（材料学专业论文）Felt3gtOlt4gt纳米颗粒的制备、修饰与细胞转染研究.pdf

f e 3 0 4 纳米颗粒的制备、修饰与细胞转染研究 摘要 磁性纳米颗粒由于表现出超顺磁性和良好的生物相容性，因而在生 物医用领域有着广阔的应用前景，例如可用作细胞标记物、磁共振造影 剂、靶向药物载体或热疗介质等。随着这些领域的发展，对磁性纳米颗 粒的制备、修饰等方面的要求也越来越高。因此本文选择了磁性纳米颗 粒中应用最为广泛的f e 3 0 4 纳米颗粒，从制备与修饰两个方面进行了研 究，并初步证实了经修饰的f e 3 0 4 纳米颗粒对细胞转染的可行性。对这 一方向的研究不仅为应用打下了基础，也具有重要的科学意义。 首先，本文提出了并验证了制备水溶性f e 3 0 4 纳米颗粒的一种新型界 面共沉淀方法。在这一方法中，将二价与三价铁盐按比例溶解于水中， 同时将二正丙胺溶于环己烷中作为铁离子的沉淀剂。由于二正丙胺很难 溶于水，因此共沉淀反应被限制在水环己烷界面上进行，能够制备大小 为5 1 5 n m 的f e 3 0 4 纳米颗粒，这种纳米颗粒被证实表面吸附有铵盐，因 而具有良好的亲水性，能够在纯水中长时间保持稳定。此方法简单、易 操作，使之有可能进行规模化生产。 研究结果表明：界面共沉淀法与经典共沉淀法一样，都有一反应 物浓度的临界值，当反应物浓度低于此值时，将不会生成f e 3 0 4 纳米颗 粒。但是，界面共沉淀法表现出一些特性，例如，能够获得f e 3 0 4 的浓 度范围变小；反应温度和浓度并不对产物的粒径产生明显影响，但通过 温度的改变可调节产物在水中的稳定性及磁性能。实验结果揭示了界面 共沉淀法与经典共沉淀法的异同点，证实了该反应在水油界面上进行， 据此我们提出了界面共沉淀法的机理。 在上述工作基础上，本文将界面共沉淀法进一步拓展用于制备葡聚 糖修饰的f e 3 0 4 纳米颗粒，并研究了葡聚糖用量、分子量对产物性能的 影响。相较于经典共沉淀法，在加入相同量的葡聚糖及相同的反应条件 下时，界面共沉淀法能够获得粒径较大、葡聚糖的含量较少、饱和磁化 强度更高的纳米颗粒。通过对形核理论的探讨我们认为，在葡聚糖存在 的环境下制备四氧化三铁时，其颗粒优先在葡聚糖分子链上以及分子链 的缠结处形核，并相互缠结而团簇结构；另一部分葡聚糖将包裹在团聚 上海交通大学博士学位论文 体外使之稳定。基于这一结构模型，界面共沉淀法产物性能的提高被认 为是反应在界面上进行所导致的。 然而，采用共沉淀法制备的葡聚糖b e 3 0 4 纳米颗粒在水中分散稳定 性、结晶度等方面仍然不能满足生物医用的需要，因此本文采用了二甘 醇作为反应溶剂，由于其具有较高沸点( 2 4 5 ) 而使反应可在相对较高 的温度下进行。从而能够使产物结晶性得以提高，同时，产物在水中具 有更高的分散稳定性，并被证实来源于二甘醇在纳米颗粒与大分子杂化 后在表面的进一步吸附。另外，这种方法能够在制备不同种类的水溶性 大分子修饰f e 3 0 4 纳米颗粒中具有良好的普适性。 本文采用了微乳液法对f e 3 0 4 纳米颗粒进行y s i 0 2 包裹的初步研究， 证实包裹层的厚度能随着f e 3 0 4 纳米颗粒的加入量及s i 0 2 的加入量的改 变而改变，产物具有较高的饱和磁化强度。但目前对包裹后产物的粒径 及形貌的控制还不理想，有待进一步的研究。 本文还对葡聚糖b e 3 0 4 纳米颗粒进行了骨髓基质干细胞的转染的初 步研究，普鲁士蓝染色观察证实了这种纳米颗粒可以成功转染至骨髓基 质干细胞中，并发现当f e 3 0 4 浓度小于3 2 # g m l 时，对细胞的繁殖几乎不 产生不良作用；而浓度在3 2 # g m l 以上时，则将抑制细胞的生长和繁殖。 这一探索为进一步的分子影像学及细胞示踪研究打下了良好的基础。 关键词：f e 3 0 4 纳米颗粒，界面共沉淀法，葡聚糖，二甘醇，细胞转染 一i i r e s e a r c ho nt h es y n t h e s i s ，m o d i f i c a t i o na n dc e l lt r a n s f e c t i o n o fm a g n e t i t e ( f e 3 0 4 ) n a n o p a r t i c l e s a b s t r a c t m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s ，w h i c hd i s p l a ys u p e r p a r a m a g n e t i cp r o p e r t ya n db i o c o m p a t i b i l i t y , h a v eb e e nf o u n dw i d ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nb i o m e d i c a lf i e l d s f o re x a m p l e ，t h e y c 卸b eu s e da sm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g e ( m e d ) a g e n t s ，d r u gd e l i v e r yc a r r i e r , a n du s e di n h y p e r t h e r m i a ，d n aa n dp r o t e i nb i o s e p a r a t i o n ，e t c a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n ti nt h e s e b i o m e d i c a lf i e l d s ，t h er e q u i r e m e n t sf o rt h es y n t h e s i sa n dm o d i f i c a t i o no fm a g n e t i cn a n o p a r - t i c l e sa r ei m p r o v i n g t h e r e f o r e ，t h ef e 3 0 4n a n o p a r t i c l e s ( m n p s ) ，w h i c hw e r er e s e a r c h e d m o s ti n t e n s i v e l y , w e r ec h o s e ni nt h i st h e s i s an o v e li n t e r f a c i a lc o p r e c i p i t a t i o nm e t h o dw a sp r o p o s e dt op r e p a r em n p s i nt h i s a p p r o a c h ，f e r r o u sa n df e r r i cp r e c u r s o r sw e r es o l v e di nw a t e r , w h i l ed i - n p r o p y l a m i n ew a s d i l u t e db yc y c l o h e x a n et ob eu s e da sp r e c i p i t a t i o na g e n t t h e r e f o r e 。t h ec o p r e c i p i t a t i o n r e a c t i o nw a sc o n f i n e dt ot h ei n t e r f a c eb e t w e e nw a t e ra n do i lb e c a u s ed i p r o p y l a m i n ec a nn o t b es o l v e di nw a t e r 1 v i n p sw e r en u c l e a t e do nt h ei n t e r f a c ea n dm o v et o w a r dw a t e rp h a s e a f t e rt h e yi m m e r s e di nw a t e rc o m p l e t e l y , t h e yw o u l ds t o pg r o w i n gb e c a u s eo ft h ea b s e n c eo f a l k a l i a sar e s u l t , a b o u t1 0 + 5 n m - s i z e dm n p sc a l lb ep r e p a r e d a n dt h e yp o s s e s s r e l a t i v e l y g o o dh y d r o p h i c i l i t ya n ds t a b i l i t yi nw a t e r i ti sc o n f i r m e dt h a tt h er e s u l t a n tm n p sp o s s e s s n o to n l yr e l a t i v e l yn a r r o ws i z ed i s t r i b u d o nb u ta l s oa h y d r o p h i l i ca m i n e d e c o r a t e ds u r f a c e ， w h i c hp r o v i d e st h e mw i t ht h ec a p a b i l i t yo fb e i n gf u r t h e rm o d i f i e d c o n s e q u e n t l y w es t u d i e dt h ei n t e r f a c i a lc o p r e c i p i t a t i o nm e c h a n i s mb ye v a l u a t i n gt h e e f f e c t so ft h ec o n c e n t r a t i o no fp r e c u r s o r sa n dt h et e m p e r a t u r ei np r e p a r a t i o n i ft h ec o n c e n - t r a t i o no ff e 2 + i sl o w e rt h a na b o u t7 5m m o l l ，n om a t t e rw h a tc o n c e n t r a t i o no ft h ea n l i n ei s f e a 0 4w o u l dn o tb es y n t h e s i z e d t h ei n t e r f a c i a lc o p r e c i p i t a t i o nf o l l o w st h em e c h a n i s mo f s e p a r a t e dt w os t e p s ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h ec o p r e c i p i t a t i o nh a p p e n si nh o m o g e n e o u sa q u e - o u sm e d i u m 珊 l e nt h ec o n c e n t r a t i o no fi r o ns a l ti sh i g h e rt h a nt h ec r i t i c a ll i m i t ，t h es i z e o ft h er e s u l t a n tn a n o p a r t i c l e sw o u l dn o tc h a n g es i g n i f i c a n t l y t h ee f f e c to fp r e p a r a t i o nt e r n p e r a t u r ei st o t a l l yd i f f e r e n tf r o mt h ec o p r e c i p i t a t i o ni na q u e o u sm e d i u m ，e s p e c i a l l yo nt h e s i z e i nt h ei n t e r r a c i a lc o p r e c i p i t a t i o n ，t h es i z ew o u l dn o ti n c r e a s ea n d d i s p e r s i b i l i t yw o u l d 上海交通大学博士学位论文 b em o d i f i e dw i t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，w h i c hi sc a u s e db yt h em e c h a n i s mo ft h ef o r - m a t i o no fm n p sa n dt h e i rs u r f a c ec h e m i s t r y o u re f f o r t sf u r t h e rc o n f i r m e dt h em e c h a n i s m o ff o r m a t i o no ft h en a n o p a r t i c l e si ni n t e r f a c i a lc o p r e c i p i t a t i o nm e t h o d ，a n dt h er e a c t i o np r o c e d u r e so ft h ec o p r e c i p i t a t i o n ，w h i c hm a y b eh e l p f u lf o rt h ep h a s ec o n t r o li nt h ep r e p a r a t i o n o f m n p s d e x t r a n ，w h i c hi sak i n do fb i o c o m p a t i b l em a c r o m o l e c u l ew a sc h o s e nt om o d i f ym n p s b o t hc l a s s i c a la n di n t e r f a c i a lc o p r e c i p i t a t i o nw e r eu t i l i z e dt op r e p a r e dd e x t r a n m n p sh y b r i d n a n o p a r t i c l e s t h ei n f l u e n c e so ft h em a s sa n dm o l e c u l a rw e i g h to fd e x t r a no nt h ei n t e r f a c i a l c o p r e c i p i t a t i o nw e r ee v a l u a t e d ，a n dt h ec o m p a r i s o no ft w om e t h o d sw e r ec a r d e do u t b a s e d o nt h ec l a s s i c a lt h e o r yo fn u c l e a t i o n ，i ti sb e l i e v e dt h a tt h em a c r o m o l e c u l a rc h a i n sc a np l a y t h er o l ea sas u b s t r a t ef o rt h en u c l e a t i o no fm a g n e t i t e ，t h u st om a k et h e n a n o p a r t i c l e sg r o wo n ad e x t r a nc h a i n j u s tl i k ep e a r l so nan e c k l a c e f u r t h e r m o r e ，t h e s e ”n e c k l a c e s c a na g g r e g a t e a l sc l u s t e r s t h ec l a s s i c a ln u c l e a t i o nt h e o r ya l s os h o w st h a tt h es h a p ea n ds i z eo fn a n o p a r t i c l e c o u l db ea f f e c t e db yt h es h a p eo fm a c r o m o l e c u l a rc h a i n sa n dt h ei n t e r f a c et e n s i o nb e t w e e n m a c r o m o l e c u l ea n dm n p s i tw a sf o u n dt h a tt h ec o n t e n to fd e x t r a no fr e s u l t a n ts a m p l e p r e p a r e db yi n t e r f a c i a lc o p r e c i p i t a t i o ni sl e s st h a nt h a tp r e p a r e db yt h ec l a s s i c a lc o p r e c i p i - t a t i o n m e a n w h i l e ，t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o no fn a n o p a r t i c l e sp r e p a r e db yt h ei n t e r r a c i a l c o p r e c i p i t a t i o ni sm u c hh i g h e rt h a nt h o s ep r e p a r e db yt h ec l a s s i c a lc o p r e c i p i t a t i o n ，w h i c hi s m a i n l yc a u s e db yt h e i rd i f f e r e n c ei nd e x t r a np e r c e n t a g e h o w e v e r , s o m ed r a w b a c k sw e r ef o u n di nt h ec o p r e c i p i t a t i o ns t r a t e g y , s u c ha st h ed i s - p e r s i b i l i t y , c r y s t a l l i n i t y , e t c t h e r e f o r ean o v e lm e t h o dw e r ep u tf o r w a r df o ro v e r c o m i n g t h e s ed r a w b a c k s ，i nw h i c hd i e t h y l e n eg l y c o lw a su s e da ss o l v e n tt op a r t l yr e d u c ef e r r o u s i o n b e c a u s eo ft h er e l a t i v eh i g hr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ( a b o u t2 2 0 c ) ，t h ec r y s t a l l i n i t yo fa s p r e p a r e dn a n o p a r t i c l e sw a si m p r o v e d m e a n w h i l e ，t h ed i s p e r s i b i l i t yw a sa l s oi m p r o v e do r i g - i n a t e df r o md i e t h y l e n eg l y c o la b s o r b i n go nn a n o p a r t i c l e ss u r f a c e i na d d i t i o n ，t h i sm e t h o di s g e n e r a lf o rm a n yk i n d so fw a t e r - s o l u b l em a c r o m o l e c u l e st om o d i f yt h em a g n e t i t en a n o p a r - t i c l e s m i c r o e m u l s i o nm e t h o dw a su t i l i z e dt oc o a tal a r g em o u n to fm n p sb ys i l i c al a y e r t h et h i c k n e s so fc o a t i n gl a y e rc a nb ee a s i l yt u n e db yt h ea m o u n to ff e 3 0 4a n ds i l i c a ，a n d t h er e s u l t a n tp a r t i c l e sp o s s e s sar e l a t i v eh i g hs u p e r s a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o n h o w e v e r , t h e c o n t r o lo ft h es i z ea n ds h a p eo fn a n o p a r t i c l e si sd i f f i c u l t ，w h i c hn e e d sf u r t h e rs t u d i e s t h et r a n s f e c t i o no fm a g n e t i t en a n o p a r t i c l e st oe e l lw a se v a l u a t e da n dt h er e s u l t ss h o w s t h a td e x t r a n m a g n e t i t eh y b r i dn a n o p a r t i c l e sc a nb es u c c e s s f u l l yt r a n s f e c t e dt ob o n em a r r o w s t e mc e l l s w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fm a g n e t i t ei sb e l o w3 2 3 2 # g m l ，t h e ya l m o s th a v en o 一一 英文摘要 i n f l u e n c eo nt h ed i f f e r e n t i a t i o no fc e l l s t h i se x p e r i m e n ti d e n t i f yt h ep o s s i b i l i t yo ff u r t h e r r e s e a r c ho nt h em o l e c u l ea n dc e l li m a g ea n dt r a c k i n g 。 k e yw o r d s ： m a g n e t i t en a n o p a r t i c l e s ，i n t e r f a c i a lc o p r e c i p i t a t i o n ，d e x t r a n ，d i e t h y l e n e g l y c o l ，s i l i c ac o a t i n g v 一 上海交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 上海交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解上海交通大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：z 连上f 日期：趁堕年1 月三日 第一章文献综述 1 1 引言 纳米材料，是指三维空间中至少有一维处于1 1 0 0 n m 尺度或由它们作为基本单元 组成的材料。而当三个维度上均处于纳米尺度时，即为纳米颗粒。当颗粒尺寸进入 纳米尺度时，其本身具有量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应和宏观量子隧道效 应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料 等方面有着广阔的应用前景，同时也将推动基础研究的发展【1 1 。 在纳米颗粒材料中，磁性纳米颗粒是一类重要的材料。亿万年以来，天然磁性 纳米颗粒就在生物体内发挥着重要的作用。以前人们认为蜜蜂是利用北极星或通过 摇摆舞向同伴传递信息来辨别方向的，最近，英国科学家发现，蜜蜂的腹部存在磁 性纳米颗粒，这种磁性颗粒具有指南针的功能，蜜蜂利用这种“罗盘”来确定其周 围环境在自己头脑里的图像而判明方向：而大海龟颗粒通过头部的磁性纳米颗粒的 导航作用完成几万公里准确无误的迁移【2 3 1 。这些例子充分说明磁性纳米颗粒的重要 作用。 与块体磁性材料相比，纳米磁性颗粒由于尺寸效应、量子效应和表面效应表现 出与块体材料不同的性质。 h c 啮笛幻d e 翻口b b s t a r v el= m u f t i - d o m a i n 1 - - 一 d o m c 叠d - - - 乳p 钟p 嘲a # ，0 怕酝。 至 f 三 0 砩d s 图1 1 磁性颗粒矫顽力大小与粒径的关系【4 j 。 f i g 1 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o e r c i v i t ya n ds i z eo fm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s 4 1 我们知道，大块铁磁性材料是由多个磁畴组成的。多畴结构的形成减少了退磁 场能，增加了磁壁能。由于退磁场能与磁畴的体积成比例，畴壁能与畴壁的面积成 比例，因此当铁磁晶体的的体积减小时，退磁场能比磁壁能下降得更快。当铁磁晶 上海交通大学博士学位论文 体的体积减小到一定程度时，其整个晶体粒子成为一个磁畴在能量更低，如果铁磁 晶体的尺寸等于或小于这一临界尺寸，它将成为一个单磁畴颗粒。当进一步减小铁 磁颗粒的大小时，其微粒中使磁化矢量固定在某些易磁化方向的各向异性能将随之 减小，而热运动的作用相对较大。当颗粒的大小减小至其各向异性能远小于热运动 的能量时，颗粒中的磁化矢量不再有确定的方向，颗粒的行为类似于顺磁性，人们 称这种现象为超顺磁性1 4 5 1 。 由于单磁畴颗粒不存在畴壁，它的磁化和反磁化过程都是磁化矢量的转动过 程，这样的过程将会导致较高的矫顽力。而当颗粒的粒径小至超顺磁性的范围内 时，热运动的能量变得显著，而热运动的作用是使磁化矢量的方向趋于紊乱，因此 当磁各向异性能远小于热运动能量时，颗粒的磁化矢量将不停地在空间改变方向。 也就是说，在不加外加磁场的情况下，其任何方向上的磁化强度均为零。即当去除 外加磁场后，其矫顽力和剩磁均为零1 6 7 】，如图1 1 所示。 赫 a ( x l o g o m 谖g n e b c ， 产 m n u l h 伦m 粥忸卯l d u 蝴 h paramagneld m 厂 h superparan 图1 2 不同磁类型对应的磁滞回线示意图【8 】。 f i g 1 2m a g n e t i z a t i o n c u r v e sc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n tk i n d so fm a t e r i a l s l 5 根据以上原理一般认为，当颗粒表现出超顺磁性时，其磁滞回曲线表现出如 图1 2 d 的形状，即当施加一外加磁场时，其显示出一定的磁化强度，而当外加磁场减 小并消失时，其剩磁( 纵坐标截距) 和矫顽力( 横坐标截距) 均为零，因而表现出 无滞回现象。这一点与其他的磁性种类( 图1 2 a , b ，c ) 有明显不同【8 1 。 正因为纳米磁性颗粒具有表现出超顺磁性的特点，它在许多领域有着广泛的应 一2 一 第一章文献综连 用。例如可用作磁记录介质、密封川磁流体等等，然而最重要的足其在牛物医用领 域有着广阔的应埘前景。 12 磁性纳米颗粒的生物医用前景 磁性纳米颗粒由于其特殊的磁性能在生物医用领域有着阔的应用前景，可概 括为体外应用和体内应用研类。在体外应用方面，主要町_ l j 于标记和分离细胞、益 自质、d n a 、细菌和病毒等：而在体内应用方面可用于磁共振对比成像的显影 剂、药物载体及过热治疗肿瘤等。本节从这两个方面简要介纠磁性纳米颗粒在生物 医用领域的应用前景。 12 1 体外应用 磁性纳米颗粒的体外应用主要是利j ；l j 萁表呵的化学修饰获与特定细胞、d n a 、 蛋白质等发生识别而相结合，进而从混合物中分离出或标定出这些物质。图13 给 出的是个采用磁性纳米颗粒进行蛋白质分离的示意图。在细胞和蛋白质的混合溶 液中，加入表面经过修饰的磁性纳术颗粒，这些颗粒将与特定蛋白质分子链相结 合，进而采用磁性分离的办法将这些蛋白质分子从混合溶授中分离出来。 刚。躲。黜然慧搿：鬈嚣勰；翟茹。一， 细胞磁免疫分离是细胞生物学和药学研究中的重要方法之一，大量的磁免疫分 离都是基于磁性纳米颗粒或微球表面的抗体与细胞抗原之问的相互作用来实现细胞 快速分离的。磁免疫分离一般被分为直接法和间接法0 “i ，直接法就是将偶联有抗 体的磁性颗粒加入待分离的细胞混合体系中，经过孵育使靶向细胞与磁性颗粒表面 的抗体识别形成稳定的复合体，然后在外加磁场作用下实现分离间接法是先将抗 体加入到细胞混合体系中，过滤除掉大部分未被偶联的抗体，再通过磁性纳米颗粒 表面的二抗与细胞表面的抗体结合，犀后通过外加磁场的作j 1 实现细胞的分离。采 用磁性纳米颗粒来分离细胞有如下一些优点：磁性颗粒在整个分离过程r t l l ：会破坏 上海交通大学博士学位论文 细胞，不影响细胞的功能和活性，磁分离后的细胞存活率可达9 0 以上；分离操作 简单，速度快，分离纯度可达9 5 9 9 t s j 。 近年来，采用磁性纳米颗粒与传统的电泳、超速离心等方法相结合来分 离d n a 和蛋白质的报道日趋增多。例如磁流体中的磁性纳米颗粒在外磁场作用下 可以自发形成间距从亚微米倒1 0 0 微米的规则排列的圆柱，d o y l e 等【1 2 】利用这一点 首先建立了一种新的d n a 分离方法，他们利用磁性纳米颗粒在微通道器件中形成 间隙为5 7 # m 的磁柱结构，并在微通道内结合脉冲电场琼脂糖电泳方法，成功地 在1 5 m i n 内实现了1 d n a 与两d n a 碎片的分离。一般来说，这些方法普遍表现出如下 方面的优势：分离范围显著增大，如传统电泳方法仅能分离出小于1 0 0 0 碱基对( 1 k b a s ep a i r s ，lk b p ) 的短链d n a ，而利用磁性纳米颗粒可以轻易分离近1 0 0 k b p l 筝j d n a ， 同时分离速度大大加快。 在现代分子生物学研究中，对d n a 的高灵敏度分析和d n a 双螺旋链上碱基 对错配缺欠的检测一直是最具有挑战性的课题。磁性纳米颗粒由于具有良好的 分离特性且磁信号检测受背景的干扰较小，在用于生物检测时具有独特的优 势。k a t z 和w i l l n e r 等【1 3 1 4 1 最近以磁性纳米颗粒作为d n a 载体及其复制放大的模板， 结合电化学方法，利用化学发光技术成功地实现了对目标d n a 分子以及含有一个错 配碱基对d n a 的检测。他们的检测方法灵敏度可达t u 8 3 1 0 - 1 8 m o l l 。 1 2 2 体内应用 磁共振成像( m 砒) 技术由于可以用来对生物内脏器官和软组织进行无损的快 速检测，已经成为诊断软组织病变尤其是检测肿瘤的最为有效的临床诊断方法之 一。通常为了增强病变组织与正常组织的图像之间的对比度以提高病变组织的清晰 度，需要选择合适的造影增强剂来显示解剖学特征。磁共振造影剂的主要工作原理 是可以有效地改变病变组织中质子的自旋一自旋弛豫时间，从而达到增强对比度的 效果。目前，临床上常用的磁性造影剂是钆的配合物，如g d d t p a 等【”，m 1 ，但g d 的 配合物有明显的不足之处。如循环时间短，注射后g d 离子可迅速通过细胞间隙经肾 脏排泄；g d 离子在体内分布没有特异性，不能全部到达特定位置；另外g d 的配合物 必须很高的浓度( 1 0 0 # m ) 才能获得较好的对比增强效果【 1 8 】。早在2 0 世纪8 0 年 代初，研究者们就开始了磁性颗粒作为造影剂在m m 中的应用研究。磁性纳米颗粒 是一种网状内皮系统对比剂，可用于肝、脾、淋巴结、骨髓等富含网状内皮细胞的 组织和器官的增强。磁性纳米颗粒入血后与血浆蛋白结合，并在调理素作用下被网 状内皮系统识别并摄入。吞噬细胞吞噬超顺磁性氧化铁颗粒后使相应区域信号减 低，而肿瘤组织因不含正常的吞噬细胞而保持信号不变。由于磁性颗粒的水溶性较 差，使之很适合用作口服造影剂，已有研究【1 9 1 采用超顺磁性纳米颗粒通过口服进 行了动物( 老鼠、狗等) 肠胃道造影，结果表明可使负的( 黑色) m r i 信号显著增 一4 一 第一章工献综述 强，井具有很好的牛殚耐受性。磁性纳米颗粒经过一定修饰后在体内循环时问长 可获得特异性分布，并且在浓度1 “m 时即可被检测到。 。，4 。：勰黧燃：答磐鼎勰稳豫皋l 能慧勰糯臻 琵忿揣赢， c c mc o n t a i n i n gm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s t j 随着桉磁成像技术的不断进步，m r i 的成像分辨率已经可以达到2 0 2 5 p m 湘当 于单个细胞的尺寸，返就使得磁性纳米颗粒除了可以作为造影剂用于诊断各种疾病 外，还可蚍_ l j 于实时监控和跟踪各种细胞。b u l t e 课题组 2 0 1 采用树枝状分子修饰磁 性纳米颗粒得到了可用于细胞内标记的复合磁性颗粒，他们将这种复合磁性纳米颗 粒用于标记人的神经干细胞和间叶干细胞，j f j m r i 成功地在鼠脑r p 检测到了神经干 细胞发育繁殖而来的少突神经胶质原( o l i g o d e n d r o g l i a lp r o g e n i t o r ) ，如图i4 所示，含 有磁性颗粒的少突胶质原呈现黑色，与周围无磁性颗粒的部分表现出很强的对比反 茸。 传统药物服用或注射后由血液输送到体内的需药部位，但同时药物亦传输到了 身体的其他部位，大多数情况下，服用的药物只有一部分能到达病忠部位，大部分 随血液循环分散到身体吾处。由于许多药物都有一定的毒副作用，在传统给药方式 中，为满足药物最低有效浓度而增加药物剂量可能对正常组织和器官产生伤害，严 重时甚至会引发新的疾病或后迪症1 2 ”。实现药物选择性的作用于病变部位，并按需 精确控释或缓释以提高疗效，延长药物作用时间在满足疗效的前提下减少投八剂 量从而减轻毒性反应，是医药界长期追求的目标。磁性颗粒负载的药物靶向治疗 是靶向给药的种，它借助于磁场使磁性载体所负载的药物有效聚集在靶部位提 高靶部位药物的浓度，降低药物对正常组织的毒性和副作用。采用磁性介质作为靶 向给药的载体时，磁性胶态溶液能够注射入血管并在外加磁场的作用下将药物运送 到需药部位m 埘】：除此之外，人体对磁性颗粒的耐受性很好而外加磁场效应并不 被人体所减弱、不影响正常的生物过程也是这类治疗方法具有广泛应用前景的原因 之一。 磁性纳米颗粒作为药物载体首先被应用于装载细胞毒类药物亚德里亚霉 素( d o x o r u b i c i n ) 来治疗种植于鼠尾的肉瘤j 。其结果显示采用磁性载体装载药物治 疗的小鼠肉癌变小，而1 ；采用磁性靶向治疗的小鼠用1 0 倍剂量药物治疗后仍无缓 上海交通大学博士学位论文 解。此后，几个不同的研究小组不断报道磁性靶向治疗猪、兔、鼠的肿瘤获得良 好结果f 2 7 2 引。k u b o 等t 2 9 j $ l j 直接将外加磁场源植入到鼠的把部位，磁场强度为0 4 t ， 将o s 5 1 5 骨肉瘤移植到叙利亚鼠的右后肢中，然后在肿瘤血管附近静脉注射磁性脂质 体抗生素，经过药理学和组织学的评估，这种新颖的治疗方法在药物注射以后能抑 制肿瘤的生长，通过肿瘤的组织检查也显示了磁粒聚集在肿瘤血管中，而且，磁性 颗粒一旦聚集在肿瘤血管内，就会停留直至药物降解。l i i b b e 等【3 0 】将铁磁流体复合米 托葸醌应用于病人的靶向治疗，进行了第一阶段的临床试验，采用高磁能级稀土的 永磁块，磁场强度为0 5 叼8 t ，安置在肿瘤表面，磁场作用的时间约6 0 。1 2 0 m i n 。结 果显示：磁性药物靶向治疗在临床得到了很好的应用，病人在治疗过程中很好地耐 受，没有提出不适，心脏血管参数和体温也没有改变；通过磁共振成像技术、药物 动力学及铁磁流体的探测，表明铁磁流体能将药物成功地导向病人的肿瘤部位，而 且磁性药物靶向治疗的方案是安全的。 磁性纳米颗粒处于交变磁场中时将产生热量并使自身和环境温度升高，这种热 量的大小不仅与外加交变磁场的磁场强度、频率有关，还与微粒本身的尺寸、形貌 等众多因素有关。这一特性被研究者们利用到肿瘤的治疗当中，当肿瘤组织中温度 升高时，由于肿瘤中的血液供给不如正常组织充足，致使肿瘤细胞中热量扩散较 慢，从而造成局部温度升高来达到杀死肿瘤细胞的目的【3 l3 2 1 。 显然，磁性纳米颗粒在生物医学领域有着广阔的应用前景，既可用于体外也可 以用于体内。可以预期，以铁的氧化物为代表的磁性纳米颗粒必将在不远的将来为 人类的健康作出巨大的贡献。为了使磁性纳米颗粒能够尽快的更好的服务于人类的 健康，对纳米颗粒的制备、修饰、功能化的基础研究是必需的也是目前研究热点之 一o 1 3 磁性纳米颗粒的化学制备方法 纳米颗粒的化学制备主要是指通过在液相中的化学反应来得到纳米颗粒的过 程，已有很多书籍【3 3 - 3 4 】和文章【3 5 3 6 j 综述了液相制备颗粒的热力学理论。一般来说， 纳米颗粒的形成包括三个步骤【3 7 l ：首先，随着反应物在溶剂中向生成物转变，生成 物会变得过饱和，当过饱和度达到一定程度时，将导致晶核的形成，即形核；其 次，溶液中过饱和的生成物不断的向晶核上扩散、沉积，使晶核不断长大；最后， 伴随着小颗粒的消失和大颗粒的继续长大，整个体系趋于稳定，称为o s t e r w a l d 熟 化。显然，在这样一个过程中，任何反应条件的变化，例如反应物的混合过程、反 应速度，都会导致颗粒大小、形貌和粒径分布的不同。 1 3 1 复分解策略 复分解策略是指利用如下反应来制备铁的氧化物的策略： 一6 一 第一章文献综述 f e 2 + + 2 f e 3 + + 8 0 h 一一f e 3 0 4 + 4 h 2 0 2 f e 3 + + 6 0 h 一叫f e 2 0 3 + 3 h 2 0 主要包括化学共沉淀法和微乳液法等。这些方法的主要优点是操作简单，无需 很高温度，而缺点则是制备的颗粒易团聚，粒度不易控制、分布较宽等。 1 9 8 1 年，m a s s a r t 3 8 首次将氯化铁和氯化亚铁的混和溶液滴入氨水中获得四氧 化三铁颗粒，经过离心或磁性分离后分散在碱性或酸性水溶液中。s t r o e v e 等【3 9 j 将 铁盐溶液滴入n a o h 溶液中获得四氧化三铁颗粒，加入稀盐酸溶液使之分散，获 得近透明的胶体溶液，经过透射电镜( t e m ) 的观察，获得的是粒径分布较均一 的球形颗粒；他们还将制备得到的四氧化三铁颗粒在通气的情况下氧化获得了 针状7 f e 2 0 3 纳米颗粒。m a r k o v i c h 等1 4 0 1 在8 0 下用铁盐溶液和氨水的共沉淀法制备 了f e 3 0 4 和c o f e 2 0 4 纳米颗粒，并加入油酸后转移至甲苯溶液中，采用不良溶剂进行 粒度筛选而获得了粒径均一的油溶性纳米颗粒。共沉淀法由于很难控制其形核与长 大过程，而导致粒径分布很宽，且需在精确控制p h 值或加入稳定剂的条件下才可使 之稳定存在，否则获得的纳米颗粒在数分钟之内将团聚并沉降。 铁在自然界存在近1 5 种氧化物和氢氧化物，而且相互之间很容易转化【4 。因 此在水溶液中通过沉淀铁盐溶液来获得磁性纳米颗粒，产物的组成是其面临的重 要问题之一。j o l i v e t 等【4 2 】认为三价铁盐在p h 1 时将会沉淀，二价铁盐则在p h 值高 于6 的环境下才会沉淀，而单独的f e 3 + 碱性条件下沉淀并不能获得氧化物，只能获 得f e ( o r i ) 3 或f e o o h ，因此f e 2 + 在制备f e 3 0 4 的过程中起着重要的作用。他们1 4 3 】认为 少量( l