Fe3O4纳米颗粒的制备、修饰与细胞转染研究

论文摘要

磁性纳米颗粒由于表现出超顺磁性和良好的生物相容性,因而在生物医用领域有着广阔的应用前景,例如可用作细胞标记物、磁共振造影剂、靶向药物载体或热疗介质等。随着这些领域的发展,对磁性纳米颗粒的制备、修饰等方面的要求也越来越高。因此本文选择了磁性纳米颗粒中应用最为广泛的Fe3O4纳米颗粒,从制备与修饰两个方面进行了研究,并初步证实了经修饰的Fe3O4纳米颗粒对细胞转染的可行性。对这一方向的研究不仅为应用打下了基础,也具有重要的科学意义。首先,本文提出了并验证了制备水溶性Fe3O4纳米颗粒的一种新型界面共沉淀方法。在这一方法中,将二价与三价铁盐按比例溶解于水中,同时将二正丙胺溶于环己烷中作为铁离子的沉淀剂。由于二正丙胺很难溶于水,因此共沉淀反应被限制在水/环己烷界面上进行,能够制备大小为5-15nm的Fe3O4纳米颗粒,这种纳米颗粒被证实表面吸附有铵盐,因而具有良好的亲水性,能够在纯水中长时间保持稳定。此方法简单、易操作,使之有可能进行规模化生产。研究结果表明:界面共沉淀法与经典共沉淀法一样,都有一反应物浓度的临界值,当反应物浓度低于此值时,将不会生成Fe3O4纳米颗粒。但是,界面共沉淀法表现出一些特性,例如,能够获得Fe3O4的浓度范围变小;反应温度和浓度并不对产物的粒径产生明显影响,但通过温度的改变可调节产物在水中的稳定性及磁性能。实验结果揭示了界面共沉淀法与经典共沉淀法的异同点,证实了该反应在水/油界面上进行,据此我们提出了界面共沉淀法的机理。在上述工作基础上,本文将界面共沉淀法进一步拓展用于制备葡聚糖修饰的Fe3O4纳米颗粒,并研究了葡聚糖用量、分子量对产物性能的影响。相较于经典共沉淀法,在加入相同量的葡聚糖及相同的反应条件下时,界面共沉淀法能够获得粒径较大、葡聚糖的含量较少、饱和磁化强度更高的纳米颗粒。通过对形核理论的探讨我们认为,在葡聚糖存在的环境下制备四氧化三铁时,其颗粒优先在葡聚糖分子链上以及分子链的缠结处形核,并相互缠结而团簇结构;另一部分葡聚糖将包裹在团聚体外使之稳定。基于这一结构模型,界面共沉淀法产物性能的提高被认为是反应在界面上进行所导致的。然而,采用共沉淀法制备的葡聚糖/Fe3O4纳米颗粒在水中分散稳定性、结晶度等方面仍然不能满足生物医用的需要,因此本文采用了二甘醇作为反应溶剂,由于其具有较高沸点（245℃）而使反应可在相对较高的温度下进行。从而能够使产物结晶性得以提高,同时,产物在水中具有更高的分散稳定性,并被证实来源于二甘醇在纳米颗粒与大分子杂化后在表面的进一步吸附。另外,这种方法能够在制备不同种类的水溶性大分子修饰Fe3O4纳米颗粒中具有良好的普适性。本文采用了微乳液法对Fe3O4纳米颗粒进行了SiO2包裹的初步研究,证实包裹层的厚度能随着Fe3O4纳米颗粒的加入量及SiO2的加入量的改变而改变,产物具有较高的饱和磁化强度。但目前对包裹后产物的粒径及形貌的控制还不理想,有待进一步的研究。本文还对葡聚糖/Fe3O4纳米颗粒进行了骨髓基质干细胞的转染的初步研究,普鲁士蓝染色观察证实了这种纳米颗粒可以成功转染至骨髓基质干细胞中,并发现当Fe3O4浓度小于32μg/ml时,对细胞的繁殖几乎不产生不良作用;而浓度在32μg/ml以上时,则将抑制细胞的生长和繁殖。这一探索为进一步的分子影像学及细胞示踪研究打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT（英文摘要）
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 磁性纳米颗粒的生物医用前景
• 1.2.1 体外应用
• 1.2.2 体内应用
• 1.3 磁性纳米颗粒的化学制备方法
• 1.3.1 复分解策略
• 1.3.2 热分解策略
• 1.4 磁性纳米颗粒的表面修饰与包裹
• 1.4.1 有机小分子修饰
• 1.4.2 高分子修饰与包裹
• 1.4.3 无机物包裹
• 1.5 由磁性到多功能性
• 1.5.1 种晶诱导形核技术
• 1.5.2 小分子偶联技术
• 1.5.3 共同包裹技术
• 1.6 本论文的研究目的与内容
• 第二章 一种新型界面共沉淀法制备四氧化三铁纳米颗粒
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 材料与试剂
• 3O₄纳米颗粒'>2.2.2 界面共沉淀法制备Fe₃O₄纳米颗粒
• 2.2.3 界面共沉淀法产物的进一步荧光修饰
• 2.2.4 检测与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 合成产物及其特性
• 2.3.1.1 微观形貌与宏观表现
• 2.3.1.2 表面性质
• 2.3.2 反应温度对界面共沉淀法的影响
• 2.3.2.1 反应温度对物相与结构的影响
• 2.3.2.2 反应温度对表面性质的影响
• 2.3.2.3 反应温度对磁性能的影响
• 2.3.3 反应物浓度的影响
• 2.3.4 油相溶剂种类对界面共沉淀法的影响
• 2.3.5 界面共沉淀法产物的进一步荧光修饰
• 2.3.6 界面共沉淀法反应机理的探讨
• 2.3.6.1 化学反应机理
• 2.3.6.2 共沉淀反应在界面上进行的证实
• 2.3.6.3 形核与生长机理
• 2.4 本章小结
• 3O₄纳米颗粒的影响'>第三章 界面共沉淀法对水溶性多糖修饰Fe₃O₄纳米颗粒的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 材料与试剂
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.3 检测与表征
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 颗粒大小与形貌
• 3.3.2 物相与成分
• 3.3.3 磁性能
• 3.4 讨论
• 3.4.1 葡聚糖在共沉淀反应中的作用
• 3.4.2 两种方法获得产物结构与性能差异的机理
• 3.5 本章小结
• 3O₄纳米颗粒的影响'>第四章 二甘醇作为溶剂对水溶性多糖修饰Fe₃O₄纳米颗粒的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 材料与试剂
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 检测与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 合成与产物特性
• 4.3.2 反应条件对产物的影响
• 4.3.2.1 对产物粒径的影响
• 4.3.2.2 对产物表面性质的影响
• 4.3.3 讨论
• 4.4 本章小结
• 2包裹Fe₃O₄纳米颗粒的研究'>第五章 SiO₂包裹Fe₃O₄纳米颗粒的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验过程
• 5.2.1 材料与试剂
• 5.2.2 实验方法
• 5.2.3 检测与表征
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 经典的St¨ober方法与改进的St¨ober方法
• 5.3.2 微乳液方法
• 5.3.3 讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 磁性纳米颗粒的细胞转染研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验过程
• 6.3 实验结果与讨论
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果及所获奖励