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生物医学工程

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磁性纳米粒子在生物医学上的应用

  摘 要:磁性纳米粒子因其独特的性能而具有广泛的应用价值,尤其在生物分离、临床诊断、肿瘤治疗、靶向运输和组织工程领域,给人类疾病的治疗带来新的契机和希望。通过对磁性纳米粒子在上述方面的应用,概述说明其在生物医学方面的重要应用。

  关键词:磁性纳米粒子 生物医学 应用

  1 引言

  磁性纳米材料是纳米材料的一个重要分类,除了在物理和化学方面具有纳米材料的介观特性外,还因为其具有如磁有序颗粒的小尺寸效应,宏观量子隧道效应,特异的表观磁性,超顺磁性等特殊的磁性能力,因此导致它奇特的应用。

  2 磁性纳米粒子在生物分离中的应用

  2.1 蛋白质和DNA的磁分离

  蛋白质和DNA的分离是生物技术中的一个难题,目前为止,还没有一种成熟和完善的方法把其从复杂生物混合体系中分离出来。近年来,采用磁性纳米粒子与传统的方法相结合来分离蛋白质和DNA的科研项目日益增多。

  例如Xu等利用小分子的多巴胺与氨基三乙酸结合,改性改性磁性纳米粒子的表面。改性后磁性纳米粒子在细胞裂解中蛋白质(六聚组氨酸所标记)进行分离,每毫克磁性纳米粒子能够分离的最大蛋白载荷为2~3mg,是商品化微米级粒子的200余倍,其最小分离浓度达到3.3��-10mol/L,体现了磁性纳米粒子在生物分离领域中的巨大优势。

  2.2 生物酶的磁偶联和磁分离

  高催化反应活性仅是生物酶的特性之一,不仅如此,酶的催化底物有非常好的专一性和选择性,是一种十分理想的催化剂。催化反应时若用生物酶进行催化,往往需要固定化酶,酶的固定化既有助于实现酶与底物及其产物分离,又可以实现酶的重复利用。生物酶都具有很多的官能团,能够通过许多方式包括共价耦合、交联、物理吸附等方式将它们固定在磁性颗粒的表面。Ulman研究小组实现了酶的偶联,酶在偶联到磁性纳米粒子表面以后,其稳定性大大提高,即便是在14天后,被偶联的酶活性仍能保持在原始酶的85%左右。

  与传统方法相比,酶的分离通过生物酶在磁纳米粒子表面的固定化来实现有许多的得天独到的优点。首先之一可以快速分离酶与产物和底物,提高酶的利用率;其次酶的稳定性将得到提高,并保持酶在不同介质中的催化活性。

  3 磁性纳米粒子在临床诊断和治疗中的应用

  3.1 磁共振成像造影剂

  磁性纳米粒子经一些生物物质表面或化合物修饰后容易被生物组织如癌、肿瘤等部位吸附,在磁场帮助下可定位进行精确观测,同时又具有不透过性,所以完全可以作为核磁共振的造影剂。

  目前临床上常用的是Gd-DTPA造影剂,但Gd-DTPA有明显不足,如循环时间短、在体内没有特异性分布、注射后可迅速通过细胞间隙并经肾脏排泄,在必要的时间不能维持一定的浓度、对MRI不能明显改善、同时需要相应的设备能够快速扫描。而相比较超顺磁性氧化铁是一种新型的造影剂,具有很高的特异性分布、靶向性好、血循环半衰期长、体内组织特异性高、毒副作用小等一系列特性而成为近年来国内外研究的热点之一。

  3.2 肿瘤磁热疗法

  肿瘤是威胁人类生命健康的最大杀手,肿瘤热疗是肿瘤治疗技术中非常重要的一个方法。它是根据肿瘤细胞和正常细胞对热的敏感性不同,通过加热病兆部位来杀死肿瘤细胞的方法。磁性纳米粒子能用于肿瘤热疗治疗癌症是因为在磁场的引导下,磁性纳米粒子可靶向病变部位,同时在交变磁场的作用下,磁滞后效应而产生热量将富有磁性纳米粒子的肿瘤部位加热到43~50℃之间,选择性杀死癌细胞同时又不伤害正常细胞。

  对比与传统用磁针或磁棒来实现对肿瘤磁热疗的方法,采用磁性纳米粒子可以通过注射的方式被注入到病患部位,避免了手术给病人带来的痛苦,并且具有超顺磁性的磁流体对比与较大尺寸的磁棒有更高的磁致热效率,最为重要的是超顺磁性纳米粒子可以很容易的进入细胞或组织内部,可以更均匀的分布在患处,有利于克服磁针或磁棒所面临的因涡流效应导致受热部位温度不均匀的问题。

  4 磁性纳米粒子在磁导向运输上的应用

  4.1 磁性靶向药物运输

  磁性纳米粒子靶向药物载体属于特殊的纳米给药系统。磁性纳米粒子的粒度为1-100纳米之间,具有特殊的纳米粒子的性质。比如由于它的表面有很强的化学活性,因此可以很容易地与生物大分子结合,在表面修饰特异性的配体能使其成为很好的靶向性载体。医学实验研究表明磁流体能逃逸网状内皮细胞系统的吞噬,具有优良的导向性和方向性,因此成为对生物体最有应用前景的导向材料之一。

  如用磁性微球制成的磁流体在外磁场作用下,其可向着磁化场方向运动,以磁性微球为载体制成微球药物制剂注入肿瘤供养动脉后,通过外磁场的诱导,载附抗癌药物的磁微球将被肿瘤区域吸收和滞留,持续缓慢释放药物,使周围淋巴结组织及肿瘤内存在比身体其它部位药物浓度高的化疗药物,最大程度地降低药物的毒副作用,有选择性地抑制或杀伤肿瘤细胞。利用磁性纳米粒子作为药物载体具有使用便捷、可增加病变部位药物浓度、减少药物毒副作用、提高药效、防止肿瘤的转移、治疗病毒和细菌感染以及用作疫苗的传递载体等优点,尤其在癌症治疗中优势显而易见,故又被称为“磁控导弹”。

  4.2 基因治疗

  基因治疗是指将外源正常基因导入靶细胞,以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病,以达到治疗目的。基因导入的方法有两种:病毒载体和非病毒载体。病毒载体的制备极其困难,并且病毒载体能诱导宿主免疫反应,有潜在的致瘤性,另外装载外源DNA大小也有相应的限制。而多价阳离子聚合物,如目前广泛应用的脂质体,排除了病毒载体的不足而继承了病毒载体的优点。但是聚合物的颗粒大小是影响转染效率的因素之一。目前要控制阳离子聚合物大小的合成方法还并不十分成熟。

  与传统载体对比,磁性纳米粒子作为非病毒载体,无免疫原性、其次因为其拥有较大的比表面积,表面所带的电荷使其能装载大量的大片段DNA、并且磁性纳米粒子的靶向性,也为人为操纵提供了可能、若在其表面包覆一些生物材料,还能使其具有良好的生物相容性。向娟娟等人合成了适合快速免疫检测的葡聚糖包裹磁性四氧化三铁纳米微球并评价了其吸附DNA能力及保护DNA免遭核酸酶降解的能力,同时用体外基因转染来证实磁性四氧化三铁生物纳米颗粒作为基因载体的可行性。

  5 总结

  磁性纳米粒子具有很高的比表面积,且本身又具有磁性,存在永久性的团聚作用,因此,多功能的磁性纳米生物材料的研究及其应用已逐渐成为国内外生物医学领域发展的热点。磁性纳米粒子在生物分离、热疗、靶向给药和组织工程等生物医学领域展现了良好的应用前景,但同时也面临很多挑战和伦理问题。

  参考文献:

  [1]张阳德.纳米生物材料学[M].北京:化学工业出版社,2005:73,76.


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