超順磁性Fe3O4納米粒子化學(xué)合成及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進(jìn)展

宋新峰，孫漢文，吳靜，劉曉迪，馬真杰，莊婷婷

(德州學(xué)院醫(yī)藥與護(hù)理學(xué)院山東省新型藥用輔料與緩控釋制劑工程實(shí)驗(yàn)室，山東德州 253023)

在磁性納米材料中，磁性四氧化三鐵(Fe3O4)納米粒子最具有應(yīng)用前景。超順磁性Fe3O4納米粒子具有超順磁性、良好生物相容性、低毒性及在外加磁場作用于下進(jìn)行定向移動、產(chǎn)生自旋并產(chǎn)熱等特性，因此在蛋白質(zhì)和核酸分離、細(xì)胞標(biāo)識和純化、藥物傳遞和靶向釋放、腫瘤熱治療、核磁共振成像等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注［1-3］。Fe3O4納米粒子的性能及應(yīng)用，在很大程度上依賴于其結(jié)晶度、尺寸和形貌等品質(zhì)，尤其是納米粒子的尺寸效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)［4］，直徑10 ～200 nm 納米粒子能明顯延緩在血液循環(huán)中的半衰期，贏得到達(dá)靶向組織的時(shí)間;但是，大于200 nm 顆粒，容易被巨噬細(xì)胞吞噬，被肝、脾等清除;1 ～10 nm 納米粒子雖可逃脫巨噬細(xì)胞吞噬，但易被腎臟清除體外。本文討論了目前比較常用的化學(xué)合成方法對Fe3O4納米粒子性能的影響，并且比較了各種方法的優(yōu)劣，在此基礎(chǔ)上，概述了Fe3O4納米粒子在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，以期獲得對Fe3O4納米粒子制備方法和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的全面了解。

1 超順磁性Fe3 O4 納米粒子的化學(xué)合成方法

制備磁性Fe3O4納米粒子的方法，主要包括:物理方法、化學(xué)方法和生物方法。與其它兩種方法相比，化學(xué)合成法因在一定程度上能有效控制Fe3O4納米粒子尺寸、形狀、分散性、結(jié)晶度和磁學(xué)性能，所以往往被作為首選(如圖1 所示)，特別是其中的共沉淀法、水熱法、微乳液法、高溫分解法和溶膠-凝膠法應(yīng)用最為廣泛［5］。

圖1 磁性Fe3O4納米粒子物理、化學(xué)和生物制備方法比較［5］Fig.1 A comparison of published work on the synthesis of Fe3O4 nanoparticles by three different routes［5］

1.1 共沉淀法

共沉淀法是制備Fe3O4納米粒子最為常用和最為經(jīng)典的方法之一，其基本反應(yīng)原理為:Fe2++2Fe3++ 8OH－→Fe3O4+ 4H2O，先是形成晶核，然后是晶體成長。合理的控制反應(yīng)條件，能有效調(diào)節(jié)Fe3O4納米粒子的尺寸和形貌。

根據(jù)加料順序不同，共沉淀法又分為正向共沉淀法和反向共沉淀法。其中，正向共沉淀法由Massart 等［6］首先提出，一般是把堿液(常用氨水或者氫氧化鈉溶液)加入到鐵鹽溶液中;而反向共沉淀法則正好相反，是把鐵鹽溶液加入到堿沉淀劑溶液中。比較兩種制備方法，正向沉淀法制備得到的Fe3O4納米粒子主要為球形結(jié)構(gòu)，粒子大小均勻;而由反向共沉淀法得到的Fe3O4納米粒子的外形很不規(guī)則，包含從球形到立方體之間的多種形態(tài)的粒子，且粒徑分布較寬。

一般制備納米級10 ～30 nm 的磁性納米粒子多采用正向共沉淀法，這是目前比較常用的方法，其中，F(xiàn)e2+/Fe3+的摩爾比、pH 值以及反應(yīng)溫度等因素影響納米顆粒的尺寸、形貌和數(shù)量。南京理工大學(xué)秦潤華等［7］，考察了Fe2+和Fe3+溶液濃度、沉淀劑的濃度、Fe2+/Fe3+/OH－、溫度及攪拌速度等因素對產(chǎn)物Fe3O4納米粒子粒徑及性能的影響，得出在鐵鹽溶液濃度為0.5 mol/L，沉淀劑溶液濃度0.25 mol/L，F(xiàn)e2+/Fe3+/OH－=1∶1∶6，反應(yīng)溫度為30 ℃，攪拌速度為1 000 r/min 的條件下，能制得粒徑在20 nm以內(nèi)的球形Fe3O4納米粒子。而對于共沉淀法制備后的Fe3O4納米粒子的聚沉問題，通過在溶液中添加聚乙二醇(PEG)、吐溫-80 等表面活性劑起到了防止粒子間團(tuán)聚的作用。

此法的優(yōu)點(diǎn)在于制備簡單，材料便宜，但由于以水溶液作為反應(yīng)體系，高溫提升有限，以及反應(yīng)動力不足，因此很難有效控制Fe3O4納米顆粒的形貌、粒徑大小和高的結(jié)晶度，難以獲得高品質(zhì)的Fe3O4納米粒子用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

1.2 水熱法

19 世紀(jì)中葉地質(zhì)學(xué)家模擬自然界成礦作用首先提出了水熱法合成磁性納米粒子的技術(shù)，其基本反應(yīng)原理是:溶解-再結(jié)晶機(jī)理，是指在高溫、高壓條件下，以水溶液或者水蒸氣為溶劑，在密閉的反應(yīng)釜中成核結(jié)晶生成磁性納米粒子。

反應(yīng)中，原料用量、溶液pH 值、反應(yīng)溫度、壓力及時(shí)間等均可影響Fe3O4納米粒子的粒徑大小及形貌。Mizutani 等［8］發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時(shí)間越長Fe3O4納米粒子的粒徑越大，反應(yīng)溫度越高，F(xiàn)e3O4納米粒子的粒徑越小。Dongd 等［9］研究發(fā)現(xiàn)通過改變反應(yīng)原料和反應(yīng)條件，能合成除了圓形之外的菱形、棱狀、餅狀、線性等不同形貌的Fe3O4納米粒子。

和共沉淀法相比，水熱法具有原料投入低、產(chǎn)量高、純度好等優(yōu)點(diǎn)，并且制得Fe3O4納米粒子結(jié)晶良好。但是此法對設(shè)備要求和反應(yīng)要求都較高，并且存在一般的加熱方式不能使反應(yīng)中的溶液溫度均勻分布，導(dǎo)致不同區(qū)域的液體中產(chǎn)物的“成核”時(shí)間不同，致使產(chǎn)物粒子的分布不集中的缺點(diǎn)，限制了其廣泛的應(yīng)用。

1.3 微乳液法

微乳液法是利用了瞬時(shí)負(fù)界面張力機(jī)理，將兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液，在微泡中經(jīng)成核、聚結(jié)、團(tuán)聚、熱處理后得到納米粒子。

周孫英等［10］利用反相微乳液法將一定濃度Fe-SO4和FeCl3混勻，在一定條件下通入N2制備出了分散窄、粒徑小于100 nm、穩(wěn)定性好的磁性納米Fe3O4顆粒。微乳液法由于使用了表面活性劑能使粒子表面鈍化，從而能防止納米粒子之間的團(tuán)聚，提高它們的分散性。趙增寶等［11］利用微乳液法以甲苯作為油相，鐵離子溶液和NaOH 水溶液為水相，在此基礎(chǔ)上添加了十二烷基苯環(huán)酸鈉作為表面活性劑，制備出穩(wěn)定性高的磁性Fe3O4納米顆粒。另外，研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)表面活性劑的種類與用量還可有效控制Fe3O4納米粒子尺寸大小。

但是，此法制備的磁性粒子的提純過程比較復(fù)雜，產(chǎn)率也比較低;并且制備的納米粒子表面含有疏水基團(tuán)，通常只能在有機(jī)溶劑中溶解;而且，使用大量的表面活性劑，使產(chǎn)物含有大量雜質(zhì)，由于這些原因，使得此法制備的Fe3O4納米顆粒不適合直接在生物醫(yī)學(xué)方面進(jìn)行應(yīng)用。

1.4 溶膠-凝膠法

此法是將金屬醇鹽或無機(jī)鹽水解形成溶膠，經(jīng)脫水凝膠化，再將凝膠干燥和焙燒得到納米材料的方法。反應(yīng)過程一般為:將其前體首先轉(zhuǎn)變成納米粒子，形成膠體懸浮液或溶膠，再形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，凝膠網(wǎng)絡(luò)可以用不同的方法處理，以得到納米顆粒、纖維、薄膜等不同形貌的產(chǎn)物。

此法制得的Fe3O4納米粒子結(jié)構(gòu)和性能與反應(yīng)的溫度、時(shí)間、溶液的濃度和pH 值有關(guān)。李志慧等［12］利用溶膠-凝膠法，通過控制反應(yīng)溫度，獲得粒徑8.0 ～15.5 nm 的Fe3O4納米顆粒。除了制備納米粒子，采用溶膠-凝膠法還可以方便的制備磁性納米薄膜。Ali 等［13］通過對溶膠-凝膠法的優(yōu)化及系統(tǒng)的表征，得到可調(diào)控厚度的超順磁性Fe3O4顆粒薄膜。

溶膠-凝膠法的優(yōu)點(diǎn)是對溫度的要求低，節(jié)省能源;制得的顆粒粒徑尺寸窄，分布均勻，產(chǎn)物純度較高。但該法采用的原料大多為有機(jī)物，成本高，有害身體健康，制備時(shí)間長等。然而因溶膠-凝膠法制備溫度低且純度高、粒徑分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)方法相比，并可制備其不能或難以制得的產(chǎn)物，得到了廣泛的應(yīng)用。

1.5 高溫分解法

高溫分解法是指在高沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑中加熱有機(jī)金屬化合物制備磁性納米粒子的一種方法。此法能有效控制Fe3O4納米粒子的粒徑大小和形貌，近年被認(rèn)為是制備應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)高品質(zhì)的Fe3O4納米粒子的最佳方法。

目前已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道利用五羰基鐵［Fe-(CO)5］、Fe(acac)3、油酸鐵等有機(jī)鐵前體，通過高溫分解法制備磁性Fe3O4納米粒子。Cheon 等［14］在不加其它氧化劑的條件下，將Fe(CO)5直接在含有十二胺(DDA)的鄰二氯代苯中加熱分解得到了γ-Fe2O3納米粒子，通過改變回流時(shí)間和己二酸二癸酯(DDA)用量，分別得到了球形、三角形、六角形和菱形的納米粒子，實(shí)現(xiàn)了對所得納米粒子形狀的控制。Sun 研究小組［15］以Fe(acac)3作鐵前體，油胺和油酸為穩(wěn)定劑，1，2-十六二元醇作還原劑，在苯醚或者芐醚中合成了具有高度單分散性的4 nm 或6 nm Fe3O4納米粒子。

高溫分解法制備的磁性納米粒子具有粒徑大小可控，分布較窄，分散性較好等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于具有較高的溫度，因此能獲得的高結(jié)晶度和高飽和磁矩的Fe3O4納米粒子。但是這種方法制備的磁性納米粒子屬于疏水性納米粒子，限制了它們在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上的應(yīng)用。

表1 制備磁性Fe3O4納米粒子常用的五種化學(xué)合成法比較Table 1 Several chemical preparation methods of the superparamagnetic iron oxide

表1 對以上制備磁性Fe3O4納米粒子常用的5種化學(xué)合成法進(jìn)行了比較，可以看出每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，要綜合考慮制備條件和產(chǎn)物要求，選擇合適的方法。其它Fe3O4納米粒子的合成方法，因?yàn)榇嬖谥苽錀l件苛刻、過程繁瑣、制備費(fèi)用高，不能放大生產(chǎn)，產(chǎn)物不適合生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等問題，導(dǎo)致使用較少。但總體比較而言，采用高溫分解法制備的Fe3O4納米粒子在粒徑尺寸可控性、分散性、產(chǎn)率以及穩(wěn)定性方面有比較明顯的優(yōu)勢。但由于水溶性問題，使它們在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面受到了很大的限制。因此，對磁性Fe3O4納米粒子進(jìn)行進(jìn)一步的表面修飾和改性成為擴(kuò)大其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。

2 磁性Fe3 O4 納米粒子在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

在水溶液中的Fe3O4裸粒子極易被氧化和發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致Fe3O4納米粒子特有的超順磁學(xué)性能喪失，在應(yīng)用到生物體內(nèi)之后容易被巨噬細(xì)胞吞噬而清除;另外，有的化學(xué)制備方法獲得的Fe3O4納米粒子因?yàn)楸砻婧写罅坑袡C(jī)溶劑，也不適合直接在生物體內(nèi)使用。因此，對磁性Fe3O4納米粒子進(jìn)行表面修飾和改性成為擴(kuò)大其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。目前，常用的表面修飾材料可歸納為3 種，其一為有機(jī)小分子材料，如硅烷偶聯(lián)劑、表面活性劑及油酸等，其二為無機(jī)納米材料如SiO2、Au、Ag 等，其三為殼聚糖、多巴胺等高分子聚合物［16-17］等。上述的表面修飾技術(shù)，一方面保護(hù)了納米顆粒核心Fe3O4粒子免受侵蝕，另一方面為Fe3O4粒子的特殊應(yīng)用賦予了如親水性、生物相容性、靶向性等新的物理、化學(xué)和生物學(xué)功能，擴(kuò)大了其在核磁共振成像、生物材料的磁性分離、磁靶向給藥等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍。

2.1 核磁共振成像(MRI)造影劑

現(xiàn)在臨床上常用的磁共振造影劑是釓噴替酸葡甲胺(Gd-DTPA)，是一種順磁性物質(zhì)，屬于T1造影劑，用于全身MRI 增強(qiáng)掃描，但缺點(diǎn)在于注射后在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間較短，不利于觀察，價(jià)格也比較昂貴。

磁性Fe3O4納米粒子因其特有的磁靶向性、組織特異性、血液半衰期長以及生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)而逐漸得到醫(yī)學(xué)界的重視成為新型造影劑。超順磁性氧化鐵納米粒子(superpara-magnetic iron oxide particles，SPIONs)作為T2造影劑典型代表已經(jīng)應(yīng)用于臨床多年，作為一種超順磁性物質(zhì)，主要作用是改變核磁共振的R2馳豫，縮短T2時(shí)間，減弱T2加權(quán)信號。美國AMAG 制藥公司的核磁共振成像劑Ferumox-ide/AMI-25，能利用病變肝臟和健康肝臟對SPIONs 不同的吞噬能力來進(jìn)行成像對比發(fā)現(xiàn)［18］:健康肝臟內(nèi)的巨噬細(xì)胞(Kupffer cells)由于吞噬較多的Fe3O4納米粒子，在T2加強(qiáng)共振成像中健康的肝臟會變暗;而病變肝臟，如肝癌細(xì)胞(hepatocellular carcinoma，HCC)不具備吞噬能力，會使肝臟病變部位變亮而檢測出。

Hong Yang 等［19］用Fe3O4納米粒子表面接上釓來制得一種T1和T2雙模作用造影劑，這種造影劑的出現(xiàn)，使Fe3O4納米粒子的應(yīng)用范圍更加拓寬，使核磁共振造影劑的研究又往前邁了一大步。近年來，研究人員在對Fe3O4納米粒子表面修飾的基礎(chǔ)上，耦合上腫瘤細(xì)胞富余表達(dá)的腫瘤標(biāo)記物的抗體或配體，諸如葉酸、精氨酸、甘氨酸和天冬氨酸環(huán)肽［c(RGDyK)］，尼妥珠單抗(Nimotuzum ab)等生物大分子，這賦予了磁性氧化鐵納米粒子磁共振造影劑對腫瘤細(xì)胞的靶向性能，更有益于臨床檢測出早期腫瘤。

2.2 生物材料的磁性分離

在生物樣品混合物的分離上磁性Fe3O4納米粒子也具有重要的應(yīng)用。它主要是借助Fe3O4納米粒子表面積大，易于化學(xué)修飾的特點(diǎn)，以磁性納米粒子為載體，將配體如多肽、抗體、受體等結(jié)合在粒子表面，利用分子之間特異性結(jié)合的作用將特定的抗原、細(xì)胞或者蛋白質(zhì)結(jié)合，然后借助外界磁場作用將與磁性納米粒子結(jié)合的目標(biāo)樣品從混合物中分離出來。這種方法能做到的快速分離、操作簡單且可以重復(fù)使用，不影響生物樣品活性，所以在核酸分離、蛋白純化以及細(xì)胞分類方面都有廣泛的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，在早期腫瘤被檢測到之前，可在病人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)循環(huán)腫瘤細(xì)胞(circulatingtumorcells，CTCs)［20］。Xu等［21］將制得的氧化鐵磁性納米粒子經(jīng)過聚合物表面修飾后結(jié)合上抗體(anti-HER2)，得到粒徑30 nm的磁性納米粒子(IO-Ab)，成功將1 mL 新鮮人血液中73.6%的高表達(dá)HER2 的人乳腺癌細(xì)胞SK-BR3分離出來。如果將來能把這種技術(shù)擴(kuò)大到臨床早期癌癥病人的篩查之中，將具有重要的實(shí)際意義。

2.3 磁靶向給藥

磁靶向給藥系統(tǒng)(Magnetic Targeted Drug Delivery System，MTDDS)是近年來出現(xiàn)的一種新型靶向給藥體系，目前已經(jīng)在腫瘤治療中應(yīng)用于臨床實(shí)驗(yàn)。MTDDS 是把載藥磁納米粒子經(jīng)靜脈注射后，在外加磁場的引導(dǎo)作用下，載藥磁性納米粒子攜帶藥物到達(dá)靶向病變部位，集中緩慢釋放藥物，達(dá)到治療目的。

Yang 等［22］在化學(xué)共沉淀法合成Fe3O4納米粒子的基礎(chǔ)上制備了pH 值敏感的磁性氧化石墨烯(CO-Fe3O4)靶向藥物傳遞載體，可將抗癌藥物阿霉素成功進(jìn)行磁靶向傳輸。臺灣國立清華大學(xué)Chiang等［23］，利用復(fù)乳液方法成功制備出以阿霉素的水溶液為核心以包裹氧化鐵納米粒子的聚乳酸羥基乙酸(PLGA)為殼壁的磁性載藥微球，并巧妙的利用了Fe3O4納米粒子自旋產(chǎn)熱，使得微球PLGA 殼壁發(fā)生相變而變得疏松，核心阿霉素得以釋放，賦予了磁性載藥微球的智能化釋放，這為智能化載藥的研發(fā)提供了新思路。不久的將來，MTDDS 有望作為一種新型靶向給藥體系出現(xiàn)于臨床實(shí)踐中。

2.4 磁熱療

磁熱療法是通過變化磁場引起暴露在磁場中的組織發(fā)生溫度升高的一種治療方法。普通的熱療只適用于淺表腫瘤的熱療，但是磁熱療可適用于深部腫瘤的熱療。磁性納米復(fù)合物能在交變的磁場作用下吸收磁場的能量產(chǎn)生熱能，可以使腫瘤部位的溫度上升至41 ～46 ℃。而腫瘤組織細(xì)胞對42 ～45 ℃的高溫比正常組織細(xì)胞更加敏感，容易因過熱而死亡。

在外加磁場作用下，磁性Fe3O4納米粒子具有自旋而產(chǎn)熱的特性。借助這一特性，Sonvico 等［24］將磁性Fe3O4納米粒子引入腫瘤組織，在獲得核磁共振造影成像的同時(shí)，利用外在磁場的變化，使腫瘤組織局部溫度升高而獲得殺滅腫瘤細(xì)胞的效果。Li等［25］進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，不同粒徑的磁性納米顆粒及不同的外加交變磁場的功率影響熱療效率，在強(qiáng)度為300 Oe，頻率為1 000 Hz 的交變磁場下，粒徑為24 nm 的磁性Fe3O4納米顆粒具有最高的熱療效率。設(shè)想，如果將抗腫瘤藥物和磁性Fe3O4納米粒子結(jié)合在一起，將會得到更好的腫瘤治療效果。

3 結(jié)束語

近些年來，磁性氧化鐵納米粒子的出現(xiàn)為材料研發(fā)的基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用提供了新的研究平臺，為解決納米材料的生物醫(yī)用應(yīng)用提供了更多的選擇手段。然而，磁性氧化鐵納米粒子的合成和應(yīng)用中還存在很多問題，如磁性氧化鐵納米粒子的粒徑有效控制問題、長期保存的團(tuán)聚和氧化問題，以及磁性氧化鐵納米粒子的長期慢性毒性效應(yīng)問題等，這些問題尚未得到徹底解決，但是，相信通過多學(xué)科領(lǐng)域的合作研究，磁性氧化鐵納米粒子研發(fā)中存在的問題將會逐漸解決，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將更為廣闊。

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