磁性納米粒子的表面修飾及實際應(yīng)用的研究進展

郝軍榮 郭星悅 趙寰宇 李 煒

河北北方學(xué)院藥學(xué)系，河北省神經(jīng)藥理學(xué)重點實驗室，張家口，075000，中國

上世紀(jì)60 年代，磁性納米粒子首次出現(xiàn)，因其具有不同于常規(guī)材料的許多獨特效應(yīng)，如量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等，使之有著廣闊的應(yīng)用前景［1］。人工制造的磁性納米顆粒為納米粒子的發(fā)展帶來了新的希望，這一材料的合成以及應(yīng)用也促進了其他領(lǐng)域的發(fā)展。尤其是近幾十年來，磁性納米粒子的發(fā)展越發(fā)的迅速，在生物分離、藥物轉(zhuǎn)運以及磁共振成像［2］等方面的應(yīng)用效果良好。經(jīng)過修飾的磁性納米粒子穩(wěn)定性較高，而且有較高的生物相容性和可降解性，這些特點正是生物制藥中所必須的，所以研究人員將磁性納米粒子應(yīng)用于生物和醫(yī)藥領(lǐng)域。但由于磁性納米粒子的表面效應(yīng)較高，在溶液之中，很有可能會出現(xiàn)聚集反應(yīng)，使得磁性納米粒子的應(yīng)用范圍受到限制。通過對磁性納米粒子進行表面修飾，可以使其磁性狀態(tài)發(fā)生明顯變化。另外，磁性復(fù)合粒子的結(jié)構(gòu)還可以發(fā)生較大的變化，尤其是在分子表面的活性基團方面，基于這個特點，磁性復(fù)合粒子能夠和藥物、抗體等分子進行偶聯(lián)，達到靶向作用于器官、組織或者是腫瘤［3］的效果。據(jù)統(tǒng)計，目前經(jīng)過修飾的磁性納米粒子有許多種，例如Ni、Fe 還有一些合金等，在這些經(jīng)過修飾的磁性納米粒子之中，又以氧化鐵（γ-Fe2O3，F(xiàn)e3O4）磁性材料最為常見［4］。該文主要綜述了磁性納米粒子表面修飾的材料及其相關(guān)應(yīng)用研究的一些新進展。

1 磁性納米粒子的表面修飾

在磁性膠體溶液體系中，磁性納米粒子之間經(jīng)常會存在四種作用力，主要的是范德華力和磁性引力，此外還有空間位阻排斥力和靜電排斥力。前二者作用力的作用主要在于提高納米粒子之間的聚集性，而后兩種作用力的功效主要是在于維持各個納米粒子的穩(wěn)定性。為了促使氧化鐵納米粒子在實際中得到進一步的應(yīng)用，現(xiàn)采用提高氧化鐵納米粒子的穩(wěn)定性的方法，同時向納米粒子中添加一些高密度保護分子，這樣就能夠提升粒子間排斥作用，而這些排斥作用又可以被劃分為單一空間位阻作用力，或者是空間位阻作用力和靜電排斥作用力。通過研究有些學(xué)者發(fā)現(xiàn)，四氧化三鐵的膠體溶液在空氣中容易被一些成分氧化，最終形成γ-Fe2O3粒子，經(jīng)過氧化的粒子在結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生了較大的改變，尤其是粒子的聚集以及沉淀性質(zhì)的改變最大。為了使磁性納米粒子得到更廣泛的應(yīng)用，就需要改變磁性粒子的結(jié)構(gòu)，例如改變納米粒子的表面結(jié)構(gòu)，通過增添基團，提高粒子的水溶性，改善粒子的生物相容性。在對磁性納米粒子進行表面修飾的過程中，考慮到多種因素，可以選擇無機材料、有機小分子材料、有機高分子材料，并可以構(gòu)建一些多功能復(fù)合磁性納米粒子。

1.1 無機材料修飾

在進行磁性納米粒子的修飾過程中，如果是選擇使用無機材料進行表面修飾，就會提高粒子的物理化學(xué)性質(zhì)，進而使單一的磁性納米粒子組合成為核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合粒子。舉個例子來講，利用Au 進行磁性納米粒子的表面修飾，可以較好地發(fā)揮Au 的抗氧化性、生物相容性以及光電特性等優(yōu)勢，從而改善現(xiàn)有的磁性納米粒子的物理學(xué)特性，經(jīng)過Au 進行表面修飾的磁性納米粒子在生物相容性方面明顯改善，這就保證了這一粒子在水溶液當(dāng)中的穩(wěn)定性。陶娟等人就是通過這一原理對磁性納米粒子進行性能的改造［5］，他主要是采用超聲化學(xué)法來進行粒子的表面修飾，最終得到高飽和磁化強度的Fe3O4-Au 納米粒子，一般程序如下：①通常是選擇共沉淀法獲取所需的材料，得Fe3O4核；②通常是選擇3-氨丙基三乙氧基硅烷等物質(zhì)，進而實現(xiàn)Fe3O4分子的表面氨基功能化；③用的較普遍的是超聲化學(xué)法，利用檸檬酸三鈉等物質(zhì)，實現(xiàn)Au3+的還原過程，從而讓納米粒以金殼的形式出現(xiàn)。肖治國等人［6］嘗試采用加熱法，將Au 以及氧化鐵磁性納米粒子聯(lián)合起來，最終以核-殼結(jié)構(gòu)的新形式展現(xiàn)出來。Au 的主要作用是提供一個平臺來固定抗體，然后在外部磁場的作用下，分離出靶標(biāo)蛋白質(zhì)。除了Au，還有另一個較為常用的無機修飾材料SiO2。SiO2主要是在親水性以及生物相容性方面突出，而且無毒，能夠提高粒子的化學(xué)穩(wěn)定性，讓磁性納米粒子能夠用于生物醫(yī)學(xué)之中［7］。除了以上兩種方法，還有反相微乳液法和Stober 法，兩者也是用來形成硅包覆的氧化鐵粒子。主要是利用SiO2表面的硅烷醇基團，通過與硅烷化試劑進行耦合反應(yīng)［8］，在SiO2表面加上-NH2以及-COOH 等集團，提高分子和抗體、蛋白質(zhì)等之間的反應(yīng)性。

1.2 有機小分子材料修飾

一般情況下，具有水溶性以及生物相容性的氧化鐵磁性納米粒子可以被用于生物制藥。這些氧化鐵納米粒子主要是采用兩種方法進行制備的，其一，將有機小分子當(dāng)做納米粒子的分散劑以及穩(wěn)定劑，較常用的有檸檬酸［9］、谷氨酸［10］、葡萄糖酸［11］以及環(huán)糊精［12］等，除此之外，還有一些其他的表面活性劑，常見的有油酸鈉［13］，這些表面活性劑的使用主要是提高磁性納米粒子的水溶性、分散性；其二，使用表面化學(xué)交換法，這一方法會用到大量的配體，常見的有COO-［14］、磷酸根等，這些配體能夠吸附于納米粒子表面，提高粒子的分散性。該方法主要是通過將油溶性的氧化鐵納米粒子轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄裕黾臃肿拥母鞣N功能，形成混合單層修飾的氧化鐵納米粒子。Cheon 等人［16］通過利用高沸點有機溶劑分離Fe（acac）3，以此來取得尺寸明確的單分散納米粒子，通常情況下得到的納米粒子直徑為4 nm 以及6 nm，在此基礎(chǔ)上，再選擇二巰基丁二酸（dimercaptosuccinic acid，DMSA）為配體交換劑，制成水溶液膠體。這類DMSA 修飾的納米晶體穩(wěn)定性較高，無論是在水溶液還是在磷酸緩沖鹽溶液中，都不會凝聚。基于粒子的這一性能，可以將之做成高性能的抗體探針，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如用于磁共振成像診斷乳腺癌細(xì)胞等。

1.3 有機高分子材料修飾

在選擇納米粒子的表面修飾劑時，就需要考慮到所用粒子的生物相容性，利用生物相容性好的材料，能夠明顯提高納米粒子的穩(wěn)定性能，提高粒子的實際利用價值［17］，按照來源可以將這些高分子有機材料分為天然材料和人工合成材料。天然材料多半是氨基酸類聚合物，如白明膠以及多肽等［18～19］，除此之外，還有一些多糖類聚合物也是天然材料，如葡聚糖以及藻酸鹽等［20～21］。而使用頻率較高的合成有機高分子材料也有許多，如聚甲基丙烯酸、聚乙二醇［22］、聚乙烯醇［23］、聚乙烯吡咯烷酮［24］、聚丙烯酸［25］、聚乳酸［26］還有聚N-異丙基丙烯酰［27］等，這些合成高分子能夠被用于工程以及制藥中。除此之外，還可以通過原位法以及合成后包覆法來形成有機高分子磁性粒子，前者是通過聚合物包覆形成，后者先是按要求制備磁性納米粒子，再選擇合適的表面覆蓋物質(zhì)，進而進行兩類化合物的嫁接，一般情況下可以分為四類：即核-殼型、反核殼式、夾心型以及鑲嵌型，這些類型的復(fù)合粒子由于粒子表面具有不同成分，因此，最終獲得的復(fù)合粒子除了具有粒子本身的特性，還具有粒子表面復(fù)合物的某些特性。

2 多功能磁性復(fù)合納米粒子的構(gòu)建及應(yīng)用

實際使用價值較高的復(fù)合磁性粒子，它具有多種功能，例如在磁共振成像以及光學(xué)成像技術(shù)中就得以廣泛應(yīng)用，相較于其他類似物質(zhì)，納米粒子的使用提高了技術(shù)的準(zhǔn)確性，有利于疾病的診斷。盡管如此，這兩項技術(shù)還存在明顯的局限性，以致于這兩項技術(shù)的使用不能滿足需求。為了解決單一模式存在的不足，現(xiàn)在推行多模式成像方法的研究，多模式成像法可以被應(yīng)用于生物醫(yī)藥研究中和臨床的相關(guān)治療之中。在最近幾年的時間里，有些科學(xué)家通過將熒光染料、磁共振造影增強劑等物質(zhì)與單一磁性粒子復(fù)合，從而獲得熒光-磁性雙功能的復(fù)合納米粒子，這些進步對生物、醫(yī)藥領(lǐng)域來說無疑是個好消息。經(jīng)過整理分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的熒光-磁性納米復(fù)合物共八種：①采用某些化學(xué)物質(zhì)，例如熒光物質(zhì)的硅殼等，使粒子的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變；②采用化學(xué)物質(zhì)，例如熒光物質(zhì)等，實現(xiàn)粒子功能的改變；③適當(dāng)應(yīng)用一些帶電荷的熒光化合物，以此來增加磁性粒子的穩(wěn)定性能；④利用熒光標(biāo)記的脂質(zhì)雙層材料進行表面修飾；⑤利用空間間隔試劑，形成共價結(jié)合熒光物質(zhì)復(fù)合分子；⑥將半導(dǎo)體殼進行粒子表面修飾；⑦磁性摻雜量子點（quantum dots，QDs）；⑧將磁性納米粒子和量子點進行聚合修飾。除此之外，部分科學(xué)家嘗試綜合熒光、熱敏感以及磁響應(yīng)功能等，形成多功能的磁性微球。Wang 等人［28］嘗試將熱敏性聚N-異丙基丙烯酰作為表面修飾劑在Fe3O4·SiO2納米粒子進行修飾，同時將NaOH 作刻蝕劑，最終制成N-異丙基丙烯酰微膠囊，在此基礎(chǔ)上，氧化鐵磁粒再進行表面氨基化，在合適的溫度下，將異硫氰酸熒光素（flurescein isothiocynate，F(xiàn)ITC）共價結(jié)合于磁性納米粒子，最終獲得的磁性微球具有熒光特性、熱敏性以及磁響應(yīng)等特性。

2.1 在環(huán)境分離中的應(yīng)用

近些年，磁性粒子以其特有的優(yōu)勢成功應(yīng)用于分離、去除重金屬離子工程中，經(jīng)過化學(xué)修飾的磁性粒子還能夠用來分離染料以及環(huán)境毒素等，磁性粒子的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。在磁粒表面覆蓋結(jié)合位點，然后再利用吸附或者是離子交換法等來進行物質(zhì)的分離。例如，利用聚（1-乙烯咪唑）的硅烷化試劑來進行修飾，能夠分離出金屬離子Cu2+還有Co2+［29］。一些通過聚甲基丙烯酸甲酯來修飾的磁性微球，在和乙二胺作用后，能夠用作磁性離子交換螯合劑，有吸附毒素粒子的功效［30］。一些科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這一磁性微粒吸附毒素的能力依次為：Cu（II）＞Pb（II）＞Cd（II）［31］。通過實驗發(fā)現(xiàn)，利用聚丙烯酸進行Fe3O4復(fù)合納米粒子覆蓋，形成的復(fù)合物能夠起到分離水中亞甲基藍染料的作用［32］。

2.2 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

從70 年代開始，一些科學(xué)家嘗試將磁性分離聯(lián)合應(yīng)用于生物技術(shù)之中［33］，并通過磁性分離實現(xiàn)了較高的效率和靈敏性。在最近的幾十年里，磁性納米粒子對于生物活性物質(zhì)的處理及用于疾病的診斷方面的效果顯著［34］，期待并且相信今后會有更廣泛的應(yīng)用。Xu 等人［35］嘗試?yán)萌f古霉素進行粒子的修飾，在粒子表面選擇性吸附革蘭氏陽性病原體。還有研究使用基質(zhì)輔助激光技術(shù)，來進行金黃色葡萄球菌以及上皮葡萄球菌的檢測，這一方法能夠在1 h 之內(nèi)，就捕獲出大量的細(xì)菌細(xì)胞，并且這些細(xì)菌細(xì)胞濃度要求低于102 cfu·mL-1［36］。如果選擇制成萬古霉素-磁性納米復(fù)合粒子，在混合溶液之中，再利用外部磁場吸附細(xì)菌，這種監(jiān)測方法能夠?qū)崿F(xiàn)較高的檢測率。Chen 等人［37］嘗試IgG 和Fe3O4納米粒子結(jié)合，這一復(fù)合粒子能夠作為親和探針，用于濃縮樣品的選擇性分離，在實際生活中，還可以用來檢測水樣以及尿樣中的存在的低濃度葡萄球菌或者是金黃色葡萄球菌。在近幾年的時間里，有人嘗試用熒光-磁粒（MNP-SiO2（RITC/FITC）來進行細(xì)胞的標(biāo)記工作［38］，還利用“磁馬達效應(yīng)”來實現(xiàn)對磁性納米粒子的方向的控制，最終能夠分選出目的細(xì)胞。這一作用機制主要是制作異硫氰酸丹明B（或FITC）的硅殼，以此來覆蓋原有的磁性納米粒子，在這一基礎(chǔ)上，再進行細(xì)胞的修飾工作，以獲取目標(biāo)的生物相容性聚乙二醇，這樣的方式制作的磁性粒子主要用于標(biāo)記乳癌細(xì)胞（MCF-7），在臨床上用來治療乳腺癌。通過使用了熒光顯微，能夠明顯看到在外部磁場作用下，結(jié)合了磁性納米顆粒（magnetic nanoparticles，MNPs）的細(xì)胞移動情況。

2.3 在基因分離中的應(yīng)用

磁性納米粒子能夠起到高分離效能，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，被用作基因分子運載器。因此，磁性納米粒子能夠用于部分DNA/mRNA 的分離、富集，也能在基因表達等方面起到相關(guān)的應(yīng)用。Tan 等人通過人工合成法合成一個基因磁性納米捕獲劑（genomagnetic nanocapturer，GMNC），這一磁性納米捕獲劑能夠用于富集、分離以及檢測DNA/mRNA 分子［39］。一般來說，GMNC 的組成部分包括磁性核，硅殼包覆以及生物素-抗生物素分子等物質(zhì)。通過部分實驗發(fā)現(xiàn)，GMNC 能夠?qū)崿F(xiàn)較高富集效率，能夠用于收集DNA/mRNA 樣品，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)實時的在線檢測［40］。其他科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，將磁性硅膠微球作為載體，再添加一些基團，能夠?qū)崿F(xiàn)磁性硅膠微粒性能的改變，一些微粒能夠做到對DNA 的吸附以及脫附，主要用于對玉米DNA 的提取。通過對比實驗發(fā)現(xiàn)，將硅醇基覆蓋于微粒表面，能夠回收DNA，而且能夠?qū)崿F(xiàn)較高的DNA 提取純度［41］。通過這種方法，可以保證DNA 提取方法的便利以及效率，這一方法能夠用來進行大規(guī)模植物基因組DNA 的制備。

2.4 在醫(yī)學(xué)影像技術(shù)方面的應(yīng)用

由于磁性納米粒子的特殊性能，在醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)中又被用作造影劑，所以磁性納米粒子在核磁共振成像中發(fā)揮著重要的作用。Ohno 等［42］使用親水性磁性聚合物刷制備磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）造影劑。部分學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，通過聚合產(chǎn)生的磁性納米粒能夠在腫瘤組織中停留較長時間，且被血液系統(tǒng)完全清除所需要的時間也更長。鑒于磁性納米粒的滲透性以及滯留性較強，部分學(xué)者利用磁性復(fù)合納米粒這一特點，再添加一些熒光物質(zhì)，將之用于影像學(xué)成像技術(shù)中，在這一領(lǐng)域開發(fā)磁性納米粒的價值。

3 展望

經(jīng)過表面修飾的磁性納米粒子在功能方面明顯改善，能夠適用于環(huán)境分離以及生物醫(yī)藥制藥等領(lǐng)域。到現(xiàn)在為止，存在幾個方面的難題亟待解決：首先是納米粒子的穩(wěn)定性一般，需要提高；其次是怎樣利用傳統(tǒng)的檢測分析法來檢測已合成的磁性粒子，提高這些粒子在生物醫(yī)學(xué)以及環(huán)境監(jiān)測等方面的利用；最后是怎樣提高對于靈敏度目標(biāo)的監(jiān)測力度。未來的研究工作將朝向這幾個方面進行探索，以提高磁性氧化鐵納米粒子的利用率。