（材料加工工程专业论文）油酸钠包覆fe3o4磁流体的制备及其包覆结构研究.pdf

四川丈学硕士学位论文 油酸钠包覆f e 3 0 4 磁流体的制备及其包覆结构研究 材料加工专业 研究生熊隆荣指导教师文玉华 磁流体是由磁性粒子、表面活性剂以及载液三者混合而成的一种稳定的胶 状溶液。由于这种胶状液体既有固体磁性材料的磁性，又有液体材料的流动性， 且这种胶体溶液在重力场和磁场作用下是稳定而不沉淀的，具有许多其它固体 磁性材料与液体材料所不具有的特殊性质，可以广泛地应用于密封、研磨、热 疗、靶向给药等领域。但是磁流体稳定性差的问题一直没有得到很好的解决， 这大大限制了磁流体的应用。为了解决这一问题，我们系统地研究了制备工艺 参数、表面活性剂及其包覆结构对磁流体稳定性的影响，并初步研究了磁流体 靶向载药微球的制备技术，得到了以下一些主要结论： 1 ) 获得了共沉淀法制备f e 3 0 4 磁性粒予的最佳制备工艺：最佳的反应温度 为7 5 ，反应浓度是0 5 m o l l 。反应温度主要影响f e 3 0 4 的晶体结构，在低温 时主要得到反铁磁性a f e o o h 相，降低了f e 3 0 4 磁性；反应浓度主要影响f e 3 0 4 的生成速度，进而影响f e 3 0 4 的晶体结构。 2 ) 油酸钠包覆磁流体的反应最佳p h 值是5 5 ，载液的p h 值是l o ；油酸 钠同磁性粒子间形成化学吸附，降低了磁性粒子的表面能，增加了粒子间的阻 力，大大提高了磁流体的稳定性。由于表面活性剂在磁性粒子表面的钉扎包覆 后的磁性粒子的饱和磁化强度小于未包覆的磁性粒子。 3 ) 油酸钠化学吸附在第一层，多余的油酸钠物理吸附在第二层。我们提出 了形成良好稳定性磁流体的表面结构条件：一是必须有定的驱动力使表面活 性剂向磁性粒子靠拢；二是粒子同表面活性剂必须形成牢固的吸附；油酸钠包 覆磁流体的过程：共沉淀法制备磁性粒子在表面吸附了大量的羟基，在酸性条 4 婴型查兰堡主兰垡丝奎 件下，这些羟基吸附了大量的h + 而使整个粒子带正电荷。加入的油酸钠电离 出带负电的油酸根，油酸根和磁性粒子问由于库仑力的作用相互靠拢在起， 油酸根中的c = o 均裂成两个相等的c 0 单键，同磁性粒子表面结合形成第一 层吸附；这时溶液中还有过量的油酸钠，而油酸钠一端疏水，另一端亲水，这 种疏水和驱水的形成的驱动力使得溶液中的油酸钠疏水端物理吸附在第一层， 形成第二层，而亲水端则深入水中。但是物理吸附的第二层并不牢固，很容易 被有机溶剂洗掉，而化学吸附的第一层则很牢固。油酸钠包覆后的磁流体这种 两层特性可以使磁流体分散在极性和非极性溶液中。 4 ) 磁流体可以作为靶向载药给药的载体； 关键字：共沉淀，f e 3 0 。磁流体，油酸钠，稳定性，单层包覆，包覆结构 四川大学硕士学位论文 s t u d yo fp r e p a r a t i o no f o l e a t es o d i u mc o a t e d f e 3 0 4m a g n e t i cf l u i da n dt h es u r f a c es t r u c t u r eo f c o a t e d l a y e r m a j o r ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：x i o n gl o n g r o n g t u t o r ：w e ny u h u a m a g n e t i cf l u i d ( m e ) i sas t a b i l i t yc o l l o i dw h i c hi sc o m p o s e do fm a g n e t i cp a r t i c l e s ， s u r f a o t a n ta n db a s e dl i q u i d m fh a sm a n ys p e c i a lq u a l i t i e sw h i c ho t h e rs o l i dm a t e r i a l sa n dl i q u i d m a t e r i a l sd o n th a v e ，s u c ha ss o l i d sm a g n e t i s ma n dl i q u i d sf i u i d i t y m fi sa l s oas t a b l ec o l l o i d u n d e rg r a v i t ya n dm a g n e t i cf i e l d i tc a nb ee x t e n s i v eu s e di nt h ef i l e do fs e a l ，p o l i s h i n g , t a r g e t d r u gd e l i v e r , h y p e r t h e r m i aa n ds oo n b u tt h ep r o b l e mo fm f w i t hl o ws t a b i l i t yh a sn o tb e e n s o l v e dw e l l ，l i m i t i n gt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n t os o l v et h i sp r o b l e m , w es y s t e m i cs t u d i e dh o w t h em e t h o do fp r e p a r a t i o n , s u r f a e t a n t ，a n dt h es u r f a c es t r u c t u r eo f9 0 0 绝dl a y e ri n f l u e n c e dt h e s t a b i l i t yo fm ea tl a s t , w ep r i m a r yi n v e s t i g a t e dt h ep r e p a r a t i o no ft h em a g n e t i c n a n o - m i c r o s p h e r e sw i t ht a r g e td r u gd e l i v e r t h ep a p e rd r e ws o m eo r i g i n a lr e s u l t sa s f o l l o w s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m a lr e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s7 5 。ca n dt h eo p t i m a l c o n c e n t r a t i o ni so 5 m o l l t h et e m p e r a t u r em a i n l yi n f l u e n c e dt h ec r y s t a la n dt h e n t h em a g n e t i s mi nt h ec o n v e n t i o n a lc o p r e c i p i t a t i o nm e t h o d , w h i l et h ec o n c e n t r a t i o n m a i n l yi n f l u e n c e do ng r o w t hs p e e do f m a g n e t i cp a r t i c l e sa n dt h e no nt h ed i a m e t e ro f m a g n e t i cp a r t i c l e s t h eo p t i m a lp hv a l u ew h e nc o a t e db yo l e a t es o d i u mw a s5 5 w h i l et h e o p t i m a lp hv a l u ef o ro l e a t ec o a t e dm a g n e t i cf l u i dd i s p e r s i n gi n t ow a t e rw a s1 0 t h e r ew a sac h e m i c a la d s o r b e db e t w e e nt h em a g n e t i cp a r t i c l e sa n do l e a t es o d i u m w h i c hd e c r e a s e dt h es u r f a c et e n s i o na n di n c r e a s e dt h er e s i s t a n c e ，s ot h es t a b i l i t yo f m fi m p r o v e do b v i o u s l y t h em a g n e t i z a t i o no fc o a t e dm a g n e t i cp a r t i c l e sw a sl o w e r 四川大学硕士学位论文 t h a nt h eu n c o a t e do n e s ，a n dt h i sr e d u c t i o ni sl i k e l yd u et ot h ee x i s t e n c eo f d i s o r d i e r e d s p i n sa tt h es u r f a c ea sd i s c u s s e d w ec h a r a c t e r i z e dt h es t r u c t u r eo f o l e a t oc o a t e dm fl a y e r ：t h eo l e a t es o d i u mw a s c h e m i c a la d s o r b e do i lt h eb 珈l r f a c co f p a r t i c l et of o r mt h ep r 吼a r yl a y e rw h i l et h e e x c e s so l e a t es o d i mw a sp h y s i c a la d s o r b e do nt h ef i r s tl a y e rt of o r ms e c o n dl a y e r w ec o n c l u d e dt h ek e yc o n d i t i o nt op r e p a r em fw i t ht h es t a b l es t r u c t u r ew a sad r i v e w h i c hc a r lm a k et h es u r f a c t a n tc l o s et ot h es u r f a c eo f m a g n e t i cp a r t i c l e sa n dt h e s u r f a c t a n tw a sf i r m l ya d s o r b e do nt h es u r f a c eo f p a r t i c l e s w ef o u n dt h a tt h e m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sp r e p a r e db yc o - p r e c i r ，i t a t i o nh a de x t e n s i v eh y d r o x y lg r o u p s o nt h es u r f a c e ，a n dt h eh + w o u l da d s o r bo nt h e s eh y d r o x y lg r o u p su n d e ra c i d i c e n v i r o n m e n t w h e na d d e do l e a t es o d i u mi n t os o l u t i o n ，t h ee l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n b e t w e e nt h e i rc a r b o x y l i ca c i dh e a dg r o u p sa n dt h eh y d r o x y lg r o u p sw i l tm a k et h e m c o m b i n et o u g h e l c o n s e q u e n t l y ，t h ei r o no x i d ep a r t i c l e sw e r ec o a t e db ya w e l l - o r g a n i z e dp r i m a r yo l e i ca c i dr a d i c a lm o l e c u l e t h e n , t h ee x c e s so l e a t es o d i m w a sw e a k l ya d s o r b e do nt h ep r i m a r yl a y e ro f t h eo l e a t es o d i u m - c o a t e dm a g n e t i c p a r t i c l e st of o r mah y d r o p h o b i cs h e l lt h r o u g ht h eh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o nb e t w e e n t h es u b s e q u e n tm o l e c u l ea n dt h eh y d r o p h o b i ct a i lo f o l e a t eo f t h ep r i m a r yl a y e r s o t h es e c o n dl a y e rw i l lb ee a s i l yw a s h e db ya c e t o n eo ra l c o h 0 1 t h em a g n e t i cp a r t i c l e s c o a t e db yo l e a t es o d i u mc a nd i s p e r s ei n t op o l a ro ru n p o l a rs o l m i o n m fc a nb eu s e da st a r g e td r u gd e l i v e r k e y w o r d s ：c o p r e c i p i t a t i o n , f e 3 0 4m a g n e t i cf l u i d ，o | e a t es o d i u m , s t a b i l i t y ， c o a t e dm o n o l a y e r , c o a t e dm e c h a n i s m - 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导 下取得的，论文成果归四川大学所有，特此声明。 学位论文作者签名： 导师签名支占军 签字日期：2 口口7 年月罗口日 j 6 0 四川大学硕士学位论文 第一章绪言 磁流体是由磁性粒子、表面活性剂以及载液三者混合而成的一种稳定的胶 状溶液( 图1 1 是磁流体的结构模型) 。磁性粒子提供了磁性流体的磁性，它的 性质及含量决定着磁流体的磁性能，构成磁性粒子的材料可以是磁铁矿 ( f e 3 0 4 ) 、氧化钴或其他铁磁性氧化物；表面活性剂是磁性流体的重要组成部分， 它的作用是吸附在磁性微粒上形成一层缓冲层，以避免磁性粒子之间的相互团 聚，常用表面活性剂有明胶、油酸钠、聚乙二醇等；载液是磁性流体的主体部 分，它的性质很大程度上决定着磁性流体的使用范围，载液的类型根据密封介 质和工况选择，可以是水、煤油、石蜡油等。磁流体在静态时无磁吸引力，当 外加稳定磁场作用时，才表现出有磁性。由于这种胶状液体既有固体磁性材料 的磁性，又有液体材料的流动性，具有许多其它固体磁性材料与液体材料所不 具有的特殊性质，已经引起了人们的广泛关注。 图1 1 磁流体的组成 g o w a nk n i g h t ( 1 1 首先尝试制备了磁流体，他将铁屑弥散在水中，混合后水 中会有悬浮的小颗粒，但是这种混合物是不稳定的。b i t t e r p l 带i j 备了大约1 微米 左右的磁铁矿胶体，e l m o r e 3 1 $ ! i 备了含有2 0 r i m 左右颗粒的悬浮液，这是早期的 磁流体，他们同现在的磁流体非常类似。但是要获得稳定性的磁流体，必须消 除大颗粒，增加粒子间的相互阻力。磁流体的最先产品应用是在2 0 世纪6 0 年 代为了解决航天器上的密封问题而进行研究的，以后才逐渐扩大到其它的研究 方向和领域。 婴型查兰堡主兰垡堡苎 1 1 磁流体的分类 1 1 1 按磁粒粒子类型 ( 1 ) 铁酸盐系 这类磁流体的超微粒子是铁酸盐系列，如f e 3 0 4 、1 - f e 2 0 3 、m e f e 2 0 4 ( m e = c o 、 n i ) 等。 ( 2 ) 金属系 这类磁流体超微粒子选用n i 、c o 、f e 等金属微粒及其合金( 如f e 2 c o 、n i 2 f e ) 。 ( 3 ) 氮化铁系 这类磁流体超微粒子选用氮化铁，因其磁性较强，故可获较高饱和磁化强 度。 1 1 2 按载液种类 根据载液种类可分为：水；有机溶剂( 庚烷、二甲苯、甲苯、丁酮) ； 碳氢化合物( 合成剂、石油) ：合成酯；聚二醇；聚苯醚；氟聚醚； 硅碳氢化物：卤化烃；苯乙烯等类磁流体。 1 1 3 按应用领域 磁流体按其应用领域可分为密封用磁流体、润滑用磁流体、医用磁流体、 扬声器磁流体、印刷打印用磁流体、能量转换用磁流体等。 1 1 4 按性能指标 磁流体按性能指标可分为低粘度和高粘度磁流体、低挥发损失和高挥发损 失磁流体、高饱和磁化强度和低饱和磁化强度磁流体、重磁流体和轻磁流体等。 1 2 磁流体的主要性质 磁流体中由于有纳米级的磁性粒子，因此磁流体首先具有纳米材料的特殊 效应【卅： 1 ) 表面效应 随着粒子尺寸的减少，比表面积急剧增加，位于表面的原子数占全部原子 数的比例增大，同时比表面能迅速增加。由于表面原子数增多，表面出现非化 学平衡、非整数配立的化学价键态严重失配，出现许多活性中心，表面台阶和 婴型查兰婴主堂竺堡塞 粗糙度增加，导致纳米体系的化学性质与化学平衡体系出现很大差别。原予配 位不足和高的表面能，使这些表面原予具有高的活性，极不稳定，很容易与其 他原子结合。 2 ) 小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长等物理特征尺寸相当或更小 时，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。当磁流体中 颗粒尺寸小于l o n m 时矫顽力变为0 ，表现为超顺磁性。 3 ) 量子尺寸效应( 久保效应) 处于纳米尺度的材料，其能带将裂分为分立的能级，即能级的量子化。而 大块金属的能带可以认为是联系的。纳米材料能级之间的间距随颗粒尺寸的减 小而增大当能级间距大于热能、光子能量，静电能以及磁能等的平均间距时， 就会出现一系列与块体材料截然不同的反常特性，这种效应称为量子尺寸效应。 4 ) 宏观量子隧道效应 微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。一些宏观的物理量，如磁流 体的磁化强度，磁通量及电荷等也具有隧道效应，这种现象称为宏观量子隧道 效应。 除了具有纳米材料固有的性质外，磁流体还具有自身的特殊性质： 磁流体在重力场和磁场作用下是稳定而不沉淀的。这是由于处于重力场或 磁场中的磁粒子的热能和重力能、磁场能处于同数量级上。包覆在磁粒子表 面的表面活性剂具有聚合链，因此分子间的空间排斥阻止了磁粒子的接触，从 而避免了因范德华力引起的粒子聚集。 磁流体最重要的性质之一就是超顺磁性质，高度分散的磁流体可以用 l a n g e v i n 函数表示体系的比磁化强度田，并推断出超顺磁性的判据，正是由于 磁流体存在着与超顺磁性和高饱和磁化强度相联系的液体行为，使得通过外加 磁场调控磁流体的流动成为可能。目前，有关磁流体的流体动力学和静力学效 应的研究已经有很多，除了磁性和非磁性物质的重力悬浮研究、润滑现象和流 体静力不稳定性研究外，更多的关注集中在磁流体的流变行为和迁移不稳定性 的研究上，磁悬浮就是一个重要的研究领域。 磁流体的另一个重要性质就是它的磁光效应 9 - 姗。磁流体在外加磁场作用 下，呈现出类似于单轴晶体的光学各向异性，当光沿平行于磁场的方向入射时， 产生f a r a d a y 效应，当光沿垂直于磁场方向入射时，产生磁致双折射，或 3 粤型奎兰堡主兰垡笙壅 c o t t o n m o n t o n 效应，丁达尔文现象，且两种情况都伴随有二向色性这些磁光效 应可以用磁粒子的簇形来解释。近年来，有关磁光特性的研究正在不断深入， 如低温磁光特性研究、磁液晶合成场研究等；另一方面，磁光特性的应用也表 现出良好的前景，如磁场传感器、磁光调制、光量阀等。 在磁流体的中，粘度特性是一个重要的特性l l “。磁流体的粘度决定于载液 的粘度和磁性微粒的含量，同时还与外磁场有关。一般情况下粘度特性服从牛 顿内摩擦定律，受很多因素影响，通常考虑以下几个因素：载液的粘度、磁流 体磁化强度、外加磁场强度、温度、剪切力。 1 3 磁流体的应用 由于磁流体是一种具有磁特性又具有液体特性的特殊材料，人们根据这种 材料的特性将其应用到不同工业领域中去是近年来在新技术开发方面的一种新 的尝试。目前在密封、润滑等技术领域中得到了非常成功的应用，其在轴承、 研磨、传感元件减震器、扬声器、油墨、医药等领域具有非常诱人的应用前景。 1 3 1 磁流体在密封上的应用 利用磁流体在外加磁场作用下具有承受压力差的能力实现真空、气体、液 体密封。具有不易泄漏、寿命长、转速高、无二次污染、密封结构简单不需维 修的特点。磁流体动态密封技术是磁流体较成熟也是最重要的应用之一，现已 广泛应用于x 射线转靶衍射仪、单晶炉、大功率激光器、计算机等精密仪器的 转轴密封【m ”】。其结构原理见图1 2 图1 2 磁流体密封原理 4 四川大学硕士学位论文 目前磁流体封水等液体难度较大，实际应用的不多。若能在封水、封油等 方面取得突破，其应用领域将极为广阔，必将产生巨大的经济效益和社会效益。 1 3 2 磁流体在研磨抛光方面的应用 磁流体研磨是利用磁流体的浮力将微米级的磨料悬浮于液体表面，与待抛 光的工件紧密接触。磁流体研磨起始于2 0 世纪7 0 年代，日本对各种加工条件对 加工质量和加工效率的影响，初步确定了对研磨影响较大的因素。近年来得到 了较大的发展，他们用5 5i li e t 的s i c 磨粒和不锈钢锥形工具获得了0 2 8pm m i n 的最大去处速率，r a0 0 4 “m 的粗糙度【1 6 1 。 但是由于磁流体比较松散，要达到所需的光洁度需要很长的时间，因此急 需一种半固态或固态的抛光体来替换，为此u m e h a r a 等人用冷冻的水基磁流体， 然后对黄铜进行抛光 1 7 “1 柳，有效的解决了磁流体松散的闯题。磁流体研磨抛光 具有加工精度高，表面质量好，不会形成应变层，效率和精度容易控制，加工 材料面宽，特别适合加工平面。 5 四川大学硕士学位论文 图1 3 磁流体研磨 1 3 3 磁流体在肿瘤治疗方面的应用 磁流体既具有固体磁性材料的磁性，又能像液体一样流动，其流动可由外 磁场定向定位，在交变磁场作用下还可以吸收电磁波能量转化为热能。有研究 表明肿瘤细胞吸收纳米f e 3 0 4 微粒的能力是正常细胞的8 4 0 0 倍，并且子代细 胞接受平均5 0 纳米微粒。这些特性运用到肿瘤治疗领域中去将给肿瘤治疗带 来新的契机和希望，比如靶向载药磁性微球，磁控血管内磁性微球栓塞，磁流 体热疗等。 1 3 3 1 磁流体在磁靶向热疗中的应用 将瘤区加热到4 l 4 6 以上治疗恶性肿瘤的方法称热疗；加热至r j 5 6 以 上使恶性肿瘤组织坏死、凝固的方法称热消融或热切除1 1 9 1 。热疗的主要问题是 要将热限制于癌灶，不损伤正常组织。传统热疗诱导为可逆性损害，仅作为放、 化疗的辅助手段。常用的热疗方法有全身高温、热液体灌注、温热水浴、射频、 微波、激光、聚焦超声等。这些方法多存在创伤性大、易损伤正常组织等缺点， 1 9 9 6 年德国学者j o r d a n l 2 0 - 2 2 1 提出了一种采用纳米技术和热疗相结合的新型热疗 法一纳米磁流体热疗。磁靶向热疗具有微创、靶向效应等优点，已成为恶性肿 瘤治疗的研究热点。 6 婴型奎兰堡圭竺堡丝苎 这一特点可将磁响应材料导入癌灶，通过低频交变磁场中的磁滞产热原理 获得】，所以其不仅适用于浅表肿瘤的治疗，也适用于深部肿瘤的治疗。在低 频交变电磁场( 1m h z ，磁粒耗散射频波转换成热 能使温度升高洲。将磁场能转换成热能主要取决于频率和粒子的性质，其典型 特征是特异功率吸附率( s p e c i f i cp o w e ra d s o r p t i o nt a l c ，s p a r ) ，即单位时间单 位质量将能量转换成热能的量，以w g 计，磁材的s p a r ：迭高，其热效应越好 2 s j 。 磁靶向热疗具有以下几个优点【2 6 2 8 】： l 、“疗效观者效应”，磁流体应用到肿瘤后，导入的磁微粒小区在交变磁场 作用下，磁微粒均匀的散开来，结果是被照射区体积逐渐加大，故含磁微粒小 区的周围肿瘤细胞也可杀死； 2 、磁流体具备生物可兼容性和生物可降解性，氧化铁微粒基本上无毒副作 用，并且有关研究表明肿瘤细胞吸收纳米铁微粒的能力是正常细胞的8 - - 4 0 0 倍， 并且子代细胞接受平均5 0 纳米微粒，这样就可以对肿瘤扩散起到明显的抑制 作用； 3 、疗效的物理转换( 交变磁场导致产热) ，磁性纳米微粒在交变磁场作用 下会吸收磁场能量而产生热量，并且能量吸收率远远高于其体相材料，升温效 果明显； 4 、自动控温、恒温，磁性材料物质本身具有居里温度( t c ) 的特点，当温 度升高至居里点后铁磁性物质会失去磁性而降温，当温度降低至居里点以下后 铁磁性物质又恢复磁性而升温，从而达到对肿瘤热疗的自动控温和恒温，对于 肿瘤治疗来说具有重大的意义。 1 3 3 2 磁流体在靶向给药中的应用 目前抗癌药物不仅杀死部分癌细胞，同时也杀死了大量人体的正常细胞， 对机体产生很大的副作用。针对这个问题，有的学者提出如果能够使药物全部 在病灶部位，或者在癌细胞处的药物浓度大大高于正常细胞处，将有效解决这 一问题，于是诞生了一个新的概念靶向给药系统。靶向给药系统 7 婴型盔兰堡主兰垡堡奎 。( t a r g e t - o r e i n t e dd r u gs y s t e m s ，t o d d s ) 亦称靶向制剂，是指借助载体、配体或 抗体将药物通过局部给药或全省血液循环而选择性地集中在靶组织、靶器官、 靶细胞或细胞内结构的制剂唧。 磁流体载药微球是药物、磁铁粒子载体及骨架材料组成。该药物可在场引 导下通过静脉、动脉导管和口服给药或直接注射等途径选择性的到达并定位于 肿瘤靶区。药物以受控的方式从载体中释放，然后在肿瘤细胞或者亚细胞水平 上发挥药效作用，而对正常组织无影响或影响d 、t 3 0 。 磁性纳米作为抗肿瘤药物的载药体发挥了不小的作用：1 、由于纳米粒子在 磁场作用下被磁化而聚集，引起肿瘤组织的血管栓塞，造成肿瘤组织缺血、缺 氧，对化疗药物敏感性增加；2 、部分未发生聚集的纳米微粒进入肿瘤组织间隙 或被肿瘤细胞摄取，从而在细胞间隙活细胞内释放化疗药物；3 、良好的磁靶向 性以及肿瘤组织与正常组织结构上的差别，使纳米微粒可选择性地聚集于肿瘤 组织，大大提高了治疗药物的水平。同时纳米微粒中药物在肿瘤组织的缓慢释 放，能较长时间维持高浓度化学药物水平【3 n 。 影响磁性微球的靶向性因素主要有： 1 、磁性微球本身性质，如磁微球粒径大小，磁铁份含量，药物含量，稳定 性及释药速率： 2 、磁场性质，如磁场强度，磁场剃度和磁场时间，外磁场的类型等； 3 、肿瘤部位的性质，如血管分布，通透性，肿瘤部位，离磁场的距离，肿 瘤部位离给药部位的距离。 1 4 磁流体的稳定性解析 磁流体的优良性质使它在很多领域有广泛的应用前景。但是在磁流体中，由 于固体颗粒在外磁场中都是微小的偶极子，偶极子的互相吸引使微粒间距离缩 小甚至接触；另外磁流体具有很高的表面能高，粒子为了降低自身的表面能而 团聚在一起，距离缩小或接触又会引起范德瓦尔斯引力的增大。当磁微粒的热 震动无法克服这两种引力时，便会聚集成团而沉淀。另外，悬浮在载液中的磁 微粒在重力场或梯度磁场的作用下，沿着磁流体高度或磁场梯度方向会产生浓 度梯度，也会引起磁流体团聚和沉降。以下从磁性粒子的受力来对稳定性进行 解析： ( 1 ) 磁微粒间的磁力吸引【3 2 3 4 】 r 婴业查兰堡圭堂竺堡苎 在磁流体中，众多颗粒在做布朗运动时，磁偶极对之间的磁势能超过其热 运动能时，即使是弹性碰撞，两者的动能也不足也克服磁引力而分开，所以保 持磁流体稳定的第一条件是偶极子对的磁势能小于热运动动能。即： e d d 2 c k o t ( 1 - 1 ) 其中e d d 为偶极子对之间的磁势能，k 。为波尔兹曼常数，t 为温度。而偶极子对 之间的磁势能e d d 为： 乩：一掣 ( 1 - 2 ) 7 2 ( 1 + _ o s ) 3 o p 其中：m 为粒子的饱和磁化强度，d p 为颗粒直径，d s 为粒子间表面距离。 则考虑两颗粒子相互接触时，即d s = 0 ，e d d 有最大值： m a x k t = 一去风m 2 k ( 1 3 ) 则将( 式l - 3 ) 代入( 式1 - 1 ) 只考虑磁性引力得到d p 的限制条件： 、三 d p 一 ( b ) 油酸钠用量为3 0 的f e 3 0 4f t i r f c ) l 油酸钠用量为1 0 0 的f e 3 0 4f t i r 4 0 0 0 3 5 0 03 0 0 0 2 5 0 02 0 0 015 0 01 0 0 05 0 0 w a v e n u m b er ( c m 1 ) 图s 4 未包覆f e 3 0 4 ( a ) ，油酸钠用量为f 。3 0 4 质量3 0 ( b ) 。油酸钠用量为f e 3 0 4 质量1 0 0 ( c ) ，制备后用无水乙醇清洗的f t - i r 综上所述，油酸钠包覆磁流体的过程为：共沉淀法制备磁性粒子在表面吸 附了大量的羟基，在酸性条件下，这些羟基吸附了大量的 r 而使整个粒子带正 电荷。加入的油酸钠电离出带负电的油酸根，油酸根和磁性粒子间由于库仑力 的作用结合在一起，油酸根中的c = o 均裂成两个相等的c 0 单键，同磁性粒 子表面结合形成第一层吸附；这时溶液中还有过量的油酸钠，而油酸钠一端疏 水和另一端亲水，这种驱动力使得溶液中的油酸钠物理吸附在第一层，形成第 二层，因此要形成稳定的吸附必需满足两个条件：一是有一定的驱动力使表面 活性剂向磁性粒子靠拢；二是粒子同表面活性剂必须形成牢固的吸附； 在油酸钠表面化学吸附了单层的油酸根，这同时也得到了t e m 、t g a 的 证实，通过对油酸钠模型单层包覆的包覆量理论和实际计算，均得出了油酸根 在表面单层化学吸附的性质。 ”、 四川大学硕士学位论文 5 4 油酸钠实际包覆质量的计算 5 4 1 通过t e m 计算 图5 5 未包覆的f e 3 0 4 ( a ) 和油酸钠包覆后的f e 3 0 4 ( b ) 的t e m 图5 5 ( a ) 是未包覆的f e 3 0 4 ，( b ) 是油酸钠包覆后的f e 3 0 4 的t e m ，用图 像统计法统计5 0 颗粒子得，未包覆的f e 3 0 4 的直径d = 2 5 n m ，标准差为0 7 r i m 。 包覆过后f e 3 0 4 直径d = 2 8 4 r i m ，标准差为1 3 n m 。 包覆层 图5 , 6f e 3 0 4 包覆结构示意图 为了通过t e m 计算实际包覆量，这里做了以下假设： ( 1 ) 颗粒是均匀的球体，表面活性剂在颗粒表面完全致密包覆。如图5 6 中环状部分代表了表面活性剂分子； ( 3 ) 包覆层的厚度等于包覆后的颗粒半粒减去未包覆的颗粒的半径。通过 t e m 计算，包覆层厚度为1 7 n m 。则用图5 6 中的包覆结构计算一颗粒子的包 覆量：表面油酸包覆体积：v = 兰( d 3 一d 3 ) = 1 9 6 9 n m 3 婴型奎兰堡主兰垡堡茎 表面油酸包覆质量：m o l c a l c 。j d _ 1 9 6 9 + 0 8 9 = 1 7 5 2 n g f e 3 0 4 的体积：3 0 4 = 去d 3 = 4 0 9 0 n m 3 l 二 f e 3 0 4 的质量：m ：e 3 0 4 = 4 0 9 0 + 5 3 = 2 1 6 7 7 n g 表面活性剂同磁性粒子之间的比例：m o i 。i d m r e 3 0 4 = 8 1 5 4 2 通过t g a 计算 童 告 点 皇 i 图5 7 油酸钠用量为f e 3 0 4 质量3 0 ( a ) ，6 0 ( b ) ，1 0 0 ( c ) 的t g a 曲线 上述结果显示，实际包覆在磁性粒子表面的量远低于油酸钠加入量，这是 同油酸钠包覆到f e 3 0 4 过程所决定；而实际包覆在磁性粒子表面的表面活性剂约 为磁性粒子的6 左右，同用单层包覆计算的结果一致。 5 4 3 理论上油酸钠的用量计算 为了计算油酸钠在表面的理论用量，我们采用了b e k o v d k ybm t l l 4 1 建立的 模型来计算。这里作了以下假设： ( 1 ) 颗粒是均匀的球体，表面活性剂在颗粒表面完全致密包覆。如图5 6 中环状部分代表了表面活性剂分子； ( 2 ) d 为表面活性剂的链长，对于油酸，根据油酸主链的键角和c c 链长 计算链长约为1 5 衄； ( 3 ) r 为磁性颗粒的半径，这里通过t e m ，取1 2 r i m 。 通过以上假设，可以得出表面活性剂同f e 3 0 。的体积比： 詈：箫：鲁学球+ 州( 5 - 1 ， m ，岛v l岛 ! 石r ，岛队 r j j 其中m 1 为颗粒的质量，m 2 为表面活性剂的质量，v l 为颗粒的质量，v 2 为表 面活性剂的体积，p 。为颗粒的密度，p2 为表面活性剂的密度。 将r , d 值代入上式求得m 2 m l o 0 6 8 ，得出表面活性剂为颗粒用量质量的 6 8 。即如果形成单层包覆，包覆在磁性粒子上的表面活性剂的质量约为磁性 粒子质量的6 8 。这个结果t g a 的一致。 通过对磁性粒子表面活性剂实际和理论的计算，单层包覆的磁流体表面约有 相当于磁性粒子质量6 8 的表面活性剂，这也说明在磁流体表面形成了单层的 表面活性剂层。 5 5 ，j 、结 1 ) 共沉淀法制备磁性粒子在表面吸附了大量的羟基，在酸性条件下，这些 羟基吸附了大量的旷而使整个粒子带正电荷。加入的油酸钠电离出带负电的油 酸根，油酸根和磁性粒子间由于库仑力的作用结合在一起，油酸根中的c = o 均裂成两个相等的c o 单键，同磁性粒子表面结合形成第一层吸附；这时溶液 中还有过量的油酸钠，而油酸钠一端疏水和另一端亲水，这种驱动力使得溶液 中的油酸钠物理吸附在第一层，形成第二层。 2 ) 磁性粒子表面活性剂的量随着油酸钠加入量的增加而增加，完全包覆时 大约有6 8 包覆在磁性粒子的表面。 4 6 四川大学硕士学位论文 3 ) 制备稳定磁流体的条件：一是有一定的驱动力使表面活性剂向磁性粒子 靠拢；二是粒子同表面活性剂必须形成牢固的吸附； 4 7 四川大学硕士学位论文 第六章磁流体载药微球的初步研究 顺铂( c i s p l a t i n ) i l ”j 是治疗肺癌的常用药物之一，具有广谱、放射增敏、与 多种药物有协同作用等特点。 但是顺铂存在以下重大缺陷【1 1 扣1 2 0 】： 1 ) 顺铂分子量低，在血液循环中转运过快，不能很好的发挥抗癌作用； 2 ) 顺铂一般通过静脉给药，全身化疗，其副作用如胃肠道反应、肾毒性及 骨髓抑制较大； 3 ) 用顺铂长期化疗后，易导致机体耐药 1 2 i i ； 有研究表明顺铂治疗肿瘤的效果同顺铂浓度的高低有关，但是过高的浓度会 杀死正常细胞，因此如何使顺铂富集在肿瘤的病灶部位，降低顺铂的副作用， 成为治疗的关键。有学者将顺铂连接在d n a 上，希望通过d n a 对肿瘤细胞的 靶向性来使顺铂富集在病灶部位，但是由于制备复杂，成本过高，且靶向性不 强，药物滞释时间过长，使得治疗效果改进很小。而磁流体具有良好的物理靶 向性，生物相容性，制备简单成本低，可以准确的到达身体的任何部位，也可 以顺利的排除体外，因此将顺铂同磁流联合起来能够使顺铂准确的到达病灶部 位，有利于提高顺铂的治疗效果1 2 2 。硼。另一方面，磁性粒子到达病灶部位后， 可以施加交变磁场，利用磁性粒子的n e e l 效应使磁流体发热，用磁流体加热疗 的方法治疗肿瘤 1 3 3 1 。研究表明热疗同顺铂联合起来抗癌的效果要好于单独使用 热疗或单独使用顺铂的效果。 6 1 顺铂微球的制备 试验材料：注射用顺铂，小牛血清白蛋白溶液，戊二醛，均为分析纯，f e 3 0 4 磁流体的制备如第三章所述。 顺铂微球的制纠昭7 】：称取3 0 m g 顺铂，加入2 5 w t d , 牛血清白蛋白溶液 l m l ，超声波振荡l o m i n 后，再磁力搅拌1 0 m i n ，加入含f e 3 0 42 7 0m g 的磁流 体，反应4 h ，再滴加0 5 m l2 5 的戊二醛，反应o 5 h 。磁分离蒸馏水洗涤至中 性，干燥。 6 2 顺铂微球的检测 磁性：用磁铁可以很快把包覆后的产物吸过来。 四川大学硕士学位论文 顺铂微球中顺铂的含量：取1 1 0 m g 产物溶解成5 0 m l 溶液，用原子吸收光谱 测出铂的含量为1 6 7 8 p p m 。换算成顺铂球中顺铂的含量为o 1 3 5 w t 。 f e 3 0 4 含量：称取1 0 0 m g 产物溶解成2 0 0 m l 溶液，用e d t a 二钠滴定出铁的含 量，换算成f e 3 0 4 的含量为4 0 9 w t 。 通过以上结果得知，顺铂被成功包覆在磁性粒子表面，且磁性粒子的磁响应 性较好，磁流体可以作为靶向给药载体。 四川大学硕士学位论文 第七章本文的主要结论 本文从提高磁流体的稳定性出发，主要研究共沉淀法制各f e 3 0 4 ，以及油 酸钠包覆f e 3 0 4 磁流体的制备工艺对磁流体稳定性的影响，通过对磁流体表面 结构的分析提出了油酸钠包覆磁流体的机理，得出了以下主要结论： 1 ) 在共沉淀法制备f e 3 0 4 中，反应温度主要影响磁性粒子的结晶度，进而 影响磁性粒子的磁性；而反应浓度主要影响磁性粒子的生长速度，进而影响磁 性粒子的颗粒大小。得到了制备f e 3 0 4 的最佳温度是7 5 ，最佳浓度是 0 5 m o l l 。 2 ) 油酸钠包覆磁流体的反应最佳p h 值是5 5 ，载液的p h 值是1 0 ：油酸 钠同磁性粒子间形成化学吸附，降低了磁性粒子的表面能，增加了粒子问的阻 力，大大提高了磁流体的稳定性。由于表面活性剂在磁性粒子表面的钉扎包覆 后的磁性粒子的饱和磁化强度小于未包覆的磁性粒子。 3 ) 油酸钠化学吸附在第一层，多余的油酸钠物理吸附在第二层。我们提出 了形成良好稳定性磁流体的表面结构条件：一是必须有一定的驱动力使表面活 性剂向磁性粒子靠拢；二是粒子同表面活性剂必须形成牢固的吸附；油酸钠包 覆磁流体的过程：共沉淀法制各磁性粒子在表面吸附了大量的羟基，在酸性条 件下，这些羟基吸附了大量的h + 而使整个粒子带正电荷。加入的油酸钠电离 出带负电的油酸根，油酸根和磁性粒子间由于库仑力的作用结合在一起，油酸 根中的c = o 均裂成两个相等的c 0 单键，同磁性粒子表面结合形成第一层吸 附；这时溶液中还有过量的油酸钠，而油酸钠一端疏水和另一端亲水，这种驱 动力使得溶液中的油酸钠物理吸附在第一层，形成第二层。但是物理吸附的第 二层并不牢固，很容易被洗掉，而化学吸附的第一层则很牢固。油酸钠包覆后 的这种特性可以使磁流体分散在极性和非极性溶液中。 4 ) 磁流体可以作为靶向载药给药的载体。 婴型查兰堡圭兰堡丝苎 参考文献 f 1 】w i l s o nb ，a c c o u n to f d rk r d g h t sm e t h o do f m a k i n ga r t i f i c i a ll o d e s t o n e p b i l t r a c s a c t , 1 9 7 9 【2 】b i t t e rf p h y s i c a lr e v i e w , 1 9 3 2 ，4 1 ，5 0 7 【3