11.2 磁性Fe304纳米粒子

1、磁性纳米粒子磁性纳米粒子的表面修饰及功能化磁性与磁性纳米粒子尺寸相关联的一个不可避免的问题是其在较长一段时间内固有的34不稳定性，这主要表现在两个方面:分散性的降低，小粒径的纳米粒子聚集并形成大的颗粒以降低表面能，从而降低了粒子的分散性能；磁性能的损耗，裸的磁性纳米粒34子由于其高化学活性容易在空气中氧化，进而损失部分磁性能。因此，在纳米粒子的34应用中后重要的是要制定一个保护策略来保护不受损坏。尤其在生物医学应用方面，34需要获得亲水性的纳米颗粒，因为大多数生物介质是接近中性的水溶液，因此更有必34要对颗粒表面进行有效的修饰及功能化。近年来，各种材料已被用来对颗粒表面3434进行修饰及功能化

2、，主要分为有机材料和无机材料（图3.。1）二就化生物分子金属氧化中及硫化物及表面活性剂磁性观Q#纳米粒子的表面修饰及功能化有机材料二就化生物分子金属氧化中及硫化物及表面活性剂磁性观Q#纳米粒子的表面修饰及功能化有机材料无机材料图颗粒表面修饰及功能化材料分类图341.1有机材料修饰表面经一些有机材料修饰后的磁性纳米粒子主要用于磁记录，电磁屏蔽，磁共振成像，尤其是生物领域的药物靶向，磁性细胞分离，生物监测等。外加高磁场下磁性纳米粒子的稳定性对其在生物体内应用以及其他领域的应用是非常重要的。采用有机材料对磁性纳米粒子的表面修饰及功能化的方法有很多，包括原位涂层法和合成后涂层法。此外，为防止团聚及确保

3、纳米粒子具有好的生物相容性，使用不同的有机材料对磁性纳米粒子表面进行修饰，比如葡萄糖，淀粉，聚乙二醇E聚D丙交酯L聚乙烯亚胺E特别是一些亲水性的有机材料。.小分1子及表面活性剂经适当的表面改性后，磁性纳米粒子的表面带有一些特殊官能团例如。OHH有利于通过连接不同的生物活性分子做进一步修饰从而适应各种应用。作为小分子，硅烷常被用来修饰磁性纳米粒子及对裸露的磁核表面有效官能团化，常见的硅烷修饰剂有氨基丙基三乙氧基硅烷T氨基苯基三甲氧基硅烷及巯基丙基三甲氧基硅烷T等人报道了采用一步水热法将加入到含有的溶液中，C下反应制备了可用于生物医学领域的修饰的磁性氧化铁纳米粒子。细胞毒性和溶血分析结果表明氧化铁

4、纳米粒子表面上的氨基基团乙酰化后显34著改善Y粒子的细胞相容性和血液相容性。此外，等人研究发现，在对纳米34粒子进行表面修饰的过程中能够有效维持纳米粒子的形貌，而修饰时会导致磁化强度值的减少。此外，对于亲油性磁性纳米粒子一般都具有很好的单分散性，而常见的赋予磁性纳米粒子亲油性的表面修饰剂主要有油酸及油胺。通常情况下，油酸及油胺用在高温热分解反应过程中，例如，等人研究发现，高温分解油酸铁化合物能够得到超顺磁性纳米晶体，且粒子的尺寸约为，能稳定地分散在非极性溶剂中。为直接获得亲水性磁性纳米粒子，一种方法就是在反应过程中加入小分子如氨基酸，柠檬酸，维生素，环糊精等）比如，等人使用改进的一步溶剂热法制

5、备了平均粒径为的亲水性超顺磁性纳米团簇凝胶。反应中含有磺酸酯和羧酸酯基的阴离子聚电解质聚苯乙烯磺酸共马来酸钠盐作为稳定剂，经修饰的磁性纳米团簇能够很好的分散在水溶液、磷酸盐缓冲溶液及乙醇中。聚2合物与小分子及表面活性剂相比，聚合物不仅能够提供多官能团以及更好的胶体稳定性，还能对有关磁性纳米粒子在生物学（即药代动力学和生物分布）方面的应用起到了显著的作用。此外，大量的天然及合成的生物可降解的聚合物，如聚天冬氨酸盐，多糖，明胶，淀粉，藻酸盐，聚丙烯酸A聚乙二醇E聚D丙交酯，壳聚糖以及聚甲基丙烯酸甲酯等，是目前使用较多的用于磁性纳米粒子表面功能化的聚合物。等人报道了采用单个反相微乳液法制备了聚合物包

6、覆的磁性纳米粒子。首先，在含有水双乙基己基钠甲苯的反相微乳液中合成纳米粒子，然后将水，单体甲34基丙烯酸和羟乙基甲基丙烯酸酯，交联剂，亚甲基二丙烯酰胺及引发剂，2偶氮二（异丁腈聚聚加入到反应体系中，55下通氮气反应。聚合反应结束后，经过量丙酮甲醇混合物析出收集。所制得的产物具有超顺磁性性能，粒径约为且粒径分布窄，但产物的长期稳定性不佳。等人将合成的嵌段共聚物聚乙二醇共丙交酯接枝到表面，制备出具有热敏感性能的磁性纳米复合材料，并用作抗癌药物控制342释放的载体。然而，需要注意的是，在某些情况下聚合物或共聚物层的存在可能影响磁性氧化铁纳米粒子的磁性能。因此，为确保磁性胶体的稳定性应谨慎选择聚合物材

7、料。1.1.生3物分子目前，由于生物分子具有很高的生物相容性，故而在生物分离，检测，传感以及其他生物应用中广泛使用，采用生物分子对磁性纳米粒子功能化成为最常见的、最有效的策略。常用的生物分子包括酶、抗体、蛋白质、生物素、牛人血清白蛋白、抗生物素蛋白和多肽等。例如，等人报道了表面经抗生物素蛋白修饰的亲水性磁性纳米粒子的表面表征，功能化及应用。作为增加的纳米颗粒浓度函数，在处通过测定游离的抗生物素蛋白来获得所连接的抗生物素蛋白，结果表明每个纳米颗粒上有土个抗生物素蛋白。经抗生物素蛋白修饰的磁性纳米粒子应用于重组生物素化人体萨尔科/内质网酶的纯化，用酿酒酵母表达。经纯化，从的酵母培养物中回收了约N纯

8、度为O的C纯化产率为4等人演示了一种使用抗体标记的多功能纳米复合材料在超低浓度下检测金黄色葡萄球菌模型分析物的方34法，该方法具有快速、灵敏、特异、有效等特点。内，荧光共焦以及光学显微镜能够在浓度为的范围内检测金黄色葡萄球菌的总数，检测限为。这些抗体靶向的纳米粒子是一种可广泛用作各种生物检测系统中特定细菌（金黄色葡萄球菌）的检测探针。采用生物分子对磁性纳米粒子表面进行功能化将大大提高粒子的生物相容性，且这种功能化的磁性纳米粒子对协助蛋白质，细胞以及生化制品等的分离是非常有效的。机材料修饰无机材料具有许多不同的特性，如高电子密度及强大的光吸收（如贵金属粒子，特别是和，光致发光半导体量子点，如硒化

9、镉或碲化镉，磷光掺杂氧化物材料，例如23或磁矩如锰或钻氧化物纳米粒子。这些无机材料不仅为纳米颗粒在溶液中提供稳定性，而且被广泛用于改善磁性纳米粒子的半导体效率，信息存储，光电子，催化，量子点，光生物成像以及生物标记等。特别地，一些无机材料还能有助于连接各种生物配体到磁性纳米粒子的表面，例如，二氧化硅，金及金属氧化物等等。二1氧化硅在基础研究及生物应用中，二氧化硅包覆的磁性纳米粒子是一个经典且重要的复合材料。二氧化硅包覆层能够增强磁性纳米粒子在水溶液中的分散性能，这是因为二氧化硅层可以屏蔽磁场与磁性纳米粒子之问的磁偶极吸引力。此外，二氧化硅包覆能够增强磁性粒子在酸性环境中的稳定性。再者，由于二氧

10、化硅包覆层上具有丰富的硅醇基，从而二氧化硅包覆的磁性纳米粒子的表面能够很容易地与其他各种官能团连接。通常所使用的二氧化硅包覆纳米粒子的方法有法，微乳液法及气溶胶热解法。法中，包覆层的厚度可以通过改变氨的浓度及四乙氧基硅烷与水的比例来调整。及其合作者研究表明通过的水解可以在商业磁流体的表面直接涂覆一层二氧化硅壳层。首先，水基铁磁流体经去离子水和二丙醇稀释，然后在搅拌下将氨溶液和不同量的逐滴加入到反应混合物中，持续搅拌，在室温下反应。包覆层的厚度通过改变的量来调节，由于氧化铁的表面对二氧化硅具有很强的亲和力，因此整个反应过程中不需要使用助剂来促进二氧化硅的沉积及粘附；此外，由于二氧化硅壳层带有负电

11、荷，因此包覆后的纳米粒子分散于水中时不需要添加其他的表面活性剂。第二种方法是基于微乳液的合成，其中胶束或反向胶束被用来限制和控制磁性纳米粒子表面的二氧化硅层。等人报道了采用反向微乳液法制备，为避免形成独立的TOC o 1-5 h z342二氧化硅核，通过等效分馏滴加来增加的量以生成二氧化硅壳层，该方法的优点可以控制包覆层的厚度从而生成均一的包覆层。等人采用油包水微乳液法将亲油性的34纳米粒子经修饰后转为亲水性纳米粒子的342第三种方法是气溶胶热解法，主要是将硅醇盐和铁盐化合物的混合物作为前驱体在火焰环境下产生气溶胶，再经热解制得二氧化硅包覆的磁性氧化铁纳米粒子。从上面所提到的例子中可以看出用二

12、氧化硅包覆磁性氧化铁纳米颗粒是一个相当可控的工艺。但是，二氧化硅在碱性条件下是不稳定的，因此改进方法，尤其是那些能允许二氧化硅在碱性条件下稳定的方法是必要的。1.2.碳2目前为止，尽管许多研究都是关于使用二氧化硅作为保护层修饰磁性氧化铁纳米粒子，但是最近经碳保护的磁性纳米粒子备受研究者的关注，这是因为碳基材料相比于二氧化硅具有更高的化学及热稳定性，并且生物相容性也更为优异。许多方法都被研究用来制备碳包覆的磁性纳米粒子，常见的方法是三步法过程:首先将经不同方法制备的磁性纳米粒子作为种子，然后将聚合物经聚合过程包覆到磁性纳米粒子表面，最后经退火处理过程生成碳包覆的磁性纳米复合物。例如：等人报道了首

13、次基于合成了形状可控，磁性大范围可调的单分散核.壳球体，链形和环形的颗粒。另外，石墨烯复合材料因被广泛应用于锂离子电池，离子去除，传感器，催化剂等领域而备受关注。等人报道了将及氧化石墨加入到乙二胺的水溶液中经溶剂热法制备出还原石墨烯复合材料。等人首先在下加热及氧化石墨烯34的混合物将氧化石墨烯还原并功能化，然后通过内消旋二巯基琥珀酸修饰的表面的同石墨烯片层表面上的反应将纳米粒子负载到石墨烯上。TOC o 1-5 h z34234等人报道了氨基葡聚糖修饰的石墨烯复合材料对细胞的显影具有3434显著的功效。体内研究结果表明，内在化的对细胞的活率及增殖没有影响，相比于裸露的纳米粒子，复合材料具有明显

14、的增强显影权重的功效，这是因为负载342在石墨烯片层上的纳米粒子增强了弛豫。3421.2.金3属金属纳米颗粒例如，金，银，铜，钯，钻，粕等具有局域型表面等离子体共振和表面增强拉曼散射等性能，许多各向异性金属纳米粒子也己应用于催化，对比成像，医药和传感等方面。金属纳米粒子和磁性纳米粒子结合后的物理化学性质及在催化剂，生物技术和生物医学方面的潜在特性吸引了越来越多材料科学家的关注。等人峙艮道了首先经热分解法制备出粒径的油胺油酸修饰的纳米粒子，34然后通过在纳米粒子表面沉积金和银制备了核壳结构的及纳米343434粒子。并且，通过调整壳层的厚度使其产生红移至或蓝移至，这在纳米粒子基诊断及治疗应用中具有

15、巨大的潜力。等人报道了使用制各好的纳米粒子作为34种子然后还原金离子生成单层金包覆的木一壳纳米粒子，纳米粒子被金充分包覆且表面性能可控。此外，另一个用来制备多层或复合结构磁性纳米粒子/金属复合物的多步法是层层自组装法。等人采用一种简便的基于水溶液的白组装法制备复合等离子一超顺磁性纳米粒子金纳米棒超1项磁性纳米粒子，s该复合物具有独特的光学和磁性能。在这个过程中，虽然只有的表面由带羧基的配体官能化，但是由于羧基和表面之间的化学吸附，纳米复合物能够通过两组分的简单混合生成。依据消光光谱，这种复合纳米粒子与保持相似的等离子性能。等人在当前的制备条件下基于和之间的电子转移研发出一种通过控制在每个金或铂

16、，钯纳米粒子上单个的成核及生长制备哑铃结构的磁性纳米粒子金属复合34物，该复合纳米材料可应用于增强催化，靶向特异性成像及递送。等人报道了一个总的合成复合结构纳米粒子的框架，其中包括异源三聚体及基于较高阶低聚物骨架的异源四聚体。较高阶低聚物骨架的异源四聚体。1.2.金4属氧化物及硫化物金属氧化物及硫化物半导体是常见的被用来修饰磁性纳米粒子的化合物，包括，n，00dn以及等等。例如，等人先后由不同的湿化学法成功制各了纺锤形,以及复合纳米粒子，由于狭带及宽禁22带半导体之间的协同效应以及氧化铁/半导体界面的有效电子-空穴分离使得这些复合粒子对有机染料表现出增强的光催化性能。最近等人报道了一种将钽乙醇

17、钠加入到含有纳米粒子的微乳液中经溶胶凝胶过程制备出核壳结构的。，该复合纳米粒子具有很好的生物相容性及长循环时间。当纳米粒子经静脉注射后，通过计算机断层扫描观察肿瘤的相关血管，成像显示出肿瘤高和低的血管区。等人报道了将腐蚀过程及奥斯特瓦尔德熟化过程结合制备出具有超顺磁性及荧光性能的纳米空心球。这些34中空纳米球的直径小于0无毒且外壳具有较高的孔隙率，表现出很好的磁共振和荧光性能。事实上，半导体常被作为功能化涂层来包覆氧化铁纳米粒子以获得多功能（如荧光，磁性及光催化性能等）的纳米复合物。采用磁性材料包覆磁性纳米粒子通常会对最终产物的磁性能产生剧烈的影响，这些材料包括氧化铁本身，i,及等。两种不同的

18、磁性相结合将产生342424具有许多可能应用的新的磁性复合材料。例如，等人报道了一个铁磁性核壳纳米颗粒体系-的磁性临近效应，该颗粒系统的磁化强度明显大于裸露的纳米粒子。等人研发了一种原位溶剂热包覆分解法可制备一系列多功能磁性核壳异质纳米体系结构及）所制备的核壳纳米粒子具有一些重要的特性，如可控的壳343434层厚度，优异的磁性能，稳定的回收性能以及大的表面曝光面积。通过利用核表面金属离子对生物分子高的亲和性及对辅助磁铁的快速响应性，将用于从细胞裂解物中分离34标记的蛋白和从质谱分析复杂样品系统中有效分离分子量不同的丰富肽。2磁靶向药物递送的概述磁靶向药物递送系统，简称是近年来研究的一种新的靶向

19、给药系统，也是近年来靶向治疗恶性肿瘤的一种新途径，属于第4代靶向给药系统，该系统是将药物和适当的磁性材料及必要辅助材料配置成磁性药物，通过足够强的外磁场定位，使磁靶向药物随血流运行选择性地聚集到病灶部位，在细胞或亚细胞水平上发挥药效作用。该磁性药物一方面具有磁靶向药物载体的一般特性，即结合固定磁场或交变磁场而具有靶向性，携带化疗药物或放射性物质，杀灭肿瘤细胞;另一方面其粒径达到纳米级，在磁的磁而相互，瘤组织的血塞，造成肿瘤组织的缺血、缺氧，使其对药物敏感性增加。部分未发生聚集的纳米粒进入毛细血管，并穿过毛细血管内皮细胞，进入肿瘤组织间隙或被肿瘤细胞摄取，从而在细胞间隙或细胞内释放药物。由于纳米

20、粒子良好的磁靶向性，加之肿瘤组织与正常组织结构上的差别，纳米粒子选择性地聚集于肿瘤组织，可以有效提高病灶部位药物浓度，增强治疗效果，同时减少药物在其它部位的分布，降低药物的毒副作用，从而大大提高了对肿瘤组织的放、化疗药物水平（图1.。3）磁场体表组织/展官/磁场体表组织/展官/-*Z-动脉进入组织/器官*.I磁带命令一J图1.磁3靶向药物递送示意图随着生物技术、纳米技术和物理化学等多学科的飞速发展，磁性药物靶向治疗有了长足的进步，并发展到一个新的高度，诸如磁性纳米微球、磁性纳米脂质体及磁性纳米胶束等已逐渐成为国内外磁靶向药物领域的热门研究课题。2.1磁性纳米微球磁性纳米微球是近年来国内外研究较

21、多的一种新型靶向给药载体，是由磁性纳米粒子与各种高分子载体材料结合而成。等人采用反向悬浮聚合技术合成含有模型药物亚甲基蓝或罗丹明的和34异丙基酰胺热敏聚合物核壳结构的球形纳米粒子。利用磁性纳米粒子在交变磁场下能34够产生热量的原理来使热敏聚合物受热收缩，从而达到控制模型药物释放的目的。结果表明该热敏磁性聚合物纳米粒子能够无接触地进行药物控制释放。等人以，N甲基双丙烯酰胺为交联剂在含有及的体系中经、第二阶段聚合制备磁性纳米微球。结果表明该磁性纳米微球具有很好的热敏感性，温度升高或酸性降低都能够有效地释放2.2磁性纳米脂质体另一个研究较多的新型靶向给药载体为磁性纳米脂质体。等人报道了通过薄膜水化法

22、制备一种新的热敏磁性阳离子脂质体用于同时递送药物及基因。研究结果表明在磁引导下具有物理靶向性能且在交变的磁场中具有优异的热响应药物释放性能，在共同递送药物和基因治疗癌症的领域中具有潜在的应用价值。等人报道了一种新的多功能脂质体用于肿瘤治疗，体系由表面包覆纳米粒子的富勒烯、聚乙二醇34及热敏性脂质体组成。该磁性脂质体不仅能用作强大的肿瘤诊断磁共振成像造影剂，也可用于光热消融肿瘤治疗。并且，多功能脂质体还可以通过其优异的活性肿瘤靶向和磁性靶向能力在高度局部化区域内选择性地杀死癌细胞。2.3磁性纳米胶束磁性纳米胶束常被用于抗癌药物的封装及靶向药物缓释。等人使用交联包裹的磁性纳米胶柬作为载体负载阿霉素

23、，经及阿霉素间的离子静电作用，负载的阿霉素高达，并且在酸性环境下，包封的阿霉素能够有效释放。毒性分析表明该能够持续缓释阿霉素，对细胞具有很好的杀伤效果及细胞增殖抑制作用。等人基于葡萄糖和超顺磁性氧化铁纳米颗粒制备Y可用于药物递送及磁共振成像的磁性纳米胶束，抗癌药物阿霉素以1、的药物负载含量包封于葡聚糖胶束的中心，最终的载药胶束粒径约为。激光共聚焦显微镜显示，与单独的阿霉素相比，温育后，细胞对该磁性纳米胶束的内在化效果更好。等人基于共聚物与油酸改性的纳米在水溶液中自组装生成磁性复合胶束，阿霉3434素抗癌药被用来作为模型药物被包封于磁性复合胶束中。结果表明该磁性胶束呈现良好的控释性能且释放速率和

24、释放量可通过增加一个外部和改变浓度来控制。复合纳米颗粒的结构类型34通过有机材料和无机材料修饰可以得到基复合纳米颗粒，且复合纳米颗粒的结构34是多样化的。在复合纳米颗粒的制备过程中，需要综合考虑其磁学性能、粒径大小、生物相容性以及能否与生物大分子结合等因素，从而设计和制备出理想的复合纳米颗粒。下面介绍几种常见的基复合纳米颗粒结构：核壳结构、镶嵌结构、壳芯结构、多层核壳混合结34构以及哑铃结构等结构，如图1所示。爨爨08MnuJc5hfl.MtfwKDwrMdlI4-图基复合纳米颗粒常见结构示意图343.1核壳结构核壳结构是以纳米颗粒为核心，有机材料或无机材料为壳层的结构。该结构简单，形成的复合

25、纳米颗粒尺寸较小、分散性能较好，是复合纳米颗粒中最为常见的结构由于壳层包覆，复合纳米颗粒的磁化强度有一定的降低，与壳层的厚度有关。等将多巴胺包裹在纳米颗粒表面，形成聚多巴胺核壳结构（图）a等使用聚谷氨酸（）和聚赖氨酸（）对进行分层组装，在最外层沉积，形成以和连接的核壳结构（图）birwilnkihiw14*&WIJirwilnkihiw14*&WIJ、也1JDopiminrpHUluliupnlympririitkiftgC.，PDA图（a）聚多巴胺核壳复合纳米结构的制备（b）核壳结构组装示意图34343.2壳芯和镶嵌结构壳芯和镶嵌两种结构都是将多个纳米颗粒嵌入或修饰在一个复合颗粒之中。虽然3

26、4单个磁性纳米颗粒的磁化强度较低，但这两种结构中均含有多个纳米颗粒，复合3434纳米颗粒的磁化强度为包裹的所有磁性纳米颗粒磁化强度的叠加，因此两种结构都有较高的磁化强度。受修饰材料性能的影响，两种结构的复合纳米颗粒通常也有较好的水溶性和生物相容性。但是，将多个纳米颗粒修饰于一个纳米结构之中，复合纳米颗粒的粒径一般34较大，需要调控两种结构的纳米颗粒粒径大小，制备出适合生物体应用的粒径。等制备了多孔碳壳包覆纳米颗粒的结构，纳米颗粒的粒径较大，约为左右。等制34备了磁性介孔微球，使用将多个纳米颗粒包覆在微球中，得到的微球大小22约为,有较高的磁化率，具体如图所示。图e微球：（a）制备流程图，（b）图像，（c）扫描电镜图像3423.3多层核壳混合结构多层核壳混合结构将多个纳米颗粒放入一个复合纳米颗粒之中，除了纳米颗3434粒，还会