超顺磁性Fe3O4纳米粒子化学合成及生物医学应用进展

宋新峰，孙汉文，吴静，刘晓迪，马真杰，庄婷婷

(德州学院医药与护理学院山东省新型药用辅料与缓控释制剂工程实验室，山东德州 253023)

在磁性纳米材料中，磁性四氧化三铁(Fe3O4)纳米粒子最具有应用前景。超顺磁性Fe3O4纳米粒子具有超顺磁性、良好生物相容性、低毒性及在外加磁场作用于下进行定向移动、产生自旋并产热等特性，因此在蛋白质和核酸分离、细胞标识和纯化、药物传递和靶向释放、肿瘤热治疗、核磁共振成像等生物医学领域引起了广泛的关注［1-3］。Fe3O4纳米粒子的性能及应用，在很大程度上依赖于其结晶度、尺寸和形貌等品质，尤其是纳米粒子的尺寸效应。研究发现［4］，直径10 ～200 nm 纳米粒子能明显延缓在血液循环中的半衰期，赢得到达靶向组织的时间;但是，大于200 nm 颗粒，容易被巨噬细胞吞噬，被肝、脾等清除;1 ～10 nm 纳米粒子虽可逃脱巨噬细胞吞噬，但易被肾脏清除体外。本文讨论了目前比较常用的化学合成方法对Fe3O4纳米粒子性能的影响，并且比较了各种方法的优劣，在此基础上，概述了Fe3O4纳米粒子在生物医学领域中的应用，以期获得对Fe3O4纳米粒子制备方法和生物医学应用的全面了解。

1 超顺磁性Fe3 O4 纳米粒子的化学合成方法

制备磁性Fe3O4纳米粒子的方法，主要包括:物理方法、化学方法和生物方法。与其它两种方法相比，化学合成法因在一定程度上能有效控制Fe3O4纳米粒子尺寸、形状、分散性、结晶度和磁学性能，所以往往被作为首选(如图1 所示)，特别是其中的共沉淀法、水热法、微乳液法、高温分解法和溶胶-凝胶法应用最为广泛［5］。

图1 磁性Fe3O4纳米粒子物理、化学和生物制备方法比较［5］Fig.1 A comparison of published work on the synthesis of Fe3O4 nanoparticles by three different routes［5］

1.1 共沉淀法

共沉淀法是制备Fe3O4纳米粒子最为常用和最为经典的方法之一，其基本反应原理为:Fe2++2Fe3++ 8OH－→Fe3O4+ 4H2O，先是形成晶核，然后是晶体成长。合理的控制反应条件，能有效调节Fe3O4纳米粒子的尺寸和形貌。

根据加料顺序不同，共沉淀法又分为正向共沉淀法和反向共沉淀法。其中，正向共沉淀法由Massart 等［6］首先提出，一般是把碱液(常用氨水或者氢氧化钠溶液)加入到铁盐溶液中;而反向共沉淀法则正好相反，是把铁盐溶液加入到碱沉淀剂溶液中。比较两种制备方法，正向沉淀法制备得到的Fe3O4纳米粒子主要为球形结构，粒子大小均匀;而由反向共沉淀法得到的Fe3O4纳米粒子的外形很不规则，包含从球形到立方体之间的多种形态的粒子，且粒径分布较宽。

一般制备纳米级10 ～30 nm 的磁性纳米粒子多采用正向共沉淀法，这是目前比较常用的方法，其中，Fe2+/Fe3+的摩尔比、pH 值以及反应温度等因素影响纳米颗粒的尺寸、形貌和数量。南京理工大学秦润华等［7］，考察了Fe2+和Fe3+溶液浓度、沉淀剂的浓度、Fe2+/Fe3+/OH－、温度及搅拌速度等因素对产物Fe3O4纳米粒子粒径及性能的影响，得出在铁盐溶液浓度为0.5 mol/L，沉淀剂溶液浓度0.25 mol/L，Fe2+/Fe3+/OH－=1∶1∶6，反应温度为30 ℃，搅拌速度为1 000 r/min 的条件下，能制得粒径在20 nm以内的球形Fe3O4纳米粒子。而对于共沉淀法制备后的Fe3O4纳米粒子的聚沉问题，通过在溶液中添加聚乙二醇(PEG)、吐温-80 等表面活性剂起到了防止粒子间团聚的作用。

此法的优点在于制备简单，材料便宜，但由于以水溶液作为反应体系，高温提升有限，以及反应动力不足，因此很难有效控制Fe3O4纳米颗粒的形貌、粒径大小和高的结晶度，难以获得高品质的Fe3O4纳米粒子用于生物医学领域。

1.2 水热法

19 世纪中叶地质学家模拟自然界成矿作用首先提出了水热法合成磁性纳米粒子的技术，其基本反应原理是:溶解-再结晶机理，是指在高温、高压条件下，以水溶液或者水蒸气为溶剂，在密闭的反应釜中成核结晶生成磁性纳米粒子。

反应中，原料用量、溶液pH 值、反应温度、压力及时间等均可影响Fe3O4纳米粒子的粒径大小及形貌。Mizutani 等［8］发现反应时间越长Fe3O4纳米粒子的粒径越大，反应温度越高，Fe3O4纳米粒子的粒径越小。Dongd 等［9］研究发现通过改变反应原料和反应条件，能合成除了圆形之外的菱形、棱状、饼状、线性等不同形貌的Fe3O4纳米粒子。

和共沉淀法相比，水热法具有原料投入低、产量高、纯度好等优点，并且制得Fe3O4纳米粒子结晶良好。但是此法对设备要求和反应要求都较高，并且存在一般的加热方式不能使反应中的溶液温度均匀分布，导致不同区域的液体中产物的“成核”时间不同，致使产物粒子的分布不集中的缺点，限制了其广泛的应用。

1.3 微乳液法

微乳液法是利用了瞬时负界面张力机理，将两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得到纳米粒子。

周孙英等［10］利用反相微乳液法将一定浓度Fe-SO4和FeCl3混匀，在一定条件下通入N2制备出了分散窄、粒径小于100 nm、稳定性好的磁性纳米Fe3O4颗粒。微乳液法由于使用了表面活性剂能使粒子表面钝化，从而能防止纳米粒子之间的团聚，提高它们的分散性。赵增宝等［11］利用微乳液法以甲苯作为油相，铁离子溶液和NaOH 水溶液为水相，在此基础上添加了十二烷基苯环酸钠作为表面活性剂，制备出稳定性高的磁性Fe3O4纳米颗粒。另外，研究发现通过调节表面活性剂的种类与用量还可有效控制Fe3O4纳米粒子尺寸大小。

但是，此法制备的磁性粒子的提纯过程比较复杂，产率也比较低;并且制备的纳米粒子表面含有疏水基团，通常只能在有机溶剂中溶解;而且，使用大量的表面活性剂，使产物含有大量杂质，由于这些原因，使得此法制备的Fe3O4纳米颗粒不适合直接在生物医学方面进行应用。

1.4 溶胶-凝胶法

此法是将金属醇盐或无机盐水解形成溶胶，经脱水凝胶化，再将凝胶干燥和焙烧得到纳米材料的方法。反应过程一般为:将其前体首先转变成纳米粒子，形成胶体悬浮液或溶胶，再形成凝胶网络，凝胶网络可以用不同的方法处理，以得到纳米颗粒、纤维、薄膜等不同形貌的产物。

此法制得的Fe3O4纳米粒子结构和性能与反应的温度、时间、溶液的浓度和pH 值有关。李志慧等［12］利用溶胶-凝胶法，通过控制反应温度，获得粒径8.0 ～15.5 nm 的Fe3O4纳米颗粒。除了制备纳米粒子，采用溶胶-凝胶法还可以方便的制备磁性纳米薄膜。Ali 等［13］通过对溶胶-凝胶法的优化及系统的表征，得到可调控厚度的超顺磁性Fe3O4颗粒薄膜。

溶胶-凝胶法的优点是对温度的要求低，节省能源;制得的颗粒粒径尺寸窄，分布均匀，产物纯度较高。但该法采用的原料大多为有机物，成本高，有害身体健康，制备时间长等。然而因溶胶-凝胶法制备温度低且纯度高、粒径分布均匀等优点，与传统方法相比，并可制备其不能或难以制得的产物，得到了广泛的应用。

1.5 高温分解法

高温分解法是指在高沸点的有机溶剂中加热有机金属化合物制备磁性纳米粒子的一种方法。此法能有效控制Fe3O4纳米粒子的粒径大小和形貌，近年被认为是制备应用于生物医学领域内高品质的Fe3O4纳米粒子的最佳方法。

目前已有大量的文献报道利用五羰基铁［Fe-(CO)5］、Fe(acac)3、油酸铁等有机铁前体，通过高温分解法制备磁性Fe3O4纳米粒子。Cheon 等［14］在不加其它氧化剂的条件下，将Fe(CO)5直接在含有十二胺(DDA)的邻二氯代苯中加热分解得到了γ-Fe2O3纳米粒子，通过改变回流时间和己二酸二癸酯(DDA)用量，分别得到了球形、三角形、六角形和菱形的纳米粒子，实现了对所得纳米粒子形状的控制。Sun 研究小组［15］以Fe(acac)3作铁前体，油胺和油酸为稳定剂，1，2-十六二元醇作还原剂，在苯醚或者苄醚中合成了具有高度单分散性的4 nm 或6 nm Fe3O4纳米粒子。

高温分解法制备的磁性纳米粒子具有粒径大小可控，分布较窄，分散性较好等优点。另外，由于具有较高的温度，因此能获得的高结晶度和高饱和磁矩的Fe3O4纳米粒子。但是这种方法制备的磁性纳米粒子属于疏水性纳米粒子，限制了它们在生物医学领域上的应用。

表1 制备磁性Fe3O4纳米粒子常用的五种化学合成法比较Table 1 Several chemical preparation methods of the superparamagnetic iron oxide

表1 对以上制备磁性Fe3O4纳米粒子常用的5种化学合成法进行了比较，可以看出每种方法各有优缺点。在实际应用中，要综合考虑制备条件和产物要求，选择合适的方法。其它Fe3O4纳米粒子的合成方法，因为存在制备条件苛刻、过程繁琐、制备费用高，不能放大生产，产物不适合生物医学领域等问题，导致使用较少。但总体比较而言，采用高温分解法制备的Fe3O4纳米粒子在粒径尺寸可控性、分散性、产率以及稳定性方面有比较明显的优势。但由于水溶性问题，使它们在生物医学应用方面受到了很大的限制。因此，对磁性Fe3O4纳米粒子进行进一步的表面修饰和改性成为扩大其在生物医学领域应用的研究热点。

2 磁性Fe3 O4 纳米粒子在生物医学领域中的应用

在水溶液中的Fe3O4裸粒子极易被氧化和发生团聚，导致Fe3O4纳米粒子特有的超顺磁学性能丧失，在应用到生物体内之后容易被巨噬细胞吞噬而清除;另外，有的化学制备方法获得的Fe3O4纳米粒子因为表面含有大量有机溶剂，也不适合直接在生物体内使用。因此，对磁性Fe3O4纳米粒子进行表面修饰和改性成为扩大其在生物医学领域应用的研究热点。目前，常用的表面修饰材料可归纳为3 种，其一为有机小分子材料，如硅烷偶联剂、表面活性剂及油酸等，其二为无机纳米材料如SiO2、Au、Ag 等，其三为壳聚糖、多巴胺等高分子聚合物［16-17］等。上述的表面修饰技术，一方面保护了纳米颗粒核心Fe3O4粒子免受侵蚀，另一方面为Fe3O4粒子的特殊应用赋予了如亲水性、生物相容性、靶向性等新的物理、化学和生物学功能，扩大了其在核磁共振成像、生物材料的磁性分离、磁靶向给药等生物医学领域内的应用范围。

2.1 核磁共振成像(MRI)造影剂

现在临床上常用的磁共振造影剂是钆喷替酸葡甲胺(Gd-DTPA)，是一种顺磁性物质，属于T1造影剂，用于全身MRI 增强扫描，但缺点在于注射后在体内的循环时间较短，不利于观察，价格也比较昂贵。

磁性Fe3O4纳米粒子因其特有的磁靶向性、组织特异性、血液半衰期长以及生物相容性好等优点而逐渐得到医学界的重视成为新型造影剂。超顺磁性氧化铁纳米粒子(superpara-magnetic iron oxide particles，SPIONs)作为T2造影剂典型代表已经应用于临床多年，作为一种超顺磁性物质，主要作用是改变核磁共振的R2驰豫，缩短T2时间，减弱T2加权信号。美国AMAG 制药公司的核磁共振成像剂Ferumox-ide/AMI-25，能利用病变肝脏和健康肝脏对SPIONs 不同的吞噬能力来进行成像对比发现［18］:健康肝脏内的巨噬细胞(Kupffer cells)由于吞噬较多的Fe3O4纳米粒子，在T2加强共振成像中健康的肝脏会变暗;而病变肝脏，如肝癌细胞(hepatocellular carcinoma，HCC)不具备吞噬能力，会使肝脏病变部位变亮而检测出。

Hong Yang 等［19］用Fe3O4纳米粒子表面接上钆来制得一种T1和T2双模作用造影剂，这种造影剂的出现，使Fe3O4纳米粒子的应用范围更加拓宽，使核磁共振造影剂的研究又往前迈了一大步。近年来，研究人员在对Fe3O4纳米粒子表面修饰的基础上，耦合上肿瘤细胞富余表达的肿瘤标记物的抗体或配体，诸如叶酸、精氨酸、甘氨酸和天冬氨酸环肽［c(RGDyK)］，尼妥珠单抗(Nimotuzum ab)等生物大分子，这赋予了磁性氧化铁纳米粒子磁共振造影剂对肿瘤细胞的靶向性能，更有益于临床检测出早期肿瘤。

2.2 生物材料的磁性分离

在生物样品混合物的分离上磁性Fe3O4纳米粒子也具有重要的应用。它主要是借助Fe3O4纳米粒子表面积大，易于化学修饰的特点，以磁性纳米粒子为载体，将配体如多肽、抗体、受体等结合在粒子表面，利用分子之间特异性结合的作用将特定的抗原、细胞或者蛋白质结合，然后借助外界磁场作用将与磁性纳米粒子结合的目标样品从混合物中分离出来。这种方法能做到的快速分离、操作简单且可以重复使用，不影响生物样品活性，所以在核酸分离、蛋白纯化以及细胞分类方面都有广泛的应用。研究发现，在早期肿瘤被检测到之前，可在病人体内发现循环肿瘤细胞(circulatingtumorcells，CTCs)［20］。Xu等［21］将制得的氧化铁磁性纳米粒子经过聚合物表面修饰后结合上抗体(anti-HER2)，得到粒径30 nm的磁性纳米粒子(IO-Ab)，成功将1 mL 新鲜人血液中73.6%的高表达HER2 的人乳腺癌细胞SK-BR3分离出来。如果将来能把这种技术扩大到临床早期癌症病人的筛查之中，将具有重要的实际意义。

2.3 磁靶向给药

磁靶向给药系统(Magnetic Targeted Drug Delivery System，MTDDS)是近年来出现的一种新型靶向给药体系，目前已经在肿瘤治疗中应用于临床实验。MTDDS 是把载药磁纳米粒子经静脉注射后，在外加磁场的引导作用下，载药磁性纳米粒子携带药物到达靶向病变部位，集中缓慢释放药物，达到治疗目的。

Yang 等［22］在化学共沉淀法合成Fe3O4纳米粒子的基础上制备了pH 值敏感的磁性氧化石墨烯(CO-Fe3O4)靶向药物传递载体，可将抗癌药物阿霉素成功进行磁靶向传输。台湾国立清华大学Chiang等［23］，利用复乳液方法成功制备出以阿霉素的水溶液为核心以包裹氧化铁纳米粒子的聚乳酸羟基乙酸(PLGA)为壳壁的磁性载药微球，并巧妙的利用了Fe3O4纳米粒子自旋产热，使得微球PLGA 壳壁发生相变而变得疏松，核心阿霉素得以释放，赋予了磁性载药微球的智能化释放，这为智能化载药的研发提供了新思路。不久的将来，MTDDS 有望作为一种新型靶向给药体系出现于临床实践中。

2.4 磁热疗

磁热疗法是通过变化磁场引起暴露在磁场中的组织发生温度升高的一种治疗方法。普通的热疗只适用于浅表肿瘤的热疗，但是磁热疗可适用于深部肿瘤的热疗。磁性纳米复合物能在交变的磁场作用下吸收磁场的能量产生热能，可以使肿瘤部位的温度上升至41 ～46 ℃。而肿瘤组织细胞对42 ～45 ℃的高温比正常组织细胞更加敏感，容易因过热而死亡。

在外加磁场作用下，磁性Fe3O4纳米粒子具有自旋而产热的特性。借助这一特性，Sonvico 等［24］将磁性Fe3O4纳米粒子引入肿瘤组织，在获得核磁共振造影成像的同时，利用外在磁场的变化，使肿瘤组织局部温度升高而获得杀灭肿瘤细胞的效果。Li等［25］进一步研究发现，不同粒径的磁性纳米颗粒及不同的外加交变磁场的功率影响热疗效率，在强度为300 Oe，频率为1 000 Hz 的交变磁场下，粒径为24 nm 的磁性Fe3O4纳米颗粒具有最高的热疗效率。设想，如果将抗肿瘤药物和磁性Fe3O4纳米粒子结合在一起，将会得到更好的肿瘤治疗效果。

3 结束语

近些年来，磁性氧化铁纳米粒子的出现为材料研发的基础理论及其应用提供了新的研究平台，为解决纳米材料的生物医用应用提供了更多的选择手段。然而，磁性氧化铁纳米粒子的合成和应用中还存在很多问题，如磁性氧化铁纳米粒子的粒径有效控制问题、长期保存的团聚和氧化问题，以及磁性氧化铁纳米粒子的长期慢性毒性效应问题等，这些问题尚未得到彻底解决，但是，相信通过多学科领域的合作研究，磁性氧化铁纳米粒子研发中存在的问题将会逐渐解决，其在生物医学领域的应用将更为广阔。

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