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氧化铁纳米颗粒是纳米材料的一个重要分支,它除了具有纳米材料的一般共性,如表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应外,还具有其它纳米材料所不具备的优异磁性能和生物相容性,尤其是良好的生物相容性为其在临床上的应用开辟了广阔的前景。因此,关于氧化铁纳米颗粒的研究,从制备、表面修饰、功能化到应用一直都是纳米材料领域的研究热点。
作为纳米尺度的材料,氧化铁纳米颗粒的理化特性,包括形貌、尺寸、表面化学、表面电荷等对其性质具有重要的决定作用。研究氧化铁纳米颗粒表面特性对其性质的影响对于扬长避短构建具有优异特性的纳米结构、进一步优化氧化铁纳米颗粒的应用具有重大意义。目前,通过对制备过程中参数的调控,已经能够合成出多种形貌和尺寸的氧化铁纳米颗粒,然而针对颗粒形貌对其性质的影响的研究则较少。此外,表面修饰是纳米颗粒合成后、应用前不可或缺的一步,然而不同的表面修饰方法对颗粒的影响有什么不同?本论文对以上两个问题进行了探讨,主要研究内容和结果如下:
1、以油酸为单一表面活性剂,在高沸点有机溶剂十八烯中高温热解前驱体油酸铁制备得到单分散Fe3O4纳米颗粒,探讨了油酸用量和回流时间对颗粒形貌和性质的影响。研究表明,合适的油酸用量对于制备得到形貌均一的纳米颗粒具有重要作用,适当增加回流时间,纳米颗粒尺寸也会相应增加,并伴随着颗粒磁性的增强。此外,实验还发现,提高回流温度,制备得到的颗粒尺寸也会相应增加。在此基础上,通过对反应参数进行调控,如适当增加表面活性剂用量、延长回流温度和时间、增大反应体系浓度等,制备得到尺寸相近、形貌不同(准方形、球形)的两类Fe3O4样品。使用配体交换的表面修饰方法,对制备得到的油溶性Fe3O4纳米颗粒进行表面DMSA(二巯基丁二酸)修饰。在此过程中,采用不同的配体交换时间(30 min,4 h),并通过多种表征手段,如透射电子显微镜(TEM),动态光散射(DLS),能量散射谱(EDS)等,探讨了替换时间对颗粒形貌和表面理化性质的影响。研究表明,配体交换30 min后,已能达到与4 h相似的替换效果,表现为相似的水动力尺寸和表面DMSA量,延长配体交换时间反而导致颗粒形貌受到破坏,表现为准方形颗粒在长时替换作用下逐渐向球形转变。
2、磁性和类过氧化物酶活性是目前Fe3O4纳米颗粒研究中备受瞩目的两类性质。基于以上通过高温热解法制备,后经表面修饰得到的Fe3O4@DMSA样品形貌上的差异,通过振动样品磁强计(VSM)、磁共振成像(MRI)弛豫率、交变磁场下升温、催化实验等方法,探讨了颗粒形貌对其磁性及类过氧化物酶活性的影响。研究表明,准方形纳米颗粒具有比球形颗粒更强的磁性,这主要是由于准方形颗粒具有更高的结晶度和更大的磁核体积。同时,相同条件下,准方形颗粒还具有较球形颗粒高的类过氧化物酶活性,这主要是由于准方形颗粒所暴露的晶面结构更有利于其类过氧化物酶活性的发挥。实验还发现,长时(4 h)替换得到的样品具有比短时(30 min)替换得到的样品较低的磁性和类过氧化物酶活性,原因在于长时替换导致的形貌变化及颗粒氧化程度的增加直接导致颗粒性质变弱。
3、以上实验表明配体交换的表面修饰方法对于颗粒形貌及性质具有破坏和削弱作用,而相比之下,通过疏水相互作用在油相纳米颗粒表面进行PEG化修饰的方法更具优势。以两亲性DSPE-PEG2000为表面活性剂,大豆油为稳定剂,通过简单的机械搅拌和后续超声作用,制备得到Fe3O4@OA@PEG纳米颗粒胶束,透射电镜表征结果显示PEG化修饰后的纳米颗粒保持了原有的形貌和尺寸。以PEG化后样品的水动力尺寸为考察指标,探讨反应参数对结果的影响并对Fe3O4@OA@PEG纳米颗粒胶束稳定性进行考察。研究表明,减小大豆油用量、延长超声作用时间、增加Fe3O4@OA浓度等均能有效减小胶束的水动力尺寸,且制备得到的Fe3O4@OA@PEG纳米颗粒胶束在七周内保持了良好的稳定性。最后,对比了Fe3O4@OA@PEG与Fe3O4@DMSA两类样品在类过氧化物酶活性及细胞摄取上的差异。结果显示,PEG化后的氧化铁纳米颗粒具有较低的类酶活性,并能有效躲避小鼠巨噬细胞RAW264.7的吞噬,有望实现体内的长循环。