氧化铁纳米颗粒凭借其高比表面积、高磁学性能以及高生物相容性和可代谢性,已在生物医学领域特别是磁共振成像上广泛应用。磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)造影剂主要分为T1造影剂和T2造影剂,临床上普遍使用的是有明亮对比效果的T1造影剂。目前一般认为超小尺寸的氧化铁纳米颗粒是潜在的T1造影剂。然而目前制备小尺寸氧化铁磁性纳米颗粒通常涉及到有机溶剂的使用,更换亲水性配体比较复杂,合成效率低,并且具有潜在的生物毒性。因此开发制备方法简单且具有更好生物相容性和更强T1增强效果的氧化铁纳米颗粒仍然具有很大挑战。自然界中生物矿化形成的磁小体给予了重要启示。磁小体是趋磁细菌矿化的一个特殊产物,它是由磷脂双层膜包裹的氧化铁纳米晶体。相比于普通化学合成的磁性纳米颗粒,磁小体纳米颗粒几乎无晶格缺陷,在磁性能、稳定性和生物兼容性方面具有明显优势。磁小体矿化过程受到多种矿化蛋白严格控制,从而形成晶型一致与尺寸均一的纳米颗粒。这些矿化蛋白质因其独特的空间结构和序列特异性,具有良好的生物兼容性,以及水溶液的单分散性和结构稳定性,易修饰和改造,使得它们成为纳米颗粒合成理想的生物模板。因此,利用矿化蛋白为模板自下而上调控纳米颗粒合成不仅可以获得高性能的纳米材料,同时合成的纳米颗粒具有良好的生物兼容性和生物活性。值得一提的是,这类仿生合成方法简单可重复,并且是环境无害的。本论文基于以上理论,选取了两种代表性的生物矿化蛋白质,即Mms6蛋白(Magnetosome membrane specific 6,磁小体膜特异性蛋白6)和BSA蛋白(Bovine serum albumin,牛血清白蛋白),分别通过两种不同的合成思路,进一步探索仿生合成过程,最终优化得到可用于T1造影的高性能氧化铁纳米颗粒。Mms6蛋白是富含酸性氨基酸的两亲性蛋白,对于磁小体晶体的形成起到重要作用。BSA蛋白富含大量的侧链氨基酸,可以提供丰富的羧基、羟基和巯基基团,为无机纳米颗粒提供了大量的结合位点,其合成产物具有很好的稳定性和生物相容性。在论文的第一部分,我们通过将Mms6蛋白与反相胶束系统结合,成功构建了类似于磁小体囊泡的纳米反应器来产生类磁小体磁性纳米颗粒。该纳米反应器可有效提高Mms6蛋白调节晶体形成的功能。类磁小体纳米颗粒表现出与天然磁小体相同的晶体形式和高性能的磁学性质,可对外部磁场快速响应。此外,亲水性修饰的类磁小体纳米颗粒具有优异的单分散性、良好的水溶性和水合粒径,避免了天然磁体纳米颗粒的缺点。MRI扫描中,具有磁靶向能力的类磁小体纳米颗粒在肿瘤区域大量富集,显著提高了T1造影效果。所有这些优点使得类磁小体纳米颗粒在生物医学上有很大的应用前景。在论文的第二部分,我们通过对BSA蛋白参与的合成体系的进一步优化和精细调控,成功的得到了具有很好T1成像效果的高性能氧化铁纳米颗粒。重要的是,我们还首次在实验中发现并证实了约6～7个BSA亚基自组装形成的一个球形笼状结构,并对BSA调控过程进行了简单探讨。此外,Fe2O3@BSA纳米颗粒在3.0 T磁场下表现出较高的r1值(6.8 mM-1s-1)和较低的r2/r1值(10.6)。与临床使用的Gd-DTPA相比,Fe2O3@BSA纳米颗粒具有更强的T1信号和长时间的血管造影效果,有利于体内稳定的高分辨成像。我们还对合成的纳米颗粒进行了体外和体内生物稳定性、毒性和肾代谢评估,结果显示Fe2O3@BSA具有良好的生物相容性,在合适的剂量下,可以被肾脏快速代谢,无明显的毒副作用,显示出了作为一种安全的T1造影剂的巨大潜力。这项工作为高质量磁性纳米材料的开发提供了一个重要的途径,并为理解蛋白质在生物矿化过程中有机/无机界面的作用提供了崭新思路。