磁性纳米粒子的表面修饰及实际应用的研究进展

郝军荣 郭星悦 赵寰宇 李 炜

河北北方学院药学系，河北省神经药理学重点实验室，张家口，075000，中国

上世纪60 年代，磁性纳米粒子首次出现，因其具有不同于常规材料的许多独特效应，如量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应及宏观量子隧道效应等，使之有着广阔的应用前景［1］。人工制造的磁性纳米颗粒为纳米粒子的发展带来了新的希望，这一材料的合成以及应用也促进了其他领域的发展。尤其是近几十年来，磁性纳米粒子的发展越发的迅速，在生物分离、药物转运以及磁共振成像［2］等方面的应用效果良好。经过修饰的磁性纳米粒子稳定性较高，而且有较高的生物相容性和可降解性，这些特点正是生物制药中所必须的，所以研究人员将磁性纳米粒子应用于生物和医药领域。但由于磁性纳米粒子的表面效应较高，在溶液之中，很有可能会出现聚集反应，使得磁性纳米粒子的应用范围受到限制。通过对磁性纳米粒子进行表面修饰，可以使其磁性状态发生明显变化。另外，磁性复合粒子的结构还可以发生较大的变化，尤其是在分子表面的活性基团方面，基于这个特点，磁性复合粒子能够和药物、抗体等分子进行偶联，达到靶向作用于器官、组织或者是肿瘤［3］的效果。据统计，目前经过修饰的磁性纳米粒子有许多种，例如Ni、Fe 还有一些合金等，在这些经过修饰的磁性纳米粒子之中，又以氧化铁（γ-Fe2O3，Fe3O4）磁性材料最为常见［4］。该文主要综述了磁性纳米粒子表面修饰的材料及其相关应用研究的一些新进展。

1 磁性纳米粒子的表面修饰

在磁性胶体溶液体系中，磁性纳米粒子之间经常会存在四种作用力，主要的是范德华力和磁性引力，此外还有空间位阻排斥力和静电排斥力。前二者作用力的作用主要在于提高纳米粒子之间的聚集性，而后两种作用力的功效主要是在于维持各个纳米粒子的稳定性。为了促使氧化铁纳米粒子在实际中得到进一步的应用，现采用提高氧化铁纳米粒子的稳定性的方法，同时向纳米粒子中添加一些高密度保护分子，这样就能够提升粒子间排斥作用，而这些排斥作用又可以被划分为单一空间位阻作用力，或者是空间位阻作用力和静电排斥作用力。通过研究有些学者发现，四氧化三铁的胶体溶液在空气中容易被一些成分氧化，最终形成γ-Fe2O3粒子，经过氧化的粒子在结构和功能上发生了较大的改变，尤其是粒子的聚集以及沉淀性质的改变最大。为了使磁性纳米粒子得到更广泛的应用，就需要改变磁性粒子的结构，例如改变纳米粒子的表面结构，通过增添基团，提高粒子的水溶性，改善粒子的生物相容性。在对磁性纳米粒子进行表面修饰的过程中，考虑到多种因素，可以选择无机材料、有机小分子材料、有机高分子材料，并可以构建一些多功能复合磁性纳米粒子。

1.1 无机材料修饰

在进行磁性纳米粒子的修饰过程中，如果是选择使用无机材料进行表面修饰，就会提高粒子的物理化学性质，进而使单一的磁性纳米粒子组合成为核壳结构的复合粒子。举个例子来讲，利用Au 进行磁性纳米粒子的表面修饰，可以较好地发挥Au 的抗氧化性、生物相容性以及光电特性等优势，从而改善现有的磁性纳米粒子的物理学特性，经过Au 进行表面修饰的磁性纳米粒子在生物相容性方面明显改善，这就保证了这一粒子在水溶液当中的稳定性。陶娟等人就是通过这一原理对磁性纳米粒子进行性能的改造［5］，他主要是采用超声化学法来进行粒子的表面修饰，最终得到高饱和磁化强度的Fe3O4-Au 纳米粒子，一般程序如下：①通常是选择共沉淀法获取所需的材料，得Fe3O4核；②通常是选择3-氨丙基三乙氧基硅烷等物质，进而实现Fe3O4分子的表面氨基功能化；③用的较普遍的是超声化学法，利用柠檬酸三钠等物质，实现Au3+的还原过程，从而让纳米粒以金壳的形式出现。肖治国等人［6］尝试采用加热法，将Au 以及氧化铁磁性纳米粒子联合起来，最终以核-壳结构的新形式展现出来。Au 的主要作用是提供一个平台来固定抗体，然后在外部磁场的作用下，分离出靶标蛋白质。除了Au，还有另一个较为常用的无机修饰材料SiO2。SiO2主要是在亲水性以及生物相容性方面突出，而且无毒，能够提高粒子的化学稳定性，让磁性纳米粒子能够用于生物医学之中［7］。除了以上两种方法，还有反相微乳液法和Stober 法，两者也是用来形成硅包覆的氧化铁粒子。主要是利用SiO2表面的硅烷醇基团，通过与硅烷化试剂进行耦合反应［8］，在SiO2表面加上-NH2以及-COOH 等集团，提高分子和抗体、蛋白质等之间的反应性。

1.2 有机小分子材料修饰

一般情况下，具有水溶性以及生物相容性的氧化铁磁性纳米粒子可以被用于生物制药。这些氧化铁纳米粒子主要是采用两种方法进行制备的，其一，将有机小分子当做纳米粒子的分散剂以及稳定剂，较常用的有柠檬酸［9］、谷氨酸［10］、葡萄糖酸［11］以及环糊精［12］等，除此之外，还有一些其他的表面活性剂，常见的有油酸钠［13］，这些表面活性剂的使用主要是提高磁性纳米粒子的水溶性、分散性；其二，使用表面化学交换法，这一方法会用到大量的配体，常见的有COO-［14］、磷酸根等，这些配体能够吸附于纳米粒子表面，提高粒子的分散性。该方法主要是通过将油溶性的氧化铁纳米粒子转变为水溶性，增加分子的各种功能，形成混合单层修饰的氧化铁纳米粒子。Cheon 等人［16］通过利用高沸点有机溶剂分离Fe（acac）3，以此来取得尺寸明确的单分散纳米粒子，通常情况下得到的纳米粒子直径为4 nm 以及6 nm，在此基础上，再选择二巯基丁二酸（dimercaptosuccinic acid，DMSA）为配体交换剂，制成水溶液胶体。这类DMSA 修饰的纳米晶体稳定性较高，无论是在水溶液还是在磷酸缓冲盐溶液中，都不会凝聚。基于粒子的这一性能，可以将之做成高性能的抗体探针，应用于医学领域，例如用于磁共振成像诊断乳腺癌细胞等。

1.3 有机高分子材料修饰

在选择纳米粒子的表面修饰剂时，就需要考虑到所用粒子的生物相容性，利用生物相容性好的材料，能够明显提高纳米粒子的稳定性能，提高粒子的实际利用价值［17］，按照来源可以将这些高分子有机材料分为天然材料和人工合成材料。天然材料多半是氨基酸类聚合物，如白明胶以及多肽等［18～19］，除此之外，还有一些多糖类聚合物也是天然材料，如葡聚糖以及藻酸盐等［20～21］。而使用频率较高的合成有机高分子材料也有许多，如聚甲基丙烯酸、聚乙二醇［22］、聚乙烯醇［23］、聚乙烯吡咯烷酮［24］、聚丙烯酸［25］、聚乳酸［26］还有聚N-异丙基丙烯酰［27］等，这些合成高分子能够被用于工程以及制药中。除此之外，还可以通过原位法以及合成后包覆法来形成有机高分子磁性粒子，前者是通过聚合物包覆形成，后者先是按要求制备磁性纳米粒子，再选择合适的表面覆盖物质，进而进行两类化合物的嫁接，一般情况下可以分为四类：即核-壳型、反核壳式、夹心型以及镶嵌型，这些类型的复合粒子由于粒子表面具有不同成分，因此，最终获得的复合粒子除了具有粒子本身的特性，还具有粒子表面复合物的某些特性。

2 多功能磁性复合纳米粒子的构建及应用

实际使用价值较高的复合磁性粒子，它具有多种功能，例如在磁共振成像以及光学成像技术中就得以广泛应用，相较于其他类似物质，纳米粒子的使用提高了技术的准确性，有利于疾病的诊断。尽管如此，这两项技术还存在明显的局限性，以致于这两项技术的使用不能满足需求。为了解决单一模式存在的不足，现在推行多模式成像方法的研究，多模式成像法可以被应用于生物医药研究中和临床的相关治疗之中。在最近几年的时间里，有些科学家通过将荧光染料、磁共振造影增强剂等物质与单一磁性粒子复合，从而获得荧光-磁性双功能的复合纳米粒子，这些进步对生物、医药领域来说无疑是个好消息。经过整理分析，发现现有的荧光-磁性纳米复合物共八种：①采用某些化学物质，例如荧光物质的硅壳等，使粒子的表面结构发生改变；②采用化学物质，例如荧光物质等，实现粒子功能的改变；③适当应用一些带电荷的荧光化合物，以此来增加磁性粒子的稳定性能；④利用荧光标记的脂质双层材料进行表面修饰；⑤利用空间间隔试剂，形成共价结合荧光物质复合分子；⑥将半导体壳进行粒子表面修饰；⑦磁性掺杂量子点（quantum dots，QDs）；⑧将磁性纳米粒子和量子点进行聚合修饰。除此之外，部分科学家尝试综合荧光、热敏感以及磁响应功能等，形成多功能的磁性微球。Wang 等人［28］尝试将热敏性聚N-异丙基丙烯酰作为表面修饰剂在Fe3O4·SiO2纳米粒子进行修饰，同时将NaOH 作刻蚀剂，最终制成N-异丙基丙烯酰微胶囊，在此基础上，氧化铁磁粒再进行表面氨基化，在合适的温度下，将异硫氰酸荧光素（flurescein isothiocynate，FITC）共价结合于磁性纳米粒子，最终获得的磁性微球具有荧光特性、热敏性以及磁响应等特性。

2.1 在环境分离中的应用

近些年，磁性粒子以其特有的优势成功应用于分离、去除重金属离子工程中，经过化学修饰的磁性粒子还能够用来分离染料以及环境毒素等，磁性粒子的应用受到了广泛关注。在磁粒表面覆盖结合位点，然后再利用吸附或者是离子交换法等来进行物质的分离。例如，利用聚（1-乙烯咪唑）的硅烷化试剂来进行修饰，能够分离出金属离子Cu2+还有Co2+［29］。一些通过聚甲基丙烯酸甲酯来修饰的磁性微球，在和乙二胺作用后，能够用作磁性离子交换螯合剂，有吸附毒素粒子的功效［30］。一些科学家发现，这一磁性微粒吸附毒素的能力依次为：Cu（II）＞Pb（II）＞Cd（II）［31］。通过实验发现，利用聚丙烯酸进行Fe3O4复合纳米粒子覆盖，形成的复合物能够起到分离水中亚甲基蓝染料的作用［32］。

2.2 在医学领域的应用

从70 年代开始，一些科学家尝试将磁性分离联合应用于生物技术之中［33］，并通过磁性分离实现了较高的效率和灵敏性。在最近的几十年里，磁性纳米粒子对于生物活性物质的处理及用于疾病的诊断方面的效果显著［34］，期待并且相信今后会有更广泛的应用。Xu 等人［35］尝试利用万古霉素进行粒子的修饰，在粒子表面选择性吸附革兰氏阳性病原体。还有研究使用基质辅助激光技术，来进行金黄色葡萄球菌以及上皮葡萄球菌的检测，这一方法能够在1 h 之内，就捕获出大量的细菌细胞，并且这些细菌细胞浓度要求低于102 cfu·mL-1［36］。如果选择制成万古霉素-磁性纳米复合粒子，在混合溶液之中，再利用外部磁场吸附细菌，这种监测方法能够实现较高的检测率。Chen 等人［37］尝试IgG 和Fe3O4纳米粒子结合，这一复合粒子能够作为亲和探针，用于浓缩样品的选择性分离，在实际生活中，还可以用来检测水样以及尿样中的存在的低浓度葡萄球菌或者是金黄色葡萄球菌。在近几年的时间里，有人尝试用荧光-磁粒（MNP-SiO2（RITC/FITC）来进行细胞的标记工作［38］，还利用“磁马达效应”来实现对磁性纳米粒子的方向的控制，最终能够分选出目的细胞。这一作用机制主要是制作异硫氰酸丹明B（或FITC）的硅壳，以此来覆盖原有的磁性纳米粒子，在这一基础上，再进行细胞的修饰工作，以获取目标的生物相容性聚乙二醇，这样的方式制作的磁性粒子主要用于标记乳癌细胞（MCF-7），在临床上用来治疗乳腺癌。通过使用了荧光显微，能够明显看到在外部磁场作用下，结合了磁性纳米颗粒（magnetic nanoparticles，MNPs）的细胞移动情况。

2.3 在基因分离中的应用

磁性纳米粒子能够起到高分离效能，在医学领域，被用作基因分子运载器。因此，磁性纳米粒子能够用于部分DNA/mRNA 的分离、富集，也能在基因表达等方面起到相关的应用。Tan 等人通过人工合成法合成一个基因磁性纳米捕获剂（genomagnetic nanocapturer，GMNC），这一磁性纳米捕获剂能够用于富集、分离以及检测DNA/mRNA 分子［39］。一般来说，GMNC 的组成部分包括磁性核，硅壳包覆以及生物素-抗生物素分子等物质。通过部分实验发现，GMNC 能够实现较高富集效率，能够用于收集DNA/mRNA 样品，这样就能够实现实时的在线检测［40］。其他科学家发现，将磁性硅胶微球作为载体，再添加一些基团，能够实现磁性硅胶微粒性能的改变，一些微粒能够做到对DNA 的吸附以及脱附，主要用于对玉米DNA 的提取。通过对比实验发现，将硅醇基覆盖于微粒表面，能够回收DNA，而且能够实现较高的DNA 提取纯度［41］。通过这种方法，可以保证DNA 提取方法的便利以及效率，这一方法能够用来进行大规模植物基因组DNA 的制备。

2.4 在医学影像技术方面的应用

由于磁性纳米粒子的特殊性能，在医学影像学技术中又被用作造影剂，所以磁性纳米粒子在核磁共振成像中发挥着重要的作用。Ohno 等［42］使用亲水性磁性聚合物刷制备磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）造影剂。部分学者通过研究发现，通过聚合产生的磁性纳米粒能够在肿瘤组织中停留较长时间，且被血液系统完全清除所需要的时间也更长。鉴于磁性纳米粒的渗透性以及滞留性较强，部分学者利用磁性复合纳米粒这一特点，再添加一些荧光物质，将之用于影像学成像技术中，在这一领域开发磁性纳米粒的价值。

3 展望

经过表面修饰的磁性纳米粒子在功能方面明显改善，能够适用于环境分离以及生物医药制药等领域。到现在为止，存在几个方面的难题亟待解决：首先是纳米粒子的稳定性一般，需要提高；其次是怎样利用传统的检测分析法来检测已合成的磁性粒子，提高这些粒子在生物医学以及环境监测等方面的利用；最后是怎样提高对于灵敏度目标的监测力度。未来的研究工作将朝向这几个方面进行探索，以提高磁性氧化铁纳米粒子的利用率。