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硕士论文基于肿瘤靶向放疗的磁性纳米球的制备与改性 摘要 功能化磁性纳米球一方面具有普通高分子微球的表面功能性，另一方面又具有磁响 应性，因此在细胞分离、固定化酶、肿瘤化疗、热疗及放疗等生物领域有着极其广阔的 应用前景。本文着重研究了用细乳液聚合法制备磁性粒子含量高、分散性好、包覆效果 明显、表面含功能基团( 羧基、氨基) 、粒径达纳米级的功能化磁性纳米球。 ( 1 ) 以油酸o a 和十一烯酸u a 为改性剂，通过化学共沉淀法制备出了粒径小且 均一( 8n m ) ，磁性粒子含量高达8 5 9 ，饱和磁化强度为4 2 5c m u g ，亲油性好，能 稳定分散在正辛烷中的f e 3 0 4 磁流体。 ( 2 ) 以f e 3 0 4 磁流体为原料，苯乙烯s t 为聚合单体，采用细乳液聚合法制备出了 未功能化的f e 3 0 4 p ( s t ) 磁性微球。结果表明，磁性微球分散性好，包覆效果明显，磁性 粒子含量为3 5 1 ，饱和磁化强度达2 9 5e m u g ，有利于后续功能化( 羧基化、氨基化) 磁性纳米球的制备。 ( 3 ) 采用细乳液聚合法，用两种途径制备羧基化磁性纳米球，一是以带有羧基的 偶氮二氰基戊酸a c p a 为引发剂，直接在磁性纳米球表面带上羧基；二是通过功能单体 甲基丙烯酸甲酯m m a 与主单体苯乙烯s t 共聚，合成带酯基的f c 3 0 4 p ( s t m m a ) 磁性纳 米球，再经过水解实现磁性纳米球的羧基化，即间接在球体表面带上羧基。主要考察磁 流体中f e 3 0 4 的固含量、交联剂d v b 的有无、功能单体m m a 与乳化剂s d b s 的配比 以及引发剂k p s 等因素对间接羧基化磁性纳米球粒径、形态、磁性粒子含量、包覆效 果的影响。结果表明，直接羧基化制备的磁性纳米球成球性不好，分散性差。而 f e 3 0 4 p ( s t m m a ) 间接羧基化( 酯化) 磁性纳米球，制备出了分散性好，包覆完整，粒 径小且均一( 5 0n m ) ，磁性粒子含量高达6 0 9 ，饱和磁化强度为5 0e m u g ，呈超顺磁 性，具有酯基官能团的间接羧基化磁性纳米球。 ( 4 ) 采用细乳液聚合法，通过功能单体丙烯酰胺a m 与主单体苯乙烯s t 共聚，合 成带酰胺基的f e 3 0 4 p ( s t a m ) 磁性纳米球，再通过h o f f m a n 降解实现磁性纳米球的氨基 化，即间接在球体表面带上氨基。实验考察了磁流体中f e 3 0 4 的固含量、交联剂d v b 的有无、功能单体a m 与乳化剂s d b s 的配比以及引发剂k p s 等因素对磁性纳米球粒 径、形态、磁性粒子含量、包覆效果的影响。结果制备出了分散性好，包覆完整，粒径 达6 0n m ，磁性粒子含量为3 6 8 ，饱和磁化强度为2 7e m u g ，呈超顺磁性，具有酰胺 基官能团的间接氨基化磁性纳米球。 关键词：f e 3 0 4 磁流体，磁性纳米球，细乳液聚合法，羧基化，氨基化 a b s t r a c t 硕十论文 a b s t r a c t m a g n e t i cp o l y m e rn a n o s p h e r e sa r en e wp o l y m e rm a t e r i a l sw i t hs u r f a c ef u n c t i o n a l i t ya n d m a g n e t i cr e s p o n s i v e n e s s ，w h i c ho f f e rg r e a tp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nav a r i e t yo fb i o m e d i c a l f i e l d s ，s u c ha sc e l ls e p a r a t i o n ，i m m o b i l i z e de n z y m e ，a n da sm a g n e t i cf i e l d g u i d e dc a r r i e r sf o r l o c a l i z i n gd r u g s ，t h e r m a lt h e r a p i e sa n dr a d i o a c t i v et h e r a p i e s m a g n e t i cn a n o s p h e r e sw i t hh i g h m a g n e t i cc o n t e n t ，w e l l d i s p e r s e d ，f u n c t i o n a lg r o u p sa r em a i n l ys t u d i e di nt h i sp a p e r ( 1 ) t h ef e 3 0 4n a n o p a r t i c l e sw e r es u c c e s s f u l l yp r e p a r e db yc o - p r e c i p i t a t i o ni nt h e p r e s e n c e o fo l e i c a c i d u n d e c y l e n i ca c i d a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s ，t h em a g n e t i c n a n o p a r t i c l e sc a l l b ed i s p e r s e ds t a b l yi no c t a n ew i t hu n i f o r mp a r t i c l e s i z e ( 8n m ) ，h i g h m a g n e t i cc o n t e n t ( 8 5 9 ) a n ds a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o nv a l u e ( 4 2 5e m u g ) ( 2 ) u n f u n c t i o n a lf e 3 0 , g p ( s t ) m a g n e t i cm i c r o s p h e r e sw e r eo b t a i n e db ym i n i e m u l s i o n p o l y m e r i z a t i o n t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e m i c r o s p h e r e s w e r e w e l l d i s p e r s e d ， w e l l - e n c a p s u l a t e da n dt h em a g n e t i cc o n t e n ta n dt h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o nv a l u er e a c h e d 3 5 1 ，2 9 5e m u gr e s p e c t i v e l y , w h i c hp r o v i d e dag o o dw a yf o rs y s t h e s i s i n gf u n c t i o n a l m a g n e t i cn a n o s p h e r e s ( 3 ) w ed e v e l o p e dt w oa l t e r n a t i v ea p p r o a c h e st os y n t h e s i z ec a r b o x y l a t e dm a g n e t i c n a n o s p h e r e s f o ro n et h i n g ，t h es u r f a c ec a r b o x y lg r o u p sw e r ei n t r o d u c e dd i r e c t l yb yt h e c a r b o x y l a t e di n i t i a t o r ( 4 , 4 - a z o b i s ( 4 一c y a n o p e n t a n o i ca c i d ) ，a c p a ) d u r i n gam i n i e m u l s i o n p o l y m e r i z a t i o n f o ra n o t h e rt h i n g ，t h ei n d i r e c t - c a r b o x y l a t e df e 3 0 4 p ( s t m m a ) m a g n e t i c n a n o s p h e r e sc a nb eo b t a i n e db yc o - m i n i e m u l s i o np o l y m e r i z a t i o nw i t hf u n c t i o n a lm o n o m e r ( m e t h y lm e t h a c r y l a t e ，m m a ) a n dm a i nm o n o m e r ( s t y r e n e ，s t ) w ed i s c u s s e dt h ee f f e c t so f f a c t o r s ，s u c ha sf e r r o f l u i d sw i t hv a r i o u sc o n c e n t r a t i o n ，d v bw i t hv a r i o u sc o n t e n t ，v a r i o u s m m at os d b s ，k p sw i t hv a r i o u sc o n t e n to nt h ep r o p e r t i e so fm a g n e t i cn a n o s p h e r e s ， i n c l u d i n gd i a m e t e r , m o r p h o l o g i e s ，m a g n e t i cc o n t e n ta n de n c a p s u l a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a ti tf a i l e dt o s y n t h e s i z ed i r e c t c a r b o x y l a t e dm a g n e t i cn a n o s p h e r e s ，w h i l et h e i n d i r e c t c a r b o x y l a t e dm a g n e t i cn a n o s p h e r e sw e r es u c c e s s f u l l yp r e p a r e d u n d e rt h eo p t i m a l c o n d i t i o n ，w ee s t e r i f i e dt h em a g n e t i cn a n o s p h e r e s ，n a m e l yt h ec a r b o x y lg r o u p sw e r e i n t r o d u c e di n d i r e c t l yo nt h es u r f a c eo f n a n o s p h e r e m o r e o v e r ，t h em a n g n e f i cn a n o s p h e r e sh a d p r o p e r t i e sw i t hg o o dd i s p e r s i o na n de n c a p s u l a t i o n ，n a n o - d i a m e t e r ( 5 0 n m ) ，h i g hm a g n e t i c c o n t e n t ( 6 0 9 1a n ds a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o nv a l u e ( 5 0e m u g ) ( 4 ) t h ei n d i r e c t a m i n of e s o d p ( s t a m ) m a g n e t i cn a n o s p h e r e sc a nb eo b t a i n e db y c o - m i n i e m u l s i o np o l y m e r i z a t i o nw i t l lf u n c t i o n a lm o n o m e r ( a c r y l a m i d e ，a m ) a n dm a i n i i m o n o m e r ( s t y r e n e ，s t ) t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ei n d i r e c t - a m i n om a g n e t i cn a n o s p h e r e s w e r es u c c e s s f u l l yp r e p a r e d w ef o u n dt h a tt h ef a c t o r s ，s u c ha sf e r r o f l u i d s w i t hv a r i o u s c o n c e m r a t i o n ，d v bw i t hv a r i o u sc o n t e n t ，v a r i o u sa m t os d b s ，k p sw i t hv a r i o u sc o m e n t h a dg r e a te f f e c t so nt h ep r o p e r t i e so fm a g n e t i cn a n o s p h e r e s ，i n c l u d i n gd i a m e t e r , m o r p h o l o g i e s ， m a g n e t i cc o n t e n ta n de n c a p s u l a t i o n u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n ，w ea m i d a t e d t h em a g n e t i c n a n o s p h e r e s n a m e l y t h ea m i d eg r o u p sw e r ei n t r o d u c e di n d i r e c t l yo nt h es u r f a c eo f n a n o s p h e r e m o r e o v e r , t h em a n g n e t i cn a n o s p h e r e sh a dp r o p e r t i e sw i t hg o o dd i s p e r s i o n a n d e n c a p s u l a t i o n n a n o d i a m e t e r ( 6 0n m ) ，m a g n e t i cc o n t e n t ( 3 6 8 呦a n ds a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o n v a l u e ( 2 7e m u g ) k e y w o r d s ：f e 3 0 , f l u i d s ，m a g n e t i c n a n o s p h e r e s ，m i n i e m u l s i o n p o l y m e r i z a t i o n ， c a r b o x y l a t i o n ，a m i n a t i o n i i i 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除t 3 d 以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：翻、砻确冽7 年多月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：妒7 年b 月z 日 硕士论文基于肿瘤靶向放疗的磁性纳米球的制备与改性 1 绪论 1 1 引言 近年来，具有生物活性的功能化磁性材料引起了人们的极大关注，磁性微球的研究 始于2 0 世纪7 0 年代，国内在2 0 世纪8 0 年代以来日渐活跃i l j 。磁性微球是指通过适当 的方法使有机高分子与无机磁性物质结合起来，形成的具有一定磁性、特殊结构的复合 球体【2 ，3 1 。通常制备的磁性微球粒径多为微米( 1 3 0g i n ) 或亚微米级( o 1 1 哪) 【4 】。磁 性纳米球是指粒径达纳米级( 1 0 0n m 以内) 的磁性微球。功能化磁性纳米球一方面因具 有普通高分子微球的表面功能性，另一方面又因具有磁响应性，在外加磁场的作用下能 快速、简单的分离，使其在生物工程( 固定化酶) 、生物医学( 靶向给药，肿瘤放疗、 热疗) 、细胞学( 细胞分离，细胞标记) 等领域的研究日益活跃，并显示出较好的应用 前景。 国内外学者对于磁性纳米球的研究日趋广泛和深入，国外已将其应用于医学诊断和 辅助治疗等临床，而国内主要从事应用于临床的磁性纳米球的制备研究。磁性纳米球的 制备方法通常可分为原位法、包埋法、单体聚合法，其中单体聚合法包括悬浮聚合法、 分散聚合法、无皂乳液聚合法及细乳液聚合法。目前制备的磁性纳米球球存在易团聚、 分散性差、包覆不完全、磁性粒子含量低，生物相容性不好，表面功能基团密度低等缺 点，这使得其在生物学，尤其是在磁靶向放疗的应用上受到了限制。针对以上缺点，磁 性纳米球的制备工艺优化及其表面功能基团修饰是近年来研究的重点和主要发展趋势。 1 2 磁性纳米球的概述 1 2 1 磁性纳米球的结构与分类 磁性纳米球( 粒径在1 0 0n l i l 以内) 是有机高分子与无机磁性物质组成的复合球体。 无机磁性物质即磁性无机粒子多为f e 、c o 和n i 等过渡金属特定晶型的氧化物、混合氧 化物及其水化物。在众多磁性材料中，可供选择使用的只有少数几种：如m e f e 2 0 4 ( m e = c o 、m n 、n i ) ，f e 3 0 4 ，n i 、c o 、f e 、f e c o 和n i f e 合金等，其饱和磁化强度依次递 增，稳定性却依次递减。目前被研究最多并且应用最广泛的是铁及其氧化物( f e 、f e 2 0 3 和f e 3 0 4 等) 1 5 】o 常用的高分子材料有白蛋白、明胶、球蛋白、酶类、聚赖氨酸、聚谷氨酸、淀粉、 葡聚糖、壳聚糖、阿拉伯胶、果胶、乙基纤维素、聚苯乙烯、聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、 聚醋酸乙烯脂、聚丙烯酸等【5 j 。其中苯乙烯是应用相对较多的高分子材料。 磁性纳米球主要是按其结构分类，就目前国内外的研究现状，可将其分成四大类【6 】 绪论m l 论女 ( 见图 oo 蚤 桩一竞一l 型棱一壳一2 型壳挂壳型嚣敞 一c = = = = = 了 碓性材料高分子村料 图1 i 磁性纳米球结构分类 ( 1 ) 内核是无机磁性粒子，外壳是聚台物，这种复合微球中，无机磁性粒子完全 被聚合物包埋，形成典型的核壳结构，它一般被称为核壳一1 型结构。 ( 2 ) 内核是聚合物，外壳是无机磁性粒子，在这类复合微球中无机颗粒通过静电 作用或络合等方式沉积在聚合物微球的表面从而形成无机磁性壳层，它一般被称为核一 壳2 型结构。 ( 3 ) 内外层均为聚合物，中f u j 为无机磁性粒子，这类复合微球往往是通过对第二 类微球再包裹一层聚合物而制各的，它一般被称为壳一核一壳型结构。 ( 4 ) 无机磁性粒子遍布丁在聚合物微球中，它般被称为弥散型结构。 1 2 2 磁性纳米球的性质 ( 1 ) 量子尺寸效应 从固体能带理论可知，对于块状金属其传导电子的能谱为准连续的能带。然而当颗 粒尺寸减小时，连续的能带将分裂为分立的能级。当能级的平均间距大于热能、磁能、 静电能、光子能、超导态的凝聚能时，就会产生异于宏观的效应，称为量子尺寸效应。 对于磁性材料，例如，般块体金属的磁化率为常数，遵从泡利( p o u l i ) 磁化定律( 磁 化率与温度之间无依赖关系) 1 7 。但在低温磁场下，含奇数电子的纳米磁粉的磁化率都 遵从居里外斯( c u i r e w e i s s ) 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，这就是磁性量子尺寸做应。 ( 2 ) 表面效应和体积效应i ” 相对于普通磁性颗粒材料，磁性纳米球具有良好的表面效应和体积效应，具体反映 在球体比表而积激增，官能团密度及选择性吸附能力变大，达到吸附平衡的时间缩短 粒子的稳定性大大提高。 ( 3 ) 超顺磁性 当磁性粒子的体积或磁畴体积小到“j 受热扰动影响而呈现混乱排列时，其磁性与原 子的顺磁性相似( 原子的磁矩不为零) ，将这种磁性称之为超顺磁性。具有超顺磁性的 硕上论文基于肿瘤靶向放疗的磁性纳米球的制备与改性 材料在外加磁场的作用下，磁化曲线可互相重合，表现出可逆的磁化过程，剩余磁化强 度m r 和矫顽力h e 均为零，磁化率远高于一般顺磁性物质的磁化率。具有超顺磁性的 f e 3 0 4 ( 粒径小于3 0n m ) 可使磁性微球在外加磁场作用下方便的进行分离与磁性导向。 ( 4 ) 生物兼容性1 9 j 磁性纳米球在生物工程，特别是生物医学工程中的应用有一个重要的方面就是要有 生物兼容性。多数高分子材料如苯乙烯、多聚糖、蛋白质类具有良好的生物兼容性，这 种性质在靶向放疗中尤其重要。 ( 5 ) 功能基特性 高分子有多种活性功能基团，如o h 、c o o h 、c h o 、- n h 2 等可通过共价键偶联 具有生物活性的物质，如多肽、蛋白质和生物酶，也可经修饰连接其他的功能基团，是 一种理想的生物载体。由于活性物质与高分子微球是通过共价键牢固地结合在一起的， 从而可以大大延长微球的使用寿命。 1 2 3 磁性纳米球的应用 由于磁性纳米球具有磁响应性和不同的表面功能性，在磁场作用下可定向运动到特 定部位，或迅速从周围介质中分离出来，因此磁性纳米球在磁靶向放疗、细胞标记与分 离、固定化酶、蛋白质分离与纯化等领域具有广泛的应用前景。 1 2 3 1 磁靶向放疗 自2 0 世纪7 0 年代p i l w a t 1 0 1 和w i d d e 一1 1 1 等提出磁靶向药物传递系统的概念以来，磁 性药物微球作为一种新型的缓释靶向给药系统，已成为当前国内外抗癌药物剂型的重点 和热剧1 2 】。磁靶向给药系统在肿瘤、食道癌等重大疾病的治疗方面具有诱人的应用前景。 所谓磁靶向给药，是利用药物载体的p h 敏、热敏、磁性等特点，通过对磁性纳米球的 表面功能化，将其作为药物载体，在外加磁场的作用下，将药物载至预定区域( 靶位) ， 使所含药物得到定位释放，集中到病变部位发生作用【1 3 1 。磁靶向放疗技术属于磁靶向给 药系统，突出点在于磁靶向放疗是将放射性核素( 如1 8 8 r e 、9 0 y 等) 螯合附载于表面功 能化的磁性纳米球上，借助于该磁性纳米球在磁场中的磁敏感性能，可以使放射性核素 定向定位地聚集在病灶区。 西班牙的h i f e l i 1 4 - 1 7 带领的研究小组对放射性靶向技术进行了较为深入的研究。该 研究小组借助纳米技术，将具有生物相容性、生物降解性、高度磁敏感性等特性的纳米 粒子附载上放射性元素1 8 8 r e ，通过静脉注射等方式被动靶向输送到病灶区，并且根据 体外磁场能够有效地富集到特定部位，实施照射治疗，从而尽可能减少放射性核素对正 常组织的辐射损伤。目前，该技术在国外己进行了活体研究，现正准备应用临床前试验 中。r u i z - h e m a n d e z 等【博j 用气溶胶辅助法制备了中孔性的丫- f e 2 0 3 含量达1 1 的磁性 硅微球，以应用于靶向药物释放。 l 绪论硕十论文 相对于国外的这些研究成果，目前国内在此技术方面的基础研究还较薄弱。古宏晨 课题组【1 9 , 2 0 , 2 1 , 6 2 , 6 3 , 6 4 1 在制备磁性微球方面的研究相对较多。如他们采用细乳液聚合法合 成了分散性好，表面含有羧基的聚苯乙烯磁性微球，用改进的溶胶凝胶法制备了磁响 应强的磁性硅微球等。制备的微球主要应用在磁标记免疫测定，核酸分离，固定化酶等 领域，但还未曾在治疗肿瘤、癌症等方面进行应用。 为了满足磁性纳米球在生物医学领域，尤其是在磁靶向放疗方面的应用，理想的磁 性纳米球通常需要满足以下应用要求1 2 2 j ： ( 1 ) 分散性好，性能稳定 磁性纳米球在溶液中能否保持稳定且不发生团聚是关系到其生物应用能力的关键 因素。 ( 2 ) 磁响应性好 磁性纳米球应具有较强的磁响应强度，也即要具有较高的包覆率，这样才能在在磁 场作用下靶向定位于病灶区，撤去磁场后磁性纳米球能迅速被血液带走，充分满足其在 磁靶向放疗方面的应用。 ( 3 ) 磁性物质含量均一，分散性好 磁性纳米球粒径要小，分布均一性要好且每个球内超顺磁性纳米颗粒含量相当，这 样可以保证同批间与批次间分离能力与效果的稳定。 ( 4 ) 生物相容性好，表面含有功能基 磁性纳米球应不引起免疫反应，不产生急性或慢性中毒反应，在体内能安全排除。 球体表面应能带上o h 、c o o h 、c h o 、- n h 2 等功能基团，使特定的生物活性物质通 过共价键偶联到球体表面。 1 2 3 2 细胞标记与分离 细胞标记与分离是磁性微球最早的应用研究之一，自七十年代以来就有很多研究者 致力于该领域的研究。张津辉、蒋中华【2 3 】将磁性高分子微球与针对不同t 细胞亚型标志 抗原的抗体偶联，富集t 细胞后观察记数，即可得知外周血样中各型t 细胞的比例。 c h a t t e r j e e 等 2 4 】分别用聚苯乙烯磁性微球和白蛋白磁性微球与外源凝结素结合，用于分离 红血细胞，通过两者对比发现，白蛋白磁性微球效率比聚苯乙烯磁性微球的效率高得多， 但是成本较高。 1 2 - 3 3 固定化酶 所谓固定化酶技术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。 任广智等【2 5 】制备了用于固定化酶的磁性壳聚糖微球。首先用化学共沉淀法制备了磁 流体，随后在磁流体存在下进行壳聚糖和戊二醛的共聚反应。该微球具有良好的磁响应 性，在外加磁场下可被快速的从溶液中分离出来。磁性纤维素微球和磁性聚2 羟乙烷甲 4 硕士论文基于肿瘤靶向放疗的磁性纳米球的制备与改性 基丙烯酸酯乙烯基二甲基丙烯酸酯( h e m a e d m a ) 微球上固定脱氧核糖核酸酶。r i t t i c h 等【2 6 j 制备并研究了此固定化酶的特性。磁性纤维素微球的制备是在纤维胶中分散磁粉， 通过纤维胶溶胶凝胶的转变制备。磁性聚( h e m a e d m a ) 微球是通过分散聚合法将2 羟乙烷甲基丙烯酸酯( h e m a ) 和乙烯基二甲基丙烯酸酯( e d m a ) 聚合，同时加入磁粉。 在磁性微球表面引入氯三嗪，使脱氧核糖核酸酶能通过化学键固定在磁性微球上。 1 2 3 4 蛋白质分离与纯化 以磁性微球为固相介质对蛋白质进行提纯是一项新兴的蛋白质分离技术。蛋白质的 磁分离是通过对磁性微球表面的改性，共价结合能被目标蛋白质识别和可逆结合的配 基，然后进行目标蛋白质的分离。与传统分离方法相比较，蛋白质的磁分离技术具有快 速、高纯、高收率等优点。e l a i s s a r i 等【27 】首先制备了聚苯乙烯为核、聚异丙基丙烯酰胺 为壳层的热敏磁微球。通过改变溶液的p h 、温度、离子强度来达到对人体血清蛋白的吸 附和解吸，并借助外加磁场来分离和纯化蛋白质。t e n g 等l 2 s j 发展了一种新的基于纳米磁 性粒子的分离纯化方法。他在纳米f e 3 0 4 晶体外周包被一层金膜，随后用阴离子试剂加 以稳定，带负电荷的磁性粒子在溶液中可选择性吸附带正电荷的蛋白质和多肽。 1 3 磁流体的制备与改性 1 3 1 磁流体的制备方法 磁性粒子是磁性纳米球的重要组成部分，是制备磁性纳米球的重要前提。磁性粒子 分散在分散介质中形成一种具有磁性、稳定地、可流动的液体，称为磁流体。磁流体既 具有液体的流动性质，同时又具有磁性材料的磁性，即在外加磁场作用下，磁性粒子可 迅速从分散介质中分离出来，撤去外部磁场，磁性粒子又可重新分散于介质中形成磁流 体。制备磁流体的方法主要有物理法( 机械研磨法) 和化学法( z 学共沉淀法、沉淀氧 化法等) 。其中化学法是近年来制备磁流体较多的方法，下面将主要介绍化学法。 1 3 1 1 化学共沉淀法 化学共沉淀法制备f e 3 0 4 磁性粒子简便易行，不需要复杂的仪器及设备，是制备磁 性粒子的经典方法之一。化学共沉淀法是将铁盐和亚铁盐按一定比例配成溶液，选用适 当的碱性沉淀剂( 如n a o h 、n h 3 1 - 1 2 0 等) 进行共沉淀，通过控制工艺条件，可得性能 优良的f e 3 0 4 磁性粒子。其反应机理如式( 1 1 ) 所示： f e 2 + + 2 f e 3 + + 8 0 i - i - f e 3 0 4 + 4 h 2 0 ( 1 1 ) 以共沉淀法制备的f e 3 0 4 粒子晶体结构最初并不完整，其比饱和磁化强度较低，经 加热保温( 称为熟化) 处理后，其晶体结构可进一步完善，其比饱和磁化强度也可进一 步提高。熟化过程可促进f e 3 0 4 粒子晶体结构的完整化，晶体结构完整是获得优良磁性 的前提。与此同时，熟化过程也促进t f e 3 0 4 粒子中掺杂的杂质在高温下的溶解分离， i 绪论硕上论文 这也有利于提高f e 3 0 4 粒子的纯度，从而提高磁性。 以化学共沉淀法制备的f e 3 0 4 磁性粒子的优点：制备方法简便，易于进行表面改性， 粒径大小稳定，且比较容易控制在1 0n m 左右。通常而言，1 0n n l 左右的磁性粒子具有超 顺磁性。 1 3 1 2 沉淀氧化法 沉淀氧化法是将亚铁盐溶液和碱性溶液混合生成f e ( o h ) 2 ，然后加入氧化剂部分氧 化生成f e 3 0 4 。其反应机理如式( 1 2 ) 及式( 1 3 ) 所示： f e 2 + + 2 0 h 。一f e ( o h ) 2 , 【 ( 1 2 ) f e ( o h ) 2 + 0 2 一f e 3 0 4 + h 2 0 ( 1 3 ) 常见的氧化剂有0 2 、h 2 0 2 和硝酸盐。在工业上常用通入空气流的方法来大规模制 备f e 3 0 4 磁性粒子，而在实验室中则主要采用h 2 0 2 和硝酸盐。沉淀氧化法制取的f e 3 0 4 粒 子也近似球形，但此法制备的磁性粒子的结晶性及粒径大小等的影响因素较多，且没有 外加表面活性剂时所制备的磁性粒子粒径一般在5 0n n l 以上，比化学共沉淀法制取的磁 性粒子粒径大。 1 3 2 磁流体的改性 由上述化学共沉淀法和沉淀氧化法制备的f e 3 0 4 磁性粒子，粒径往往小于1 0 0n l l l ， 属于纳米材料的范畴。由于纳米材料具有很大的比表面积，其表面活性很高，因此在热 力学上很不稳定，有自动聚集变大形成二次粒子的趋势，很容易团聚。而大粒径的f e 3 0 4 磁性粒子给后续磁性纳米球的制备带来困难，因此，有必要对所制备的f e 3 0 4 磁性粒子 进行表面改性，以维持其在制备和储存过程中的稳定性。同时，因为f e 3 0 4 磁性粒子表 面带有大量的o h ，易在水中分散而不易在油相中分散。在磁性纳米球的制备过程中， 若f e 3 0 4 磁性粒子未经表面改性，则在聚合体系中易分相、团聚，从而会严重影响磁性 纳米球的各项性能【2 9 1 。因此，对磁性粒子进行表面改性，赋予其表面亲油性，以增强在 磁性纳米球的合成制备中与聚合单体的亲和性，显得非常重要。磁性粒子的稳定性及单 体亲和性主要通过以下几种方式来改善： 1 3 2 1 表面活性剂处理 表面活性剂的改性机理：表面活性剂在晶体表面一般是单分子层吸附。吸附方式有 两种：a 、通过表面异性电荷的静电作用；b 、通过恰当官能团的络合。前者为物理吸附， 后者为化学吸附。由于表面活性剂的存在而产生了粒子间的斥力，以克服粒子间的引力， 使得粒子间不能接触，从而防止团聚体的产生。同时表面活性剂也可以改善粒子与其它 介质的接触角和润湿性，提高粒子在分散介质中的分散性。 常用的表面活性剂有油酸、油酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠等。任欢 鱼等【3 0 】用油酸钠对f e 3 0 4 进行了改性，制备出的磁性微粒乌黑发亮且与水分离较好，在 6 硕士论文基于肿瘤靶向放疗的磁性纳米球的制备与改性 分散介质中粒子分布均匀，外形为近球状，分散性较好，平均粒径为8l l n l 左右。p i c h 等 【3 l 】也采用油酸钠作为表面改性剂，对共沉淀法制备的f e 3 0 4 纳米粒子进行修饰，最后制 备出了磁性粒子含量较高的磁性微球。王煦漫等【3 2 j 用共沉淀制备了用油酸改性的f e 3 0 4 纳米粒子，所得粒子分散性较好，油酸的加入对有利于纳米粒子粒径的减小。s h a o 等【3 3 】 也采用油酸改性f e 3 0 4 纳米粒子，赋予其亲油性，以用于磁性硅微球的制备。 1 3 2 2 硅烷偶联剂处理 硅烷偶联剂分子中具有两亲基团，即水解基团和亲油性有机官能团，这使其既能与 磁性粒子表面的羟基结合又能与有机油相相互作用，在这两种相溶性不好的物质之间起 到桥梁作用，大大改善磁性纳米粒子在油相中的相溶性，从而制备出包覆性能较好的磁 性微球。 刘峥【3 4 j 用硅烷偶联剂k h - 5 5 0 对磁性f e 3 0 4 微粒表面进行有机改性，并对磁流变液磁 响应性能和沉降稳定性能进行了测定。c u i 等【3 5 j 用硅烷偶联剂k h 5 7 0 对磁一l 生f e 3 0 4 进行表 面修饰，修饰后的磁性粒子粒径为3 3 7n l t l ，分散性得到改善，粒子稳定性增强。 1 3 2 3 两种或多种表面活性剂相结合 以上所述都是用单一的改性剂改性f e 3 0 4 磁性粒子，通过研究发现仅用一种表面改 性剂时结果不理想，磁性粒子或者很快沉降，或者稳定时间短；而用两种或多种表面改 性剂时则可得到稳定很长时间的磁性粒子【3 6 1 。近年来研究者们发现用两种或多种表面改 性剂同时对磁性粒子进行改性可以得到更好的改性效果。如同时使用两种表面活性剂， 可在粒子表面形成双层表面活性剂结构，这种结构对粒子起到了很好的分散和稳定作 用。此外，制备的磁流体，在常温下通常可以稳定存在几个月而不沉淀，在聚合时也不 必烘干即可直接应用，因此这种方法受到科学者们的广泛关注。 蒋新宇等【37 j 分别用油酸钠和十二烷基苯磺酸钠、油酸钠和聚乙二醇、油酸钠和十二 烷基硫酸钠、油酸钠和十二烷基磺酸钠对f e 3 0 4 进行了双层表面活性剂的改性，结果发 现其中以油酸钠和十二烷基苯磺酸钠两种表面活性剂共用时粒子粒径最小。安丽娟等【3 8 】 采用化学共沉淀法制备了f e 3 0 4 纳米粒子，并用油酸和十二烷基苯磺酸钠为双层表面活 性剂进行表面修饰，制备了稳定的纳米f e 3 0 4 磁流体。h u a n g 等 3 9 1 采用油酸和十二烷基硫 酸钠作为双层表面改性剂制备了粒径小，分散性好的油基磁流体，将其应用于制备苯乙 烯丙烯酰胺磁性微球。 1 4 磁性纳米球的制备与表面功能化 1 4 1 磁性纳米球的制备方法 目前，制备磁性微球的方法主要包括：包埋法、原位法和单体共聚法，这三种方法 可用于制各磁性纳米球。 7 1 绪论硕十论文 包埋法是制备磁性微球最早的方法，虽然此方法简单易行，但所得的粒子粒径分布 宽，形状不规则，粒径不易控制，壳层中难免混杂一些诸如乳化剂之类杂质，用于靶向 放疗、细胞分离等领域会受到很大限制。 u g e l s t a d ：等 4 0 】发明的原位法需要首先制备好高分子微球，然后在多孔的微球内部进 行化学沉积铁的氧化物等具有超顺磁性的物质，从而最终得到磁性微球。该方法需要重 复多步，过程繁琐，难以控制，大规模制备难度大。 单体共聚法是目前制备磁性微球最常用的方法。它通常是指是在磁性粒子和有机单 体存在的情况下，根据不同的聚合方式加入引发剂、乳化剂、稳定剂等物质聚合制备磁 性微球的方法。主要的聚合方法包括悬浮聚合法、分散聚合法、无皂乳液聚合法、细乳 液聚合法等。以下主要对单体聚合法进行详细介绍。 1 4 1 1 悬浮聚合法 悬浮聚合法制备磁性微球的主要原理是在磁性粒子、悬浮稳定剂和表面活性剂存在 的条件下，用引发剂使一种或几种单体在磁性粒子表面引发均聚或共聚，将磁性粒子包 裹在聚合物里面。d e n k b a s 掣4 l j 用悬浮交联技术制备了1 0 0 2 0 0 岬的磁性壳聚糖微球， 研究表明搅拌速度和f e 3 0 4 壳聚糖用量比是微球粒径大小和分布的主要因素，而壳聚糖 分子量无影响。靳艳巧等【4 2 】以悬浮聚合法为基础，采用微悬浮聚合法制备出了聚苯乙烯 磁性微球，结果表明制备的聚苯乙烯磁性微球粒径为1 5 2 5 岬，具有较好的磁性。 但是悬浮聚合法得到的聚合物微球粒径大( 1 0 0 1 0 0 0 岬) 且呈多分散性，使其应用 受到限制，尤其是在靶向放疗方面。 1 4 1 2 分散聚合法 分散聚合法是指一种由溶于有机溶剂( 或水) 的单体通过聚合生成不溶于该溶剂的 聚合物，而且形成胶态稳定的分散体系的聚合方式。分散聚合法的成核机理是均相成核， 制备时受影响的因素很多。采用此方法制备的磁性微球的磁性粒子含量相对较低，粒径 往往达微米级( 0 2 1 0 “m ) ，不适合用于制备纳米级的磁性微球。 邱广明等【4 3 】以磁性氧化铁胶体粒子为种子，运用分散聚合法，制备出了具有磁响应 性，粒径达2 3 0g m 的f e 3 0 4 p ( s t a a ) 复合微球。李艺等j 以聚乙烯基吡咯烷酮为分散剂， 无水乙醇为反应介质，偶氮二异丁腈为引发剂，采用分散聚合法制备聚苯乙烯微球。陆 馨等【4 5 】以聚乙烯吡咯烷酮( p v p ) 为分散剂，以偶氮二异丁腈( a i b n ) 为引发剂，在甲醇 水混合溶剂中，采用分散聚合法制备出微米级的甲基丙烯酸甲酯苯乙烯共聚物微球。 1 4 1 3 无皂乳液聚合法 无皂乳液聚合是指在不含乳化剂或仅含微量乳化剂( 其浓度小于临界胶束浓度 c m c ) 的条件下进行的聚合反应。采用无皂乳液聚合法制备磁性微球时，由于在制备过 程中可不使用催化剂、悬浮剂、乳化剂等会对微球造成污染的各种添加剂，从而可得到 不需要任何纯化后处理的纯净磁性微球，可直接收集使用。 硕士论文 基于肿瘤靶向放疗的磁性纳米球的制备与改性 y a n a s e 等1 4 6 j 对商业磁流体进行超滤处理，然后在磁流体存在下，不外加乳化剂，采 用过硫酸钾作引发剂，在7 0 。c 引发聚合制得了磁性聚苯乙烯微球。结果表明，超滤磁流 体得到的微球分散性小，粒径较大且磁性粒子在微球内分散均匀。x i e 等【4 7 】在共沉淀法 合成超细磁流体的基础上，以苯乙烯( s t ) 、丙烯酸丁酯( b a ) 和甲基丙烯酸( m a a ) 为共聚 单体，在不同的介质体系( 甲醇、乙醇、丙酮) 中采用无皂乳液聚合法制备了单分散， 粒径范围8 0 2 3 0a m 的磁。i 生p ( s t b a m a a ) 微球。穆锐等【4 8 】以丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸 甲酯和丙烯酸为聚合单体，通过无皂乳液聚合法制成单分散性聚合物微粒，并以此为种 子，进一步合成具有不i - s j t 。的单分散性核壳聚合物微粒。淮路枫等【4 9 】采用无皂乳液聚合 工艺，成功地制备出了粒径达微米级，具有良好球形度的单分散聚苯乙烯微球。研究发 现在一定反应条件下，随着苯乙烯和引发剂浓度的增大，聚苯乙烯微球的粒径增大，分 布变宽；且一次加料有助于形成单分散的聚苯乙烯微球。可用无皂乳液聚合法制得单分 散大粒径的聚苯乙烯微球。 1 4 1 4 细乳液聚合法 细乳液聚合法制备磁性微球是近几年用的较多的一种方法，它是i 扫u g e l s t a d 掣5 0 】在 1 9 7 3 年首次提出来的不同于常规乳液聚合的方法。细乳液聚合法的机理比较独特，是单 体液滴成核机理，即聚合反应前后的单体液滴与生成的聚合物乳胶粒的粒径具有l ：l 的 复制关系 5 1 - 5 2 j ，即可以通过控制单体液滴的数量来控制最终聚合物粒子的数量。在稳定 的细乳液聚合中，单体液滴是主要的成核场所。乳胶粒的数目和尺寸主要是由聚合前单 体液滴的数目和尺寸决定，并在聚合过程中基本保持不变【5 3 1 。 z h e n g 掣5 4 j 用三步细乳液聚合法制备了平均粒径8 0a m ，磁性粒子含量达4 0 ，分散 性较好的聚苯乙烯磁性微球。其具体方法为：首先制备出分散在辛烷中的表面被油酸修 饰的f e 3 0 4 磁流体，然后将磁流体在含有表面活性剂的水相中超声细乳化，得到稳定分 散在水相中的磁粒子团聚体。接着将预先制备的苯乙烯细乳液与所得的磁粒子团聚体混 合，并再次超声细乳化，从而得到内部包含有磁性粒子的苯乙烯复合液滴。最后向所得 体系中加入一定量的引发剂，引发聚合后得到磁性微球。c u i 等【5 5 】采用一步细乳液法制 备出了超顺磁性的以聚苯乙烯为