PPY@Fe₃O₄的制備及其磁共振成像和光熱性能

金磊

摘 要： 通過合理轉化殘余鐵（Fe）在聚吡咯（PPY）納米粒子原位生產了磁性四氧化三鐵（Fe3O4）晶體，從而合成PPY@Fe3O4納米粒子.得到的PPY@Fe3O4納米粒子具有突出的橫向弛豫時間（T2）加權磁共振成像（MRI）效果和良好的光熱性能，在腫瘤的診斷和治療中具有良好的應用前景.

關鍵詞： PPY@Fe3O4納米粒子; 光熱性能; 橫向弛豫時間（T2）加權; 磁共振成像（MRI）

中圖分類號： O 614.24文獻標志碼： A文章編號： 1000-5137（2019）02-0178-06

0 引 言

利用光熱轉換試劑將激光的光能轉換為熱能，從而達到高溫殺死細胞的目的.光熱治療技術所使用的近紅外激光的波長范圍為700～1400 nm，對生物組織的穿透能力強，光衰減弱[1].光熱治療技術研究較多的納米光熱材料主要包括4種：① 貴金屬光熱材料，包括金和鈀[2];② 碳基光熱材料，包括碳納米管和石墨烯;③ 半導體光熱材料，這類材料的種類較為豐富，且制備成本低[3];④ 有機化合物光熱材料，主要包括普魯士藍（PB）和吲哚菁綠納米粒子等[4].近來，近紅外吸收有機物質作為腫瘤光熱治療材料也逐漸受到關注[5].聚吡咯（PPY）納米粒子[6]表現(xiàn)出高的光熱性質和良好的光穩(wěn)定性.本研究所制得的PPY@Fe3O4納米粒子作為多功能納米復合光熱材料，可以集診斷和治療為一體.

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

各實驗試劑的質量分數為：吡咯（98%），六水合氯化鐵（III）（97%），聚乙烯醇（PVA，相對分子質量為9000～10000，水解度為80%）和氫氧化銨（28.0%～30.0%），使用的所有化學品無需進一步純化.

1.2 實驗儀器

JEOL JEM-2100透射電子顯微鏡（TEM）;DU-730紫外可見分光光度計;VISTAMPXICP Varian電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-AES）;NM120-Analyst核磁共振成像（MRI）分析儀（上海紐邁公司）;808 nm激光器（上海興隆光電科技有限公司）;SZCL-2溫控磁力攪拌器.

1.3 PPY@Fe3O4納米粒子合成

將吡咯單體加入到含有Fe3+離子和PVA-Fe3+絡合物的PVA水溶液中.通過Fe3+離子誘導吡咯的氧化聚合，形成的PPY粒子被PVA包覆，PVA用作封端劑以控制粒子尺寸以及使粒子高度親水.同時，F(xiàn)e2+離子、未反應的Fe3+離子與PPY納米粒子表面上的PVA形成絡合物，得到PPY@Fe3O4納米粒子[7].

1.3.1 PPY納米粒子的制備

0.373 g的FeCl3加入到10 mL的質量分數為7.5%的PVA中（相對分子質量為9000～10000），攪拌混合物1 h.然后，向其中滴加69.2 μL的吡咯，在3 ℃下進行氧化聚合，在相同溫度下加熱4 h.產生的深綠色PPY納米粒子溶液直接用于下一步驟合成PPY@Fe3O4納米粒子.

1.3.2 PPY@Fe3O4納米粒子制備

取2.5 mL上述步驟得到的PPY納米粒子溶液，用15 mL去離子水和2 mL乙醇稀釋，混合物在攪拌下加熱至70 ℃.30 min后，注入另外1 mL質量分數為1.0%的氨水溶液，并將混合物在70 ℃下再保持30 min.然后，通過11000 r/min離心20 min分離產物，用水洗滌2次，并分散在水中.水溶液分散的PPY@Fe3O4納米粒子儲存在玻璃瓶中，然后用于MRI和光熱性能研究.

1.4 溶液MRI實驗

配置不同濃度的PPY@Fe3O4納米粒子，分散在水中，通過電感耦合等離子體光譜儀（ICP）確定樣品中Fe的含量.0.5 T磁場條件下，進行橫向弛豫時間（T2）加權成像，并測試其縱向弛豫時間（T1）.T2加權成像參數為：中心頻率為539465.45 Hz，重復時間為8000 ms，譜寬為100 kHz.T2由硬脈沖CPMG（Call-Purcell-Meiboom-Gill）序列測得.得到T2后，以樣品的橫向弛豫時間的倒數（1/T2）為縱坐標，物質的量濃度為橫坐標，擬合得橫向弛豫率（r2）.

1.5 溶液光熱實驗

用去離子水配置4個不同濃度的PPY@Fe3O4納米粒子溶液，分別取2 mL樣品置于寬度為0.5 cm，體積為2 mL的石英比色皿中，然后在808 nm激光器照射下（激光密度為 0.3 W·cm-2），光照20 min，每隔1 s檢測一次實時溫度，檢測完后用溫度變化值ΔT做縱坐標，時間t為橫坐標擬合作圖，得到不同物質的量濃度的納米粒子溶液在20 min內的升高溫度曲線.

2 結果與討論

2.1 PPY@Fe3O4納米粒子合成與物理表征

根據TEM圖像可知，所制備的PPY納米粒子尺寸非常均勻（直徑為50 nm），如圖1（a）所示.在70 ℃恒溫將氨溶液加入系統(tǒng)中沉淀Fe3+和Fe2+離子，生成的Fe3O4晶體分散在PPY納米粒子上.通過TEM圖清楚地驗證了Fe3O4與PPY的成功結合，如圖1（b）所示，每個PPY納米粒子結合幾個Fe3O4晶體，總體粒子直徑增加到100 nm，這與紫外吸收分析一致，如圖1（c），（d）所示.

通過紫外近紅外吸收光譜分析，PPY@Fe3O4納米粒子的最大吸收峰在900～1000 nm處，如圖2（c）所示.PPY在水中通過使用PVA作為封端劑，具有更高的分散能力，PPY@Fe3O4納米粒子也容易分散在水中，并且獲得的懸浮液非常穩(wěn)定，幾乎沒有粒子聚集，如圖2（b）所示.其次，分別取Fe離子的物質的量濃度為3.7，7.4，14.8，29.6 μmol·L-1的PPY@Fe3O4納米粒子溶液，測其紫外近紅外吸收[圖2（c）]，發(fā)現(xiàn)在808 nm處的吸收強度隨著粒子濃度增加而線性增加，如圖2（d）所示，這進一步證實了PPY@Fe3O4納米粒子在水中的良好分散性.

2.2 核磁成像

對PPY@Fe3O4納米粒子進行了MRI的研究.在0.5 T下檢測水溶液的T2加權成像和T2值.隨著物質的量濃度的增大，成像也越來越暗，如圖3（a）所示，且呈現(xiàn)明顯的成像梯度，適合于T2加權成像;r2值[8]為176.738 L·mmol-1·S-1，如圖3（b）所示.PPY@Fe3O4納米粒子具有較大的r2值，適合用作T2造影劑.

2.3 光熱性質

為檢測PPY@Fe3O4納米粒子是否是理想的光熱升溫試劑，用808 nm激光器在較小激光密度（1 W·cm-2）條件下，照射材料20 min，觀測其溫度變化（圖4）.由圖4所示，當PPY@Fe3O4納米粒子溶液的物質的量濃度分別為3.7，7.4，14.8，29.6 μmol·L-1時，納米粒子依次上升11.2，17.1，19.4，22.7 ℃，同樣條件下水溫升高3.2 ℃.可以看出：隨著納米粒子濃度增加，溫度也逐漸升高，但是升高的趨勢逐漸減小;同一物質的量濃度的納米粒子，光照開始階段升溫速度很快，隨著光照時間的延長，升溫的速度減慢.以上兩個現(xiàn)象的原因在于：實驗環(huán)境是室溫，隨著樣品溫度的升高，樣品向周圍環(huán)境釋放熱量的趨勢變大.

光熱循環(huán)曲線（圖5）：取Fe離子物質的量濃度為14.8 μmol·L-1的PPY@Fe3O4納米材料進行了4個升溫—降溫的循環(huán)之后，測試到溶液在每一個循環(huán)中溫度都可以升高23.8 ℃，即最大溫差值均為20.4 ℃左右，溫差沒有明顯的變化，在一定程度上說明了PPY@Fe3O4納米粒子的光熱穩(wěn)定性良好，納米粒子并沒有受到高溫的破壞，以及具有良好的光熱效果.所以，該材料用于光熱治療具有一定的優(yōu)勢.

3 結果與展望

Fe離子可用作制備PPY納米粒子的氧化劑，大量的Fe3+和Fe2+保留在所獲得的PPY納米粒子中.這些殘留的Fe離子會作為前體，在預合成PPY納米粒子的表面上原位生產Fe3O4晶體.實驗表明PPY@Fe3O4納米粒子是一種形貌均一、分散性好、水溶性好、有突出的MRI效果，且具有良好的光熱效果、光熱穩(wěn)定性的材料，在腫瘤診療方面具有很大的應用潛力.

參考文獻：

[1] 王仡桐.多功能納米材料用于骨腫瘤的光熱治療 [D].上海：華東師范大學，2018.

WANG Y T.Multifunctional nanoparticles for photothermal therapy of bone tumors? [D].Shanghai：East China Normal University，2018.

[2] 宋國勝.納米半導體光熱轉換材料的合成及在光熱治療和化療上的應用探索 [D].上海：東華大學，2014.

SONG G S.Synthesis of semiconductor photothermal nanomaterials for photothermal and chemotherapy [D].Shanghai：Donghua University，2014.

[3] 苑曉貞.Fe3O4基光熱復合材料的制備及性能研究 [D].青島：青島科技大學，2015.

YUAN X Z.Preparation and performance of Fe3O4 based photo-thermal composites [D].Qingdao：Qingdao University of Science and Technology，2015.

[4] 宋雪嬌，劉莊.有機納米材料在腫瘤光熱治療中的應用 [J].化學通報，2015，78 （4）：292-298.

SONG X J，LIU Z.Organic nanomaterials for photothermal therapy of cancer? [J].Chemistry Bulletin，2015，78（4）：292-298.

[5] 楊濤.復合診療納米粒用于多模態(tài)成像和光熱治療的研究 [D].蘇州：蘇州大學，2015.

YANG T.Theranostic nanocomposites for multimodal imaging and photothermal tumor ablation [D].Suzhou：Soochow University，2015.

[6] LIU M H，HAN M F.Synthesis of nanopolypyrrole [J].Chinese Journal of Synthetic Chemistry，2008，16（5）：583-585.

[7] XIE J，LIU G，EDEN H S，et al.Surface-engineered magnetic nanoparticle platforms for cancer imaging and therapy [J].Accounts of Chemical Research，2011，44（10）：883-892.

[8] 喬樂，李勇，周麗霞.不同濃度FeCl3·6H2O，CuSO4·5H2O和MnCl2·4H2O溶液核磁共振橫向弛豫時間研究 [J].物理實驗，2013，33（8）：37-39.

QIAO L，LI Y，ZHOU L X.Transverse relaxation time of nuclear magnetic resonance of FeCl3·6H2O，CuSO4·5H2O and MnCl2·4H2O solutions [J].Physics Experimentation，2013，33（8）：37-39.

（責任編輯：郁 慧）