鎵基液態(tài)金屬微/納米液滴的合成及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用*

熊建鈞，嚴(yán)駿杰，楊敏△

(1. 南京醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，南京 211166；2. 國家衛(wèi)生健康委員會(huì)核醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省分子核醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省原子醫(yī)學(xué)研究所，無錫 214063)

1 引 言

液態(tài)金屬是熔點(diǎn)低于或接近室溫的金屬或金屬合金[1-2]，如汞(Hg, 熔點(diǎn)-39 ℃)、銣(Rb, 熔點(diǎn)38.89 ℃)、銫(Cs, 熔點(diǎn)28.40 ℃)、鈁(Fr, 熔點(diǎn)27 ℃)和鎵(Ga, 熔點(diǎn)29.8 ℃)[3]。其中，銣、鈁化學(xué)性質(zhì)活潑，銫具有放射性，汞毒性較高，因此限制了它們的應(yīng)用[4-6]。鎵基液態(tài)金屬因表面自鈍化層的存在，表現(xiàn)出較高的化學(xué)穩(wěn)定性。一些研究也揭示了鎵基液態(tài)金屬在電、熱、機(jī)械和流體等方面的特性[7-9]。

合金的熔點(diǎn)與其組成密切相關(guān)，鎵易于和其他金屬(銦(In)、鉍(Bi)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鋁(Al))結(jié)合形成低熔點(diǎn)合金[10]。目前，商品化的鎵基液態(tài)金屬合金主要包括鎵銦合金(EGaIn, Ga 75 wt% and 25 wt%)[11]和鎵銦錫合金(EGaInSn, Ga 68 wt%, In 22 wt% and Sn 10 wt%)[12]，拓寬了鎵基液態(tài)金屬的應(yīng)用范圍。鎵基液態(tài)金屬微/納米液滴在藥物遞送、電子(可穿戴)器件、分子影像、腫瘤治療和催化等領(lǐng)域也展現(xiàn)出了一定的潛力[13-16]。

在此，我們對(duì)當(dāng)前典型液態(tài)金屬的物理特性進(jìn)行了總結(jié)(見表1)，重點(diǎn)介紹了液態(tài)金屬微/納米液滴的合成方法及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的最新研究進(jìn)展，并對(duì)液態(tài)金屬微/納米液滴的前景進(jìn)行了展望。

表1 當(dāng)前典型液態(tài)金屬的物理特性

2 液態(tài)金屬微/納米液滴的合成

液態(tài)金屬表面形成的自鈍化層在控制液態(tài)金屬微/納米液滴形貌和尺寸上起著至關(guān)重要的作用。通過控制配體種類、液態(tài)金屬/配體投料比、超聲時(shí)間和超聲懸液溫度可以獲得各種不同的納米結(jié)構(gòu)[17]。一般而言，制備液態(tài)金屬微/納米液滴的基本方法主要包括自下而上(Bottom-up)和自上而下(Top-down)法。

2.1 自下而上法

自下而上法通常是利用金屬鹽前驅(qū)體的化學(xué)(生物)還原反應(yīng)，該方法適合制備形狀均一、尺寸分布較窄的微/納米液滴。分布不均的液滴尺寸會(huì)限制其光學(xué)和生物學(xué)應(yīng)用，只有尺寸可控的液態(tài)金屬微/納米液滴才能被用于提供理想的特性[5]。因此，一些研究利用自下而上法來制備尺寸可控的鎵基液態(tài)金屬微/納米液滴。

2.1.1熱分解法 熱分解法在自下而上法中具有代表性。該方法一般是將金屬有機(jī)化合物作為反應(yīng)前驅(qū)體，在含有表面活性劑或配體的熱溶劑中進(jìn)行反應(yīng)。傳統(tǒng)的熱分解法由于缺乏穩(wěn)定劑，導(dǎo)致合成的金屬納米液滴尺寸分布寬泛[18]。之后的研究發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)體系中加入配體或表面活性劑后，制得的納米液滴分散性好、形狀均一，因此被廣泛應(yīng)用[19]。目前，已有研究利用熱分解法并使用金屬-烷基/硅氨基作為前驅(qū)體來合成鎵基液態(tài)金屬微/納米液滴。Yarema等[20]首次以鎵-烷基胺(Ga(NMe2)6)作為前驅(qū)體分散到二辛胺(DOA)中，然后高溫快速注入1-十八烯(ODE)的熱溶劑中，成功合成了單分散的膠體鎵納米顆粒(GaNP)，并通過調(diào)節(jié)DOA的劑量、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度實(shí)現(xiàn)了GaNP粒徑在12～46 nm的精確控制和7.4%的窄尺寸分布。之后，He等[21]將油胺(R-NH2)作為配體通過復(fù)分解反應(yīng)迅速制得了長鏈的鎵-油胺復(fù)合物(Ga(R-NH)n)，并通過熱分解法制得粒徑在5～30 nm，尺寸分布在5%～10%的鎵納米液滴。該方法省略了對(duì)水、氧氣易敏前驅(qū)體的制備、存儲(chǔ)和后處理，為實(shí)現(xiàn)參數(shù)可控的液態(tài)金屬納米液滴的制備提供了便利。

2.1.2物理沉積法 物理沉積法能夠合成尺寸和粒徑分布較窄的金屬微納米液滴。Taccardi等[16]將三乙胺鎵烷(Et3NGaH3)沉積在大孔玻璃上，受熱分解獲得金屬鎵納米液滴并釋放出氫氣和三乙胺，生成的液滴直徑從數(shù)百納米到數(shù)微米不等。Yang等[22]利用分子束外延(MBE)將鎵納米液滴沉積到藍(lán)寶石襯底上，證明了液態(tài)金屬納米液滴能通過分子束合成。Ghigna等[23]在真空條件下，通過鎵的熱蒸發(fā)得到了由納米液滴組成的鎵膜，當(dāng)溫度控制在90～350 K時(shí)，尺寸分布在5～150 nm。

2.2 自上而下法

自上而下法是將宏觀材料制成微/納米液滴最常用的方法。采用超聲波降解、機(jī)械攪拌等方法即可獲得所需的微/納米液滴[24]。利用超聲波分解制得的微/納米液滴通常呈球狀，改變反應(yīng)條件可生成棒狀或米粒狀的液態(tài)金屬納米液滴，不同形貌的納米液滴拓寬了液態(tài)金屬在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍[25-26]。

2.2.1超聲波降解法 Lin等[27]利用超聲波降解法制備了穩(wěn)定的鎵基液態(tài)金屬納米液滴。將聚(馬來酸酐-alt-1-十八碳烯)(POMA)溶解在甲苯中，在超聲條件下制成液態(tài)金屬納米液滴，液滴直徑170 nm左右，在緩沖溶液中可以保存60 d以上。Yan等[17]通過調(diào)整液態(tài)金屬/黑色素納米粒子投料比、超聲時(shí)間和反應(yīng)溫度，制得了納米棒、納米球和納米米粒等多種形貌的鎵基液態(tài)金屬納米液滴，成功實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬納米液滴的形貌控制。Centurion等[28]利用沒食子酸為配體，連續(xù)超聲60 min，制得了粒徑約(700 ± 20)nm的鎵納米液滴。此外，還發(fā)現(xiàn)鎵納米液滴的直徑隨著沒食子酸含量的增加而減小，但仍未解決液滴尺寸分布較寬的問題。Yamaguchi等[29]首次報(bào)道了利用超聲法可逆控制鎵納米液滴的尺寸，通過調(diào)節(jié)超聲溫度和硫醇表面活性劑的含量控制鎵納米液滴的尺寸，并利用鹽酸移除鎵基納米液滴的表面氧化層，成功實(shí)現(xiàn)了鎵基納米液滴的融合與分散。

2.2.2機(jī)械攪拌法 Tevis等[30]采用一種可調(diào)節(jié)、綠色、低成本的流體剪切技術(shù)制備了鎵基微/納米液滴。該技術(shù)是液滴乳化技術(shù)(SLICE)的延伸，將約0.6 g鎵銦合金置于5 % (v/v)乙酸溶液中，并以11 600 rpm的轉(zhuǎn)速攪拌剪切20 min。在此過程中，鎵銦納米液滴(EGaIn NPs)的表面首先被氧化形成保護(hù)層，然后將醋酸鹽修飾到氧化物表面形成具有穩(wěn)定三層結(jié)構(gòu)(液態(tài)金屬核、氧化鎵層、醋酸鹽功能化的氧化層)的EGaIn NPs。該方法還可以通過調(diào)節(jié)攪拌速度、攪拌時(shí)間和表面穩(wěn)定劑的含量合成多種尺寸、形狀、組成和表面形態(tài)的微/納米液滴。

3 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

液態(tài)金屬良好的流動(dòng)性、生物相容性、高阻射性、優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能等特點(diǎn)，使其在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，以下主要介紹鎵基液態(tài)金屬微/納米液滴在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用，見圖1。

圖1 鎵基液態(tài)金屬在不同的生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用

3.1 藥物遞送

液態(tài)金屬納米液滴在沒有封端劑或表面活性劑修飾的情況下，極易快速地聚沉。在使用硫醇等基團(tuán)修飾后，不僅能形成穩(wěn)定的液態(tài)金屬納米液滴懸液，而且在酸性條件下又能使液態(tài)金屬納米液滴發(fā)生融合并降解。Lu等[13]用巰基化(2—羥丙基)—β—環(huán)糊精(MUA—CD)和巰基化透明質(zhì)酸(m—HA)兩種配體作為封端劑來制備穩(wěn)定的EGaIn NPs。同時(shí),β—環(huán)糊精的七元糖環(huán)結(jié)構(gòu)也為阿霉素(DOX)的裝載提供了相應(yīng)的位點(diǎn)。透明質(zhì)酸是腫瘤細(xì)胞表面CD44受體的靶向基團(tuán)，為該藥物遞送體系提供了良好的腫瘤靶向性。將此液態(tài)金屬納米液滴注入荷瘤鼠體內(nèi)后，藥物載體通過胞吞作用進(jìn)入細(xì)胞，并在內(nèi)涵體/溶酶體的酸性環(huán)境下促進(jìn)藥物釋放。Lu等[31]發(fā)現(xiàn)將光敏劑(石墨烯量子點(diǎn))包覆在EGaIn NPs表面，隨后DOX通過π-π堆積作用負(fù)載到EGaIn NPs表面。在近紅外激光的照射下，EGaIn NPs發(fā)生形變，實(shí)現(xiàn)了高效的藥物控釋。Fan等[32]利用液態(tài)金屬優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力，制備了一種聚(N-異丙基丙烯酰胺—co—N, N—亞甲基二丙稀酰胺)(poly(NIPAm—co—MBA))水凝膠/液態(tài)金屬(PNM/LM)藥物遞送體系。將DOX物理包埋進(jìn)載體后，通過近紅外光照射，溫敏性水凝膠塌縮、擠壓促發(fā)DOX的釋放。

3.2 光熱/光動(dòng)力治療

液態(tài)金屬優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率可用于腫瘤光學(xué)治療。Wang等[33]制備了一種鎂-鎵銦(Mg—GaIn)光熱轉(zhuǎn)換(PTC)材料，該材料毒性低、光熱轉(zhuǎn)換效率高、導(dǎo)熱性佳，柔性和可塑性強(qiáng)，已用于荷瘤鼠的光熱治療實(shí)驗(yàn)評(píng)估其抗腫瘤效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明Mg—GaIn具有最深的加熱深度、最大的加熱面積和最佳的腫瘤抑制率。此外，還發(fā)現(xiàn)Mg—GaIn光熱轉(zhuǎn)換效率(η)為42%，遠(yuǎn)高于EGaIn(26%)和去離子水(19%)。Xia等[34]將氧化鋯(ZrO2)包覆在液態(tài)金屬液滴表面，形成穩(wěn)定的殼-核液態(tài)金屬納米液滴(LM@pZrO2NPs)。再通過聚乙二醇修飾改善LM@pZrO2NPs的生物相容性，同時(shí)保持其理想的光熱(PT)轉(zhuǎn)換性能，并被用于小鼠的抗腫瘤治療。Sun等[15]利用巰基-聚乙二醇-巰基(SH—PEG—SH)作為表面活性劑，成功地制備了鎵納米球(GaNS)、鎵納米棒(GaNR)和鎵銦合金納米棒(LMNR)，并探索了它們在激光照射下的抗癌潛力。結(jié)果表明在激光照射下，GaNR表現(xiàn)出了最佳的光熱轉(zhuǎn)換效率，并在體內(nèi)外獲得了最佳的光熱效應(yīng)。Hu等[35]合成了一種介孔氧化硅包覆的液態(tài)金屬納米液滴(LM@MSN)，該液滴在酸性環(huán)境和多次激光照射下，仍然表現(xiàn)出良好的光熱穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)證明，在激光照射條件下，光熱協(xié)同化療的方式能夠顯著抑制實(shí)體瘤生長。Hu等[36]將甲氧基聚乙二醇硫醇(mPEG-SH)作為表面活性劑合成了一種表面負(fù)載葡萄糖氧化酶(GOX)的液態(tài)金屬納米液滴(LM@GOX)，用于饑餓/光熱聯(lián)合的腫瘤治療，并實(shí)現(xiàn)了光熱治療和饑餓治療的協(xié)同效應(yīng)。

3.3 生物成像造影劑

鎵基液態(tài)金屬憑借良好的生物相容性、延展性、高阻射性等特點(diǎn)，已被用于CT、光聲成象和X光成像。Xia等[34]合成了一種氧化鋯包覆的鎵銦液態(tài)金屬納米液滴(LM@pZrO2NPs)用于CT成像，證實(shí)了LM@pZrO2NPs濃度與CT值呈線性相關(guān)，驗(yàn)證其作為體內(nèi)造影劑的潛力。Chechetka等[14]構(gòu)建了一種用光聚合磷脂層穩(wěn)定的多功能鎵銦液態(tài)金屬納米囊泡。該納米囊泡在350～800 nm的紫外-可見-近紅外(UV-Vis-NIR)吸收光譜中沒有表現(xiàn)出任何特征峰，但在680 nm處具有最大的光聲信號(hào)，且光聲信號(hào)強(qiáng)度與EGaIn納米囊泡的濃度呈線性相關(guān)。Fan等[37]研制了一種功能復(fù)合型腫瘤栓塞水凝膠。將均勻分散有EGaIn NPs的海藻酸鈉(sodium alginate，SA)水溶液與鈣離子溶液混合后，即可快速形成液態(tài)金屬/海藻酸鈣(calcium alginate，CA)水凝膠。由于液態(tài)金屬的高阻射性，LM/CA水凝膠也被用作造影劑。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，將LM/CA水凝膠注入大鼠股動(dòng)脈、離體豬心、兔耳靜脈和兔耳動(dòng)脈后，CT造影均有明顯增強(qiáng)。

3.4 生物傳感器

Peng等[38]利用液態(tài)金屬作為柔性填料，在親水聚合物網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)超拉伸水凝膠的制備，并將其用作非對(duì)稱力學(xué)傳感器。在該水凝膠中，液態(tài)金屬納米液滴因其特性不僅顯著增加了水凝膠基質(zhì)的韌性(拉伸應(yīng)變：～1500%)、壓敏性(0.25 kPa-1)和電阻響應(yīng)性(180 ms)，而且還加速引發(fā)劑(過硫酸銨)產(chǎn)生自由基，促進(jìn)凝膠化反應(yīng)，迅速形成液態(tài)金屬水凝膠。Liao等[39]研制了一種具優(yōu)異溶解性和良好自愈合能力的液態(tài)金屬水凝膠基可穿戴表皮傳感器。該水凝膠的構(gòu)建方法是將EGaInNPs分散到硼酸鹽修飾的聚乙烯醇(PVA)網(wǎng)絡(luò)中。一方面，PVA羥基可以作為配體與液態(tài)金屬納米粒子表面氧化層相互作用，實(shí)現(xiàn)了EGaIn NPs的穩(wěn)定且均勻地分散于凝膠網(wǎng)絡(luò)中；另一方面，由于PVA與硼酸四羥基離子之間存在動(dòng)態(tài)交聯(lián)鍵，從而使其具備良好的自愈合能力。此外，研究人員還證明了該水凝膠良好的傳感性能、高靈敏度以及較寬的壓力檢測范圍(2～120 kPa)。

4 總結(jié)與展望

由于鎵基液態(tài)金屬具備柔韌性、流動(dòng)性和高表面張力等特性，導(dǎo)致其合成方法有別于傳統(tǒng)的金屬納米顆粒。自下而上法對(duì)于控制液態(tài)金屬納米液滴顆粒的大小和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是可行的，但它通常不能控制化學(xué)計(jì)量的組成；而自上而下法可以很容易地控制化學(xué)計(jì)量的組成，并通過一定的外部能量輸入即可將宏觀的液態(tài)金屬轉(zhuǎn)化為微/納米液滴[40]。

然而，液態(tài)金屬納米液滴合成過程中的尺寸控制和形貌控制仍然具有挑戰(zhàn)性。對(duì)于許多應(yīng)用來說，嚴(yán)格尺寸控制是很重要的。通過表面活性劑與氧化層之間的靜電作用來控制形貌的可能性已經(jīng)被證明[15，25]。一些帶正電荷的表面活性劑(溶菌酶和十六烷基三甲基溴化銨)可穩(wěn)定具有負(fù)電荷氧化層的液態(tài)金屬納米液滴表面，使其由球形向棒狀的一羥基氧化鎵(GaOOH)轉(zhuǎn)變。最新研究還涉及將聚合物包覆在液態(tài)金屬納米液滴表面，這也表明解決該問題或許可以通過測試新型的封端劑和表面活性劑來實(shí)現(xiàn)[41]。LMs在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的毒性問題仍然存在爭議。就目前研究結(jié)果來看，鎵和鎵基合金具有良好的生物相容性，并被廣泛用作汞的替代品。事實(shí)上，鎵銦錫合金作為牙體填料已被臨床應(yīng)用，其生物安全性已被證實(shí)[6]。然而，由于人體內(nèi)是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境，涉及各種動(dòng)態(tài)的生物和化學(xué)變化，因此對(duì)LMs急性和慢性毒性的綜合研究還很有限。尤其是當(dāng)LMs被加工成各種形態(tài)的微小尺寸液滴時(shí)，其生理行為可能會(huì)有很大的差異。因此，需對(duì)LMs的毒理學(xué)進(jìn)行更深入的研究。此外，由于LMs表面氧化層的存在，黏性增加，使其容易附著在陶瓷、玻璃、高分子等多種材料的表面，這在一定程度上犧牲了其自身的流動(dòng)性。有研究使用低壓作為控制LMs形狀和流體行為的手段，證明了利用電化學(xué)法去除或沉積氧化物的可行性[42]。同時(shí)LMs粘稠的表面也會(huì)導(dǎo)致每次使用注射器或移液管轉(zhuǎn)移LMs時(shí)造成損失，給準(zhǔn)確定量鎵基LMs帶來了挑戰(zhàn)。因此，急需一種簡單的試劑(抗氧化劑，不含酸或堿)或一種能夠控制氧化層存在的策略。最后，在實(shí)際應(yīng)用和推廣之前，生物材料的成本是需要考慮的重要問題。銀具有各種優(yōu)良的性能，但成本較高是其難以被廣泛應(yīng)用的原因之一。鎵的價(jià)格大約是銀的三分之一，直接成本較低。然而在自然界中不存在游離的鎵，需要從不同的礦物中提取，間接增加了成本。此外，在利用超聲波降解法制備液態(tài)金屬納米液滴的過程中，大量原始LMs的丟失，無形中也提高了鎵的成本?；谝陨鲜聦?shí)，LMs的總成本無法顯著降低。因此，從長遠(yuǎn)來看，開發(fā)具有相似性能的新型材料非常必要。

盡管液態(tài)金屬在生物醫(yī)學(xué)、等離子體、電子學(xué)、電化學(xué)及催化等領(lǐng)域均有一些應(yīng)用，但關(guān)于鎵基液態(tài)金屬微/納米液滴相對(duì)宏觀液態(tài)金屬或其他固體(非流體)金屬微/納米顆粒在相關(guān)方面的研究仍處于相對(duì)初級(jí)階段。我們相信，以上挑戰(zhàn)也將為液態(tài)金屬材料的制備和應(yīng)用帶來巨大的機(jī)遇。