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《中国科学技术大学》 2011年
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基于磁性组装的纳米复合造影剂

陆杨  
【摘要】:磁性纳米材料是一种重要的无机功能性生物材料,由于其优异的磁学性能和良好的生物相容性,在生物分子磁性分离、酶反应、药物载体和核磁共振成像等领域引起了极大的关注。近年来,磁性纳米材料领域的一个重要的研究课题是如何通过磁性材料组装获得具有更高磁性能,以及多重组分、多重功能的复合杂化纳米材料。本论文围绕磁性组装的纳米复合造影剂这一重要课题,主要研究磁性单质金属、金属氧化物及其与贵金属、羟基磷灰石和石墨烯纳米片的复合功能化纳米材料的组装,以及其生物相容性以及生物成像方面的应用。取得的研究成果如下: 1、在三乙二醇(TREG)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)体系中,利用乙酰丙酮钴(Co(acac)2)和乙酰丙酮镍(Ni(acac)2)作为前驱体,通过微波法热解合成了尺度均一的一系列不同Ni:Co组分的亲水性磁性合金纳米材料(Ni:Co=8:2,7:3,6:4, 5:5)。不同组成比例的合金纳米材料分别具有单分散颗粒,纳米链和纳米环等不同结构。随着结构的变化,这一系列磁性合金纳米材料的磁性能,尤其是饱和磁化强度发生显著变化。同时比较水热和微波合成法,引入外加磁性的因素,从而给出磁性纳米合金自组装的机理。此外合成了Ni7Co3合金单分散纳米颗粒和纳米环,发现环状组装能大幅度提高材料的磁性能。 以Ni7Co3合金纳米环作为牺牲模板和还原剂,我们可以在室温水溶液体系中方便地制备多组分的Ni7Co3合金-Au纳米环。由于具有聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和贵金属金纳米颗粒的包覆,这一新颖的合金-金复合纳米环具有良好的生物相容性。随着反应物中合金和金前驱物的比例从5:1调整到1:1,获得的复合物的环状形貌没有改变,载负在合金纳米环表面的金纳米颗粒的数量明显增加,而且金的形貌从棒状转变成颗粒。由于磁性材料的环状组装,所获得复合纳米材料具有较高的饱和磁化强度,从而显示出增强的自旋-自旋弛豫时间(T2)核磁共振造影效果。获得的一系列合金-金杂化纳米复合物表现出优异的多重模式肿瘤诊断造影剂方面的能力,包括双光子荧光成像和T2核磁共振成像。 2、通过一种新颖的常温常压方法在水溶液中大量制备金包钻的卵壳结构纳米球体,整个反应快速可控,避免了复杂的溶剂体系和表面改性过程。在无外加磁场的条件下,可以获得具有超顺磁性的核心和具有空隙的金壳层的纳米球体,同时,通过合成过程中外加弱磁场,我们还可以获得“豌豆/豆荚”状的Co@Au链状磁性组装结构。这些磁性-贵金属复合纳米球和纳米链具有空腔结构,由于表面包覆有聚乙烯吡咯烷酮(PVP)而带有正电荷,其结构特性和表面特性的协同作用使得该卵壳结构复合纳米材料在作为非病毒的载体应用于基因传递和转染方面具有出色的表现,具有同步进行T2核磁共振成像和双光子荧光成像示踪的潜力。 3、无机非金属生物材料是生物体中重要的组成部分,为软组织提供保护和支持作用。主要包括硅藻的硅基壳套,软体动物碳酸盐基的硬壳和脊椎动物钙基的骨骼。其中,羟基磷灰石作为牙釉质和骨组织的主要成分,广泛应用于组织工程和骨修复等。我们提出了一种简单制备高质量磁性修饰的羟基磷灰石的办法,通过调节反应物的比例,可以合成一系列具有不同磁性能的羟基磷灰石-四氧化三铁复合物,形象地称之为磁性组装纳米蠕虫。对获得的产物进一步进行生物来源聚合物壳聚糖和海藻酸钠的多层修饰,得到了具有很好水溶性和生物相容性的材料,生物相容性体现为低细胞毒性和无溶血反应。随着载负的四氧化三铁的比例的增加,制备这一些磁性组装纳米蠕虫的磁性得到增强,具有良好的核磁共振造影效果。 4、与超顺磁性氧化铁纳米材料不同,顺磁性的一氧化锰纳米颗粒是一种新型的Tl型核磁共振成像(MRI)造影剂。我们首次报道在多元醇体系中利用微波辅助一步法快速合成水溶性氧化锰纳米颗粒,与之前报道的油相体系中合成的一氧化锰纳米颗粒相比,在进行生物应用之前不需要复杂的配体交换或者聚合物包覆过程。此外,我们还成功地以还原性氧化石墨烯单层纳米片为载体,载负组装了具有不同组分比例的MnO-Fe3O4纳米颗粒,制备了一系列超顺磁-顺磁性组装rGO-MnO/Fe3O4复合纳米材料,显示出良好的生物相容性和Tl、T2双重模式核磁共振成像能力。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB383.1

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