（高分子化学与物理专业论文）聚合物修饰的磁性纳米粒子及其性能研究.pdf

中山大学硕士论文 y 1 0 8 5 6 2 2 聚合物修饰的磁性纳米粒子及其性能研究 专业；高分子化学与物理 硕士生：朱玉光 指导教师：李玮张黎明 摘要 磁性f e 3 0 。纳米粒子具有较好的磁响应性、超顺磁性和大的比表面积，在 生物医学领域具有广阔的应用前景，但未经修饰的磁性粒子本身易团聚、生 物相容性差且缺乏功能性基团，从而限制了其应用。如何增加磁性f e 3 0 。纳米 粒子的胶体稳定性并使其具有良好的生物相容性和功能特性，是一项值得关 注的研究课题。 本文采用化学共沉淀法制备了磁性f e ，0 4 纳米粒子，并用3 氨丙基三乙氧 基硅烷( k h 5 5 0 ) 对其进行表面修饰。在此基础上，以戊二醛作为交联剂通过 反榍悬浮交联法制备了阴离子瓜尔胶修饰的磁性纳米粒子( a g k h 5 5 0 n p s ) 。 通过红外光谱( f t i r ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、动态光散射( d l s ) 对 a g k h 5 5 0 - n p s 进行了表征，结果表明a g k h 5 5 0 - n p s 粒径分布较窄，粒径 在1 0 0n r l l 左右；磁学性能测量系统( m p m s ) 和分光光度法测试结果表明， a g k h 5 5 0 - n p s 具有超顺磁性，饱和磁化强度为3 0 8e m u g ；通过对 a g k h 5 5 0 - n p s 吸附阿司匹林的研究，发现a g k h 5 5 0 - n p s 具有较好的载药 性能。 用3 ( 甲基丙烯酰氧) 丙基三甲氧基硅烷( k h 5 7 0 ) 对磁性f e 3 0 4 粒子进 行表面修饰，弓 入可聚合的双键，并与n 异丙基丙烯酰胺温敏单体共聚，制各 了一种新型的温度敏感磁性纳米粒子( p n i p a m k h 5 7 0 n p s ) 通过f t i r 、 中山大学硕士论文 x r d 、s e m 、d l s 等测试手段进行了表征，结果表明温敏聚合物包裹在f e 3 0 4 表面，p n i p a m k h 5 7 0 n p s 粒径大约4 0 衄_ l 左右；m p m s 和分光光度法测试结 果表明，p n i p a m k h 5 7 0 一n p s 饱和磁化强度为2 7 3e m u g ，具有较好的磁响应 性；d l s 和u v 分析证实，p n i p a m k h 5 7 0 - n p s 具有较好的温度敏感性；通过对 牛血清白蛋白的吸附研究，发现蛋白质的吸附量与p h 有很大关系，在一定范 围内增大蛋白质的初始质量浓度、温度和延长保温时间均有利于增加蛋白质的 吸附；溶液离子强度增大，p n i p a m k h 5 7 0 - n p s 对蛋白质的吸附量降低。 关键词：磁性纳米粒子；表面改性；阴离子瓜尔胶；温度敏感；聚异丙基丙 烯酰胺 中山大学硕士论文 m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sd e c o r a t e dw i t hp o l y m e r s a n dt h e i rp r o p e r t i e s m a j o r - p o l y m e rc h e m i s t r ya n dp h y s i c s n a m e ：y u g n a n gz h u s u p e r v i s o r ：w e il e e ，l i m i n gz h a n g a b s t r a c t m a g n e t i cf e 3 0 4n a n o p a r t i c l e sh a v eb e e ne x h i b i t i n gm a n ya d v a n t a g e si nt h e f i e l do fb i o m e d i c i n eb e c a u s eo fi t su n i q u ea n dn o v e lf e a t u r e s ，s u c ha sg o o d m a g n e t i cf i e l ds e n s i t i v i t y ，s u p e r p a r a m a g n e t i o na n dl a r g ps u r f a c ea r e a h o w e v e r ， t h en a k e df e 3 0 4n a n o p a r t i c l e ss u f f e rf r o ml o wc o l l o i d a ls t a b i l i t y , b a d b i o c o m p a t i b i l i t ya n dw e a kf u n c t i o n a l i t y f o rt h e s er e a s o n s ，i ti sn e c e s s a r y t oc a r r y o u tt h es u r f a c em o d i f i c a t i o no f t h en a k e df e 3 0 4n a n o p a a i c l e s n a n o s i z ef e 3 0 4p a n i c l e s ( n p s ) w e r ep r e p a r e db y t h ec h e m i c a l c o - p r e c i p i t m i o n m e t h o d t h es u r f a c eo ft h e p a r t i c l e s w a sm o d i f i e d b y 3 - a m i n o p r o p y l t r i e t h o x y s i l a n e ( k h 5 5 0 ) ，a n dt h e nw a s d e c o r a t e dw i t ha n i o n i cg u a r g u m ( a g ) b yt h ei n v e r s e - s u s p e n s i o ne r o s s l i n k i n gt e c h n i q u e t h er e s u l t i n g m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s ( a g k h 5 5 0 - n p s ) w e r e c h a r a c t e r i z e d b y f o u r i e r t r a n s f o r m a t i o ni n f r a - r e ds p e c t r o m e t e r ( f t i r ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n dd y n a m i cl a s e rs c a t t e r i n g ( d l s ) t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e a g k h 5 5 0 - n p sw e r em o n o d i s p e r s e da n dt h em e a nd i a m e t e rw a sa b o u t1 0 0n n l t h ea n a l y s e sf r o mm p m sa n ds p e c t r o p h o t o m a t r yi n d i c a t e dt h a ta g - k i - 1 5 5 0 - n p s w e r es u p e r p a r a m a g n e t i ca n dt h e i rs a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o nw a sa b o u t3 0 8e m u g m 中山大学硕士论文 b a s e do nt h es t u d yo nt h ea d s o r p t i o no fa s p i r i nb ya g - k h 5 5 0 - n p s ，i tw a sf o u n d t h a ta g - k h 5 5 0 - n p sh a v eh i g hd r u gl o a d i n gp e r c e n t a g e f u r t h e rs t u d yw a sc a r r i e do u tf o rt 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 f t h c r m o s e n s i t i v em a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s f o rt h i sp u r p o s e ，t h ea s - p r e p a r e dn p s w e r ef i r s t l ym o d i f i e dw i t hy - m e t h y l a c r y l o y lo x y p r o x y lt r i m e t h o x y s i l a n e ( k h 5 7 0 ) ， a n dt h e nc o p o l y m e r i z e dw i t hn - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ( n i p a m ) , r e s u l t i n gi n t h e r m o s e n s i t i v e m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e ( p n i p a m k h 5 7 0 一n p s ) t h e c h a r a c t e r i z a t i o no fp n i p a m - k h 5 7 0 - n p sw a sc a r r i e do u tb yu s i n gf t i rx - r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s e ma n dd l s i tw a sf o u n dt h a tp n i p a m - k h 5 7 0 一n p sh a d t h ea v e r a g es i z eo f a b o u t4 0n m , t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o no f a b o u t2 7 3e m u g a n dc o u l de x h i b i tg o o dm a g n e t i cf i e l ds e n s i t i v i t ya n dt h e r m o s e n s i t i v ep r o p e r t y b yi n v e s t i g a t i n gt h ea d s o r p t i o nb e h a v i o ro fb o v i n es e r u ma l b u m i n ( b s a ) o n p n i p a m k h 5 7 0 - n p s , i tw a sf o u n dt h a tt h ee x t e n to fa d s o r p t i o nw a sd e p e n d e n t o nt h ep hv a l u eo ft h em e d i u m , b s ac o n c e n t r a t i o na n di n c u b a t i o nt i m e t h e i n c r e a s eo fb s ac o n c e n t r a t i o no rt h ei n c u b a t i o nt i m ew a sf a v o r a b l et ot h e a d s o r p t i o no fb s 九w h i l ea ni n c r e a s ei nt h ei o n i cs t r e n g t ho ft h ea d s o r p t i o n m e d i u mr e s u l t e di nt h ed e c r e a s eo f t h ea d s o r p t i o n k e y w o r d s ：m a g n e t i cf e 3 0 4n a n o p a r t i c l e s ；s u r f a c em o d i f i c a t i o n ；a n i o n i cg u a r g u m ；t h e r m o s e n s i t i v ep o l y m e r ；p o l y ( n - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ) 中山大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 磁性微球的相关概念 近年来，国内外对智能材料( 环境响应性材料) 的认识、研究和应用得到 了快速发展，所谓的智能材料就是指通过系统协调材料内部的各种功能，对环 境( 如温度、磁场、光、p h 等) 敏感并回应的一种智能材料。而磁性高分子 微球是一种应甩比较广泛的环境响应性材料，它是指含有磁性金属或金属氧化 物的超细微粒而具有磁响应性的高分子微球。磁性高分子微球就是因为具有在 外界磁场的存在下能定向到达特定区域这一特殊性能，使其和其它环境响应高 分子一样在细胞分离、固定化酶、免疫诊断及肿瘤靶向治疗等领域有着广泛的 应用前景【l 刃。最常用的一种磁性微球是基于超顺磁性纳米氧化铁为内核，高 分子为外壳的纳米级微球，即超顺磁性氧化铁纳米粒。 磁性微球是将磁性材料和高分子载体材料通过适当的方法结合起来的类 球形微粒状功能材料。磁性微球的粒径在一至几百微米不等，微米级磁性微球 由于粒径大、分布不均匀等使其应用受到很大局限性。 磁性纳米微球是指通过适当的方法使聚合物与无机物结合起来，形成具有 一定磁性及特殊结构的纳米微球。磁性纳米微球粒径在一至一百纳米不等，具 有一般纳米粒的特点，相对于磁性微球，磁性纳米粒径小、分布窄、易分散， 特别是在靶向药物的应用领域具有更为广阔的前景。 根据国内外对磁性微球的研究现状，可将磁性微球分成三大类：第一类： 核为聚合物，壳为无机物；第二类：核、壳、壳三层结构，即内核为无机物， 第二层为聚合物，第三层为无机物( 或内核为聚合物，第二层为无机物，第三 层为聚合物) ；第三类：核为无机物，壳为聚合物。 磁性微球在生物工程，特别是在生物医学工程中应用，有一个重要方面就 中山大学硕士论文 是要有生物兼容性。磁性纳米微球具备很多优良的物理、化学特性：小体积小 尺寸、大的比表面积、良好的分散性、均一性、功能基特性和较强的磁效应等 p 1 ，使其体现出许多优异的性能和全新的功能。 1 2 磁性微球的合成进展 现在较为常用的磁性材料有金属合金、铁氧体、y - f e 2 0 3 、f e 3 0 。等，其中 以y f e 2 0 3 和f e 3 0 4 应用最多。作为一种理想的载体，磁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，纳米氧化铁的制 备方法很多，常用的方法包括：化学共沉淀法1 4 1 、微乳液法【5 1 、超声沉淀法和 溶胶凝胶法【6 】，除此之外还有水热法、机械球磨法、喷雾热解法、超临界法等。 由于制备出来的氧化铁很容易氧化、团聚，所以表面改性必不可少。一般 当合成出氧化铁后，常常加入一些表面活性剂，利用硅烷改性或者以利用一些 高分子改性以增加其稳定性和利用价值m ，最常用的是长链的表面活性剂( 如 油酸) 。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。高分子纳米微球的制备是磁性微球 制备的关键所在。磁性高分子微球的磁核主要是金属氧化物，最常用的是四氧 化三铁等。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，主要由两类物质组成，一类是合成高分子，另一类是生物高 分子。 磁性微球的制备方法较多，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。 喷雾干燥法 喷雾干燥法是将磁流体分散在高分子溶液中，利用喷雾干燥制得磁性微 2 中山大学硕士论文 球。王强斌、古宏晨、朱以华等1 8 l 将纳米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，得到外形规整、粒径分布较窄、磁含 量约1 5 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。 冷冻凝聚法 冷冻凝聚法是将磁流体分散在高分子溶液中，再加入液体石蜡，搅拌。低 温冷却后加入有机溶剂搅拌、过滤、洗涤可得到包覆f e 3 0 4 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9 1 利用冷冻凝聚法制备了包裹超微f e 3 0 。和平阳霉素的明胶磁性微 球，此微球具有较好的靶向性和缓释性。 乳化固化法 乳化固化法是先将高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，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。 包埋法 将磁性粒子分散于高分子溶液中，通过雾化、絮凝、沉积、蒸发等方法得 到内部包有磁性粒子的高分子微球。包埋法得到的磁性微球其磁性粒子与高分 子之间的结合主要是通过范德华力、氢键、共价键、螯合作用等。常用的包埋 材料有纤维素、尼龙、磷脂、聚酰胺、聚丙烯酰胺等。也有利用含羟基的硅烷 聚合物与表面含羟基的磁性粒子进行加热脱水，得到硅烷化的磁性微球。利用 同样的方法也可以制得尼龙、纤维素、聚丙烯酰胺等多种磁性微球。国内的徐 慧显等l 加1 利用葡聚糖制备了磁性葡聚糖微球，该微球具有较好的单分散性。 董聿生等【l 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。 聚合法 聚合法是将磁性粒子均匀分散到含有单体的溶液或乳液中，利用引发剂引 中山大学硕士论文 发单体进行聚合反应，即可得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。聚合法合成磁性微球的方法主要包括有：悬浮 聚合【1 2 】、分散聚合和乳液聚合【1 4 】等。乳液聚合与悬浮聚合法得到的磁性微 球的粒径不同，采用乳液聚合法可得到纳米级的磁性微球，而悬浮聚合法得到 的磁微球一般为微米级。乳液聚合法制备磁性微球过程中需加入乳化剂，因此， 需要进行洗涤、热处理等一些后续的处理。采用不同的聚合方法，可制备不同 粒径的磁性微球。 1 3 磁性纳米粒子的应用概况 磁性纳米粒子广泛应用于生物医学材料领域，包括：磁靶向药物、固定化 酶、细胞分离、免疫分析、基因治疗和蛋白质的提纯等。 靶向药物 纳米颗粒的粒径比较小，可以通过毛细血管，因而可用磁性纳米材料作为 定向载体，在外加的磁性导向系统下，将药物输送到特定的病变部位释放，增 强疗效，即磁靶向给药系统技术。磁性纳米粒子作为给药载体，具有以下优点： ( 1 ) 能按预期的方式有效地到达病变区；( 2 ) 药物随着载体被吸附到靶区周 围，使药物集中到靶向区域，而在其它部位分布量相应减少，从而提高药物的 利用率；( 3 ) 加速产生药效，提高疗效；( 4 ) 药物绝大部分在局部作用，相对 减少了药物对人体正常组织的副作用；( 5 ) 药物的载量及释放特征能按预期方 式进行；( 6 ) 具有良好的生物兼容性。 磁性纳米粒子靶向系统是将药物与磁性物质通过适当的载体制成稳定体 系，在外加磁场作用下，使药物在体内定向移动到靶向位置，从而集中在病变 部位发挥疗效，减少在其它正常部位的药物释放，具有高效、低毒、缓释的特 点。目前最常用的磁性材料是f e 3 0 4 磁粉或铁磁流体。铁磁流体在外磁场作用 下可在体内定向移动聚集，去除磁场后，不再显示磁性【1 5 】，并可定期、安全 地排出体外。w e i s s l e d e r 等【1 6 】在小鼠体内注射铁元素的剂量达1 6 8m g k g 时未见 明显的不良反应，组织病理学研究也表明无较大变化。而常用载体材料为合成 高分子类、聚多糖类及其它生物高分子类。k a r i n e r1 1 7 报导用人血清蛋白将柔 4 中山大学硕士论文 红霉素盐酸盐与巯基嘌呤包成磁性的纳米粒子，试用于治疗胃肠肿瘤；此外磁 性纳米粒子还可被动靶向于肝、脾、肺、骨髓等r e s 丰富的器官，近来有人预 测磁性纳米粒子在人类或动物的胍与骨骼系统中有潜在应用价值，而且磁性纳 米粒子在对癌症的治疗中已经证明是无毒副作用的【 l 。可见磁性纳米粒子在 靶向给药系统中将发挥越来越大的作用。 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1 9 1 ，生物高分子例如酶等也具有很 多活性官能团，如- - c o o h 、- - o h 、一n 等，酶分子可通过物理吸附、交联、 共价偶合、包埋、鳌合等方式和磁性纳米粒子结合。磁性纳米粒子对酶的固定 化可通过以下几条途径实现：吸附交联法1 2 0 】、硅烷基化的磁性纳米粒子通过 共价结合【2 、通过过渡金属与酶的螯合作用、包埋法【2 2 】和共价键偶合法2 4 1 等。 磁性生物高分子纳米粒子固定化酶有以下优点：( 1 ) 提高酶的生物兼容性 和免疫活性、亲疏水性；( 2 ) 提高酶的稳定性；( 3 ) 易于将酶与底物或产物分 离、操作简单易行；( 4 ) 操作简便，可降低成本；( 5 ) 利用外部磁场可以控制 磁性材料固定化酶自噍动方式和方向，提高固定化酶的催化效率。在国内，任 广智等【”1 制备了用于固定化酶的磁性壳聚糖微球。 细胞分离和免疫分析 由于磁性纳米粒子具有超顺磁性，为样品的分离、富集和提纯提供了很大 方便，因而磁性纳米粒子在细胞分离和免疫检测方面受到了广泛应用。磁性纳 米粒子性能稳定，较易制备，可与多种分子复合使粒子表面功能化。如果磁性 纳米粒子表面引入具有生物活性的专一性抗体，在外加磁场的作用下，利用抗 体和细胞的结合，就可以得到免疫磁性纳米粒子，利用它们就可快速有效地将 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。磁性纳 米粒子甩于细胞分离需考虑以下几个因素：( 1 ) 在细胞分离介质中不凝结；( 2 ) 能快速、彻底分离；( 3 ) 具有灵敏的磁回应性；( 4 ) 不与非特定细胞结合；( 5 ) 最低程度的吞噬细胞。 5 中山大学硕士论文 f r i e d l 等【2 5 1 应用多克隆抗免疫球蛋白抗体修饰的磁性微球成功地对人体骨 髓细胞表达、肿瘤干细胞等免疫细胞进行了分离，取得较好的效果。b r i s c o e 等f 2 6 1 利用磁性微球成功地在骨髓移植过程中对骨髓中的t 淋巴细胞进行了分 离、提纯。b j e r k 等【2 7 l 用苯乙烯磁性微球来分离，纯化人血中嗜碱细胞。j h u n u c h a t t e r j e e 等t 2 8 1 用血凝素修饰聚苯乙烯磁微球和白蛋白微球应用于红细胞分 离，用血凝素修饰的聚苯乙烯微球和白蛋白微球具有良好的结合红细胞的能 力。 基因治疗 基因治疗是将遗传物质导入细胞或组织，进行疾病的治疗。基因导入的 方法有病毒载体和非病毒载体。直径小于1 0 纳米的磁性四氧化三铁生物纳米 颗粒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d n a 。在外 加磁场的作用下，具有靶向性作用，且四氧化三铁的晶体对细胞无毒。为达 到生物兼容性，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。因此磁性生物纳米颗粒可成为较好的 基因载体。向娟娟等【2 9 l 合成了适合快速免疫检测的葡聚糖包裹磁性四氧化三 铁纳米微球，并评价了其吸附d n a f l 力及保护d n a 免遭核酸酶降解的能力。 同时评价氧化铁纳米颗粒作为体外基因载体的可行性及其外加磁场对于其转 染效率的影响：以碱沉淀法制成葡聚糖磁性微球，在其表面修饰多聚赖氨酸 制成多聚赖氨酸一氧化铁纳米颗粒，认为葡聚糖磁性微球是一种可用于体外 转染的新型非病毒基因载体，外加磁场可提高其转染效率。 蛋白质的提纯 磁性纳米粒子用于蛋白质提纯是一项新的蛋白质分离技术。现在已经成功 地对溶胞产物、血浆、原生质和腹水中的各种蛋白质进行了分离和提纯。传统 的蛋白质提纯方法( 如盐析、膜分离技术、离子交换技术和层析技术) 是通过 改变p h 值、离子强度、介电常数等因素来达到分离的目的，分离过程较为繁 杂且分离效率不高。而蛋白质的磁分离是通过对磁性纳米粒子表面的改性，使 其共价结合上能被蛋白质识别和可逆结合的配基，然后进行蛋白质的分离、提 纯。在分离过程因不需对混合溶液的p h 值、离子强度和介电常数等条件进行 6 中山大学硕士论文 调整，从而避免了传统分离过程中蛋白质的损失，提高了蛋白质收率和纯度， 并可以大大减少分离时闻。余艺华等1 3 0 锖f l 备了具有核一壳结构的磁性壳聚糖 微球，然后偶联色素配基得到了一种新型亲和磁性微球，并考察了它对蛋白质 的吸附性能，发现其对牛血清白蛋白和溶菌酶的吸附量分别为4m g g 和2 8 m g g ，吸附行为对时间依赖性很小。 1 4 本课题的提出 磁性f e ，0 4 纳米粒子具有超顺磁性和较高的磁响应性，但磁性f e 3 0 4 纳米粒 子易团聚、生物相容性差和功能性不好。所以本文采用硅烷偶联剂对其表面改 性，解决磁性f e 3 0 4 纳米粒子分散不好的缺点；天然多糖瓜尔胶是一种无毒、 生物相容、可降解等特性，在生物医学领域中具有广泛的应用p 卜3 5 l ，采用阴离 子瓜尔胶修饰f e 3 0 4 ，以增加其生物相容性；许多材料具备环境( 例如光【3 6 , 3 7 1 、 离子强度3 8 1 、温度 3 9 - 4 1 等) 响应的性能，但双重响应性聚合物修饰的磁性f e 3 0 4 纳米粒子研究相对较少，本文用温敏聚合物修饰磁性f e 3 0 4 纳米粒子，赋予磁 性f e 3 0 4 纳米粒子温度敏感性，制备了温度和磁性双重敏感的聚合物修饰的磁 性f e ，o 。纳米粒子。本论文主要研究工作如下： 合成了四氧化三铁纳米粒子，并用3 氨丙基三乙氧基硅烷( k h 5 5 0 ) 进 行表面改性，然后再与阴离子瓜尔胶反应得到阴离子瓜尔胶磁性f e 3 0 纳米粒 子，探索了阴离子瓜尔胶磁性f c ，0 4 纳米粒子的合成条件、制备工艺及其药物 的控制释放。并以阿司匹林为模拟药物进行固载，探讨其释放行为。 合成了四氧化三铁纳米粒子，并用3 ( 甲基丙烯酰氧) 丙基三甲氧基硅 烷( k h 5 7 0 ) 进行表面改性，弓 入可聚合的基团，并进一步利用聚异丙基丙烯 酰胺的温度敏感性，制备出一种新型的生物相容的温敏磁性纳米粒子。用红外 光谱、x 射线衍射、扫描电子显微镜、热重分析等手段对样品进行了表征，进 一步研究了温敏磁性纳米粒子对b s a 的吸附特性。 7 中山大学硕士论文 第2 章阴离子瓜尔胶修饰的磁性纳米粒子 2 1 实验部分 2 1 1 原料与试剂 及其性能研究 阴离子瓜尔胶( a g ) ：美国e c o n o m y 化学公司产品，商品代号为 e c o p o l 5 1 8 p ，其结构式如图l 所示；阿司匹林( 乙酰水杨酸) ：a 1 f a a e s a r 产 品；3 - 氨丙基三乙氧基硅烷( k h 5 5 0 ) ：南京曙光化工总厂：f e c h 4 h 2 0 ：分 析纯，广州化学试剂厂；f e c h 6 h 2 0 、液体石蜡、司班9 0 ( s p a n - 9 0 ) 、乙醇 9 5 、无水乙醇、氢氧化钠、丙酮、乙醚：分析纯，天津市大茂化学试剂厂； 2 5 戊二醛水溶液：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。 + h h 图2 - 1阴离子瓜尔胶结构式 f i g u r e2 - 1 t h es t r u c t u r eo f a n i o n i cg u a l g u m 2 1 2 磁性f e a 0 4 纳米粒子( n p s ) 的制备 采用n a o h 作为沉淀剂，将一定量的二价铁盐( f e c h 4 h 2 0 ) 和三价铁盐 ( f c c l 3 - 6 h 2 0 ) 的混合溶液加入到四颈烧瓶中，搅拌均匀，并加热至5 0 ，将 8 中山大学硕士论文 计量的n a o h - - 次性快速加入到烧瓶中，使溶液p h = l l - 1 2 ，混合液由橙红色迅 速变成黑色。剧烈搅拌，加热至8 0 水浴恒温l 小时，整个实验在n 2 气氛和剧 烈搅拌下进行。反应结束后，通过磁铁分离，用蒸馏水反复洗涤直至p h - 7 o 左右，移去上层清液，在6 0 下真空干燥2 4 小时，充分研磨可得n p s 。反应 式如下： 2 f e 3 + + f e 2 + + 8 0 r 卜f e 3 0 4 2 1 3n p s 的表面改性 制备原理： 令o h + s i ( o c h 2 c h a ) a c h 2 c h 2 c h 2 n h 2 一 o c h 2 c h l ( ：一。一年一c h ：c h ：c h ：n h ： o c h 2 c h 3 称取以上制各的n p so 1 5g 分散于5 0m l 乙醇，水溶液中，加k 5m l k h 5 5 0 ，超声分散1 0 分钟后，在磁铁作用下分离，然后再把n p s 分散于5 0m l 乙醇水中，超声l o 分钟，转移至三颈烧瓶中，6 0 恒温加热，并搅拌6 4 , 时， 反应完毕后，用磁铁分离磁流体，弃去上层清液，用9 5 7 - , 醇和蒸馏水洗涤多 次，在6 0 真空干燥2 4 小时，得到硅烷修饰的磁性纳米粒子( k h 5 5 0 - n p s ) 。 2 1 4 阴离子瓜尔胶修饰的磁性纳米粒子( a g k h 5 5 0 n p s ) 的制备 将0 4ga g 固体粉末溶于一定量蒸馏水中，磁力搅拌1 2 小时左右至充分 溶解，将0 2gk h 5 5 0 - n p s 分散于1 0m l 蒸馏水中，在充分搅拌的情况下，将 此悬浊液加入到a g 溶液中制成含有f c 3 0 4 的a g 分散液。在装有电动搅 拌装置的5 0 0 m l - - - 颈烧瓶中，加入1 1 5gs p a n - 9 0 以及9 5 m l 液体石蜡，将以上 制备的含有f e 3 0 4 的a g 分散液缓慢加入到三颈烧瓶中，充分搅拌3 0m i n 后。 加入2m l2 5 戊二醛进行交联，先在4 0 下反应1 小时，再升温至6 0 反应2 小时。反应完毕后，产物用丙酮，乙醚，乙醇充分洗涤，用磁铁分离，在6 0 中山大学硕士论文 真空干燥，得至t j a g k h 5 5 0 - n p s 。 2 1 s 结构表征 红外光谱( f t i r ) 采用美国n i e o l e t 公司产n e x u s 6 7 0 型f t i r 分析仪测定试样的红外光谱图， k b r 压片制样。 扫描电镜分析( s e m ) 用胶头滴管取少量n p s 、a g k h 5 5 0 n p s 的悬浮液( 用无水乙醇作为溶剂) 至载玻片上，干燥后真空镀金，然后用日本电子株式会社j s m 6 3 3 0 f 场发射扫 描电子显微镜下观察粒子的形貌，大小以及分散情况。 2 1 6 性能测试 热失重分析( t g ) 采用n e t z s c h t g 2 0 9 型热重分析仪测定试样的热失重曲线，n 2 气氛( 流 速2 0m l l m i n ) ，测试温度范围从3 5 c 7 0 0 条件下，升温速度为2 0 c m i n 。 磁学性质测量系统( m p m s ) 采用美国q u a n t u md e s i g n 的磁学性质测量系统( m a g n e t i cp r o p e r t y m e a s u r e m e n ts y s t e m ，型号：m p m sx l 7 ) ，在2 9 8k 下表征纳米粒子的磁化 磁滞回线。 动态光散射分析( d l s ) 采用b r o o k e nh a v e nb i 2 0 0 s m 型动静态激光光散射仪测试n p s 、 k h 5 5 0 - n p s 和a g k h 5 5 0 n p s 的流体力学粒径及其粒径分布，常温测量，样 品分散在分散介质中，浓度约为千分之一，过滤后测试。 2 1 7 a g k h 5 5 0 n p s 对阿司匹林的吸附 首先绘制了阿司匹林标准曲线，然后配置一定浓度的阿司匹林乙醇溶液， 1 0 中山大学硬士论文 取一定体积溶液于锥形瓶中，加入定量的a g k h 5 5 0 - n p s ，吸附一定时间后， 在室温下甩0 6t 磁铁对其进行磁分离，取上清液的二分之一处，在波长九为2 9 6 n m 处测定吸光度。考察时问、温度等不同因素对a g k h 5 5 0 n p s 吸附阿司匹林 的影响。 2 2 结果与讨论 2 2 1 结构表征 2 2 1 1 红外光谱( f 1 r i r ) 图2 2 、2 - 3 和2 4 分别是n p s 、k h 5 5 0 、k h 5 5 0 n p s 的红外光谱图，从 图2 2 可以看出，交联前在5 8 4 6e m1 和3 4 0 0 2e m 1 处的吸收峰分别对应于 n p s 粒子f e 一0 的特征吸收峰及其表面羟基的伸缩振动峰；用k h 5 5 0 修饰后， 在5 8 4e m l 处也出现了n p s 的特征吸收峰，同时在1 4 4 4e m 处出现了 s i o h n h 2 中的特征峰，因此表明，n p s 与偶联剂发生了取代反应，在n p s 上成功地弓i 入了氨基。这与本文选用的合成条件有关，k h 5 5 0 - n p s 的反应由 于是脱水反应，所以温度不能太低，反应时间不能太短。温度过高，可以加 速n p s 的氧化和晶形转变，失去磁性，因此氨基硅烷化过程应选择低于晶化 温度。硅烷化试剂水溶性差，选择l ：l 的醇水体系，n p s 能很好地分散。 3 3 oz 2 m 5 1 m5 w w 日t m i b c b ( 。i ) 图2 2n p s 的红外光谱图 f i g u r e2 - 2 f t i rs p e c t r u mo f n p s 中山大学硕士论文 图2 - 3k h 5 5 0 的红外光谱图 f i g u r e2 - 3 f t i rs p e c t r u mo f k h 5 5 0 o 蛳3 啪 z s o o 2 t f * 0 0 o5 伸 w a w n u m b a f $ ( 。) 图2 4k h 5 5 0 n p s 红外光谱图 f i g u r e2 - 4 f t i rs p e c t r u mo f k h 5 5 0 一n p s 伽算娜绷砌1 5 1 0 0 05 w a v e n u m b e r s ( c m - 1 ) 图2 - 5a g 红外谱图 f i g u r e2 - 5 f t i rs p e c t r u mo f a g 1 2 | 【爨v 89聋el-l 幂v 8lg呈 中山大学硕士论文 o 3 5 3 0 0 02 5 0 02 0 0 01 5 0 01 0 0 05 0 0 w a v e n u m b e r s ( c n l - 1 ) 图2 - 6a g k h 5 5 0 n p s 的红外光谱图 f i g u r e2 - 6 f 1 1 rs p e c t r u mo f a g k h 5 5 0 - n p s 图2 5 和2 - 6 分别为a g 和a g k h 5 5 0 n p s 的红外光谱图。从图中可以看 出，与a g 交联反应后，i r 曲线在5 8 6c m 1 处出现了n p s 的特征峰，同时在 1 4 2 0 4 9e m l 处出现了s i o h n h 2 的特征峰，这说明k h 5 5 0 一n p s 与a g 成 功地发生了交联反应。 2 2 1 2 扫描电镜分析( s e m ) 图2 7n p s 的s e m 阻 f i g u r e2 - 7 s e mi m a g eo f n p s 一摹v 8量c仁 中山大学硕士论文 图2 - 8a g k h 5 5 0 n p s 的s e m 图 f i g u r e2 - 8 s e mi m a g eo f a g - k h 5 5 0 - n p s 图2 7 和2 8 分别是未修饰的n p s 和a o k h 5 5 0 n p s 的s e m 图，从图2 7 中可以看出，n p s 粒径都在2 0 3 0i l l n 之间，并且粒子呈球形状，n p s 容易发 生团聚，而经过阴离子瓜尔胶修饰的n p s 分散性得到很大的提高，粒径分布 也较窄。这是因为，修饰后n p s 表面有大量的有机功能基团，防止了颗粒间 的聚集，特别是这些基团所带的电荷电性相同，使各个纳米粒子相互排斥， 从而使纳米粒子克j - j 自身的重力和相互问的磁吸引力【4 2 1 。从图2 - 8 中可以 看出a o k i - 1 5 5 0 - n p s 粒径在1 0 0n m 左右，并且呈球形状，与图2 - 7 对比，可 以得知，a g k h 5 5 0 一n p s 粒径明显增大，a g k h 5 5 0 n p s 之间的界面更加清楚 了。这是因为，在改性后的n p s 表面含有大量的氨基，更容易与阴离子瓜尔 胶发生交联反应。 2 2 2 性能测试 2 2 2 1热失重分析( t g ) 图2 - 9 是n p s 和a g k h 5 5 0 n p s 的热失重曲线，从图中可以看出n p s 失 重非常少，曲线比较平稳，即使温度到达7 0 0 1 2 时也只有1 0 左右的失重， 原因可能是由于n p s 中的部分杂质的影响。而a g - k h 5 5 0 - n p s 在3 0 0 到4 0 0 有较大的下滑趋势，最终失重率达到4 0 以下，表明产物未完全分解，由 于是在n 2 氛中，所以剩余的基本是f e 3 0 4 ，而不是f e 2 0 3 。t g 曲线在一定程 1 4 中山大学硕士论文 度上也表明阴离子瓜尔胶成功修饰了n p s 和阴离子瓜尔胶的含量多少。可以 看出a g k h 5 5 0 - n p s 具有良好的热稳定性i 躬l 。 t e m p e r a t u r e ( 。c ) 图2 - 9 阴离子瓜尔胶修饰前后n p s 的t g 曲线 f i g u r e2 - 9 t gc u l n e so f n p sa n d a g k h 5 5 0 - n p s 2 2 2 2 磁学性质分析 0 m i n2 0 m i n 4 0 m i n6 0r a i n8 0 m i n 圉2 1 0a g k h 5 5 0 - n p s 在外加磁场的作用下运动示意图 f i g u r e2 - 1 0o p t i c a lp h o t o g r a p h so f a g k h 5 5 0 - n p su a a d e ra p p l i e dm a g n e t i cf i e l d 图2 1 0 是a g k h 5 5 0 - n p s 在外加磁场作用下的运动示意图。 a g k h 5 5 0 - n p s 的应用离不开磁性纳米内核的超强磁性，最直观的检测方法就 摹一ciu荀暑2日乏 中山大学硕士论文 是让a g k h 5 5 0 n p s ；生外磁场作用下运动，如图2 1 0 所示，充分分散在水中的 a g k h 5 5 0 n p s 在0 6t 磁铁的作用下，迅速朝磁铁方向移动，最后分散在水中 的a g k h 5 5 0 - n p s 可迅速富集在试管壁上，周围分散液变得澄清透明，显示了 良好的磁响应性。撤去磁场，剧烈振摇，a g k h 5 5 0 - n p s 又能很快地重新分散。 a g k h 5 5 0 n p s 正是由于其良好的磁响应性而被广泛应用到分离纯化和靶向 药物上。 02 0 0 04 0 0 0e e o oa o o o1 0 o t b n e ( s ) 图2 - 1 】a g k h 5 5 0 - n p s i i 然沉降过程中的透过率变化 f i g u r e2 - 11 t r a n s m i t t a n c e - t i m ec n r v e so f t h es u s p e n s i o ns o l u t i o no f a g - k h 5 5 0 - n p su n d e rn a t u r a l