納米材料Fe3O4在生物醫學領域應用研究進展

摘 要：納米Fe3O4具有良好的比表面積、超順磁等特點而得到科學工作者廣泛的關注。簡述了納米Fe3O4的制備方法，綜述了其在生物醫學領域的研究進展，對其發展前景做出了展望。

關 鍵 詞：納米Fe3O4；制備；生物醫學；應用進展

中圖分類號：Q64；R318.08 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1950-03

Abstract： Nano Fe3O4 has been widely concerned by scientists because of its excellent surface area and super paramagnetic characteristics. In this paper， preparation methods of nano Fe3O4 were introduced， and its research progress in biomedical field was reviewed.

Key words： nano Fe3O4； preparation； biomedical science； application

隨著納米技術的成熟和發展，磁性納米Fe3O4因具有超順磁性、生物相容性等特點被研究者應用于生物醫學領域，磁性液體、催化劑載體、微波吸波材料、磁記錄材料等領域[1]，無論是作為藥物載體、腫瘤治療、抗菌材料、生物傳感器還是口腔醫學，它均顯示出良好的性能，但同時也存在一定的問題。本文簡單介紹了納米Fe3O4的制備，重點綜述了其在生物醫學領域的應用，提出了在其應用中存在的問題，并對其應用前景做出展望。

1 納米Fe3O4 制備方法簡述

納米Fe3O4的制備可以采用物理法或化學法[2，3]。物理法通常使用冷凝、粉碎、球磨等物理變化過程得到產品，但因無法制出高純度、粒徑均一、顆粒極小的產物，而在工業生產和試驗中很少被使用；

化學法主要包括共沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳液法、水解法、水熱法等，是指采用化學方法而得到的納米粒子，有操作簡單、成本低廉、粒徑小等優點，被人們廣泛應用于科研、生產制取高質量的納米粒子中。

共沉淀法是向含有Fe2+和Fe3+的溶液中，加入適當的沉淀劑（如NH3·H2O、NaOH等），使Fe2+和Fe3+均勻沉淀或結晶出來，再采用脫水、干燥等方法進行處理而得到Fe3O4納米顆粒；溶膠-凝膠法是先用無機物或金屬醇鹽的水解和聚合而制備出金屬氧化物或氫氧化物的均勻溶膠，再陳化、聚合生成三維空間的凝膠，凝膠被干燥、熱處理可得到氧化物納米顆粒；微乳液法[4]是在表面活性劑的作用下，形成油包水型或水包油型微乳液，可防止顆粒之間的不斷團聚，最終得到具有窄的粒度分布、規則的形狀、分散性能好的納米顆粒。水熱法是將水作為反應介質，在高溫高壓的反應釜內反應而得到納米離子。

歸納Fe3O4納米顆粒制備的機理，可分為兩種技術，并且已經發展的很成熟。一種是用二價和三價鐵鹽直接進行反應而制得Fe3O4納米顆粒；另一種是將三價鐵鹽轉化為Fe（OH）3，再通過烘干、灼燒等方法得到磁性Fe3O4納米顆粒。

2 納米Fe3O4在生物醫學方面的應用

2.1 磁性靶向給藥

將治療量的藥物和無毒性的磁性Fe3O4制成復合微球，在體外磁場的引導下使微球到達病變部位，減少藥物在胃、肝、腎、腸等消化系統的代謝消耗及毒副作用，從而使藥物在病變部位的有效濃度提高，治療指數升高[5-8]。

徐鵬等[9]以PLA為壁材，選用超聲乳化與W1/O/W2復乳化相結合的方法合成了囊壁載有油溶性納米Fe3O4粒子的磁性中空PLA微囊。實驗證明，該微囊不僅具有良好的磁響應性，而且復溶性也較好，可應用于靶向給藥體系。

任杰等[10]用丙交酯和聚乙二醇在辛酸亞錫催化下生成PLA-PEG共聚物，與經硅烷偶聯等改性的Fe3O4制備出磁性復合微球。實驗表明，微球粒徑150 nm，磁粉干重0.5%～1.7%，具有磁響應性，通過KH-570改性制備的微球具有更好的性能。

張杰等[11]用納米Fe3O4顆粒與PLA-AZM-MS制備出聚乳酸/納米Fe3O4載阿奇霉素復合微球（PLA/Fe3O4-AZM-MS），用TEM、XRD、SEM對復合微球的粒徑及形態進行分析。結果顯示，微球表面圓滑，粒徑分布均勻，平均100μm。體外釋藥性試驗證明，微球具有明顯的藥物緩控釋作用，納米材料的加入不僅可以很好的控制微球粒徑，還可以提高平均載藥量（平均載藥量達0.042 1 mg·mg-1，載藥率為6.69%，），微球中阿奇霉素的釋放持續時間延長并具有靶向性。

馬喜峰等[12]采用溶劑揮發法，以一定量的聚乳酸（PLA）、阿奇霉素（AZM）、納米Fe3O4制備出PLA/Fe3O4-AZM-MS微球，實驗證明，納米Fe3O4的加入使微球載藥量達7.24%，具有明顯的藥物緩控釋及靶向作用，藥效緩和而持久。

2.2 生物分離與純化

磁性納米Fe3O4具有可控尺寸、磁響應性、生物相容性及可控分離等優良的特點，使其廣泛地應用于蛋白質分離、固定化酶、核酸分離、細胞分離等領域[13-15]。

2.2.1 蛋白質分離

應用磁性納米Fe3O4分離蛋白質的基本原理是，將接有活性配基的磁性Fe3O4作為載體與含有待分離蛋白質溶液相混合，活性配基與目標蛋白質結合，當處于磁場環境中，待分離蛋白質得以分離。

高凡[16]采用高溫熱分解有機前軀體法制備出高質量的Fe3O4納米顆粒（MNPs），將多巴胺（DA）包覆到MNP表面后得到具有功能性的MNP-DA納米顆粒，利用MNP-DA納米顆粒分離紅色熒光的BSA-Au納米晶，再利用Nα，Nα-2（羧甲基）-L-賴氨酸水合物（ NTA ）近一步對MNP-DA功能化制備出MNP-NTA納米顆粒，將其與Ni2+螯合成的MNP-NTA（Ni2+）螯合物用于可逆分離水溶液中的組氨酸標記的蛋白質（F-His-protein）。試驗結果顯示，MNPs納米顆粒形貌和粒徑均一，結晶度高，磁學性能好，在低溫環境（5 K）中表現為鐵磁性，在常溫下表現出很好的超順磁特性，而且潔凈的顆粒表面有利于表面修飾；MNP-DA 納米顆粒在水溶液中具有很好的單分散性，并且可以穩定存在 80 d以上，顆粒的水溶性和穩定性顯著提高；MNP-DA 納米顆粒表面的苯鄰二酚基團可以與蛋白質上的氨基和巰基反應，所以利用 MNP-DA 納米顆粒可以很便捷地將 BSA-Au 納米晶從BSA-A與熒光素鈉的混合液中分離出來，說明 MNP-DA 可直接用于蛋白質磁分離。

劉珊珊等[17]用MPS對自制的納米Fe3O4進行改性，所得產物（Fe3O4-SH）可以吸附Ni2+而形成Fe3O4-SH-Ni2+復合體。實驗證明，Fe3O4-SH- Ni2+可以純化在細胞裂解液中作標簽的以組氨酸為標簽的（His-tagged）融合蛋白，并且在磁場作用下能迅速分離。

2.2.2 固定化酶

固定化酶是指將酶經過適當的方法進行處理，使之不溶于水但仍具有酶活性而且可以多次使用。

許麗君[18]采用以共沉淀法制得的納米Fe3O4作為載體固定葡萄糖氧化酶（GOD）。通過比色法測定酶活力，葡萄糖氧化酶被固定化后，與游離酶相比，酶活性顯著升高。

楊劍冰[19]將鄰苯二酚殼聚糖（CCS）包裹在納米Fe3O4（IONPs）表面上得 （ CCS-IONPs ），用來共固GOD。實驗表明，IONPs對GOD的掛載量高達402.82 mg·g-1，活力回收率達85.34%，重復使用多次后，仍能保持40%的活力。

2.2.3 核酸分離

以二氧化硅等材料包覆的具有生物相容性和高飽和磁場強度的磁性微球被用來提取核酸，其基本原理是，在高鹽條件下，核酸分子被吸附并與二氧化硅表層的硅羥基發生作用而吸附在磁性微球的表面，經洗滌后在低鹽條件下解吸附出來，從而實現核酸的分離。這樣的微球有親水的磁性聚合物微球[20]、磁性膠束[21]、表面抗生蛋白鏈菌素修飾的磁性微球[22]等，也有許多其他類型的磁性微球被用來提取核酸，與傳統方法相比，磁性分離更加有效、快速[15]。

2.2.4 細胞分離

應用磁性納米Fe3O4分離細胞的基本原理是，將接有活性親和配體的磁性Fe3O4作為載體與目標細胞相混合，活性親和配體將與目標細胞相結合，在外加磁場的作用下，采用正向選擇（直接獲得需要細胞）或負向選擇（將不需要的細胞除去）實現目標細胞的磁性分離[15，23]。

2.3 腫瘤熱療

腫瘤熱療是將磁性Fe3O4注入腫瘤部位，在足夠強度的交變磁場中產熱，因正常組織具有調節功能而不受影響，但腫瘤組織內血管形態異常、易形成血栓或栓塞，易導致散熱不良而使腫瘤細胞死亡。

劉愛紅等[24]采用共沉淀結合水熱處理制備了碳納米管/四氧化三鐵（CNTs/Fe3O4）熱種子材料，以作微波腫瘤靶向熱治療用。實驗表明，所制的CNTs/Fe3O4復合物和純Fe3O4的超順磁性相似， CNTs的質量分數是10%時，它的比飽和磁化強度為64.53 emu/g，矯頑力為14.03 Oe，能實現CNTs在磁場中的定向；CNTs的質量分數是4%時，CNTs/Fe3O4復合材料的吸收峰在2.2 GHz附近，反射率達-19 dB，頻寬為1G左右。CNTs/Fe3O4復合材料可作為熱種子材料應用于腫瘤熱療。

袁子龍等[25]用環糊精對納米Fe3O4磁流體進行改性，在交變磁場下加熱。實驗表明，磁流體最高溫度均超過41 ℃，最高則達53 ℃，而實際醫學應用中需要溫度為41～46 ℃即可，環糊精改性的磁流體有良好的熱效應、可控溫性、穩定性和飽和磁化強度（超過最低檢測限度1 emu·g-1），可在生物醫學中用于磁熱療。

2.4 磁共振成像

因Fe3O4納米粒易發生團聚、沉淀，用葡聚糖對Fe3O4納米顆粒的表面進行修飾，則可得到親水性、懸浮穩定性、生物相容性良好的造影劑，可顯著增加對比成像效果。

劉國華等[26]采用共沉淀法制備了Fe3O4納米粒，并用葡聚糖對其進行包被，然后由耳緣靜脈對家兔注射樣品溶液。動態激光粒度儀檢測表明樣品總體平均粒徑為33 nm，小于超順磁性氧化鐵顆粒（USPIO）的最大直徑50 nm，經振動樣品磁強計檢測，樣品在外加磁場時磁響應性良好，其飽和磁化強度為48.1 emu·g-1，高于磁共振成像對比劑要求的最低強度標準。

張霖倩等[27]以油酸鈉和葡聚糖兩次包覆、共沉淀制備了Fe3O4，然后與靶向多肽交聯葡聚糖，最后進行了腫瘤細胞結合實驗和荷瘤動物磁共振成像實驗。實驗表明，顆粒粒徑20～30 nm，表現出超順磁性，造影劑在體內血漿半衰期為6.2 h，與無靶的比較，腫瘤細胞的特異性結合能力提高了10到30倍，而磁共振成像的信號密度是無靶的3.68倍。

3 結 語

因Fe3O4納米顆粒廉價且具有很好的磁響應性，其與生物醫學的結合，使得在生物醫學領域有著廣闊的應用前景。雖然人們在Fe3O4納米顆粒的單一性能如磁響應性、生物相容性等方面取得了極大的成果，但如何優化綜合性能，得到不同粒徑、不同磁響應強度，使生物相容性更加廣泛而適用于更多的生物體，并且完善相關理論機制，進行應用臨床試驗，統一和規范研究方法等方面仍然需要人們不斷的努力，相信在不久的將來，隨著生物醫學工作者和納米材料工作者不斷的合作和創新，Fe3O4納米技術將為造福人類做出更大的貢獻。

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