CuxFe1－xO·Fe2O3磁流體納米微粒的制備與性能分析

季 業(yè)，邵慧萍，林 濤，郭志猛

(北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京100083)

CuxFe1－xO·Fe2O3磁流體納米微粒的制備與性能分析

季 業(yè)，邵慧萍，林 濤，郭志猛

(北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京100083)

為增強(qiáng)磁流體在腫瘤治療中的靶向性，本研究在制備磁流體過程中加入Cu2+，利用超聲乳化法制備納米CuxFe1－xO·Fe2O3顆粒，采用殼聚糖作為表面活性劑制備出分散均勻、穩(wěn)定性好的水基磁流體，研究了不同的Cu2+加入量和不同的殼聚糖用量對磁流體磁性能的影響.結(jié)果表明：殼聚糖成功包覆于磁性CuxFe1－xO·Fe2O3顆粒的表面;不同Cu2+加入量制得的粉末同屬立方晶系;當(dāng)實(shí)驗(yàn)原理方程式中的x= 0.1、殼聚糖溶液用量為20 mL(每50 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的CuxFe1－xO·Fe2O3溶液)時(shí)進(jìn)行表面改性制得的納米磁流體具有較高的比飽和磁化強(qiáng)度及穩(wěn)定性，靜置30 d后，無明顯沉降及分層現(xiàn)象，其比飽和磁化強(qiáng)度為56.43 A·m2·kg－1.

CuxFe1－xO·Fe2O3;超聲乳化;磁流體;殼聚糖

磁流體是一種既具有液體流動(dòng)性、又具有固體磁性材料磁性的新型功能材料［1］.由于其特殊的性質(zhì)，引起了廣大學(xué)者的廣泛關(guān)注，在密封［2－4］、潤滑［5］、生物醫(yī)療［6－7］、水資源保護(hù)［8］、礦物篩選［9］、傳感器［10］和光纖［11］等方面得到了重要的應(yīng)用.近年來隨著科技的不斷進(jìn)步，在生物醫(yī)療領(lǐng)域中鐵磁流體以其良好的生物相容性和穩(wěn)定性，在靶向給藥［12－13］、細(xì)胞分離和細(xì)胞內(nèi)熱療［14－16］等方面取得了重大的研究進(jìn)展.Fe3O4水基磁流體之所以能廣泛應(yīng)用，是由于它可以作為磁靶向藥物傳遞系統(tǒng)(MTDDS)的載體，同藥物一起制成穩(wěn)定體系，在特定磁場作用下，使藥物定位于靶區(qū)并釋放，從而在病變部位發(fā)揮療效.與此同時(shí)，鐵磁流體原本就是磁性藥物的重要材料也是原因之一.

為使藥物更加準(zhǔn)確、迅速地輸送到特定靶部位而充分發(fā)揮治療作用，可以在磁流體的制備過程中加入67Cu.67Cu為放射性元素，半衰期為61.83 h，衰變方式為β－衰變.再加上銅與鐵元素同屬于過渡族金屬元素，原子半徑及電負(fù)性將近，將Cu2+取代部分Fe2+制成CuxFe1－xO·Fe2O3磁流體理論上可提高治療效果，有很好的應(yīng)用前景［17］.殼聚糖(Chitosan)是甲殼素用濃堿處理后脫去乙?；玫降漠a(chǎn)物，是天然高分子中唯一的堿性多糖.殼聚糖所具有的生物相容性、生物降解性以及廣譜抗菌性決定了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(如藥物傳遞、癌癥臨床診斷和醫(yī)用敷料［18－20］等)具有廣泛的用途.納米CuxFe1－xO·Fe2O3顆粒細(xì)小，分散在載液中容易產(chǎn)生團(tuán)聚而出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，因此，采用生物相容性良好的殼聚糖作為表面活性劑進(jìn)行表面改性，可保證所得磁流體的穩(wěn)定性和生物親和性.

本文主要通過超聲乳化法制備CuxFe1－xO· Fe2O3納米顆粒.為了安全考慮，在制備過程中使用非放射性銅元素的化合物二水合氯化銅為原料，研究Cu2+的最佳用量.并采用不同量的殼聚糖對納米CuxFe1－xO·Fe2O3顆粒進(jìn)行表面改性，得到分散均勻、穩(wěn)定性好、比飽和磁化強(qiáng)度高的納米CuxFe1－xO·Fe2O3磁流體.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

采用殼聚糖改性，制備生物親和性磁流體所用的化學(xué)藥劑詳見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)試劑

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用超聲乳化法制備CuFe O·FeO磁性顆粒的實(shí)驗(yàn)原理見式(1):

由于亞穩(wěn)態(tài)的 Fe2+容易發(fā)生氧化轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+，從而使n(Cu2++Fe2+)/n(Fe3+)物質(zhì)的量之比偏離理論值1∶2，導(dǎo)致制得的粉末磁性能下降，所以，在制備過程中把(Cu2++Fe2+)與Fe3+的物質(zhì)的量比提高到 2∶3［17］.將濃度0.15 mol·L－1的Cu2+和Fe2+的鹽溶液以不同比例(方程式中x=0、0.05、0.1、0.2)混合，再將濃度為0.15 mol·L－1的Fe3+鹽溶液按n(Cu2++ Fe2+)/n(Fe3+)=2∶3的比例加入其中，利用JJ－1型精密電動(dòng)攪拌器混合均勻.將溶液用TC－2000P型自動(dòng)溫控加熱爐加熱到70℃后，用過量的NH3·H2O作為沉淀劑，加入至上述混合溶液中，在BILON－1000型超聲波材料乳化分散器中反應(yīng)完全.待反應(yīng)結(jié)束后將得到的粉末用超聲分散于去離子水中，多次洗滌至pH值呈中性.將所得3種Cu2+與Fe2+比例不同(方程式中x=0、0.05、0.1、0.2)的產(chǎn)物置于65℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥后待用.將殼聚糖溶解于質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的醋酸溶液中制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的殼聚糖溶液.取0.5 g干燥后的粉末超聲分散于50 mL去離子水中制成溶液.將一定量殼聚糖溶液(10、15、20、25、35、50 mL)緩慢地加入到該溶液中，超聲分散10 min，得到方程式中的x取值不同且包覆殼聚糖量不同的磁性流體.

采用日本理學(xué)公司的D/MAX RB型X射線衍射儀(XRD)分析了干燥后不同x取值的磁性顆粒的晶體結(jié)構(gòu).利用傅里葉紅外分光光度計(jì)(FT－IR)，采用溴化鉀壓片法測定磁性CuxFe1－xO·Fe2O3顆粒的官能團(tuán).采用LDJ9600型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測量了磁性顆粒以及磁流體中磁性粒子的磁滯回線、比飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力.

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD譜

圖1為x取值不同時(shí)制得粉末的X射線衍射譜.從圖中可以看出當(dāng)x=0時(shí)，F(xiàn)e3O4晶體的特征衍射峰明顯，所有的標(biāo)記峰與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的峰一致(JCPDS:65－3107)，對應(yīng)于立方晶系的晶面.當(dāng)x=0.1和0.2時(shí)，可分析得到衍射譜中出現(xiàn)了面心立方晶系的 CuFe2O4(JCPDS:25－0283).這是由于Cu2+的添加，部分Cu2+占據(jù)了Fe2+的位置，形成了CuFe O·FeO.

圖1 Cu2+與Fe2+不同比例的X射線衍射譜

2.2 紅外光譜(FT－IR)

由圖2磁性粒子包覆前(a線)的紅外光譜圖可以看出:583 cm－1附近出現(xiàn)的強(qiáng)吸收峰為磁性CuxFe1－xO·Fe2O3的特征吸收峰.包覆后(b線)磁性粒子的紅外光譜中，3390 cm－1附近是殼聚糖中—NH2和—OH伸縮振動(dòng)重疊而成的寬峰; 1019 cm－1則歸因于殼聚糖中C—O的振動(dòng)吸收; 1402 cm－1是殼聚糖中—CH3的C—H變形振動(dòng)吸收，這是由于殼聚糖沒有完全脫去乙?；鶎?dǎo)致的.因此可以認(rèn)為殼聚糖對磁性CuxFe1－xO·Fe2O3粒子的包覆是成功的.

圖2 包覆前a(x=0.1;CTS：0 mL)和包覆后b(x= 0.1;CTS：20 mL)的磁性粒子紅外光譜圖

2.3 CuxFe1－xO·Fe2O3微粒的磁性能分析(VSM)

圖3為未進(jìn)行表面改性時(shí)，制備的不同x值的CuxFe1－xO·Fe2O3磁性微粒的磁滯回線圖，表2為對應(yīng)的磁性能表.從圖中可以看出，隨著x值的增大CuxFe1－xO·Fe2O3磁性顆粒的飽和磁化強(qiáng)度降低.這是因?yàn)?，隨著Cu2+的加入，一部分Cu2+取代了Fe2+八面體間隙的位置，形成了部分面心立方結(jié)構(gòu)的CuFe2O4.由于此結(jié)構(gòu)的微粒磁性弱于Fe3O4，使得其飽和磁化強(qiáng)度降低.x=

0.05 和0.1時(shí)的比飽和磁化強(qiáng)度與x=0相比，雖有降低，但程度不大.x=0.2時(shí)，飽和磁化強(qiáng)度大幅下降，矯頑力也明顯升高.x=0.05和0.1相比較比飽和磁化強(qiáng)度相當(dāng).由于放射性的銅元素可用于腫瘤的診斷與治療，所以在磁性能相當(dāng)?shù)那闆r下選擇含銅量大的配比可提高治療效果.

圖3 未進(jìn)行表面改性的不同x值的粒子磁滯回線圖

表2 不同x值的粒子磁性能表(未進(jìn)行表面改性)

為了使制得的磁性顆粒在水中分散均勻，穩(wěn)定性好，實(shí)驗(yàn)中加入了表面改性劑殼聚糖.圖4為殼聚糖加入量一定時(shí)(25 mL)，x值不同的CuxFe1－xO·Fe2O3磁性顆粒的磁滯回線圖，粒子的磁性能在表3中列出.從圖4可知，隨著x值的增大CuxFe1－xO·Fe2O3磁性顆粒的飽和磁化強(qiáng)度降低，這與圖2中所得的趨勢相同.其次，經(jīng)過殼聚糖表面改性后的磁性微粒飽和磁化強(qiáng)度比改性前有所降低，剩余磁化強(qiáng)度和矯頑力也有所減小.這是因?yàn)?，磁性微粒改性后的表面層與表面活性劑形成化學(xué)鍵，使表面層失去鐵磁性.

將實(shí)驗(yàn)制得的x取值不同(x=0、0.05、0.1、0.2)、表面活性劑用量不同(10、15、20、25、35、50 mL)的磁流體樣品靜置30 d后觀察可以得到:殼聚糖用量為10、15和50 mL的磁流體均有不同程度的沉降，而用量為20、25、35 mL的樣品懸浮良好、未出現(xiàn)分層現(xiàn)象、穩(wěn)定性較高.所以，選取當(dāng)x=0.1時(shí)、殼聚糖用量分別為20、25、35 mL的樣品利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測定其磁性能.

圖4 表面改性后不同x值的粒子磁滯回線圖(CTS：25 mL;x=0;0.05;0.1;0.2)

表3 不同x值的粒子磁性能表(殼聚糖用量25 mL)

圖5為表面活性劑用量不同時(shí)CuxFe1－xO·Fe2O3磁性顆粒的磁滯回線圖.從圖5及表4可以看出，隨著殼聚糖溶液體積的增加，比飽和磁化強(qiáng)度逐漸降低，3種情況下制得的磁流體剩余磁化強(qiáng)度相當(dāng).表面活性劑用量對磁流體磁性有著重要影響，加入的過多或過少均影響其磁性.太多，在顆粒表面形成多層包覆，顆粒相互粘結(jié)而變大，并降低了磁性顆粒的穩(wěn)定性;太少，則不足以形成完整的包裹層或包覆層較薄，表面活性劑間產(chǎn)生的斥力不足以克服磁引力和范德華力的作用而發(fā)生磁顆粒團(tuán)聚，同樣會使磁顆粒變大，這樣得到的磁性顆粒磁性雖強(qiáng)但流體穩(wěn)定性很差.結(jié)合磁性能測試結(jié)果和磁流體穩(wěn)定性的綜合評價(jià)，殼聚糖用量為20 mL時(shí)為最佳.

3 結(jié)論

1)本實(shí)驗(yàn)通過超聲乳化法成功制備了納米CuxFe1－xO·Fe2O3顆粒，并采用殼聚糖對納米CuxFe1－xO·Fe2O3顆粒進(jìn)行表面改性，制備出分散均勻、穩(wěn)定性好的納米CuxFe1－xO·Fe2O3磁流體.

2)通過對磁流體的穩(wěn)定性和CuxFe1－xO·Fe2O3顆粒磁性能的綜合分析可知:當(dāng)x=0.1，殼聚糖用量為20 mL時(shí)制得的納米CuxFe1－xO·Fe2O3磁流體具有較高的比飽和磁化強(qiáng)度及穩(wěn)定性，其飽和磁化強(qiáng)度為56.43 A·m2·kg－1.其在交變磁場下磁熱效應(yīng)的研究和生物相容性實(shí)驗(yàn)將在后續(xù)的研究中進(jìn)一步開展.

圖5 不同殼聚糖用量的磁流體粒子磁滯回線圖(x= 0.1;CTS：20、25、35 mL)

表4 不同殼聚糖用量的粒子磁性能表(x=0.1)

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Preparation of nano-CuxFe1－xO·Fe2O3magnetic particles and performance analysis

JI Ye，SHAO Hui-ping，LIN Tao，GUO Zhi-meng
(Advanced Material＆Technology Institute，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

In order to increase the magnetic fluid in target-based in cancer treatment，the Cu2+was studied in the preparation procedure.Nano-CuxFe1－xO·Fe2O3magnetic particles were prepared by means of ultrasonic emulsion method，and then dispersed into water with chitosan as surfactants to make CuxFe1－xO·Fe2O3magnetic fluid.The influence of Cu2+addition and chitosan on the magnetic properties was studied.The results show that the surface of CuxFe1－xO·Fe2O3nanoparticle is wrapped with chitosan.The CuxFe1－xO·Fe2O3nanoparticles with different of the Cu2+addition are cubic system.It is conducive to obtain the CuxFe1－xO· Fe2O3magnetic fluid with a high saturation magnetization and stability when the condition for x=0.1 and chitosan solution dosage is 20 ml(every 50 ml of the CuxFe1－xO·Fe2O3solution(1%by weight)).Rest for 30 days，there is no obvious phenomenon of settled and stratified，and the saturation magnetization is 56.43 A·m2·kg－1.

CuxFe1－xO·Fe2O3;ultrasonic emulsion;magnetic fluid;chitosan

TQ 138.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005－0299(2011)05－0085－05

2010－11－24.

教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目.

季 業(yè)(1987－)，女，碩士研究生.

邵慧萍，E-mail:shaohp@ustb.edu.cn.

(編輯 程利冬)