不同粒徑超順磁性氧化鐵納米粒子的合成及其在交變磁場中的磁熱效應(yīng)

韓 棟，張寶林，蘇禮超，韓貴華，汪 晟

(1桂林理工大學(xué) 廣西有色金屬及特色材料加工省部共建國家重點實驗室培育基地，廣西 桂林 541004；2桂林理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

超順磁性氧化鐵納米粒子(SPIONs)在交變磁場(ACMF)的作用下，因磁熱效應(yīng)而產(chǎn)生熱量[1]，這種生熱使SPIONs可用于細(xì)胞通道激活[2-4]以及腫瘤磁熱療的研究。辣椒素受體TRPV1陽離子細(xì)胞通道可以被熱刺激(43℃)、辣椒素、外力及pH值等因素觸發(fā)[5]。Chen等[6]通過磁性納米粒子在ACMF中生熱而觸發(fā)TRPV1，來引發(fā)含TRPV1通道的神經(jīng)元放電，通過遠(yuǎn)程控制神經(jīng)元興奮而實現(xiàn)深度腦刺激。這種技術(shù)可用于神經(jīng)信號通路研究及神經(jīng)系統(tǒng)的疾病治療。磁性納米粒子在ACMF中由磁熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量的另一個應(yīng)用是磁熱療，在ACMF的作用下，將溫度升高到40℃以上，達(dá)到破壞腫瘤細(xì)胞的目的[7]。如果將功能分子如葉酸修飾于SPIONs，可以將SPIONs靶向腫瘤部位[8]，實現(xiàn)靶向磁熱療。靶向磁熱療具有效率高及副作用小的特點，因此，有必要系統(tǒng)地研究合成的SPIONs的磁熱效應(yīng)。當(dāng)ACMF的磁場強度和頻率之積高于特定值時，會對健康組織產(chǎn)生有害影響，在實驗過程中必須使磁場強度和頻率之積低于生物學(xué)安全限(5×109A·m-1·s-1)[9]。本工作采用ACMF的固定頻率為425kHz，磁場強度為5.3kA·m-1，其乘積小于上述生物學(xué)安全值。采用改進(jìn)型的多醇熱解法[10-11]，以聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)為溶劑和反應(yīng)劑，聚乙烯亞胺(polyethylene imine,PEI)為添加劑，乙酰丙酮鐵為鐵源，制備了8～16nm不同粒徑的PEG和PEI共同修飾的SPIONs。研究了ACMF中SPIONs的粒徑及濃度對其磁熱效應(yīng)的影響，計算了比能量吸收率(SAR)值，為進(jìn)一步觸發(fā)細(xì)胞通道及磁熱療相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)研究打下了基礎(chǔ)。

1 實驗

1.1 實驗材料

聚乙二醇(PEG，Mw=1000)，化學(xué)純，汕頭市西隴化工股份有限公司；聚乙烯亞胺(PEI，Mw=1800)，99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙酰丙酮鐵(Fe(acac)3)，98%，梯希愛(上海)化成工業(yè)發(fā)展有限公司；甲苯，分析純，汕頭市西隴化工股份有限公司；丙酮，分析純，汕頭市西隴化工股份有限公司。

1.2 實驗儀器

采用X’Pert PRO X射線粉末衍射儀表征SPIONs的物相；MPMS XL-7超導(dǎo)量子干涉儀測定SPIONs的磁性能；JEM-2100透射電子顯微鏡觀察樣品的形貌；ZEN3600納米粒度&Zeta電位分析儀測定樣品的水動力學(xué)粒徑；Optima 7300DV等離子體原子發(fā)射光譜儀測定樣品濃度；SPG-10A-Ⅱ高頻感應(yīng)加熱設(shè)備加熱SPIONs水分散液；UNI-T UT321型數(shù)字測溫儀結(jié)合TT-K-30-SLE Omega熱電偶測量SPIONs水分散液的溫度。

1.3 材料制備

稱取15g PEG和0.3g PEI加入50mL三口燒瓶中，將三口燒瓶置于智能溫度控制器上加熱，同時通入氬氣。三口燒瓶內(nèi)反應(yīng)物升溫至80℃時，將0.7g Fe(acac)3加入三口燒瓶內(nèi)，保溫10min。在三口燒瓶上加上回流管。根據(jù)回流溫度和時間的不同，設(shè)計以下合成方案，樣品A：升溫至260℃，保溫40min；樣品B：升溫至280℃，保溫60min；樣品C：升溫至280℃，保溫120min。保溫時間結(jié)束后，自然冷卻至55℃取出樣品。

將合成的樣品倒入空燒杯中，依次用甲苯及丙酮清洗樣品3次，將樣品分散于去離子水中，使用磁珠分選器濾去樣品中殘余的聚合物[12]，再加入去離子水并進(jìn)行超聲分散，置于4℃冷藏柜內(nèi)保存待用。

1.4 磁熱效應(yīng)的測定

由高頻感應(yīng)加熱設(shè)備產(chǎn)生的交變電流在圖1所示的線圈(線圈由空心銅管制成，內(nèi)通冷卻水，線圈外徑為5.7cm，內(nèi)徑為4.3cm，圈數(shù)為5圈)中產(chǎn)生ACMF磁場，其磁場強度Bm為：

(1)

式中：d為螺線管線圈直徑，mm；N為螺線管線圈匝數(shù)；f為交變頻率，kHz；Up-p為磁感應(yīng)產(chǎn)生的電壓的峰-峰值，mV。打開高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，將連接數(shù)字儲存示波器(TBS 1052B)的螺線管(d= 6mm，N=10)探頭伸入高頻感應(yīng)加熱設(shè)備所接的線圈中央，測量得到的f為425kHz，Up-p為10V，由式(1)可知Bm為5.3kA·m-1。

利用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備對不同粒徑和不同濃度的SPIONs進(jìn)行磁熱效應(yīng)測定，將A，B，C 3種不同粒徑SPIONs樣品的去離子水分散液置于外徑為2.5cm的玻璃瓶中，濃度分別為2.0，1.0，0.5，0.25mg·mL-1，體積均為5mL。將待測樣品放置在圖1所示的線圈中央，加熱高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，定時暫停高頻設(shè)備，將線芯直徑為0.255mm的熱電偶插入SPIONs水分散液中測試其溫度。使用數(shù)字測溫儀即時記錄SPIONs水分散液溫度。通過繪制的時間-溫度曲線，計算SPIONs的SAR，其計算公式如式(2)所示[2]。

(2)

式中：cw為SPIONs水分散液的比熱容，計算為SPIONs和水的質(zhì)量加權(quán)平均數(shù)，因SPIONs的濃度很低，氧化鐵質(zhì)量占比很小，其熱容量可以忽略不計[2]，cw值取為水的比熱容(cw= 4.18J·g-1·K-1)；m為每克SPIONs水分散液中鐵元素的含量；ΔT/Δt為時間-溫度曲線的初始斜率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒徑SPIONs的表征

采用改進(jìn)的多醇熱解法合成了不同粒徑的SPIONs，圖2分別為樣品A, B, C的TEM圖以及粒徑柱狀分布圖?？芍苽涞腟PIONs分散良好，使用Image J軟件測得樣品A，B，C的粒徑大小分別為(8.7±1.2)，(12.6±2.5)，(15.3±3.3)nm。當(dāng)回流溫度由260℃升高到280℃，SPIONs的粒徑由8.7nm增加到12.6nm；而當(dāng)回流溫度一定(280℃)時，將回流時間增加1倍，SPIONs的粒徑由12.6nm增加到15.3nm。說明在合成SPIONs的過程中，改變回流溫度和合成時間可以在一定范圍內(nèi)控制晶粒粒徑的大小[13]。但合成溫度在280℃以上時PEG會發(fā)生明顯的分解，進(jìn)一步延長保溫時間SPIONs粒徑增長緩慢，而且粒度大小分布很不均勻。不同粒徑的SPIONs可用于研究在ACMF作用下磁熱效應(yīng)的尺度依賴性。不同條件下合成的SPIONs的物相組成基本不變，圖3為SPIONs樣品A，B，C的XRD譜圖。該譜圖顯示，樣品A，B，C均在30.09°，35.44°，43.07°，53.43°，56.96°，62.55°處出現(xiàn)衍射峰，對應(yīng)Fe3O4的PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS 01-085-1436)上(220)，(311)，(400)，(422)，(511)，(440)晶面，表明樣品中含有Fe3O4晶相。隨著回流溫度和回流時間的增加，晶粒增大，樣品A，B，C的衍射峰增高，半峰寬減小。

圖2 樣品的TEM圖(1)和粒徑分布圖(2)(a)樣品A；(b)樣品B；(c)樣品CFig.2 TEM images(1) and particle size distribution(2) of the samples(a)sample A;(b)sample B;(c)sample C

圖3 SPIONs樣品的XRD譜圖Fig.3 XRD patterns of the SPIONs samples

表1為樣品A，B，C合成時的設(shè)置參數(shù)，粒徑和Zeta電位測試結(jié)果。SPIONs在去離子水中的膠體穩(wěn)定性是由吸引力和排斥力之間的平衡引起的，本課題組之前的分析結(jié)果表明[14]，PEG和PEI在SPIONs表面的結(jié)合方式如圖4所示。PEG通過COO—直接連接在SPIONs上；PEI依靠—NH2結(jié)合在SPIONs表面；連接在氧化鐵表面的PEG或PEI通過氫鍵彼此結(jié)合。從理論上講，吸引力來自于范德華力、偶極和磁偶極力，而斥力主要來自于靜電斥力(表1所示SPIONs均呈正的表面電性)和聚合物形成的空間位阻效應(yīng)，這些排斥力使得膠體保持穩(wěn)定分散[11]。樣品的水動力學(xué)粒徑在3個月后并未有很大變化，說明合成SPIONs之后，其表面修飾層之間的空間位阻效應(yīng)和靜電斥力阻止了SPIONs之間的團(tuán)聚，使合成的SPIONs在水分散液中表現(xiàn)出穩(wěn)定分散的特點。

表1 SPIONs的合成參數(shù)、粒徑及Zeta電位Table 1 Synthesis parameters, particle size and Zetapotential of SPIONs

一般情況下，大粒徑的氧化鐵納米粒子有較強的飽和磁化強度[15]，圖5為3種樣品在300K下的磁滯回線。樣品A，B，C的飽和磁化強度依次為31.4，50.3，60.6A·m2·kg-1，說明飽和磁化強度隨粒徑減小而降低。納米粒子表面有結(jié)晶性差甚至非晶的表層結(jié)構(gòu)，造成表面電子自旋傾斜而降低了飽和磁化強度[16-18]。納米粒子粒徑越小，表面層占比越大，使得磁性納米材料的飽和磁化強度越小。圖5中的磁滯回線放大圖表明，SPIONs在300K均表現(xiàn)出較小的矯頑力(<2.39kA·m-1)，非零的矯頑力很可能是SPIONs在冷凍干燥中制成粉末樣品時團(tuán)聚導(dǎo)致的，但只要矯頑力小于2.39kA·m-1，一般就認(rèn)為樣品是屬于超順磁性的[19]。同時，由電泳粒度結(jié)果(表1)可以看出，SPIONs在水分散液中分散性很好，即實際的SPIONs的剩磁應(yīng)該更小，屬于超順磁性納米粒子。

圖4 SPIONs的合成及表面修飾示意圖Fig.4 Schematic diagrams of SPIONs synthesis and surface modification

圖5 樣品A，B，C在300K下的磁滯回線Fig.5 Hysteresis loops of sample A, B and C at 300K

2.2 不同粒徑SPIONs在交變磁場中的升溫效果

圖6是不同濃度的樣品A，B，C的水分散液及純?nèi)ルx子水在頻率425kHz及磁場強度為5.3kA·m-1的ACMF作用下的升溫曲線。實驗中采用細(xì)而靈敏度高的熱電偶對SPIONs水分散液進(jìn)行溫度檢測。結(jié)果表明，在初始溫度為20℃時，去離子水溫度沒有明顯變化，說明磁場作用對去離子水未產(chǎn)生影響(較小的溫升應(yīng)是線圈發(fā)熱后熱傳導(dǎo)所致)。粒徑為8.7，12.6，15.3nm的3種SPIONs的水分散液在480s內(nèi)溫度分別升高了25，27，35℃，樣品的濃度越高，溫度升高得越快，這些SPIONs均具有用于腫瘤磁熱療和打開膜通道的潛力[20]。2.0mg·mL-1溶液的每克樣品含鐵量為1.45×10-3g，利用式(2)計算可得樣品A，B，C在ACMF作用下的SAR值(表2)。在相同濃度時，SPIONs的粒徑越大，其升溫效率越高[21]，表明樣品的磁熱效應(yīng)具有納米粒子粒徑依賴性。當(dāng)濃度為0.25mg·mL-1時，樣品C的SAR值達(dá)到最高，為810W·g-1，但同一粒徑的樣品由低濃度到高濃度時，SAR值逐漸減小。

圖6 樣品的水分散液在交變磁場作用下溫度隨時間變化的曲線(a)樣品A;(b)樣品B；(c)樣品CFig.6 Time dependent temperature curves of the samples in aqueous dispersion under ACMF(a)sample A;(b)sample B;(c)sample C

Concentration/(mg·mL-1)SAR value/(W·g-1)Sample ASample BSample C2.01401432011.02082182890.53463594730.25590646810

SPIONs在ACMF中的磁熱效應(yīng)來自于粒子的弛豫損耗(布朗弛豫損耗和尼爾弛豫損耗)[22]，其中布朗弛豫損耗來源于ACMF的作用下，粒子的轉(zhuǎn)動滯后于ACMF的變化，磁性納米粒子在液體中轉(zhuǎn)動與液體產(chǎn)生的摩擦；尼爾弛豫損耗來源于磁性粒子內(nèi)的磁矩方向隨外磁場方向變化所產(chǎn)生的損耗。弛豫損耗是SPIONs在外磁場中產(chǎn)熱的原因，尼爾弛豫和布朗弛豫中弛豫時間越小，對弛豫損耗貢獻(xiàn)越大。布朗弛豫時間τB和尼爾弛豫時間τN為：

(3)

(4)

式中：η是載液的黏度，T=300K時，η=0.85×10-3Pa·s；r是粒子的水動力學(xué)半徑；k是玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J·K-1；τ0為時間常數(shù)，約為10-9；V是粒子的體積；K是各向異性常數(shù)，K=1.35×104J·m-3。結(jié)合2種弛豫機制，體系中的有效弛豫時間為：

(5)

樣品A，B，C的弛豫時間計算結(jié)果見表3。表明尼爾弛豫時間小于布朗弛豫時間，說明在本體系中，導(dǎo)致SPIONs在ACMF下的磁熱效應(yīng)主要來自于尼爾弛豫損耗，而布朗弛豫的貢獻(xiàn)相對較小。這與Deatsch等的結(jié)論一致，即粒徑小于15nm的納米粒子的產(chǎn)熱機制是由尼爾弛豫主導(dǎo)的，隨著粒徑的增大，布朗弛豫對產(chǎn)熱的貢獻(xiàn)愈加明顯。

表3 樣品A，B，C的弛豫時間Table 3 Relaxation time of sample A, B and C

除采用SAR值來衡量磁性納米粒子在ACMF中的磁熱效應(yīng)外，也可由損耗功率P來表示：

P=(mHωτ)2/[2τkTρV(1+ω2τ2)]

(6)

式中：m為粒子磁矩；ω為角頻率(ω=2πf)；H為交變磁場的振幅；ρ為鐵密度。根據(jù)式(6)，功率損耗P取決于粒子的弛豫時間和交變磁場頻率，當(dāng)ωτ=1時，P值達(dá)到最大。在固定頻率為425kHz及磁場強度為5.3kA·m-1的ACMF下，樣品A，B，C的ωτ經(jīng)計算分別為8×10-3，8×10-2，1，即樣品C的P值最大，此結(jié)果也說明了樣品的磁熱效應(yīng)具有納米粒徑大小的依賴性，與之前分析SAR值的測試計算結(jié)論一致。

由表2顯示，隨著樣品濃度的提高，SAR值出現(xiàn)相反的變化趨勢。通過繪制SAR值與樣品濃度之間的關(guān)系圖(圖7)，可見樣品A，B，C的SAR值與樣品濃度負(fù)相關(guān)。本結(jié)果與文獻(xiàn)[23]的結(jié)論一致。當(dāng)尼爾弛豫效應(yīng)為主時，磁性納米粒子的SAR值隨濃度增加而減小。濃度較高的情況下，在交變磁場中，鄰近粒子之間的相互作用會形成鏈狀結(jié)構(gòu)，這些鏈狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的磁性納米粒子之間通過偶極相互作用,而構(gòu)成比較穩(wěn)定的磁結(jié)構(gòu)，因此形成較高的有效能壘。從式(4)可見，SPIONs的有效能壘(Eb=KV)與尼爾弛豫時間(τN)呈指數(shù)增加的關(guān)系，τN的增大降低了SPIONs在ACMF下的升溫效率，導(dǎo)致SAR值減小。

散熱性角度分析，隨著SPIONs濃度降低，粒子間的平均距離增大，SPIONs粒子的散熱更快，散熱效率越高，因此測得的SAR值就越大。磁性納米粒子的濃度必須控制在盡可能低的范圍內(nèi)，最大限度地提高納米粒子在ACMF下的散熱效率，以便能夠測得磁性納米粒子更本證的SAR值。

圖7 交變磁場下樣品濃度與SAR值的線性關(guān)系(a)樣品A;(b)樣品B；(c)樣品CFig.7 Linear relation of the concentration of the samples and SAR value under ACMF(a)sample A;(b)sample B;(c)sample C

3 結(jié)論

(1) 采用多醇熱解法制備了粒徑分別為8.7，12.6，15.3nm的SPIONs，SPIONs晶相主要為Fe3O4相。3種SPIONs樣品在去離子水中具有較好的分散性，水動力學(xué)粒徑分別為22.1，22.5，25.8nm，飽和磁化強度依次為31.4，50.3，60.6A·m2·kg-1。3種SPIONs的矯頑力均小于2.39kA·m-1，表現(xiàn)出良好的超順磁性。

(2)不同粒徑SPIONs的水分散液在固定頻率425kHz、磁場強度為5.3kA·m-1的ACMF作用下，隨著SPIONs粒徑的增大和分散液濃度的增高，升溫速率均增高，粒徑為8.7，12.6，15.3nm的SPIONs在480s內(nèi)的溫升最大值分別為25，27，35℃。

(3)尼爾弛豫時間比布朗弛豫時間小，說明SPIONs在ACMF下的磁熱效應(yīng)主要來自于尼爾弛豫損耗。隨著SPIONs粒徑的增大，SPIONs的SAR值增大，說明SPIONs在ACMF作用下的磁熱效應(yīng)具有納米粒徑依賴性。當(dāng)SPIONs的粒徑為15.3nm、濃度為0.25mg·mL-1時，SAR值最高可達(dá)810W·g-1，SAR值與SPIONs的水分散液濃度呈負(fù)線性相關(guān)。