磁性介孔二氧化硅微球的研究及應(yīng)用進(jìn)展

鄭 楊，姜 誠(chéng)，韓德艷

（湖北師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 污染物分析與資源化技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 黃石435002）

磁性介孔二氧化硅新型納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)可在微觀、介觀和宏觀上進(jìn)行調(diào)控，從而使其在靶向藥物、生物富集與分離、磁熱療、固定化酶、大分子催化、吸附分離等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景［1－3］，受到了眾多科學(xué)研究者的關(guān)注［4－5］。該新型納米復(fù)合材料不僅具有獨(dú)特的磁響應(yīng)功能、低毒和表面易功能化等特點(diǎn)，而且介孔還具備以下優(yōu)異性能：（1）屏蔽磁性粒子相互間的偶極作用，阻止粒子團(tuán)聚［6］；（2）良好的生物相容性和穩(wěn)定性［7］；（3）孔道規(guī)整，孔徑連續(xù)可調(diào)；（4）表面基團(tuán)可功能化；（5）較大的比表面積和孔容。目前，介孔二氧化硅微球的制備技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，為制備高質(zhì)量的介孔二氧化硅修飾的磁性微球提供了技術(shù)支持。

作者在此綜述了近10年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)磁性介孔二氧化硅微球的制備方法及其相關(guān)的應(yīng)用。

1 磁性介孔二氧化硅微球的制備方法

磁性介孔二氧化硅微球的制備方法主要有溶膠－凝膠法（sol－gel）和反相微乳液法（reverse microemulsion），其中溶膠－凝膠法又分為正硅酸乙酯（TEOS）水解法和改進(jìn)Stober法。

1.1 溶膠－凝膠法

1.1.1 正硅酸乙酯水解法

該方法是利用正硅酸乙酯在酸性或者堿性條件下水解生成Si2OH，然后相互縮合形成二氧化硅溶膠包裹在磁性粒子表面。Zhang等［8］用正硅酸乙酯水解法將單分散的磁性納米微粒成功包埋進(jìn)介孔二氧化硅微球中，該磁性介孔微球的空間結(jié)構(gòu)可調(diào)控，孔徑均勻、有序且具有超順磁性。Kim等［9］合成了一種可用于吸附和控制藥物釋放的單分散的磁性介孔二氧化硅微球，其粒徑大小為150nm，孔徑約為3.5nm，比表面積為721m2·g－1。Zhao等［10］以α－Fe3O4為核，在其表面先沉積一層無(wú)孔的氧化硅，再在其表面形成介孔氧化硅為殼的磁性介孔氧化硅微球，該方法制備的微球大小均一、飽和磁強(qiáng)度高、孔體積較小，可用于靶向藥物傳遞和多相分離。

1.1.2 改進(jìn)Stober法

Stober等［11］在1968年提出利用堿（NH3·H2O或NaOH）作為催化劑，加速硅酸酯類（TEOS或TMS）在醇中的水解縮合，先制備出單分散的二氧化硅微球，再對(duì)磁性粒子進(jìn)行包覆的改進(jìn)Stober法。該方法對(duì)原有的溶膠－凝膠法進(jìn)行了改進(jìn)，使其對(duì)各種材料形態(tài)如球形［12］、納米線［13］、磁性團(tuán)聚體［14］都能進(jìn)行包裹。應(yīng)用改進(jìn)Stober法需要注意兩點(diǎn)：一是磁性粒子須穩(wěn)定分散于醇介質(zhì)中；二是控制好反應(yīng)物質(zhì)之間的比例。

Yoshio等［15］選擇檸檬酸作為分散劑來(lái)合成Co溶膠，然后向Co溶膠中加入含有APS和正硅酸乙酯的乙醇溶液，制備出單分散性較好的SiO2／Co復(fù)合納米微粒。Zhang等［16］采用溶膠－凝膠法原位合成了磁性介孔氧化硅材料：首先用鹽酸將Pluronic F127溶解，加入（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O，混合攪拌10min后加入正硅酸乙酯，在室溫下反應(yīng)8h；然后將反應(yīng)物轉(zhuǎn)移到100℃高壓釜中處理24h，離心收集固體并浸入NaOH溶液中，加入過(guò)氧化氫將混合物中的Fe2＋氧化為Fe3O4；最后，在60℃水浴中保溫1h，經(jīng)洗滌、干燥和焙燒后，得到磁性介孔氧化硅材料。Lu等［17］以油酸為穩(wěn)定劑、氧化鐵的混合物為磁核、正硅酸乙酯為硅源，應(yīng)用Stober法合成了單分散的超順磁性介孔氧化硅微球，通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑APS的修飾，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合微球與熒光有機(jī)高分子的結(jié)合。

1.2 反相微乳液法

反相微乳液法一般由表面活性劑、助表面活性劑、油相、水相形成油包水或水包油的熱力學(xué)穩(wěn)定體系，反應(yīng)物在“微反應(yīng)器”中可以形成球形顆粒。

Yi等［18］用反相微乳液法制備了同時(shí)包含磁性粒子和量子點(diǎn)化合物的復(fù)合納米微粒，并考察了包覆后的復(fù)合粒子的磁性能對(duì)量子產(chǎn)率的影響。Lin等［19］采用反相微乳液法合成了多孔、有序的超順磁性發(fā)光功能的介孔二氧化硅納米材料，該材料有望應(yīng)用于生物分離和靶向藥物傳輸?shù)阮I(lǐng)域。湯慧利［20］在超順磁性FePt粒子表面包裹二氧化硅層，在表面活性劑作用下與復(fù)合微球自組裝成三維納米陣列，在外磁場(chǎng)條件下，可特異性吸附超順磁性的蛋白分子。

2 磁性介孔二氧化硅微球的應(yīng)用

2.1 靶向藥物

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，由于磁性介孔材料具有小尺寸效應(yīng)、良好的靶向性、生物相容性、功能基團(tuán)和超順磁特性等，通過(guò)外磁場(chǎng)的定位，可在磁性介孔材料表面荷載藥物并送至病變部位實(shí)現(xiàn)靶向給藥［21－22］，從而用于靶向藥物的生產(chǎn)［23］，特別是用于特定類型癌癥的診斷治療時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。

Chen等［24］利用自組裝技術(shù)將熒光量子點(diǎn)修飾在Fe3O4＠SiO2＠m(xù)SiO2納米顆粒表面，得到具有熒光可調(diào)性的磁性介孔結(jié)構(gòu)的納米粒子。該磁性介孔材料功能化之后可作為MRI／熒光雙模式生物成像和磁靶向抗癌藥物傳輸體系。Knezevic等［25］合成了具有核殼結(jié)構(gòu)的磁性介孔氧化硅微球，其比表面積為859m2·g－1，孔徑約為2.6nm。該微球負(fù)載CdS和喜樹堿，可用于抗癌活性的研究。將光照反應(yīng)和磁響應(yīng)性相結(jié)合，建立靶向給藥系統(tǒng)，在選擇性靶向治療癌癥方面有著潛在的應(yīng)用前景。Zhang等［26］采用乳液聚合法制備了超順磁性Fe3O4／PS納米粒子，再以CTAB為模板采用溶膠－凝膠法制備出夾層結(jié)構(gòu)的磁性介孔氧化硅微球（M－MSNs），展現(xiàn)出良好的磁響應(yīng)性和有序性，且對(duì)大分子鮭魚精子DNA和小分子藥物雷帕霉素都顯示出高的吸附能力，在提高DNA分離或藥物／基因傳遞方面有著良好的應(yīng)用前景。

Wu等［27］制備出一種玻璃狀結(jié)構(gòu)的多功能磁性介孔材料，其比表面積達(dá)268m2·g－1，具有良好的生物活性和持續(xù)的藥物運(yùn)輸能力。該材料吸附地塞米松后10d內(nèi)都可以維持穩(wěn)定的釋放量，展現(xiàn)出良好的吸附藥物能力。Yang等［28］結(jié)合水熱法和溶膠－凝膠法，在外層的二氧化硅殼表面用YVO4：Eu3＋進(jìn)行功能化以及表面氨基改性，制備出一種具有磁性和發(fā)光特性的夾心結(jié)構(gòu)的介孔材料，并以布洛芬（IBU）為模型藥物，研究該介孔材料的藥物存儲(chǔ)和釋放性能。結(jié)果表明：該介孔材料對(duì)布洛芬的吸附量為181mg·g－1，吸附72h后的釋放率為75%，作為靶向給藥系統(tǒng)展現(xiàn)出良好的吸附能力和持續(xù)的釋放性能。Zhang等［26］在超順磁性聚苯乙烯包覆的四氧化三鐵納米微球（Fe3O4／PS）表面沉積介孔氧化硅層，形成“三明治”狀的磁性介孔氧化硅納米顆粒（M－MSNs），該顆粒的孔徑為4.2nm，比表面積為475m2·g－1。這種大孔徑、高比表面積的微球能夠荷載大劑量的小分子藥物雷帕霉素。

2.2 生物富集與分離

磁性介孔二氧化硅微球是具有超順磁性和良好生物相容性的二氧化硅包覆的磁性納米粒子，在外磁場(chǎng)作用下有較好的磁響應(yīng)性，可用于生物物質(zhì)的選擇性快速富集與分離［29－31］。但在其應(yīng)用過(guò)程中，必須要有一定的單分散性、穩(wěn)定性和表面易功能修飾等特性，才能充分展現(xiàn)其卓越的生物相容性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)和DNA的分離。

Zhang等［8］以細(xì)胞色素c和牛血清蛋白為模型生物蛋白分子，采用單分散超順磁性介孔氧化硅微球?qū)ζ溥M(jìn)行磁性分離。結(jié)果表明，由于生物分子空間結(jié)構(gòu)之間存在一定的相互匹配性，因而所合成的介孔磁性微球可以高效分離不同大小的生物蛋白分子。Deng等［32］將制備的磁性介孔氧化硅微球用來(lái)去除廢水中的微囊藻毒素。結(jié)果表明，磁性介孔氧化硅微球能夠迅速地吸附分離大部分的微囊藻毒素。此外，該微球經(jīng)簡(jiǎn)單浸泡之后能夠循環(huán)使用多次，并且其去除率仍然達(dá)到90%。Liu等［33］將Ni改性的核殼磁性介孔氧化硅材料應(yīng)用于組氨酸的分離，能夠有效地選擇和純化大腸桿菌細(xì)胞裂解液中含有的組氨酸蛋白質(zhì)，以及選擇性地從胰蛋白分解液和復(fù)雜的生物樣品中富集低分子質(zhì)量的生物分子。

Chen等［34］先合成磁性二氧化硅微球，再以水相自由基聚合法合成了Fe3O4＠SiO2＠PMMA微球，該微球能有效地吸附多肽類和蛋白質(zhì)分子。Wang等［35］制備了氨基功能化的磁性MCM－41介孔材料，該材料能有效地吸附和分離水溶液中的丹寧酸。Sevilla等［36］制備了一種吸附／固定生物分子的磁性介孔碳材料，該材料具有高效吸附和固定血紅蛋白與溶解酶的能力，血紅蛋白的固定量達(dá)180mg·g－1，而且固定的生物分子（血紅蛋白和溶解酶）具有很好的穩(wěn)定性，固定后的蛋白質(zhì)的次級(jí)結(jié)構(gòu)仍然完整。

2.3 磁熱療

磁熱療（magnetic hyperthermia）是除了手術(shù)、化療、放射療法外，另一種治療癌癥的大有前途的方法［37］。磁熱療法治療腫瘤的機(jī)理是利用腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞之間不同的熱敏感性，當(dāng)磁流體進(jìn)入腫瘤組織后，將外部磁場(chǎng)所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成熱量進(jìn)而殺滅腫瘤細(xì)胞。Jordan等［38］發(fā)現(xiàn)Fe3O4＠SiO2粒子被吞噬至腫瘤細(xì)胞內(nèi)，依然保持著單分散的狀態(tài)，并且在一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度下處理1h，僅有10%的腫瘤細(xì)胞存活下來(lái)，每個(gè)存活的腫瘤細(xì)胞分裂成2個(gè)子細(xì)胞，每個(gè)子細(xì)胞中均含有母細(xì)胞中50%的磁性粒子，所以SiO2修飾過(guò)的磁性納米粒子很適合細(xì)胞的內(nèi)致熱療法。

2.4 固定化酶

酶的固定化是通過(guò)物理或化學(xué)的方法采用固體材料將酶束縛或限制于一定區(qū)域內(nèi)，酶仍能進(jìn)行其特有的催化反應(yīng)、并可回收及重復(fù)利用的技術(shù)。固定化酶不僅保留了游離酶原有的活性及高度選擇性，同時(shí)克服了游離酶催化反應(yīng)不便于連續(xù)化和自動(dòng)化的缺點(diǎn)，因而具有更廣闊的應(yīng)用前景。固定化酶的性能主要取決于固定化方法和所使用的載體材料。隨著科技的發(fā)展，固定化酶的載體材料已從最初的天然高分子材料發(fā)展到合成高分子材料、無(wú)機(jī)材料及復(fù)合材料等。磁性介孔復(fù)合材料固定化酶以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

Liu等［39］采用改進(jìn)溶膠－凝膠法制備出磁性二氧化硅納米粒子，以交聯(lián)法、物理吸附法或離子結(jié)合法固定脂肪酶、漆酶、BSA等蛋白質(zhì)，固載量高，穩(wěn)定性好。Ma等［40］利用γ－氨丙基三乙氧基硅烷和四氧化三鐵磁流體制備氨基修飾的磁性二氧化硅載體并用于固定辣根過(guò)氧化物酶，結(jié)果表明氨基修飾后的磁性二氧化硅固定的辣根過(guò)氧化物酶的量是未修飾氨基的磁性載體的1.4～2倍。Zhu等［41］制備磁性介孔二氧化硅材料，并分別采用物理吸附法和共價(jià)結(jié)合法來(lái)固定漆酶。Wang等［42］制備磁性介孔氧化硅微球固定化漆酶用來(lái)降解苯酚廢水，固定化酶的苯酚降解率明顯高于自由酶，且連續(xù)使用10次后，其對(duì)苯酚的降解率仍有71.3%。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)磁性介孔二氧化硅微球的實(shí)驗(yàn)室制備技術(shù)日趨成熟，雖然國(guó)外已經(jīng)研發(fā)出相關(guān)的產(chǎn)品，但是其價(jià)格昂貴，不適合工業(yè)化，而國(guó)內(nèi)這方面的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室制備階段。磁性介孔二氧化硅微球兼具介孔材料和磁性材料的雙重優(yōu)勢(shì)，在靶向藥物、生物富集分離、磁熱療、固定化酶等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但仍然存在一些亟待解決的問(wèn)題：（1）簡(jiǎn)化磁性載體的生產(chǎn)步驟，降低成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化；（2）既要保證高的磁響應(yīng)強(qiáng)度，又要滿足生物相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用要求；（3）實(shí)現(xiàn)介孔材料的有序可控以及功能化優(yōu)勢(shì)，同時(shí)發(fā)揮磁性介孔材料的特殊性能，以滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。因此，成本低廉、磁響應(yīng)性強(qiáng)、高效穩(wěn)定且表面含有豐富功能基團(tuán)的磁性介孔二氧化硅微球是今后研究的重點(diǎn)方向。

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