水溶性四氧化三鐵奈米粒子的特性及其在生物醫學的應用

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成大研發快訊 - 文摘 成大研發快訊第二十一卷第四期 - 2012年二月三日 [ http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20120203/3.html ]

水溶性四氧化三鐵奈米粒子的特性及其在生物醫學的應

用

鄭豐裕

1

、蘇家豪

1

、葉晨聖

1,*

、蔡朝淵

2

、吳昭良

2

、吳銘庭

3

、謝達斌

4 1_{成功大學化學系} 2_{成功大學生化所} 3_{高雄農民總醫院} 4_{成功大學口腔醫學所} csyeh@mail.ncku.edu.tw Biomaterials, 2005, 26, 729-738 Times Cited: 205

近

年來，奈米材料的相關研究在科學及工業上都相當的熱門，以氧化鐵奈米粒子用來做為磁流體的原料即是一個例子。氧化鐵奈米粒子的製備方式文獻已發表很多，例如Sun等人成功地製備出均一粒徑的四氧化三鐵奈米粒子，是利用鐵鹽作為前驅物在高溫下進行有機相裂解反應，並可以調控製備出各種不同大小粒徑。相反地，關於具有水溶性且分散性良好的氧化鐵奈米粒子，在製備方法上則相當的有限。少數文獻曾用醋酸亞鐵並以超音波震盪法製備出氧化鐵奈米粒子外，大部分製備氧化鐵奈米粒子都是利用亞鐵離子和鐵離子的混合液並藉由添加氨水或氫氧_{化鈉之共沉澱法來製備。在大多數的例子裡，氧化鐵奈米粒子的聚集現象是一個需要克服的問題。因} 此要應用在生物醫學領域(磁共振造影、磁導引治療、溫熱療法和酵素固定化…等)就必須製備出具有生物相容性及水溶性的氧化鐵奈米粒子。在生物醫學方面的應用，奈米粒子的均勻度與水溶液系統分散性都是重要的影響因素。比如氧化鐵奈米粒子的超順磁性質在磁共振造影上可以提供相當好的影像對比結果，因為其體積夠小可以更容易地在器官組織內進行作用。然而表面沒有高分子包覆的磁性奈米粒子很常發生聚集現像，因此會限定了許多方面的應用。高分子包覆的氧化鐵奈米粒子確實可以藉由高分子保護以避免奈米粒子的聚集現象，故同時也被發展成為目前臨床使用的顯影劑。事實上，目前所使用的顯影劑都是有高分子包覆的氧化鐵奈米粒子，高分子成分主要是糊精(dextran)或是其糊精衍生物。由於高分子在奈米粒子表面包覆，無可避免的會增加整個粒子的體積，這將會影響到奈米粒子的組織分佈、穿透性、及代謝途徑。高分子包覆的奈米粒子常會被內質網系統(RES)吞噬，比如是肝組織裡的Kupffer細胞。一般來說，高分子包覆的奈米粒子之組織分布狀況會受到粒子本身的大小以及粒子表面的性質所影響。以表面化學角度來看，疏水性表面的奈米粒子很容易被累積在肝臟，而親水性的奈米粒子則較容易跑到其他器官，同時親水性奈米粒子在動物體內的殘留時間也比較久，不會很快被排出體外。雖然高分子包覆的奈米粒子是為了解決生物相容性及水溶性的問題而喪失了粒徑的優勢，但目前大多數研究仍以此種奈米粒子為主。目前僅有少數幾篇研究製備出非高分子包覆且具水溶性的氧化鐵奈米粒子，並將其應用在磁共振造影上，此氧化鐵奈米粒子主要是以檸檬酸鈉作為奈米粒子的保護劑來達到目的。在本篇研究裡，我們製備出另一種形態的非高分子包覆且具有良好水溶性及分散性的四氧化三鐵奈米粒子，其表面具有官能基功能可進行各種化學修飾，並展示其應用在磁共振造影方面的潛力。本研究利用共沉澱法將氫氧基四甲基銨加入到鐵離子/亞鐵離子混合液來製備具水溶性及分散性的四氧化三鐵奈米粒子，其物理性質及晶體結構以穿透式電子顯微鏡(TEM)和X光粉末繞射儀(XRD)來量測；而其表面性質則以紅外線光譜儀(FTIR)、表面電位測定儀(zeta-potential)和X光-電子能譜儀(XPS)來量測；磁性則由 1 of 3

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成大研發快訊 - 文摘超導量子干涉儀(SQUID)所測得。圖1為銨基型四氧化三鐵奈米粒子的穿透式電子顯微鏡圖，主要由分散的奈米粒子與聚集的奈米粒子所組成，藉由離心方式可將聚集部份分離，分離前的平均粒徑是9.1±2.1 nm，分離後的平均粒徑則為6.2±1.4 nm。而奈米粒子表面的銨基離子因為帶有正電荷，因此表面的電荷特性是佈_{滿正電荷的性質，因此造成電荷排斥現象而導致奈米粒子可以穩定分散在水溶液當中。表面電位測定儀} 量測其表面的電荷在中性環境時為+35.9 ± 8.8 mV，亦同時應證了銨基離子確實吸附在粒子表面，並主要是透過靜電吸附力的作用力。從XRD的結果與資料庫比對之後可以鑑定製備出來的氧化鐵奈米粒子是屬於四氧化三鐵奈米粒子的成分組成。同時再以FT-IR用來分析四氧化三鐵奈米粒子表面的特性，可以說明氫氧化四甲基銨確實當作保護劑，並以銨基離子的形式吸附在奈米粒子表面。銨基型四氧化三鐵奈米粒子在室溫時的磁滯曲線圖，其行為是屬於超順磁的行為，沒有殘磁力與矯頑磁力，其飽和磁化率約為40 emu/g。在溫度在5 K或是20 K時，銨基型四氧化三鐵奈米粒子仍然表現出超順磁行為，其磁滯曲線沒有很大的變化，因此可以說明此四氧化三鐵奈米粒子的確是處在粒徑很小的狀態，才會有如此的現象產生。圖1. 銨基型四氧化三鐵的TEM圖。(a)、(b)：製備好未離心處理的四氧化三鐵奈米粒子，平均粒徑為9.1 ± 2.1 nm； (c)：經過10000轉離心後的四氧化三鐵奈米粒子平均粒徑為6.2 ± 1.4 nm。圖2是細胞與不同濃度的銨基型四氧化三鐵奈米粒子混合，並以MTT檢測法(5-dimethylthiazole-2-yl-2,5-diphenyl tetrazolium bromide assay)檢測細胞之存活率。在有無FBS的條件下，其生長狀況均不受影響。因此由圖2可說明此銨基型四氧化三鐵奈米粒子對細胞是沒有負面影響的。體外溶血測試(hemolysis)的結果顯示銨基型四氧化三鐵奈米粒子並不會對紅血球造成影響，在0.1 M鐵離子濃度的條件下才有較高的血紅素偵測值(0.5 g/mL)，且此值低於一般的偵測標準值下；在其他濃度的條件下則測不到血紅素，因此此奈米粒子對於未來體內活體試驗是肯定不會造成血球的破壞。前述的0.1 M鐵離子濃度條件，在實際上MR的使用量也都低於此值，因此不必擔心會有高濃度的鐵離子溶液存在於活體當中，造成傷害血球的影響。在9.4 T的磁場之下，濃度為0.86 μM的銨基型四氧化三鐵奈米粒子(鐵離子濃度為4.61 mM)測得的T1與T2 分別為22.88 ms和0.36 ms，純水在9.4 T的T1與T2各為3000 ms和212.8 ms，可計算奈米粒子的r1、r2分別為 9.4 s-1_mM-1和605.5 s-1_mM-1。此r2值比較市售的顯影劑的結果是更好的，因此銨基型四氧化三鐵奈米粒子可以做為顯影劑的材料。 2 of 3

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成大研發快訊 - 文摘圖2 Cos-7 cell與各種不同濃度的四氧化三鐵奈米粒子混合後的生長狀態結果，細胞生存率是比對正常細胞對照組(未加奈米粒子)所換算得到，100%是指正常細胞對照組生長四小時後的細胞數目。 結論: 非高分子包覆且具有良好水溶性及分散性的四氧化三鐵奈米粒子(~9 nm)利用共沉澱法成功地製備出來，此氧_{化鐵奈米粒子表面具有化學修飾的功能可進行各種衍生化。從FT-IR和XPS的分析，四氧化三鐵奈米粒子} 是以靜電吸附力將四甲基銨離子吸附在其表面。此四氧化三鐵奈米粒子在細胞(Cos-7 monkey kidney cells) 實驗及溶血試，在各種劑量之下都顯現出具有良好的生物相容性及生物穩定性，因此有潛力可應用在生物醫學方面。