壳聚糖水凝胶诱导原位合成超顺磁性纳米四氧化三铁颗粒

摘要

壳聚糖水凝胶诱导原位合成超顺磁性纳米四氧化三铁颗粒，它涉及一种超顺磁性纳米四氧化三铁颗粒合成方法。本发明解决了目前合成的纳米四氧化三铁颗粒团聚严重及将壳聚糖引入四氧化三铁表面方法复杂的问题。本发明的方法如下：1.将壳聚糖粉末加入到稀酸溶液中；2.加入交联剂制成壳聚糖凝胶；3.再依次浸泡在Fe

说明书

技术领域

本发明涉及一种超顺磁性纳米四氧化三铁颗粒合成方法，具体涉及一种在温和条件下由壳聚糖水凝胶诱导原位合成超顺磁性纳米四氧化三铁颗粒的方法。

背景技术

当四氧化三铁颗粒尺寸粒径小于30nm时，四氧化三铁纳米颗粒将表现出超顺磁性，即施加外加磁场时表现出较强的磁性，撤去外加磁场时表现出矫顽力和剩余磁化强度趋近于0。超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒在磁性细胞分离、靶向药物释放系统、磁共振成像和癌症过热治疗等生物医学领域有广泛应用。

通常合成四氧化三铁的方法是将氨水或氢氧根离子加入到一定摩尔比二价铁和三价铁离子溶液获得四氧化三铁，但是该方法存在颗粒尺寸分布宽，颗粒团聚严重。此外还有将含有铁离子金属有机化合物的高温分解或在高压釜内的实施水热合成，但这些方法需要比较苛刻的方应条件，如高温、高压和保护气氛等。在超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒表面实施包覆生物相容性高分子(如聚乙烯醇、蛋白质、聚乙二醇，壳聚糖，海藻酸等)，可有效提高超顺磁性四氧化三铁纳米粒子的生物相容性和减小粒子之间的团聚。

壳聚糖是自然界中少有的氨基弱碱性多糖，来源于海洋蟹壳、菌类的细胞壁等。由于壳聚糖具有优异的生物相容性、生物可降解性和生物活性，它广泛应用在药物释放载体、组织工程支架、可降解骨植入材料领域。壳聚糖侧链上的氨基活性大，易于形成壳聚糖/金属离子配位物，也有利于化学改性或连接其他生物活性大分子。将壳聚糖引入四氧化三铁表面有较多的方法，如悬浮交联技术、表面接枝技术等。这些方法过程比较繁琐，一般要分为多步实施：首先合成四氧化三铁纳米颗粒，然后制备含有四氧化三铁粒子的壳聚糖溶液进行交联，或在四氧化三铁表面以及功能化其他氨基或羟基官能团后与壳聚糖反应，形成壳聚糖改性的四氧化三铁纳米颗粒。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前合成的纳米四氧化三铁颗粒团聚严重及将壳聚糖引入四氧化三铁表面方法复杂的问题，而提供一种壳聚糖水凝胶诱导原位合成超顺磁性纳米四氧化三铁颗粒。

本发明陈述壳聚糖水凝胶诱导原位合成超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒的方法，包括以下步骤：一、将壳聚糖粉末加入到乙酸溶液中，机械搅拌至壳聚糖完全溶解，配制成质量百分比浓度为2～5％均一的淡黄色壳聚糖溶液；二、将交联剂缓慢加入到上述的壳聚糖溶液中，继续匀速搅拌5～20min，再静置8～12h，得到壳聚糖凝胶；三、将壳聚糖凝胶依次浸泡在0.05～0.2mol/L Fe³⁺的水溶液、水、0.02～0.1mol/L Fe²⁺的水溶液、水中，并将浸泡循环三至五次，即形成含有铁离子的壳聚糖水凝胶(CS-NH₂---Fe²⁺、Fe³⁺)；四、将含有铁离子的壳聚糖水凝胶进行碱化处理5～24h，然后采用蒸馏水将黑色的磁性壳聚糖水凝胶漂洗至中性；五、将经步骤四漂洗后的黑色的磁性壳聚糖凝胶加入稀酸中，机械搅拌至凝胶块完全溶解，然后离心分离，即可获得黑色的具有磁响应物质，再用蒸馏水清洗至中性，得到壳聚糖原位包覆改性的超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒。

与上述方法不同的是在步骤五中在离心分离前将经步骤四漂洗后的黑色的磁性壳聚糖凝胶加入H₂O₂或溶菌酶溶液中进行降解反应；其中H₂O₂溶液的体积百分比浓度3～8％，溶菌酶溶液的质量百分比浓度0.012～0.018％。其它步骤与上述方法相同。

本发明实现了在温和条件下由壳聚糖水凝胶诱导原位合成超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒。该方法工艺简单、条件温和、所需设备简单易得、并可实现批量生产。通过碱化处理含有铁离子的壳聚糖水凝胶，利用壳聚糖水凝胶的螯合作用与离子交换作用，诱导原位合成超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒，合成的四氧化三铁纳米颗粒平均粒径为15～25nm，且颗粒粒度分布均匀。磁性测试表明本发明合成的四氧化三铁纳米颗粒具有超顺磁性，其剩余磁化强度和矫顽力均趋近于0。壳聚糖水凝胶在反应中不但作为反应介质，而且还提供四氧化三铁纳米晶体的成核位点。更重要的是，该方法在合成四氧化三铁的同时，还实现在四氧化三铁表面原位包覆壳聚糖，这赋予该纳米颗粒具有良好的生物相容性。壳聚糖侧链上的氨基活性大，这将有利于在纳米磁性粒子表面键合或者偶联其他生物功能性大分子或药物。该纳米磁性颗粒适用于靶向药物载体、癌症的过热治疗、磁共振成像对比剂和纳米探针等生物技术领域。

附图说明

图1是壳聚糖水凝胶诱导原位合成的超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒的透射电镜照片，图2是壳聚糖水凝胶诱导原位合成的超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒的磁滞回线图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式采用壳聚糖水凝胶诱导原位方法合成超顺磁性纳米四氧化三铁颗粒，该方法的步骤如下：一、将壳聚糖粉末加入到乙酸溶液中，机械搅拌至壳聚糖完全溶解，配制成质量百分比浓度为2～5％均一的淡黄色壳聚糖溶液；二、将交联剂缓慢加入到上述的壳聚糖溶液中，继续匀速搅拌5～20min，再静置8～12h，得到壳聚糖凝胶；三、将壳聚糖凝胶依次浸泡在0.06mol/L FeCl₃的水溶液、水、0.03mol/L Fe(NO₃)₂的水溶液、水中，并将浸泡循环三至五次，即形成含有铁离子的壳聚糖水凝胶(CS-NH₂---Fe²⁺、Fe³⁺)；四、将含有铁离子的壳聚糖水凝胶浸入NaOH的水溶液进行碱化处理5～24h，其中NaOH质量百分比浓度为4％，然后采用蒸馏水将黑色的磁性壳聚糖水凝胶漂洗至中性；五、将经步骤四漂洗后的黑色的磁性壳聚糖凝胶加入体积百分比浓度为1～5％乙酸溶液中，机械搅拌至凝胶块完全溶解，然后离心分离，即可获得黑色的具有磁响应物质，再用蒸馏水清洗至中性，得到壳聚糖原位包覆改性的超顺磁性的四氧化三铁纳米颗粒。

本实施方式合成的四氧化三铁纳米颗粒平均粒径为15～25nm，且颗粒粒度分布均匀。本实施方式合成的四氧化三铁纳米颗粒具有超顺磁性。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是在步骤五中在离心分离前将经步骤四漂洗后的黑色的磁性壳聚糖凝胶加入H₂O₂或溶菌酶溶液中进行降解反应；其中H₂O₂溶液的体积百分比浓度4％，溶菌酶溶液的质量百分比浓度0.015％。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一和二不同的是在步骤二中交联剂为物理交联剂，所述的物理交联剂为三聚磷酸盐、甘油磷酸盐或甘油。其它步骤与具体实施方式一和二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一和二不同的是在步骤二中交联剂为化学交联剂，所述的化学交联剂为环氧氯丙烷、水溶性碳化二亚胺或戊二醛。其它步骤与具体实施方式一和二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一和二不同的是在步骤三中亚铁离子(Fe²⁺)由FeCl₂、FeSO₄或含结晶水的上述铁盐提供。其它步骤与具体实施方式一和二相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一和二不同的是在步骤三中铁离子(Fe³⁺)由Fe₂(SO₄)₃、Fe(NO₃)₃或含结晶水的上述铁盐提供。其它步骤与具体实施方式一和二相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一和二不同的是在步骤三中浸泡液浓度、浸泡时间和循环次数由凝胶块的大小决定；对于2cm×2cm×2cm的凝胶块，分别浸泡于0.2mol/L的Fe³⁺水溶液和0.1mol/L的Fe²⁺水溶液中各30min，循环浸泡3个回合即可。其它步骤与具体实施方式一和二相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一和二不同的是在步骤四中所述的碱化处理方法如下：将含有铁离子的壳聚糖水凝胶浸入到氨水、KOH的水溶液或醇水溶液中，其中氨水质量百分比浓度为5～10％，KOH的水溶液质量百分比浓度为3～10％，醇水溶液中乙醇∶水的体积比为2∶8。其它步骤与具体实施方式一和二相同。

具体实施方式十：本实施方式超顺磁性纳米四氧化三铁颗粒合成方法步骤如下：一、将2g壳聚糖粉末加入到100ml的2％(体积比)乙酸溶液中，匀速搅拌2h，配制成2％(质量/体积)的壳聚糖溶液；二、然后加入缓慢加入5ml的10％(质量比)戊二醛溶液，匀速搅拌10min，静置10h，从而得到2cm×2cm×2cm的壳聚糖凝胶；三、将制备的壳聚糖凝胶(2cm×2cm×2cm)浸泡在0.075mol/L的FeSO₄水溶液中45min，用去离子水洗去表面未吸附的铁离子后，再将其浸泡在0.15mol/L的Fe₂(SO₄)₃水溶液中45min，此浸泡过程循环进行3次，形成含有铁离子的壳聚糖水凝胶；四、然后将含有铁离子的壳聚糖水凝胶浸入50℃的7％(质量比)氨水溶液中浸泡12h，再将获得黑色的磁性壳聚糖水凝胶漂洗至中性；五、将漂洗后的黑色磁性壳聚糖凝胶加入到3％(体积比)乙酸溶液中，匀速搅拌12h，然后离心分离得到黑色壳聚糖原位包覆改性的超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒。

采用该方法合成的四氧化三铁纳米颗粒平均粒径20nm(见图1)，且颗粒粒度分布均匀，颗粒之间不团聚。磁性测试表明本实施方式合成的四氧化三铁纳米颗粒具有超顺磁性(见图2)，从磁滞回线图上可得知剩余磁化强度和矫顽力均趋近于0。

具体实施方式十一：本实施方式超顺磁性纳米四氧化三铁颗粒合成方法步骤如下：一将5g壳聚糖粉末加入到100ml的2.5％(体积比)乙酸溶液中，匀速搅拌5h，配制成5％(质量/体积)的壳聚糖溶液；二、然后加入20ml的15％(质量比)三聚磷酸钠溶液从而得到1.5cm×1.5cm×1.5cm的壳聚糖凝胶；三、将制备的一定尺寸壳聚糖凝胶浸泡在Fe(NO₃)₃溶液中30min，用去离子水洗去表面未吸附的铁离子后，再将其浸泡在FeCl₂溶液中30min，此浸泡过程循环进行4次，即可获得含有铁离子的壳聚糖水凝胶；四、然后将含有铁离子的壳聚糖水凝胶浸入50℃的4％(质量比)NaOH溶液中浸泡10h，获得黑色磁性壳聚糖水凝胶，并采用蒸馏水将水凝胶漂洗至中性；五、将漂洗后的黑色磁性壳聚糖水凝胶加入到5％(体积比)乙酸溶液中，匀速搅拌8h，然后离心分离得到黑色壳聚糖原位包覆改性的超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒。

本实施方式合成的四氧化三铁纳米颗粒平均粒径：15nm，且颗粒粒度分布均匀，颗粒之间不团聚。本实施方式合成的四氧化三铁纳米颗粒具有超顺磁性。