（材料学专业论文）磁性氧化铁纳米粒子的制备、表面改性及其应用研究.pdf

南京理t 人学坝i 学位论史磁性氧化铁纳米粒了的制备、表血改悸投儿应用研究 摘要 该文研究和优化了磁性纳米靶向给药载体顺磁性f e 3 0 4 纳米粒子和 y f e 2 0 ，纳米粒子的制备工艺，分别采用化学共沉淀法和溶胶一凝胶法制备出了 粒径较小、分布均匀且磁性较强的磁性氧化铁纳米粒子；以正硅酸乙酯( t e o s ) 作为无机改性剂，对f e 3 0 4 纳米粒子的表面进行改性，合成出了磁性纳米 f e 3 0 4 s i 0 2 复合粒子；以氨羧络合； i j ( e d t a 和d t p a ) 和壳聚糖( c h i t o s a n ) 作为 有机改性剂，对磁性氧化铁纳米粒子进行改性，分别制得了磁性f e 3 0 4 e d t a 、 磁性f e 3 0 4 d t p a 、磁性y f e 2 0 3 d t p a 复合纳米粒子和磁性壳聚糖复合微球；采 用f ti r 、x p s 、x r d 、t e m 、s e m 、比表面及孔径孔容分析仪和振动样品磁强 计等多种分析测试方法对制得的复合粒子和微球的结构和性能进行表征，结果表 明：复合粒子和微球具有相对较小的粒径和较强的磁性，完全满足纳米靶向给药 载体的粒径和磁性能的需要；在应用方面，分别采用紫外吸收光谱( u v s ) 研究 了f e s o 。s i 0 2 复合粒子对阿司匹林的载药释放作用及磁性壳聚糖对牛血清白蛋 白的载药作用，采用原子吸收光谱( a a s ) 探讨了磁性纳米f e 3 0 v e d t a 、 f e 3 0 4 d t p a 、y - f e 2 0 3 d t p a 复合粒子和磁性壳聚糖对普通金属离子的螯合吸附 作用，以期丌辟靶向给药方面的新途径。 关键词：靶向药物载体；磁性f e 3 0 4 纳米粒子；纳米y f e 2 0 3 粒子；f e 3 0 4 s i 0 2 复合粒子；缓释作用；e d t a ；d t p a ；螫合吸附作用；磁性壳聚糖复合微球 颂十论文 a b s t r a c t i nt h i sw o r kt h es y n t h e s i z a t i o nt e c h n o l o g yo fm a g n e t i t ea n dm a g h e m i t en a n o p a r t i c l e sw e r es t u d i e da n do p t i m i z e d m a g n e t i t en a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e db yt h e m e a n so fc o p r e c i p i t a t i o na n dm a g h e m i t en a n o p a r t i c ! e sw e r es y n t h e s i z e dw i t ht h e m e t h o do fs o l g e l n a n o p a r t i c l e sw e r eg o t ，w h i c hh a ds m a l l e rd i a m e t e gm o r es y m m e t r i c a ld i s t r i b u t i n ga n ds t r o n g e rm a g n e t i z a t i o n t h e nt h es u r f a c eo fm a g n e t i cf e r r i c o x i d e sw a sm o d i f i e dw i t hd i f f e r e n tm o d i f i c a t i o n m a g n e t i t e s i l i cn a n o c o m p o s i t ep a r t i c l e sw e r eg o tw i t ht e t r a e t h y lo r t h o s i l i c a t ea ss u r f a c em o d i f i c a t i o nb yt h em e a r l so f c h e m i c a l d e p o s i t i o n c o m p o s i t ep a r t i c l e sc o n t a i n i n gn a n o m a g n e t i t e a n d n a r l o - - m a g h e m i t ep a r t i c l e sw e r es y n t h e s i z e dw i t he d t a a n dd t p aa ss u r f a c em o d i f i c a t i o n m a g n e t i t e c sa n dm a g h e m i t e c sc o m p o s i ts p h e r e sw e r ep r e p a r e db yt h e m e a n so fs i t um o d i f i c a t i o n d i f f e r e n tc o n d i t i o n sw h i c ha f f e c tt h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h es y n t h e s i z e dp a r t i c l e sw e r es t u d i e da n dc h a r a c t e r i z e db yf ti r ，x p s ， x r d ，t e m ，s e ma n dv s m c h e l a t i n gp e r f o r m a n c eo f t h e s ec o m p o s i t ep a r t i c l e sw i t h c o m m o nm e t a li o n sw a ss t u d i e db ya t o m i ca b s o r p f i o i ls p e c t r u m r e l e a s i n gp e r f o r m a i c eo fm a g n e t i t e s i l i c a s p i l i nc o m p o s i t ep a r t i c l e sm a dm a g n e t i cf e r r i co x i d e c s b b s w a sc h a r a c t e r i z e db yu v s p e c t r u m k e y w o r d s ：m a g n e t i z a t i o n ：m a g n e t i t e ；m a g h e m i t en a n o p a r t i c l e ；f e 3 0 4 s i 0 2 c o m p o s i t ep a r t i c l e ；e d t a ：d t p a ；m a g n e t i cc h i t o s a ns p h e r e i i y 7 6 3 5 9 z 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： 隧金壶。2 0 0 乡- 年多月羁捆 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全部或部分内容，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全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 盔全允 2 0 0 5 年6 舄2 碍b | 南京理t 人学坝l 学位论文磁性氧化铁纳米粒了的制备、表面改忡及共成用研究 1 绪论 纳米粒子是指三维尺寸中至少有一维处于l n m - - l o o n m 之间的粒子【”1 。由 于其具有比表面积大、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( 1 ，纳米粒子可作为药物载体，优点是比细胞还小，易被组织 细胞吸收，经特殊d h i 后可对组织和器官定向给药，从而开辟生物医药学研究的 新途径舯j 。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9 。 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( 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 n o e m u l s i o n ，n e ) 等。由于纳米 尺度下的d d s 及其所用材料的性质、表面修饰等，n d d s 在实现靶向性给药、 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旧。 1 1 纳米给药系统 1 1 1 纳米给药系统的性能和特点 1 1 1 1 纳米给药系统的性能 ( 1 ) 增加药物的靶向性 药物的靶向性指的是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，减少药物的毒副作用。传统的给药系统虽然有较好的药理作 用但因严重的不良反应造成其使用范围受限，纳米给药系统的出现为更好地发挥 这类药的作用带来了新的希望，更好地解决了靶向定位的问题，如肿瘤药可直接 作用于肿瘤细胞而不影响正常细胞的功能【1 4 】：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如关节、 血官等的以6 # 无法给药的疾病，现在也可能得到治疗。 ( 2 ) 增强药物的吸收 由于纳米粒子高度的分散性，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， 加之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 。 ( 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、制各纳米粒子的工 艺不同和结构等不同，可以使药物具有不同的释放速度即缓释效应；把亲 绪论坝i j 论义 脂性免疫调节剂m u r a m y ld i p e t i d e 或m u m m y tt i p e p t i d ec h o l e s t e r o l 装载到纳米胶 囊中，其抗转移瘤作用比游离态制剂更有效，延长了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，与游离药物相比延长了腮肿瘤动物的存活 时间。延长纳米粒在体内的循环时间，能使所载的有效成分在中央室的浓度增大 且循环时间延长，这种药物能更好地发挥全身治疗或诊断作用，增强药物在病灶 靶部位的疗效，如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，其搭载的药物进入肿瘤等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【i ”。 ( 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，可靶向于吞噬细胞丰 富的肝脏、脾脏、肺和淋巴组织等，特别是小纳米粒子还可进入骨髓细胞 18 1 。 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、两类药因口服后易被胃酸破坏 而只能注射给药，使这些药的应用受到限制。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可以口服而又重 新发挥它的魅力；核苦酸也能被口服而在异军突起的基因治疗中简化使用程序； 白蛋白可由需要补充蛋白的患者自行携带使用而无须注射【1 9 1 。 ( 6 ) 增加药物的安全性 载药纳米微粒具有以f i i j n 型所不具有的优点，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；可因在单 核巨噬细胞中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产生不良反应拉。由于药物的正常组织分布量较传 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， 达到高效低毒的治疗效果。 ( 7 ) 增强药物的疗效性 通常药物颗粒的纳米化可以提高药物的溶解度，从而可使发生作用的药物的 量增加许多，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 低的新药物：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，通过纳米化技术将 其加工成纳米颗粒或纳米分散体的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，通常较大的药物颗粒不能 南京理t 人学硕i 学位论义磁棒氧化铁纳米粒了的伟爷、表面改件及其应用研究 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 疾病能更有效的得到控制和治疗【2 “。 ( 8 ) 改变药物的膜转运机制 纳米粒子可以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，有利于药物对些特殊部位的治疗。 1 1 1 2 纳米给药载体的特点 纳米药物载体的特点如下： f 1 1 有适宜的制备及提纯方法； ( 2 ) 具有适当的粒径与形貌； ( 3 ) 有较高的载药量； ( 4 ) 具有较高的包封率； ( 5 ) 具有较长的体内循环时闻； ( 6 ) 载体材料可以生物降解，毒性较低或没有毒性。 1 1 2 纳米给药系统的类型及其制备方法 目6 u 靶向给药系统主要分类 2 2 。2 4 有以下几种： ( 1 ) 按载体的形态和类型分：可分为微球剂2 5 - 2 6 1 、毫微粒剂、脂质体【2 7 。8 1 、 包合物、单克隆抗体偶联物等。 ( 2 ) 按靶向源动力类型分：可分为主动靶向制剂( 靶向给药系统主动寻找靶 区) 、被动靶向制剂( 靶向给药系统被动地被选择摄取到靶区) 和前体靶向药物。 ( 3 ) 按靶向性机理类型分：可分为生物物理靶向制剂、生物化学靶向制剂、 生物免疫靶向制剂和双重、多重靶向制剂等。 文献中的常见的纳米给药系统的类型及制备方法2 9 1 如表l 所示。 1 2 磁性纳米给药系统 磁靶向给药系统( m a g n e t i ct a r g e t e dd r u g sd e l i v e r ys y s t e m ，简称m t d s ) 是近 年来研究的一种新的靶向给药系统p ，目前国内外研究尚处于起步阶段。该系 统是将药物与适当的磁活性成分配制在药物稳定系统中，从而具有高效、速效和 低毒的特点。放射疗法是常用的| | 右床肿瘤治疗方法之一，与其它治疗方法如化疗、 手术切除等相比，具有诸多的优点：一方面可以提高对肿瘤细胞的杀伤力，另一 方面可以减少对正常组织细胞的不良作用 3 ”。浚法将放射性核索与磁性载体复 合，构成以磁性粒子为核，聚合物为壳的核一壳式磁性载体上负载抗癌药物一放 射性核素的磁性复合体系。 但目前放射性治疗亟待解决的一大难题在于传统的化疗药物都具有细胞毒 性，在杀伤肿瘤细胞的同时，也会对骨髓、消化道、肝、肾等某些j 下常组织和细 绪论硕l 论文 胞带来损害【3 2 】。目莳，磁控靶向放射治疗技术成为放射治疗的新途径，同时这 种技术也f 符合适形调强的临床放射治疗的要求。随着新材料和新技术的不断发 展和应用，i 晦床放射治疗也逐步引进了新的思路和方法。纳微米磁性复合粒子是 实现磁控靶向的理想载体之一p 引。由于纳米粒子可以进入到大粒子难以进入的 人体器官组织，另外，纳米粒子能越过许多生物屏障而到达病灶部位 3 4 1 ，如渗 过血脑屏障( b l o o db r a i nb r i c a d e ) 把药物送到脑部，通过口服给药可使药物在淋巴 结中富集等。具有生物活性的大分子药物( 如多肽、蛋白质药物等) 很难越过生物 屏障，用纳米粒子作为载体可克服这一困难，并提高其在体内输送过程中的稳定 性【3 ”；用纳米粒子实现基因非病毒转染，是输送基因药物的有效途径【3 “。 表1 文献中常见的n d d s 的类型及制备方法 n d d s 类刑制备方法 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 嘲体脂质纳米粒 纳米h 日质体 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 乳化闻化法 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，乳化蒸发一低温固化法 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，乳化一同化法 化学偶联法 t 2 1 磁性纳米给药载体的性能和特点 ( 1 ) 载体粒子的形貌和粒径 通常采用透射电子显微镜、扫描电子显微镜等对磁性纳米给药载体的外观、 形貌和大小进行测定；采用x 射线衍射光谱测定载体粒子的晶型并由b r a g g 方 程计算其粒径；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。 f 2 ，载体粒子的磁性能 磁化强度是评价磁性材料磁响应性能的一个重要指标。通常采用振动样品磁 强计测定载体粒子的磁性。准确称量3 4 m g 载体粒子，用擦镜纸包裹后再用蜡 封，置于振动样品磁强计的样品槽中测定其磁滞回线。一般来说，载体粒子中磁 南京埋下尺学硕卜学位论文磁性氧化铁纳米粒了的制街、表面改性披其廊用椰f 究 核( f e 3 0 4 和 1 - f e 2 0 3 ) 的量越多，磁响应性越好。 ( 3 ) 载体粒子中铁的含量 磁性纳米给药载体中铁的含量决定了载体粒子中磁核( f e 3 0 4 和t f e 2 0 3 ) 的 量，从而决定了载体粒子在外磁场作用下的磁响应性。测定铁含量的方法一般有： 磺基水杨酸法、* ；g - - 氮菲法、原予吸收光谱法等。测定前载体粒子一般要经过预 处理( 如加入一定的溶剂、高温灼烧等) ，破坏粒子外包覆层，然后用盐酸将磁核 溶解再测定铁离子的含量。 ( 4 ) 载体粒子的载药率及包封率 、载药率指的是药物的质量占磁性药物复合粒子的百分数，包封率指药物的质 量占磁性药物复合粒子中药物理论质量的百分数。二者同时反映了载体粒子的载 药量的多少。 f 5 ) 载体粒子的溶胀性能 药物的扩散性能与载体粒子的溶胀性能密切相关，研究载体粒子的溶胀性能 对其应用于药物释放具有重要的指导意义。测定方法一般为：准确称量一定质量 的载药微球最于纱布制成的容器中，观测室温下其在水中的溶胀情况；每隔一定 的时间取出容器，用滤纸吸净容器及微球表面的水分并称量其质量，直至微球的 质量不再变化( 即达到溶胀平衡) 。微球的溶胀度为溶胀平衡后微球增加的总质量 占溶胀静微球质量的百分数。 f 6 ) 药物微球的体外释放作用 测定载药微球的体外释放作用常用的方法一般为动态透析法。准确称量一定 质量的载药微球，置于透析袋中，在一定温度和一定p h 值的缓冲溶液中每隔一 定的时间取样测定药物的含量。 ( 7 ) 磁性纳米给药载体的其它性能 不同的药物微球应用前还要进行其它性能的测定。如稳定性( 包括物理稳定 性、化学稳定性及微球在血浆中的稳定性等) 、体内外的磁导向性、粒子表面抗 体的浓度和活性测定等。 1 2 2 磁性纳米给药系统在生物和医学领域的应用 1 2 2 1 在生物分离、检测方面的应用 出于磁性微球粒径小，比表面积大，故而偶联容量大，悬浮稳定性好，便于 高效地与目标产物偶联：又因其具有超顺磁性，在外磁场的作用下固液相的分离 十分简单，可省去离心、过滤等繁杂操作，在细胞分离、分类，蛋白质提纯，核 酸分离等【3 领域有着广泛的应用。 1 2 2 2 在靶向给药方面的应用 k r a me r 等【38 】报道用人血清蛋白将柔红霉素盐酸盐与巯基嘌呤包成磁性的微 顺 + 论文 球试用于治疗胃肠肿瘤：陈琪等p 9 】用5 一f u 磁性微球载体治疗食道癌；徐慧显等 4 0 l 用葡聚糖磁性微球固定化三一天冬酰胺酶来治疗急性淋巴白血病，都取得了良 好的治疗效果；g o o d w i n 等1 4 1 】研究了阿霉素磁性球肝动脉栓塞和药物抗肿瘤疗法 的毒性，建立了猪的肝癌模型；结果显示肝癌细胞的坏死程度与栓塞程度成正比， 阿霉素不能在全身自由循环而成功地被控制在靶区。 1 2 2 3 在其它方面的应用 此外，磁性纳米给药系统在免疫学、微生物学、分子生物学、癌症研究等领 域有着重要的作用。 1 2 3 磁性纳米给药载体的制备 f 1 1 包埋法 包埋法是将磁性粒子分散于生物大分子溶液中，采用交联、雾化、絮凝、沉 积、蒸发等手段通过范德华力、氢键、磁颗粒表面的金属离子与高分子链的螫合 作用或共价键，使水溶性高分子链缠绕在磁性颗粒表面，形成聚合物微球。包埋 法一般用于制备磁性生物高分子微球，是常用的制备方法之一。目前常用的包埋 材料有纤维素、磷腊、葡聚糖、脱乙酰壳聚糖、蛋白质等。 浚方法操作简单，制备的颗粒生物相容性好，表面本身含有各种活性功能 基团，可直接偶联所需配基。但所得颗粒形状不规则，颗粒大小不易控制，粒径 分布宽，壳层中常混有乳化剂等杂质，使其在免疫测定、细胞分离等领域中的应 用受到很大的限制。 ( 2 ) 单体共聚法 单体共聚法采用两种或两种以上单体( 其中一种为功能单体) 在一定条件下 聚合，生成表面带功能基团的磁性微球，主要包括乳液( 无皂乳液) 聚合h 2 1 、悬浮 聚合m 】、分散聚合 4 4 1 和种子聚合【4 5 】。目前，部分已商品化的磁性高分子微球都 是通过将磁流体分散于苯乙烯单体或苯乙烯与其它功能单体中共聚制得。 单体共聚生成的磁性微球性能较好，但功能单体的含量受到限制( 通常小于 1 0 ) ，大部分功能基团被包覆在微球内部，部分方法反应条件苛刻，合成工艺 也有待改进。 f 3 ) 化学转化法 化学转化法是指将一定浓度的金属离子渗透和交换到大孔树脂中，然后利用 化学反应使金属离子转化为磁性金属氧化物，使之均匀分布在聚合物的孔结构中， 渗透和转化步骤可反复进行m 。 浚法制备的磁性微球，磁性分布均匀，磁含量容易控制，但对树脂的要求比 较严格。 ( 4 ) 偶联剂法 当前所采用的硅烷化方法是直接在含羟基的磁性粒子( f e 3 0 4 ) 表面用带功能 南京删t 人学坝i 学位论义磁性嘏化铁纳米粒了的制祷、表血改性发姐应用研究 基团的硅偶联剂进行硅烷化处理制备带功能基团的磁性微球4 7 1 ，该方法制备过 程简单，表面的功能基团含量高；但由于磁性粒子( f e 3 0 4 ) 本身的粒径太4 , ( 8 r i m 左右) ，制各的磁性纳米微球容易发生团聚，常常形成2 0 0 4 0 0 n m 的簇，且颗 粒的大小不容易调节，使颗粒的应用范围受到限制。 ( 5 ) 其它方法 此外，还有原位修饰、溶剂蒸发、热熔法、化学还原法等。 2 本课题的研究思路 2 1 研究目的 从绪论中的分析可以看出，磁性纳米给药载体是目前国内外新型纳米给药载 体研究的的热点之一，其具有广泛的理论和实际应用价值。从理论上说，理想的 磁性纳米给药载体应该具备以下的条件：粒径足够小，能够自由通过毛细血管， 能够进入靶细胞内，且不会发生异位栓塞和滞留；具有较高的磁响应性，在外加 磁场的作用下，载体粒子能够完全聚集在靶区，以达到控制释放的目的：载体粒 子具有较高的载药能力，能够满足释放的要求；具有较好的稳定性，在达到靶区 鲋不被体液或体内其它生物作用分解。对磁靶向放疗而占，具有高附载放射性药 物载体的研究是磁性纳米粒子在临床治疗学中的研究热点之一。目前国内外的研 究尚处于起步阶段，将其应用于临床治疗中还有许多问题有待于解决。 本论文侧重于纳米靶向放射性药物载体的制备及其应用方面的基础研究，为 最终制备出具有高稳定性、强磁响应性和高附载放射性药物的纳米药物载体打下 峰实的基础。 2 2 研究方法 2 2 1 1 纳米磁性氧化铁粒子的制备 以氢氧化钠作为沉淀剂，采用化学共沉淀法制备出了磁性f e 3 0 4 纳米粒子； 以乙二醇作为前驱体溶剂，f e ( n 0 3 ) 3 9 h 2 0 作为前驱体，采用溶胶一凝胶法制备 出了纳米y f e 2 0 3 粒子。 2 2 2 纳米磁性氧化铁粒子的表面改性 以币硅酸z 乙酉旨( t e o s ) 作为二氧化硅的生成剂，采用液相沉积法制备出了磁 性纳米f e 3 0 4 s i 0 2 复合粒子：以氨羧络合剂乙二胺四乙酸二钠( e d t a ) 和二乙三 胺五乙酸( d t p a ) 作为表面改性剂，分别制备出了纳米磁性f e 3 0 4 f e d t a 复合粒 子、纳米f e 3 0 4 d t p a 复合粒子和纳米y f e 2 0 3 d t p a 复合粒子；以壳聚糖作为 表面包覆剂，采用非均相凝聚法和乳化一交联法制备出了磁性壳聚糖复合微球。 2 奉课题的州究思路颅i ：i g j 2 2 3 磁性粒子豹应用研究 采用紫外吸收光谱研究了纳米f e 3 0 4 s i 0 2 复合粒子对阿司匹林( a s p i l i n ) 的 载药释放作用和磁性壳聚糖微球对牛白蛋白( b b s ) 的载药作用；采用原子吸收光 谱分别研究了纳米磁性f e 3 0 4 e d t a 复合粒子、纳米f e 3 0 4 d t p a 复合粒子、纳 米7 一f e 2 0 3 d t p a 复合粒子及磁性壳聚糖复合微球对c u ( i i ) 、n i ( i i ) 、c a ( i i ) 、 m g ( i i ) 、p b ( i i ) 和h g ( i i ) 等金属离子的螯合吸附作用。 2 , 2 4 结构和性能表征 对于制备的磁性氧化铁纳米粒子及其复合粒子和复合微球，分别采用纳米 激光粒度仪、傅立叶红外光谱( f ti r ) 、x 一射线光电子能谱( x p s ) 、x 一射线衍 射光谱( x r d ) 、透射电子显微镜( t e m ) 、扫描电子电镜( s e m ) 、比表面及孔径孑l 容分析仪、振动样品磁强计( v s m ) 、紫外吸收光谱f u v s ) 和原子吸收光谱( h a s ) 等不同的分析测试方法对其结构和性能进行了表征。 2 3 预期达到的目的 ( 1 ) 分别采用化学共沉淀法和溶胶一凝胶法制各出粒度为纳米级、分散较均匀且 磁性较好的f e 3 0 4 粒子和7 f e 2 0 3 粒子，确定粒子的最佳制各方案，采用不同 的表征手段对制备的粒子进行表征，并对粒子的形成机理进行描述和解释； ( 2 ) 采用液相沉积法在f e 3 0 。纳米粒子的表面包覆s i 0 2 ，制备出分散较好且磁性 较强的f e 3 0 4 s i 0 2 复合粒子，对复合粒子的形成机理加以探讨，采用紫外光 谱研究了它对阿司匹林的载药释放作用： ( 3 1 采用氨羧络合剂e d t a 和d t p a 对f e 3 0 4 粒子和7 - f e z 0 3 粒子的表面进行改 性，分别制各出分散性较均匀的纳米磁性f e 3 0 4 e d t a 复合粒子、纳米 f e 3 0 4 d t p a 复合粒子和纳米7 一f c 2 0 3 d t p a 复合粒子，初步探讨了复合粒子 的形成机制，并采用原子吸收光谱研究了复合粒子对普通金属离子的螯合效 果： ( 4 ) 采用非均相凝聚法和乳化一交联法分别制备出了磁性f e 3 0 4 c s 复合微球和 磁性y f e 2 0 3 c s 复合微球，优化了其制备条件，并初步研究了复合微球的性 能及其对普通金属离子的吸附作用和对牛白蛋白的载药释放作用。 南京理t 大学坝1 学位论文 磁性氧化铁纳米粒了的伟4 备、表面改性及其廊用研究 3 磁性氧化铁纳米粒子的制备 3 1 共沉淀法制备磁性f e 3 0 。纳米粒子 3 1 1 实验药品及仪器 3 1 1 1 实验药品 表3 1 实验药品一览表 电子分析天平 电子恒速搅拌器 到筒式不锈钢微孔过滤器 循环水式真空泵 a b l 0 4 一n 础 g s l 2 2 型 y g 一1 0 0 0 嬲 s h z - - d ( m ) 型 梅特勒一托利多仪器( 上海) 有限公司 上海医械专机厂 浙江绑兴市卫昌医疗墁各制造有限公司 巩义市英峪予华仪器厂 真空干燥箱z k 一8 2 a 裂 上海市实验仪器总厂 9 3 磁忡钒化铁纳米粒了的制稀硕i ? 论文 3 1 2 制各方法 按一定物质的量的比将f e c l r 4 h 2 0 和f e c l 3 6 h 2 0 溶于二次煮沸的蒸馏水 中：在氮气气氛保护下，将溶解后的溶液逐滴滴加到盛有2 5 0 m lo 5 m o l l “n a o h 溶液的四e l 瓶中，调节溶液的p h 值，水浴恒温，电磁搅拌一段时间；反应后的 溶液经过一段时间晶化后，在磁场吸引的条件下，将生成的粒子用蒸馏水和无水 乙醇反复洗涤，以沈去粒子表面未反应的杂质离子，并调节溶液的p h i 7 ；最后 采用圆筒式不锈钢微孔过滤器过滤后，将反应产物在5 0 c 下真空干燥2 4 h ，研细 即得到f 8 3 0 4 纳米粒子。 3 1 3 实验结果与讨论 3 1 3 1 不同反应条件对f e 3 0 。纳米粒子性能的影响 ( 1 ) n ( f e = + ) ，n ( f e ”) 的影响 在f e 3 0 4 纳米粒子的制备过程中，n ( f e 2 + ) n ( f e 3 + ) 对f e 3 0 4 粒子的磁性能具 有很大的影响。由图3 。1 可知，在其它条件不变的情况下，随着n ( f e 2 + ) n ( f e 3 + 1 的 增加，f e 3 0 4 粒子的比饱和磁化强度先减小后增加，当n ( f e 2 + ) n ( f e 3 + 1 为o 7 5 时， 比饱和磁化强度最大。这主要是由于在f e 3 0 4 粒子的制备过程中n ( f e 2 + ) n ( f e 3 + ) 0 7 5 时，溶液中过多的f e 2 + 在碱性条件下易被氧化成氢 氧化物或a - - f e o o h ，造成产物粒子磁性降低：当n ( f e ”) n ( f e 3 + ) 为o 7 5 时保证 了反应物中n ( f e ”) n ( f e 计) 的实际比跟理论上的化学计量比0 2 最接近，偏离此 数值的制备条件会造成产物粒子晶格的畸变，进而造成其磁性下降【4 8 1 。因此， 在制备过程中，应适当增加f e ”的浓度，以提高产物粒子的纯度，同时f e 2 + 的 浓度也不宜太高，为此采用n ( f e 2 + ) n ( f e 3 + ) 的最佳比值为0 7 5 。 0 20 40608 l0l2l4 f e ”f e ”m o l er a t i o 幽3 1f e 2 + i f e “比值对f e 3 0 4 粒子 磁性的影响 幽3 2 反应溶液的p h 值对f e 3 0 4 粒子 的粒径和i 磁性的影响 1 0 如 枷 h暑=吕崔。鲁nlla口留茎 南京理t 人学坝小学位论且=磁性氰化铁纳米粒子的制各、表面改性及其应用研究 f 2 1 反应溶液p h 值的影响 图3 2 中曲线所示分别为反应溶液的p h 值对f e 3 0 4 粒子的粒径和磁性的影 响。从图中可以看出随着p h 值的逐渐增大，f e 3 0 4 粒子的粒径呈上升趋势，而 磁性则逐渐降低，这主要是因为随着p h 值的逐渐升高，溶液中的粒子由红褐色 转化为棕色，并不断加深至黑色，p h 值越大，溶液过饱和度越大，生成的晶核 越多，粒子的尺寸就越大，粒子表面的f e o f e o f e 链越长，单位表面包 括的铁越少，磁性就越弱；p h 值较小时则能避免不匀搅拌产生的局部高浓度， 从而制得尺寸较小的f e s 0 4 粒子，并且在p h 值为9 1 0 时粒子的粒径和磁性变化 较小，因此我们选择制各f e 3 0 4 粒子的最佳p h 值为9 1 0 。 ( 3 ) 反应温度的影响 在其它条件不变的情况下，反应温度对f c 3 0 4 粒子的粒径和磁性的影响分别 如图3 3 中曲线所示。温度升高，水解速度加快，反应加剧，反应时间缩短，产 物的纯度提高，且粒子的尺寸变大：当温度超过7 0 ，反应速度和纯度均降低， 因为过高的温度会使反应溶液中的f e 2 + 离子氧化成f e ”，不利于水解反应的进 行，使反应速度降低，同时也导致了反应溶液中f e 2 + 与f e ”比例的变化，致使 产物粒子中非f e 3 0 4 成分的增多，故我们选择最佳反应温度为7 0 。 5 06 07 08 ( )9 0 r e a c t l o rt e m p e r a t u r e t 。d 毛 弓 i 岂 矗 星 0 51o l5 2 02 5 r e a c t i o nt i m e h 幽3 3 反廊孺度对f 。3 0 4 粒径垌i 磁性的影响幽3 4 反应时间对f e 3 0 4 粒径的影响 ( 4 ) 反应时间的影响 反应时闻对f 0 3 0 4 粒子的粒径的影响如图3 4 中曲线所示。从中我们可以看 出，随着时问的增加，f e 3 0 4 粒子的粒径先逐渐减小，然后再逐渐增大，这可能 是因为在反应的初始阶段，由于反应不完全造成了生成的f e ，0 。粒子中包裹了少 量未反应的沉淀或其它杂质进入晶粒的品格，从而造成粒子的粒径较大1 4 9 ；随 着时i 刈的延长，反应进行越来越完全，形成完整的晶粒，粒子的粒径降低；形成 完整的晶粒后，随着反应时间继续增加，晶粒出小逐渐长大，变成较大的粒子。 为此我们选择粒径最小时对应的时问1 5h 。 帖如巧勰博m 喜059自n；自l e口，jd苗e詈凸羔竺葛 3 磁制钒化铁纳米粒了的制备砸 。论义 ( 5 ) 搅拌速度的影响 在其它条件不变的条件下，搅拌速度对f e 3 0 4 粒子的磁性的影晌如图3 5 中 曲线所示。从图中可以看出，随着搅拌速度的增加，f e 3 0 4 粒子的比饱和磁化强 度先逐渐增大，然后又减小。这可能是由于随着搅拌速度的增加，表面沉积速度 加快，f e 3 0 4 晶粒逐渐趋于完整，从而比饱和磁化强度逐渐增加，但搅拌过快可 能会导致在沉积的过程中包裹一些未反应的沉淀或其它杂质嵌入晶格中，造成产 物粒子的比饱和磁化强度降低，所以我们选择最佳搅拌速度为8 0 0r p m 。 4 0 06 0 08 0 01o o o1 2 0 0 s | i r i n gs p e e d r p m 3 04 05 06 0 7 0 a g i n gt e m 口e r a t u r e 剀3 5 搅拌速度对f e 3 0 4 粒子磁性的影响图3 6晶化温度对f e ，0 4 粒子磁性的影响 ( 6 ) 晶化温度的影响 晶化温度对f e 3 0 4 粒子的磁性有很大的影响，温度太低，粒子成核速度太慢， 即使陈化很长时间，效果也不好；温度太高，粒子成核速度太快，不利于晶核的 长大；温度适宜，不仅可促使粒子晶体结构的完善，而且可使共沉淀反应过程中 许多复杂的中间反应进行得更完全、彻底，材料成分更加纯净，有利于产物比饱 和磁化强度的提高。从图3 6 所示的晶化温度对f e 3 0 4 粒子的磁性的影响，我们 可以看出，晶化温度为5 0 。c 时生成的粒子的磁性最强，我们选择最佳的晶化温 度为5 0 。 ( 7 ) 晶化时间的影响 图3 7 中曲线分别为品化时间剥f e 3 0 t 粒子粒径和磁性的影响。从图中可以 看出，随着晶化时嵋j 的增加，f e 3 0 4 纳米粒子的粒径先逐渐减小后逐渐增大，而 磁化强度则是先增大后减小。这主要是因为刚生成的f e 3 0 4 粒子表面不仅吸附了 酸根粒子或羟基，而且存在大量的凸凹不平处，通过晶化作用，慢慢脱去表面羟 基和酸根离子，促使f e 3 0 。粒子的晶体结构变得完善和紧密 5 0 ，而f e 3 0 4 粒子的 比饱和磁化强度在很大程度上取决于晶体结构的完整性，但晶化时间太长，晶粒 逐渐长大，且晶粒的表面可能吸附杂质粒子，从而造成粒子磁性降低，所以我们 选择最佳的晶化时间为1 5h 。 鲫 伯 如 们 如 口g告。11目；g警= 帅 蛐 加 鲫 如 砷，eu，u。焉n鼍c警苫 南京理t 大学坝卜学位埝义磁性氧化铁纳米粒子的制备、表面改性及其应用研究 图3 7晶化时间对f e ，0 4 粒子粒径和磁性的影响 3 1 3 2 磁性f e 3 0 4 纳米粒子的性能测试与表征 ( 1 ) 傅立叶红外光谱( f ti r ) 分析 图3 8 是磁性f e 3 0 4 纳米粒子的红外光谱图。从图中可以看出，f e 3 0 4 的特 征吸收峰在5 6 0 c m “左右，它是由f e o f e 的伸缩振动引起的；高频带 3 4 0 0 3 6 0 0 c m 。1 和16 3 0c m “附近的吸收峰为f e 3 0 4 表面吸附或配位了少量 h 2 0 或o h 。基团的吸收峰。 舢3 0 0 02 0 0 01 0 0 0 w a v e n u m b e r e m + 。 弋 0 0 08 0 06 0 04 0 02 0 00 e e v 剀3 8f e 3 0 4 纳米粒子的i r 幽谱 幽3 9f e 3 0 4 纳米粒子的x p s 图谱 ( 2 ) x 射线光电子能谱( x p s ) 分析 图3 9 是f e 3 0 4 纳米粒子整体的x p s 分析，图3 1 0 和图3 ，分别是f e 元 素和0 元素的x p s 分析。f e 2 p 3 1 2 的电子结合能为7 1 07 5e v ，o l s 的电子结合 能为5 2 8 8 0e v ；与标准能谱对照，可知制备的f e 3 0 4 粒子为尖晶石型。 gj嚣10曩磊 i苗一2、扫嚣屯=一 帅 如 m 翠奄。uggn占 3 磁忡钒化铁纳米粒了的制祷硕卜论文 7 1 5 7 2 07 2 57 3 07 3 5 7 4 0 7 4 5 e 产v 5 3 45 3 65 3 85 4 05 4 2 5 4 45 4 6 e 产v 幽3 1 0f e 3 0 4 粒子中f e 2 p 的电子结合能幽3 1 1f e 3 0 4 粒子的o l s 的电子结合能 ( 3 ) 粉末x 射线衍射( x r d ) 分析 从图3 1 2 所示的x 一射线衍射图，可以看到：1 ) 所得f e 3 0 4 纳米粒子的物 相为尖晶石结构的f e 3 0 4 ，无其它杂质的衍射峰存在，这与x p s 的结果一致；2 ) 粒子衍射峰的宽化度6 = o 4 4 6 3 ，衍射角2 0 = 3 5 5 7 4 8 。，由s c h e r r e r 公式【5 1 d = 七, t d 3 c o s 0 ( 式中d 为平均晶粒尺寸：1 3 = ( b 2 b 0 2 ) “2 ，b o 为仪器引起的峰的宽化，以 半峰宽表示，b 为样品晶粒细化引起的峰宽化，以半峰宽表示：0 为衍射角； = o 1 5 4 0 6n m ，k = 0 9 ) ，计算得d = 1 2 4n i n 。 三 苗 竺 蚤 = 三 2 03 0 4 05 06 07 08 09 0 2t h e t a 幽3 1 2f e 3 0 4 粒子的x 射线衍射幽谱 ( 4 ) 透射电子显微镜( t e m ) 分析 图3 。13 为f e 3 0 4 纳米粒子的t e m 照片，由图可知所得的粒子为球状，经估 算粒子的尺寸在1 0l l n 2 左右。 知 加 。 南京理t 人学倾j 学位论文磁性氧化铁纳米粒了的制各、表面改性及e 庸用研究 图3 1 3f e 3 0 4 纳米粒子的t e m 照片 ( 5 ) 扫描电子显微镜( s e m ) 分析 图3 1 4 所示为f e 3 0 4 纳米粒子的s e m 照片。由图可得所得粒子得粒径为 十纳米左右。 幽3 1 4f e 】0 4 纳米粒子的s e m 照片 ( 6 ) 粒子的比表面积及孔径孔容分析 磁性f e 3 0 4 纳米粒子的吸附等温线和比表面积曲线如图3 1 5 和图3 ，1 6 所示。 出图中可以看出，吸附等温线在低压区曲线凸向吸附量轴，此粒子可以看作是非 孔或孔径很大近似为非孔，因而吸附层数原则上可认为不受限制【5 2 】。 3 馓忡钒化铁纳米粒了的制辐硕l ：论文 根据b e t ( b r u n a u e r ，e m m e t ta n d t e l l e r ) 二常数公式旧： 瓜 h 局一a ) = 1 c + 胎( c 一1 ) t ( p o c ) ( 3 1 ) 式中，j d 旷一吸附温度下氮气的饱和蒸汽压；盼一吸附平衡时氮气压力；一单分 子层饱和吸附量：p 一平衡吸附量；c 一与吸附热及凝聚热有关的