高單分散磁性納米材料氧化鐵在新型磁共振成像對比劑/**磁熱**/磁力生物調控等應用方向發展

   自實現高單分散納米氧化鐵的可控制備以來，基于高生物學安全性的納米氧化鐵或者摻雜納米鐵氧體磁性材料的生物醫學應用研究出現了爆發式增長，成為目前納米生物學和納米醫學領域前沿熱點之一，特別是其獨特的磁學性質，使得磁性納米材料能夠介導外磁場產生納米尺度的物理效應，并作用于微納尺度的生物靶點。通過多學科交叉研究，有望建立基于磁性納米材料的可控、組織可穿透、安全和**的疾病診斷和**新模式，提高疾病的**療效并改善預后。文章綜述了近年來氧化鐵顆粒在生物醫學應用中的一些較新進展，主要集中討論了磁性納米材料在新型磁共振成像對比劑、**磁熱**和磁力生物調控等應用方向的機遇與發展。

   近年來，隨著納米科學與技術的快速發展以及其與生命科學、醫學工程學等學科的交叉融合，產生了如納米醫學、納米生物學等許多新興學科和領域。這些交叉領域的研究有望為解決當前重大疾病診療領域的技術挑戰提供新思路和新方法。在諸多生物醫學納米材料中，磁性納米生物材料因其獨特的磁學性質在臨床診斷和生物醫學研究中獲得了廣泛應用，如**影像診斷和磁熱療、磁分離和即時檢驗、干細胞與再生醫學\腦部神經刺激和可控**遞釋等(圖1)。

圖1 氧化鐵納米顆粒的生物醫學應用

除了利用納米材料化學組成、結構相關的生物學效應以外，磁性納米材料生物醫學應用的主要范式是：利用納米材料小尺寸特點將其遞送到特定的生物靶點，通過施加安全且無組織穿透深度限制的外磁場刺激，促使磁性納米材料產生磁、熱、力等物理效應并作用于生物靶點，繼而引發多種生物學效應實現診斷或**功能。由此可見，磁性納米材料是實現磁診療功能的介質，而其性能在很大程度上取決于納米材料磁學特性與外部磁場之間的耦合效率以及磁場誘導物理效應對生物學效應的激活效能。該領域科學研究的較終目標是在活體內實現可遠程磁操控的醫療納米機器人，能夠進行疾病預警并遵循醫生指示執行相關**功能。為更好地實現這個遠景目標，需要材料化學、納米磁學、生物學、醫學以及工程學等多個學科知識深度融合，并在不斷的發展過程中逐漸形成“納米磁醫學工程”等新的交叉學科和方向。

安全并**是醫療技術臨床應用的要求，磁性氧化鐵顆粒是當前**被批準用于臨床的無機材料納米**，具有**的安全性。而磁場相關醫療技術往往具有非侵入式、可實時調控、無輻射危害等優勢。因此，以臨床醫學應用的角度，開展磁場作用下氧化鐵納米材料生物效應的跨學科、創新性的科學研究有望為生物醫學領域帶來變革性的醫療技術，改善當前疾病**效果，滿足我國人民對健康和美好生活的期盼。

磁場誘導的物理效應

磁學性質是磁性納米材料生物醫學應用的關鍵，通過材料設計可以**的調控納米材料的磁學特性，從而提升應用性能。一般來說，其磁學性能參數主要包括：飽和磁化強度(Ms)、磁各向異性(K)、剩磁(Mr)和矯頑力(Hc)等。磁化強度是描述宏觀磁介質磁性強弱程度的物理量。對于鐵磁有序的納米氧化鐵材料，其隨外磁場不斷增強能夠達到的較大磁化強度即飽和磁化強度，該參數與納米材料的尺寸、組分和形貌等相關。例如，飽和磁化強度在閾值內隨顆粒尺寸的增加成比例地增大，超過閾值后趨于恒定并且接近體相材料的磁化強度[5]。磁各向異性是指在不同方向磁化難易程度不同，包括磁晶各向異性、表面各向異性及交換各向異性。磁晶各向異性受晶胞結構影響，如氧化鐵納米顆粒中Fe2+完全被Co2+替代時，磁各向異性比原來顆粒增加了20 倍[6]。表面各向異性及交換各向異性受顆粒形貌影響，一般比表面積大的納米顆粒對表面各向異性貢獻更**，核殼結構也會影響交換各向異性[5， 7]。矯頑力能體現材料抵抗退磁的能力，受顆粒尺寸變化的影響較為**。納米材料晶粒尺寸小于單疇尺寸時，其矯頑力隨粒徑的增大而增大。由此可見，鐵磁性納米材料表現出尺寸依賴的磁學特性，當尺寸小于某一臨界值，其磁晶各向異性能(KV)小于室溫熱能(KT)時，其矯頑力與剩磁趨向于零，呈現超順磁性質。

磁性納米材料響應外磁場可以產生多種物理學效應，不同的應用對材料磁學性能的要求不同。因此，設計高應用性能磁性納米介質時，需要綜合多方面因素考慮(圖2)。磁性納米材料在外磁場作用下，可產生局域的誘導磁場。該局域磁場能夠影響被射頻脈沖激發的氫質子弛豫過程，**縮短弛豫時間，從而增強該區域的磁共振信號。納米氧化鐵作為**的T2磁共振增強對比劑，其弛豫效能與飽和磁化強度的平方成正比。在梯度磁場或者旋轉磁場下，磁化的納米材料可以產生納米尺度的力學效應，其磁力大小與飽和磁化強度與外磁場梯度的積成正比。在外加中頻交變磁場(100—500 kHz)中，磁性納米材料可通過磁滯損耗將磁場的能量轉化為熱能[8]。對于超順磁納米顆粒，其產熱機制可以簡化為布朗和尼爾弛豫損耗之和。當顆粒尺寸大于單疇尺寸時，其布朗弛豫對產熱有較大的貢獻；而小于單疇尺寸的顆粒主要以尼爾弛豫貢獻為主，與磁各向異性能成正比[9]。磁性納米材料磁熱效率可以用比吸熱速率(SAR)或固有損耗功率(ILP)來評價，產熱效率與磁場的頻率和強度以及顆粒的飽和磁化強度有關。比吸收速率沒有考慮磁場參數的影響，不能將不同磁場參數下的實驗結果進行比較，而固有損耗功率與磁場參數無關，可以用來衡量不同外場下材料的磁熱轉換性能。

圖2 納米氧化鐵尺寸依賴的磁學特性與醫學應用基礎(a)尺寸依賴的磁滯回線；(b)磁性納米材料對氫質子磁共振弛豫的影響；(c)磁場誘導的磁力效應；(d)磁感應熱機制中的布朗和尼爾弛豫損耗。

產品供應：

T1造影劑

Gd-DTPA

Gadolinium-LabeledAlbumin

Gadolinium-labeledIgG

Gadolinium-labeledProteinA

Gadolinium-labeledPolylysine

Gadolinium-labeledBSA

Gd-BSA-FITC

Gd-BSA-RhodamineB

Gd-DOTA

Gd-DO3A-Butylamine

DMPE-DTPA-Gd

DTPA-BSA-Gd

DPPE-DTPA-Gd

DSPE-DTPA-Gd

DMPE-DTPA-Gd-DMPE

DPPE-DTPA-Gd-DPPE

DSPE-DTPA-Gd-DSPE

MRI的T1造影劑

產品名稱：Gd-DTPA/Gado-DTPA

產品全稱：Gadolinium-DTPA

中文名稱：二乙三胺五乙酸釓絡合物/釓噴酸葡甲胺鹽

產品名稱：Gd-BSA

產品全稱：Gadolinium-labeledbovinealbumin

中文名稱：釓-牛血清白蛋白

產品名稱：Gd-BSA-FITC

產品全稱：Gadolinium-labeledbovinealbumin-Fluorescein

中文名稱：釓-牛血清白蛋白-綠色熒光素

產品名稱：Gd-BSA-RhodamineB

產品全稱：Gadolinium-labeledbovinealbumin-RhodamineB

中文名稱：釓-牛血清白蛋白-紅色羅丹明

產品名稱：Gd-IgG

產品全稱：Gadolinium-labeledImmunoglobulinG(bovine),Gd-IgG

產品名稱：Gd-ProteinA

產品全稱：Gd-ProteinA, Gadolinium-ProteinA

中文名稱：釓-蛋白A

產品名稱：Gd3O4

產品全稱：Gadoliniumoxidenanoparticles

中文名稱：納米釓氧化物

產品名稱：PLL-Gd

產品全稱：Gadolinium-Polylysine/Gadolinium-labeledpolylysine

中文名稱：聚賴氨酸-釓

產品名稱：Gd-DOTA

產品全稱：Gadolinium-Gadolinium(III)1,4,7,10-Tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetate

中文名稱： 釓-大環配體

Gd-p-SCN-Bn-DOTA

產品名稱：Gd-p-SCN-Bn-DOTA

中文名稱： 釓-大環配體

產品名稱：14:0PE-DTPA(Gd)，DMPE-DTPA-Gd

產品全稱：1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-diethylenetriaminepentaaceticacid(gadoliniumsalt)

中文名稱： 釓-大環配體-磷脂

產品名稱：DTPA-BSA(Gd)，DTPA-BSA-Gadolinium

產品全稱：DTPA-bis(stearylamide)(gadoliniumsalt)

中文名稱： 釓-大環配體-牛血清白蛋白

T2型造影劑-超順磁性四氧化三鐵顆粒（USPIO/SPIO）

T2造影劑產品列表：

Dextran-Fe3O4Nanoparticle，FunctionalityHydroxyl

Dextran-Fe3O4Nanoparticle，Functionalityamine

RhodamineB- Dextran-Fe3O4Nanoparticle，Functionalityamine

EverGreen-Dextran-Fe3O4Nanoparticle，Functionalityamine

Coumarin-Dextran-Fe3O4Nanoparticle，Functionalityamine

Proprietary-Dextran-Fe3O4Nanoparticle，Functionalityamine

Fe3O4Superparamagnetic，Functionality2carbonamine

Fe3O4Superparamagnetic，Functionalityaromaticaminegroups

PLL-Fe3O4Superparamagnetic，Functionalityaminegroups

RhodamineBFe3O4SuperparamagneticNanoparticles，FunctionalityCarboxylgroups

Fe3O4SuperparamagneticNanoparticles，FunctionalityCarboxylandaminegroups

RhodamineB-Fe3O4SuperparamagneticNanoparticles，FunctionalityCarboxylandaminegroups

PolyL-Tyrosine-Fe3O4Nanoparticles

Azide-Dextran-Fe3O4Nanoparticles

Biotin-Fe3O4Nanoparticles

DOTA-Fe3O4Nanoparticles

OleicacidmodifiedFe3O4nanoparticles

Fe3O4Magneticnanoparticlesinwater

SiO2-Fe3O4Magneticnanoparticles

SiO2-Fe3O4Magneticnanoparticlescoatingaminefunction

Fe3O4Magneticnanoparticlescoatingcarboxylfunction

PEG-Fe3O4Magneticnanoparticles

Chitosan-Fe3O4Magneticnanoparticles

PAA-Fe3O4Magneticnanoparticles

PVP-Fe3O4Magneticnanoparticles

Streptavidin-Fe3O4Magneticnanoparticles

mesoporoussilica-Fe3O4Magneticnanoparticles

R-CMN10050 mesoporoussilica-Fe3O4MagneticnanoparticlescoatingAminefunction

R-CMF10050 mesoporoussilica-Fe3O4MagneticnanoparticlescoatingFITCfunction

AuCoatedFe3O4MagneticNanoparticles

PLL-Fe2O3Nanoparticles  1mg/ml

PEI-Fe3O4MagneticNanoparticles

超順磁性四氧化三鐵顆粒（USPIO/SPIO）造影劑

上述產品齊岳生物均可供應，僅用于科研，不可用于人體！

wyf 04.02