金磁納米復合材料是指以超順磁性氧化鐵材料為核,外層包覆或組裝納米金的復合結構。該復合材料既具有納米氧化鐵核的磁學特性,又具有經表面修飾后納米金的靶向及光學特性,使其在腫瘤熱療、CT和MRI成像造影、細胞生物分離、生物傳感器、基因診斷、藥物靶向等多個生物醫學領域具有廣泛應用。
引用本文： 薛陽, 趙凌云, 唐勁天, 姚翠萍. 金磁納米復合材料在生物醫學中的應用研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(2): 462-466. doi: 10.7507/1001-5515.20140085 復制
引言
納米復合材料一般由兩種或多種納米材料按一定的結構復合組成，既具有單一納米組分所特有的表面效應、體積效應及量子尺寸效應等，又具有多種納米組分結構的協同效應。因其獨特的結構和復合功能，納米復合材料或介質在電子、光學、催化、生物醫藥技術等領域獲得了廣泛的關注和應用。
金磁納米復合材料是一類較常見的納米復合結構，一般而言，是指以超順磁性氧化鐵材料為核，外層包覆金殼的核殼型結構或外層組裝納米金的組裝型復合結構(見圖 1)。近年來，該復合結構在生物醫學領域成為納米功能材料的研究熱點之一，受到廣泛關注。
圖1
核殼型(左圖)和組裝型(右圖)金磁納米復合結構
Figure1.
Core-shell (left) and assembled (right) gold magnetic nanocomposite structure
磁性納米顆粒，特別是超順磁氧化鐵納米顆粒(superparamagnetic iron oxide nanoparticles,SPION)主要包括Fe3O4和γ-Fe2O3，在生物醫學領域已獲得廣泛應用[1]。良好的靜磁場響應性使其被應用于細胞分選、富集以及藥物靶向輸送等方面。此外，由于磁性納米顆粒可加速水分子中質子的橫向弛豫，從而縮短其自旋弛豫時間，在核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)領域也得到廣泛關注。隨著腫瘤磁感應熱療研究的不斷深入及研究成果的臨床轉化，作為熱療介質，磁性納米顆粒的研究及應用價值也不斷擴大。同時，磁性納米顆粒在基因轉染、疾病診斷、生物傳感器等方面也取得顯著的研究進展。納米金顆粒具有良好的化學穩定性、生物相容性以及獨特的光學特性，在生物醫學領域中的應用主要體現在生物檢測與成像、納米探針、生物傳感器、基因治療、生物芯片等幾方面。除此之外，利用納米金獨特的近紅外光學特性，在腫瘤激光熱療方面也得到了廣泛的應用。金磁納米復合材料可將上述兩種納米介質特性進行有機結合，從而進一步拓寬了其應用范疇。本文將全面綜述金磁納米復合材料在生物醫學領域各方面的應用現狀。
1 金磁納米復合材料的主要制備方法簡介
1.1 納米Fe3O4的制備方法
目前，Fe3O4納米粒子為最為常用的磁性納米顆粒，其主要制備方法包括化學、物理和生物法三類，其中化學法獲得的納米粒子質量較好，操作容易，生產成本較低，表面性質和粒徑可控，在生物醫學研究中被廣泛采用。表 1總結各種制備方法的特點，一般而言，可以根據需求來選擇合適的制備方法，以得到期望的目標產物[2-3]。
表1
納米Fe3O4不同的制備方法對比
Table1.
The comparison of different preparation methods of iron oxide nanoparticles
1.2 金磁納米復合材料的制備方法
如前所述，金磁納米復合材料包括核殼型和組裝型兩種(見圖 1)，目前制備方法主要有：晶種生長法、自組裝法、化學鍍沉積法、層層組裝法、反相微乳液法等。
核殼型復合材料的主要制備方法是以晶種生長法或層層組裝法制備的納米Fe3O4為種子，對其表面進行化學修飾并在其表面通過氧化還原反應合成納米金殼，從而形成核殼型的金磁納米復合材料[4-5]。組裝型的主要制備方法需要分別合成納米Fe3O4粒子和納米金粒子，在合成的磁性Fe3O4核外包覆一定厚度的硅烷層，通過Au-SH鍵或Au-NH2鍵將納米金粒子與磁性核結合形成 “Nano-satellite(納米衛星)”、”Nano-eggs(納米雞蛋)”、“Nano-flowers(納米花)”等結構的組裝型金磁納米復合材料[6-8]。
2 金磁納米復合材料在生物醫學中的應用現狀
2.1 腫瘤熱療領域
熱療可通過提高腫瘤部位的溫度，殺死腫瘤細胞，達到治療腫瘤的目的。將納米技術用于腫瘤和熱療而產生的納米熱療可實現腫瘤的適形加溫，常用的納米熱療方法主要包括由磁流體為介質的磁感應熱療以及以納米金為介質的近紅外光熱療法。
磁流體熱療(magnetic fluid hyperthermia,MFH)基于納米磁性介質在交變磁場下感應升溫的原理，將磁性納米粒子的混懸液定向植入到腫瘤部位，再施以中高頻交變磁場，磁性納米粒子感應產熱使腫瘤部位的溫度上升，達到殺死腫瘤細胞的目的(見圖 2)[9]。
圖2
腫瘤磁感應熱療原理示意圖
Figure2.
Illustration on the magnetic mediated hyperthermia for cancer treatment
近幾年，除納米Fe3O4介質外，國內外已有不少學者將金磁納米顆粒用于腫瘤熱療研究。一般而言，在磁性納米核外包覆納米金層不僅可以提高材料的生物相容性，同時還能提高磁性材料的升溫性能。Li等[10]利用改進的共沉淀法制備合成了35 nm的金磁納米顆粒，一系列的細胞毒性試驗、溶血試驗以及動物毒性實驗表明，金磁納米復合材料具有高度的生物相容性，在對癌細胞的熱療方面有很好的應用前景。Mohammad等[11]應用熱分解法制備了金磁納米顆粒，并發現包裹了Au外殼的Fe3O4超順磁性納米粒子在外加低頻交變磁場下的升溫性能得到了提升。
近紅外光熱療則是一種將激光作為能量場，利用金屬粒子(主要是納米金)在該波長下升溫的原理來治療腫瘤的方法。利用納米金殼良好的近紅外光學特性，金磁納米復合材料可被成功應用在腫瘤光熱治療中。將經過聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)修飾的金磁納米微粒注入荷瘤小鼠體內，暴露于808 nm的近紅外激光場下，在短時間內腫瘤組織就可以上升到55 ℃左右，證明該方法可以有效地將近紅外激光能量轉換成熱能從而殺死腫瘤細胞[12-14]。此外，由于納米金表面易于修飾，金磁納米粒子也被廣泛應用于腫瘤靶向治療中。Kirui等[15]將金磁納米粒子用羧基磷脂功能化修飾并與A33scFv 單鏈抗體相結合，可以靶向在SW1222大腸癌細胞表面過度表達的A33抗原，并在激光光熱密度為5.1 W·cm-2 下有效殺死腫瘤細胞。
2.2 MRI和CT成像造影劑
MRI和計算機斷層掃描(computed tomography，CT)是臨床上常用的醫學影像學診斷手段，造影劑的使用可有效提高圖像的成像質量。超順磁造影劑是臨床上較為常用的MRI造影劑,含碘化合物則作為臨床用CT造影劑。因MRI和CT成像方法可相互補償各自的弱點，同時研究證實以納米金粒子為基礎的CT造影劑能夠克服基于傳統碘造影劑的限制，因此兼具納米金和超順磁性特質的金磁納米復合材料可作為MRI和CT的雙重造影劑。
金磁納米復合材料作為造影劑的研究近年來取得顯著性進展，金磁納米復合微粒表現出很強的增強MRI成像對比度的特性，金殼可能近一步縮短T2的弛豫時間。有研究證實術后一個月的MRI信號強度顯示，PEG修飾的金磁納米粒子能夠抵御膠質細胞和巨噬細胞的消化機制，可作為一種長期的移植細胞在體追蹤MRI標記物[16-18]。
2.3 細胞生物分離
金磁納米復合材料的超順磁性為樣品的分離、富集、固定等提供了可能。將針對特定細胞表面受體的單克隆抗體固定在磁性微球表面，使之與目標細胞表面的特異性抗原結合，借助外加磁場，可以很方便地對細胞進行分離和分類。因此，金磁性納米粒子在細胞生物分離方面表現出優越的功能[19]。
一般而言，金磁納米復合材料用于生物分離過程中，納米金的易修飾特性主要體現于對介質進行特異性修飾，而Fe3O4磁性內核可用于具有磁性的生物分離和富集。如圖 3所示，Park等[20]將核殼結構的金磁納米微粒用于可調諧的、表面具有修飾特性的生物材料的分離。將抗體連接在核殼型的金磁納米微粒表面，抗原與抗體特異性結合，在外加磁場的作用下，可以起到生物磁性分離的作用。
圖3
金磁納米粒子進行細胞生物分離過程
Figure3.
The cell bio-separation process of gold magnetic nanoparticles
2.4 生物傳感器和生物條形碼技術
金磁納米材料在水相中分散良好，不易受酸堿腐蝕，納米金表面可以通過靜電作用直接與抗體、細胞以及脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)等生物活性分子連接，并保持分子的活性，因此，該復合材料也被用于傳感器功能的免疫學檢測載體的制備。金磁納米復合材料可通過外加靜磁場，與人免疫球蛋白G(human immunoglobulin G,IgG)的偶聯體固定于表面等離子體共振(surface plasmon resonance,SPR)傳感器的金基底膜上，形成金磁抗 IgG敏感膜。與傳統的通過巰基丙酸連接蛋白的方式相比，磁場作用固定的金磁抗 IgG 敏感膜制備簡單、易洗脫，具有良好的再生性，且在一定程度上提高了傳感器的靈敏度[21]。
Mirkin研究小組[22]提出一種DNA-納米金對目標DNA序列直接標記的方法，此外，他們還研發了以金磁納米復合材料為探針的生物條碼(Bio-Bar code)技術進行蛋白質的檢測，目前這些新型探針已實現在商業上的應用[23]。與熒光標記法相比，這些納米探針技術極大地提高了檢測的選擇性和靈敏度。
2.5 其它應用
除上述應用外，金磁納米復合材料也被制作為DNA探針在生物醫學診斷上得到應用。有學者利用金納米顆粒和金磁納米顆粒制備了乙型肝炎病毒(hepatitis B virus，HBV)的DNA探針，通過在納米顆粒表面連接上特定序列的寡核苷酸鏈，在尼龍膜上進行DNA合成靶向的檢測研究，為已知序列HBV DNA簡易、經濟、快捷的診斷做出有益的嘗試。使用金磁納米復合材料同樣可以建立從血液基因組中提取DNA的方法，該復合材料的純化系統具有產量高、純度高、操作方便、節省時間等優點，適用于基因組DNA的純化和運輸[24-25]。此外，負載有緩釋藥物的金磁微球能夠借助于外加磁場的導向作用，將藥物運送到人體中特定的病變部位后進行控制釋放，這樣既可以減少藥物分子的毒副作用，又可以降低藥物用量，極大地提高藥物效率[26]。
3 金磁納米復合材料的應用前景展望
綜上所述，將納米金和磁性納米粒子進行適當的復合，所得的納米結構既具有氧化鐵核粒子的磁學特性，又具有金殼粒子的光學特性及經過表面修飾后的偶聯靶向特性，金磁納米復合材料在腫瘤納米熱療、CT和MRI雙重成像造影、生物傳感器、細胞生物分離、基因診斷等多領域具有廣泛應用。隨著納米生物技術、生物醫學等學科的綜合發展，相信金磁納米復合材料在生物醫學領域的應用將更加廣泛。
引言
納米復合材料一般由兩種或多種納米材料按一定的結構復合組成，既具有單一納米組分所特有的表面效應、體積效應及量子尺寸效應等，又具有多種納米組分結構的協同效應。因其獨特的結構和復合功能，納米復合材料或介質在電子、光學、催化、生物醫藥技術等領域獲得了廣泛的關注和應用。
金磁納米復合材料是一類較常見的納米復合結構，一般而言，是指以超順磁性氧化鐵材料為核，外層包覆金殼的核殼型結構或外層組裝納米金的組裝型復合結構(見圖 1)。近年來，該復合結構在生物醫學領域成為納米功能材料的研究熱點之一，受到廣泛關注。
圖1
核殼型(左圖)和組裝型(右圖)金磁納米復合結構
Figure1.
Core-shell (left) and assembled (right) gold magnetic nanocomposite structure
磁性納米顆粒，特別是超順磁氧化鐵納米顆粒(superparamagnetic iron oxide nanoparticles,SPION)主要包括Fe3O4和γ-Fe2O3，在生物醫學領域已獲得廣泛應用[1]。良好的靜磁場響應性使其被應用于細胞分選、富集以及藥物靶向輸送等方面。此外，由于磁性納米顆粒可加速水分子中質子的橫向弛豫，從而縮短其自旋弛豫時間，在核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)領域也得到廣泛關注。隨著腫瘤磁感應熱療研究的不斷深入及研究成果的臨床轉化，作為熱療介質，磁性納米顆粒的研究及應用價值也不斷擴大。同時，磁性納米顆粒在基因轉染、疾病診斷、生物傳感器等方面也取得顯著的研究進展。納米金顆粒具有良好的化學穩定性、生物相容性以及獨特的光學特性，在生物醫學領域中的應用主要體現在生物檢測與成像、納米探針、生物傳感器、基因治療、生物芯片等幾方面。除此之外，利用納米金獨特的近紅外光學特性，在腫瘤激光熱療方面也得到了廣泛的應用。金磁納米復合材料可將上述兩種納米介質特性進行有機結合，從而進一步拓寬了其應用范疇。本文將全面綜述金磁納米復合材料在生物醫學領域各方面的應用現狀。
1 金磁納米復合材料的主要制備方法簡介
1.1 納米Fe3O4的制備方法
目前，Fe3O4納米粒子為最為常用的磁性納米顆粒，其主要制備方法包括化學、物理和生物法三類，其中化學法獲得的納米粒子質量較好，操作容易，生產成本較低，表面性質和粒徑可控，在生物醫學研究中被廣泛采用。表 1總結各種制備方法的特點，一般而言，可以根據需求來選擇合適的制備方法，以得到期望的目標產物[2-3]。
表1
納米Fe3O4不同的制備方法對比
Table1.
The comparison of different preparation methods of iron oxide nanoparticles
1.2 金磁納米復合材料的制備方法
如前所述，金磁納米復合材料包括核殼型和組裝型兩種(見圖 1)，目前制備方法主要有：晶種生長法、自組裝法、化學鍍沉積法、層層組裝法、反相微乳液法等。
核殼型復合材料的主要制備方法是以晶種生長法或層層組裝法制備的納米Fe3O4為種子，對其表面進行化學修飾并在其表面通過氧化還原反應合成納米金殼，從而形成核殼型的金磁納米復合材料[4-5]。組裝型的主要制備方法需要分別合成納米Fe3O4粒子和納米金粒子，在合成的磁性Fe3O4核外包覆一定厚度的硅烷層，通過Au-SH鍵或Au-NH2鍵將納米金粒子與磁性核結合形成 “Nano-satellite(納米衛星)”、”Nano-eggs(納米雞蛋)”、“Nano-flowers(納米花)”等結構的組裝型金磁納米復合材料[6-8]。
2 金磁納米復合材料在生物醫學中的應用現狀
2.1 腫瘤熱療領域
熱療可通過提高腫瘤部位的溫度，殺死腫瘤細胞，達到治療腫瘤的目的。將納米技術用于腫瘤和熱療而產生的納米熱療可實現腫瘤的適形加溫，常用的納米熱療方法主要包括由磁流體為介質的磁感應熱療以及以納米金為介質的近紅外光熱療法。
磁流體熱療(magnetic fluid hyperthermia,MFH)基于納米磁性介質在交變磁場下感應升溫的原理，將磁性納米粒子的混懸液定向植入到腫瘤部位，再施以中高頻交變磁場，磁性納米粒子感應產熱使腫瘤部位的溫度上升，達到殺死腫瘤細胞的目的(見圖 2)[9]。
圖2
腫瘤磁感應熱療原理示意圖
Figure2.
Illustration on the magnetic mediated hyperthermia for cancer treatment
近幾年，除納米Fe3O4介質外，國內外已有不少學者將金磁納米顆粒用于腫瘤熱療研究。一般而言，在磁性納米核外包覆納米金層不僅可以提高材料的生物相容性，同時還能提高磁性材料的升溫性能。Li等[10]利用改進的共沉淀法制備合成了35 nm的金磁納米顆粒，一系列的細胞毒性試驗、溶血試驗以及動物毒性實驗表明，金磁納米復合材料具有高度的生物相容性，在對癌細胞的熱療方面有很好的應用前景。Mohammad等[11]應用熱分解法制備了金磁納米顆粒，并發現包裹了Au外殼的Fe3O4超順磁性納米粒子在外加低頻交變磁場下的升溫性能得到了提升。
近紅外光熱療則是一種將激光作為能量場，利用金屬粒子(主要是納米金)在該波長下升溫的原理來治療腫瘤的方法。利用納米金殼良好的近紅外光學特性，金磁納米復合材料可被成功應用在腫瘤光熱治療中。將經過聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)修飾的金磁納米微粒注入荷瘤小鼠體內，暴露于808 nm的近紅外激光場下，在短時間內腫瘤組織就可以上升到55 ℃左右，證明該方法可以有效地將近紅外激光能量轉換成熱能從而殺死腫瘤細胞[12-14]。此外，由于納米金表面易于修飾，金磁納米粒子也被廣泛應用于腫瘤靶向治療中。Kirui等[15]將金磁納米粒子用羧基磷脂功能化修飾并與A33scFv 單鏈抗體相結合，可以靶向在SW1222大腸癌細胞表面過度表達的A33抗原，并在激光光熱密度為5.1 W·cm-2 下有效殺死腫瘤細胞。
2.2 MRI和CT成像造影劑
MRI和計算機斷層掃描(computed tomography，CT)是臨床上常用的醫學影像學診斷手段，造影劑的使用可有效提高圖像的成像質量。超順磁造影劑是臨床上較為常用的MRI造影劑,含碘化合物則作為臨床用CT造影劑。因MRI和CT成像方法可相互補償各自的弱點，同時研究證實以納米金粒子為基礎的CT造影劑能夠克服基于傳統碘造影劑的限制，因此兼具納米金和超順磁性特質的金磁納米復合材料可作為MRI和CT的雙重造影劑。
金磁納米復合材料作為造影劑的研究近年來取得顯著性進展，金磁納米復合微粒表現出很強的增強MRI成像對比度的特性，金殼可能近一步縮短T2的弛豫時間。有研究證實術后一個月的MRI信號強度顯示，PEG修飾的金磁納米粒子能夠抵御膠質細胞和巨噬細胞的消化機制，可作為一種長期的移植細胞在體追蹤MRI標記物[16-18]。
2.3 細胞生物分離
金磁納米復合材料的超順磁性為樣品的分離、富集、固定等提供了可能。將針對特定細胞表面受體的單克隆抗體固定在磁性微球表面，使之與目標細胞表面的特異性抗原結合，借助外加磁場，可以很方便地對細胞進行分離和分類。因此，金磁性納米粒子在細胞生物分離方面表現出優越的功能[19]。
一般而言，金磁納米復合材料用于生物分離過程中，納米金的易修飾特性主要體現于對介質進行特異性修飾，而Fe3O4磁性內核可用于具有磁性的生物分離和富集。如圖 3所示，Park等[20]將核殼結構的金磁納米微粒用于可調諧的、表面具有修飾特性的生物材料的分離。將抗體連接在核殼型的金磁納米微粒表面，抗原與抗體特異性結合，在外加磁場的作用下，可以起到生物磁性分離的作用。
圖3
金磁納米粒子進行細胞生物分離過程
Figure3.
The cell bio-separation process of gold magnetic nanoparticles
2.4 生物傳感器和生物條形碼技術
金磁納米材料在水相中分散良好，不易受酸堿腐蝕，納米金表面可以通過靜電作用直接與抗體、細胞以及脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)等生物活性分子連接，并保持分子的活性，因此，該復合材料也被用于傳感器功能的免疫學檢測載體的制備。金磁納米復合材料可通過外加靜磁場，與人免疫球蛋白G(human immunoglobulin G,IgG)的偶聯體固定于表面等離子體共振(surface plasmon resonance,SPR)傳感器的金基底膜上，形成金磁抗 IgG敏感膜。與傳統的通過巰基丙酸連接蛋白的方式相比，磁場作用固定的金磁抗 IgG 敏感膜制備簡單、易洗脫，具有良好的再生性，且在一定程度上提高了傳感器的靈敏度[21]。
Mirkin研究小組[22]提出一種DNA-納米金對目標DNA序列直接標記的方法，此外，他們還研發了以金磁納米復合材料為探針的生物條碼(Bio-Bar code)技術進行蛋白質的檢測，目前這些新型探針已實現在商業上的應用[23]。與熒光標記法相比，這些納米探針技術極大地提高了檢測的選擇性和靈敏度。
2.5 其它應用
除上述應用外，金磁納米復合材料也被制作為DNA探針在生物醫學診斷上得到應用。有學者利用金納米顆粒和金磁納米顆粒制備了乙型肝炎病毒(hepatitis B virus，HBV)的DNA探針，通過在納米顆粒表面連接上特定序列的寡核苷酸鏈，在尼龍膜上進行DNA合成靶向的檢測研究，為已知序列HBV DNA簡易、經濟、快捷的診斷做出有益的嘗試。使用金磁納米復合材料同樣可以建立從血液基因組中提取DNA的方法，該復合材料的純化系統具有產量高、純度高、操作方便、節省時間等優點，適用于基因組DNA的純化和運輸[24-25]。此外，負載有緩釋藥物的金磁微球能夠借助于外加磁場的導向作用，將藥物運送到人體中特定的病變部位后進行控制釋放，這樣既可以減少藥物分子的毒副作用，又可以降低藥物用量，極大地提高藥物效率[26]。
3 金磁納米復合材料的應用前景展望
綜上所述，將納米金和磁性納米粒子進行適當的復合，所得的納米結構既具有氧化鐵核粒子的磁學特性，又具有金殼粒子的光學特性及經過表面修飾后的偶聯靶向特性，金磁納米復合材料在腫瘤納米熱療、CT和MRI雙重成像造影、生物傳感器、細胞生物分離、基因診斷等多領域具有廣泛應用。隨著納米生物技術、生物醫學等學科的綜合發展，相信金磁納米復合材料在生物醫學領域的應用將更加廣泛。
