超顺磁性氧化铁在生物医学中的作用

本文作者：郑文明 钟联东 单位：隆昌县中医院放射科 隆昌县人民医院放射科

超顺磁性氧化铁纳米粒因其一系列独特而优越的理化性能受到人们日益广泛的关注。粒径小于20nm的磁性粒子具有超顺磁性质[1]，能够为外加磁场所控制，并且该粒径小于大多数重要的生物分子，如病毒、蛋白、基因以及细胞[2]，因此能有效进入生物组织内部探测生物分子的生理性能，在分子水平上揭示生命奥秘。随着纳米技术与生物医学结合的日益深入，超顺磁性氧化铁纳米粒在生物标记与分离[3]、核磁共振显影[4]、药物载体[5，6]以及疾病诊断与治疗[7]等方面显示出广泛的应用前景，尤其对其进行功能化修饰更成为研究热点。

1超顺磁性氧化铁纳米粒的表面改性

超顺磁性氧化铁纳米粒极易被氧化而失去磁性，此外，其高的比表面能和粒子之间磁偶极的相互作用，倾向于团聚成大的颗粒[8]。因此当超顺磁性氧化铁纳米粒应用于生物医学领域时，有必要对粒子进行表面改性，以增强超顺磁性氧化铁纳米粒的稳定性及生物相容性等理化性能。而更关键的原因是，材料改性不仅能稳定超顺磁性氧化铁纳米粒，还更能起到提高超顺磁性氧化铁纳米粒在水溶液中的分散性和生物相容性的作用，同时如果进一步复合其它的纳米粒子、化合物或生物配体，可实现超顺磁性氧化铁纳米粒的功能化，使得超顺磁性氧化铁纳米粒在生物医学领域得到更加广泛的应用。超顺磁性氧化铁纳米粒的表面改性可分为两种途径：一种是表面改性材料与粒子表面依靠键合反应，通常是指一些有机小分子化合物；另外则是用有机或无机材料直接包裹超顺磁性氧化铁纳米粒，主要包括二氧化硅、表面活性剂、高分子聚合物等。

1.1无机材料改性超顺磁性氧化铁纳米粒及其在生物医学领域中的应用：无机材料通常包括二氧化硅和金、银、铂等贵金属等，包裹后的复合粒子通常包括处于中心的超顺磁性氧化铁纳米粒内核和外层的无机材料层。外层的无机材料不但可以减小超顺磁性氧化铁纳米粒之间的磁偶极相互作用，阻止粒子发生团聚，而且处于外层的包裹层可结合各种各样的生物化学配体到复合微球的表面上。二氧化硅具有优良的生物相容性、亲水性以及非常好的化学稳定性和胶体稳定性，是包裹超顺磁性氧化铁纳米粒较为理想的材料。包裹后的超顺磁性氧化铁纳米粒由于表面二氧化硅层的存在，较未包裹的超顺磁性氧化铁纳米粒，更容易被硅烷偶联剂类化合物修饰。包裹二氧化硅后得到的复合粒子已经在生物分离、药物控释等领域得到了广泛的应用。如有文献报导[9]用二氧化硅包裹聚乙烯醇结合的超顺磁性氧化铁纳米粒和疏水性药物，通过调节二氧化硅层的厚度，实现了药物在外加磁场下的可控释放，并发现该复合磁性粒子能够高效地被Hela细胞吞噬。有文献报道[10]制备了多孔二氧化硅包裹的超顺磁性氧化铁纳米粒，键合并提纯分离了大马哈鱼精子中的DNA，并从细菌中成功提取了RNA。在贵金属中，金由于其低活性和易被含有巯基的化学或生物分子修饰的特点，成为超顺磁性氧化铁纳米粒优良的包裹材料之一。Stoeva等[11]以氨基功能化的二氧化硅微球作为模板，将Fe3O4和Au纳米粒子吸附到二氧化硅微球表面并引发四氯金酸（HAuCl4）在微球表面的沉积成金层，形成三层结构的功能化复合微球，形成的三层磁性纳米微球被寡肽功能化后，可被用作DNA探针。Nam等[12]将单克隆抗体修饰在超顺磁性氧化铁纳米粒表面，然后将修饰有多克隆抗体和DNA的胶体金纳米粒子固定在超顺磁性氧化铁纳米粒表面，通过磁分离得到DNA标记物，最后通过对DNA标记物的定量检测，成功实现了对目标蛋白的高灵敏度检测。

1.2有机小分子化合物改性超顺磁性氧化铁纳米粒及其在生物医学领域中的应用：很多小分子化合物都能与磁粒子表面形成牢固的化学键，如油酸[13]、油胺、硅烷偶联剂、2，3-二巯基丁二酸[14]、多巴胺等。它们与粒子结合后在超顺磁性氧化铁纳米粒表面形成有机小分子层，使超顺磁性氧化铁纳米粒之间形成相互排斥力，从而使超顺磁性氧化铁纳米粒具有稳定的分散性。通过小分子表面改性后的超顺磁性氧化铁纳米粒再经化学或生物等方法功能化后，可以被广泛应用到生物分离、靶向药物传输、核磁共振显影等生物医学领域。Xu等[15]利用小分子的多巴胺与氨基三乙酸结合，对超顺磁性氧化铁纳米粒进行表面改性。改性后的超顺磁性氧化铁纳米粒在细胞裂解液中对六聚组氨酸标记的蛋白进行分离，每毫克超顺磁性氧化铁纳米粒能够分离的最大蛋白载荷为2～3mg，充分体现了超顺磁性氧化铁纳米粒在生物分离领域的巨大优势。Yu等[16]使用四氧化锇/高碘酸钠作为油酸修饰的γ-Fe2O3纳米粒子的表面氧化剂，成功的设计了一种新型疏水性超顺磁性氧化铁纳米粒表面改性方法，最终得到表面醛基功能化的超顺磁性氧化铁纳米粒。醛基功能化的粒子与具有多功能基团的小分子亲水化合物氨基葡萄糖酸偶联，能够在水溶液中稳定分散。在生物分离研究中，Yu等[16]发现经寡聚苹果酸改性的超顺磁性氧化铁纳米粒用做生物探针时，能特异性识别、捕获其互补核苷酸链段，并能在外加磁场作用下分离纯化。在细胞吞噬研究发现中，经氨基葡萄糖酸修饰后的粒子能够避免巨噬细胞的吞噬，使癌细胞对其表现出良好的吞噬作用，在肿瘤的诊断与治疗方面显示出巨大潜力。

1.3表面活性剂及聚合物改性超顺磁性氧化铁纳米粒及其在生物医学领域中的应用：表面活性剂及聚合物能够依靠化学结合或物理吸附等方法在超顺磁性氧化铁纳米粒表面形成单层或双层结构。带有功能团的表面活性剂或聚合物，可以绑定在超顺磁性氧化铁纳米粒的表面，从而改变超顺磁性氧化铁纳米粒的表面性质。适合用作包裹的聚合物有聚吡咯、葡聚糖、壳聚糖、聚苯胺、聚氰基丙烯酸丁酯、聚酯类如聚乳酸、聚乙醇酸类、聚己内酯以及它们的共聚物[17]等。超顺磁性氧化铁纳米粒经这些具有良好生物相容性的表面活性剂及聚合物修饰后所形成的磁性聚合物微球，可以用作细胞标记、靶向药物传输以及核磁共振显影剂等。在实际应用中，磁性聚合物微球的大小、电荷和表面化学性质严重影响药物在体内的循环时间和药效。另一方面，磁性聚合物微球的磁性等内在性质在很大程度上又决定于微球的大小。在体内循环系统中，粒径大于200nm的微球容易被脾脏过滤隔离后被噬菌细胞吞噬除去，从而降低其血液循环时间。小于10nm的微球又容易溢出被肾清除。用于静脉注射时，微球的最佳粒径应控制在10～100nm之间，在此范围内的微球，既能避开体内网状内皮组织系统，又能进入体内组织中细小毛细管，从而达到在特定组织中的最佳分布[18]。Nasongkla等[19]用PEG-PLA两亲性聚合物将超顺磁性氧化铁纳米粒和阿霉素共同包裹在聚合物疏水内核中，并在亲水端偶联靶向配体小分子环形肽(cRGD)，形成多功能化的磁性胶束。胶束表面的靶向配体能够与肿瘤细胞特异性结合，使该磁性胶束能够被传输到肿瘤内部。体外核磁共振实验和毒性研究中，这种多功能化的胶束表现出超灵敏的成像能力，并能够特异性地在肿瘤部位显示出抗肿瘤作用。