高單分散磁性納米材料氧化鐵在新型磁共振成像對(duì)比劑/**磁熱**/磁力生物調(diào)控等應(yīng)用方向發(fā)展

   自實(shí)現(xiàn)高單分散納米氧化鐵的可控制備以來(lái)，基于高生物學(xué)安全性的納米氧化鐵或者摻雜納米鐵氧體磁性材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)，成為目前納米生物學(xué)和納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域前沿?zé)狳c(diǎn)之一，特別是其獨(dú)特的磁學(xué)性質(zhì)，使得磁性納米材料能夠介導(dǎo)外磁場(chǎng)產(chǎn)生納米尺度的物理效應(yīng)，并作用于微納尺度的生物靶點(diǎn)。通過(guò)多學(xué)科交叉研究，有望建立基于磁性納米材料的可控、組織可穿透、安全和**的疾病診斷和**新模式，提高疾病的**療效并改善預(yù)后。文章綜述了近年來(lái)氧化鐵顆粒在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的一些較新進(jìn)展，主要集中討論了磁性納米材料在新型磁共振成像對(duì)比劑、**磁熱**和磁力生物調(diào)控等應(yīng)用方向的機(jī)遇與發(fā)展。

   近年來(lái)，隨著納米科學(xué)與技術(shù)的快速發(fā)展以及其與生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)工程學(xué)等學(xué)科的交叉融合，產(chǎn)生了如納米醫(yī)學(xué)、納米生物學(xué)等許多新興學(xué)科和領(lǐng)域。這些交叉領(lǐng)域的研究有望為解決當(dāng)前重大疾病診療領(lǐng)域的技術(shù)挑戰(zhàn)提供新思路和新方法。在諸多生物醫(yī)學(xué)納米材料中，磁性納米生物材料因其獨(dú)特的磁學(xué)性質(zhì)在臨床診斷和生物醫(yī)學(xué)研究中獲得了廣泛應(yīng)用，如**影像診斷和磁熱療、磁分離和即時(shí)檢驗(yàn)、干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)\腦部神經(jīng)刺激和可控**遞釋等(圖1)。

圖1 氧化鐵納米顆粒的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

除了利用納米材料化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)相關(guān)的生物學(xué)效應(yīng)以外，磁性納米材料生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的主要范式是：利用納米材料小尺寸特點(diǎn)將其遞送到特定的生物靶點(diǎn)，通過(guò)施加安全且無(wú)組織穿透深度限制的外磁場(chǎng)刺激，促使磁性納米材料產(chǎn)生磁、熱、力等物理效應(yīng)并作用于生物靶點(diǎn)，繼而引發(fā)多種生物學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)診斷或**功能。由此可見(jiàn)，磁性納米材料是實(shí)現(xiàn)磁診療功能的介質(zhì)，而其性能在很大程度上取決于納米材料磁學(xué)特性與外部磁場(chǎng)之間的耦合效率以及磁場(chǎng)誘導(dǎo)物理效應(yīng)對(duì)生物學(xué)效應(yīng)的激活效能。該領(lǐng)域科學(xué)研究的較終目標(biāo)是在活體內(nèi)實(shí)現(xiàn)可遠(yuǎn)程磁操控的醫(yī)療納米機(jī)器人，能夠進(jìn)行疾病預(yù)警并遵循醫(yī)生指示執(zhí)行相關(guān)**功能。為更好地實(shí)現(xiàn)這個(gè)遠(yuǎn)景目標(biāo)，需要材料化學(xué)、納米磁學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)以及工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科知識(shí)深度融合，并在不斷的發(fā)展過(guò)程中逐漸形成“納米磁醫(yī)學(xué)工程”等新的交叉學(xué)科和方向。

安全并**是醫(yī)療技術(shù)臨床應(yīng)用的要求，磁性氧化鐵顆粒是當(dāng)前**被批準(zhǔn)用于臨床的無(wú)機(jī)材料納米**，具有**的安全性。而磁場(chǎng)相關(guān)醫(yī)療技術(shù)往往具有非侵入式、可實(shí)時(shí)調(diào)控、無(wú)輻射危害等優(yōu)勢(shì)。因此，以臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用的角度，開(kāi)展磁場(chǎng)作用下氧化鐵納米材料生物效應(yīng)的跨學(xué)科、創(chuàng)新性的科學(xué)研究有望為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)變革性的醫(yī)療技術(shù)，改善當(dāng)前疾病**效果，滿足我國(guó)人民對(duì)健康和美好生活的期盼。

磁場(chǎng)誘導(dǎo)的物理效應(yīng)

磁學(xué)性質(zhì)是磁性納米材料生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵，通過(guò)材料設(shè)計(jì)可以**的調(diào)控納米材料的磁學(xué)特性，從而提升應(yīng)用性能。一般來(lái)說(shuō)，其磁學(xué)性能參數(shù)主要包括：飽和磁化強(qiáng)度(Ms)、磁各向異性(K)、剩磁(Mr)和矯頑力(Hc)等。磁化強(qiáng)度是描述宏觀磁介質(zhì)磁性強(qiáng)弱程度的物理量。對(duì)于鐵磁有序的納米氧化鐵材料，其隨外磁場(chǎng)不斷增強(qiáng)能夠達(dá)到的較大磁化強(qiáng)度即飽和磁化強(qiáng)度，該參數(shù)與納米材料的尺寸、組分和形貌等相關(guān)。例如，飽和磁化強(qiáng)度在閾值內(nèi)隨顆粒尺寸的增加成比例地增大，超過(guò)閾值后趨于恒定并且接近體相材料的磁化強(qiáng)度[5]。磁各向異性是指在不同方向磁化難易程度不同，包括磁晶各向異性、表面各向異性及交換各向異性。磁晶各向異性受晶胞結(jié)構(gòu)影響，如氧化鐵納米顆粒中Fe2+完全被Co2+替代時(shí)，磁各向異性比原來(lái)顆粒增加了20 倍[6]。表面各向異性及交換各向異性受顆粒形貌影響，一般比表面積大的納米顆粒對(duì)表面各向異性貢獻(xiàn)更**，核殼結(jié)構(gòu)也會(huì)影響交換各向異性[5， 7]。矯頑力能體現(xiàn)材料抵抗退磁的能力，受顆粒尺寸變化的影響較為**。納米材料晶粒尺寸小于單疇尺寸時(shí)，其矯頑力隨粒徑的增大而增大。由此可見(jiàn)，鐵磁性納米材料表現(xiàn)出尺寸依賴的磁學(xué)特性，當(dāng)尺寸小于某一臨界值，其磁晶各向異性能(KV)小于室溫?zé)崮?/span>(KT)時(shí)，其矯頑力與剩磁趨向于零，呈現(xiàn)超順磁性質(zhì)。

磁性納米材料響應(yīng)外磁場(chǎng)可以產(chǎn)生多種物理學(xué)效應(yīng)，不同的應(yīng)用對(duì)材料磁學(xué)性能的要求不同。因此，設(shè)計(jì)高應(yīng)用性能磁性納米介質(zhì)時(shí)，需要綜合多方面因素考慮(圖2)。磁性納米材料在外磁場(chǎng)作用下，可產(chǎn)生局域的誘導(dǎo)磁場(chǎng)。該局域磁場(chǎng)能夠影響被射頻脈沖激發(fā)的氫質(zhì)子弛豫過(guò)程，**縮短弛豫時(shí)間，從而增強(qiáng)該區(qū)域的磁共振信號(hào)。納米氧化鐵作為**的T2磁共振增強(qiáng)對(duì)比劑，其弛豫效能與飽和磁化強(qiáng)度的平方成正比。在梯度磁場(chǎng)或者旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下，磁化的納米材料可以產(chǎn)生納米尺度的力學(xué)效應(yīng)，其磁力大小與飽和磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)梯度的積成正比。在外加中頻交變磁場(chǎng)(100—500 kHz)中，磁性納米材料可通過(guò)磁滯損耗將磁場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)化為熱能[8]。對(duì)于超順磁納米顆粒，其產(chǎn)熱機(jī)制可以簡(jiǎn)化為布朗和尼爾弛豫損耗之和。當(dāng)顆粒尺寸大于單疇尺寸時(shí)，其布朗弛豫對(duì)產(chǎn)熱有較大的貢獻(xiàn)；而小于單疇尺寸的顆粒主要以尼爾弛豫貢獻(xiàn)為主，與磁各向異性能成正比[9]。磁性納米材料磁熱效率可以用比吸熱速率(SAR)或固有損耗功率(ILP)來(lái)評(píng)價(jià)，產(chǎn)熱效率與磁場(chǎng)的頻率和強(qiáng)度以及顆粒的飽和磁化強(qiáng)度有關(guān)。比吸收速率沒(méi)有考慮磁場(chǎng)參數(shù)的影響，不能將不同磁場(chǎng)參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，而固有損耗功率與磁場(chǎng)參數(shù)無(wú)關(guān)，可以用來(lái)衡量不同外場(chǎng)下材料的磁熱轉(zhuǎn)換性能。

圖2 納米氧化鐵尺寸依賴的磁學(xué)特性與醫(yī)學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)(a)尺寸依賴的磁滯回線；(b)磁性納米材料對(duì)氫質(zhì)子磁共振弛豫的影響；(c)磁場(chǎng)誘導(dǎo)的磁力效應(yīng)；(d)磁感應(yīng)熱機(jī)制中的布朗和尼爾弛豫損耗。

產(chǎn)品供應(yīng)：

T1造影劑

Gd-DTPA

Gadolinium-LabeledAlbumin

Gadolinium-labeledIgG

Gadolinium-labeledProteinA

Gadolinium-labeledPolylysine

Gadolinium-labeledBSA

Gd-BSA-FITC

Gd-BSA-RhodamineB

Gd-DOTA

Gd-DO3A-Butylamine

DMPE-DTPA-Gd

DTPA-BSA-Gd

DPPE-DTPA-Gd

DSPE-DTPA-Gd

DMPE-DTPA-Gd-DMPE

DPPE-DTPA-Gd-DPPE

DSPE-DTPA-Gd-DSPE

MRI的T1造影劑

產(chǎn)品名稱：Gd-DTPA/Gado-DTPA

產(chǎn)品全稱：Gadolinium-DTPA

中文名稱：二乙三胺五乙酸釓絡(luò)合物/釓噴酸葡甲胺鹽

產(chǎn)品名稱：Gd-BSA

產(chǎn)品全稱：Gadolinium-labeledbovinealbumin

中文名稱：釓-牛血清白蛋白

產(chǎn)品名稱：Gd-BSA-FITC

產(chǎn)品全稱：Gadolinium-labeledbovinealbumin-Fluorescein

中文名稱：釓-牛血清白蛋白-綠色熒光素

產(chǎn)品名稱：Gd-BSA-RhodamineB

產(chǎn)品全稱：Gadolinium-labeledbovinealbumin-RhodamineB

中文名稱：釓-牛血清白蛋白-紅色羅丹明

產(chǎn)品名稱：Gd-IgG

產(chǎn)品全稱：Gadolinium-labeledImmunoglobulinG(bovine),Gd-IgG

產(chǎn)品名稱：Gd-ProteinA

產(chǎn)品全稱：Gd-ProteinA, Gadolinium-ProteinA

中文名稱：釓-蛋白A

產(chǎn)品名稱：Gd3O4

產(chǎn)品全稱：Gadoliniumoxidenanoparticles

中文名稱：納米釓氧化物

產(chǎn)品名稱：PLL-Gd

產(chǎn)品全稱：Gadolinium-Polylysine/Gadolinium-labeledpolylysine

中文名稱：聚賴氨酸-釓

產(chǎn)品名稱：Gd-DOTA

產(chǎn)品全稱：Gadolinium-Gadolinium(III)1,4,7,10-Tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetate

中文名稱： 釓-大環(huán)配體

Gd-p-SCN-Bn-DOTA

產(chǎn)品名稱：Gd-p-SCN-Bn-DOTA

中文名稱： 釓-大環(huán)配體

產(chǎn)品名稱：14:0PE-DTPA(Gd)，DMPE-DTPA-Gd

產(chǎn)品全稱：1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-diethylenetriaminepentaaceticacid(gadoliniumsalt)

中文名稱： 釓-大環(huán)配體-磷脂

產(chǎn)品名稱：DTPA-BSA(Gd)，DTPA-BSA-Gadolinium

產(chǎn)品全稱：DTPA-bis(stearylamide)(gadoliniumsalt)

中文名稱： 釓-大環(huán)配體-牛血清白蛋白

T2型造影劑-超順磁性四氧化三鐵顆粒（USPIO/SPIO）

T2造影劑產(chǎn)品列表：

Dextran-Fe3O4Nanoparticle，FunctionalityHydroxyl

Dextran-Fe3O4Nanoparticle，Functionalityamine

RhodamineB- Dextran-Fe3O4Nanoparticle，Functionalityamine

EverGreen-Dextran-Fe3O4Nanoparticle，Functionalityamine

Coumarin-Dextran-Fe3O4Nanoparticle，Functionalityamine

Proprietary-Dextran-Fe3O4Nanoparticle，Functionalityamine

Fe3O4Superparamagnetic，Functionality2carbonamine

Fe3O4Superparamagnetic，Functionalityaromaticaminegroups

PLL-Fe3O4Superparamagnetic，Functionalityaminegroups

RhodamineBFe3O4SuperparamagneticNanoparticles，FunctionalityCarboxylgroups

Fe3O4SuperparamagneticNanoparticles，FunctionalityCarboxylandaminegroups

RhodamineB-Fe3O4SuperparamagneticNanoparticles，FunctionalityCarboxylandaminegroups

PolyL-Tyrosine-Fe3O4Nanoparticles

Azide-Dextran-Fe3O4Nanoparticles

Biotin-Fe3O4Nanoparticles

DOTA-Fe3O4Nanoparticles

OleicacidmodifiedFe3O4nanoparticles

Fe3O4Magneticnanoparticlesinwater

SiO2-Fe3O4Magneticnanoparticles

SiO2-Fe3O4Magneticnanoparticlescoatingaminefunction

Fe3O4Magneticnanoparticlescoatingcarboxylfunction

PEG-Fe3O4Magneticnanoparticles

Chitosan-Fe3O4Magneticnanoparticles

PAA-Fe3O4Magneticnanoparticles

PVP-Fe3O4Magneticnanoparticles

Streptavidin-Fe3O4Magneticnanoparticles

mesoporoussilica-Fe3O4Magneticnanoparticles

R-CMN10050 mesoporoussilica-Fe3O4MagneticnanoparticlescoatingAminefunction

R-CMF10050 mesoporoussilica-Fe3O4MagneticnanoparticlescoatingFITCfunction

AuCoatedFe3O4MagneticNanoparticles

PLL-Fe2O3Nanoparticles  1mg/ml

PEI-Fe3O4MagneticNanoparticles

超順磁性四氧化三鐵顆粒（USPIO/SPIO）造影劑

上述產(chǎn)品齊岳生物均可供應(yīng)，僅用于科研，不可用于人體！

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