磁-金纳米粒子的制备及其生物医学应用进展.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:国家自然科学基金青年项目()四川省创新人才项目()油气田应用化学四川省重点实验室开放基金项目()作者简介:王红彬()男山东德州人西南石油大学在读硕士研究生师从刘一丁研究员从事功能性磁金纳米复合材料的制备、光学性能调控及应用研究 电话:.通信作者:刘一丁研究员磁金纳米粒子的制备及其生物医学应用进展王红彬刘一丁(西南石油大学 化学化工学院四川 成都)摘 要:综述了近年来磁金纳米粒子的合成及其在生物医学成像诊断和生物医学治疗上的最新应用研究进展从磁性纳米粒子的制备方法、磁金纳米粒子的合成方法、磁金纳米粒子作为成像造影剂用于生物医学多模态成像及“无背景”成像、磁金纳米粒子作为诊疗一体化探针用于医学诊疗一体化几个方面进行了概述并对磁金纳米粒子未来的发展及应用前景进行了展望关键词:纳米复合材料磁金纳米粒子生物医学成像多模态成像“无背景”成像诊疗一体化中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.“”.:“”随着纳米技术的飞速发展将不同材料整合到同一纳米平台上以实现多种功能成为可能 磁金纳米粒子()结合了磁性纳米粒子()的磁性和金纳米粒子()的等离子体特性并且具有易于表面修饰、理化稳定性良好、生物相容性高等优点在过去十几年里引起了研究人员的广泛关注 和 合成、表面改性、表征方法的日益成熟及其生物医学应用研究的深入为开发具有理想理化性能(尺寸、形状、光学性能等)的多功能 奠定了良好的基础 得益于自身优异的磁性能及光学性能 在催化、传感、生物医学诊断、生物医学治疗等领域都具有广阔的应用前景 被广泛用作光声成像()、磁共振成像()等多种生物医学诊断方法的成像造影剂及靶向药物递送()、光热疗法()等多种生物医学治疗方法的治疗剂 用作多模态成像及“无背景”成像造影剂可以克服疾病诊断中传统单模态成像技术的局限性提高成像的空间分辨率和灵敏度有效排除背景信号干扰更加全面、精确的提供诊断所需信息此外 用作诊疗一体化探针可以实现多种诊疗方法协同作用大幅提升疗效 在生物医学领域的突出表现使其在生物医学应用研究中备受关注 本文综述了近年来 的合成及其在生物医学应用研究进展 并对 未来的发展及应用前景进行了展望 磁金纳米粒子的合成 由磁性部分和等离子体部分组成主要为核壳结构还有 结构、蛋黄壳结构等 的合成通常包括磁性纳米粒子合成和金组分的结合(修饰)两部分下面具体介绍了磁性纳米粒子和磁金纳米粒子的合成方法.磁性纳米粒子的合成磁性纳米粒子包括金属(、等)、合金(、等)、金属氧化物(铁氧体、钴铁氧体等)等 磁性氧化铁纳米粒子()因为具有合成方法简单可控、成本低廉、生物相容性好、易于应用化工第 卷金的可控黏附生长等优势成为制备 的理想磁性材料 具有理想理化性能 可以通过共沉淀法、热分解法、溶胶凝胶法、微乳液法等方法合成.共沉淀法共沉淀法是水相制备 的代表性方法具有生物安全性高、反应速率快、反应条件温和等优势可以快速、大量制备亲水性和生物相容性的 在碱性溶液中按 的比例共沉淀 和 可以制得磁性 反应通常在惰性气体(或)保护下进行 等在氮气保护下通过向反应溶液中加入氨水将溶液 调至 用共沉淀法制得了超顺磁性纳米粒子并用柠檬酸进行了刻蚀和表面修饰产物粒径约为 饱和磁化强度为 /具有良好的水分散性 等通过在共沉淀过程中施加交变磁场及外部水冷将成核和生长阶段分离使用物理场辅助策略改进的共沉淀法制得了粒径约为 的超顺磁性 样品结晶和磁性能显著改善饱和磁化强度高达 /通过控制反应的、离子种类、离子强度等可以实现对 尺寸和形状的调控.热分解法热分解法是有机溶剂中制备 的经典方法乙酰丙酮铁()、油酸铁()和五羰基铁()等金属有机前体与油酸、油胺等表面活性剂一起在高温下反应得到单分散、高结晶度的 等在油酸和油胺存在下在二苯醚中高温热分解()通过控制反应时间制得了直径分别为 和 的 具 有 高 结 晶 度 的 等开发了一种用于热分解法制备小尺寸 的能均匀控制反应条件的流动反应器成功制备了粒径约为 的小尺寸 并详细探究了反应温度、压力、停留时间、表面活性剂的浓度等因素对制备的 尺寸、磁性和弛豫性等性质的影响热分解法可以可控地合成具有所需尺寸和形貌的高结晶度 但由于合成的 被有机配体包覆通常需要额外的表面修饰以实现在水相中的溶解及后续的生物医学应用.溶胶凝胶法溶胶凝胶法是合成纳米材料的一种常用方法可用于制备具有可控尺寸、形貌的 在溶胶凝胶法中将适当的前体化合物(铁盐)在溶液中加热处理使其形成凝胶并通过后续的煅烧和退火步骤得到 等以()作为前体葡萄糖、作为稳定剂和表面配体在乙二醇溶剂中通过溶胶凝胶法制备了尺寸约为.的超顺磁性 纳米立方体 等用绿色芦荟提取物作为表面活性剂通过溶胶凝胶法合成了具有不同尺寸和形状的 纳米结构 通过简单改变芦荟提取物浓度可以制备出 纳米带、纳米球和纳米团簇等具有不同形状的 除了上述方法外 还可以通过生物方法、微乳液法、水热法等方法制备 广泛开发的各种合成方法为磁金纳米粒子的制备提供了多样化选择极大地推动了磁金纳米粒子的可控合成及其生物医学应用研究.磁金纳米粒子的合成根据 金组分与磁性组分的结合方式可以将 分为有“中间层”的 和无“中间层”的 通过金前体的直接还原法可以实现金组分与 的直接结合制备无“中间层”的 有“中间层”的 通常以聚合物聚乙烯亚胺()、聚乙烯吡咯烷酮()等、薄层二氧化硅及硅烷偶联剂氨丙基三甲氧基硅烷()、氨丙基三乙氧基硅烷()等等具有增强 稳定性能力且能为 的附着提供结合位点的物质作为中间层对 进行表面修饰以便于金纳米粒子后续的黏附、生长.无“中间层”的磁金纳米粒子的合成 金前体的直接还原法可以实现金组分与磁性组分的直接结合制备无“中间层”的 最常用方法是向 与氯金酸()的混合溶液中加入柠檬酸钠、硼氢化钠等还原剂在一定的反应条件下还原金前体得到无“中间层”的 、还原剂的浓度及反应温度等条件都需要精确控制避免导致 的自成核、生长产生游离的 而不是 等用共沉淀法制备了柠檬酸钠修饰的 纳米粒子通过将 纳米粒子加入一定浓度的 沸腾溶液中成功将金纳米粒子沉积在 表面开发了粒径约为 金壳厚度为 的近球形多功能 等使用简单的种子介导生长方法制备了粒径约为 具有优异的 治疗效果及、和 相结合的多模态成像能力的尖状 首先通过共沉淀法制备了粒径约 的柠檬酸钠稳定的 纳米粒子并通过还原 和混合溶液中 在 表面涂覆了一层金制备了 种子 最后通过向柠檬酸钠、氯金酸、对苯二酚组成的生长溶液中加入 种子成功制备了在近红外区域具有显著光吸收的尖状 无“中间层”的 合成方法简单可以在短时间内获得在水中具有良好分散性能的金包覆的 但在对样品的尺寸、形貌及均匀性控制上还存在一定的挑战.有“中间层”的磁金纳米粒子的合成有“中间层”的磁金纳米粒子首先需要用 氨丙基三第 期王红彬等:磁金纳米粒子的制备及其生物医学应用进展甲氧基硅烷、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯烷酮等对磁性纳米粒子进行表面修饰修饰后的 与金纳米球、金纳米板、金纳米棒等 结合可以制备 结构 以上述 作为种子通过种子生长法在其表面沉积金可制备磁金纳米球、磁金纳米棒、磁金纳米星等核壳结构的 等报 道 了 一 种 无 空 间 限 制 生 长 的 制备方法合成了金壳层厚度均匀消光光谱从可见区到近红外区可调谐的具有良好等离子体特性的 该方法通过静电相互作用将 引入以聚丙烯酸()为封端配体的超顺磁性 表面并通过静电吸附将四羟甲基氯化磷()还原的金种子固定在 表面 然后通过酚醛缩聚反应在其表面覆盖了一层可变形、高渗透性的酚醛树脂()用于调控 的种子生长 最后过氧化氢作为还原剂在弱碱性条件下进行种子生长制得了具有均匀金壳层的 层抑制了金原子的径向沉积并为金壳层的形成提供足够的空间过氧化氢作为弱还原剂可以有效避免金的自成核 等设计了光学性质可调的磁金纳米板 使用高温油相法合成了超顺磁性 并通过四甲基氢氧化铵()改性使其具备良好的水溶性改性后的 用溶胶凝胶法涂覆薄层二氧化硅通过表面沉积 实现胺基功能化最后将 修饰的 与金三角板混合通过胺基与金表面的强配位作用 与 结合制得 修饰的 可以和金纳米棒、金纳米球、金纳米星等各类 结合该方法可用于开发不同结构和性能的 结构 等报道了具有各向异性的磁金纳米棒的制备方法 通过水解法制备了均匀的 纳米棒并用 进行修饰在表面涂覆层后用 对 纳米棒进行了修饰通过静电吸附将金种子固定在表面 然后通过酚醛缩聚反应在其表面覆盖了 层并通过种子生长制得了金壳层厚度可控的 磁金纳米粒子的生物医学应用磁金纳米粒子具有优异的磁性能及光学性能在生物医学成像和治疗上有广阔的应用前景 已被开发用于光声成像、磁共振成像、光学相干断层扫描等多种生物医学诊断方法的造影剂并作为治疗剂用于靶向药物递送、磁热疗法、光热疗法、光动力疗法等多种治疗方法 本章主要总结了 在多模态成像、“无背景”成像和诊疗一体化等新型生物医学诊疗方法上的应用.多模态成像多模态成像是一种新兴的生物医学诊断方法可用于多种成像方法的 造影剂可以将两种或多种成像方式组合起来实现多种成像方法的优势互补 多模态成像克服了疾病诊断中传统单模态成像技术的局限性可以有效提高成像的空间分辨率、灵敏度和组织穿透深度 等报道了一种用作多模态成像的多功能 结构磁金纳米星并研究了磁、金组分的比例及磁金纳米星的大小和形态对其成像性能的影响 该材料在近红外一区()表现出强烈的等离子体共振()并展现出出色的光热转换效率 磁金纳米星用作造影剂显著提高了成像对比度在 射线计算机断层扫描、加权核磁共振成像、光声成像、表面增强拉曼光谱()成像及暗场下的显微镜成像中都表现出优异的性能 等通过层层自组装法合成了刺激响应的磁金纳米花该材料可以通过响应肿瘤微环境中的谷胱甘肽()释放 开启其 加权 信号显著提高肿瘤部位的 信号强度并增强光声成像的对比度实现 响应的肿瘤多模态成像.“无背景”成像在传统的医学成像中有效排除背景信号提高成像的特异性、分辨率及信噪比仍然具有挑战“无背景”成像可以通过磁场、光、热等外部刺激动态调制成像信号并通过图像重建消除或减弱背景信号 各向异性的磁金纳米棒在近红外区有显著的 并且可以快速、可逆的响应外部磁场 等及其同事设计了一种各向异性的磁金纳米棒由于其取向相关的光学特性通过施加磁场能够实现对 及 信号主动调制 在交变磁场下磁金纳米棒产生的成像信号会表现出周期性变化通过快速傅里叶变换()可以将时域信号转换为频域强度 根据频率阈值重建图像有效排除了背景信号的影响显著提高了成像信噪比.诊疗一体化诊疗一体化是将多种造影剂和治疗剂整合到同一纳米平台中以实现诊断和治疗的协同作用达到更好的疾病诊疗效果 该方法可以实现疾病的精确识别、高效治疗及治疗效果的实时监测有利于疾病的精细化治疗大幅提高治疗效果和治愈成功率 等报道了一种用于光声成像、磁共振成像及磁场引导的饥饿疗法()、化学动力疗法()、光热疗法()协同作用的诊疗一体化探针 核卫星结构的 以磁螺菌中提取的天然 磁小体为核心通过 在其表面的原位生长合成、三联治疗后肿瘤细胞的存活率仅为.显示出显著优于单联治疗的疗效 外加磁场可以实现诊疗一体化探针在肿瘤部位的选择性积累有效提高成像及治疗效果应用化工第 卷 具有易于表面修饰的特点除了基于其自身理化特性开发的各种诊疗一体化探针之外还可以通过简单的表面修饰进行药物负载开发与传统化疗相结合的诊疗一体化探针实现疾病的高效诊断治疗 结论与展望磁金纳米粒子由于其优异的磁性能和光学性能近年来引起了研究人员的广泛关注 已经探索了多种方法用于磁金纳米粒子的可控合成并通过调控反应条件实现了对磁金纳米粒子尺寸、形状、光学性质等理化性能的精确调控 其组成、结构等因素对其磁性能和光学性能的影响也已研究阐明磁金纳米粒子在磁共振成像、光声成像、靶向给药、光热治疗等生医学诊疗应用上都有着出色的表现磁金纳米粒子用于多模态成像、“无背景”成像、诊疗一体化等新型生物医学诊疗方式有望实现疾病的早期诊断和高效治疗有着令人期待的前景 随着研究的不断完善和深入磁金纳米粒子有望在各类生物医学难题的解决上发挥重要作用参考文献:.:.:.:.():.():.():.():.:.():.:.():.:.:.:.():.():.().:.()().():.:.():.:.():.:.():.():.():.(下转第 页)应用化工第 卷控制排水措施研究.水利学报():.袁念念黄介生谢华等.暗管控制排水棉田氮素流失规律试验.农业工程学报():.:().:.田昌陈敏周旋等.生态沟渠对小流域农田排水中氮磷的拦截效果研究.中国土壤与肥料():.():.():.:.:.():.张子喆刘伟周晓林等.草本植被过滤带对农业面源污染物的削减效果研究.应用化工():.:.郭攀李新建.漓江典型小流域农田面源污染治理技术及应用.水电能源科学():.():.卢兴顺丁晓宇林岩等.外加植物碳源强化人工湿地处理农田退水效能分析.环境工程学报():.董怡华张盛宇陈峰等.植物塘人工湿地复合系统基质与植物筛选及农田退水处理研究.安全与环境学报():.李本行李增辉曲丹等.“生态沟渠 人工湿地”系统处理农田退水中噻虫嗪.环境工程学报():.陆阳仝炳伟王乐等.宁夏引黄灌区典型排水沟道农田退水污染负荷特征分析.南方农业():.高阳王超王沛芳等.不同尺度排水沟道对稻田退水中氮磷的削减规律及影响因素研究.环境工程():.彭世彰高焕芝张正良.灌区沟塘湿地对稻田排水中氮磷的原位削减效果及机理研究.水利学报():.邵培寅李亚龙熊玉江等.丘陵灌区排水循环灌溉模式节水减排效果研究.灌溉排水学报():.:.黄晓龙于艳新丁爱中等.农田尾水污染治理策略研究进展.中国农村水利水电():.王绍新李楠王传娟等.国内玉米高效节水灌溉水肥一体化技术研究现状与展望.节水灌溉():.():.(上接第 页).():.():.():.():.():./.():.:.():.