纳米颗粒生物的应用

多功能磁性纳米颗粒的介绍、制备及生物医药应用

摘要

纳米技术和分子生物的结合，发展了一个新兴的研究领域：纳米生物技术。磁性纳米颗粒是一类性能卓越的纳米材料，它具有可控的尺寸，在外形上易于改变，核磁共振现象中对比明显等特质。因此这些纳米颗粒在生物及医药领域得到了很广泛的应用，包括：蛋白质的纯化，药物输送，医学成像。

由于在生物医药领域，多模式功能具有潜在的利益，研究者们纷纷开始设计和制造多功能磁性纳米颗粒。现在有两种方法来制造基于磁纳米基础上的多功能纳米结构。第一个方法是分子功能化，包括依赖抗体、蛋白质，和给磁性纳米颗粒染色；另一种方法是整合磁性纳米颗粒的其他功能纳米成分，例如量子点，或金属纳米颗粒。正是因为他们可以显示几种功能协同和运输，而不是一种功能同时起效，这种多功能磁性纳米颗粒在生物医药领域的应用有着独特的优势。

我们先回顾一下多功能磁性纳米颗粒的设计和生物医药应用的几个例子。在多功能磁性纳米颗粒与适合的配体、抗体或蛋白质结合之后，生物功能磁性纳米颗粒显示出了高度选择性的结合。这些结果显示出了纳米颗粒可以应用于解决生物医药问题，例如：蛋白质纯化，细菌检测，褪毒素。使纳米颗粒与其他纳米成分结合在一起的混合纳米结构，显示出伴随着特征的顺磁性。例如荧光或加强的光学对比度。这一结构为强化医学成像和药物控制释放提供了平台。我们希望多组分磁性纳米颗粒的完整结构和特殊的结构特征的结合。可以吸引更多的研究兴趣并在纳米医疗中开辟出新的道路。

1.介绍

纳米技术和分子生物医药的结合是的一项新兴的研究领域——纳米生物科技蓬勃发展。纳米生物科技还未发现新材料过程、现象等提供了有利的机会，纳米级别的磁性材料有它们独特的优点，例如可以在生物医药应用上提供许多机会，首先磁性纳米材料可以传输从1-104nm数量级的固定尺寸的物质，因此他们的尺寸和性能的最优化可以很容易的与研究热点相匹配。其次外部的磁力可以制造纳米颗粒，这一“超距作用”为很多应用领域提供了巨大的优势。最后磁性纳米颗粒还在核磁共振图像对比度增强剂中起到了很重要的作用。因为磁性纳米颗粒的质子磁矩信号可以通过共振吸收所获得，最近已经合理的提出了生产单分散的、固定尺寸的磁性纳米颗粒（例：FePt、Fe3O4和γ-Fe2O3）的技术和流程。这一技术的提出使得磁性纳米颗粒的应用得以更广泛的研究，包括生物医疗领

域。

图 1 这个框图说明两种制造多功能磁性纳米粒子的方法及其潜在的应用领域

本文中我们叙述了多功能磁性纳米颗粒在生物医药中的一些潜在的有用的设计和应用，由于他们具有多元性，磁性纳米颗粒吸引了更多的研究成果。一般来说有两种制造磁性纳米颗粒的多功能结构方法（图1）。第一种方法是分子功能化，生物功能的分子（例如：抗体、配合基、受体）覆盖在此行纳米颗粒的表面，使得他们与高亲和性的生物实体相互反应。这样就提供了一个可控的方法来“标记”，在分子功能化之后，生物功能的磁性纳米颗粒在许多生物应用中都表现出高度的选择性和敏感性。第二种方法是通过持续性的增长和覆盖，使得磁性纳米颗粒与具有其他功能的纳米结构相结合，这一方法在纳米尺寸上提供了一个单一实体所赋予的多重功能。例如使用磁性纳米颗粒作为种子，在半导体氧族化合物生长时产生出具有磁性和荧光性的壳状或异二聚体状的纳米结构，这样使得纳米粒子胞内的操作得以证实，并且为双官能化的分子成像提供了一种可能。磁性纳米颗粒与金属纳米颗粒的结合形成异二聚体的结构，这样所形成的两种独特的表面和性能使得不同种类的功能分子可以依附在异二聚体的特定部位，新的异二聚体结构可以结合多种受体，或者作为复合式成像的媒介。由氧化铁纳米壳做包装的一种潜在抗癌药物可以产生蛋黄形的纳米结构，这一结构是药物输送的一种新型的纳米元件。

2.磁性纳米颗粒的分子功能化

经过生物分子修改之后，磁性纳米颗粒可以利用某种特定的装载方式来检查或提纯生物实体。在磁场中，由于它们具有独特的性质，具有生物功能的磁性纳米颗粒存在两种特征：专一性和磁性。在大部分的表面饰变过程中，不论是聚合覆盖还是化学配体的改变，都基于或源自于自组装的单层膜。以下部分就是在讨

论几种应用过程中磁性纳米颗粒上的功能性分子的依附作用。

图 2 （A）万古霉素共轭FePt纳米颗粒和细菌的相互反应（B）释控反应中FePt-NH2的扫描电子显微镜（SEM）图像（C）金黄色葡萄球菌与万古霉素共轭FePt纳米颗粒聚合（D）FePt-NH2纳米颗粒的集合（E）扫描电子显微镜（SEM）图像（F）由万古霉素共轭FePt纳米颗粒获得VanA细菌的透射电子显微镜（TEM）的图像

2.1特定的组合与目标

有着高度亲和性的生物分子组合，他们的相互反应主要存在于自然界。如果其中的一个生物分子实体与磁性纳米颗粒相结合，所产生的具有生物功能的磁性纳米颗粒可以有针对性的与其他生物分子实体相结合。其主要原因是由于外部的磁力可以控制生物实体的位置，基于这一理念，许多的应用例如，病原体的检查，蛋白质的纯化，褪毒素等，都已在实验室的研究中证实了，可以利用生物功能的磁性纳米颗粒来做研究。

2.1.1细菌检测

细菌在低浓度下很难检测，并且在进一步的分析之前需要很长的感应时间。在临床诊断和环境监测中，没有时间消耗步骤的超低位浓度下检测细菌是非常有利的。我们发现了一个简单的方法，即利用万古霉素共轭FePt纳米颗粒（FePt@Van conjugates）可以在极低浓度下获得并检测出一些病原体，这些病原体有：万古霉素抗药性肠球菌（VRE）、革兰阳性细菌。图2A显示了使用生物功能的磁性纳米颗粒检测细菌的实验过程。万古霉素共轭FePt纳米颗粒和细菌溶液相互混合，由于他们强烈的相互作用，使得足够多的磁性纳米颗粒附着在细菌上（即Van和D-Ala-D-Ala在细菌表面多价染色体相互反应）。在分析时，一个小的磁体吸引并充满这些细菌-纳米颗粒混合物，在释控实验中，因为缺乏特定的分子识别，使用FePt纳米颗粒覆盖在非特异性分子团（FePt-NH2）上不能获得细菌（图2B）。

根据细菌微米级别的尺寸，扫描电子显微镜（SEM）可以很容易的从总体中将它们分辨出来。万古霉素共轭FePt纳米颗粒在超低浓度下获得一些细菌的菌株，例如金黄色葡萄球菌，表皮葡萄球菌，凝固酶阴性葡萄球菌。图2C显示了“磁化的”金黄色葡萄球菌与万古霉素共轭FePt纳米颗粒聚合时的扫描电镜图像，当使用FePt-NH2时，（图2D）的扫描电镜图像中没有了金黄色葡萄球菌，这意味着肯定是因为分子识别，万古霉素共轭FePt纳米颗粒与金黄色葡萄球菌结合了。图2E显示的是万古霉素共轭FePt纳米颗粒获得素病原菌（VanA基因型）的扫描电镜图像。透射电子显微镜（TEM，图2F）清楚的证实了纳米颗粒在细菌细胞表面与之相结合。现在已经发现的最低浓度限值是4cfu/ml。也许是因为万古霉素共轭FePt多价纳米颗粒的尺寸与抗体的比较接近，一些高敏感性的细菌检测时也是用到它，例如lgG（鼠李糖乳杆菌）。此外，根据在细胞表面的适合受体的部分曝光，万古霉素共轭FePt纳米颗粒也可以获得并预浓缩革兰氏阴性细菌，如大肠杆菌。

图 3 血液样本检测细菌的步骤：（i）添加万古霉素共轭FePt纳米颗粒（ii）通过磁体获得细菌（iii）添加用Van-FLA染色的细菌（iv）磁性分离细菌Van-FLA染色的解决方案