（材料加工工程专业论文）碳纳米管基磁性复合粒子的制备及改性研究.pdf

硕士论文 碳纳米管基磁性复含粒了的制备及改性研究 摘要 本文利用多元醇法在碳纳米管上负载c o f e 2 0 4 纳米粒子，对其进行改性，制备出表 面磁性物质粒径小而均匀、单分散性、磁响应强度高、表面功能基团丰富的碳纳米管基 复合载体，为应用于肿瘤磁靶向治疗提供较详实的理论和实验依据。全文主要内容如下： 首先，以尖晶石型铁氧体c o f e 2 0 4 为无机磁性材料，以c n t s 为一维纳米模板，三 乙二醇为反应介质，采用高温多元醇法制得了c o f e 2 0 4 c n t s 磁性复合粒子。通过各项 表征，表明制得的c o f e 2 0 d c n t s 磁性复合粒子单分散性好，包覆致密，形貌完整，磁 响应能力强( m s 值为4 4 8e m u g - 1 ) 且为超顺磁性； 其次，采用改良的s t 6 b e r 方法，以正硅酸乙酯( t e o s ) 为改性剂，在c o f e 2 0 以、n t s 纳米磁性复合粒子外包覆上厚度均匀适中的s i 0 2 层，制得s i 0 2 c o f e 2 0 4 c n t s 磁性复合 粒子； 第三，以硅烷偶联剂丫氨丙基三甲氧基硅烷( a p t e s ) 为氨基化试剂对纳米 s i 0 2 c o f e 2 0 4 c n t s 磁性复合粒子进行了氨基化的功能化修饰，制备出了表面含有- n h 2 的n h 2 s i 0 2 c o f e 2 0 4 c n t s 复合载体。采用f t i r 、x p s 、v s m 等对氨基化后的磁性复 合粒子的官能结构、元素组成及磁性能等进行了表征。接枝氨基后的复合粒子仍具有较 强的超顺磁性，m s 值为2 9 6e m u g ； 最后，在之前制备的表面富含氨基基团的n h 2 s i 0 2 c o f e z 0 4 c n t s 磁性复合粒子基 础上，利用缩合反应接枝叶酸，制备f o l a t e - n h 2 s i 0 2 c o f e 2 0 4 c n t s 磁性复合粒子，并 对其相关性能进行表征。结果表明，叶酸不仅被成功地接枝在氨基化磁性复合粒子表面， 而且接枝后的f o l a t e - n h 2 s i 0 2 c o f e 2 0 4 c n t s 磁性复合粒子仍保持了良好的超顺磁性和 较好的磁响应性能，其饱和磁化强度值为2 2 5e m u g ，为应用于肿瘤磁靶向治疗打下了 很好的基础。 关键词：碳纳米管基磁性复合粒子，表面改性，磁靶向治疗 a b s t r a c t t h ec o m p o s i t ep a r t i c l e so fc o f e 2 0 4l o a d i n go nc a r b o nn a n o t u b e s ( c n t s ) w e r e p r e p a r e dt h r o u g hp o l y o lm e t h o di nt h i sp a p e r a f t e rm o d i f y i n gt h e s ep a r t i c l e s ，c n t s - b a s e d c o m p o s i t e v e c t o r sw i t h m a g n e t i cg r a n u l e o fw h i c hh a dn a r r o ws i z ed i s t r i b u t i o n ， m o n o d i s p e r s i b i l i t y , s t r o n gm a g n e t i cr e s p o n s i v e n e s sa n dp l e n t yo ff u n c t i o n a lg r o u p sw e r e p r e p a r e d t h i sw o r kp r o v i d e dd e t a i l e dt h e o r ya n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h ea p p l i c a t i o no f c n t s b a s e dc o m p o s i t ep a r t i c l e si nm a g n e t i c l yt a r g e t e dt h e r a p yo fc a n c e r s t h ed e t a i l sw e r e d e s c r i b e da sb e l o w ： f i r s t l y , c o f e 2 0 4 c n t sm a g n e t i cc o m p o s i t ep a r t i c l e s w e r ep r e p a r e dt h r o u g hh i g h t e m p e r a t u r e p o l y o lm e t h o db yu s i n gs p i n e lt y p e f e r r i t ec o f e 2 0 4a si n o r g a n i cm a g n e t i c m a t e r i a l ，c n t sa so n e d i m e n s i o n a lt e m p l a t ea n dt r i e t h y l e n e g l y c o la sr e a c t i o nm e d i u m t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o a t i n gw a sd e n s ea n du n i f 0 1 t n t h ep a r t i c l e sh a ds t r o n gm a g n e t i c r e s p o n s i v e n e s s ( m s = 4 4 8e m u 。g - 1 ) a n ds u p e r p a r a m a g n e t i s m s e c o n d l y , s i 0 2 c o f e 2 0 4 c n t sm a g n e t i cc o m p o s i t ep a r t i c l e s w e r e p r e p a r e db y i m p r o v e ds t 6 b e rm e t h o du s i n gt e o sa sa m o d i f i e r t h et h i c k n e s so ft h ec o a t i n gl a y e ro fs i 0 2 w a sm o d e r a t ea n du n i f o i t n t h i r d l y , t h ea m i n o m o d i f i e ds i 0 2 c o f e 2 0 4 c n t sm a g n e t i cc o m p o s i t ep a r t i c l e sw e r e p r e p a r e db yf u n c t i o n a l i z i n gu s i n g7 一a m i n o p r o p y lt r i m e t h o x y s i l a n e ( a p t e s ) t h e f u n c t i o n a l g r o u p s ，c o m p o s i t i o n s a n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fm o d i f i e dc o m p o s i t ep a r t i c l e sw e r e c h a r a c t e r i z e da n da n a l y z e db yx r d ，f t i i lx p s ，v s m ，e ta 1 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e p a r t i c l e ss t i l lh a ds u p e r p a r a m a g n e t i s m m s 2 2 9 6e m u g - 1 f i n a l l y , t h e f o l i ca c i dw a sg r a f t e do n t h es u r f a c eo fa m i n o - m o d i f i e d s i 0 2 c o f e 2 0 4 c n t sm a g n e t i cc o m p o s i t ep a r t i c l e st h r o u g hc o n d e n s a t i o nr e a c t i o n ，t h e n f l o a t e s i 0 2 c o f e 2 0 4 c n t sc o m p o s i t ep a r t i c l e s w e r e p r e p a r e d t h ep a r t i c l e s w e r e c h a r a c t e r i z e da n da n a l y z e db yx r d ，f t i r , x p s ，v s m ，e ta 1 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e f o l i ca c i dw a sg r a f t e do nt h es u r f a c eo fa m i n o m o d i f i e ds i 0 2 c o f e 2 0 d c n t ss u c c e s s f u l l y a n dt h e f l o a t e s i 0 2 c o f e 2 0 4 c n t sc o m p o s i t ep a r t i c l e s r e t a i n e dw e l l m a g n e t i c r e s p o n s i v e n e s sa n ds u p e r p a r a m a g n e t i s m ( m s = 2 2 5e m u g 。1 ) i tl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h e a p p l i c a t i o ni nt h em a g n e t i c l yt a r g e t e dt h e r a p yo f c a n c e r s k e y w o r d s ：c a r b o nn a n o t u b e s b a s e dm a g n e t i cc o m p o s i t ep 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 , t a r g e t e d t h e r a p yo f c a n c e r s i i 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：丝辱! 砂汐年汐6 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：堪守! 铀f9 年口汨媚 硕士论文碳纳米管基磁性复合粒了的制备及改性研究 1 绪论 纳米技术( n a n o t e c h n o l o g y ) 兴起于上世纪9 0 年代，主要是研究结构尺寸在0 1 1 0 0n n l 范围内材料的性质和应用。纳米医学、纳米药学、纳米生物技术、纳米生物材 料学等学科都是以医药领域现有的知识发展起来的，其在内容上并无明显界限，而是相 互渗透、相互依存、共同发展【l 】。 纳米材料是指三维尺寸中至少有一维处于1 1 0 0n m ，性能不同于原来组成的原 子、分子，也不同于宏观物质的材料【2 】。纳米材料具有比表面积大、吸附能力强、表 面反应活性高、催化效率高等优点1 3 j 。纳米材料技术在医药领域的交叉渗透和应用价值 研究发展迅速，已在多个方向上取得了辉煌成果。因为纳米材料尺寸比细胞还小，易被 组织细胞吸收，经特殊处理后可对组织和器官定向给药，因而可作为药物载体，为生物 医药学研究提供了新的途径【4 】。 碳纳米管( c n t s ) 是一种重要而有代表性的纳米材料，其具有独特的中空结构， 巨大的长径比( 微米级的轴向长度，纳米级的管径) ，表面较多吸附位可以方便地进行 多种功能化，并且能够顺利地穿过细胞膜将负载分子输送至细胞内部，因而其在纳米医 药学领域的广阔应用前景和巨大应用价值引起了极大的关注【4 ，5 】。 1 1 纳米给药系统 纳米给药系统是纳米技术与现代生物学和医学结合的产物【6 。8 】。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 ，简称n d d s ) 是指药用材料( 药物载体) 与药物结 合在一起形成的尺寸在1 1 0 0 0n n l 的纳米级药物输送系统( d d s ) ，包括纳米粒 ( n a n o p a r t i c l e s ，n p ) 、纳米球( n a n o s p h e r e ，n s ) 、纳米囊( n a n o c a p s u l e s ，n c ) 、纳米 脂质体( n a n o l i p o s o m e s ，n l ) 、纳米级乳剂( n a i n _ o e m u l s i o n ，n e ) 等。由于n d d s 所 用材料为纳米级，且基本都经过表面修饰改性，因此n d d s 在实现缓释药物、降低药 物的毒副作用、靶向给药、提高药物疗效、提高难溶性药物与多肽药物的生物利用度等 方面均表现出优异的应用前景【9 】。n d d s 的优点主要有： 1 ) 增加药物的靶向性【1 0 j 药物的靶向性是指药物能选择性地分布于病变部位，在最大程度地提高治疗效果的 同时亦降低了毒副作用。传统的给药系统中，药物并不能完全集中于病变部位，从而易 导致身体发生某些不良反应，纳米给药系统的出现很好地弥补了传统给药系统的缺陷， 而传统给药系统的发展也将因此获得新的突破：如通过靶向性的给药系统，肿瘤药、心 血管药等可直达病变部位，进行药物的释放，而不影响正常细胞的功能。 2 ) 控制药物的释放【1 1 , 1 2 1 绪论硕一i j 论文 药物的控制释放是指药物在预定时间内主动按某一速度从制剂中恒速释放于作用 部位。由于n d d s 所用载体材料的种类与性质不同、纳米粒子的制备工艺不同和结构 组成等不同，可以使药物具有不同的释放速度。如纳米粒表面的亲水性与亲脂性可以影 响纳米粒与调理蛋白的吸附结合力大小，从而影响到吞噬细胞对其吞噬的快慢。n d d s 能延长纳米粒在体内的循环时间，肿瘤等病变部位的上皮细胞处于一种渗漏状态，由于 纳米粒在体内长循环，其负载的药物进入病变部位的机会增多，因此，长循环纳米粒子 降低了药物对网状内皮系统的靶向性，实际上增加了药物的缓释性。 3 ) 增强药物的吸收和疗效【1 3 , 1 4 1 纳米材料特有的表面效应、小尺寸效应、高分散性以及活性中心多等优点，使得纳 米药物在作用部位的接触时间和接触面积较常规药物大大提高，这有效地提高了药物的 吸收度和生物利用度。药物颗粒纳米化后还可以将药物输送到身体任何微细的组织管道 ( 如血管、支气管道) 及疾病变异的组织细胞( 如肿瘤细胞) 中，通常较大的药物颗粒 不能被输送到这些部位，由此可以大幅度地提高药物的定位性、实效性和功效性，使疾 病得到更有效的控制和治疗。 4 ) 增强药物稳定性【l 5 j 许多药物如多肽类、蛋白类药口服后易被胃酸破坏，且在肠道中易发生蛋白水解， 即使采用注射给药也会使病人造成各种不适。载药纳米微粒的出现，更好地解决了这个 问题，如将叶酸修饰过的纳米粒与药物结合，不仅能避免药物在肠道中发生蛋白水解， 还能使药物在体内循环时间增加。 5 ) 增加药物的安全性【幡1 8 】 载药纳米粒子可以改变药物的膜转运机制，使药物可能通过简单扩散或渗透形式进 入生物膜并通过血脑屏障，有利于对一些特殊部位的治疗。届时一些有效的药物可输送 到颅内，治疗现在不得不手术的疾病；抗寄生虫药物也会直接作用于虫体内而不会对人 体产生不良反应。此外，由于可对药物进行靶向引导，用药量可减少，正常组织分布量 也会较传统制剂减少，所以药物的毒副作用和不良反应会明显减轻，提高了用药的安全 性。 1 2 纳米磁性给药系统 近年来，虽然发展了纳米粒、纳米球、脂质体、纳米乳等给药系统，但由于这些给 药系统载体颗粒的性质，只能发挥被动靶向作用，而纳米磁性给药系统是将磁性纳米粒 子作为介质，与各种载体材料结合，再经过修饰结合药物而构成，其既具有纳米给药系 统的优势，可避免被吞噬细胞吞噬，还具有强磁响应性，可以在体外磁场引导下，通过 血管选择性地到达并定位于靶向部位，药物以受控的方式从载体中释放，发挥药效作用， 而对其它正常组织无太大影响【l 犯。 2 硕 ：论文碳纳米管基磁性复合粒了的制备及改性研究 磁靶向给药系统1 2 1 】( m a g n e t i ct a r g e t i n gd r u gd e l i v e r ys y s t e m ，m t d d s ) 是近年来 国内外研究较多的一种新型靶向给药系统，通常由磁性粒子、载体材料、药物( 主要是 抗肿瘤药物或某些诊断试剂) 及其它辅料组成，可通过口服或注射等途径给药。m t d d s 系统将药物与磁性物质通过适宜的载体制成稳定体系，在足够强的外磁场作用下，使药 物在体内定向移动、选择性地浓集定位于靶向组织并释放，从而集中在病灶部位发挥疗 效。 m t d d s 具有原料易得、制作容易、无毒、外磁场导向定位效果好，不易被网状内 皮细胞所清除等优点。m t d d s 在药物靶向应用方面提供了一个新的途径，尤其对于治 疗离表皮较近的肿瘤如乳腺癌、口腔颔面癌、食管癌等。磁性制剂或免疫磁性制剂还可 以用于测定骨髓和外周血中的游离胸腺瘤细胞、抑制脑部神经胶质瘤细胞生长、分离细 胞和染色体以及疾病诊断、测定病毒抗体等瞄】。 常见的几种m t d d s 类型有磁性微球( m a g n e t i cm i c r o s p h e r e s ，m m s ) 、磁性脂质体 ( m a g n e t i cl i p o s o m e s ，m l p ) 、磁性毫微粒( m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s ，m n p ) 、磁性脂质微 球、磁性片剂、磁性胶囊剂等【矧。这类包覆着磁性材料的微球微粒，如f e 3 0 4 p s 磁性 复合微球、磁性壳聚糖微球等，具有反应活性不高，药物接枝率低，靶向性不强，亲和 力较低等缺点，而碳纳米管具有较大表面积，独特的中空结构和较多活性结合部位，可 用作特殊模板来负载用于磁靶向药物的纳米磁性粒子，具有极大的研究价值和应用前 景。 1 3 碳纳米管( c n t s ) 1 3 1 碳纳米管的发现及结构 1 9 9 1 年日本n e c 公司杰出的电镜专家饭岛( i i j i m a ) 教授在( ( n a t u r e ) ) 杂志上发表 了第一篇关于碳纳米管( c a r b o nn a n o t u b e ，c n t ) 的研究文章【2 4 】。碳纳米管是继石墨、 金刚石、c 6 0 之后碳的一种新型的同素异构体。c 6 0 分子可以看作是碳材料的零维形式， 而碳纳米管则是碳材料的一维形式。 碳纳米管【2 4 】具有典型的层状中空结构特征，是由单层或多层石墨片卷曲而成的，层 片之间存在一定的夹角因而碳纳米管的管身是准圆管结构，端口由帽状结构封闭。由单 层石墨原子层卷曲而成的叫单壁碳纳米管( s i n g l e w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e ，s w n t ) ，由两 层或两层以上石墨原子层卷曲而成的叫多壁碳纳米管( m u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e ， m w n t ) 。单壁碳纳米管直径多数集中在l 2n n l ，多壁碳纳米管外径一般为几个至几十 个纳米，内径一般为0 5 至几个纳米。碳纳米管的长度一般为几个至几十个微米，甚至 几个毫米，现在最长的碳纳米管己达厘米级。 碳纳米管的每一石墨层是由一个碳原子通过s p 2 杂化与周围三个碳原子完全键合而 1 绪论硕：仁论文 成的由六边形平面组成的圆柱面，每层由大7 键电子系统构建，管身由六边形碳环微结 构组成，端帽部分由含五边形的碳环组成，是一种具有特殊结构的一维量子材料。由于 其近乎完美的键合结构阻碍了不纯物质及缺陷的介入，因而具有多种优异的性能【2 5 2 6 1 。 1 3 2 碳纳米管的特性 碳纳米管格子的基本结构是c = c 共价键，管轴方向六边形结构连接完美，构成闭 合的空间结构。这种闭合的空间结构使碳纳米管具有石墨的平面性质：如耐热、耐腐蚀、 导热、导电性好、有自润滑性等一系列综合性能。但碳纳米管的尺寸、结构、拓扑学因 素和碳原子相结合又赋予了碳纳米管极为独特而极有价值的性能： 1 ) 力学性能 s p 2 杂化形成的c = c 共价键，是自然界最强的价键之一，赋予碳纳米管极强的强度、 韧性及弹性模量，使碳纳米管具有优异的力学性能。实验测得c n t s 弹性模量平均为1 8 t p a t 27 1 ，比一般的碳纤维高一个数量级，与金刚石的模量相当；其抗拉强度约8 0 0g p a ， 弹性应变可达5 1 8 ，约为钢的6 0 倍【2 7 】；密度约为1 2 2 1g c m 一，仅为钢的1 6 1 7 t 2 引。 目前，以碳纳米管为增强相与金属、陶瓷、聚合物等基体制成复合材料，可使复合材料 表现出优良的强度、弹性、抗疲劳性和各项同性，极大地改善了复合材料的性能【2 9 1 。 2 ) 电学性能 碳纳米管层与层之间是类石墨的片层结构，碳原子之间是s p 2 杂化，碳原子的p 电 子形成大范围的离域万键，具有显著的共轭效应，因此碳纳米管具有优良的导电性能。 有人预测其导电性能取决于网格构型( 管壁的螺旋角) 和管径，不同的结构变化可使其 导电性呈现金属、半金属或半导体性【3 0 。 3 ) 磁学性能 c n t s 还具有优异的磁性能，它将成为铁氧体的有力竞争者。最新发现的c n t s 软 磁材料在高频场中具有巨磁阻抗效应【3 l 】。 4 ) 光学性能。 碳纳米管具有卓越的发光性质，特别是稳定的发射光谱，很高的发光强度以及优秀 的波长转换功能，电致发光方面低压、节能、稳定等优点使得它具有广阔的应用前景。 目前国内外对于碳纳米管的光学性能与能带结构的关系进行了较为深入的研究【3 2 琊】。 2 0 0 4 年，w e i 等【3 6 】发表了关于碳纳米管可以作为灯丝的初步研究成果，提出了碳纳米 管电灯泡的概念。该项成果得到世界著名刊物s c i e n c e 和n a t u r e 的高度评价。 5 ) 储氢性能 碳纳米管具有比活性炭更大的比表面积，且具有大量的微孔，自身重量轻，因此被 认为是最好的储氢材料，其储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。一般认 为其储氢机理是物理吸附和化学吸附共存【3 7 1 。关于碳纳米管储氢的报道很多，已获得了 4 硕十论文碳纳米管基磁性复合粒子的制备及改性研究 一定的成绩。 6 ) 热学性能【3 8 】 碳纳米管反映了石墨的内平面特性，故而它的热传导率非常高，单独一根多壁碳纳 米管的室温热导率预计达3 0 0 0 w m k ，单独一根单壁碳纳米管室温热导率达 6 0 0 0 w m k ，而单壁碳纳米管束的室温热导率大于2 0 0 w m k 。碳纳米管的热学性能不 仅与组成它的石墨片本质有关，还与其独特的结构和尺寸有关。c n t s 具有极大的长径 比，因而其沿着长度方向的热传导率很高，径向方向的热交换性能相对较低。通过合适 的取向，可以将碳纳米管合成高各向异性的热传导材料。 7 ) 特殊的微结构 碳纳米管的中空结构可以作为模具填充或包裹金属、氧化物等物质，然后将碳层腐 蚀掉，就可以制备出纳米尺度的导线或一维材料。碳纳米管还给物理学家提供了研究毛 细现象机理最细的毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管【3 9 1 。 1 3 3 碳纳米管用作靶向治疗载体的研究进展 c n t s 本身无生物利用价值，但其对生物体毒性小、组织相容性好、无免疫原性， 独特的管腔样结构还使其具有比表面积大、吸附能力强的特点；同时，其具有独特的大 离域7 键，易于功能化，且将功能基团连接到管壁后，具有良好的水中分散性、稳定性 和生物兼容性。这些特点使c n t s 具备了理想药物载体的潜质【4 0 1 。 1 3 3 1 碳纳米管的生物毒性 目前研究界对于这个问题的意见并不一致，有的人认为其没有生物毒性或毒性较 小，有的人则认为毒性较大。但绝大部分人都认同对碳纳米管进行化学改性可以明显的 降低其生物毒性，碳纳米管的功能化程度越高，其生物毒性就越小【4 1 1 。 1 3 3 2 碳纳米管的生物相容性 s m a r t 4 2 】等认为化学修饰可有效去除制备碳纳米管时残留的金属催化剂，并且引入 生物活性分子，提高了碳纳米管的生物相容性。另外，提高碳纳米管溶解性、偶联生物 活性分子等均可改善其生物相容性。m u r u g e s a n l 4 3 1 等发现肝磷酯修饰的m w n t s 生物相 容性良好，可体内使用。 1 3 3 3 碳纳米管的细胞穿透性 碳纳米管用作药物载体，主要是利用其细胞穿透能力，携带目标生物活性分子进入 细胞。针对碳纳米管是否可以携带生物活性分子进入细胞这一问题，p a n t a t o t t o 等l 采 用异硫氰酸荧光素( i s o t h i o c y a n a t of l u o r e s c e i n ，f i t c ) 标记了衍生化修饰单壁碳纳米管及 肽偶联单壁碳纳米管，考察了这两种修饰碳纳米管的细胞穿透能力，发现它们均可穿透 细胞膜：c n t l 主要进入细胞质，而多肽修饰的c n t 2 可进入细胞核。 1 绪论硕1 ：论文 s h ik a m t 4 5 j 等将原始单壁碳纳米管及经链霉亲和素( s t r e p t a v i d i n ，s a ) 修饰的单 壁碳纳米管引入人体髓细胞性白血病细胞和t 细胞，发现经修饰的单壁碳纳米管可进入 黏壁及非黏壁细胞系。细胞不会摄取荧光标识的s a ，却可摄取s a 与维生素修饰的单壁 碳纳米管。单壁碳纳米管进入细胞的机制为细胞内吞作用。 b e c k e r 掣4 6 】发现细胞摄取纳米材料还有尺寸临界点，( 1 8 0 士1 7 ) n n l 是摄取分界点。 1 3 3 4 碳纳米管作为药物载体 碳纳米管自身具有的离域大y - 键，可以与许多生物医药分子之间形成较强的p - p 键 相互作用；此外，对碳纳米管表面进行改性，可以使其带有不同的官能团，与生物药物 分子发生作用，从而实现生物医药分子的负载、传输。 l i u 等1 4 ”发现了p e g 共价键改性和非共价键改性的碳纳米管可以成功负载药物阿 霉素，并且阿霉素的释放可以通过p h 值来控制；他们还发现不同直径的单壁碳纳米管 对阿霉素的释放速度不同，从而可以通过选择不同直径的碳纳米管来达到对药物释放速 度的控制。 受药用载体特殊性及其安全性的制约，碳纳米管在载体领域的应用仍处于实验室研 究阶段。随着生物活性修饰碳纳米管的制备及其生物毒性研究的深入，低毒高效的修饰 碳纳米管有望在将来用于临床。 1 3 3 5 碳纳米管药物载体的性能评价 药物载体的质量，主要有以下几方面的影响因素： 1 ) 载体的磁性能 磁响应能力是评价磁性药物载体磁性能的重要指标。我们通常采用振动样品磁强计 ( v s m ) 测定载体粒子的磁性，通过测试样品的磁滞回线可以判断样品的饱和磁化强 度和磁滞性等性能。一般来说，载体粒子中磁核数量越多，磁响应性越强。 2 ) 载体粒子的载药能力 载药能力一般指载体的载药率。载药率是指药物的质量占磁性药物复合粒子的百分 数。测量载药率的方法一般采用离心法，通过高速离心来分离未被载体包载的药物，经 离心后药物载体沉于底部，取上清液可测得未被载体包载药物的量。 3 ) 载体粒子的粒径 载体粒子的粒径对载药系统的性能也有很大影响，粒径过大会限制其使用范围。粒 径的测定一般通过x 射线衍射仪( x r d ) 进行物相分析，再利用布拉格公式来判断和 计算载体粒子的晶型和粒径；还可通过透射电子显微镜( t e m ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 等对载体粒子的外观、形貌和大小进行直观识别，必要时可以采用激光粒度仪对载体粒 子的平均粒径和粒径分布进行分析。 4 ) 药物微球的释放作用 6 硕士论文碳纳米管基磁性复合粒子的制各及改性研究 药物要发挥稳定持久的疗效，就需要恒速缓慢的释放。目前一般采用动态透析法测 定载药微球的体外释放作用：将一定质量的载药微球盛于透析袋中并置于一定温度和一 定p h 值的缓冲溶液中，每隔一定时间取样，测定药物的含量。 5 ) 其它性能 载体粒子的一些其它性能如稳定性、降解性、生物相容性及体内外的磁导向性在载 体的具体应用方面有着重要的作用。 1 3 4 碳纳米管的改性 尽管碳纳米管有优异的电学、力学、热学、微结构等性能，但其在溶剂中分散性较 差，与生物的相容性以及与其他材料的相容性也较差，因此对碳纳米管进行改性是非常 重要的。改性后的碳纳米管可以获得原始状态的碳管所没有的性质，包括使碳纳米管在 介质中的分散性和溶解性得到提高、细胞毒性降低、阻止蛋白分子的非特异性吸附、能 够识别和结合特定的生物分子等。目前已报道了许多改性碳纳米管的方法，大致可分为 两类：一类是物理改性( 即物理包裹) ，另一类是化学改性1 4 引。 1 ) 物理改性 碳纳米管的物理改性是在超声作用下，表面活性剂或聚合物等分子的疏水部分与疏 水的管壁相互作用，而亲水部分与水等极性溶剂作用，阻止了碳纳米管的簇聚而分散在 溶剂中。物理改性有将碳管稳定地分散在溶剂中，同时不损伤碳管万体系的独特优点。 物理改性碳管的化合物包括表面活性剂、芳香化合物与高聚物等。 2 ) 化学改性 利用强酸氧化反应或是氟化反应等等在碳纳米管上共价地连接一些适宜的基团，如 羧基、羟基、卤素、巯基等，不仅可以改善其溶解度、提高分散度，而且这些官能团可 以作为对碳纳米管进一步改性的反应点，制各种类繁多的改性碳纳米管，有利于拓展碳 纳米管的应用。 1 3 5 碳纳米管基纳米磁性复合粒子及其制备方法 碳纳米管具有的独特表面拓扑结构以及综合的优异性能，向人们展示了广阔的应用 前景，引起了众多领域的研究兴趣，尤其是在生物医学中的应用探索性研究正迅速成为 一个热点。由于碳纳米管具有较大的比表面积和长径比、较多吸附位易于功能化以及独 特的中空管腔结构等特点，使其具有优良的合成模板特性。碳纳米管基纳米磁性复合粒 子( c n t s b a s e dm a g n e t i cc o m p o s i t en a n o p a r t i c l e s ) 就是利用碳纳米管所具有的这种合 成模板特性，通过一定的方式将不同尺寸、组成或结构的纳米磁性粒子包覆在碳纳米管 表面或填充于碳纳米管管腔内所形成的具有特殊性质的纳米材料。碳纳米管基纳米磁性 复合粒子不仅具有单一纳米粒子所具有的量子尺寸效应、表面效应及体积效应等特性， 还具有复合协同效应，其模板特性不仅使其可以有效解决磁性纳米粒子分散性差、易团 7 1 绪论硕士论文 聚的难题，而且还可以满足人们在纳米尺度上对磁性材料的结构和性能进行设计和优 化，从而制备出具有特定组成、结构和性能的磁性复合粒子。下面就几种比较常见的制 备碳纳米管基磁性复合粒子的方法进行简单介绍。 1 ) 共沉淀法 共沉淀法( c o p r e c i p i t a t i o nm e t h o d ) 通常是将纯化改性处理过的碳纳米管超声分散 到含有活性成分的金属盐溶液中，在得到的混合液中加入适当的沉淀剂，液相中反应生 成或析出沉淀并沉积在碳纳米管表面，制备出产物前躯体，再经进一步处理即得碳纳米 管基磁性复合粒子。目前，共沉淀法主要用来制备磁性金属氧化物及铁氧体包覆的碳纳 米管基复合粒子。于华荣【4 9 】将混酸纯化处理过的碳纳米管超声分散于含有f e 3 + 盐的溶液 中，超声搅拌条件下滴加氨水后调节溶液p h 到1 0 ，产物经烘干和煅烧后得到纳米 f e 2 0 3 c n t s 复合粒子。s u kf u nc h i n 【5 0 】等以盘式旋转处理器( s p i n n i n gd i s cp r o c e s s i n g ) 为平台，将含有f e 2 + 和f e 3 + 盐的溶液和氨水在持续流动条件下反应制得f e 3 0 4 s w n t 。共 沉淀法操作简单，易于量化生产，但制备的产物形貌稳定性及可控性较差。 2 ) 化学气相沉积法 化学气相沉积法( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o nm e t h o d ，c v d ) 又称为催化热解法， 一般是先制备纳米粒子沉积于模板( 如硅模板) 表面，再在催化剂作用下裂解烃类或含 碳化合物或者直接气相热分解有机金属化合物( 或挥发性金属化合物) 生长制备有序碳 纳米管阵列，制得碳纳米管基磁性复合粒子。c h e 等【5 l j 首先采用液相化学法在硅模板上 均匀负载了c o f e 2 0 4 纳米粒子，然后以环己烷为碳源在氢气气氛下制备了螺旋状的 c o f e 2 0 j c n t s 复合粒子，研究表明该磁性复合粒子的微波吸收性能比单纯的c o f e 2 0 4 和 碳纳米管都要好。 3 ) 水热法 水热法【5 2 】( h y d r o t h e r m a lm e t h o d ) 的原理是在密闭的反应容器( 高压釜) 中，采用 水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，在反应容器内部创造一个高温高压的反应 环境，使得在常规条件下难溶或不溶于水的物质溶解、反应( 或反应生成该物质的溶解 产物) 并重结晶，从而得到理想的产物。利用水热法制备碳纳米管基磁性复合粒子，一 般先采用化学共沉淀法制得产物前躯体，然后将此前躯体悬浮液置于密闭反应容器里， 对反应容器加热，在高温高压环境下使氢氧化物形成过饱和状态而析出生长晶体，并沉 积在碳纳米管上形成复合粒子。与化学共沉淀法相比，水热法在制备那些需要高温煅烧 才能结晶的磁性金属氧化物方面更具优势，可以避免在烧结过程中晶粒长大及杂质混入 等缺点，但在实际应用过程中，由于首先要利用化学共沉淀法制备产物前躯体，因此得 到的最终产物形貌稳定性及可控性较差。 4 ) 自组装法 自组装法( s e l f - a s s e m b l ym e t h o d ) 是指通过一定的方式对碳纳米管进行表面改性修 8 硕+ 论文 碳纳米管基磁r 丰复合粒子的制各及改性研究 饰，使碳纳米管表面带有特殊的功能基团，然后将碳纳米管置于磁性纳米粒子悬浮液中， 通过静电吸引作用，使磁性纳米粒子在碳纳米管表面自组装，从而得到包覆均匀致密的 碳纳米管基磁性复合粒子。c h a og a o 5 3 】等基于静电吸附和原位a t r p ( 原子转移自由基 聚合) 方法，先用强酸氧化碳纳米管，再通过多次接枝不同化合物，最后吸附上f e 3 0 4 纳米粒子制得m w n t g p a m m e i f e 3 0 4 。该方法可以用于多种不同的纳米粒子及生物分 子。另外，吸附纳米粒子的量也可以碳管表面接枝聚合物的量来控制，但存在步骤冗长， 产率低、不宜量产的缺点，因此大大限制了其在实际中的应用。 5 ) 多元醇法 多元醇法【5 4 。5 7 】( p o l y o lm e t h o d ) 一般是指将含有金属盐( 或有机金属化合物) 、碳 纳米管和多元醇的体系置于反应容器中，于较高温度或高温高压条件下，金属盐( 或有 机金属化合物) 经高温水解( 或分解) 后在碳纳米管表面成核结晶的过程。与其他方法 相比，多元醇法具有如下优点：( 1 ) 设备、工艺简单，其主要设备为加热及控温设备、 搅拌装置和冷凝管； ( 2 )以多元醇作为反应介质，可作为反应过程中的稳定剂，某些 多元醇除做溶剂外还可作为还原剂；( 3 ) 多元醇体系克服了传统水相体系因羟基和毛 细管力作用而易发生团聚的现象，利用多元醇溶液的一些特性( 如沸点较高、粘度较大 等) ，能有效控制产物的粒径分布及形貌等； ( 4 ) 制得的纳米复合粒子的稳定性强， 这是因为反应体系为多元醇，制备出的金属粒子表面包覆一层有机物，可起防护作用。 利用多元醇法制备的碳纳米管基磁性复合粒子，不仅包覆均匀致密、磁响应能力强， 而且反应可控，易于量产。 1 4 碳纳米管基磁性复合粒子在肿瘤靶向治疗中的应用前景 碳纳米管基磁性复合粒子应用于肿瘤靶向治疗尚处于起步探索阶段，但这并不妨碍 碳纳米管基磁性复合粒子在生物医学领域的良好发展前景1 4 0 , 5 8 删： 首先，就单一的来说，其宏观结构表现为中空结构，这有利于将药物等纳米级分子 材料填充到其中，同时结合碳纳米管壁良好的细胞穿透性能可以使药物有效地到达指定 的部位； 其次，碳纳米管表面易于进行表面功能化处理，在有助于提高药物与管壁结合能力 的同时，又便于结合其他的功能性分子材料，如蛋白质、基因、抗体等生物分子材料； 第三，碳纳米管大的表面积等合成模板特性可以有效解决磁性纳米粒子分散性差、 易团聚的缺点，同时为研究人员在纳米尺度上对复合粒子的结构和性能进行设计优化提 供了有利的支持； 最后，碳纳米管基磁性复合粒子的协同效应使得在磁性复合粒子的表面负载、接枝 其他生物活性分子成为可能，这有效地将磁靶向与生物治疗结合起来，为磁性纳米粒子 在肿瘤靶向治疗方面提供了理论基础。 9 i 绪论硕士论文 因此，碳纳米管基磁性复合粒子应用于肿瘤靶向治疗虽然尚处于起步探索阶段，但 是在各方面尤其是理论方面已经获得了足够的支持，可以说，假以时日，碳纳米管基磁 性复合粒子在应用于肿瘤靶向治疗方面必将取得巨大的成果。 1 5 本课题的研究背景、研究思路和主要研究的内容 1 5 1 研究背景 恶性肿瘤严重危害人民的生命健康，据世界卫生组织统计，全世界每年新发病例约 1 0 0 0 万，死亡7 0 0 万。恶性肿瘤的治疗已有一个多世纪的历史。随着手术、放疗技术 及化疗的发展，癌症的疗效有了明显的提高。但即使是早期诊断、及时治疗，对于恶性 肿瘤的疗效仍远不能令人满意。手术、化疗、放疗这三大传统治疗手段由于缺乏靶向性， 在治疗肿瘤的同时也大大损害了正常组织细胞，不能达到良好的抗肿瘤效果。因而，近 年来有关肿瘤的磁靶向治疗方法应运而生。 影响磁靶向药物实际应用效果的两个关键因素是纳米磁性粒子自身的磁性能以及 复合粒子经表面修饰后的生物和化学性能，而目前磁靶向药物研究过程中尚存在纳米磁 性粒子分散性差、磁性较低、表面修饰效果不佳、载药量低、生物相容性不好等问题。 碳纳米管对生物体毒性小，组织相容性好，无免疫原性，独特的管腔样结构使其具 有比表面积大，吸附能力强的特点，具备了理想药物载体的潜质。 c o f e 2 0 4 磁响应能力强，生物相容性好，制备方法简单，是较理想的无机磁性材料。 1 5 2 研究思路 本课题拟在碳纳米管上负载c o f e 2 0 4 纳米粒子，并对其进行改性，以期制备出表 面磁性物质粒径小而均匀、单分散性、磁响应强度高、表面功能基团丰富的碳纳米管基 复合载体，为应用于肿瘤磁靶向治疗提供较详实的理论和实验依据。图1 1 是实验研究 方案的示意图。 1 5 2 1 高分散、高磁响应性的碳纳米管基磁性复合粒子的制备与表征 1 ) 以经纯化处理的碳纳米管为一维模板载体，采用多元醇为反应溶剂，在碳纳米 管表面负载单分散、高磁响应的纳米c o f e 2 0 4 磁性粒子，制得c o f e 2 0 4 c n t s 复合粒子； 2 ) 通过优化合成条件来调节纳米c o f e 2 0 4 磁性粒子的粒径、负载量、磁性能、分 散性、稳定性等，并对样品进行性能表征( x r d ，x p s ，t e m ，f t i r ，v s m ) ，分析其 包覆效果及性能并探讨c o f e 2 0 9 c n t s 复合粒子形成的可能机理。 1 5 2 2c o f e 2 0 9 c n t s 复合粒子的功能化 1 ) 采用正硅酸乙酯( t e o s ) 作为二氧化硅的生成剂，采用液相沉积法在 c o f e e 0 4 c n t s 表面包覆s i 0 2 层，制备出了纳米s i 0 2 c o f e e 0 4 c n t s 磁性复合粒子； 1 0 硕i 论文碳纳* * 摹磁性复粒 白勺* 改性研兜 2 ) 以硅烷偶联剂v 一氨丙基三乙氧基硅烷( a p t e s ) 修饰s i 0 2 c o f e 2 0 d c n t s 复合 粒子，引入氢丙基，制得n h 2 s i 0 2 c o f e 2 0 4 c n t s 复合载体，探讨反应机理： 3 ) 分别对( 1 ) 、( 2 ) 所得产物进行性能表征( x r d ，x p s ，t e m ，f t t ，v s m ) ， 分析其形貌、表面化学组成及磁性能等。 152 3 叶酸修饰的碳纳米管基复合载体的制备