金納米粒子的制備及其在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用*

趙運(yùn)雙，周 亮，舒 婷

(湖北科技學(xué)院藥學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

金納米粒子(AuNPs)是一種新型的無機(jī)納米材料。GNPs與一般無機(jī)納米材料相比，除了具有粒徑與形態(tài)可控、比表面積大等優(yōu)勢(shì)外，還具有獨(dú)特的光、電、磁等性質(zhì)，如表面等離子共振特性、熒光特性、電化學(xué)特性、超分子與分子識(shí)別特性等。因此，GNPs受到了國內(nèi)外學(xué)者的持續(xù)關(guān)注，在化學(xué)、光學(xué)、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-3]。此外，AuNPs核的生物相容性高，它與生物分子在大小上有相似之處，其表面設(shè)計(jì)具有巨大的化學(xué)靈活性，作為一種非常重要的納米級(jí)生物技術(shù)工具，GNPs在生物醫(yī)藥方面也有重要應(yīng)用。我們主要總結(jié)了AuNPs的合成方法，同時(shí)介紹了其在生物醫(yī)藥中檢測(cè)、治療及成像三個(gè)方面的研究進(jìn)展。

1 AuNPs的合成方法

AuNPs的合成方法有多種[4-8]，主要分為物理法和化學(xué)法，目前廣泛應(yīng)用的是化學(xué)法，主要有:氧化還原法、相轉(zhuǎn)移法、晶種法、電化學(xué)方法。

1.1 氧化還原法

還原法通常是在含有Au3+的溶液中加入不同種類的還原劑，使Au3+被還原而聚集成直徑為納米級(jí)的金粒子。常用的還原劑有檸檬酸鈉、硼氫化鈉、草酸鈉、茴香胺、抗壞血酸、白磷、乙醇、過氧化氫、聚環(huán)乙亞胺、聚乙二醇及聚乙烯吡咯烷酮等。Turkevich 等[9]提出的檸檬酸鈉法是應(yīng)用較早的一種合成方法，此后Frens等[10]對(duì)檸檬酸鈉法進(jìn)行了改進(jìn)，通過提高氯金酸的濃度和改變檸檬酸鈉(SC)的用量得到了16～80nm、單分散性良好的GNPs。傅宇虹等[11]根據(jù)Kumar提出的Frens反應(yīng)機(jī)理提出了新的觀點(diǎn)，當(dāng)合成AuNPs在30nm以上，檸檬酸鈉與氯金酸的摩爾比小于1.6時(shí)，合成的AuNPs的重復(fù)性、穩(wěn)定性及單分散性大大降低，因此，該方法適用于小粒徑納米金的合成。檸檬酸鈉還原氯金酸制備GNPs的方法簡(jiǎn)單，易于合成，穩(wěn)定性更高，此外，檸檬酸根可被與GNPs作用更強(qiáng)的配體取代(例如巰基化合物)從而制備各種功能化的GNPs。目前，Turkevitch-Frens方法仍然作為一種基礎(chǔ)的制備方法被廣泛采用。

傳統(tǒng)還原劑對(duì)環(huán)境有一定的污染，隨著納米合成技術(shù)的日益成熟，利用還原性單糖、氨基酸、綠原酸等來實(shí)現(xiàn)GNPs的綠色合成已被研究。如關(guān)樺楠等[12]用玉米芽胚油成功制備了50nm左右的GNPs，Khan等[13]采用了一鍋法的合成路線，將龍眼果汁作為還原、封頂和穩(wěn)定劑合成了平均尺寸為25nm的GNPs。

1.2 相轉(zhuǎn)移法

在單一有機(jī)溶劑中制備的AuNPs尺寸分布范圍窄、結(jié)構(gòu)有序、單分散性及穩(wěn)定性好，但大部分金屬鹽在有機(jī)溶劑中溶解度較低，原料的選擇范圍受到了限制；在水溶液中合成AuNPs，可以選擇廉價(jià)易得的金屬原料，但AuNPs在水中的相互作用強(qiáng)，穩(wěn)定性較差。相轉(zhuǎn)移法結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。

相轉(zhuǎn)移法制備方法主要有兩種，一是金屬離子相轉(zhuǎn)移法，如Brust等[14]首先將水溶液中的氯金酸鹽離子在四辛基溴化銨的包裹下轉(zhuǎn)移到含有烷基硫醇的甲苯體系中，然后在有機(jī)溶劑中加入還原劑，得到了單分散性非常好的5～30nm的AuNPs。二是AuNPs相轉(zhuǎn)移法，Sarathy等[15]在Au鹽溶液中由酸催化得到1～10nm金粒子超結(jié)構(gòu)，再使其轉(zhuǎn)移到含硫醇的甲苯中穩(wěn)定存在。

利用相轉(zhuǎn)移制備法能夠控制合成出外觀不同、分散性較好、尺度不同的AuNPs，但相轉(zhuǎn)移法工藝多、有機(jī)溶劑消耗較多，因此，在回收等方面還需進(jìn)一步改進(jìn)。

1.3 晶種法

晶種法容易得到不同形狀、尺寸可控且均一的AuNPs。該方法分為兩步：第一步采用強(qiáng)還原劑使Au3+還原成小的金粒子作為晶種；第二步在另一份含有 Au3+的溶液中，用較弱的還原劑使Au3+還原為Au+，再與晶種溶液混合，Au+在已經(jīng)形成的晶種上被進(jìn)一步還原為金粒子。蔣思文等[16]以氯金酸為原料，抗壞血酸為還原劑，檸檬酸鈉為保護(hù)劑，用晶種法制備了16～150nm不同粒徑、超均勻的球形AuNPs溶膠。鄒敏等[17]以陽離子型吡咯烷兩親分子(CmCsCmPB)為穩(wěn)定劑，用晶種法研究了表面活性劑疏水尾鏈和間隔基團(tuán)長度對(duì)納米金形貌的影響，成功制備出了單分散性較好、長徑比為9.6的金納米棒。

目前關(guān)于晶種法的研究還存在很多亟待解決的問題，如方法的重現(xiàn)性不好控制，有時(shí)目標(biāo)產(chǎn)物的含量較低，形狀控制機(jī)理的研究有待進(jìn)一步深入研究等。

1.4 電化學(xué)法

電化學(xué)方法具有簡(jiǎn)單、環(huán)保、無污染等特點(diǎn)，是合成納米材料的一種有效方法。電化學(xué)合成過程中溶液產(chǎn)生的自由電子為還原過程提供了保證。Liu等[18]通過將金前體(HAuCl4)添加到聚(N-乙烯基吡咯烷酮)(PVP)和KNO3的電解水溶液中制備了不同形狀和尺寸(30～50nm)的金納米粒。Zou等[19]采用了簡(jiǎn)便的兩步電沉積法在玻碳電極(Au/f-GE/GCE)上依次沉積石墨烯和球形AuNPs。

有研究[20]表明在合成AuNPs的電解過程中施加恒定電流增量的電化學(xué)方法，可得到球形、啞鈴形及棒狀納米金粒。在恒電流遞增法合成過程中，AuNPs的生長速度快于成核速度，部分小粒子溶解后在其他粒子的特定晶面生長而使AuNPs定向生長成棒狀粒子。

電化學(xué)法對(duì)儀器設(shè)備要求高，合成過程受環(huán)境影響大，不易控制。

2 AuNPs在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用

2.1 檢測(cè)

Wan等[21]將熒光氮化碳點(diǎn)(N，C-dots)裝配在適配子修飾的AuNPs上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)黃曲霉毒素B1(AFB1)的超敏感檢測(cè)。Ma 等[22]基于AuNPs的顏色變化效應(yīng)制造了檢測(cè)傷寒沙門氏菌的比色測(cè)量器。Meng 等[23]利用自組裝的二維納米金粒薄膜作為表面增強(qiáng)拉曼光譜基板，開發(fā)了一種快速檢測(cè)人體尿液中可卡因的方法。Mazloum-Ardakani等[24]通過對(duì)石墨烯薄片和AuNPs復(fù)合材料的改性，提高了鄰苯二酚(catechol)的導(dǎo)電性，可用于急性淋巴細(xì)胞白血病的檢測(cè)。Lin等[25]使用DNA修飾AuNPs比色檢法，開發(fā)了一種快速檢測(cè)過氧化氫的比色傳感器。第一步，往樣品中加入亞鐵離子，與過氧化氫發(fā)生反應(yīng)，生成基于芬頓反應(yīng)的羥基自由基(·OH)。第二步，加入DNA修飾的AuNPs和氯化鈉。當(dāng)過氧化氫存在時(shí)，溶液的顏色由紅色變?yōu)樽仙?，因?yàn)榱u基自由基破壞了DNA中的磷酸二酯鍵，降低了金納米顆粒表面的DNA數(shù)量，導(dǎo)致金納米顆粒聚集。所有操作步驟均可在15min內(nèi)完成，檢測(cè)限(LOD)為1m，比其他檢測(cè)活性氧的方法更迅速。Lone等[26]通過原始的單壁碳納米管的氣體傳感器(SWCNTs)與AuNPs噴涂裝飾的SWCNT傳感器在操作溫度下，對(duì)NH3的濃度檢測(cè)，分析比較了兩組傳感器的響應(yīng)性能。與原始的SWCNT傳感器相比，Au修飾的SWCNT傳感器具有響應(yīng)快、恢復(fù)快、高電阻變化、高質(zhì)量重復(fù)性、長期穩(wěn)定性和優(yōu)異的選擇性。

2.2 治療

AuNPs在基因治療、靶向藥物載體和光熱治療方面有重要作用。Lajunen等[27]開發(fā)了包封AuNPs的脂質(zhì)體藥物載體，能夠在觸發(fā)可見光和近紅外光信號(hào)時(shí)釋放藥物至細(xì)胞胞質(zhì)溶膠。許小娟等[28]制備了AuNPs/葡聚糖復(fù)合物，該復(fù)合物具有極低的細(xì)胞毒性和較高的抗腫瘤活性，可刺激細(xì)胞產(chǎn)生活性氧簇前藥嫁接到原位生長AuNPs修飾的稀土上轉(zhuǎn)換成發(fā)光納米(ROS)，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡，抑制腫瘤細(xì)胞增殖。肽-藥物偶聯(lián)物(PDCs)具有改善化療藥物目標(biāo)療效的潛力，但其短半衰期可能限制其應(yīng)用。Kalimuthu等[29]開發(fā)了一種藥物傳遞系統(tǒng)，將肽-藥物偶聯(lián)物與AuNPs結(jié)合，克服了這個(gè)障礙，這種結(jié)合也為開發(fā)含有PDCs的靶向藥物釋放系統(tǒng)的緩釋制劑提供了可能。付超等[30]利用發(fā)生響應(yīng)性聚集后AuNPs體系的較強(qiáng)的光熱特性，研究其對(duì)細(xì)菌的體外光熱殺傷作用，通過Au-S鍵反應(yīng)將合成好的多肽A和多肽B分別修飾到GNPs表面，然后等比例混合組成GNPs system，對(duì)細(xì)菌有較強(qiáng)殺傷力，為GNPs的設(shè)計(jì)提供了新的思路以及為光熱治療提供了新的方法。

2.3 成像

GNPs在生物醫(yī)藥中的成像主要應(yīng)用在暗場(chǎng)光散射成像、雙光子熒光成像、光聲成像、光相干層析成像、CT成像等方面。AuNPs的光學(xué)特性促使其成為光學(xué)或X射線成像模式的對(duì)比劑，可以檢測(cè)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊、血管內(nèi)血栓或纖維組織。Cheng 等[31]通過光不穩(wěn)定的二氮雜萘表面修飾制備了可光觸發(fā)交聯(lián)的AuNPs，將AuNPs表面等離子體共振吸收峰轉(zhuǎn)移到近紅外區(qū)域，從而顯著增強(qiáng)了它們對(duì)體內(nèi)腫瘤的光熱療和光聲成像。Zhou等[32]利用聚乙二醇(PEG)修飾支鏈聚乙烯亞胺(PEI)作為成像模板，制備葉酸(FA)靶向的多功能AuNPs，該材料作為納米探針，可廣泛應(yīng)用于針對(duì)遠(yuǎn)表達(dá)癌癥細(xì)胞的CT成像以及異種移植的腫瘤模型。Wang 等[33]根據(jù)相鄰AuNPs間的等離子體耦合表現(xiàn)出較強(qiáng)的熱點(diǎn)效應(yīng)，有效實(shí)現(xiàn)了病原菌表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)成像，在治療細(xì)菌感染甚至耐多藥細(xì)菌方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 語

綜上，盡管目前AuNPs的制備方法已經(jīng)基本成熟，但是如何降低AuNPs的尺寸、改善其形貌、制備出尺寸均一形狀可控的金粒子仍然是AuNPs合成中的難點(diǎn)。納米金屬材料是構(gòu)筑新型復(fù)合功能材料的重要組成單元，基于納米金復(fù)合材料的合成及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用使其將繼續(xù)成為研究熱點(diǎn)，在檢測(cè)方面提高檢查精度，擴(kuò)大檢測(cè)范圍；在治療方面多種藥物共載，提高載藥量，設(shè)計(jì)靶向性；在成像方面提高靈敏度等是今后研究者需要繼續(xù)探索的方向。