（物理化学专业论文）fe3o4纳米磁性生物导向材料的制备与表征.pdf

学位论文原创性确认书 学生 盔丛所提交的学位论文f e 3 0 4 纳米磁性生物导向材 料的制备与表征，是在本人的指导下，由其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，该论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 码 下 ： 日 并 师年等 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文f e ，0 。纳米磁性生物导向材料的制备 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，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者( 签名) ：j 拿嫂 i 年jy 月垆日 河北师范大学硕士学位论文 f e 3 0 。纳米磁性生物导向材料的制备与表征 摘要 f e 3 0 4 纳米磁性生物导向材料具有生物相容性和一定生物医学功能的磁性， 表现出小尺寸效应及良好的磁导向性。由于磁性纳米生物材料的生物活性、亲 和性或反应活性可结合各种功能分子，如酶、抗体、细胞、d n a 或r n a 等， 因此在医学和生物方面有着广泛的用途和巨大的应用前景。目前，虽然载药磁 性纳米微粒在一些肿瘤动物模型的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。由 于人体结构和血液组成的复杂性，从而使制备最优粒径、高磁化率、高载药率、 释放平衡协调的载药微粒成为进一步研究的重点内容。本文采用共沉淀法制备 了直径1 0 1 6 n m 的纳米f e 3 0 4 粒子，其比饱和磁化强度在6 5 8 0 e m u m g 之间； 采用壳聚糖和葡聚糖成功包覆了纳米f e 3 0 4 粒子表面，包覆后粒径在1 8 2 5 n m 左右，比饱和磁化强度为6 4 7 1 e m u m g ，为后续研究工作的开展和完善奠定了 基础。 本文的主要研究内容： 1 化学共沉淀法制备纳米f e 3 0 4 粒子 采用化学共沉淀法制备纳米f e 3 0 4 微粒，考察了反应物的浓度，温度、反 应物的计量比、p h 值、以及沉淀剂的浓度对产物性能的影响，得出制备具有高 比饱和磁化强度的纳米f e 3 0 4 粒子的合适反应条件。 2 壳聚糖包覆纳米f e s 0 4 粒子 根据离子凝胶法反应原理，对两步法制备纳米四氧化三铁与壳聚糖磁性微 球的条件进行了进一步的探索和研究，并尝试了一步法制备该微球，对两种合 成方法进行了比较，发现两步法制备出的粒子对磁性影响较小，且粒子分散性 好，可以得到具有适宜骨架结构的核一壳型微球。 3 葡聚糖包覆纳米f e 3 0 4 粒子 采用共沉淀法一步制备了葡聚糖磁性纳米粒子，考察了葡聚糖的包覆厚度 对产物粒径、磁性的影响。 关键词；磁性f e 3 0 4 纳米包覆壳聚糖葡聚糖 河北师范大学硕士学位论文 p 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 r o no x i d e n a n o - m a g n e t i s mb i o l o g y - g u i d em a t e r i a l a b s t r a c t i r o n o x i d en a n o m a g n e t i s m b i o l o g y - g u i d e m a t e r i a l h a sac e r t a i n b i o c o m p a t i b i l i t ya n db i o m e d i c a lm a g n e t i s m i ts h o w sm a n yp e c u l i a rc h a r a c t e r ss u c ha s q u a n t u me f f e c t a n db e t t e r m a g n e t i s m - g u i d ee f f e c t ，e t c b e c a u s eo fi t sb i o l o g i c a l a c t i v i t y , a 衔n i t yo ft h em a g n e t i ca n dr e a c t i v ea c t i v i t y ，n a n o m a g n e t i s m b i o l o g y - g u i d em a t e r i a l c a nc o m b i n ev a r i o u sa c t i o nm o l e c u l e s s u c h 船t h e e n z y m e ，a n t i - b o d y ，c e l l ，d n ao rr n ae t e t h u si th a sh u g ea p p l i e df o r e g r o u n d a n de x t e n s i v eu s e c u r r e n t l y ，a l t h o u g hc a r r i e d - m e d i c i n em a g n e t i cm i c r o p a r t i c l e s h o w ss p e c i a la 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 ra n i m a lm o d e l s ，t h e w 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 ca n da b r o a ds t i l ll i e si nt h ef o u d a m e n t u l s t a g e ，i ta l s oe x i s t sm u c hs h o r t a g e b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t i e so fh u m a nb o d y a n db l o o dc o m p o n e n t ，w ep u to 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 r p a r t i c l ed i a m e t e r , h i g hm a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y ，p a r t i c l e sc a r r y i n gah i g ht h e m e d i c i n er a t ei nt h i sa r t i c l e ，c o p r e c i p i t a t i o nm e t h o dw a su s e dt op r e p a r en a n o s i z e d f e 3 0 4 ，w h i c hd i a m e t e ri sa b o u t1 0 1 6 n ma n ds a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o ni sb e t w e e n 6 5 - 8 0e m u s m g ；w ea l s os u c c e e d i nt h ec h i t o s a na n dg l u c a nc l a d d i n gt ot h es u r f a c e o ff e 3 0 4n a n o - p a r t i c l e ，a 】f b i rc l a d d i n gt h ep a r t i c l ed i a m e t e ri s18 - 2 5 衄，t h e s a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o ni sb e t 、】v e e n6 4 - 7 1e m u s m g 1 、n a n o - s i z e df e 3 0 4p o w d e rp r e p a r e db yc h e m i c a lp r e c i p i t a t i o nm e t h o d i r o no x i d en a n o p a r t i c l e sw a sc a r d e do u tb yc h e m i c a lp r e c i p i t a t i o nm e t h o d t h e i n f l u e n c e so fc o n d i t i o n ss u c ha sc o n c e n t r a t i o no fr e a c t i m ta n dt h ep r e c i p i t a t o r , t e m p e r a t u r e , m e t r i co fr e a c t a n t ，p h ，o nt h ec a p a b i l i t yo fp r o d u c tw e r es t u d i e d as u i t a b l ec o n d i t i o no f h i g hs a t u r a t e dm a g n e t i ci r o no x i d en a n o p a r t i c l e sw a so b t a i n e d 2 、c o m p o s i t ee h i t o s a um i c r o s p h e r e f e 3 0 d c h i t o s a nc o m p o s i t em i c r o s p h e l e s 、 p r e p a r e db ya d d i n gap r o p e ra m o u n to f f l a p s o l u t i o nt oc h i t o s a ns o l u t i o nd i s p e r e v 2 时，溶液中生成大量的晶核，晶粒粒度小；当v l ( v 2 时，溶液中生成 少量的晶核，晶粒粒度大。 1 9 塑! ! 堑堇查兰堡主竺垡笙茎 采用化学沉淀法制各纳米磁性四氧化三铁是将二价铁盐和三价铁盐混合在 溶液中，经搅拌、反应一段时间即得纳米磁性四氧化三铁粒子，其反应式如下： f e 2 + + 2f e 3 + + 8 0 h - 啼f e 3 0 4 + 4 h 2 0 由反应式可知，该反应的理论摩尔比为f e 2 + ：f e 3 + ：o h = i ：2 ：8 ，但由 于二价铁离子易氧化成三价铁离子，所以实际反应中我们要控制二价铁离子适 当过量。即便如此，制备过程中也应采用氮气保护，如不采取氮气保护，则主 产物为没有磁性的红色f e 2 0 3 。采用氮气保护，可有效防止f e 2 + 氧化，得到较纯 的f e 3 0 4 纳米粒子。 2 2 4 制备方法 ( 1 ) 在通n 2 的条件下，将一定浓度的f e c l 3 溶液和f e c l 2 溶液以一定比例混合 后，加热搅拌，同时滴；u n f l 3 h 2 0 作为沉淀剂，高温恒温、水浴晶化一 定时间得至l j f e 3 0 4 悬浊液，利用磁铁分离f e 3 0 4 沉淀，用去离子水多次洗 涤，至滤液p h = 7 ，将沉淀物在真空干燥箱中烘干，即可得到分散性较 好的f e 3 0 4 粒子。 ( 2 ) 在反应过程中加入适量表面活性剂，减d 、f e 3 0 4 纳米粒子之间的团聚。 2 2 5 产物的表征 产品的物相鉴定采用德国b r u k e rd 8a d v a n c e x t l d 分析仪，采用c u ( k 。 = o 1 5 4 0 6 n m ) 靶，工作电压4 0 m v ，t 作电流3 0 m a ，扫描速度2 。m i n 测定；采用 f t i r 一8 9 0 0 型傅立叶变换红外光谱仪考察产物的i r 特征；产物的形貌用日5 z ( h i t a c h i ) s 5 7 0 扫描电子显微镜( s e m ) 直接观测四氧化三铁粒子的大小及 形态。产物的磁参数是由美国l a k e s h o r e 公司的v s m - 7 3 1 0 振动磁强计测定的。 2 - 3 结果与讨论 2 3 1fe ：2 十：f ，摩尔比对产物性能的影响 在固定反应温度t = 4 0 ，铁盐溶液浓度为0 7 m o l i l ，搅拌速度为8 0 0 r m i n 的条件下，考察了f e 2 + ：f e 3 + 摩尔比( r 值) 对产物性能的影响( 见表2 1 ) 河北师范大学硕士学位论文 表2 1 ：f e 2 + ：f e 3 + 摩尔比对产物性能的彩响 r 值( f e 2 + ：f e 3 + )1 ：l1 ：1 31 ：1 51 ：1 71 ：2 产物颜色黑褐色黑褐色黑色黑色红褐色 os ( e m u g ) 6 0 4 2 06 1 5 4 06 9 2 3 47 4 3 4 24 9 3 3 5 2 3 1 1x r d 谱图表征 图2 1 为不同r 值下所测得的产物) 沫d 谱图，由谱图可以看出，当r 值= 1 ：2 时，样品衍射谱中除了f e 3 0 4 的特征衍射峰外，还出现了f e 2 0 3 的特征衍射峰。 即产物中有f e 2 0 3 物相。这是因为当f e 2 + 离子和f e 3 + 离子的实际比例等于理论比 例时，由于f e 2 + 离子极易氧化为f e 3 + 离子，通入氮气保护可部分避免这种情况， 但实际参加反应的离子比例仍会有一定偏差，导致了产物组分不完全是f e 3 0 4 ， 而含有部分f e 2 0 3 ，表现在产物颜色上为红褐色，而不是黑色，所以实际反应中 f c 2 + 离子、f e 3 + 离子的比例应大于理论值。 e = 瓦田 习。 图2 1 ：i 司f e 2 + ：f e 3 + 摩尔比制备的四氧化三铁的x r 睹 乱r ；1 ：lb r = l ：1 - 3c r = 1 ：1 5d r = 1 ：1 7 e r = i ：2 另外四个样品所对应的衍射图中，已没有其它杂峰，生成了纯相的f e 3 0 4 化合物。这说明随着溶液中f e 2 + 离子的增多，样品的结晶度变好，缺陷减少。 2 l 塑! ! 堕蔓查堂堡主兰垡丝苎 但是当r = l ：1 3 ，r = 1 ：1 1 时，虽然出现了f e 3 0 4 的特征衍射峰，但是样品 的衍射蜂强度较小，宽度较大，说明这两个样品的结晶度较差，缺陷较多，这 可能是由于反应液中过量的f e 2 + 与o h 离子结合生成了f e ( o h ) 2 ，从而影响产 物的纯度，但由于f e ( o h ) 2 含量很低，在衍射图中没有显示出来，然而干燥后 的产品会呈现出黑褐色。 2 3 1 2 磁性表征 图2 2 为f e 3 0 4 纳米粒子的磁滞回线，在r 值为1 ：1 1 时，比饱和磁化强 度为6 0 4 2 0e m u g ，r 值为l ：1 7 时，比饱和磁化强度为7 4 3 4 2e l t i u g 。图 中的f e 3 0 4 纳米粒子均出现磁滞现象，产生闭合的磁滞回线，剩磁和矫顽力为 0 ，说明产物具有超顺磁性，即在磁场中有较强的磁性，没有磁场时，磁性很快 消失，而不会被永久磁化。产物具有的这种超顺磁性对于载药纳米微粒的导向 作用具有重要意义，当有外加磁场时，可利用四氧化三铁的磁性，提高病变部 位的药物浓度：而当外加磁场消失时，四氧化三铁就能够参与人体正常血液循 环，最终排出体外。 - a l l - i - i t - i b m - - b 图2 2 ：f e 3 0 4 纳米粒子的磁滞回线伍r = 1 ：1 ；b r = 1 ：1 7 ) 将表2 1 中数据进行比较发现，在r 值为1 ：1 7 和1 ：1 5 时，由于产物的晶型 好，纯度较高，因此产物的磁性最好；而r 值为1 ：1 ，1 ：1 3 ，l ：2 时，由于 含有其它杂质，故影响了产物的磁性能。 2 3 1 3s e m 表征 我们通过s e m 图来考察产物的形貌，粒径大小和均匀程度。从高倍s e m 图 中可以看i ! i i i i 备的f e 3 0 4 粒径均匀，成球性好，粒径在1 6 n m 之内，与x r d 中 塑! ! 堕蔓查堂堡主堂篁丝苎 根据谢乐公式计算的粒径基本一致。但是由于纳米f e 3 0 4 粒子的比表面积大，离 子之间的磁力和范德华力的影响，使部分粒子出现了团聚现象，这种情况在后 来加入表面活性剂后有所改善。 图2 3 ：f e 3 0 4 纳米粒子的s e m 图( b - 8 0n m ) 2 3 2f e 2 + 、f ，溶液浓度对产物性能的影响 在固定反应温度t = 4 0 ( 2 ，f e 2 + ：f e 3 + = l ：1 7 ，n h 3 h 2 0 浓度为3 m o l l ， 搅拌速度为8 0 0 r r a i n 的条件下，考察了铁盐溶液浓度( f e 2 + 、f e 3 + ) 对产物性能 的影响( 见表2 1 ) 表2 2 ：f e “，f e 3 + 溶液浓度对产物性能的影响 铁盐浓度 固体 o 40 6o 70 9 ( l o l ，l ) 产物颜色红褐色黑褐色黑褐色 黑色黑色 os ( e m u g ) 3 8 1 2 93 4 0 2 16 7 3 5 ，77 4 3 4 26 8 6 7 2 我们在实验中首先考察了此条件下，在蒸馏水中直接加入固体氯化亚铁和 氯化铁进行反应，但是由于部分氯化亚铁发生了氧化，因此所加入f e 2 + ：f e 3 + 会有所改变，而且由于固体氯化亚铁和氯化铁在水中溶解需要一个的过程，所 以反应开始后，很难在瞬间产生大量晶核，致使生成的产物粒径较大，纯度也 不高。 因此，我们分别配制了不同浓度的铁盐溶液，在溶液中加入硫磷混酸，以 塑! ! 堕蔓查堂堡主兰垡丝苎 二苯胺磺酸钠作为指示剂，用重铬酸钾标准溶液进行滴定，准确标定了溶液的 浓度，为维持两种离子的准确浓度和配比提供了保证。 2 3 2 1x r d 表征 图2 4 中列出了铁盐浓度为0 4 m o l l 和0 9 m o l l 时产物的衍射图，结果表明： 当铁盐浓度为0 7 m o l l 和0 9 m o l l 时，产物为纯的f e 3 0 4 ，与所观察到的颜色相 符。铁盐浓度为0 4 m o l l 一和0 6 m o l l 时，产物颜色为黑褐色，x r d 谱图中既 有与f e 3 0 4 - - 致的特征峰，还出现了f e 2 0 3 特征峰，其原因为f e 2 + 离子在低浓度时 易被氧化成f e 3 + ，从而使实际参加反应的离子比例发生变化，而导致产物组分 发生变化。 x 血1 硼 a b 图2 4 ：不同f d ”，f e 3 + 浓度条件下制备的四氧化三铁的x r d 图 a nf c 2 + 8 的范围内，以保证产物具有高 的纯度。反应体系最终的p h 值不宜过高，否则f e 3 0 4 颗粒生长将得不到有效 的抑制，同时体系的分散稳定性也会变差，从图2 9 中可以证实这一理论。 柏柏柚 3 04 05 0 x m s l 舶 图2 8 ：不同p h 值下产物的x r d 图 a p h = 8 ； b p h _ l o d h 值 图2 9 ：不同p h 值下产物的粒径图 2 3 3 2 磁性表征 我们比较了不同p h 值下产物的比饱和磁化强度( 见表2 3 ) ，认为当p h 值为9 塑! ! 堕蔓奎堂堡主兰垡丝苎 和1 0 时，产物具有很好的磁性，其它p h 值条件下制备的f e 3 0 4 粒子均不能获得较 好的磁性。这可能与反应体系的最终p h 值在1 0 左右生成的f e 3 0 4 粒子纯度 高，具有较高的分散稳定性有关。 一_ - _ _ _ 厂 a i r - n - - _ i - - i _ a - - _ 一- i 一 b 图2 1 0 ：不同p h 值条件下制备的四氧化三铁的磁滞回线 & p h = 8 ： b p h = 1 1 2 3 4 温度对产物性能的影响 在f e 2 + ：f e 3 + - l ：1 7 ，n h 3 h 2 0 浓度为3 m o l l ，搅拌速度为8 0 0 r m m 的 条件下，考察了温度对产物性能的影响( 见表2 4 ) ，温度区间3 0 8 0 。 表2 4 ：温度对产物性能的影响 温度( ) 3 04 06 0 8 0 产物颜色黑褐色黑色黑色黑褐色 os ( e m u 倌)4 3 4 6 97 4 3 4 26 5 6 4 l4 6 8 4 0 我们仅考察了在此条件下温度对产物磁性能的影响。从表2 4 可知，产物的 磁性在反应温度过低和过高的情况下，由于溶液中的f e 2 + 极易生成f e 3 + ，使溶液 颜色呈现黑褐色，产物的纯度不好，从而影响了产物的磁性能。可见温度的选 择，不仅可促使粒子的磁晶结构完善，而且可使共沉淀反应过程中许多复杂的 中问反应进行得更完全、彻底，材料更加纯净，有利于产物的比饱和磁化强度 的提高。故反应温度必须适当控制，本研究认为4 0 为宜。 河北师范大学硕士学位论文 n h 3 h 2 0 ( ( m o l l ) o 1 1 3 浓氨水 产物颜色红褐色黑褐色黑色黑褐色 os ( e m u g ) 3 6 3 2 56 0 1 2 77 4 3 4 25 6 ，3 0 9 2 3 5 1x r d 谱图表征 ， 图2 1 2 为列出了n i - - 1 3 h 2 0 浓度为1 t o o l l , 和3 m o l l 时的x r d 图，n h 3 h 2 0 浓度1 m o l l 时，x r d 谱图中的f e 3 0 4 特征峰宽且低，说明产物的晶型不好，观察 到的产物颜色为黑褐色。n h 3 h z 0 浓度为3 m o l l 时，产物为纯的f e 3 0 4 ，与所 观察到的颜色相符。其原因为当沉淀剂浓度过低时，溶液中的o r 增加缓慢， 无法在瞬间产生大量晶核，使得反应进行的不够完全，也影响了产物的粒径。 河北师范大学硕士学位论文 蕾褥尊重曲俺 础i l l ab 图2 1 2 ：不同沉淀剂浓度下的产物的x r d 图 a 1 q t 3 h 2 0 浓度l m o l l ；b n h 3 1 1 2 0 浓度3 m o l l 图2 1 3 是根据谢乐公式计算出来的产物的粒径图，从中可知，当n h 3 h 2 0 浓度很低时，溶液瞬间接受的o h 。很少，f e 2 + 离子和f c 3 + 离子一部分与o h 一离子 结合成核，另一部分则因缺少o h 。而暂时附着于已形成的晶核上，引起粒子长 大：当n h 3 h 2 0 浓度增大时，溶液内很快便有大量的o h - 离子，使尽可能多的 f e 2 + 离子和f e 3 + 离子单独成核，溶液内f e 2 + 离子和f e 3 + 离子的浓度下降很快，形 成的f e 3 0 4 粒子长大缓慢，平均粒径细小；而n h 3 h 2 0 浓度继续增加，p h 值达 到一定值后，共沉淀反应完成，则未能与f e 2 + 离子和f e 3 + 离子结合的o h 。离子附 着于粒子表面，从而使产物粒径增大。 e 互圄日i d 毒一h 棚 图2 1 3 ：不同沉淀剂浓度下的产物粒径图 2 3 5 2 磁性表征 由图2 1 4 以及表2 5 可知，在n h 3 h 2 0 浓度为3 m o f l 时，产物的磁性最为优 良；其它浓度下得到的产物的磁性都不够理想。这种情况可能是由于当 n h 3 h 2 0 浓度很低时，溶液瞬间接受的o h 很少，f e 2 + 离- - 子和f e 3 + 离子一部分 塑j ! 堑蔓奎堂堡主堂垡丝奎 与o h 。离子结合成核，另一部分则因缺少o h - 而暂时附着于已形成的晶核上有 关。而n h 3 h 2 0 浓度过高时，反应体系中p h 值达到一定值后，共沉淀反应完 成，则未能与f c 2 + 离子和f e 3 + 离子结合的o h 。离子附着于粒子表面对磁性也有一 定影响。 图2 1 4 ：不同沉淀剂浓度下产物的磁滞回线 a c n h 3m o = l m o l l ；b 浓氨水 2 3 6 熟化过程对产物性能的影响 理论上认为共沉淀法制备的纳米f e 3 0 4 粒子，最初的反应物有一部分是非晶 态的，等加热至1 j 3 7 以后，才逐渐转变成晶态，f e 3 0 4 微粒晶体结构的完整化在 低于5 0 c 时，虽然也能进行，但进程缓慢，只有在5 0 以上时，这一过程才彻 底。因此熟化过程对制备粒径均匀，晶型完整的f e 3 0 4 粒子至关重要【3 2 】。 图2 1 5 显示的是此物质的生成量a 与反应时间t 的关系曲线，图中曲线可分为 三个部分：第一部分时没有磁性物质生成阶段( a ；0 ) ：第二部分时磁性物质生 成和增长阶段；第三部分是反应结束，磁性物质全部生成阶段。从反应开始到 磁性物质出现这一时间间隔为诱导期t 0 。图2 6 也表明了磁性物质的形成的动力 学与温度的关系；随着反应温度的升高，诱导期t o 缩短，当温度高于3 4 3 k 时， t 0 消失，这个诱导期存在，表明了磁性微球的形成是分阶段的。 o - 图2 1 5f e 3 0 4 的a t 关系曲线 3 l 河北师范大学硕士学位论文 第一阶段包括形成非磁性的多核氢氧化物，然而当温度高于3 4 3 k 后，非磁 性的这些多核氢氧化物会小时转变；第二阶段表明了磁性物质的增长过程，它 与分散相晶态微粒的生长有关。( 包括微粒的尺寸和数量两方面的增长) ，微粒 磁矩可用( 1 ) 式表示： p 1 1 0 ( 1 + i n t t o )( 1 ) 式中p o 是最小磁性晶核的磁矩，它不依赖于温度。 从图2 1 0 中可看出：温度升高，诱导期t o 降低，根据( 1 ) 式，t o 降低，可提 高微粒的斗，因此温度在磁性微球的生成过程中是十分重要的，对f e 3 0 4 微粒进 行熟化处理是必不可少的一步。 我们对熟化处理过程对产物磁性的影响进行了考察，图2 1 6 a 为未经过熟化处 理的粒子的磁滞回线，其磁性较差。图2 1 6 b 为经过熟化处理的产物的磁滞回线， 产物具有较好的磁性。 图2 。1 6 ：熟化处理对氧化铁磁性的影响( a 未热化：b 熟化) 2 3 7 表面活性剂对产物性能的影响 由于磁性粒子之间的磁性引力和粒子之间的范德华力，致使f e 3 0 4 粒子在 制备过程中难分散、易团聚，使粒子的粒径增大。要想改变这种纳米粒子之间 的相互作用，需对颗粒进行表面改性使颗粒表面吸附一层聚合物，从而产生空间 位阻斥力克服粒子间的引力，使产物具有较好的分散性；通过对粒子的表面改性 还可以改善这些粒子表面化学性质，更加有利于对其进行高分子包覆和与药物 进行链接【3 3 】。 我们在反应过程中加入少量十二烷基磺酸钠作为表面活性剂。将产物进行 3 2 塑j ! 麴翌奎兰堡主兰堡丝苎 了s e m 观察，结果显示添加表面活性剂确实可以提高产物的分散性，减少团聚现 象( 图2 1 7 a b ) ab 图2 1 7 ：表面活性剂对产物分散性能的影响( a 添加b 不添加) 2 4 小结 利用x r d 、s e m 、振动磁强计等表征手段，我们考察了不同条件对制备 f e 3 0 4 纳米粒子的影响。确定了制备f e 3 0 4 纳米粒子的优化条件：0 7 m o l l 氯化亚 铁溶液和0 7 m o l l 氯化铁溶液，采用氮气保护，加入适量表面活性剂，用3 m o l l 氨水溶液调节p h 值至l j l 0 ，4 0 c 水浴加热，剧烈搅拌，反应3 0 m i n 后，再8 0 c 水 浴晶化1 h 。得到透明胶体溶液，用磁铁分离，洗涤，用8 0 真空干燥后得到平 均粒径8 1 0 n m 的分散性较好的f e 3 0 4 纳米粒子。 河北师范大学硕士学位论文 第三章磁性壳聚糖纳米微粒的合成及表征 3 1 引言 纳米磁性微球的组成主要是f e 3 0 4 ，对纳米磁性微球进行表面修饰后，既可 以改善其生物相容性，又赋予它各种特异功能。通常可经过共聚、接枝或表面 改性，使磁性微球的表面带有羟基、羧基、氨基等功能基团，然后再与蛋白质、 抗体、抗原等连接，应用于细胞分离、固定化酶、靶向药物等方面。 壳聚糖及其衍生物已成为近年来国内外研究的热点。主要是因为壳聚糖在 医药、食品、化妆品、农业及环保等方面具有广泛的应用前景，特别是壳聚糖 生物保健品具有对人体有益的功效，已被欧美各国誉为除蛋白质、脂肪、糖类、 纤维素和矿物质之外人体所需的另一种营养素。我国对甲壳素资源的开发也越 来越受重视，并取得了不少成果。近年来的研究表明，在动物体内，壳聚糖可 降血脂，抗肿瘤和提高机体免疫力。此外，壳聚糖具有较强的生物相容性和可 降解性，与f e ，0 4 复合形成的微球具有磁响应性。该磁性纳米粒子有可能成为稳定 的载药工具并控制药物释放。纳米四氧化三铁壳聚糖复合微球具有磁响应功 能，壳聚糖又具有生物可降解性，壳聚糖微球包封药物后具有控制药物释放和 延长药物疗效，降低药物的毒、副作用，提高疏水性药物对细胞膜的通透性， 提高药物的稳定性和改变给药途径，还可大大加强微球的靶向给药能力。目前 报道的磁性壳聚糖微球粒径为1 0 0 10 0 0n m 的载阿霉素磁性白蛋白纳米粒子体 积小，能穿过靶组织内皮细胞，在磁场作用下，富集于肿瘤组织，从而大大提高疗 效。但对于某些肌体组织，该粒子的粒径仍然过大，不能完全消除网状内皮系统 的吸收，导致纳米粒在非靶组织上分布。因此，制备粒径更小的靶向载药系统具 有重要的理论意义和实用价值p 4 】。 文献中报道的纳米四氧化三铁与壳聚糖磁性微球的制备方法多为两步法制 备，本文对两步法制备纳米四氧化三铁与壳聚糖磁性微球的条件进行了进一步 的探索和研究，并尝试了一步法制备该微球，将结果进行了测试表征，对两种 合成方法进行了比较。 3 1 1 壳聚糖的来源和结构 壳聚糖( c h i t o s a n ) ，又名聚氨基葡萄糖或几丁聚糖，是甲壳素脱去乙酰 塑! ! 堕蔓查兰堡主兰垡笙奎 基的高分子直链型多糖。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。甲壳素的学名是b ( 1 ， 4 ) - 2 - 乙酰氨基- 2 - 脱氧一d 一葡萄糖，由n - 乙酰氨基葡萄糖以i 3 1 ，4 糖苷键缩合 而成，广泛存在于虾、蟹的甲壳、昆虫的甲壳、真菌( 酵母、霉菌) 的细胞壁 和藻类的细胞壁中【3 5 】，其结构式见图3 1 。 图3 1 甲壳素的结构式 甲壳素在自然界经受降解和脱乙酰基过程，产生不同分子量的甲壳素及不 同分子量、不同脱乙酰度的壳聚糖，其结构式见图3 2 。由于脱乙酰化反应破 坏了甲壳素分子结构的规整性，因此，壳聚糖溶解性能较甲壳素大为改善，化 学性质也较为活泼。同时由于壳聚糖分子中存在游离氨基及活性羟基，反应时 取代基团可进入o - 位和n 一位，因此，相应的产物有旷羧甲基壳聚糖， n 一羧 甲基壳聚糖和n ，o - 羧甲基壳聚糖 3 6 - 3 7 1 。 图3 2 壳聚糖的结构式 3 1 2 壳聚糖的主要生理功能 ( 1 ) 降脂和降胆固醇 塑! ! 堕蔓查堂堡圭堂垡丝苎 大量研究表明壳聚糖能有效地降低动物体内胆团醇和甘油三酯含量，促进 这些物质在体内的排出。吴加罗等试验表明，大鼠摄入一定剂量的壳聚糖能有 效地抑制血清总胆固醇升高，进一步研究表明，壳聚糖降低总胆固醇效应主要 表现在降低低密度胆固醇和极低密度胆固醇上，但能使高密度脂蛋白胆固醇升 高。戚晓红等【3 s 】的研究则证明，壳聚糖加中药复方制剂具有较好的降肝脂效应， 能显著降低试验性脂肪肝大鼠肝脏甘油三酯( t g ) 、总胆固醇( t c ) 水平；降 低血清中丙氨酸转氨酶( a l t ) 、内毒素( e t ) 和肿瘤坏死因子( t n f a ) 含量； 缩小肝脏的脂变面积，从而改善肝脏功能。c h i a n g 等 3 9 4 0 在大鼠日粮中添加5 的壳聚糖4 周，结果发现，大鼠粪中胆固醇和甘油三酯含量增加，而血浆中总胆 固醇、低密度胆固醇和极低密度胆固醇含量降低，同时，大鼠肝脏相对重量减 轻，肝中总脂类和总胆固醇含量降低。进一步研究表明，壳聚糖的这种降脂和 降胆固醇作用与其分子量和脱乙酰基度有关。 ( 2 ) 抗微生物活性 王光华等 4 h 发现壳聚糖对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌等 常见食物中毒菌有较强的抑制作用。其中沪羧甲基壳聚糖对金黄色葡萄球菌有 较好的抑制作用，而对大肠杆菌的抑菌作用则较差。随着浓度的增大，o _ 羧甲 基壳聚糖的抗菌活性明显增强，当浓度为0 5 时，对金黄色葡萄球菌的抑制率 达到1 0 0 ：当浓度为l 时，几乎能完全抑制细菌的生长，且与分子量之间的 关系十分密切，随着分子量的降低，抑菌效果显著提高，当分子量大于1 1 0 5 时，不具备抑菌功能，而当分子量小于50 0 0 时，抑菌活性明显增强。n o 等 4 2 1 研究发现，壳聚糖对革兰氏阳性菌具有更强的抗菌作用，其最低抑菌浓度从 0 0 5 至0 1 以上，且也与分子量有关。壳聚糖的抗菌活性还与其不同形式有关。 k i m 等【4 3 】比较了天然壳聚糖、脂酶降解壳聚糖和o _ 羧甲基( o - c m ) 壳聚糖的抑 菌效果，发现天然壳聚糖的抑茵效果优于脂酶降解壳聚糖，而来源于脂酶降解 的o - c m 壳聚糖的抑菌效果又优于来源于天然o - c m 壳聚糖。 ( 3 ) 提高机体免疫能力 4 4 1 近来的研究发现，壳聚糖及其衍生物是很好的免疫促进剂，具有促进体液 免疫和细胞免疫的功能。n i s h i m u r a 等往小鼠腹腔内注射经醋酸处理的壳聚糖， 结果发现该物质可刺激小鼠产生白介素i ( 1 l - i ) 及增强体内巨噬细胞的活性。 同时也能活化自然杀伤细胞。黄俊明等m 】给小鼠每日口服壳聚糖共4 周，结果 塑! ! 塑蔓奎堂堡主堂垡笙壅 发现壳聚糖可提高绵羊红细胞诱导的小鼠迟发型变态反应能力，增强受试动物 的血清溶血素抗体反应和巨噬细胞的吞噬反应，表明壳聚糖能促进小鼠的免疫 作用。s e f e r i a n 和m a r t i n e z l 4 6 1 研究发现，当人和动物的疫苗在体内引起的免 疫反应较弱时，如果在该疫苗中加入壳聚糖乳化剂，则可活化b 和t 淋巴细胞。 同时，体内i g g 抗体水平增加。 ( 4 ) 抗肿瘤 4 7 4 9 壳聚糖及其衍生物的抗癌作用已被许多学者所证实。v e n k a t e s h 和s m i t h 研 究表明，壳聚糖能促进h e l a 细胞( 一种人宫颈癌传代细胞) 与一种编码b 一牛乳 糖质粒的转染，这主要是因为壳聚糖是一种阳离子聚合体，能与d n a 和其它聚阴 离子结合，而且壳聚糖中的糖基和细胞表面蛋白质的相互作用在壳聚糖调控的 h e l a 细胞转染过程中起着重要的作用。 3 2 实验部分 3 2 1 实验仪器与试剂 3 211 主要仪器 ( 1 ) d k 一9 8 1 型电热恒温水浴锅：( 2 ) h i t a c h i s 一5 7 0 扫描电子显微镜( 日本日 立) ；0 ) b r u k e r d 8 a d v a n c e x 射线衍射仪( 德国布鲁克) ；( 4 ) 真空干燥箱( 上 海跃进医疗器械厂) ；( 5 ) 美国l a k e s h o r e 一7 3 1 0 振动样品磁强计；( 6 ) 超声波清洗器； ( 7 ) f t i r - 8 9 0 0 红外光谱仪；( 8 ) t b 一1 型电动搅拌器；( 9 ) 磁铁。 3 2 12 主要试剂 ( 1 ) f e c l 3 6 h 2 0 ( a r ) ( 2 ) f e c l 2 4 h 2 0 ( a r ) ：( 3 ) n h 3 h 2 0 ( a r ) ；( 4 ) 十 二烷基磺酸钠；( 5 ) 壳聚糖( c s ) ；( 6 ) 醋酸；( 7 ) 无水乙醇；( 8 ) 三聚磷酸钠( t t p ) 。 3 2 2 实验原理 - - i - # 一 l 。，一掌矗一 k _ 气_ o o 。一。 利用聚电解质的离子凝胶反应，通过控制适当的反应条件，来制备纳米四 氧化三铁壳聚糖微球。在溶液中壳聚糖( c s ) 为聚阳离子电解质，当它与带异 性电荷的聚阴离子三聚磷酸钠( t p p ) 作用时，便发生离子凝胶反应可以得到 河北师范大学硕士学位论文 壳聚糖颗粒。根据此凝胶反应，在合适的浓度和适当的搅拌速度下，通过调整 反应物的浓度可以得到纳米级四氧化三铁壳聚糖微球。 3 2 3 工艺流程 3 2 4 制备方法 ( 1 ) 方法一：将制得的干燥后的纳米f e 3 0 4 微粒超声分散于配置好的壳聚 糖醋酸溶液中，同时将该混合溶液的p h 调至6 0 ，向该混合溶液中加入带异性 电荷的聚阴离子三聚磷酸钠( 1 1 p p ) ，剧烈搅拌使离子凝胶反应发生，反应进行 半小时后，分散于该溶液中的纳米f e 3 0 4 作为晶核析出，纳米壳聚糖颗粒将包 覆于磁性纳米f e 3 0 4 颗粒之外，形成包覆有纳米磁性f e 3 0 4 粒子的壳聚糖复合 微球。 塑! ! 堑蔓奎堂堡主堂垡丝奎 ( 2 ) 方法二：在制备好的纳米f e a 0 4 悬浮溶液中直接加入壳聚糖醋酸溶液， 同时将该混合溶液的p h 调至6 0 ，向该混合溶液中加入带异性电荷的聚阴离子 三聚磷酸钠( t p p ) ，使离子凝胶反应发生，剧烈搅拌，反应进行半小时后，分 散于该溶液中的纳米f e 3 0 4 作为晶核析出，纳米壳聚糖颗粒将包覆于磁性纳米 f e a o t 颗粒之外，形成包覆有纳米磁性f e 3 0 4 粒子的壳聚糖复合微球。 3 3 结果与讨论 我们主要考察了壳聚糖浓度和用量对产物性能的影响，将壳聚糖( c s ) 溶 于2 的醋酸溶液中，配制成浓度为4 m g l 和s m g l 的溶液，三聚磷酸钠( t t p ) 浓度为0 5 m g m l 。将l gf e 3 0 4 在不同量的蒸馏水中超声分散后，按1 ：2 的比例加 入壳聚糖溶液和1 限溶液进行反应，c s 的用量如下表所示： 表3 1 ：不同水中c s 用量表 编号 123456 3 3 1 磁性表征 我们测定不同条件下产物的磁性能，如表3 1 所示，其中4 号样品的比饱和 磁化强度最好，其反应条件为3 0 0 m l 水中壳聚糖加入量为1 0 0 m l ，结合s e m 结果 分析，我们认为在此条件下，由于溶液中壳聚糖浓度过低，在f e 3 0 4 粒子表面包 覆层很薄，形不成致密包覆，因此对磁性几乎没有影响。9 号样的比饱和磁化强 度最低，是由于其表面包覆了过厚的壳聚糖层，对其磁性有较大影响。经过比 较，我们认为f e 3 0 4 粒子被壳聚糖包覆后，对磁性有一定的影响，但是仍然能够 获得磁性较为理想的壳聚糖磁性纳米微粒。 河北师范大学硕士学位论文 3 3 2x r d 谱图 图3 3 ：不同水量，c s 加入量时产物磁滞回线 a 2 5 0 m l 水中；b 3 0 0 m l 水 图3 4 a 为f e 3 0 4 标准谱图，图3 2 b 为磁性壳聚糖纳米粒子的衍射图。由图 3 1 b 可知，磁性壳聚糖纳米粒子的x r d 谱的分别在3 0 1 1 。，3 5 4 5 。和6 2 5 9 。 时出现特征衍射峰，其位置与f e 3 0 4 标准谱图中的位置一致，这说明包覆壳聚糖 以后，未显著影响f e 3 0 4 的晶体结构和结晶性能。 图3 4 ：f e 3 0 4 粒子包覆前后的x r i ) i 圉 a 包覆前；b 包覆后 3 3 3 红外谱图 由图3 5 可知，壳聚糖在3 4 3 4 c m - 1 处有吸收峰，该吸收峰应归 于- n h 2 和 4 0 望! ! 堕蔓查兰堡主堂垡丝壅 删的伸缩振动，2 8 7 7 c m 1 和2 9 2 0 c m - 1 处的吸收峰归因于c h 的振动吸 收，1 0 7 7 c m 1 处的吸收峰归因于c o 的振动吸收。f e 3 0 4 纳米粒子在这些区域没 有吸收峰，而在磁性壳聚糖纳米粒子的红外图谱中，这些峰仍然出现，说明壳聚 糖确实包覆了氧化铁纳米颗粒，但吸收峰的位置大部分有轻微的位移或峰的相 对强度发生了变化，如在3 4 3 4c m - 1 处的吸收峰较壳聚糖的吸收峰宽，这表明在磁 性壳聚糖纳米粒子中存在增强的氢键作用，也说明f e 3 0 4 和壳聚糖之间存在分 子间一定的的相互作用，可以形成稳定的核一壳型骨架结构，因此，可以认为包 袱是成功的。 麓段c m 1 图3 5 ：壳聚糖、壳聚糖磁性纳米微球，f e 3 0 4 的i r 谱图 1 壳聚糖；2 壳聚糖磁性纳米微球；3 为f e 3 0 4 3 3 4s e m ：表征 从图3 6 a 中可看到，我们所得到的产物有较好的形貌，呈圆球形，表面稍 有粗糙。从图3 6 b 中可看到，产物具有一定的分散性，粒径比较均匀。产物表 面不够光滑是因为磁性壳聚糖纳米微球是通过f e 3 0 4 微粒沉积在壳聚糖表面而 制得的，其中既有物理吸附，也有较强的化学吸附( 见红外谱图) 。吸附磁粒子 后。微球表面显得粗糙，这一方面是由于磁性粒子沉积在微球表面不是单层 吸附，各个部位