（材料学专业论文）功能化磁性高分子纳米球的制备及性能研究.pdf

博上论文 功能化磁性高分了纳米球的制备及性能研究 摘要 本文采用改进的一步细乳液共聚技术，制备出具有良好分散性、粒径分布范围窄、 表面带有丰富官能团、高磁含量的超顺磁性高分子纳米球，并在磁性纳米球表面固载组 氨酸，开展普通羰基铼的初步模拟标记实验。本研究为最终实现放射性核素1 8 8 r e 的成 功标记提供了详实的实验数据和坚实的理论基础。主要内容如下： 首先，无机磁性核体材料的选择是影响磁性高分子纳米球性能的主要因素之一。本 文采用盐助甘氨酸法制备了纳米铁氧体，并用改性共沉淀法制备了f e 3 0 4 磁流体，对其 性能进行了表征和分析对比。结果表明，相比纳米铁氧体而言，f e 3 0 4 粒子不仅单分散、 粒径小且均一、饱和磁化强度值更大、而且经修饰后与油相有很好的相容性，因此，更 适于制备磁性高分子纳米球。 其次，以f e 3 0 4 磁流体为核，苯乙烯为聚合主单体，选用丙烯酰胺或甲基丙烯酸甲 酯为功能单体，采用改进的一步细乳液共聚法分别制备出了表面酰胺基化、酯基化的核 壳f e 3 0 , d 聚合物纳米球。并探讨了功能单体和表面活性剂用量、交联剂用量、引发剂用 量和磁流体浓度对磁性纳米球性能的影响。结果表明，通过工艺参数的调控，可以制得 粒径小且均一、分散性好、磁含量高、功能基团丰富、饱和磁化强度达4 0 5 0e m u g 的 超顺磁性纳米球。而且，一步细乳液共聚法具有工艺简单、功能单体丰富可调、包覆完 全等优点，可以推广为制备表面功能化磁性纳米球的普适性方法。 此外，基于酯基化磁性纳米球的制备工艺，引入另一功能单体甲基丙烯酸缩水甘油 酯进行细乳液共聚反应，制备出了表面环氧基化的磁性纳米球。结果表明，环氧基化磁 性纳米球包覆完全、分散好、粒径分布窄，并显示超顺磁性，其平均粒径为6 0r l i i l 、磁 含量为1 9 8 叭、饱和磁化强度为1 8 5 4e m u g 。此外，相比于酰胺基和羧基化磁性纳 米球，环氧基化磁性纳米球更易进行氨基官能团的转化，所得的氨基化磁性纳米球球体 完整，并能保持良好的分散性，可用于后续的标记实验。 最后，严格在无水无氧的条件下，成功制备出了化合物 n ( e 0 4 】【r c ( c o ) 3 b r 3 l ，将其 溶于水后，得到了标记前体化合物普通羰基铼f a c r e ( c o ) 3 ( h 2 0 ) 3 + ，并设计出普通羰基 铼模拟标记氨基化磁性纳米球的技术路线。以自制的氨基化磁性纳米球为原料，戊二醛 为交联剂，在氨基化磁性纳米球表面成功固载了组氨酸。结果表明，固载组氨酸后，磁 性纳米球球体完整、分散性较好、且保持超顺磁性，其磁含量为2 0 、饱和磁化强 度值为9 4 3e m u g ，可进行下步模拟标记实验。 再以固载组氨酸的磁性纳米球作为磁靶向载体，开展普通羰基铼的初步模拟标记实 验。结果表明，模拟标记产物分散性好，磁含量为1 6 讯，超顺磁性且饱和磁化强度 值为9 1 0e m u g 。采用紫外分光光度计测试吸光度并计算出模拟标记率达8 0 4 。由此 摘要 博卜论文 表明，普通羰基铼对固载组氨酸的磁性纳米球有较好的标记能力，有望实现放射性核素 1 8 8 r e 的成功标记。 关键词：磁靶向放疗，细乳液共聚，磁性高分子纳米球，功能基团，三羰基铼， 模拟标记 u 博士论文 功能化磁性高分了纳米球的制备及性能研究 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni si n t e n d e dt op r e p a r ef u n c t i o n a l i z e ds u p e r p a r a m a g n e t i cn a n o s p h e r e sw i t h s m a l la n du n i f o r mp a r t i c l es i z e ，g o o dd i s p e r s i b i l i t y , h i g hm a g n e t i t ec o n t e n ta n ds a t u r a t e d m a g n e t i z a t i o nb yam o d i f i e do n e - s t e pm i n i e m u l s i o nc o p o l y m e r i z a t i o n a n dh i s t i d i n ew a s e o v a l e n t l yl i n k e dt ot h es u r f a c eo fm a g n e t i cn a n o s p h e r e s ，a n dt h e nt h es i m u l a t i v el a b e l i n g e x p e r i m e n to ft h er e s u l t i n gn a n o s p h e r e sw i t l lt r i - c a r b o n y lr h e n i u mw a sp r i m a r i l yd e v e l o p e d d e t a i l e de x p e r i m e n t a ld a t aa n dp o w e r f u lt h e o r e t i c a le v i d e n c ew e r eo b t a i n e df o rr e a l i z i n gt h e s u c c e s s f u lr a d i o l a b e l i n go fm a g n e t i cn a n o s p h e r e sw i t h1 耜r e t h ed e t a i l sa r ed e s c r i b e da s b e l o w ： f i r s t l y , t h ei n o r g a n i cm a g n e t i cp a r t i c l e sa r et h ek e yf a c t o r si ni n f u e n c i n gt h ep r o p e r t i e so f m a g n e t i cp o l y m e rn a n o s p h e r e s i nt h i sp a p e r , f e r r i t en a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e ds a l t - a s s i s t e d g l y c i n ec o m b u s t i o nm e t h o d ，a n df e 3 0 4f e r r o f l u i d sw e r ep r e p a r e db ym o d i f i e dc o p r e c i p i t a t i o n a n dt h e i rp r o p e r t i e sw e r ec h a r a c t e r i z e da n da n a l y z e d t h er e s u l t e ds h o w e dt h a tc o m p a r e d w i t hf e r r i t en a n o p a r t i c l e s ，f e 3 0 4f e r r o f l u i d sh a db e t t e rd i s p e r s i b i l i t y , s m a l l e ra n dm o l eu n i f o r m p a r t i c l es i z e ，s t r o n g e rm a g n e t i cr e s p o n s i v e n e s s ，b e t t e rm i s c i b i l i t y 埘t l lo i lp h a s e ，w h i c hw e r e m o r ef i tf o rp r e p a r i n gm a g n e t i cp o l y m e rn a n o s p h e r e s s e c o n d l y , t h ea m i d e f u n c t i o n a l i z e da n de s t e r i f i a b l ef e 3 0 d p o l y m e rc o r e s h e l lm a g n e t i c n a n o s p h e r e sw e r ep r e p a r e db yam o d i f i e do n e - s t e pm i n i e m u l s i o nc o p o l y m e r i z a t i o ni n p r e s e n c eo ff e 3 0 4f e r r o f l u i d s ，r e s p e c t i v e l y a n ds t y r e n ew a sp o l y m e r i z e dm o n o m e r , a n d a c r y l a m i d ea n dm e t h y lm e t h a c r y l a t ew e r ec h o s e na sf u n c t i o n a l i z e dm o n o m e r t h ee f f e c t so f v a r i o u sp o l y m e r i z a t i o np a r a m e t e r s ，s u c ha st h ef u n c t i o n a l i z e dm o n o m e r d o s a g e ，t h es u r f a c t a n t d o s a g e ，t h ec r o s s l i n k e rd o s a g e ，t h ei n i t i a t o rd o s a g ea n dt h em a g n e t i cf l u i dc o n c e n t r a t i o no n t 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 sw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h er e s u l t e ds h o w e dt h a tb y o p t i m i z i n gt h et e c h n i c sp a r a m e t e r s ，s u p e r p a r a m a g n e t i cp o l y m e rn a n o p s h e r e s 谢t l lg o o d d i s p e r s i b i l i t y , s m a l la n du n i f o r mp a r t i c l es i z e ，h i g hm a g n e t i cc o n t e n t ，l a r g es a t u r a t e d m a g n e t i z a t i o n ( 4 0 5 0e m u g ) a n da b u n d a n tf u n c t i o n a lg r o u p sw e r ep r o d u c e d m o r e o v e r , t h e m i n i e m u l s i o nc o p o l y m e r i z a t i o nh a st h em e r i t so fs i m p l ep r o c e s s ，t u n a b l ea n da b u n d a n t f u n c t i o n a lm o n o m e ra n dc o m p l e t ec o v e r a g e ，w h i c hc a nb ei n t r o d u c e da sa p r e f e r r e dm e t h o d f o rp r e p a r i n gs u r f a c e f u n c t i o n a l i z e dm a g n e t i cn a n o s p h e r e s o nt h eb a s i so ft h es y n t h e s i st e c h n i c so fe s t e r i f i a b l en a n o s p h e r e s ，t h em a g n e t i cn a n o s p h e r e s 、析t l l e p o x yg r o u p sw e r ep r e p a r e db yi n t r o d u c i n ga n o t h e rf u n c t i o n a lm o n o m e ri n t h e m i n i e m u l s i o nc o p o l y m e r i z a t i o n t h er e s u l t e ds h o w e dt h a te p o x yn a n o p s h e r e sh a dc o m p l e t e c o v e r a g e ，g o o dd i s p e r s i b i l i t ya n ds m a l lp a r t i c l es i z e t h ea v e r a g ep a r t i c l es i z ew a s6 0n n ， i i i a b s t t a c t博上论文 m a g n e t i cc o n t e n tw a s19 8 w t a n dl a r g es a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o nw a s18 5 4 e m u g c o m p a r i n gw i t ha m i d e f u n c t i o n a l i z e da n de s t e r i f i a b l em a g n e t i cn a n o s p h e r e s ，e p o x ym a g n e t i c n a n o s p h e r e sw e r et r a n s f o r m e dt o a m i n o f u n c t i o n a l i z e dn a n o s p h e r e sm o r ee a s i l y , a n dt h e a m i n o f u n c t i o n a l i z e dn a n o s p h e r e sr e m a i nw e l l - d i s p e r s e da n dc o m p l e t e ，w h i c hc a l lb eu s e di n s u b s e q u e n tl a b e l i n ge x p e r i m e n t l a s t l y , t h ec o m p o u n d n ( e t ) 4 r e ( c o ) 3 b r 3 】w a ss y n t h e s i z e d ，a n dt h el a b e l i n gp r e c u r s o r f a c 一 r e ( c o ) 3 ( h 2 0 ) 3 + w a so b t a i n e db yd i s s o l v i n g n ( e t ) 4 r e ( c o ) 3 b r 3 】i nw a t e r a n dt h e t e c h n o l o g yr o a d m a po fl a b e l i n go fm a g n e t i cn a n o p s h e r e sw i t ho r d i n a r yt r i c a r b o n y lr h e n i u m w a sd e s i g n e d t h eh i s t i d i n ew a sc o v a l e n t l yl i n k e dt ot h es u r f a c eo fa m i n o - f u n c t i o n a l i z e d n a n o s p h e r e su s i n gg l u t a r a l d e h y d ea sc r o s s l i n k e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta f t e ri m m o b i l i z i n g w i t hh i s t i d i n e ，m a g n e t i cn a n o s p h e r e sh a dc o m p l e t e s t r u c t u r e ，g o o dd i s p e r s i b i l i t y , h i g h m a g n e t i cc o n t e n t ( 2 0w t ) a n ds a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o n ( 9 4 3e m u g ) ，w h i c hc a nb eu s e di n t h en e x ts i m u l a t i v el a b e l i n ge x p e r i m e n t u s i n gt h em a g n e t i cn a n o s p h e r e si m m o b i l i z e d 、j r i t l lh i s t i d i n ea sm a g n e t i ct a r g e t e dc a r t i e r , t h es i m u l a t i v el a b e l i n g e x p e r i m e n to ft h e mw i t ht r i - c a r b o n y l r h e n i u mw a sp r i m a r i l y d e v e l o p e d t h er e s u l t e ds h o w e dt h a tt h e l a b e l e dp r o d u c t sh a sc o m p l e t e s t r u c t u r e ，g o o d d i s p e r s i b i l i t y , h i g hm a g n e t i cc o n t e n t ( 16w t ) a n ds a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o n ( 9 10e m u g ) t h e s i m u l a t i v el a b e l i n gy i e l dw a st e s t e db yu v - s p e c t r o p h o t o m e t e ra n dc a l c u l a t e da s8 0 4 t h e s er e s u l t se x h i b i t e dt h a tt r i - c a r b o n y lr h e n i u mh a dg o o dl a b e l i n ga b i l i t yf o rt h em a g n e t i c n a n o s p h e r e si m m o b i l i z e d 诵t hh i s t i d i n e ，w h i c hs h o w e dt h a ti tw a sh o p e f u li nr e a l i z i n gt h e s u c c e s s f u lr a d i o l a b l e l i n gw i t hr a d i o n u c l i d e s1 8 8 r e k e y w o r d s ：m a g n e t i c a l l yt a r g e t e dr a d i o t h e r a p y , m i n i e m u l s i o nc o p o l y m e r i z a t i o n ，m a g n e t i c p o l y m e rn a n o s p h e r e s ，f u n c t i o n a lg r o u p s ，t r i c a r b o n y lr h e n i u m ，s i m u l a t i v e l a b e l i n g i v 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： 7 年月日 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： 诹小左尾 。7 年莎月日 博上论文 功能化磁性高分子纳米球的制各及性能研究 1 绪论 生物科技、信息科技和纳米科技是2 1 世纪科技发展的前沿。近几年来，纳米材料 在生物医学领域的应用潜力吸引了人们的广泛关注。纳米材料是指三维尺寸中至少有一 维处于1 1 0 0n m 之间的粒子【l 。2 1 ，具有比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心 多、催化效率高、吸附能力强等优良特性【3 4 1 。纳米材料可作为药物载体，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1 5 。8 i 。 恶性肿瘤正取代心脑血管疾病逐渐成为威胁人类的头号杀手。关注恶性肿瘤的治 疗，特别是运用当今最先进的纳米医药技术为广大肿瘤患者服务是本研究的初衷和契入 点f 9 】。在众多的纳米材料中，纳米磁性材料因其显著的表面和体积效应以及在外加磁场 下可控运动的特点，被广泛应用于分离纯化、免疫测定、影像诊断、靶向给药与治疗等 生物医学领域。因此，从2 0 世纪9 0 年代开始，纳米磁性材料逐渐成为材料和生物医药 领域的研究焦点l l 引。 1 1 纳米载药系统 纳米载药系统( 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 ) 是指药物与药用材 料一起形成的粒径为1 1 0 0 0n m 的纳米级药物输送系统。主要包括纳米粒( 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 n o e m u l s i o n ，n e ) 等。由于药物输送系统位于纳米尺度范围及可 修饰其表面，纳米载药系统在实现靶向给药、缓释药物、提高难溶性药物与多肽药物的 生物利用度、降低药物的毒副作用等方面表现出良好的应用前景【1 4 1 。 1 1 1 纳米载药系统的主要类型 目前国内外所研究的纳米载药系统主要有以下几种类型【j 5 】： ( 1 ) 磁性纳米粒子 在纳米粒中加入磁性物质构成载药系统，可通过外加磁场将药物导向靶区部位，其 适用于浅表部位病灶区及外加磁场易触及部位的病灶区。常用的磁性纳米粒子有纳米四 氧化三铁、纳米铁氧体、铁钴纳米合金等。磁性纳米粒子经表面包覆等处理后，可用于 磁共振成像，在疾病诊断上有重要用途；也可用于制备磁性微球，磁性微球在生物医药 领域中有着十分广泛的应用。 ( 2 ) 微乳 微乳由油、水、表面活性剂和助表面活性剂等组成，是一种粒径为1 0 1 0 0n m 的液 滴分散在另一种液体中形成的热力学稳定的胶体分散系统。微乳作为纳米载药系统，不 i 绪论博：论文 仅可增加难溶性药物的溶解度，提高水溶性药物的稳定性和生物利用度，同时具有药物 的缓释和靶向特性，适合于工业化的制备。 ( 3 ) 脂质体 脂质体又称磷脂膜，其化合物悬浮在水中会形成具有双层封闭结构的泡囊结构。脂 质体的粒径一般在几十纳米到数微米之间，而且纳米尺度的脂质体具有很好的稳定性。 脂质体载药系统同样具有药物的缓释和靶向特性，而且可增加药物在体内外的稳定性、 降低药物的毒性、提高药物的治疗指数。与有些载药系统相比，脂质体所具有的结构可 修饰性，能使开发具有特殊功能的载药系统( 如免疫脂质体) 等成为可能。 纳米脂质体的应用非常广泛，可作为抗肿瘤药物的载体、靶向网状内皮系统的药物 载体、蛋白质及核酸药物的载体、抗菌药物的载体和金属螯合物的载体等。其适用的给 药途径也非常多，如静脉注射、皮下和肌肉注射、口服给药、眼部给药、肺部给药和皮 肤给药等。 ( 4 ) 生物可降解高分子纳米粒 生物可降解高分子纳米粒因其来源的多样性和结构的可修饰性，一直被广泛地应用 于纳米载药系统的研究。高分子纳米粒能改变药物的体内分布，并具有控释和靶向特性， 可增加药物的稳定性，并提高药物的生物利用度。因此，生物可降解高分子纳米粒作为 优良的载体，特别适用于多肽和蛋白质等基因工程药物口服剂型的研究。 ( 5 ) 固体脂质纳米粒 固体脂质纳米粒( s o l i d l i p o s o m e sn a n o p a t i c l e ，s l n ) 是以固态的天然或合成的类脂 为载体，将药物包裹于类脂核中制成粒径约为5 0 1 0 0 0n l l l 的纳米载药系统。它易于制 备成靶向释放的载体；载体材料本身没有生物毒性，制备过程中可以不使用有机溶剂， 毒副作用小；可增加药物的稳定性；并能用于装载亲水性药物和疏水性药物；也可进行 大规模的生产和消毒处理。 ( 6 ) 基因转导的纳米粒 纳米载体介导的遗传物质能高效地进入靶细胞，而且不易被血浆或组织细胞中的各 种酶破坏。它能透过细胞膜，进入细胞核，并整合于染色体d n a 中，以此获得转基因 的高效稳定表达而发挥其治疗作用。聚合物纳米粒作为药物核基因的转移载体，将药物、 d n a 、r n a 等基因治疗分子包裹在纳米粒内或吸附在其表面。同时在纳米粒表面偶联 特异性的靶向分子( 如特异性配体、单克隆抗体等) ，通过靶向分子与特异性受体结合， 在细胞摄取作用下进入细胞，可达到安全、有效靶向性给药的目的，实现基因治疗。 文献中常见纳米给药系统的制备方法【1 6 】如表1 1 所示。 2 博t 论文 功能化磁性高分了纳米球的制备及性能研究 表1 1 文献中常见纳米给药系统的类型及制备方法 t a b 1 1c l a s s i f i c a t i o na n dp r e p a r a t i o no fo r d i n a r yn d d s s y s t e m n d d s 类型制备方法 聚酯纳米粒 p b c a 纳米粒 白蛋白纳米粒 淀粉纳米粒 壳聚糖纳米粒 固体脂质纳米粒 纳米脂质体 纳米乳剂 囊泡( 类脂质体) 磁性纳米粒 免疫纳米粒 复乳一溶剂蒸发法，溶剂扩散法，乳化法 乳化一聚合法，空白吸附法 乳化一固化法 反相乳液聚合一溶剂蒸发，空白吸附法 复凝聚法，凝聚法 热融一均质法，冷压一均质法，乳化蒸发一低温同化法 凝聚法，乳化一溶剂蒸发法 逆相蒸发法，包膜蒸发法，超声分散法 高压乳化法 薄膜分散法 共沉淀法，乳化一固化法 化学偶联法 1 1 2 纳米载药系统的性能 ( 1 ) 增加药物的靶向性 药物的靶向性是指药物能高选择性地分布于作用对象的周围，从而增强药物治疗的 效果，并减少药物的毒副作用【1 1 刀。传统的载药系统虽然有较好的药理作用，但因其严重 的不良反应造成其使用范围受限。纳米载药系统为更好地发挥药物的作用带来了新的希 望，并解决了靶向定位的问题，如肿瘤药物可直接作用于肿瘤细胞而不影响正常细胞的 功能【1 8 】；心血管药可直接作用于需治疗的部位而不必通过血液循环引起全身反应；发生 在某些特殊的器官和部位处( 如关节、五官) 等以前无法给药的疾病，现在也可能得到 治疗。 ( 2 ) 增强药物的吸收 由于纳米粒子分散性好，比表面积大，并具有特殊的表面性能( 如生物粘附性、电 性、亲和性等) ，有利于增加药物在吸收部位的接触时间和接触面积。而且纳米粒子对 药物具有明显的保护作用，故可提高药物的吸收和生物利用度1 1 9 j 。 ( 3 ) 控制药物的释放 由于载体材料的种类与性能( 如分子量和比例等) 的不同、制备纳米粒子的工艺和结 构不同，可以使药物具有不同的释放速度一即缓释效应f 2 0 1 。把亲脂性免疫调节剂装载到 纳米胶囊中，可延长药物在肿瘤内的存留时间，从而在不同细胞周期发挥抗肿瘤作用。 而延长纳米粒在体内的循环时间，能使所装载的有效成分在中央室的浓度增大并且延长 i 绪论 博t ：论文 其循环时间，这样药物就能够更好地发挥治疗和诊断作用，并增强药物在病灶靶部位的 疗效。因为肿瘤等病变部位的上皮细胞处于一种渗漏状态，纳米粒在体内可进行长时间 的循环，这样其搭载的药物进入肿瘤等病变部位的机会就会增多。因此，长循环的纳米 粒子可降低药物对网状内皮系统的靶向性，实际上就是增强了药物的缓释性能【2 。 ( 4 ) 改变药物在人体内的分布特征 纳米粒子进入人体内后由于网状内皮系统的吞噬作用，会靶向于肝脏、脾脏、肺和 淋巴组织等吞噬细胞丰富的器官，小纳米粒子还可进入骨髓细胞1 2 2 】。纳米粒子经抗体介 导、配体介导或磁场介导等，可主动靶向进攻发生病变的组织细胞。 ( 5 ) 增强药物稳定性 许多药物如一些抗菌素、多肽类、蛋白类药物，因口服后易被胃酸破坏而只能注射 给药，这会使药物的应用受到限制。而载药纳米微粒的出现，有可能使这个问题得到解 决。也许在不远的将来，青霉素这个经典的抗菌素因可以1 3 服而发挥更大的魅力；能口 服的核苦酸也能使异军突起的基因治疗简化其使用程序；白蛋白可由需要补充蛋白的患 者自行携带使用而无需注射【2 3 j 。 ( 6 ) 增加药物的安全性 载药纳米微粒具有以前剂型所不具有的优点，它可透过生物膜并通过血脑屏障。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；在单核巨噬细胞中可因 有较高药物浓度而大大增强抗菌药物的作用；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作用【2 4 】。由于药物在正常组织中的分布量较传统制剂减少，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，并达到高效低毒的治疗效 果。 ( 7 ) 增强药物的疗效性 通常情况下药物颗粒的纳米化可提高药物溶解度，从而显著增加发生作用的药物的 量。因此，可用于开发治疗肿瘤、糖尿病、哮喘病等疾病的功效好、副作用极低的纳米 化药物。药物起作用的关键物质是活性成分，其中构造生命的分子构筑单元，如蛋白质、 核酸、肽、碳水化合物等是重要的药物活性成分。通过纳米技术将其加工成纳米颗粒或 纳米分散体，其成型和组装加工技术具有很大的实用价值。此外，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( 如癌肿瘤细胞) 中，而通常较大的药物颗粒不能被输送到这些部位。因此，可大幅 度地提高药物的定位性、实效性和功效性，使疾病能更有效地得到控制和治疗【2 5 】。 ( 8 ) 改变药物的膜转运机制 纳米粒子可增加药物对生物膜的透过性，如增加药物对血脑屏障和细胞膜的通透性 等，有利于药物对一些特殊部位的治疗。 4 博t ：论文 功能化磁性高分子纳米球的制各及性能研究 1 2 磁靶向纳米载药系统简介 近年来，虽然发展了脂质体、微乳、纳米粒等给药系统，但这些给药系统由于载体 微粒的性质，只能发挥被动靶向作用，而且常被网状内皮系统的吞噬细胞所吞噬。而磁 靶向纳米载药系统是将磁性纳米粒子作为介质，与各种高分子载体材料结合而构成。因 此，磁靶向纳米载药系统既具有纳米药物载体的优势，而且具有强磁性，可以在体外磁 场引导下，通过血管选择性地定向并定位于靶部位f 2 6 - 2 7 。药物以受控的方式从载体中释 放，到达肿瘤组织或癌变细胞附近，发挥其药效作用，而对其它正常组织或器官无太大 影响。 磁靶向纳米载药系统( m a g n e t i ct a r g e t i n gn 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 ， m t d d s ) 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【2 8 】，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( m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s ) 、磁性微球( m a g n e t i cm i c r o s p h e r e s ) 、 磁性纳米球( m a g n e t i cn a n o s p h e r e s ) 、磁性纳米脂质体( m a g n e t i cn a n o l i p o s o m e s ) 、磁性 纳米微乳( m a g n e t i cl l a n o e m u l s i o n ) 和磁性纳米胶囊( m a g n e t i cn a n o c a p s u l e ) 。磁性纳米 粒、磁性纳米球及脂质体还可进一步与抗体结合，制备成免疫磁性纳米粒、免疫磁性纳 米球和免疫磁性纳米脂质体。这些磁靶向纳米药物载体不仅可用于抗肿瘤靶向给药，而 且它们在生物医学和临床中也有广泛的应用，如可用于细胞分离、吸附蛋白质、清除血 液中的癌细胞等。目前，磁性微球是磁靶向纳米药物载体的研究热点。 磁性微球靶向给药是以表面功能化的磁性微球为药物载体与药物结合后，通过口服 或注射进入体内，在外加磁场作用下，将药物载至预定区域缓慢释放以达到需要的浓度。 在实际应用中，磁性微球的大小、电荷和表面化学性质严重影响了药物在体内的循环时 间和药效 2 9 1 。其中磁性微球的大小是主要的影响因素 3 0 l ：如在体内循环系统中，粒径大 于2 0 0n n l 的微球容易被脾脏过滤隔离后被噬菌细胞吞噬除去，从而降低其血液循环时 间；而小于1 0n m 的微球又容易溢出和被肾清除；对于静脉注射，微球粒径在1 0 1 0 0i n 之间最好。在此范围内的微球，既能避开体内网状内皮组织系统，又能进入体内组织中 细小毛细管，从而达到在特定组织中的最佳分布1 3 。因此，粒径为l o - d 0 0a m 的磁性高 分子纳米球将是磁性微球的发展方向和研究重点，下面将重点介绍。 1 2 1 磁性高分子纳米球的定义 磁性高分子纳米球是指通过适当的方法将有机高分子骨架材料与无机磁性核体材 料结合起来，所形成的具有核壳结构且粒径达到纳米级( 1 0 1 0 0n m ) 的复合球体 3 2 1 。 磁性高分子纳米球不但具有高分子的特性，能通过共聚和表面改性等方法赋予其表面功 能基团( 如o h 、c o o h 、c h o 、- n h 2 等) ；而且具有超顺磁性，可在外加磁场的作用 下方便地分离、定位。因此，磁性纳米复合球在细胞分离、靶向给药、固定化酶、免疫 5 i 绪论博十论文 测定、r n a 和d n a 净化等生物医学领域展现了广阔的应用前景。 1 2 2 磁性高分子纳米球的结构分类 目前国内外主要是按结构对磁性高分子纳米球进行分类，大致可以分为三类：【3 3 】 ( 图1 1 ) ： a 核壳式：集结型和弥散型 b 反核壳式c 夹心式 ii 磁性材料高分子材料 图1 1 磁性高分子纳米球的结构分类 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o no fm a g n e t i cp o l y m e rc o m p o s i t en a n o s p h e r e s 第一类，核壳式，即内核为磁性材料，壳层为高分子材料的核壳式结构( a ) 。根据 无机磁性材料在球体内的分布情况，又分为集结型和弥散型； 第二类，反核壳式，即内核为高分子材料，壳层为磁性材料的反核壳式结构( b ) ； 第三类，夹心式，即内层、外层均为高分子材料，中间层为磁性材料的夹心结构( c ) 。 基于磁性高分子纳米球的应用要求，其不仅需具较好的生物相容性，同时应根据需 求在其表面带有不同的功能基团。因此，目前国内外广泛研究的是核壳式集结型和弥散 型结构的磁性高分子纳米球。 1 2 3 磁性高分子纳米球的特性 ( 1 ) 表面效应和体积效应【3 4 l 表面效应是指超细微粒的表面原子数与总原子数之比随着微粒粒径变小而急剧增 大。表面原子的晶体场环境及结合能与内部原子的不同，具有很大的化学活性，能使表 面能大大增加。这是由于表面原子的周围缺少相邻原子而具有不饱和性，易与其它原子 结合而稳定下来。由此可见，表面效应是影响化学特性的因素之一。 体积效应是指由于超细微粒包含的原子数减少而加大带电能级，从而使物质的一些 物理性质因能级的不连续性而发生异常。上述两个效应具体表现在磁性纳米复合球比表 面积激增、表面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、稳定性 大大提高等方面。 ( 2 ) 超顺磁性 磁性高分子纳米球一般会表现出超顺磁性，即在没有外界磁场作用时，没有磁性： 6 博士论文功能化磁性高分子纳米球的制备及性能研究 存在外界磁场作用时，极易被磁化；外界磁场撤销后，又会在极短时间内退磁，矫顽力 为零，没有磁滞现象。磁性纳米球可在外加磁场作用下方便地进行分离与磁性导向。超 顺磁性的出现可归因为1 35 j ：一定温度条件下，随着纳米粒子尺寸的减小，磁各向异性能 k v ( k 为各向异性常数，v 为磁粒子的体积) 也随之减少，当k v 低于热能k b t ，( b 为玻尔兹曼常数，t 为绝对温度) ，在热的扰动下粒子内磁矩的磁化强度方向变成随机 排布，此时粒子的磁化作用被热能激发，能够克服各向异性能垒，表现出与顺磁性物质 相似的性质，结果导致超顺磁性的出现。 ( 3 ) 生物兼容性 应用于生物医药领域的磁性高分子纳米复合球多为核壳集结型和弥散型结构。其壳 层为生物相容性好的高分子聚合物，此类物质具有较好的生物兼容性，它们在人体内安 全无毒。 ( 4 ) 表面功能化特性 在生物医药应用中，为了吸附指定的免疫蛋白，生物酶等生物分子，可对磁性高分 子纳米球功能化，让纳米球表面带上- o h 、- n h 2 、一c o o h 等功能基团，使特定的生物 活性物质通过共价键偶联到磁性纳米球表面。活性物质与高分子纳米球是通过共价键牢 固地结合在一起的，因此可大大延长纳米球的使用寿命。 1 2 4 磁性高分子纳米球的生物应用要求 目前，药物的传送局限为由于受到体内复杂脉管的阻碍，药物传送只能接近皮肤表 面附近的组织。未来将要探讨的问题是如何提高磁性纳米球的载药量，如何防止在传送 过程中药物的渗漏以及如何控制在病区药物的释放量及速度。为满足磁性纳米球在生物 医药领域里的广泛应用，纳米球需满足以下生物应用要求： ( 1 ) 良好的分散稳定性 磁性高分子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 的重要因素。目前开发出的磁性纳米复合球存在着两大缺点：一是在使用过程中，通常 因外层包覆体不够稳定而失去部分磁性；二是因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如 耐溶剂性、耐热性和抗团聚性等。 ( 2 ) 粒径小且均一 磁性纳米球粒径要足够小，能够自由通过最小内径的毛细血管，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摄取或吞噬。纳米球的粒径分布均一且每个 球体中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。 ( 3 ) 超顺磁性且具有较好的磁响应性 7 l 绪论博一卜论文 磁性纳米球应具有较好的磁响应性，在靶部位区域放鼍外磁场后，载体能够完全滞 留在靶部位。贺枰等【3 6 】研究发现磁性微球的运动速度和其中磁性物质含量成正比，因此 微球应具备较高的磁性物质含量，从而能够实现生物分子在外磁场的作用下快速、高效 的分离与操作；而磁性微球的运动速度与微球半径的平方成正比，所以粒径越大，对外 磁场响应能力越快。因此对于纳米尺度的磁性复合球，磁含量的增高就显得尤为重要。 ( 4 ) 生物相容性好，表面具有足够的功能基团密度 磁性高分子纳米球的应用首先要解决的是生物相容性问题以及如何避免包覆的高 分子层在生物体内的分解。纳米球表面应带上一o h 、- n h 2 、c o o h 、c h o 等功能基团， 从而使特定的生物活性物质通过共价键偶联到微球表面。 1 3 磁性无机核体材料的制备 磁性无机核体材料是制备性能优异磁性高分子纳米球的前提和基础，所以磁性无机 微粒的选择在制备磁性高分子纳米球的过程中显得尤为重要。在众多磁性材料中，可供 选择使用的只有少数几种，如尖晶石铁氧体m e f e 2 0 4 ( m e = c o 、n i 、m n 、m g ) 、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【3 7 】。 目前，制备磁性纳米材料的方法按反应物状态，可分为固相法( 也称硬化学法) 和液相 法( 也