磁性納米材料的應用范文
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納米科學技術是20世紀80年展起來的一門多學科交叉融合的技術科學,其最終目標是直接以原子、分子及物質在納米尺度上表現出來的新穎的物理、化學和生物學特性來制造具有特定功能的產品。納米材料是指具有納米量級的超微粒構成的固體物質。納米材料具有三個結構特點:①結構單元或特征維度尺寸在納米數量級(1～100nm);②存在大量的界面或自由表面;③各納米單元之間存在一定的相互作用。由于納米材料結構上的特殊性,使納米材料具有一些獨特的效應,主要表現為小尺寸效應和表面或界面效應,因而在性能上與相同組成的微米材料有非常顯著的差異,體現出許多優異的性能和全新的功能。納米材料在化學、冶金、電子、航天、生物和醫學等領域展現出廣闊的應用前景。當鐵磁材料的粒子處于單疇尺寸時,矯頑力(Hc)將呈現極大值,粒子進入超順磁性狀態。這些特殊性能使各種磁性納米粒子的制備方法及性質的研究愈來愈受到重視。開始,多以純鐵(a-Fe)納米粒子為研究對象,制備工藝幾乎都是采用化學沉積法。后來,出現了許多新的制備方法,如濕化學法和物理方法,或兩種及兩種以上相結合的方法制備具有特殊性能的磁性納米材料。磁性納米材料具有許多不同于常規材料的獨特效應,如量子尺寸效應、表面效應、小尺寸效應及宏觀量子隧道效應等,這些效應使磁性納米粒子具有不同于常規材料的光、電、聲、熱、磁、敏感特性[2]。當磁性納米粒子的粒徑小于其超順磁性臨界尺寸時,粒子進入超順磁性狀態,無矯頑力和剩磁。眾所周知,對于塊狀磁性材料(如Fe、Co、Ni),其體內往往形成多疇結構以降低體系的退磁場能。納米粒子尺寸處于單疇臨界尺寸時具有高的矯頑力[3]。小尺寸效應和表面效應導致磁性納米粒子具有較低的居里溫度[4]。另外,磁性納米粒子的飽和磁化強度(Ms)比常規材料低,并且其比飽和磁化強度隨粒徑的減小而減小。當粒子尺寸降低到納米量級時,磁性材料甚至會發生磁性相變。磁性納米材料也具有良好的磁導向性、較好的生物相容性、生物降解性和活性能基團等特點,它可結合各種功能分子,如酶、抗體、細胞、DNA或RNA等,因而在靶向藥物、控制釋放、酶的固定化、免疫測定、DNA和細胞的分離與分類等領域可望有廣泛的應用。
2性納米材料在生物醫學領域的應用
2.1靶向藥物載體技術
利用磁性納米顆粒制造靶向輸送醫療藥物,是目前醫藥學研究的熱點。通常的靶向納米藥物載體是運用了載體對機體各組織或病變部位親和力的不同,或將單克隆抗體與載體結合,使藥物能夠轉運到特定的治療部位,但如果制備的載藥顆粒過大,如處于微米量級,可能會引起血栓樣血管栓塞,甚至導致死亡,而納米級的磁性顆粒可以解決這個問題。磁性納米顆粒的粒徑比毛細血管通路還小1-2個數量級,用其作為定向載體,通過磁性導向系統控制,可將藥物靶向輸送到病變部位釋放,以增強療效。制備出生物相容性和單分散性較好的無機磁性納米顆粒載體(主要為鐵系氧化物),再用生物高分子(氨基酸、多肽、蛋白質、酶等)包覆磁性納米顆粒載體,再將包覆好的磁性載體與藥物分子結合,將這種載有藥物分子的磁性納米粒子注射到生物體內,在外加磁場的作用下,通過納米顆粒的磁性導向性使藥物更準確地移向病變部位,增強其對病變組織的靶向性,有利于提高藥效,達到定向治療的目的,從而降低藥物對正常細胞的傷害,改變目前放療和化療中正常細胞和癌細胞統統被殺死的狀況,減少副作用。動物臨床實驗證實,載藥磁性納米微粒具有高效、低毒、高滯留性的優點,它在治療結束后可以通過人體肝臟和脾臟自然排泄。磁性納米藥物載體一般通過下面3種方式結合:(1)藥物與高分子先結合成顆粒,磁性顆粒再吸附其表面;(2)磁性顆粒和高分子先結合成顆粒再吸附藥物;(3)磁性顆粒、藥物、高分子一起混合經均勻化后再顆?；?。磁性高分子顆粒作為藥物載體,其中控制釋放速率是影響藥效的主要因素,骨架材料的選擇對控釋作用具有一定的影響,而攪拌速度和成型溫度對顆?？蒯屪饔靡灿泻艽笥绊憽＜{米顆粒中特有的微型水解通道的多少、寬窄及交聯程度是決定顆粒能否控釋的主要因素,而攪拌速率和成型溫度對顆粒中最后形成的微型通道程度起決定作用。早期應用的載體多為葡聚糖磁性毫微粒(DextranMNP),但易被RES系統吞噬,被動靶向于肝脾,難于實現其他組織的靶向給藥。后來,有人改變載體的表面的性能,使其具有一定負電性,可更好地應用于主動靶向治療。
2.2細胞分離和免疫分析
細胞分離是生物細胞學研究中一種十分重要的技術,高效的細胞分離在臨床中是首要的、重要的步驟。這種細胞分離技術在醫療臨床診斷上有廣范的應用,例如治療癌癥需在輻射治療前將骨髓抽出,且要將癌細胞從骨髓液中分離出來。傳統的細胞分離技術主要采用離心法,利用密度梯度原理進行分離,時間長、效果差。隨著合成磁性粒子的發展,免疫磁性粒子在分離細胞方面已經獲得了快速的發展經動物臨床試驗已獲成功。其中最重要的是選擇一種生物活性劑或者其他配體活性物質(如抗體、熒光物質、外源凝結素等),根據細胞表面糖鏈的差異,使其僅對特定細胞有親和力,從而達到分離、分類以及對其種類、數量分布進行研究的目的。磁性粒子用于細胞分離需要考慮以下幾個因素:不與非特定細胞結合、具有靈敏的磁響應性、在細胞分離介質中不凝結。免疫分析在現代生物分析技術中是一種重要的方法,它對蛋白質、抗原、抗體及細胞的定量分析發揮著巨大的作用。在免疫檢測中,經常利用一些具有特殊物理化學性質的標記物如放射性同位素、酶、膠體金和有機熒光染料分子等對抗體(或抗原)進行偶聯標記,在抗體與抗原識別后,通過對標記物的定性和定量檢測而達到對抗原(或抗體)檢測的目的。由于磁性納米顆粒性能穩定,較易制備,可與多種分子復合使粒子表面功能化,如果磁性顆粒表面引接具有生物活性的專一性抗體,在外加磁場的作用下,利用抗體和細胞的特異性結合,就可以得到免疫磁性顆粒,利用它們可快速有效地將細胞分離或進行免疫分析,具有特異性高、分離快、重現性好等特點,同時磁性納米顆粒具有超順磁性,為樣品的分離、富集和提純提供了很大方便,因而磁性納米顆粒在細胞分離和免疫檢測方面受到了廣泛關注。
2.3磁性納米顆粒對蛋白酶的吸附及固定化
生物高分子例如酶等都具有很多官能團,可以通過物理吸附、交聯、共價偶合等方式將他們固定在磁性顆粒的表面。用磁性納米顆粒固定化酶的優點是:易于將酶與底物和產物分離;可提高酶的生物相容性和免疫活性;能提高酶的穩定性,且操作簡單、成本較低。制備吸附蛋白酶的磁性高分子顆粒的過程可以概括為:制備磁流體,在對磁流體中的磁性納米顆粒用大分子包覆或聯結,所形成的磁性高分子載體可用作親和吸附的磁性親和載體。作為酶的固定化載體,磁性高分子顆粒有利于固定化酶從反應體系中分離和回收,還可以利用外部磁場控制磁性材料固定化酶的運動和方向,從而代替傳統的機械攪拌方式,提高固定化酶的催化效率。磁性高分子顆粒作為酶的固定化載體還具有以下優點:固定化酶可重復使用,降低成本;可以提高酶的穩定性,改善酶的生物相容性、免疫活性、親疏水性;分離及回收酶的操作簡單,適合大規模連續化操作。
2.4基因治療
20世紀70年代,醫學領域提出了“基因治療”這一概念,即將遺傳物質導入細胞或組織,進行疾病的治療即將遺傳物質導入組織或細胞進行疾病治療。目前常用病毒載體和脂質體載體,病毒載體存在制備困難,裝載外源DNA大小有限制,能誘導宿主免疫反應及潛在的致瘤性等缺點。多價陽離子聚合物,如目前廣泛應用的脂質體,具有病毒載體的優點,而沒有病毒載體的缺點。但是聚合物的顆粒大小是影響轉染效率的因素之一。磁性納米粒子的出現克服了它們的缺點。磁性材料直徑可達10nm以下,在外磁場作用下具有靶向性。磁性材料外部包裹生物高分子,從而增強了生物相容性,對細胞無毒,而且在血管中循環時間大大延長。目前要控制陽離子聚合物大小的合成方法還不很成熟,且陽離子聚合物的細胞毒性是影響轉染的突出問題。磁性四氧化三鐵生物納米顆粒的制作簡單,直徑可達10nm以下,具有比表面積效應和磁效應。在納米顆粒的表面可吸附大量DNA。在外加磁場的作用下,可具有靶向性。且四氧化三鐵的晶體對細胞無毒。為達到生物相容性,在磁性四氧化三鐵的晶體表面可很容易地包埋生物高分子,如多聚糖,蛋白質等形成核殼式結構。由于納米顆粒有巨大表面能,有多個結合位點,因而攜帶能力優于其他載體,且轉染效率高于目前使用的載體,因此磁性生物納米顆?？沙蔀檩^好的基因載體。
3磁性納米材料應用于生物醫學領域的局限性
納米材料科學技術的發展為納米材料的制備提供了許多新的工藝,在此基礎上人們已經能夠合成出單分散性比較好、形狀和尺寸可控的磁性納米材料,但磁性納米材料目前處于研究實驗階段,有些問題還需要進一步研究解決,但目前尚處于實驗階段,有眾多的問題亟待進一步研究解決:
(1)磁性納米顆粒的特性與顆粒的尺寸、顆粒尺寸的分布、顆粒的形狀和晶體結構密切相關,因而深入研究這些因素與磁性納米顆粒性能(尤其是磁學性能)的關系,以便找到最佳的合成工藝,最終達到對材料性能剪裁的目的。從熱力學和動力學兩方面深入探索納米尺度范圍內材料合成機理對磁性納米顆粒的尺寸、形狀和晶體結構的影響,發展和完善單分散磁性納米顆粒的制備方法;
(2)著重研究生物大分子在磁性納米顆粒的組裝結合機理,以提高組裝的結合力和結合量,發展面向不同應用要求的組裝形式和組裝方法;深入分析生物大分子在磁性納米顆粒載體上組裝后對其生物功能的影響,進一步研究磁性納米顆粒及生物高分子組裝體中無機成分和有機成分對磁性的貢獻以及無機成分與有機成分的磁相互作用,以期將功能設計與組裝方法有機地結合起來。
(3)目前的磁性納米材料在生物醫學領域的應用研究才剛剛起步,但隨著磁性納米材料的產業化和商業化的推進,如何大批量的生產質量可靠穩定的磁性納米材料,如何在生產過程中簡化生產步驟,降低成本,以期大規模臨床應用。
4結束語
磁性納米材料在生物醫學領域已表現出獨特的優勢,具有潛在的應用前景。隨著高分子材料學、電磁學、醫學、生物工程學的進一步發展,必將加速推動對磁性納米材料的基礎研究和在生物醫學領域應用研究工作,使之進入一個新的發展階段。
