磁性纳米颗粒及其在生物医学领域中的应用

超顺磁性 Fe3O4 颗粒 癌症的诊断与治疗 超顺磁性 Fe3O4 颗粒 癌症的诊断与治疗 超顺磁性 Fe3O4 颗粒 MR 成像 Fe3O4、 γ-Fe2O3 生物磁分离 CrO2、 超顺磁性 γ-Fe2O3
增加生物相容性， 抗蛋白质吸附， 改善特殊细胞吸收及靶向性 [16,17] 防止团聚，增加生物相容性 热稳定性好，亲水性极好 [18] [19] [20] [21] [22] [23]
1 引言
随着纳米技术的快速发展，纳米材料特别是 磁性纳米颗粒(magnetic nanoparticles, MNP)在生 物医学领域引起了人们极大的研究兴趣
[1,2]
2 磁性纳米颗粒的制备方法
磁性纳米颗粒主要包括：铁的氧化物如 Fe3O4、γ-Fe2O3；纯金属如 Fe、Co；其它磁性化 合物如 MgFe2O4、MnFe2O4、CoFe2O4；磁性合金 如 CoPt3、FePt[4]等。其中 Fe3O4 和 γ-Fe2O3 这一类 铁氧化合物应用最为广泛。 随着磁性纳米颗粒合成技术的发展，已成功 研发出了一系列制备形状可控、稳定性好、单分 散磁性纳米颗粒的方法, 如共沉淀法、高温分解 法、 水热合成法、 微乳液法等, 其中共沉淀法和高 温分解法是最常用的制备方法，已得到广泛的应 用。表 1 列出了一些较常用的纳米颗粒制备方法 及其特征。
性磁性颗粒应用于药物载体、磁性分离和细胞的 分选。近年来由于其可作症热疗。目前 较为成熟、发展较快的应用主要包括：（1）生物 细胞分离、（2）靶向热疗、（3）靶向给药、药 物载体、（4）核磁共振造影剂等。 4.1 生物分离 生物分离是指利用功能化磁性纳米颗粒的表 面配体（或受体）与受体（或配体）之间的特异 性相互作用（如抗原-抗体和亲和素-生物素等）来 实现对靶向性生物目标的快速分离。传统的分离 技术主要包括沉淀、离心等过程，这些纯化方法 的步骤繁杂、费时长、收率低，接触有毒试剂， 很难实现自动化操作。而磁分离技术具有快速、 简便的特点，能够高效、可靠地捕获特定的蛋白 质或其它生物大分子。基于磁性纳米颗粒的超顺
[24,25]
肿瘤部位后，置于交变磁场中进行热疗，测得肿 瘤部位温度可达到 41～46℃。郑元青等[30]采用反 相微乳液法制备的叶酸-磁性淀粉纳米颗粒 （FA-StNP@Fe2O3），在交变磁场下作用 30min， 可使环境温度升高到 42～43℃，显示其具有一定 的磁热效应。 且将纳米颗粒分别与 HUEC-12 正常 细胞和 Hela 肿瘤细胞共同培养，细胞凋亡率为 13.4%，叶酸修饰有助于 FA-StNP@Fe2O3 纳米颗 粒靶向识别 HeLa 细胞。 4.3 靶向给药 传统的抗癌药物通过血液循化分布于体内各 脏器，缺乏对肿瘤部位的特异性，需要很大的剂 量才能达到预期的治疗效果。此外，在杀死肿瘤 细胞的同时也攻击正常细胞，对患者造成严重伤 害，使抗癌药物的疗效受到限制。因此，研究者 开始了靶向给药的研究，由于磁导向给药有方法 简单、易于控制、无创伤等特点而备受青睐。 靶向给药一般可分为被动靶向和主动靶向。 被动靶向是通过载体的非特异性（如电荷、疏水性 和尺寸等）使药物载体到达靶部位，主动靶向则是 在载体与靶部位间的特异性作用（如抗原-抗体、 磁性靶向）驱动下到达靶组织或器官的。因主动靶 向更具可控性，故受到大多数研究者的关注。磁性 磁性 载药微球应用于给药系统的基本原理为[31,32]： 载药微球作为药物载体，被注射到体内，在外部 施加一定磁场，利用磁性载药微球的流动性和磁 场的诱导性，将磁性载药微球移向病变区，然后 药物以受控方式 （酶的活性或者生理条件的改变， 例如 pH、渗透压浓度和温度等）缓慢定位释放， 集中在靶区发挥作用。利用磁性纳米颗粒作为药 物载体具有使用便捷、 可增加病变部位药物浓度、 减少药物毒副作用及提高药效等优点，在癌症治 疗中，优势显而易见，故又被称为“磁控导弹”， 应用前景广阔。目前所承载的化疗药物已经有阿 霉素、甲氨喋呤、丝裂霉素、米托蒽醌、顺铂、 多西紫杉醇等。 林本兰等[33]通过化学共沉淀法制备出粒径均 匀、生物相容性好的白蛋白包覆的纳米 Fe3O4 磁 性微球，这种磁性白蛋白微粒不但被用作化疗药 物载体， 还被用于磁性微球栓塞及磁流体热疗等。 他们 [34] 还采用二步法制备了磁性靶向紫杉醇微 球，实验表明，纳米 Fe3O4 晶粒被紫杉醇的非晶 包覆，载药量为 3.013%，包封率为 35.26%。
磁性材料及器件
2010 年 10 月
表1
制备 方法 共沉 淀法 微乳 剂法 溶胶凝胶法 高温 分解法 Polyol 法 机械合 金化法 电弧 熔化法 基本原理
纳米磁性颗粒常用制备方法及特点
合成颗粒 平均尺寸 nm 3～20 4～15 4～50 4～20 类球形 或球形 球形 球形 颗粒 形貌 球形 立方体 或球形 球形 磁性能 20～50 A·m2/kg 超顺磁性 >30 A·m2/kg 超顺磁性 10～40 A·m2/kg 超顺磁性 超顺磁性 H0c～530Oe 46℃～47℃ 超顺磁性 <100Oe TC=298K 文献 [5,6] [7] [8] [9]
。磁性
纳米颗粒是一类智能型的纳米磁性材料，既具有 纳米材料所特有的性质如粒径小、比表面积大、 偶连容量高，又具有磁响应性及超顺磁性，可以 在恒定磁场下聚集和定位、在交变磁场下吸收电 磁波产热。利用这些特性磁性纳米颗粒被应用于 生物标记与分离、 核磁共振成像(MRI)、 组织修复、 本文综述 药物载体以及疾病诊断与治疗 等方面。 了磁性纳米颗粒在生物分离、靶向给药、热疗及 磁共振成像对比剂等方面的应用，并对其在生物 医学领域的应用前景进行了展望。
Magnetic Nanoparticles and Their Applications in Biomedicine
XU Xing-xing, ZHU Hong College of Material Science and Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China Abstract: Magnetic nanoparticles have draw great attention on biomedical applications for their superparamagnetism and nanometer characteristics. In this paper we review the synthesis, surface modification, and applications in the field of biological separation, hyperthermia, targeted drug delivery and magnetic resonance imaging (MRI). And a brief outlook on the application is presented. Key words: magnetic nanoparticles; biological separation; hyperthermia; targeted drug delivery; MRI
面活性， 且由于其表面静电效应颗粒之间发生排斥 作用，氧化和团聚现象得到抑制，而且还可以改变 其表面功能基团， 使其带上一些与生物体比较相容 的基团，更好地应用于医学领域。由于它们显著的 特性和巨大的应用前景， 纳米磁性颗粒的研究是纳 米生物领域近年来研究的热点之一。 磁性纳米颗粒的表面改性有两种途径：一种 是改性材料（通常为一些有机小分子化合物）与 颗粒表面依靠化学键结合；另一种方法则是用有 机或无机材料直接包裹磁性纳米颗粒，主要包括 表面活性剂、高分子聚合物、贵金属以及二氧化 硅等，具体如表 2 所示。
细胞分离、 免疫测定 增加稳定性，可与多种蛋白质结合 细胞分离 增加稳定性与生物相容性，有助于生物粘附
聚丙烯酸（Polyacrylic acid） NiFe2O4 聚丙烯酰胺 （Polyacrylamide） Fe3O4 颗粒 聚丙交酯 （Poly （DL-Lactide） ） Fe3O4
细胞分离、 药物输送 防止团聚，增加稳定性，亲水性好 药物输送 增加生物相容性，将低毒性
γ-Fe2O3 CoFe2O4 5～100 Fe-Co Fe-Ni Cu-Ni Ni Gd-C 300～400 10～50
[10,11] [12] [13]
表2
聚合物/有机体物质 葡聚糖（Dextran） 白蛋白（Albumin） 聚乙二醇（PEG） 叶酸（folic acid） 淀粉（starch） 聚甲基丙烯酸 β-羟乙酯 （PHEMA） 聚乙烯/抗生物素蛋白 （Polyethylene/avidin）
综述·动态·评论
磁性纳米颗粒及其在生物医学领域中的应用
徐星星，朱 宏
（南京工业大学 材料科学与工程学院 纳米生物技术研究所，江苏南京 210009）
摘 要：磁性纳米颗粒因其独特的超顺磁性质和纳米特性，在生物医学领域得到了日益广泛的应用。本文
系统评述了磁性纳米颗粒的制备方法、表面改性及其在生物分离、靶向热疗、靶向给药以及核磁共振成像等生 物医学领域中的应用，并对其应用前景进行了展望。 关键词：磁性纳米颗粒；生物分离；热疗；靶向给药；核磁共振成像 中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1001-3830(2010)05-0007-05
铁和亚铁离子的混合溶液中加入碱，使溶液的 pH 值上升，伴随机械搅拌沉 γ-Fe2O3 Fe3O4 淀出纳米颗粒：Fe2++2Fe3++8OH-=Fe3O4+4H2O 水/油(W/O)微乳剂系统中，水合相微滴截流在连续油相的表面活性剂分子里. γ-Fe2O3 稳定的表面活性剂分子的微孔(大约 10nm)限制了颗粒的形核、长大与团聚. Fe3O4 以有机或无机铁盐为原料，在有机介质中进行水解、缩聚反应，使溶液经溶 γ-Fe2O3 Fe3O4 胶-凝胶过程得到凝胶，凝胶经加热(或冷冻)干燥、煅烧得到颗粒. 将本体溶液通过喷雾喷入反应室，浮质小液滴在反应室经历溶剂挥发溶质浓 γ-Fe2O3 Fe3O4 缩，在高温下干燥和热分解沉淀纳米颗粒. 根据金属前驱体在液体多羟基化合物中溶解度的变化，当搅拌或加热溶液到 某一温度(沸点)时，沉淀纳米颗粒. 将 Cu 粉与 Ni 粉按配比混合后球磨两小时， 放入氧化铝坩埚中加热至 1465℃ 保温 3h 始终通入 N2.在湿环境下进一步研磨 3~7 天. 通过电弧对块体材料激发得到纳米颗粒