单分散氧化铁纳米颗粒的高温分解法制备及生物稳定性的研究

摘要

氧化铁纳米颗粒以其显著的磁效应、表面效成、交流磁热效应、超顺磁性和生物相容性在磁共振成像对比增强，组织修复，免疫，热疗，药物输送和细胞分离等生物医学领域都有着广泛的应用前景。为了更好地实现未来高度敏感的磁性纳米器件和生物应用，尺寸均一的单分散氧化铁纳米颗粒是人们追求的一个目标，因为尺寸的均一性能保证每个颗粒都具有相同的物理和化学性质，这样才符合器件制造的基本要求，同时也是在微尺度理解纳米颗粒作用的基本条件。氧化铁纳米颗粒的制备方法很多，但是与水热法、微乳液法、溶胶-凝胶法以及传统的共沉淀法相比，高温分解法在控制颗粒的尺寸分布和形貌调控等方面具有巨大的优势。本文采用高温分解法制备得到了高质量的单分散氧化铁纳米颗粒，并通过表面修饰技术成功地将这些颗粒从油相转移至水相中。在此基础上，进一步考察了这些修饰后的颗粒在生物条件下的稳定性，发现在生物条件下蛋白的吸附在提高颗粒稳定性的同时还改变了颗粒的表面性质，因此改变了颗粒与细胞的相互作用。本论文的主要内容包括以下几个方面：
　　 1.采用高温分解法，以油酸铁为前驱物，油酸为表面活性剂，在高沸点溶剂下制备得到了不同尺寸的单分散氧化铁纳米颗粒，耗径在7-35nm之内。考察了单分散氧化铁纳米颗粒的形成机制以及反应条件对颗粒尺寸、形貌以及尺寸均一性的影响。通过考察颗粒晶体结构和磁性性质，发现高温分解法的产物是Fe3O4和Fe2O3的混合物，其饱和磁化强度随着尺寸的增长而增大。在此基础上，放大生产工艺批量制备得到了单分散氰化铁纳米颗粒，产量约为55g，这是到目前为止，高温分解法制备单分散氧化铁纳米颗粒的最大产量。
　　 2.本论文发展了一种新的高温分解法来制备单分散的氧化铁纳米颗粒。用简单易得、价格低廉、无毒性的氢氧化铁来代替价格昂贵、毒性较大且难以合成的有机金属，不但制备得到了单分散氧化铁纳米颗粒，还制备得到了氧化铁纳米棒。利用氢氧化铁为前驱物，通过改变溶剂，还制备得到了水溶性的氧化铁纳米颗粒。由于氢氧化铁简单易得，这种方法很容易实现单分散氧化铁纳米颗粒的批量生产。
　　 3.高温分解法制备得到的氧化铁纳米颗粒表面包覆有油酸，因此只能分散在一些非极性的有机溶剂中，如甲苯、正己烷和氯仿。为了更好地实现其在生物医学领域的应用，利用二巯基丁二酸（DMSA）、带有不同官能团的硅烷以及不同分子量的聚乙二醇（PEG），通过表面修饰技术，成功地将颗粒从油相转移至水相中。此外，考察了DMSA修饰的颗粒作为磁共振成像对比增强剂的弛豫性质并研究了其尺寸效应。实验结果表明，DMSA修饰的不同尺寸的单分散氧化铁纳米颗粒有很高的横向弛豫率，因此可以作为优良的T2对比增强剂。
　　 4.考察了DMSA、硅烷以及PEG修饰的氧化铁纳米颗粒在加10％胎牛血清（FCS）的RPMI-1640、不加胎牛血清的RPMI-1640、PBS以及MES等生物条件下的稳定性。经过表面修饰后，颗粒在这些生物溶液中都是以聚集体的形式存在，但是聚集体的尺寸是不一样的。此外，颗粒在RPMI-1640中的稳定性不好，但是在RPMI-1640+FCS却具有极其优良的稳定性，主要是由于颗粒吸附了FCS中的蛋白。这些吸附的蛋白在提高颗粒稳定性的同时还改变了颗粒的表面性质。比如，无论颗粒带正电荷、负电荷还是不带电荷，当分散在RPMI-1640+FCS之后，都会由于蛋白的吸附而带上负电荷。颗粒表面性质的改变必然会影响到颗粒与细胞的相互作用，因为首先与细胞相互接触的是颗粒的表面而不是颗粒本身的核。这点通过体外的细胞实验得到证实，吸附蛋白的颗粒更容易被肿瘤细胞以及巨噬细胞吞噬。基于以上原因，本文认为，将氧化铁纳米颗粒进行体内或者体外应用时，外部环境对颗粒本身性质的影响应该得到进一步的重视，尤其要考虑外部环境中蛋白对颗粒表面性质的影响。比如在体内，血浆内丰富的蛋白会影响或者说会掩盖颗粒原来的表面性质，于是不可避免会影响得到颗粒与靶向物之间的相互作用，如抗原-抗体以及受体-配体作用。
　　 利用不同分子量的有机聚合物PEG修饰氧化铁纳米颗粒，使颗粒能有效的抗蛋白吸附；比较了不同分子量PEG修饰的不同尺寸的颗粒的抗蛋白吸附能力。相比较而言，PEG5000具有较好的抗蛋白吸附能力，其修饰的小尺寸颗粒能够更少的被巨噬细胞非特异性吞噬，因而具有较长的血液循环周期。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1.引言

1.2.氧化铁纳米颗粒的生物医学应用

1.2.1.磁分离

1.2.2.磁共振成像对比增强剂

1.2.3.肿瘤磁热疗

1.2.4.磁性靶向药物载体

1.3.氧化铁纳米颗粒的晶体结构与磁学性质

1.4.氧化铁纳米颗粒的制备

1.4.1.共沉淀法

1.4.2.水热法

1.4.3.高温分解法

1.4.4.微乳液泫

1.4.5.溶胶-凝胶法

1.5.氧化铁纳米颗粒的表面修饰

1.5.1.有机小分子修饰

1.5.2.有机高分子修饰

1.5.3.无机材料修饰

1.6.论文研究的主要内容

第二章 利用油酸铁为前驱物制备单分散氧化铁纳米黝粒

2.1.实验试剂与仪器

2.2.实验部分

2.2.1.油酸铁的制备

2.2.2.高温分解油酸铁

2.3.表征方法

2.4.结果与讨论

2.4.1.单分散氧化铁纳米颗粒形成的理论依据

2.4.2.反应条件对氧化铁纳米颗粒的影响

2.4.3.单分散氧化铁纳米颗粒形成机制的讨论

2.4.4.单分散氧化铁纳米颗粒的结构

2.4.5.单分散氧化铁纳米颗粒的磁学性质

2.4.6.单分散氧化铁纳米颗粒的批量制备

2.5.本章小结

第三章 利用氢氧化铁为前驱物制备油溶性和水溶性的单分散氧化铁纳米颗粒

3.1.实验试剂与仪器

3.2.实验部分

3.2.1.油溶性氧化铁纳米颗粒的制备

3.2.2.水溶性氧化铁纳米颗粒的制备

3.3.表征方法

3.4.结果与讨论

3.5.本章小结

第四章 单分散氧化铁纳米颗粒的表面修饰

4.1.实验试剂与仪器

4.2.实验部分

4.2.1.DMSA修饰氧化铁纳米颗粒

4.2.2.硅烷修饰氧化铁纳米颗粒

4.2.3.氨基化的PEG修饰氧化铁纳米颗粒

4.2.4.铁含量的测定

4.3.表征方法

4.4.结果与讨论

4.4.1.DMSA修饰氧化铁纳米颗粒

4.4.2.DMSA批量修饰氧化铁纳米颗粒

4.4.3.硅烷修饰氧化铁纳米颗粒

4.4.4.PEG修饰氧化铁纳米颗粒

§4.4.5.DMSA修饰的氧化铁纳米颗粒的弛豫性质

4.5.本章小结

第五章 单分散氧化铁纳米颗粒的稳定性研究以及对蛋白的吸附作用

5.1.单分散氧化铁纳米颗粒在生物条件下的稳定性

5.1.1.实验试剂与仪器

5.1.2.表征方法

5.1.3.结果与讨论

5.2.氧化铁纳米颗粒对蛋白的吸附作用

5.2.1.实验试剂与仪器

5.2.2.实验部分

5.2.3.表征方法

5.2.4.结果与讨论

5.3.本章小结

第六章 总结与展望

6.1.总结

6.2.工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文情况

致谢