超順磁氧化鐵納米粒子特性研究

趙戎蓉，魯芳

基于特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，納米材料目前已成為表面工程學(xué)研究的理想材料。納米粒子作為腫瘤治療中的靶向給藥載體可以提高藥物的靶向作用。因此，對納米粒子的修飾，將促進其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。以超順磁性粒子（superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPION）為載體的微粒靶向遞送系統(tǒng)已成為比較熱門的研究方向[1]。

SPION 由于其磁性核心的特性，可以通過外部磁鐵有針對性地到達特定位置。20 世紀(jì) 70 年代末期，外部磁場控制磁性載體的觀點被認(rèn)同，隨后以各種磁性納米和磁性微粒子作為載體，用于藥物在體內(nèi)的靶向投遞的研究相繼見諸報道[2]。SPION 由兩部分組成：磁性核心（通常是 Fe3O4、Fe2O3和 γ-Fe2O3）和具有生物相容性的聚合物或多孔生物相容聚合物涂層。該涂層可以被功能化羧基、生物素、抗生物素蛋白、碳二亞胺和其他分子修飾[3]，從而起到抗原-抗體偶聯(lián)以及靶向作用。此外，聚合物涂層還可以通過共價結(jié)合，吸附或包埋藥物實現(xiàn)藥物的投遞[4]。到目前為止，載體優(yōu)化的目標(biāo)是：①減少藥物的細胞毒性，從而降低藥物副作用；②減少用量，達到靶向給藥目的。

1 SPION 的穩(wěn)定性及表面修飾

由于診斷和治療的需要，SPION 已在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。SPION 具有膠體特性，穩(wěn)定性取決于粒子的大小及粒子與界面的空間位阻和庫侖排斥作用。SPION顆粒足夠小能夠抵消引力造成的沉降，在中性 pH 環(huán)境和生理鹽水中也很穩(wěn)定。另一方面，在制備和合成后期進行生物相容性聚合物涂層，既能避免生物降解，也起到防止粒子聚集，提高其穩(wěn)定性的目的。

SPION 穩(wěn)定性主要由 3 個因素控制：疏水/親水性、磁性和范德華力。由于納米粒子的疏水作用，SPION 往往聚集成微米簇，加之磁偶極相互作用，微米簇將進一步聚集。在外部磁場下，這些微米簇可能會出現(xiàn)進一步的磁化從而增加聚集[5]。SPION 的穩(wěn)定性關(guān)系到藥物的釋放效果，磁性和范德華力是 SPION 固有的性質(zhì)，較難改變。因此，通過表面修飾調(diào)節(jié)其疏水/親水性就顯得至關(guān)重要。明膠、右旋糖酐、聚氨基酸、淀粉、白蛋白、脂質(zhì)體、殼聚糖、乙基纖維素等天然分散劑已被廣泛用于水介質(zhì)中對 SPION 的分散。表面修飾分子應(yīng)該具有生物相容性和生物降解性。表面活性劑分為疏水性、親水性和雙親性 3 類，其中油酸、月桂酸、烷烴磺酸和烷烴膦酸等表面活性分子具有雙親性，可提高 SPION 在溶液中的穩(wěn)定性，常用作 SPION 的表面修飾[6]。十六烷、甲苯、正己烷等疏水基表面活性劑分子修飾SPION 后易溶于有機溶劑，但無法實現(xiàn)其在生物體中的應(yīng)用。所以，用親水表層包埋疏水表層，從而獲得雙親聚合物外殼，則可改變 SPION 的生物相容性[7]。Wang 等[8]將疏水表面涂層的 SPION 插入 α-環(huán)糊精中，則 SPION 就能從有機相擴散至水相。各種聚合物，如乙烯聯(lián)合醋酸乙烯酯（poly ethylene-co-vinyl acetate）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乳酸、乙醇酸、聚乙二醇（PEG）和聚乙烯醇（PVA）可作為水相中納米粒子的涂層材料。Euliss 等[9]采用聚乙二醇反向乳液方法并以 Disperbyk 120 和四甲基氫氧化銨進行表面修飾，從而合成了親水性磁性納米顆粒。此外，Park等[10]報道在超臨界水中用石墨碳包裹 Fe2O3和 γ-Fe2O3，從而實現(xiàn)其在水介質(zhì)中的穩(wěn)定性。

氧化鐵被公認(rèn)為是無毒的，但部分涂層材料具有毒副作用，故涂層材料的選擇十分重要。表 1 介紹了幾種涂層材料，以下著重介紹二氧化硅在表面修飾中的作用。由于二氧化硅的親水性，經(jīng)硅涂層后的納米粒子能夠均勻分散在水溶液中，且其具有生物相容性。Philipse 等[11]首先報道了用溶膠凝膠法制備非晶硅涂層磁性納米。在高于二氧化硅等電點（pH 2）時，硅涂層帶負(fù)電荷，且二氧化硅羥基（硅羥基組：Si-OH）可與有機物共價鍵連接，通過靜電作用分離生物分子。Bruce 和 Sen[12]報道了大規(guī)模合成無定形硅用于磁性納米顆粒修飾。在 pH 13 條件下，將硅酸緩慢加入磁鐵礦溶液中，用稀鹽酸調(diào) pH 值至 10。核-殼磁鐵納米顆粒包被一層薄的硅殼，通過控制硅酸與磁鐵礦溶液的比例，確定DNA 的結(jié)合和洗脫。Sen 等[13]用表面加熱法制備球形和管狀多孔的二氧化硅磁性顆粒用于細胞、核酸的提取。近日，Deng 等[14]用加熱法制備微孔 SPION 用于胰蛋白酶的固定。

2 形狀、大小、粒度分布及表面電荷

SPION 形狀、大小和粒度分布是其生物應(yīng)用的重要參數(shù)。Mahmoudi 等[15]采用多場有限元模型研究外加磁場下血管內(nèi)不同大小和形態(tài)的 SPION 的運動情況。仿真結(jié)果表明，磁場強度和 SPION 物理性質(zhì)均能影響其在血管運動中的波動和幅度，進而推測，具有較小波動和較寬幅度的速度場更有利于藥物投遞。

Varanda 等[16]報道，SPION 磁化強度、表面曲率與顆粒大小呈線性。小于 100 nm 的磁性顆粒具有較高的有效表面積（更容易吸附）、較低的沉積速率，有利于向組織擴散，并且能逃離網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)（RES）的吞噬，從而延長其在循環(huán)系統(tǒng)中的保留時間，又能達到避免毛細血管栓塞的效果。其中直徑大于 10 nm 的顆粒在正常生理條件下無法穿透血管內(nèi)皮細胞，但在病理條件下，能穿透如炎癥或腫瘤等病理部位。

表 1 用于 SPION 的修飾材料

當(dāng)載藥納米粒子進入血液循環(huán)，血漿蛋白對其的吸附作用與粒子的大小、形態(tài)和表面電荷相關(guān)。表面以聚乙二醇和葉酸修飾的載藥粒子已被證實能有效地抑制體內(nèi)蛋白質(zhì)的吸附。由于組織巨噬細胞對入侵微生物和顆粒的高度敏感，大于 200 nm 的顆粒容易被內(nèi)皮吞噬系統(tǒng)吞噬，因此不適合作為載體[17]。大小介于 10 ～ 100 nm 的 SPION 是最有效的藥物輸送載體[18]。也有研究報道，顆粒較小且具有較高親水性的納米顆粒，能延長在生物體內(nèi)存留時間[19]。Lee 等[20]報道了聚[3-（三甲硅基丙基）甲基丙烯酸-r-聚乙二醇甲基丙烯酸]涂層的 SPION 可作為穩(wěn)定的抗蛋白質(zhì)的磁共振成像探針。結(jié)果同時表明，經(jīng)聚合物涂層的 SPION 循環(huán)周期延長。

最近，Osaka 等[21]報道了在不同細胞系中 SPION 表面電荷與細胞吸收效率的關(guān)系。針對人乳腺癌細胞，帶有正電荷 SPION 相比帶負(fù)電荷的 SPION 更容易被細胞吞噬；對于臍靜脈內(nèi)皮炎細胞，正負(fù)電荷的 SPION 被吞噬差異不大。因此，SPION 被攝取的原因不僅取決于其表面特性，還取決于攝取作用細胞的類型。

3 SPION 的毒性

Mahmoudi 等[22]對 PVA 修飾的 SPION 細胞毒性進行研究，選擇的細胞株為小鼠成纖維細胞和人白血病細胞。結(jié)果表明，SPION 無毒性或毒性很小。另外，Karlsson等[23]研究了濃度為 20 和 40 mg/ml 的 SPION 在人肺癌細胞中的毒性，結(jié)果顯示，SPION 既沒有對 DNA 造成損傷，也沒有在細胞內(nèi)產(chǎn)生活性氧化物，但是檢測出少量氧化DNA。另一項研究證實，SPION 對細胞周期的影響僅在G0/G1間隔期[24]。最近，Mahmoudi 等[25]觀察到當(dāng) SPION作用細胞后胞內(nèi)有氣泡產(chǎn)生且細胞粒度增加。有人提出，自溶可能是導(dǎo)致細胞毒性的原因。在體外細胞毒性研究中，由于 SPION 對蛋白質(zhì)的吸附，蛋白質(zhì)有可能引起細胞毒性，進而導(dǎo)致判斷錯誤。

由于 SPION 與蛋白質(zhì)相互作用，使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致生物損傷，如纖維性顫動、產(chǎn)生新抗原位點、蛋白質(zhì)功能缺失等。具體而言，SPION 作用的蛋白質(zhì)變性可能會暴露新的抗原位點，導(dǎo)致一個新的免疫反應(yīng)發(fā)生[26]。Cedervall 等[27]采用體積排阻色譜（SEC）、表面等離子體共振（SPR）和等溫滴定量熱法研究血漿蛋白與不同磁性粒子的結(jié)合/分解率和親和力。Lynch 等[28]也試圖確定和量化不同大小納米系統(tǒng)與蛋白質(zhì)連接的問題。上述方法對 SPION的體內(nèi)實驗有指導(dǎo)意義，有助于分析到底是 SPION 還是蛋白質(zhì)引起的細胞毒性。

4 展望

磁性納米材料具有無創(chuàng)或微創(chuàng)、靶向性強、生物相容性好、治療效果好等優(yōu)點，可用于疾病診斷和治療中的多個環(huán)節(jié)，對癌癥的早期診斷與治療有著重要的意義。多功能磁性納米生物材料的研究及其應(yīng)用已逐漸成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點，這些應(yīng)用涉及到生物化學(xué)、電子學(xué)、磁學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科，是多學(xué)科的交叉，目前在醫(yī)藥應(yīng)用技術(shù)中，磁性技術(shù)已經(jīng)成為其他技術(shù)的有力補充。

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