3 8 1 如氨基酸聚合物类、聚多糖类 等。其中氨基酸类又可分为天然的和合成的两类。天然的氨基酸聚合物主要有：白蛋白、 明胶、球蛋白、酶类；合成的氨基酸聚合物主要是多肽，如聚赖氨酸、聚谷氨酸等。聚 多糖骨架材料主要有淀粉、葡聚糖、聚甲壳糖、阿拉伯胶、聚半乳糖醛酸等。由于靶向 药物的制备受诸多因素的影响，例如磁性“核心”材料的种类、粒径和表面性能、包覆 材料的种类和包覆能力、挂栽药物的结构和性能等，人们对高分子骨架材料的研究也是 多方面的。但总体上看，目的研究较多的是葡聚糖3 9 。、壳聚糖【4 2 5 1 、淀粉、油酸1 4 7 j 作为骨架材料的包覆。 1 5 1 壳聚糖简介【4 9 1 1 0 讲3 图1 4甲壳素的结构式 图1 5 壳聚糖的结构式 壳聚糖( c h i t o s a n ) ，又名聚氨基葡萄糖或甲壳胺，脱乙酰甲壳素、脱乙酰甲壳质、 可溶性甲壳素，是甲壳素( c h i t i n ) 脱去n 乙酰基的高分子直链型多糖，一般而言，n 乙酰 基脱之5 5 以上的就可称之为壳聚糖。甲壳素是一种天然高分子化合物，在自然界中的 产量仅次于纤维素，是地球上数量最大的含氮有机化合物。 壳聚糖是白色无定型、半透明、有珍珠光泽的固体，因原料不同和制备方法不同， 相对分子质量也从数十力至数百万不等。不溶于水和碱溶液，可溶子稀的盐酸、硝酸等 无机酸和大多数有机酸，不溶于稀的硫酸、磷酸。在稀酸中，壳聚糖的主链也会缓慢水 解。壳聚糖有很好的吸附性、成膜性和通透性、成纤性、吸湿性和保湿性。 1 5 ，2 壳聚糖的主要生理功能 壳聚糖引起许多科学家的兴趣，其