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硕士论文生物可降解磁性纳米球的制备与机理研究 摘要 生物相容和生物可降解磁性纳米球是由具有生物相容性和生物可降解性的物质包 覆纳米磁性材料制备而成的，它不但具有高分子磁性纳米球的多功能基团性和强磁性， 而且由于其壳层材料是天然绿色的材料，因此它比普通高分子磁性纳米球有更广阔的应 用前景，尤其是在医学领域。本文基于磁靶向纳米给药系统，采用两种新颖的、绿色的 方法制备出了两种生物相容和生物可降解磁性纳米球，并对制备工艺进行优化，得到各 自的较优制备方案，同时还详尽阐述了制备机理，具体内容如下： ( 1 ) 以油酸( 0 a ) 与十一烯酸( u a ) 共同修饰的f e 3 0 4 为磁核，环己烷为中介， 牛血清蛋白( b s a ) 为壳层组分，创新地用超声化学法制备了牛血清蛋白包覆f e 3 0 4 ( f e 3 0 邝s a ) 磁性纳米球。着重探讨了b s a 用量、磁流体浓度和用量、超声时间、超 声功率、预乳化和水冷等因素对实验的影响，并获得了较优制备方案。在此方案下制备 的样品通过f t - i r 、t e m 、s e m 、t g 以及v s m 等分析手段进行了表征，结果表明纳米 球壳层明显，粒径小( 约1 0 0n m ) ，成球性和分散性好，官能基团多，磁感应性较强( 饱 和磁化强度为3 8 5e m u g ) ，且具有超顺磁性，纳米球中f e 3 0 4 的含量为5 7 6 。本文对 超声化学法制备f e 3 0 4 b s a 磁性纳米球的形成机理进行了详细分析和阐述，并通过对比 实验进行了验证。 ( 2 ) 对低温水热法制备含碳多聚糖微球和含碳多聚糖包覆f e 3 0 4 ( f e 3 0 4 c p ) 磁性 纳米球的方法进行了改进，以微量n a o h 为催化剂，产率和包覆效果都大幅提高。对此 本文同样也获得了较优制备方案，在此方案下制备的f e 3 0 4 c p 磁性纳米球，通过v s m 分析可知，其饱和磁化强度高达6 0 6 2 9e m u g ；通过红外分析可知，纳米球壳层为含碳 多聚糖，具有丰富的羟基和羰基：从热失重曲线可看出，纳米球的f e 3 0 4 含量很高，达 到8 1 7 ；t e m 图显示，纳米球的壳层明显，粒径在3 0 0n n l 以下。本文还证明了f e 3 0 4 纳米粒子粒径较小时( 小于2 0n m ) ，用此法不能制备出以单个f e 3 0 4 粒子为核的复合球 体，而是形成无定型团聚体，并分析了原因。本文对含碳多聚糖微球以及f e 3 0 4 c p 磁 性纳米球的形成机理进行了解析，并提出了独到的见解。 关键词：f c 3 0 4 b s a 磁性纳米球，f e 3 0 4 c p 磁性纳米球，含碳多聚糖微球，超声化 学法，水热法，磁流体 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t b i o c o m p a t i b l ea n db i o d e g r a d a b l em a g n e t i cn a n o s p h e r e sa r es y n t h e s i z e db yc o a t i n g m a g n e t i cm a t e r i a l s 试mb i o c o m p a t i b l ea n db i o d e g r a d a b l em a t e r i a l s t h e yn o to n l yh a v e s u r f a c ef u n c t i o n a l i t ya n dh i g hm a g n e t i cr e s p o n s i v e n e s sa st h ep o l y m e rn a n o s p h e r e s ，b u ta l s o h a v es h e l l sm a d ef r o mn a t u r a la n dg r e e nm a t e r i a l s ，s ot h e i rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sa l em u c h g r e a t e rt h a nn o r m a lp o l y m e rn a n o s p h e r e s ，e s p e c i a l l yi nm e d i c i n ef i e l d m a g n e t i cn a n o s p h e r e s s y n t h e s i z e di nt h i sp a p e ra r eb a s e do nm a g n e t i ct a r g e t e dn a n o p a r t i c l ed r u gd e l i v e r ys y s t e m t w ok i n d so fb i o c o m p a t i b l ea n db i o d e g r a d a b l em a g n e t i cn a n o s p h e r e sw e r es y n t h e s i z e db y t w od i f f e r e n tn o v e lm e t h o d si nt h i sp a p e r t h e i ro p t i m a ls y n t h e s i sc o n d i t i o n sw e r eg o ta n d t h e i rf o r m a t i o nm e c h a n i s m sw e r ee x p o u n d e d t h ed e t a i l sa r ed e s c r i b e da sb e l o w ： ( 1 ) f e 3 0 4m o d i f i e db yo aa n du a a st h ec o r e s ，b o v i n es e r u ma l b u m i n ( b s a ) a st h e s h e l l sa n dc y c l o h e x a n ea st h ea g e n c y , f e 3 0 4 b s am a g n e t i cn a n o s p h e r e sw e r es y n t h e s i z e db y s o n o c h e m i c a lm e t h o d t h ee f f e c t so fv a r i o u sf a c t o r si nt h ee x p e r i m e n t sw e r es t u d i e d ， i n c l u d i n gb s ad o s a g e ，f e r r o f l u i d sc o n c e n t r a t i o na n dd o s a g e ，u l t r a s o n i ct i m e ，u l t r a s o n i c p o w e r , p r e e m u l s i f i c a t i o na n dw a t e rc o o l i n g a tl a s t ，o p t i m a lc o n d i t i o n sw e r eg o t c o a t i n g e f f e c ta n ds t r u c t u r eo ft h en a n o s p h e r e ss y n t h e s i z e du n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r et e s t e d a n dc h a r a c t e r i z e d b yf t - i i lt e m ，s e m ，t ga n dv s m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en a n o s p h e r e s h a v ec l e a rc o r e s h e l ls t r u c t u r e ，s m a l ls i z e ( a p p r o x i m a t e l y10 0n m ) ，g o o ds p h e r i c i t ya n d d i s p e r s i b i l i t y , a b u n d a n tf u n c t i o n a lg r o u p s ，l a r g es a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o n ( 3 8 5e m u g ) a n d s u p e r p a r a m a g n e t i s m ，h i g hf e 3 0 4c o n t e n t ( 5 7 6 ) t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ff e 3 0 4 b s a m a g n e t i cn a n o s p h e r e ss y n t h e s i z e db ys o n o c h e m i c a lm e t h o dw a sa n a l y s e da n de x p o u n d e di n d e t a i l ，a n di tw a sp r o v e dt h r o u g hc o n t r a s te x p e r i m e n t s ( 2 ) l o w - t e m p e r a t u r eh y d r o t h e r m a lm e t h o dw a sm o d i f i e db yu s w i t ht h i sm e t h o d , c a r b o n a c e o u sp o l y s a c c h a r i d em i c r o s p h e r e sa n dc a r b o n a c e o u sp o l y s a c c h a r i d ec o a t e df e 3 0 4 ( f e 3 0 4 c p ) m a g n e t i cn a n o s p h e r e sw e r es y n t h e s i z e d i tw a sd i s c o v e r e dt h a tt h ey i e l da n d c o a t i n ge f f e c tw i l lb ei m p r o v e d 、析也t h eh e l po fl i t t l en a o h t h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r e a l s of o u n dt h r o u g hal o to fe x p e r i m e n t s v a r i o u sp r o p e r t i e so ft h ef e 3 0 4 c pm a g n e t i c n a n o s p h e r e ss y n t h e s i z e du n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r et e s t e da n dc h a r a c t e r i z e d t h e y s h o w e dh i g hs a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o n ( 6 0 6 2 9e m u g ) i nt h ev s mt e s t , h i g hf e 3 0 4c o n t e n t ( 81 7 ) i nt h et gt e s t t h et e mi m a g e ss h o wt h a tt h e i rp a r t i c l es i z ei sl e s st h a n3 0 0a m i t w a sd e m o n s t r a t e dt h a tf e 3 0 4 c pm a g n e t i cn a n o s p h e r e sc a nn o tb e s y n t h e s i z e dw i t h h y d r o t h e r m a lm e t h o db u tu n f o r m e da g g l o m e r a t e sw h e ns m a l ls i z ef e 3 0 4p a r t i c l e s ( 1 e s st h a n n 硕+ 论文 生物可降解磁性纳米球的制备i 机理研究 2 0n l t i ) w e r eu s e da st h ec o r e s ，a n dt h er e a s o n sw e r ea n a l y s e d t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m so f c a r b o n a c e o u sp o l y s a c c h a r i d e m i c r o s p h e r e s a n df e 3 0 4 c pm a g n e t i cn a n o s p h e r e sw e r e i n f e r r e d ，a n du n i q u ev i e w p o i n t sw e r ep u tf o r w a r di nt h ep a p e r k e y w o r d s ： f e 3 0 4 b s am a g n e t i cn a n o s p h e r e ， f e 3 0 4 c pm a g n e t i cn a n o s p h e r e ， c a r b o n a c e o u sp o l y s a c c h a r i d em i c r o s p h e r e ，s o n o c h e m i c a lm e t h o d ，h y d r o t h e r m a lm e t h o d ， f e r r o f l u i d i l l 声明 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，除了加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已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：羽1 拯垒力加年月加日 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： 圣：撂友2 0 。年月力日 硕士论文生物可降解磁性纳米球的制各与机理研究 1 绪论 纳米科技与生物科技将是继信息科技之后2 1 世纪科技发展的前沿，尤其是将纳米 科技与生物科技结合更是一种新兴前沿技术，这种技术在生物医学领域的优势正日益显 现，应用范围也在不断扩大，一度成为科研的热点，关注度也在不断提高。这两种科技 结合的一个最常用和直观的产物就是具有各种不同功能的纳米球。它的应用范围非常 广，尤其是作为药物载体，其优点是体积比细胞小，易被组织细胞吸收，经特殊加工后 可对人体组织和器官定向给药，从而开辟生物医药学研究的新途径0 , 2 j 。 在众多的纳米球中，磁性纳米球因其具有显著的表面效应和体积效应，而且它在外 加磁场条件下可控运动，所以在影像诊断、分离纯化、免疫测定、靶向给药等生物医学 领域具有广泛的应用。而且近十年来，磁性纳米球正逐渐成为材料和生物医药领域的研 究焦点【3 l ，尤其是在肿瘤的磁靶向药物放疗方面，更是突显出其独特的优势，而本论文 正是基于磁靶向纳米给药系统制备出生物可降解和生物相容性的磁性纳米球。下文中将 介绍磁靶向纳米给药系统。 1 1 磁靶向纳米给药系统 纳米给药系统( n a n o p a r t i c l ed r u gd e l i v e r ys y s t e m ) 是指以药物与药用材料一起形成 的粒径小于1 0 0 01 1 1 1 1 的微球为载体的纳米级药物输送系统。这种球类载体主要包括纳米 粒、纳米球、纳米囊、纳米脂质体、纳米级乳剂等。纳米给药系统的性能有：( 1 ) 增强 药物的吸收；( 2 ) 控制药物的释放；( 3 ) 改变药物在人体内的分布特征和增加药物的安 全性；( 4 ) 增强药物稳定性；( 5 ) 增加药物的靶向性和疗效。 纳米给药系统中最重要的一种为靶向纳米给药系统。靶向纳米给药系统( t a r g e t i n g d r u gd e l i v e r ys y s t e m ) ，是指药物能通过局部或全身血液循环而浓集定位于靶器官、靶 组织、甚至靶细胞的一种给药系统。理想的靶向纳米给药系统应具备定位蓄积、控制释 药、无毒和可生物降解这4 个要素。因此，靶向纳米药物的载体至关重要，它应具备以 下特点1 4 1 ：( 1 ) 颗粒小，能在循环中通过毛细血管到达靶部位；( 2 ) 载体能够较好地负 载药物，使药物的载药量足够高，以满足在靶区的治疗浓度；( 3 ) 经过外包装的药物在 靶位点释放，仍应具有足够的生物学活性；( 4 ) 能够定位于靶位点，有足够的循环半衰 期以确保到达靶部位；( 5 ) 载体的生物相容性好，其降解产物能被机体清除或对机体无 害；抗原性小，热源性小，不易形成血栓。 靶向纳米给药系统可分为磁靶向纳米给药系统和生物靶向纳米给药系统。生物靶向 纳米给药系统主要借助一些生物大分子之间的一些特殊的作用，如抗原抗体之间的结 合，来达到靶向定点给药的效果，属于主动靶向；而磁靶向纳米给药系统是靠外加磁场， 碗l ：论文 引导载药磁性纳米球至病变部位柬实现靶向给药，属于被动靶向。 磁靶向纳米给药系统是近年来研究的一种新型靶向纳米给药体系，在一些疾病治 疗尤其是在肿瘤的治疗方面具有诱人的应用前景。所谓磁靶向给药，是通过对磁性纳 米球的表面功能化使其能携带药物，甚至可以实现其p h 敏、热敏等特点，以作为药物 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h j 。磁靶向给药系统的老观模拟州如图1l ( a 1 ，图中血管内黑色 物质代表药物，左图为普通给药，药物遍布全身血管，右图为磁靶向给药，在肝脏处施 加磁场，药物集中在肝区；碰靶向给药的微观模拟”如图1l 在外磁场的作用下， 磁性纳米球在血管中流动到磁场位置就被吸住，由于血管有一定的孔径，当磁性纳米球 足够小时就可穿越毛细血管管壁而到达组织，于是便通过磁场介导入病患部位发挥效 用。 s 州“* c h u 口m h 删 州kt r 呷l n q 图1l 磁靶向给药宏观和微观模拟图：( a ) 宏观模拟；( b ) 微观模拟 f i g ii t i l es c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f m a g n e t i c t a r g e t e dd r u g d e l i v e r ：( 曲m a c r o s c o p i cv i e w , ( b ) m i c r o c o s m i cv i e w 磁靶向纳米给药系统分为磁靶向放疗纳米给药系统和磁靶向化疗纳米给药系统。磁 靶向放疗纳米给药技术突出点在于磁靶向放疗是将放射性核素( 如r e l 8 8 、y 9 0 等) 螫 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，发挥靶向放疗作用。磁靶向化疗纳米给药技 术则是将化疗药物( 如阿霉素、紫杉醇等) 包裹在磁性纳米球内部，借助于该磁性纳米 球在磁场中的磁敏感性能，以使化疗药物定位地聚集在病灶区，在一定条件下释放发 挥靶向化疗作用。 目前磁靶向纳米给药系统主要用于肿瘤的治疗，由于其昆好的磁靶向性及借助肿瘤 组织与正常组织结构上的差别( 肿瘤组织细胞的通透性处于亢进状态) ，使得磁性纳米 镬 q 了， 蚤 硕士论文生物可降解磁性纳米球的制备与机理研究 球可选择性地聚集于肿瘤组织，提高治疗部位药物浓度，纳米球中药物在肿瘤部位的缓 慢释放，能够较长时间维持高浓度药物水平瞵j 。 磁靶向纳米载药系统通常由磁性核体材料、骨架材料、药物( 主要是抗肿瘤药物或 放射性核素) 及其它辅料组成【9 】，其可通过静脉、动脉导管、口服或注射等途径给药。 磁靶向纳米药物载体包括磁性纳米粒、磁性微球、磁性纳米球、磁性纳米脂质体、磁性 纳米微乳和磁性纳米胶囊等。目前，磁性纳米球是磁靶向纳米药物载体的研究热点。 在实际应用中，磁性纳米球的大小、电荷和表面化学性质会影响药物在体内的循环 时间和药划。磁性纳米球太大则易被吞噬细胞所吞噬，太小则易被脾脏和肾脏所过滤， 粒径在1 0 - 3 0 0n m 为宜。因为人体血液循环系统适宜亲水性药物的运输，所以通过静 脉注射导入人体的磁性纳米球一般要做成亲水性的( 用于淋巴循环系统的除外) 。 磁靶向纳米药物载体用于装载治疗用的放射性同位素。这种方法相对于外部放射治 疗的好处是剂量可以增加，提高癌细胞根除的几率，而很少伤害附近正常的组织。和化 疗不同，放射性核素不是被释放，而是借助磁性载体将其运送和储存在目标位置进行辐 射。一旦载体不再具有放射性，不久载体自身也会发生生物降解。 磁靶向纳米药物载体还可以使肿瘤的放疗或化疗和热疗同步进行。用体外磁场介导 将磁性粒子定位于肿瘤部位，然后利用体外立体导向磁场聚集定位设备诱导具有超顺磁 性的磁性纳米粒子发热，因癌细胞比正常细胞对温度更敏感，所以在温度略高于体温时 就可逐渐凋亡，将放疗和热疗结合可增强肿瘤的治疗效剽1 1 j 。 磁靶向纳米给药体系中最重要的是磁靶向纳米给药载体即磁性纳米球的制备。磁性 纳米粒子的制备方法有物理法( 机械研磨法) 和化学法( 化学共沉淀法、沉淀氧化法等) 。 磁性纳米球的制备方法很多，因壳层材料而异，若苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯等化学单体 用于制备壳层，常用单体聚合的方式如：细乳液聚合、无皂乳液聚合、分散聚合等；若 用天然高分子材料如b s a 、纤维素、海藻酸等作壳层材料，常用热变性法、离子交联固 化法、化学固化法等。下文将给予介绍。 1 2 磁性纳米球的概述 1 2 1 磁性微球的结构与分类 磁性纳米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、特殊结构且粒径达到纳米级的复合球体。 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。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) ，其中f e 3 0 4 的应用又相对较多，因为铁氧体易被做成具有超顺磁性的纳米颗 粒对后期包覆更有利。 3 碗l 论立 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，这些材料都具有定的通适性，对人体无毒性旧。 从结构上来说，磁性纳米球晟常用的有两类：核壳结构型的和弥敞结构型的。图12 所示为本课题组前期研究中制各的这两种类型的磁性纳米球的t e m 图。 图i2 磁性纳米球t e m 图：( 8 ) 核壳结构；( b ) 弥散结构 f 咯f 2 t e m i m a g e s o f d i f f e r e ms t c m m m a g n e t i cs p h e r e s ：( 曲c o r e s h e l ls t n j g d r e ，( b ) d i f f u s i o n m r i g d i r e 1 2 2 磁性纳米球用于药物载体时应具备的性质 功能化的磁性纳米球不但具有磁性，在外加磁场的作用下能快速、简单的分离，同 时连具有能够与生物活性物质反应的特殊功能团，可以作为生物活性物质的载体，因此 它们在生物工程( 固定化酶) 、生物医学( 靶向给药、临床诊断) 、细胞学( 细胞分离、细胞 标记1 等领域的应用很广，研究也日益活跃。用作药物载体的磁性纳米球就是一种特殊 功能化的磁性纳米球，它应具各以下性质： 1 ) 磁核有超顺磁性 当磁性粒子的体积或磁畴体积小到可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。具有超顺磁性的材 料在外加磁场的作用f ，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，而且磁化率远高于一般顺磁性物质的磁化率。一般来说当磁性 四氧化三铁晶体的粒径小于3 0a m 时，具有超顺磁性，即在外加磁场中具有强的磁性， 没有磁场时磁性很快消失。具有趣顺磁性的四氧化三铁作为磁核可使生物高分子纳米球 在外加磁场作用下方便的进行磁性导向，而且去除外加磁场后，磁性纳米球不会产生磁 场，从而不会干扰人体自身的磁场，对身体无害。同时碰核具备超顺磁性可用于肿瘤热 硕士论文生物可降解磁性纳米球的制备与机理研究 疗。 2 ) 生物相容性 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 生物相容性。多数生物高分子如明胶、羧甲基纤维素、多聚糖、蛋白质类具有良好的生 物相容性。它们在人体内安全无毒，可降解，不具免疫原性，这种性质在靶向放疗中尤 其重要。 3 ) 功能基特性 不同用途的纳米球应具有不同的功能基团，以便发挥不同的效应，而生物高分子有 多种活性功能基团，如o h 、c o o h 、c h o 、- n h e 等，所以是理想的壳层物质，微球 表面的功能基团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官能团，可根据具体需要而变。 4 ) 分散稳定性 磁性纳米球在溶液中分散性和稳定性的好坏直接关系到其生物应用能力。目前开发 出的磁性纳米球在使用过程中，通常因外层包覆体不够稳定而失去部分磁性还有磁性纳 米球在不同的溶剂和温度条件下溶胀、收缩或溶解而易使反应活性点被包埋或失去。因 此，应提高磁性纳米球的稳定性和分散性。 5 ) 粒径适宜且均一 纳米球粒径要足够小，能够自由通过最小内径的毛细血管管壁，不会发生异位栓塞 和滞留，不被内皮网状系统和其他正常细胞吞噬和摄取。但不能过小，不然载药量少， 而且易被肾脏过滤掉。 6 ) 具有较好的磁响应性 磁性纳米球应具有较好的磁响应性，在靶部位置外磁场后，载体能够完全滞留在靶 部位。这就要求磁性纳米球应具备较高的磁性物质含量。 1 2 3 磁性纳米球在磁靶向放疗方面的应用 磁性纳米球的磁靶向放疗就是将放射性核素与磁性纳米球相结合，在外加磁场导向 下，将放射性核素运输至肿瘤部位对其进行辐射而达到治疗的目的。负载放射性核素的 磁性纳米球具有在磁场作用下局部浓集、不易被r e s 细胞吞噬、对病灶区周围正常组 织辐射损伤小以及磁感应性强的优点。 国外h 冱f e l i 等人制备了用于附载离子形式的9 0 y 的磁性微球，这些平均粒径为1 0 3 0l u n 的微球具有很高的磁敏感性，将其通过静脉注射到动物的肿瘤区，运载到肿瘤区 的放射性活度的量与常规放疗相比由6 上升到7 3 ，而且最终能够使2 3 的肿瘤消失 f 1 3 】。因此，将这些磁靶向放射性聚合物微球用于局部和腔内照射放疗具有十分广阔的前 景，能够真正满足适形调强的放射治疗要求。 i 绪论硕士论文 同其它放射性核素相比，放射性核素1 8 8 r e 半衰期较短( t u 2 = 1 6 9h ) ，p 射线最大 能量为2 1 2m e v ，在组织中的平均射程为4m m ，大大减低了对周围正常组织的损害， 而且瑚r e 还含有约1 5 的1 5 5k e v 适合于显像的t 射线，便于对病变组织进行定位和 观察，这正顺应了调强放疗的未来发展方向，即将治疗机与诊断用影像设备结合在一起。 治疗时采集有关的影像信息，确定治疗靶区。虽然1 8 8 r e 和9 0 y 的p 能量类似，但是不 会像那样沉积在骨骼中而引起严重的骨髓抑制现象【1 4 1 。因此，1 8 8 r e 是一种安全而 有效的放射性核素，也是今后理想的肿瘤治疗用核素，具有广阔的应用前景。 国内外学者在磁性微球的肿瘤磁靶向放疗方面进行了广泛的研究，国外的学者做的 最好的是h 讧；e l i 研究团队，尤其是他们对标记1 8 8 r e 的磁性微球在肿瘤放疗上的应用方 面进行了较细致的探索【l 引。国内方面做的最好的是中科院上海应用物理研究所，如李贵 平等【1 6 1 将h e r 2 n e u 癌基因的人源性单克隆抗体h e r c e p t i n 连接在磁性纳米微粒上，旨 在实现磁靶向与生物靶向的结合。实验结果表明，磁性复合纳米微粒的平均粒径为6 0 n l l l ；憾8 r e 的标记率大于9 0 ；在小牛血清中具有良好的稳定性；小鼠体内分布实验显 示瑚r e 标记的磁性纳米微粒血循环时间较长，在肝内有较多的摄取。另外，他【l7 j 还采 用氨基硅烷化修饰的磁性纳米微粒与抗c e a 单抗交联制备免疫磁性纳米微粒，并对 瑚r e 进行标记。结果表明标记率和体外稳定性都较高，证明了生物靶向与磁靶向结合 治疗肿瘤的可能性。张春富等【l8 】采用了乳化热固化法制备了人体血清蛋i 刍( h s a ) 包覆 f e 3 0 4 的磁性微球，并用放射性元素1 8 8 r e 标记，研究最适宜的标记条件及标记稳定性。 结果显示在3 7 的牛血清蛋白中，2 4h 之后没有1 8 8 r c 从磁性微球上释出，4 8h 之后 约有9 8 的埽8 r e 仍保留在磁性微球上。从而证明了此种磁性微球能够用于磁靶向放疗。 1 3 磁性纳米球的制备 1 3 1 磁流体的制备方法 磁性纳米球的制备中首先是磁流体的制备，磁流体( m a g n e t i cf l u i d ) 也称为铁流体 ( f e r r o f l u i d ) 或超顺磁性流体( s u p e r m a g n e t i cf l u i d ) ，是经表面活性剂或其他修饰剂改性过 的磁性纳米粒子分散在一定介质中而形成的一种稳定的胶体体系，它是具有磁性、可流 动的液体。磁流体最突出的特性是既具有液体的流动性，同时又具有固体磁性材料的磁 性，因此在外加磁场作用下，改性过的磁性粒子可迅速从分散介质中分离出来，撤去外 部磁场，给与一定的搅动，磁性粒子又可重新分散于介质中恢复成磁流体，而且不会因 此出现团聚。这种优良的特性，决定了磁流体必将具有广泛的应用，尤其是在制备磁性 纳米球领域，磁流体制备的好坏直接决定了后期包覆和成球性的好坏。磁流体大致可分 为水基磁流体和油基磁流体。这两种类型的磁流体的制备方法是不同的，但有一个共同 点就是都要先制备出磁性纳米粒子，然后再对其改性或修饰。 6 硕士论文 生物町降解磁性纳米球的制各与机理研究 在众多的磁流体中，应用最广的是f e 3 0 4 磁流体，因为它的制备方法简单、粒径小 且呈现超顺磁性、磁性强、无毒和生物相容性好。对于磁靶向纳米给药载体来说，以 f e 3 0 4 作磁核更是一个最佳选择，因为其他类型的铁氧体几乎都对人体有害，而动物体 内本身就可产生f e 3 0 4 粒子，如海龟和鸽子等动物的导航就是靠地磁场引导它们体内的 f e 3 0 4 影响大脑机能而实现的，足见它的生物相容性。本课题亦选择f e 3 0 4 磁流体，下 文将研究它的制备方法。 1 3 1 1 四氧化三铁的制备 欲制备f e 3 0 4 磁流体通常先要制备出f e 3 0 4 纳米粒子。制备方法主要有物理法( 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f e 3 0 4 磁流体较多的方法，下文将主要介绍化学法。 1 ) 化学共沉淀法u 9 1 化学共沉淀法是制备f e 3 0 4 纳米粒子最经典的方法，因为它简便易行，不需要复杂 的仪器及设备，却可以得到磁感应性强、粒径均匀、纳米级的产物。共沉淀法是将铁盐 和亚铁盐按一定比例溶于蒸馏水中配成溶液，选用适当的碱性沉淀剂( 如n a o h 、 n h a h 2 0 等) 进行共沉淀，生成f e 3 0 4 产物的方法。通过调节工艺条件，方可得到性能优 良的f e 3 0 4 粒子。其反应机理如式( 1 1 ) 所示： f e 2 + + 2 f e 3 + + 8 0 h _ f e 3 0 4 + 4 h 2 0( 1 1 ) 以化学共沉淀法制备的f e 3 0 4 粒子，最初晶体结构并不完整，其饱和磁化强度较低， 需经加热保温熟化处理( 8 5 ，半小时) ，才能完善它的晶体结构，进而提高它的饱和 磁化强度。因为熟化过程可促进f e 3 0 4 粒子晶体结构的完整化，晶体结构完整的f e 3 0 4 磁性更强；同时，熟化过程可利用高温将f e 3 0 4 粒子中掺杂的杂质溶解分离，这就提高 了f e 3 0 4 粒子的纯度，从而提高其磁性。 以化学共沉淀法制备的f e 3 0 4 磁性粒子的平均粒径一般小于1 0n l r l ，磁性能较强， 而且呈超顺磁性，还有一个重要优点就是可使其表面富含羟基，便于下步的改性或修饰。 2 ) 沉淀氧化法1 2 0 】 沉淀氧化法是先将亚铁盐溶液和碱性溶液混合生成f e ( o h ) 2 ，然后再加入氧化剂部 分氧化生成f e 3 0 4 。其反应如式( 1 2 ) 和( 1 3 ) 所示： f e p + 2 0 h 。一f e ( o h m ( 1 2 ) f e ( o h ) 2 + 0 2 _ f e 3 0 4 + h 2 0( 1 3 ) 常用的氧化剂有0 2 、h 2 0 2 和硝酸盐。氧化法制取的四氧化三铁纳米粒子也近似球 形，但较共沉淀法制取的四氧化三铁纳米粒子，其平均粒径较大。用氧化法制取四氧化 三铁纳米粒子时应注意，温度不得低于3 0 ，否则会生成针状的a - f e o o h 。而且在 f e ( o h ) 2 转变为f e 3 0 4 时，反应温度和所鼓入空气在反应液中的分布均匀性会影响生成 的f e 3 0 4 粒子粒径均匀程度。 7 i 绪论 硕士论文 3 ) 热解法 热解法制备f e 3 0 4 ，最常用的是五羰基铁热解法和乙酰丙酮铁热分解法。 五羰基铁热解法【2 l 】是利用f e ( c o ) 5 在2 2 0 ( 2 和氮气保护条件下回流lh 热解生成f e ， 然后再降温暴露在空气中使其氧化得到f e 3 0 4 ，然而此法通常是与改性同时进行，因为 如果不这样，f e 3 0 4 会很快氧化成f e 2 0 3 。 乙酰丙酮铁热分解法【2 2 之4 】是制备f e 3 0 4 比较新的方法，此法最可取之处就是可随意 调整f e 3 0 4 的粒径。该法是在有机溶剂( 如苯甲醚) 中完成，用月桂胺、月桂酸等捕捉 刚形成的晶体，温度一般要达到2 0 0 以上，氩气保护。粒径是通过改变加热时温度上 升的速率和最终温度，还有选用不同分子链的捕捉剂而改变的。从而可以人为控制晶体 粒径，它是一种比较好的方法，只是步骤稍微麻烦。相信在将来将有广泛的用途。 4 ) 溶剂热合成法1 2 5 】 溶剂热合成法制备f e 3 0 4 一般步骤是t 将一定量的高铁盐和多元醇( 一般为乙二醇) 以及成比例的无水乙酸钠的体系置于反应釜中，于高温高压的条件下，反应一定的时间， 然后自然冷却，得到产品。在溶剂热反应中，多元醇除做溶剂外还充当了还原剂，将三 价铁离子还原成二价，进而与弱碱反应生成f e 3 0 4 。溶剂热合成法有一个优点就是，可 通过调节反应时间，得到不同粒径的产品，而且产品粒径均匀，分散性好，成球形。 1 3 1 2 磁流体的制备 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，即很容易团聚。而大粒径的磁性粒子团聚体会给 后续磁性纳米球的制备带来困难，因此，必需要对所制备的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。另外，磁性粒子表面带有大量的o h ( 尤其是用 共沉淀法制备的) ，易在水中分散而不易在油相中分散，若制备油基磁流体，改性更是 必不可少的。用油溶性改性剂对磁性纳米粒子进行表面改性，可赋予其表面亲油性，以 增强与聚合单体的亲和性，最终达到包覆的目的。磁性纳米粒子的表面改性主要通过以 下几种方式来实现： 1 ) 用表面活性剂改性 表面活性剂的改性机理有两种：一种是吸附改性，即靠表面异性电荷的静电作用或 相应官能团的络合，在晶体表面形成单分子吸附层，起到改性的目的，这种改性方法制 备的磁流体具有不稳定性，易受外界环境的影响，所以不可以长时间放置和反复利用； 另一种是靠表面活性剂与纳米粒子表面羟基反应形成修饰层，这种改性是永久的，不因 外界条件( 如温度、p h ) 变化而失效，由这种改性方法制备的磁流体稳定性好、性能优 良，所以被广泛应用的磁流体都是用此法制备的。 常用的表面活性剂有油酸、油酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二 醇和一些生物大分子表面活性剂等。其中最常用的是油酸，因为可利用其羧基与f e 3 0 4 8 硕 论文生物可降解磁性纳米球的制各与机理研究 表面羟基反应，从而接枝在f e 3 0 4 表面。王煦漫掣2 6 】用共沉淀制备了包覆油酸i 拘f e 3 0 4 纳 米粒子，所得粒子分散性较好，油酸的加入有利于粒径的减小，所制备的磁流体乌黑发 亮且与水分离较好。而本课题组用油酸和十一烯酸共同修饰f e 3 0 4 5 i 备出疏水性大球体， 完全与水分离开，油溶性非常好。 2 ) 硅烷偶联剂处理 硅烷偶联剂实质上是一类具有有机官能团的硅烷，在其分子中同时具有能和 无机材料化学结合的反应基团及与有机物质相容或化学结合的反应基团。硅烷偶联 剂的分子结构可用通式r - s i x 3 来表示。x 通常是氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙 氧基、乙酰氧基等，这些基团水解时即生成硅醇( s i ( o h ) 3 ) ，硅醇中的羟基可与 无机物表面的羟基通过脱水缩合而将二者连接；r 是乙烯基、氨基、环氧基、甲基 丙烯酰氧基等，r 基团的种类决定了修饰后无机粒子与水或各种有机溶剂的相容性 和反应性，选用合适的硅烷偶联剂可以将无机粒子做成亲水性的或亲油性的。 一般具有长链r 基团的硅烷偶联剂，可将无机粒子修饰成亲油性的，在二者之间起 到桥梁作用。而用具有短链r 基团和多羟基的硅烷偶联剂来修饰无机粒子，可增强其亲 水性，提高其分散性。硅烷偶联剂与无机粒子作用机理如图1 3 所示【2 7 】： r s i x 3 + 3 h 2 0 r si ( o h ) 1 + 嚣卫婴f 阉 图1 3 硅烷偶联剂与无机粒子的作用机理 f i g 1 3t h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo fs i l a n ec o u p l i n ga g e n tw i t hi n o r g a n i cp a r t i c l e s 硅烷偶联剂通常用于无机物增强树脂基复合材料领域，用在制备磁流体方面的不是 很多，但效果却很显著。如刘峥【2 8 j 用硅烷偶联剂k h - 5 5 0 对磁性f e 3 0 4 微粒表面进行了 改性，结果表明磁流体的磁响应性能比改性前没有减弱，而沉降稳定性能却提高了；x u l i x i n g 2 9 1 用氨基硅烷偶联剂3 - a p t e s 对磁性f e 3 0 4 进行表面修饰，修饰后磁性纳米粒子 粒径为1 3 3a m ，不但分散性得到改善，而且粒子稳定性得到了增强。值得注意的是， 在制备高分子磁性纳米球时，要根据聚合单体来选择用来修饰f e 3 0 4 的硅烷偶联剂，以 使磁流体与单体有很好的相容性和反应性，才能达到理想的包覆效果。 3 ) 两种表面改性剂相结合 研究发现仅用一种表面改性剂修饰磁性粒子时，制备的磁流体不稳定，磁性粒子很 快沉降：而用两种可协同作用的表面改性剂时则可得到能够稳定很长时间的磁流体。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( 如图1 4 ) ，这种结 9 l 绪论硕士论文 构对粒子起到了很好的分散和稳定作用，制备好的磁流体，在常温下通常可以稳定数月 而不出现大量沉淀。 9 第一层表面活性剂y 第二层表面活性剂 图1 4 双层表面活性剂改性磁性粒子示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sm o d i f i e db yb i l a y e rs u f f a c t a n t s 如图1 4 所示，第一层表面活性剂的亲水端与磁性粒子靠反应或吸附结合，疏水端 向外，相似相容，从而与第二层的表面活性剂的疏水端形成类似脂质体的双分子层，而 第二层的亲水端向外，可以很好的分散到极性溶剂中。因为双层表面活性剂形成的囊泡 是非极性的，有利于有机物质进入其中，而在其中发生聚合反应，得到包覆较好的磁性 微球。用这种磁流体制备磁性纳米球时，磁流体不必烘干，可直接使用，这样就为实验 者们提供了方便，因此这种方法受到了广泛关注。 安丽娟等【3 0 】采用化学共沉淀法制备tf 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。蒋新宇等【3 l 】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 和十二烷基磺酸钠为双层表面活性剂对f e 3 0 4 纳米粒子进行了修饰，发现以油酸钠和十 二烷基苯磺酸