不同粒徑超順磁性氧化鐵納米粒子的合成及其在交變磁場(chǎng)中的磁熱效應(yīng)

韓 棟，張寶林，蘇禮超，韓貴華，汪 晟

(1桂林理工大學(xué) 廣西有色金屬及特色材料加工省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，廣西 桂林 541004；2桂林理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

超順磁性氧化鐵納米粒子(SPIONs)在交變磁場(chǎng)(ACMF)的作用下，因磁熱效應(yīng)而產(chǎn)生熱量[1]，這種生熱使SPIONs可用于細(xì)胞通道激活[2-4]以及腫瘤磁熱療的研究。辣椒素受體TRPV1陽(yáng)離子細(xì)胞通道可以被熱刺激(43℃)、辣椒素、外力及pH值等因素觸發(fā)[5]。Chen等[6]通過(guò)磁性納米粒子在ACMF中生熱而觸發(fā)TRPV1，來(lái)引發(fā)含TRPV1通道的神經(jīng)元放電，通過(guò)遠(yuǎn)程控制神經(jīng)元興奮而實(shí)現(xiàn)深度腦刺激。這種技術(shù)可用于神經(jīng)信號(hào)通路研究及神經(jīng)系統(tǒng)的疾病治療。磁性納米粒子在ACMF中由磁熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量的另一個(gè)應(yīng)用是磁熱療，在ACMF的作用下，將溫度升高到40℃以上，達(dá)到破壞腫瘤細(xì)胞的目的[7]。如果將功能分子如葉酸修飾于SPIONs，可以將SPIONs靶向腫瘤部位[8]，實(shí)現(xiàn)靶向磁熱療。靶向磁熱療具有效率高及副作用小的特點(diǎn)，因此，有必要系統(tǒng)地研究合成的SPIONs的磁熱效應(yīng)。當(dāng)ACMF的磁場(chǎng)強(qiáng)度和頻率之積高于特定值時(shí)，會(huì)對(duì)健康組織產(chǎn)生有害影響，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須使磁場(chǎng)強(qiáng)度和頻率之積低于生物學(xué)安全限(5×109A·m-1·s-1)[9]。本工作采用ACMF的固定頻率為425kHz，磁場(chǎng)強(qiáng)度為5.3kA·m-1，其乘積小于上述生物學(xué)安全值。采用改進(jìn)型的多醇熱解法[10-11]，以聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)為溶劑和反應(yīng)劑，聚乙烯亞胺(polyethylene imine,PEI)為添加劑，乙酰丙酮鐵為鐵源，制備了8～16nm不同粒徑的PEG和PEI共同修飾的SPIONs。研究了ACMF中SPIONs的粒徑及濃度對(duì)其磁熱效應(yīng)的影響，計(jì)算了比能量吸收率(SAR)值，為進(jìn)一步觸發(fā)細(xì)胞通道及磁熱療相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)研究打下了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚乙二醇(PEG，Mw=1000)，化學(xué)純，汕頭市西隴化工股份有限公司；聚乙烯亞胺(PEI，Mw=1800)，99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙酰丙酮鐵(Fe(acac)3)，98%，梯希愛(ài)(上海)化成工業(yè)發(fā)展有限公司；甲苯，分析純，汕頭市西隴化工股份有限公司；丙酮，分析純，汕頭市西隴化工股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

采用X’Pert PRO X射線粉末衍射儀表征SPIONs的物相；MPMS XL-7超導(dǎo)量子干涉儀測(cè)定SPIONs的磁性能；JEM-2100透射電子顯微鏡觀察樣品的形貌；ZEN3600納米粒度&Zeta電位分析儀測(cè)定樣品的水動(dòng)力學(xué)粒徑；Optima 7300DV等離子體原子發(fā)射光譜儀測(cè)定樣品濃度；SPG-10A-Ⅱ高頻感應(yīng)加熱設(shè)備加熱SPIONs水分散液；UNI-T UT321型數(shù)字測(cè)溫儀結(jié)合TT-K-30-SLE Omega熱電偶測(cè)量SPIONs水分散液的溫度。

1.3 材料制備

稱取15g PEG和0.3g PEI加入50mL三口燒瓶中，將三口燒瓶置于智能溫度控制器上加熱，同時(shí)通入氬氣。三口燒瓶?jī)?nèi)反應(yīng)物升溫至80℃時(shí)，將0.7g Fe(acac)3加入三口燒瓶?jī)?nèi)，保溫10min。在三口燒瓶上加上回流管。根據(jù)回流溫度和時(shí)間的不同，設(shè)計(jì)以下合成方案，樣品A：升溫至260℃，保溫40min；樣品B：升溫至280℃，保溫60min；樣品C：升溫至280℃，保溫120min。保溫時(shí)間結(jié)束后，自然冷卻至55℃取出樣品。

將合成的樣品倒入空燒杯中，依次用甲苯及丙酮清洗樣品3次，將樣品分散于去離子水中，使用磁珠分選器濾去樣品中殘余的聚合物[12]，再加入去離子水并進(jìn)行超聲分散，置于4℃冷藏柜內(nèi)保存待用。

1.4 磁熱效應(yīng)的測(cè)定

由高頻感應(yīng)加熱設(shè)備產(chǎn)生的交變電流在圖1所示的線圈(線圈由空心銅管制成，內(nèi)通冷卻水，線圈外徑為5.7cm，內(nèi)徑為4.3cm，圈數(shù)為5圈)中產(chǎn)生ACMF磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度Bm為：

(1)

式中：d為螺線管線圈直徑，mm；N為螺線管線圈匝數(shù)；f為交變頻率，kHz；Up-p為磁感應(yīng)產(chǎn)生的電壓的峰-峰值，mV。打開(kāi)高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，將連接數(shù)字儲(chǔ)存示波器(TBS 1052B)的螺線管(d= 6mm，N=10)探頭伸入高頻感應(yīng)加熱設(shè)備所接的線圈中央，測(cè)量得到的f為425kHz，Up-p為10V，由式(1)可知Bm為5.3kA·m-1。

利用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備對(duì)不同粒徑和不同濃度的SPIONs進(jìn)行磁熱效應(yīng)測(cè)定，將A，B，C 3種不同粒徑SPIONs樣品的去離子水分散液置于外徑為2.5cm的玻璃瓶中，濃度分別為2.0，1.0，0.5，0.25mg·mL-1，體積均為5mL。將待測(cè)樣品放置在圖1所示的線圈中央，加熱高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，定時(shí)暫停高頻設(shè)備，將線芯直徑為0.255mm的熱電偶插入SPIONs水分散液中測(cè)試其溫度。使用數(shù)字測(cè)溫儀即時(shí)記錄SPIONs水分散液溫度。通過(guò)繪制的時(shí)間-溫度曲線，計(jì)算SPIONs的SAR，其計(jì)算公式如式(2)所示[2]。

(2)

式中：cw為SPIONs水分散液的比熱容，計(jì)算為SPIONs和水的質(zhì)量加權(quán)平均數(shù)，因SPIONs的濃度很低，氧化鐵質(zhì)量占比很小，其熱容量可以忽略不計(jì)[2]，cw值取為水的比熱容(cw= 4.18J·g-1·K-1)；m為每克SPIONs水分散液中鐵元素的含量；ΔT/Δt為時(shí)間-溫度曲線的初始斜率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒徑SPIONs的表征

采用改進(jìn)的多醇熱解法合成了不同粒徑的SPIONs，圖2分別為樣品A, B, C的TEM圖以及粒徑柱狀分布圖?？芍苽涞腟PIONs分散良好，使用Image J軟件測(cè)得樣品A，B，C的粒徑大小分別為(8.7±1.2)，(12.6±2.5)，(15.3±3.3)nm。當(dāng)回流溫度由260℃升高到280℃，SPIONs的粒徑由8.7nm增加到12.6nm；而當(dāng)回流溫度一定(280℃)時(shí)，將回流時(shí)間增加1倍，SPIONs的粒徑由12.6nm增加到15.3nm。說(shuō)明在合成SPIONs的過(guò)程中，改變回流溫度和合成時(shí)間可以在一定范圍內(nèi)控制晶粒粒徑的大小[13]。但合成溫度在280℃以上時(shí)PEG會(huì)發(fā)生明顯的分解，進(jìn)一步延長(zhǎng)保溫時(shí)間SPIONs粒徑增長(zhǎng)緩慢，而且粒度大小分布很不均勻。不同粒徑的SPIONs可用于研究在ACMF作用下磁熱效應(yīng)的尺度依賴性。不同條件下合成的SPIONs的物相組成基本不變，圖3為SPIONs樣品A，B，C的XRD譜圖。該譜圖顯示，樣品A，B，C均在30.09°，35.44°，43.07°，53.43°，56.96°，62.55°處出現(xiàn)衍射峰，對(duì)應(yīng)Fe3O4的PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS 01-085-1436)上(220)，(311)，(400)，(422)，(511)，(440)晶面，表明樣品中含有Fe3O4晶相。隨著回流溫度和回流時(shí)間的增加，晶粒增大，樣品A，B，C的衍射峰增高，半峰寬減小。

圖2 樣品的TEM圖(1)和粒徑分布圖(2)(a)樣品A；(b)樣品B；(c)樣品CFig.2 TEM images(1) and particle size distribution(2) of the samples(a)sample A;(b)sample B;(c)sample C

圖3 SPIONs樣品的XRD譜圖Fig.3 XRD patterns of the SPIONs samples

表1為樣品A，B，C合成時(shí)的設(shè)置參數(shù)，粒徑和Zeta電位測(cè)試結(jié)果。SPIONs在去離子水中的膠體穩(wěn)定性是由吸引力和排斥力之間的平衡引起的，本課題組之前的分析結(jié)果表明[14]，PEG和PEI在SPIONs表面的結(jié)合方式如圖4所示。PEG通過(guò)COO—直接連接在SPIONs上；PEI依靠—NH2結(jié)合在SPIONs表面；連接在氧化鐵表面的PEG或PEI通過(guò)氫鍵彼此結(jié)合。從理論上講，吸引力來(lái)自于范德華力、偶極和磁偶極力，而斥力主要來(lái)自于靜電斥力(表1所示SPIONs均呈正的表面電性)和聚合物形成的空間位阻效應(yīng)，這些排斥力使得膠體保持穩(wěn)定分散[11]。樣品的水動(dòng)力學(xué)粒徑在3個(gè)月后并未有很大變化，說(shuō)明合成SPIONs之后，其表面修飾層之間的空間位阻效應(yīng)和靜電斥力阻止了SPIONs之間的團(tuán)聚，使合成的SPIONs在水分散液中表現(xiàn)出穩(wěn)定分散的特點(diǎn)。

表1 SPIONs的合成參數(shù)、粒徑及Zeta電位Table 1 Synthesis parameters, particle size and Zetapotential of SPIONs

一般情況下，大粒徑的氧化鐵納米粒子有較強(qiáng)的飽和磁化強(qiáng)度[15]，圖5為3種樣品在300K下的磁滯回線。樣品A，B，C的飽和磁化強(qiáng)度依次為31.4，50.3，60.6A·m2·kg-1，說(shuō)明飽和磁化強(qiáng)度隨粒徑減小而降低。納米粒子表面有結(jié)晶性差甚至非晶的表層結(jié)構(gòu)，造成表面電子自旋傾斜而降低了飽和磁化強(qiáng)度[16-18]。納米粒子粒徑越小，表面層占比越大，使得磁性納米材料的飽和磁化強(qiáng)度越小。圖5中的磁滯回線放大圖表明，SPIONs在300K均表現(xiàn)出較小的矯頑力(<2.39kA·m-1)，非零的矯頑力很可能是SPIONs在冷凍干燥中制成粉末樣品時(shí)團(tuán)聚導(dǎo)致的，但只要矯頑力小于2.39kA·m-1，一般就認(rèn)為樣品是屬于超順磁性的[19]。同時(shí)，由電泳粒度結(jié)果(表1)可以看出，SPIONs在水分散液中分散性很好，即實(shí)際的SPIONs的剩磁應(yīng)該更小，屬于超順磁性納米粒子。

圖4 SPIONs的合成及表面修飾示意圖Fig.4 Schematic diagrams of SPIONs synthesis and surface modification

圖5 樣品A，B，C在300K下的磁滯回線Fig.5 Hysteresis loops of sample A, B and C at 300K

2.2 不同粒徑SPIONs在交變磁場(chǎng)中的升溫效果

圖6是不同濃度的樣品A，B，C的水分散液及純?nèi)ルx子水在頻率425kHz及磁場(chǎng)強(qiáng)度為5.3kA·m-1的ACMF作用下的升溫曲線。實(shí)驗(yàn)中采用細(xì)而靈敏度高的熱電偶對(duì)SPIONs水分散液進(jìn)行溫度檢測(cè)。結(jié)果表明，在初始溫度為20℃時(shí)，去離子水溫度沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明磁場(chǎng)作用對(duì)去離子水未產(chǎn)生影響(較小的溫升應(yīng)是線圈發(fā)熱后熱傳導(dǎo)所致)。粒徑為8.7，12.6，15.3nm的3種SPIONs的水分散液在480s內(nèi)溫度分別升高了25，27，35℃，樣品的濃度越高，溫度升高得越快，這些SPIONs均具有用于腫瘤磁熱療和打開(kāi)膜通道的潛力[20]。2.0mg·mL-1溶液的每克樣品含鐵量為1.45×10-3g，利用式(2)計(jì)算可得樣品A，B，C在ACMF作用下的SAR值(表2)。在相同濃度時(shí)，SPIONs的粒徑越大，其升溫效率越高[21]，表明樣品的磁熱效應(yīng)具有納米粒子粒徑依賴性。當(dāng)濃度為0.25mg·mL-1時(shí)，樣品C的SAR值達(dá)到最高，為810W·g-1，但同一粒徑的樣品由低濃度到高濃度時(shí)，SAR值逐漸減小。

圖6 樣品的水分散液在交變磁場(chǎng)作用下溫度隨時(shí)間變化的曲線(a)樣品A;(b)樣品B；(c)樣品CFig.6 Time dependent temperature curves of the samples in aqueous dispersion under ACMF(a)sample A;(b)sample B;(c)sample C

Concentration/(mg·mL-1)SAR value/(W·g-1)Sample ASample BSample C2.01401432011.02082182890.53463594730.25590646810

SPIONs在ACMF中的磁熱效應(yīng)來(lái)自于粒子的弛豫損耗(布朗弛豫損耗和尼爾弛豫損耗)[22]，其中布朗弛豫損耗來(lái)源于ACMF的作用下，粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)滯后于ACMF的變化，磁性納米粒子在液體中轉(zhuǎn)動(dòng)與液體產(chǎn)生的摩擦；尼爾弛豫損耗來(lái)源于磁性粒子內(nèi)的磁矩方向隨外磁場(chǎng)方向變化所產(chǎn)生的損耗。弛豫損耗是SPIONs在外磁場(chǎng)中產(chǎn)熱的原因，尼爾弛豫和布朗弛豫中弛豫時(shí)間越小，對(duì)弛豫損耗貢獻(xiàn)越大。布朗弛豫時(shí)間τB和尼爾弛豫時(shí)間τN為：

(3)

(4)

式中：η是載液的黏度，T=300K時(shí)，η=0.85×10-3Pa·s；r是粒子的水動(dòng)力學(xué)半徑；k是玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J·K-1；τ0為時(shí)間常數(shù)，約為10-9；V是粒子的體積；K是各向異性常數(shù)，K=1.35×104J·m-3。結(jié)合2種弛豫機(jī)制，體系中的有效弛豫時(shí)間為：

(5)

樣品A，B，C的弛豫時(shí)間計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。表明尼爾弛豫時(shí)間小于布朗弛豫時(shí)間，說(shuō)明在本體系中，導(dǎo)致SPIONs在ACMF下的磁熱效應(yīng)主要來(lái)自于尼爾弛豫損耗，而布朗弛豫的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。這與Deatsch等的結(jié)論一致，即粒徑小于15nm的納米粒子的產(chǎn)熱機(jī)制是由尼爾弛豫主導(dǎo)的，隨著粒徑的增大，布朗弛豫對(duì)產(chǎn)熱的貢獻(xiàn)愈加明顯。

表3 樣品A，B，C的弛豫時(shí)間Table 3 Relaxation time of sample A, B and C

除采用SAR值來(lái)衡量磁性納米粒子在ACMF中的磁熱效應(yīng)外，也可由損耗功率P來(lái)表示：

P=(mHωτ)2/[2τkTρV(1+ω2τ2)]

(6)

式中：m為粒子磁矩；ω為角頻率(ω=2πf)；H為交變磁場(chǎng)的振幅；ρ為鐵密度。根據(jù)式(6)，功率損耗P取決于粒子的弛豫時(shí)間和交變磁場(chǎng)頻率，當(dāng)ωτ=1時(shí)，P值達(dá)到最大。在固定頻率為425kHz及磁場(chǎng)強(qiáng)度為5.3kA·m-1的ACMF下，樣品A，B，C的ωτ經(jīng)計(jì)算分別為8×10-3，8×10-2，1，即樣品C的P值最大，此結(jié)果也說(shuō)明了樣品的磁熱效應(yīng)具有納米粒徑大小的依賴性，與之前分析SAR值的測(cè)試計(jì)算結(jié)論一致。

由表2顯示，隨著樣品濃度的提高，SAR值出現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。通過(guò)繪制SAR值與樣品濃度之間的關(guān)系圖(圖7)，可見(jiàn)樣品A，B，C的SAR值與樣品濃度負(fù)相關(guān)。本結(jié)果與文獻(xiàn)[23]的結(jié)論一致。當(dāng)尼爾弛豫效應(yīng)為主時(shí)，磁性納米粒子的SAR值隨濃度增加而減小。濃度較高的情況下，在交變磁場(chǎng)中，鄰近粒子之間的相互作用會(huì)形成鏈狀結(jié)構(gòu)，這些鏈狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的磁性納米粒子之間通過(guò)偶極相互作用,而構(gòu)成比較穩(wěn)定的磁結(jié)構(gòu)，因此形成較高的有效能壘。從式(4)可見(jiàn)，SPIONs的有效能壘(Eb=KV)與尼爾弛豫時(shí)間(τN)呈指數(shù)增加的關(guān)系，τN的增大降低了SPIONs在ACMF下的升溫效率，導(dǎo)致SAR值減小。

散熱性角度分析，隨著SPIONs濃度降低，粒子間的平均距離增大，SPIONs粒子的散熱更快，散熱效率越高，因此測(cè)得的SAR值就越大。磁性納米粒子的濃度必須控制在盡可能低的范圍內(nèi)，最大限度地提高納米粒子在ACMF下的散熱效率，以便能夠測(cè)得磁性納米粒子更本證的SAR值。

圖7 交變磁場(chǎng)下樣品濃度與SAR值的線性關(guān)系(a)樣品A;(b)樣品B；(c)樣品CFig.7 Linear relation of the concentration of the samples and SAR value under ACMF(a)sample A;(b)sample B;(c)sample C

3 結(jié)論

(1) 采用多醇熱解法制備了粒徑分別為8.7，12.6，15.3nm的SPIONs，SPIONs晶相主要為Fe3O4相。3種SPIONs樣品在去離子水中具有較好的分散性，水動(dòng)力學(xué)粒徑分別為22.1，22.5，25.8nm，飽和磁化強(qiáng)度依次為31.4，50.3，60.6A·m2·kg-1。3種SPIONs的矯頑力均小于2.39kA·m-1，表現(xiàn)出良好的超順磁性。

(2)不同粒徑SPIONs的水分散液在固定頻率425kHz、磁場(chǎng)強(qiáng)度為5.3kA·m-1的ACMF作用下，隨著SPIONs粒徑的增大和分散液濃度的增高，升溫速率均增高，粒徑為8.7，12.6，15.3nm的SPIONs在480s內(nèi)的溫升最大值分別為25，27，35℃。

(3)尼爾弛豫時(shí)間比布朗弛豫時(shí)間小，說(shuō)明SPIONs在ACMF下的磁熱效應(yīng)主要來(lái)自于尼爾弛豫損耗。隨著SPIONs粒徑的增大，SPIONs的SAR值增大，說(shuō)明SPIONs在ACMF作用下的磁熱效應(yīng)具有納米粒徑依賴性。當(dāng)SPIONs的粒徑為15.3nm、濃度為0.25mg·mL-1時(shí)，SAR值最高可達(dá)810W·g-1，SAR值與SPIONs的水分散液濃度呈負(fù)線性相關(guān)。