磁性納米粒子的制備及其在生物醫藥領域中的應用

王 妍

(隴東學院 化學化工學院，甘肅 慶陽 745000)

磁性納米粒子一般是指粒子尺寸在1～100nm之間的磁性材料。它除了具有一般納米材料獨特的表面效應、體積效應、量子尺寸效應和功能基團等特性外還呈現出一些優異的特性：(1)超順磁性；(2)磁響應性；(3)高矯頑力[1]。因其這些特性磁性納米粒子在生物醫學領域具有非常廣闊的應用前景，如靶向藥物轉運、酶的固化、生物檢測、生物分離、磁共振成像、磁過熱治療等。因此對磁性納米粒子的制備及應用已成為科學界研究的熱點課題。

1 磁性納米粒子的制備方法

目前，物理法、生物法和化學法是制備磁性納米粒子的主要方法。其中，化學法制備的磁性納米粒子在粒子尺寸、形態和種類上容易控制，具有很好的發展前景，且采用化學方法獲得的納米粒子的粒徑較小，生產成本低，操作方法比較容易，所以化學方法是目前研究和生產中主要釆用的方法。磁性納米粒子主要的化學制備方法包括有共沉淀法、水熱法、微乳液法、溶膠-凝膠(Sol-gel)法等。

1.1 共沉淀法

共沉淀法是利用以下化學反應進行的Fe2++2Fe3++8OH-→Fe3O4+4H2O ，該方法工藝簡單方便，原料易得，成本低，但需加入有機分散劑或絡合劑，以提高粒子的分散性和穩定性，防止顆粒之間的聚體[2]。

1.2 水熱法

水熱法是在高溫高壓下，利用一些氧化物在水中的溶解度小于其氫氧化物在水中的溶解度的原理，而使氫氧化物溶于水析出氧化物，得到磁性納米粒子[3]。該方法制備出的粒子具有晶形好、晶粒發育完整、大小可控、純度高、原料便宜、易得到合適的化學計量物等優點。但是要使用耐高溫和耐高壓設備，因存在一定的局限性，而且得到的粒子的分散性和溶解性也不好[4]。

1.3 微乳液法

微乳液法是在表面活性劑的作用下兩種不互溶的液體形成動力學和熱力學穩定的、均勻的、透明的、各向同性、粒徑在1～100nm的分散體系。該體系一般由油相(有機相)、水溶液、表面活性劑(表面活性劑在粒子形成之后一方面可以有效地阻止納米粒子的進一步生長和聚集，從而可以實現對粒子尺寸的有效控制；另一方面可以為粒子提供可溶解性或可分散性)三部分組成[5]。具體分為油分散在水中(O/W)和水分散在油中(W/O)兩種體系。而制備磁性納米粒子的微乳液體系通常是W/O型。在W/O體系中，水相以液滴的形式分布，它的外層包裹著一單層連續相的表面活性劑分子，把在微液滴中分別包有不同反應物的微乳液混合，形成了兩個“微型反應器”，微液滴間不斷地相互碰撞、融合、破裂，納米粒子就可以在這個“微型反應器”內形成。

1.4 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法的基本原理是以金屬醇鹽作為原料，通過水解和聚合反應來制備出金屬氧化物或者金屬氧化物超微粒子。 采用溶膠-凝膠法制備出的納米粒子化學均勻性好、純度高、顆粒小、可溶性微量慘雜組分分布均勻，不會出現分離、偏析現象，合成溫度低，成分容易控制。但是，反應過程中凝膠化過程慢，導致合成周期變長。另外，對于一些不易水解聚合的金屬就很難采用該方法進行制備，因而，該方法的使用也有一定的局限性。

磁性氧化鐵因其優異的性能被廣泛的應用在環境分析和生物活性物質的富集、分離、藥物的靶向運輸以及疾病的診斷、治療等領域，所以在其制備、表面修飾與功能化及應用等方面的研究都引起了各個領域研究者極大的關注。表1對上述所描述的磁性納米粒子的制備方法的優缺點進行了比較。

表1 各種制備方法的優缺點

2 磁性納米粒子在生物醫藥領域中的應用

2.1 固定化酶

酶是一種機體內常用的催化劑。但是，直接用酶作催化劑很容易受環境的影響而使酶失去活性，且在溶液中酶的回收比較困難。因此，在使用酶進行催化反應時往往需要將酶固定在載體中。如果將酶固定在磁性納米微球上不僅能增加酶的穩定性，而且能夠很容易通過磁分離實現酶的回收利用。因此磁性納米粒子作為固定酶的載體具有以下優點①有利于提高酶的穩定性；②有利于從體系中分離和回收固定化酶，操作簡便；③可重復使用固定化酶，從而降低成本。

2.2 靶向藥物轉運

目前，磁靶向藥物的研究主要應用在惡性腫瘤的治療中。超順磁性的四氧化三鐵磁性納米粒子因為粒徑小、毒性低和磁響應性好，使得載藥系統在體內不易聚集、不易堵塞血管，可均勻分布并且擴散到靶區，可以產生良好的治療作用，因此是一種較為理想的靶向材料。

圖1 磁性靶向給藥系統

2.3 細胞分離

磁性納米粒子具有超順磁性，在有外加磁場的作用下能夠迅速被磁化，當撤去外加磁場后則無剩磁。此類磁性納米粒子可以方便有效的用于細胞的分離。因為用磁性納米粒子在分離細胞時，只需要抗體和外加磁場，簡單經濟且靈敏快捷。磁性納米粒子用于細胞分離的示意圖，如圖2所示。

圖2 細胞分離示意圖

2.4 蛋白純化

表面修飾過的磁性納米粒子含有活性功能基團，當目標蛋白識別該活性功能基團并與其可逆結合時，就可以通過施加外加磁場直接利用修飾過的磁性納米粒子從含有目標蛋白的混合液中將目標蛋白分離出來。與傳統的蛋白分離方法相比，該方法操作簡單，便捷快速，分離過程中又不會對蛋白質造成損失。

2.5 磁共振成像

磁共振成像技術由于可以用來對生物內臟器官或軟組織進行快速無損傷檢測，所以成為軟組織病變檢測尤其是腫瘤檢測最有效的臨床診斷手段之一。磁性納米顆粒可以使磁共振檢測信號增強，即作為磁共振造影劑應用于醫療檢測中。磁共振成像就是人體內的氫質子空間分布圖，由于人體內的氫質子數目較多，所以在磁共振圖像上，正常組織和病灶區的信號差別不大，所以，在檢測時需要使用一定的磁共振造影劑來提髙信號對比度。而目前開發的造影劑以超順磁性氧化鐵納米粒子為主。

3 展望

盡管各國學者在磁性納米粒子的制備及初步應用研究等方面進行了大量而卓有成效的工作，但也面臨許多挑戰和問題。包括：(1)磁性顆粒合成方面。雖然各種化學合成方法可用來合成尺寸可控的、各種不同組分的單分散的球形納米晶體，但想合成大量的、尺寸精確可控制的、高質量的磁性顆粒還面臨著許多挑戰；(2)粒子形成過程中成核和增長機理還有待進一步研究；(3)如何提高納米粒子的穩定性和磁響應性。通常提高粒徑可獲得強磁響應的納米粒子，但此方法可降低納米粒子的比表面積和其在溶液中的懸浮穩定性；(4)降低藥物載體的生產成本，使其適合大規模生產;(5)探索多功能磁性納米粒子的制備方法。為能使磁性納米顆粒具有更廣泛的應用價值和更高的使用價值，要求探索多功能磁性納米粒子的制備方法，構建具有磁響應、電響應、光響應和溫度響應等性能的多功能復合磁性納米粒子。這些問題和挑戰是今后致力于磁性納米粒子研究工作的努力方向。