纳米粒子与纳米材料论文

纳米科技和纳米材料是20世纪80年代刚刚诞生并正在崛起的高新技术，它是研究包括从亚微米、纳米到团簇尺寸（从几个原子到几百个原子以上尺寸）之间的物质组成体系的运动相互作用以及可能的实际应用中的科学技术问题，研究内容还涉及现代科技的广阔领域。今天小编给大家找来了《纳米粒子与纳米材料论文 (精选3篇)》的相关内容，希望能给你带来帮助!

纳米粒子与纳米材料论文 篇1：

Fe3O4磁性纳米粒子的制备及其表面修饰

摘 要 Fe3O4磁性纳米粒子的生物相容性、表面易修饰及特殊磁学性质使其在催化、材料及生物医药等众多领域中广泛应用.本文介绍了溶胶-凝胶法、化学共沉淀法、高温分解法、微乳液法和水热法等合成Fe3O4磁性纳米粒子的方法，及利用无机材料、有机功能分子和高分子聚合物对Fe3O4磁性纳米粒子的修饰策略.

关键词 Fe3O4 磁性纳米粒子;制备;表面修饰

Key words Fe3O4 magnetic nanoparticles; synthesis; surface modification

磁性纳米材料在光、电、热、磁、敏感特性等方面表现出不同于常规材料的特性[1]，近年来已应用于磁流体[2]、催化剂[3]、生物工程和生物医学[4]、磁共振成像[5-6]、磁记录材料[7]和环境保护[8-9]等众多领域.Fe3O4磁性纳米粒子具有超顺磁性、小尺寸效应、表面效应、量子隧道效应等优良特性[10].1925年Welo和Baudisch首次利用化学共沉淀法[11]制备了Fe3O4磁性纳米粒子，随后热分解法、微乳液法、水热合成法和溶胶-凝胶法等不同的制备方法也相继出现.制备粒径小且分布窄、磁性优良、表面性能稳定和生物相容性好的磁性纳米Fe3O4是目前研究主要目标.

1 Fe3O4磁性纳米粒子的制备

磁性纳米Fe3O4的性能因制备方法不同而各异，目前磁性纳米Fe3O4制备方法有物理法、微生物法和化学法.

磁性纳米Fe3O4的物理制备方法主要包括蒸发冷凝法和物理气相沉积法.蒸发冷凝法是运用激光加热、微波辐射、真空蒸发等方法使原料气化或形成等离子体，产物经骤冷、分离得到超细粒子.如通过激光诱导Fe(CO)5气相热解可制备Fe基纳米粒子[12].该方法所制备的粒子纯度高、结晶组织好、粒度分布均匀且可控，但其技术难度大，对设备的结构及材质要求高.物理气相沉积法广泛应用于纳米薄膜的制备，制备过程中薄膜沉积条件的控制非常重要，并以采用高溅射气压和低溅射过程为佳，可获得纳米结构的薄膜[13-14].

利用微生物Fe(Ⅲ)还原菌：厌氧杆菌属(如Thermoanaerobacter ethanolicus strain TOR 39)和希瓦氏菌属(如Shewanella loihica strain PV 4)在厌氧条件下可制备Fe3O4纳米粒子[15].微生物法制备Fe3O4纳米粒子，产量高，重现性好，成本低及能耗低.虽然微生物法制备的磁性纳米粒子表现出明显的优势，尤其在生物相容性方面，但该方法的缺点是细菌培养困难，粒子提取过程比较繁琐，所得粒子的粒径可控范围也比较受限制.

物理法和微生物法制备Fe3O4磁性纳米材料对设备的高要求和操作过程的繁琐限制了其应用，目前磁性Fe3O4纳米粒子的制备主要依赖于化学方法，大致包括： 溶胶-凝胶法、化学共沉淀法、高温分解法、微乳液法、水热法、流体注射法、电化学法和超临界流体法.本文简要介绍较常见的几种化学方法.

1.1 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法又称化学溶液沉积法.在制备过程中，金属前体悬浮在多元醇溶液中，在加热搅拌下形成纳米粒子(NP)，并缓慢变成溶解状态，形成中间体，然后分解形成金属晶核，进而生长为NP，NP表面原位包覆着具有亲水性的醇配体，使纳米粒子很容易地分散到水介质及其他极性溶剂中.在合成过程中表面活性剂的加入可以适当控制晶体的成核和生长，改变NP的表面形貌和表面电荷.溶胶-凝胶法采用金属醇盐作为原料，成本偏高，且凝胶化过程慢，合成周期长，还需高温煅烧，合成的粒径在亚微米尺度[16].

1.2 化学共沉淀法

水溶液中的化学共沉淀法是最简单有效的化学合成Fe3O4磁性纳米粒子的途径.该方法以NH3·H2O或NaOH为沉淀剂，加入到一定计量比的Fe3+和Fe2+金属盐溶液中，高速搅拌进行沉淀反应，析出不溶性的氢氧化物和水合氧化物，洗涤并脱水得到所需的磁性纳米粒子.其反应式是：

Fe2++ 2Fe3+ + 8OH-Fe3O4 +4H2O

利用该方法制备Fe3O4磁性纳米粒子的过程中，离子浓度、pH值、盐的种类(如高氯酸盐、氯化物、硫酸盐和硝酸盐等)、温度、碱的特性和浓度、表面活性剂等对合成的Fe3O4磁性粒子的大小、磁响应性和表面特性都有影响[17-18].共沉淀法合成的纳米粒子粒径小，表面能高，易团聚，难以达到单分散状态，需进行表面修饰提高纳米粒子的分散性.共沉淀法得到的Fe3O4纳米粒子表面吸附了大量的—OH，可以通过与Si—OH或—COOH等官能团反应形成Fe—O—Si或者Fe—O—C实现磁性纳米粒子的表面修饰和功能化.

1.3 高温分解法

高温分解法是通过在高沸点溶剂中加热分解有机金属化合物来制备纳米粒子的方法.涂志江等采用高温热分解无毒的乙酰丙酮铁(Fe(acac)3)，以聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮为修饰剂，制备了水溶液中分散性好的磁性Fe3O4纳米粒子.高温分解法制得的纳米颗粒结晶度高、粒径分布较窄，粒径大小可控[19].

1.4 微乳液法

微乳液法利用两种互补相溶的溶剂，在表面活性剂的作用下形成均匀的微乳液，使纳米颗粒的成核、生长等过程局限在一个微小的液滴内，在形成纳米颗粒的同时避免了颗粒之间的进一步团聚.微乳液法制备Fe3O4磁性纳米粒子的过程中，表面活性剂种类和用量和两种互补溶剂的种类和组成等对合成的Fe3O4磁性粒子的尺寸和形貌都有影响.Okoli等采用微乳液法制备了超顺磁性和粒径范围在2～10 nm的磁性Fe3O4纳米粒子[20].Hao等采用聚乙二醇辛基苯基醚为表面活性剂，用反相微乳法合成具有尖晶石结构、粒径大小平均为15 nm的超顺磁性Fe3O4纳米粒子[21].微乳液法一次合成制备的纳米粒子产量低，粒子的分离纯化过程复杂，且水溶性差.

1.5 水热合成法

水热合成法是指在密闭体系中，以水为溶剂，在高温(高于200 ℃ )和高压(高于137.9 MPa)下制备Fe3O4纳米粒子的方法 [22].通过优化水热合成法的实验条件，如反应温度和时间、反应物的浓度和化学计量比、溶剂特性和加入晶种剂等，可以控制纳米粒子的尺寸和形貌.Hou等以(CH2)6N4和FeCl3为原料，在高压釜内进行水热反应，制备出立方状的氧化铁颗粒[23].在水热反应中，粉体经历了溶解-结晶的过程，制得的纳米晶体发育较为完整，分布范围宽，粒径小，团聚程度低，且不需要高温煅烧与处理.但由于反应在较高温度和压力下进行，所以对设备的要求较高.

Fe3O4磁性纳米粒子由于比表面能高易发生团聚，导致粒子尺寸不均匀; 且裸露的Fe3O4易被氧化，磁性能降低.通过化学或物理作用将无机材料、有机官能团(如—COOH，—NH2，—SH等)及生物大分子等在粒子表面进行包裹或修饰能避免Fe3O4的氧化并保持磁性能、提高胶体和粒子的稳定性和增加其水分散性，还能调节并丰富粒子各种性能，对粒子进行功能化，获得多功能磁性纳米粒子，拓宽其应用范围.表面修饰后的磁性纳米粒子兼具无机纳米粒子的磁响应性和表面修饰剂的化学物理特性[24-25].磁性纳米粒子表面修饰的方法根据制备工艺常分为原位反应法和后处理表面改性法.原位反应法指的是在纳米材料制备的反应过程中直接引入包覆分子;而后处理表面改性法是先制备出纳米颗粒，再将其分散在表面活性剂或聚合物中进行包覆反应.

2 Fe3O4磁性纳米粒子表面修饰

Fe3O4磁性纳米粒子表面修饰按修饰材料的种类不同可分为三类：无机材料修饰，主要包括活性炭、碳纳米管、石墨烯、硅胶、金属氧化物等无机材料，通过物理或化学方法与Fe3O4磁性纳米粒子结合;有机功能分子修饰，通过特异性化学反应如偶联、络合、酯化或酰化反应等与纳米粒子链接的有机功能分子;高分子聚合物修饰，包括天然高分子聚合物如壳聚糖、明胶、纤维素、淀粉和蛋白等，人工合成高分子聚合物修饰，如聚苯乙烯、聚丙烯酸、聚酰胺类、聚苯胺等.

2.1 无机材料/Fe3O4磁性纳米复合材料

2.1.1 Fe3O4/碳磁性纳米复合物 碳有多种单质形式，有比表面积大、化学稳定性高和表面可负载其他功能基团的优势.活性炭、石墨烯和碳纳米管等材料与Fe3O4复合物常用于分离、催化、电子、材料和生物医药等领域[26-27].Mahmoud等在活性炭(AC)表面修饰Fe3O4磁性纳米粒子，然后负载上酵母酶(BY)(图1)，利用磁性固相萃取的方法从水溶液中分离Hg(II)，测定了该材料在250～800 μmol/g范围内对Hg(II)的吸附能力和吸附最大值，显示其分离效率达到92.4%[28].

Stoffelbach通过自由基聚合将羧基嫁接到多壁碳纳米管上(CNTs)，并通过碳纳米管上的羧基与Fe3O4磁性纳米粒子表面的羟基形成酯键，将Fe3O4磁性纳米粒子负载到碳纳米管上得到 CNTs/Fe3O4磁性纳米复合物，该复合物可作催化剂的载体(如图2a)[29]， He等将Pt附着在通过酯键结合的CNTs/Fe3O4磁性纳米复合物上，并作为催化剂在还原4-硝基苯酚的反应中循环使用(如图2b)[30].经过硝酸/硫酸酸化的碳纳米管可以在Fe3O4磁性纳米粒子的制备中通过原位合成得到碳纳米管与Fe3O4磁性纳米粒子的复合物(如图2c)[31]，也可与已成型的的Fe3O4磁性纳米粒子通过酯化反应得到.Sadeg等将经过硝酸/硫酸酸化的碳纳米管与直径为约6 nm的Fe3O4磁性纳米粒子通过酯化反应得到直径约50 nm长度为500～2 000 nm的磁性碳纳米管(如图2d) [32].碳纳米管不仅可以通过共价键和Fe3O4磁性纳米粒子键合，也可以通过物理作用结合.Korneva 等将直径约10 nm的Fe3O4磁性纳米粒子通过填充制得直径约300 nm的磁性碳纳米管(如图2e)[33].

He用正硅酸乙酯(TEOS)和3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)在Fe3O4磁性纳米粒子表面包裹硅并引入氨基，然后与石墨烯(GO)表面被N-羟基丁二酰亚胺(NHS)活化的羧基反应，通过形成的酰胺键将Fe3O4磁性纳米粒子和石墨烯结合起来，得到G-Fe3O4磁性复合材料(如图3a)[34]. Zhang等用类似的方法制备了磁性石墨烯复合材料，将内消旋-2，3-二巯基丁二酸(DMSA)修饰的Fe3O4磁性纳米粒子，与表面嫁接有聚乙烯亚胺(PEI)的石墨烯(rGO)，通过形成共价酰胺键得到DMSA@Fe3O4-rGO复合材料(如图3b).该磁性纳米复合材料中不仅尺寸、粒度分布和粒子形态可控，并能有效吸附环境中化学污染物如抗生素-四环素等 [35].Li等通过氨基功能化的磁性纳米粒子与硝酸酸化的石墨烯间的共价结合(如图3c)，制备了Fe3O4@SiO2-G的磁性纳米粒子复合物，该复合物对铬离子有很好的吸附作用[36].Han等通过静电和氢键作用将Fe3O4磁性纳米粒子附着在石墨烯上，然后利用聚多巴胺对复合材料进行功能化，该多巴胺功能化的纳米材料对亚甲基蓝的吸附容量达到358 mg/g (如图3d)[37].

2.1.2 贵金属氧化物与Fe3O4磁性纳米复合物 由于Fe3O4与贵金属之间相容性较差，很难制备出单分散、透光性好且有磁响应的纳米复合颗粒.为了提高颗粒的透光性、分散性，通常在磁芯与贵金属之间插入介质层(如SiO2或C等)，得到磁芯@介质层@贵金属三组分核壳复合颗粒.目前的研究主要集中在Au，Cd，Al等金属与Fe3O4磁性纳米复合物的制备和应用方面.

金由于其反应活性较低，可被含巯基的化学或生物试剂修饰，是一种理想的包裹材料.裴飞飞等先利用热分解法再用反相微乳法制备Fe3O4@SiO2纳米粒子，最后利用表面修饰的氨基还原性，获得Fe3O4@SiO2/Au核壳复合纳米颗粒 [38].

张礼松等采用表面有氨基修饰的Fe3O4磁性纳米粒子与表面巯基乙酸修饰的CdTe量子，通过形成酰胺键将CdTe量子点共价结合到Fe3O4磁性微球表面，制备出分散性好、荧光效率高的Fe3O4@SiO2@CdTe磁性荧光双功能微球(如图4)[39].Di Corato等在磁性纳米粒子表面同时修饰两亲聚合物和量子点(CdSe/ZnS)，再用叶酸分子进行表面功能化，通过控制荧光量子点和磁性纳米粒子的配比来控制发光，并应用于癌细胞成像和临床治疗研究中[40].

Li等将通过溶解热反应法制备的Fe3O4微球与葡萄糖反应得到Fe3O4@C磁性微球，然后Fe3O4@C磁性微球再与异丙醇铝作用处理后得到了Fe3O4@Al2O3核壳结构的磁性微球.该磁性微球磁性良好可进行磁分离，且其Al2O3外壳对磷酸肽有高的捕获能力，能从标准酪蛋白磷酸肽和卵白蛋白的胰蛋白酶消化液中选择性地富集磷酸肽(如图5)[41].

2.2 有机官能团修饰Fe3O4磁性纳米粒子

有机小分子通过特异化学反应如硅烷化偶联反应、络合反应、酯化反应等将有机配体修饰到Fe3O4磁性纳米粒子表面，制得表面不同功能基团修饰的磁性纳米复合材料.

2.2.1 硅烷偶联剂对Fe3O4磁性纳米粒子的表面修饰 小分子硅烷偶联剂含有不同的功能集团，其通式为RSiX3，R代表氨基、巯基、乙烯基、环氧基和氰基等，X代表能够发生水解的烷氧基如甲氧基和乙氧基等.硅烷偶联剂修饰后的磁性纳米粒子表面可带有羟基、氨基、羧基和巯基等多种有机功能基团，可以防止或减少粒子间团聚，增加粒子的稳定性和分散性.硅烷偶联剂首先水解成硅醇，再与Fe3O4纳米粒子表面的羟基发生缩合反应而形成Fe-O-Si键，硅醇的另外两个Si-OH同样可能与相邻硅烷分子的Si-OH发生交联缩合反应(如图6a).Fe3O4纳米粒子表面包覆SiO2的厚度也可通过控制n(TEOS)与n(Fe3O4)的比例来实现.Liu等用氨基硅烷试剂APTES与Fe3O4磁性纳米粒子反应得到氨基官能化的磁性粒子，再通过2-溴代异丁酰溴与氨基反生酰胺化反应，最后通过自由基聚合法制备了荧光磁性纳米粒子，该粒子可应用于磁共振成像研究(如图6b) [42].Eguílaz等将APTES与Fe3O4磁性纳米粒子反应得到含氨基的磁性纳米粒子，再通过戊二醛作为交联剂，将磁性纳米粒子与聚合物修饰的碳纳米管键合，制备得到的磁性纳米粒子碳纳米管复合物已成功应用到生物传感器设计中(如图6c)[43].靳艳艳等利用高碘酸钠氧化磁性纳米粒子表面附着的油酸稳定的高温热解得到磁性纳米粒子， 简便快捷地制备了单分散羧基功能化的Fe3O4磁性纳米粒子，该粒子分散性好，粒径均一，约12 nm [44].Kohler等先通过APTES在Fe3O4纳米粒子表面修饰氨基，再利用抗肿瘤药物——氨甲叶酸(MTX)的端羧基与纳米粒子表面氨基形成酰胺基，将MTX引入到纳米粒子表面，合成了负载抗肿瘤药物的靶向传输载体(如图6d) [45].Patil等合成了超顺磁Fe3O4@SiO2复合粒子，再将其表面用氨基硅烷试剂修饰，连接一个含有二硫键的双N-羟基琥珀酰亚胺酯(NHS)，用来分离和富集含氨基的肽或者蛋白[46] (如图6e).

2.2.2 表面络合剂对Fe3O4磁性纳米粒子的表面修饰 表面络合剂可与金属离子形成络合离子，对磁性纳米粒子进行改性并使粒子具有螯合性能.姜炜等利用络合剂二乙基三胺五乙酸(DTPA)对Fe3O4磁性纳米粒子进行表面化学修饰，制备出了具有表面螯合性能的磁性纳米Fe3O4/DTPA复合粒子[47]，该复合粒子能对Cu2+，Mg2+等多种金属离子具有螯合性能.

2.3 高分子聚合物/Fe3O4磁性纳米复合物

高分子聚合物修饰的Fe3O4磁性纳米粒子是具有特殊核壳结构的复合纳米材料，兼具聚合物的表面功能性和Fe3O4磁核的磁响应性特点，在蛋白分离、药物靶向、细胞优化等生化领域得到广泛应用.

2.3.1 天然高分子聚合物对Fe3O4磁性纳米粒子的表面修饰 聚糖、蛋白或多肽是天然高分子聚合物，广泛存在于自然界中.聚糖的良好的生物相容性、微生物可降解性或血液相容性，蛋白或多肽具有化学性能稳定、无毒、无抗原性等特点，以及分子链上丰富的易被化学修饰的羟基、氨基或羧基的存在，使聚糖和蛋白或多肽广泛应用到磁性纳米粒子表面的修饰中.

Dung等通过悬浮交联法，以戊二醛为交联剂，制备得到壳聚糖修饰的Fe3O4磁性纳米粒子[48].Neda用提拉镀膜法将一定浓度有氨基修饰的纤维素溶液加入到Fe3O4磁性纳米粒子水溶液中，制得磁性纳米复合物，该复合物可作功能化生物材料应用在药物传递、肿瘤治疗和酶工程等领域[49].

白蛋白化学性能稳定、无毒和无抗原性，在组织中易于分布并可富集于肿瘤部位，是一种理想的药物载体材料.Iwaki等通过共价结合将表面氨基修饰的Fe3O4磁性纳米粒子，与人类血清蛋白(HSA)键合，得到HSA@Fe3O4磁性纳米粒子.该粒子通过HSA与药物之间的特异性结合作用能从人类尿液和血清中高效捕获小分子药物，且可直接通过质谱对被捕获的小分子药物进行分析鉴定[50].

2.3.2 人工合成高分子聚合物对Fe3O4磁性纳米粒子的表面修饰 人工合成高分子如聚乙二醇、聚乙烯醇、聚(N-异丙基丙烯酰胺)和多肽聚合物可通过氢键结合在Fe3O4磁性纳米粒子表面，也可通过化学键键合在磁性纳米粒子表面.人工合成高分子可通过偶联接枝让官能团化纳米粒子与高分子直接反应进行键合;可在引发剂作用下直接在纳米颗粒表面聚合生长接枝;也可聚合与表面接枝同步进行.人工合成高分子在磁性纳米粒子的表面改性，可通过粒子表面聚合物的分子量来优化材料的功能.

Euliss等利用赖氨酸和天冬氨酸的共聚物对磁性纳米粒子进行表面修饰，得到了磁性纳米胶团，提高了纳米粒子的稳定性和生物相容性[51].方伟军等通过聚合的方法成功合成以磁性Fe3O4纳米粒子为核以聚苯乙烯-马来酸酐为壳富集有Ni-氨三乙酸的复合微球，这种微球具有优良的磁响应性和分散性，对多聚组氨酸融合蛋白有选择性吸附且吸附能力大大增加[52] .Yang等将聚乙二醇和脂肪酸形成的双亲共聚体修饰在MnFe2O4磁性纳米粒子表面，形成了一种稳定性好和灵敏度较高的磁共振造影剂，该磁性纳米晶体细胞毒性低，对癌症细胞的检测能力高[53].Mondini等将内酯水解得到的羟基羧酸在乙醇、氢氧化钠和铁盐的存在下制得羟基羧酸铁盐，然后在三缩四乙二醇中高温反应制得羟基修饰的磁性纳米粒子[54]，如图8.该磁性纳米粒子上的羟基还能进一步修饰，得到含羧基、甲基苯磺酰基及聚乙二醇的功能纳米粒子.

饶通德采用原位聚合法以Fe3O4磁性纳米粒子为核，以H2O2为引发剂使丙烯酸单体在粒子表面原位聚合，制得聚丙烯酸修饰的Fe3O4磁性纳米粒子吸附剂，该吸附材料具有比表面积大、表面活性中心多、外部磁场易于操控和吸附容量大等特点，可应用于去除环境污染物等领域[55].

Masoumi等用3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)在Fe3O4磁性纳米粒子表面修饰氨基，该粒子中的氨基与甲基丙烯酸甲酯(MMA)和马来酸酐(MA)形成的共聚物P(MMA-co-MA)中的酸酐发生氨解得到P(MMA-co-MA)/APTMS-Fe3O4(MNC)磁性纳米复合物(如图9)，该磁性纳米复合物能通过螯合作用从水中有效地分离金属离子如Co2+，Cr3+，Zn2+和Cd2+等[56].

其他天然或人工合成高分子聚合物如葡聚糖、明胶、聚乙烯醇、聚乳酸和聚海藻酸钠等也可用于磁性粒子的表面修饰，以改善粒子的分散性、毒性和生物相容性.

3 展望

磁性纳米粒子在医学成像、生物探针、药物靶向传递、催化和吸附分离等领域具有良好的应用前景，也面临挑战.今后的研究热点集中于改进并发展合成工艺，制备形貌可控、分散性好和磁性能高的磁性纳米粒子;改进并拓展表面功能化，制备具有不同表面功能化的磁性纳米粒子;通过改性提高磁性纳米粒子的生物相容性，降低细胞毒性;制备多功能的磁性纳米材料，增加磁性纳米粒子的多样性;发展并开拓磁性纳米粒子的应用方法及范围;将改性的磁性纳米粒子运用到诊断和治疗等生物医学领域.

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(编辑 WJ)

作者：朱广谦　何青科　刘长庚　肖尚马　曾盈

纳米粒子与纳米材料论文 篇2：

领跑纳米耐火材料产业新领域的太原高科

纳米科技和纳米材料是20世纪80年代刚刚诞生并正在崛起的高新技术，它是研究包括从亚微米、纳米到团簇尺寸(从几个原子到几百个原子以上尺寸)之间的物质组成体系的运动相互作用以及可能的实际应用中的科学技术问题，研究内容还涉及现代科技的广阔领域。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。

纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供了新的发展机遇。近年来，纳米技术和纳米材料取得了令人瞩目的成就。具有特异功能的各种纳米材料越来越多，由纳米材料制备的功能性产品也不断地被开发出来，逐渐形成一个新型的纳米功能性产品的产业领域。在众多的纳米材料中，一些高性能的纳米陶瓷粉体材料，也就是广义上的无机非金属纳米材料的开发应用最为广泛和活跃，并已在多种产业和实际产品中得到应用，出现了高性能多功能性纳米产品，从而使得许多传统产业正在发生一场新的技术革命。

太原高科耐火材料有限公司及其企业技术中心

企业既是产业发展的主体也是技术创新的主体。要提高自主创新能力就必须迅速聚集企业，大力发展产业，为技术创新提供支撑和依托。

太原高科耐火材料有限公司于1989年由高树森董事长基于创新耐火材料，服务高温产业经济的梦想而发起创立。在成立之初，还只是一家简易的小型耐火材料厂，经过几年的艰苦奋斗，企业取得了初步的发展。1992年经山西省高新技术委员会认定、国家太原高新技术开发区管委会批准，成立了太原高科耐火材料有限公司(简称太原高科)。

公司建立了耐火材料生产厂和专门的耐火材料技术研究中心，并被山西省科技厅确立为山西省耐火材料工程技术研究中心，成为耐火材料行业唯一的国家级高新技术企业，并承担山西省高端重点行业应用耐火材料的技术研究与开发工作。先后研究开发出多种耐火材料高新技术产品，及时将研究成果转化为生产力，大大地促进了企业的发展，同时为技术研究和自主创新提供了雄厚的资金支持，形成了生产与科研相互促进的良好局面。

该公司与国内多所研究院所、高等院校在产品开发、技术交流等领域建立长期的合作关系，使公司在新产品技术性能、使用性能、技术储备等方面不断创新，形成了产学研联盟，具备研究、开发、生产高技术特种耐火材料能力，形成了自主研发、自主创新和自我实现产业化的良性循环。经过20多年的滚动式的发展，在实现了公司的管理升级和稳步、持续、快速发展的同时，确立了以“以科研为依托，市场为导向”的科技兴企的发展战略。

为扩大产业规模，抢占市场制高点，再加上随着公司的不断发展，原有的生产能力远不能满足市场的需求，2005年公司在阳曲县投资8000余万元，建设了总占地面为150多亩的现代化工厂和企业技术研发中心，该项目被列为山西省“1311”重点工程、高科技产业化项目及山西重点引进关键科技开发项目。

新工厂于2006年竣工投入生产，特种高效不定形耐火材料年产能5.5万吨。新建的企业技术研究中心具有较先进完善的试验检验条件和设备仪器，还拥有一批经验丰富素质高的研发技术人员，具备研究开发自主创新和生产高新技术耐火材料的能力。该企业技术中心分别于2007年被山西省科技厅批准成为耐火材料行业工程技术研究中心，2009年被山西省认定为企业技术中心担负着耐火材料行业关键技术的研发和创新工作，并在自主创新方面取得多项重大创新成果。

太原高科走出了自主研发、自主创新、自主生产科研成果的路子，而且实际效果十分突出。这里同时也从一个侧面说明，我国科技体制改革中建立以企业为主体、产学研结合的技术创新体系，并将其作为全面推进国家创新体系建设的突破口，只有以企业为主体才能坚持技术创新的市场导向，有效整合产学研的力量，确实增强国家竞争力。以企业为主体的创新机制，对科研成果迅速转化为生产力具有重要的推动作用。

目前，太原高科已通过了ISO9001—2000国际质量体系认证和ISO14001—2004环境管理体系认证，被山西省科委确定为“山西省科技先导型企业”、太原市科技局授予“太原市科技创新示范单位”、太原高新区授予“十佳技术创新项目企业”及“质量管理先进企业”、山西省认定为企业技术中心。最近，中国耐火材料行业协会授予太原高科耐火材料有限公司、山西省耐火材料工程技术研究中心“行业纳米耐火材料产业化示范基地” 的称号。

纳米耐火材料研究成果概述

耐火材料是钢铁、有色金属、建材、石化、能源、环保、电子、国防等基础工业领域重要的基础材料，是高温工业热工设备不可缺少的重要支撑材料，与钢铁等高温工业的技术发展相互依存互为促进。为了开发21世纪新一代耐火材料，迫切需要运用尖端的纳米技术和纳米材料开发后续的纳米耐火材料。纳米耐火材料是以纳米粒子为核心，由耐火材料颗粒相和基质粉料、结合剂及外加剂等组成的纳米结构基质相两大相构成。少量的纳米结构基质的理化性能成为决定整个耐火材料性能的重要基础。纳米耐火材料的开发不仅从根本上改变了耐火材料的组织结构(包括宏观结构和微观的显微结构)，而且还能改变耐火材料的功能特性，提高耐火材料的理化性能指标以及在使用中的安全性与可靠性。

近年来，我们对纳米技术和纳米材料进行了深入研究和自主创新，共申报了7项纳米耐火材料发明专利项目，涉及耐火材料的主要品种如酸性耐火材料、碱性耐火材料、氧化物材料、难熔化合物材料、高温复合材料、定型耐火材料、不定形耐火材料。前六项发明专利均已公布，并经有关部门严格筛选后评定，被列为年度国家重点发明专利项目，并纳入国家发明专利实施转化项目中，还被知识产权出版社编入《中国专利发明人年鉴》第11卷建国60周年优秀发明家及专利项目特辑、《中国发明与专利—建国60周年知识产权发展成就巡礼》特辑中;前两项发明专利获第九届香港国际发明博览会金奖，又获第12届中国北京国际科技产业博览会第三届中国自主创新杰出贡献奖。由于高树森又发明了更多的纳米耐火材料专利，2010年在第13届中国北京国际科技产业博览会上再一次获“中国自主创新杰出贡献奖”。7项纳米发明专利项目分别是：

纳米耐火材料发明专利之一

纳米复合氧化物陶瓷结合铝-尖晶石耐火浇注料及其制备方法(公布号：CN 101397212A)

纳米耐火材料发明专利之二

纳米Al2O3薄膜包裹的碳-铝尖晶石耐火浇注料及其制备方法(公布号：CN 101417884A)

纳米耐火材料发明专利之三

纳米Al2O3、MgO复合陶瓷结合尖晶石-镁质耐火浇注料及其制备方法(公布号：CN 101544505A)

纳米耐火材料发明专利之四

纳米Al2O3、MgO薄膜包裹的碳-尖晶石镁质耐火浇注料及其制备方法(公布号：CN 101555153A)

納米耐火材料发明专利之五

纳米Al2O3、SiC薄膜包裹碳的Al2O3-MA-SiC-C质耐火浇注料及其制备方法(公布号：CN 101767999A)

纳米耐火材料发明专利之六

纳米SiO2、CaO复合陶瓷结合硅质耐火浇注料及其制备方法(公布号：CN 101875561A)

纳米耐火材料发明专利之七

矾土基纳米复合氧化物陶瓷结合Al2O3-MgO-C不烧制品及其制备方法(申请号：201010608883.6)

纳米耐火材料系列发明专利的公布，是纳米技术和纳米材料在耐火材料领域中成功应用的重要标志，也是纳米技术和纳米材料在传统产业中自主研发、自主创新的重要发展方向，对钢铁等高温工业的发展和高新技术的应用，作出了重要贡献。同时，发展纳米科技是转变经济发展方式，实现可持续发展的关键。具有战略性的纳米新兴产业是新兴科技、新兴产业的深度融合，代表着科技创新的方向，也代表产业发展的方向。

太原高科纳米耐火材料的研究及其发明专利成果，大大地推动了我国纳米技术、纳米材料的进步与发展，为耐火材料的发展开辟了一片新天地，也为开发更长寿、更节能、无污染功能化的新型绿色耐火材料带来了发展空间。为了进一步深入发展纳米技术在耐火材料领域中的应用研究，使纳米技术在耐火材料领域中得到更广泛的应用，太原高科将研究开发更多更实用的纳米耐火材料发明专利成果，以满足钢铁、玻璃、水泥等高温工业发展需求，也为钢铁等高温工业技术的实施与发展提供了最佳服务。

开辟纳米耐火材料产业新领域

纳米科技和纳米材料是21世纪最有发展前景的高新技术，它对国家经济发展、经济转型、传统经济改造、自主创新等均具有重要意义。然而，纳米科技和纳米材料只有在产业化大生产中实际应用才能真正体现出它自身的重大价值。国外多个国家都对纳米产品的产业化给予特别关注，并且作为纳米科技发展水平的重要标志。纳米材料制备技术由研究成果转移到大生产势在必行，但是在纳米技术产业化过程中存在多方面制约纳米发展的瓶颈问题。为了解决纳米耐火材料产业化中出现的各种瓶颈问题，我们开展长期的专项研究并取得了较好的效果，这就为纳米耐火材料产业化铺平了道路，为加快推进产业结构调整，完善现代产业体系，加快推进传统产业技术改造，加快发展纳米战略新兴产业，全面提升产业技术水平和国际竞争力，都具有重大意义。

发展纳米科技，在纳米材料领域进行深入研究，对于我国经济转型、经济的快速平稳发展意义重大。纳米耐火材料系列发明专利是纳米技术和纳米材料在传统产业中成功应用的典型实例，也是发展纳米技术和纳米材料的重要方向，对于提升传统产业意义非凡;纳米材料只有真正用于工业生产才能显示出纳米科技自身的重要价值;只有应用纳米技术和纳米材料才能实现传统工业结构的改变，才能使传统产业得以深层次的发展。

应当指出，实现纳米耐火材料产业化也不是直截了当的事，而是存在多方面制约产业化发展的瓶颈问题：一是降低纳米材料制备成本问题。市售的纳米氧化物陶瓷粉体价格十分昂贵，为纳米产业化带来了很大困难;二是发展大规模生产纳米材料的分散技术问题，以突显纳米效应;三是发展纳米耐火材料应用技术存在的问题，以制取分散性好、组织结构均匀、并能形成纳米结构基质的新型高效纳米耐火材料。为了解决制约产业化发展的这些瓶颈难题，高树森带领太原高科竭尽全力进行了深入的研究，结合耐火材料工业实际，以适宜的工业原料和天然原料研发成功的纳米溶胶悬浮液作为纳米陶瓷结合剂，并能形成纳米结构基质的纳米耐火浇注料，解决了制备纳米材料成本昂贵的问题;此外，还改变了以往应用纳米陶瓷粉体材料制备纳米的制作工艺，采用湿法工艺，不仅解决了纳米陶瓷粉体的团聚和分散问题，而且还很好地解决了纳米在实际生产应用方面的诸多问题。

为此，建立国家级纳米耐火材料产业化示范基地，对当前和今后耐火材料工业和钢铁、玻璃、水泥等高温工业的发展是非常有意义的，而且也是十分紧迫和刻不容缓的。此外，国际间纳米技术和纳米材料的竞争更多体现在工业生产的纳米产品上，太原高科对纳米科技和纳米耐火材料的研究开发和自主创新作了长期的艰苦努力，取得多项发明专利成果，并且对纳米科技和纳米耐火材料继续开展深入研究和产业化基地建设将会取得更多、更大进展，为我国纳米科技发展作出贡献。

产业化示范基地建立后，太原高科将运用多项高新技术，谋求与尖端的纳米技术整合，加速纳米耐火材料的理论与实际应用研究，为耐火材料行业的纳米化发展创造条件和奠定基础。完成开发成果后，可积极推进开发和创新成果的产业化，及时服务于钢铁等高温工业生产中，使纳米技术及早地显现出经济效益和社会效益，为科技发展和进步作贡献，努力把21世纪纳米尖端耐火材料的开发与生产做好、做成功;为国家高温工业的发展继续作研发与服务;加快传统工业的改造，促进我国经济的平稳、快速发展。

实行“纳米中国耐材”战略计划

要通过科技创新，促进产业结构优化升级，提高经济增长的质量和效益，实现经济增长方式由粗放经营向集约经营的转变;要通过科技创新，提高能源资源利用效率，实现从资源消耗型经济向资源节约型经济的转变;要通过科技创新，保护生态环境，治理环境污染，实现以生态环境为代价的增长向人与自然和谐相处的增长转变，促进经济社会全面、协调、可持续发展。

实行“纳米中国耐材”战略计划，催生新型经济社会发展模式。要在高新技术产业化大潮中占据有利先机，需要从技术创新、产业创新、产业集群耦合3个维度，探索原创技术产业催生机制、技术创新扩散机制和高新技术与传统产业的融合机制，实现知识产业集群、原创产业集群和以新技术武装的传统产业集群之间耦合与升级，将国家纳米技术建设成为国家原创产业的试验基地，高端制造业、技术和产业创新的典范。

纳米科技、纳米耐火材料进一步发展可行性分析(问题与建议)

纳米科技的迅速兴起对于人类生产和生活方式将产生重大影响，积极进行纳米科技的探索与应用已成为全球共识。正是因为这样，发展纳米科技及其产业化，需要各级政府和有关部门给予大力支持。为此提出以下建议：

1、太原高科对纳米科技和纳米耐火材料的研究开发和自主创新作了长期的艰苦努力，取得多项发明专利成果，并且已进行了纳米耐火材料规模性生产。最近，经中国耐火材料行业协会认定，授予太原高科耐火材料有限公司、山西省耐火材料工程技术研究中心“行业纳米耐火材料产业化示范基地”的称号，现在正向发改委、科技部等有关单位申请批准成立“国家级纳米耐火材料产业化示范基地”，以促进纳米耐火材料产业化发展。

2、太原高科建立了以企业为主体的技术中心，对企业发展起到了重要作用。太原高科技术中心于2005年被太原市科技局批准为耐火材料行业技术研究中心、2007年被山西省科技厅批准成为耐火材料行业工程技术研究中心、2009年被山西省认定为企业技术中心。多年来，技术中心担负着耐火材料行业关键技术的研发和创新工作，并在自主创新方面取得了多项重大创新成果。现在正向科技部等有关单位申请批准成立“纳米耐火材料国家工程技术研究中心”，以发展纳米技术和纳米耐火材料，增强国际竞争力。

3、发展纳米科技，在纳米材料领域进行深入研究，对于我国经济转型和经济的快速平穩发展意义重大。同时，发展纳米科技是转变经济发展方式，实现可持续发展的关键。具有战略性的纳米新兴产业是新兴科技、新兴产业的深度融合，代表着科技创新的方向，也代表产业发展的方向。为使纳米战略性新兴产业尽早成为国民经济的先导产业和支柱产业，就要大力推动自主创新，着力突破制约经济社会发展的关键技术问题，以纳米耐火材料系列发明专利成果为主要内容，将“纳米耐火材料在钢铁新技术中应用”的课题纳入国家科研计划中，为我国纳米技术和纳米材料的应用与发展提供科技支撑。

作者：陈家忠

纳米粒子与纳米材料论文 篇3：

磁热治疗的最新研究进展

摘 要： 磁热治疗是一种新兴的治疗癌症的方法，其利用磁性材料在高频交变磁场(AMF)下将磁能转换为热能，提高局部病灶部位组织温度(42 ℃以上)，诱导癌细胞凋亡.该治疗方法由于具有无创/微创性、高效性和良好的组织穿透性等优点而受到广泛关注.通过介绍和总结常用磁热材料、磁热增强策略和原理，描述目前磁热治疗的最新研究进展，综述了磁热治疗这一前沿技术在癌症治疗中的潜在应用.

关键词： 磁热治疗; 磁性纳米粒子(MNP); 协同治疗; 癌症治疗

Key words： magnetic hyperthermia; magnetic nanoparticles(MNP); synergistic treatment; cancer therapy

0 引 言

腫瘤是一种非遗传的基因疾病，它是指细胞在致瘤因素作用下，基因发生了改变，失去对其生长的正常调控，导致异常增生.肿瘤可分为良性和恶性两大类.前者生长缓慢，与周围组织界限清楚，不发生转移，对人体健康危害较小;后者生长迅速，可转移到身体其他部位，还会产生有害物质，破坏正常器官结构，使机体功能失调，威胁生命.癌细胞除了分裂失控外，还会侵入周遭正常组织，甚至经由体内循环系统或淋巴系统转移到身体其他部分[1-2].2018美国癌症年报数据显示，从癌症整体趋势上来看，和往年差别不大.预计2018年美国将有174万新发癌症病例，死亡人数在61万左右.相比于2014—2015年间，其癌症死亡率下降了1.7%，而相对1991年的死亡率峰值下降了26%，相当于死亡人数减少了240万[3].癌症是全球致死率最高的病症之一，是人类健康的最大杀手.寻找有效治愈癌症的方法仍然迫在眉睫.

目前临床广泛使用的癌症治疗方法主要有：手术疗法、药物化疗和放射性疗法，但这些疗法存在许多缺陷，如毒副作用大、复发性高、专一性差等缺点.随着科学技术的进步，人们一直在探索新的治疗方法，希望能够摆脱传统治疗方法的缺陷，在彻底治愈癌症的同时，尽可能地减少毒副作用，降低治疗过程中给病人带来的痛苦，降低治疗费用.目前研究较多的新型疗法主要有：光热疗法、磁热疗法、光动力疗法、化学动力学疗法和基因疗法等，其中热疗法由于安全性高、治疗效果好、目标性强等特点而受到广泛关注.

1 磁热治疗的作用机制

磁热治疗是热疗法中的一种，其利用磁性纳米粒子(MNP)在高频交变磁场(AMF)下通过Néel-Brownian弛豫转换为热能，提高局部病灶部位组织温度(42℃以上)诱导细胞死亡(图1).相比其他的热疗法如光热、微波等，磁热治疗法具有一些独特的优势，如没有穿透深度限制，生物组织对磁场强度影响小，能够以远程控制的方式精准地控制局部温度，具有良好的靶向性等.基于上述优点，磁热治疗法在过去10多年里得到了广泛的研究.

对于超顺磁性MNP，其在AMF下的将磁能转换为热量的磁损耗能力归因于Néel-Brownian弛豫.当MNP的尺寸减小到某个临界畴壁厚度以下时，单畴旋转在能量上是有利的，此时所有磁自旋都在相同的方向上排列，像一个巨大的磁矩.在这种情况下，MNP的磁矩倾向于向能量上有利的自发磁化方向(磁易轴)对齐，而沿轴线的2个相反方向(即向上和向下)由磁晶各向异性能的能垒分开.当施加的外部磁场提供足以克服能垒的能量时，磁自旋方向发生翻转，并且将所提供的磁能转换为热量释放出来，这种现象称为Néel弛豫(图2).磁自旋翻转所需的平均时间称为Néel弛豫时间(τN)，由下列Néel-Arrhenius方程表示：τN=τ0·expKVkBT，其中，τ0为特征翻转频率10-9 s;K为磁各向异性常数;V为颗粒体积;kB为玻尔兹曼常数;T为温度[4].

随着颗粒尺寸增加，磁各向异性能垒将逐渐增大到足够阻碍Néel弛豫过程.因此，施加的磁场反而导致颗粒本身在液体中旋转，其磁旋转方向逐渐朝易轴方向固定.当颗粒旋转时，颗粒与周围流体之间的旋转摩擦产生热量，该过程被称为Brownian弛豫，Brownian弛豫时间τB=3ηVHkBT，其中，η为流体的黏度;VH为颗粒的流体动力学体积;kB为玻尔兹曼常数;T为温度[4].

对于超顺磁性MNP，Néel和Brownian弛豫同时发生，因此，有效弛豫时间(每个机制的谐波平均值)应被视为与MNP的散热相关的参数[4]：τeff=τNτBτN+τB. 从上述公式可以看出，有效弛豫时间主要受τN和τB中较快的影响，Néel弛豫倾向于主导小纳米粒子，而Brownian弛豫对于较大粒子效果明显.

2 磁热的影响因素

使用MNP作为热疗介质最早在20世纪50年代被提出[5]，然而第一阶段临床试验直到21世纪初才在德国进行.目前，将磁热疗法应用于癌症治疗的研究主要集中在日本、德国和中国等几个国家.尽管对磁热疗法的应用研究已经很多，但是仍然存在一些限制，影响其广泛的临床使用，其中纳米粒子的加热效率(也称为比吸收率SAR或特定损耗参数SLP)最为人们所关注.传统上，小尺寸的超顺磁氧化铁(Fe3O4)纳米粒子(SPIONs)因其良好的生物相容性、较长的血液循环寿命和良好的分散性而受到磁热疗法的青睐，然而随着研究的深入，人们发现SPIONs有其一系列局限性，例如较低的饱和磁化强度和矫顽力限制了其加热效率或SAR.所以人们一直希望尽可能多地增加SAR，以便用更少量的MNP和更小的磁场实现有效的高温治疗.

目前，材料参数有粒径、矫顽力、磁各向异性和偶极相互作用等，这些参数对磁热性能的影响机制尚不完全清楚.因此，想要提升磁热效率，首先应明确散热的关键机制.最容易调控的参数就是粒径，然而目前还没有研究明确提出优化粒径以获得最大特定损耗功率的方法.但可以确定的是，粒径的控制可显著改变Néel-Brownian弛豫时间以及滞后損失，从而控制加热效率.随着粒径尺寸分布的增加，发热量减少，加热效率(通常表现为SAR)与暴露于AMF时MNP的热损失直接相关.为了探究纳米粒子粒度对磁性能和磁热效果的影响，PHONG等[6]通过微波辅助共沉淀法合成了3种具有不同尺寸(12.8，16.1和22.3 nm)的CoFe2O4纳米粒子(图3)，其在室温下呈现铁磁态，在高温下呈超顺磁性.他们通过一系列实验发现，随着粒径的增大，阻挡温度(TB)从365 K增加到506 K.施加的磁场克服了矫顽力，并且弛豫损失有助于提高铁磁性纳米粒子的磁感应加热效率和热疗效果.同时他们也发现磁性CoFe2O4纳米粒子在AMF磁性流体的散热偶极相互作用也强烈影响了加热能力.总的来说，纳米粒子的SAR很大程度上取决于它们的磁性和粒径，SAR随着粒径的增加而降低，最小的CoFe2O4纳米粒子(13.5 nm)表现出最高的SAR[6].

除了纳米粒子的本身属性，例如大小、形状和磁各向异性等，还有一些其他因素会影响磁热效果，例如纳米粒子的浓度.EBRAHIMISADR等[7]通过制作不同浓度的Fe3O4纳米粒子进行比较，探究浓度对Fe3O4纳米颗粒在交变磁场中的升温效果的影响，并从Box-Lucas方程和ΔT-t曲线的线性拟合得到了SAR[7].结果表明，温度上升值(ΔT)随着纳米粒子质量分数的增加而急剧增加，质量分数为12.5%的样品得到最高的ΔT，为58 ℃，而质量分数为1%时，ΔT为最小值9 ℃(图4).而使用Box-Lucas和ΔT-t曲线的线性拟合2种不同方法获得的SAR值结果证实了质量分数对SAR值的影响可忽略不计.

3 常见磁热材料

3.1 Fe3O4

Fe3O4纳米粒子作为目前生物医学界使用最广泛的磁性纳米材料，有着很多吸引人的特性，比如其生产成本低、生物相容性高、磁响应强，并且可以通过接上合适的修饰来增加其对靶组织的选择性.Fe3O4纳米粒子可以产生不同的对比，还可以应用于磁共振成像(MRI)检测，其磁性也可以通过标记干细胞来用于干细胞追踪，通过施加磁场将纳米粒子引导至所需位置，通过磁场实现升温或释放药物.因此，Fe3O4纳米粒子可以作为癌症的诊疗一体化纳米探针，在提供简单的诊断和治疗的同时，还可以通过表面的功能化来定制更多的功能.

GULDRIS等[8]设计制作了一种多功能、可进行可点击的正交反应的Fe3O4纳米粒子平台.他们用含有异氰酸酯部分的2个配体对纳米粒子进行简单的官能化，用马来酰亚胺和炔基高度覆盖表面.炔基可以与硫醇(硫醇-烯和巯基-炔反应)、共轭二烯(Diels-Alder环加成反应)和叠氮官能团(1，3-偶极叠氮-炔环加成反应)进行正交反应(图5).由于Fe3O4纳米粒子的表征和纯化方面的限制，点击反应成为生物医学应用功能化的理想方案.他们通过Diels-Alder反应将荧光团作为药物模型加载，并通过叠氮化物-炔烃环加成反应与含聚乙二醇(PEG)的生物素配体反应，以证明该平台的适用性.通过Diels-Alder反应的热可逆特性，施加外部AMF能使温度触发的荧光分子释放.此外，Fe3O4纳米粒子增强MRI对比度的能力是验证其肿瘤细胞靶向能力的关键，发现其能够被生物素增强.经过核磁共振成像的验证，该混合平台显示出进一步利用组合成像和磁热治疗应用，从而开发治疗诊断剂的潜力.

目前，在生物医学领域，纳米材料用于癌症治疗的主要困难在于给药系统，临床部位的药物浓度不足、非特异靶向等引起的毒性以及药物浓度过高等问题都制约着纳米粒子在生物医学领域的发展.而磁性药物靶向解决了许多这类问题，超顺磁性纳米粒子是磁热治疗的主要研究对象，Fe3O4纳米粒子响应外部磁场产生能量，并在去除磁场后不保留任何磁性.然而超顺磁性的Fe3O4纳米粒子在血浆中会造成生物污染，导致网状内皮系统的聚集和分离，其与细胞直接接触会造成一系列有害的反应.因此需要改变Fe3O4纳米粒子的表面以减少生物条件下的聚集和生物毒性.羟基磷灰石(HAp)[Ca5(PO4)3(OH)]因其优异的生物相容性、生物活性和骨传导性而被广泛用作生物材料.MONDAL等[9]使用溶剂热和湿化学沉淀技术合成了Fe3O4(IO)，使用HAp和HAp涂覆的良好分散的球形 Fe3O4纳米粒子(IO-HAp)，用于磁热治疗(图6).用XRD，FTIR，FETEM与能量分散X射线光谱(EDS)证实了材料的成功合成.在室温(300 K)和15000 Oe(1.5 T)磁场下，合成的IO饱和磁化强度为83.2 emu·g-1，IO-HAp为40.6 emu·g-1.在MG-63骨肉瘤细胞的磁热疗研究中，显示IO-HAp的磁热疗效果(SAR值为85 W·g-1)有明显增强，在3 min内达到体外热疗温度(约为45 ℃)，在30 min暴露期间内杀死几乎所有实验性MG-63骨肉瘤细胞，显示出了非常高的磁热效率.IO-HAp结合磁热治疗可以成为治疗不同类型癌症的安全有效的治疗工具.

3.2 铁酸盐

铁酸盐属含氧酸盐，一般包括铁(III)、铁(IV)、铁(V)、铁(VI)的4种价态含氧酸盐，其中未特别指出时，一般指铁(III)的含氧酸盐，称铁酸盐，而铁(VI)的盐则称为高铁酸盐，其他2种价态则较为少见.铁酸盐由于其产热率大、饱和磁化率高而被广泛应用于磁热治疗.由于为铁基纳米粒子，也有很好的MRI成像效果.目前已经有很多实验合成了多种不同的铁酸盐，用于磁热治疗和成像，或者和其他治疗方法的协同治疗.

Fe3O4纳米粒子，特别是磁铁矿(Fe3O4)，由于其毒性低于其他磁性材料，且磁性可调，制备相对简单，稳定性好，是最常用的热疗磁性纳米粒子.具有反尖晶石结构的磁铁矿纳米粒子是生物医学研究最多的铁酸盐.目前，人们研究的重点在于通过用其他阳离子，如Zn，Ca，Mg，Mn，Co，Cu，Ca和Ni等离子部分取代Fe离子来开发混合铁酸盐.比如CoFe2O4，相比Fe3O4，具有更高的磁晶各向异性，会导致热疗中热能耗散更大[10].此外体外细胞相容性研究也表明，使用Co-铁酸盐的细胞存活率在物质的量浓度为0.1 mg·mL-1时，与Fe3O4相比并无差异;当物质的量浓度为0.2 mg·mL-1时，使用Fe3O4使细胞存活率降低30%，而Co-铁酸盐的细胞存活率为50%.因此较高浓度下细胞活力受到影响，但几乎不受用于制备纳米粒子的铁酸盐的影响[11].

DEMIRCI等[12]研究了如何通过用La3+粒子代替Fe3+粒子来调节Co-铁酸盐纳米粒子的K值来进行有效的磁热疗.他们研究了CoFe2-xLaxO4(x=0.0，0.2，0.5)纳米粒子的结构、组成、磁性以及磁热反应.相比未取代的Co-铁酸盐，饱和磁化强度(Ms)和K随着La3+的取代浓度的增加而增加.当颗粒分散在去离子H2O中时，在195 kHz的50 kA·m-1的磁场下没有观察到SLP的变化.但与预期相反，SLP随着黏度的增加而增强.根据跟踪得到的K和Ms数值探索La3+粒子的最佳替代浓度以获得最佳加热效率.与未取代的和25%La3+取代的Co-铁酸盐相比，10%La3+离子取代的Co-铁酸盐纳米粒子有较高的SLP值，原因可能是来自Néel弛豫占主导地位(图7).通过将不同类型的稀土离子取代成Co-铁酸盐纳米粒子，探索出最佳的La离子浓度和调节K的效果是非常重要的研究工作.

3.3 合金类

温度控制一直是磁热治疗发展的一个重要难题，温度控制可以通过选择居里温度(接近处理温度)的磁性纳米材料来解决，并在肿瘤组织中提供自控加热.纳米颗粒的居里温度与粒径和合金组成有关.如果可以将居里温度、粒径和合金组成调节到最佳值，使它们具有足够的热疗性能，则可以在自控下完成处理.块状Ni28Pd72合金的居里温度约为45 ℃，是一种具有前景的用于自调节磁流体热疗的材料[13].

虽然目前已经有一些研究评估了NiPd合金，但是他们大多研究了NiPd纳米粒子的催化性质.此外，由于潜在的生物损伤，磁场和频率值受到限制，NiPd合金纳米粒子的发热速率很难达到所需的发热水平，因此还需要探究合适的合金组成.ITO G ˇLU等[14]试图合成出具有自调节磁热治疗所需的NiPd磁性合金，使用多元醇法合成了2种合金，分别为Ni30Pd70和Ni50Pd50，然后使用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)涂覆，以防止纳米粒子被氧化，并且PVP涂覆纳米粒子表面提供了空间排斥，可以防止纳米粒子的聚集.2种纳米粒子的尺寸分别为(3.48±0.04) nm和(2.47±0.11) nm.磁滞测量表明：Ni30Pd70樣品表现出顺磁性，而Ni50Pd50合金在室温下表现出超顺磁性和铁磁性.磁化与温度的测量结果表明：Ni30Pd70合金的阻隔温度小于10 K，Ni50Pd50合金的阻隔温度约为155 K.在8.7～23.7 kA·m-1范围的AC磁场下进行磁热实验，计算SAR值为0.2～7.6 W·g-1(图8).这些结果表明：在施加生物应用的标准磁场和频率下，获得的合金纳米粒子的SAR值并不适合用于热疗应用.该合金材料低的加热能力可能是由于其低的磁化强度、小的粒径和颗粒聚集.合成适合于磁热疗的磁性合金，未来的工作应聚焦于研究更为合适的表面活性剂以提高溶解度，还有增加粒径和防止颗粒聚集.

作为最好的磁热材料之一，含Fe的纳米合金也是重要的一类磁热材料.作为其中的代表，FeCo拥有高饱和磁化强度、高居里温度、高渗透性以及良好的物理性能，从而受到广泛关注与应用.ZER等[15]通过表面活性剂辅助的球磨法合成了不同尺寸的FeCo胶体磁性纳米合金，其尺寸可控，范围在11.5～37.2 nm.通过TEM测定了颗粒分布，用XRD测量验证了FeCo合金为BCC(体心立方)结构.之后通过振动样品磁强计(VSM)方法研究纳米合金的磁性能，证实了纳米粒子磁性与尺寸有关.平均尺寸为(11.2±2.1)，(13.7±3.3)，(17.2±3.6)和(37.4±2.4) nm的FeCo纳米粒子饱和磁化强度分别为145，156，165和172 Am2·kg-1.随着尺寸的减小，球磨纳米粒子相对于整体结构的纳米粒子饱和磁化强度降低，其磁化曲线证明了FeCo纳米颗粒的典型单畴铁磁行为.磁性材料尺寸与临界尺寸相比变小时，磁性颗粒变成单畴以减少其磁性能.而单畴纳米粒子的矫顽力强烈依赖于尺寸，上述不同尺寸的纳米粒子矫顽力分别为17.5，19.4，17.8和16.0 mT，矫顽力与磁各向异性有关.最后他们利用LRT和SW模型模拟了纳米粒子在AMF下的发热机理，对于平均尺寸为(13.3±1.6) nm的FeCo纳米粒子，在171 kHz的磁场频率和14 mT的磁场强度下，SAR值为(15.0±0.3) W·g-1，该值小于理论计算值(图9).从磁热疗结果中发现，其热量产生机制类似于Stoner-Wohlfarth方式，阶梯状形式的理论预测与SAR损失磁场依赖性符合.

3.4 复合材料

磁性纳米粒子表现出独特的物理化学性质，使它们被医学领域广泛研究，但是由于它们的易聚集倾向性，也造成其一些独特性质和应用潜力的丧失.而有机/无机纳米复合材料结合了纳米粒子的独特性质和聚合物基质的优点(包括重量轻和易成型等)，通常的方法是在聚合物中包埋磁性纳米颗粒，制造出可注射的制剂，用于局部递送的磁热疗.分散在聚合物溶液中的纳米颗粒的胶体悬浮液能够防止聚合物溶液或聚合物熔体中的絮凝，也能够通过旋涂和纳米复合材料的沉淀制备纳米复合材料薄膜，材料本身以易于研磨成粉末的形式存在.GYERGYEK等[16]提出了一种制备高均匀分散的磁性Fe3O4/聚甲基丙烯酸(PMMA)纳米复合材料的简单方法，甲基丙烯酸酯-单体-官能化的磁性Fe3O4纳米颗粒在胶体悬浮液中与甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体共聚合.所开发的共聚方法有2个优点：首先，磁性纳米粒子用PMMA链饰，其在聚合物溶液中提供胶体稳定性，并且再制备过程中防止纳米粒子的聚集;其次，PMMA基质在一锅合成中同时形成，简单方便.从悬浮液中沉淀出的纳米复合材料，PMMA链牢固地附着在纳米颗粒的表面上.用TEM分析表明，磁性纳米粒子均匀地分散在PMMA基质中，质量分数达到了53%.复合材料具有超顺磁性，在饱和磁化强度高达36 emu·g-1时表现出较大的值.掺入大量纳米颗粒的纳米复合材料在相对低幅度的AMF下产生大量热量，因此它也具有基于磁感应热疗的癌症治疗应用的潜力.

RASHID等[17]通过柠檬酸盐凝胶技术制备含有不同ZrO2质量分数(0～80%)的MgFe2O4 / ZrO2复合材料作为磁热疗的潜在候选材料(图10).MgFe2O4由于其热效率的频率依赖性，升温效率在铁氧体中最高，因此与其他铁氧体相比，它更适合实现局部热疗.而引入生物相容性陶瓷ZrO2，可以防止MgFe2O4纳米颗粒聚集并减少它们的偶极相互作用以提高SAR.他们采用的合成方法是CHOY等[18]开发改良的柠檬酸盐凝胶法，该方法产生尺寸分布较窄的细颗粒，所得的产物具有高纯度并且化学均匀.在使用XRD，TEM和VSM研究样品的结构和磁性后，在所有不同ZrO2质量分数的样品中都观察到射频磁场中有磁感应加热效果.最重要的是，发现仅含20%质量分数的MgFe2O4样品的SAR大于纯的MgFe2O4.因为ZrO2与混合金属铁氧体相比具有低毒性和高生物相容性，所以从生物医学应用的角度看，这是一个重要的发现.

3.5 其 他

除了常用的含Fe材料外，人们也在寻找其他拥有比Fe更优秀的磁热效果的物质来制备纳米材料.比如最近就有一类钙钛矿结构材料受到热疗界的高度关注，即La1-xSrx MnO3(LSMO)纳米颗粒.La1-xSrx MnO3是一种铁磁材料，在磁热疗过程中会产生热量.相比于铁化合物，La1-xSrx MnO3有较低的居里温度、较好的生物相容性、高磁化强度、高稳定性和低矫顽力，这些特点使得这种材料被人们广泛关注.研究人员已经探索出了La1-xSrx MnO3纳米粒子的很多合成方法，包括溶胶-凝胶、水热合成和熔盐法等.LOTFI等[19]通过溶胶-凝胶技术提出了一种La1-xSrx MnO3纳米粒子的简单合成方法，并成功制备了x =0.2，0.3，0.4和0.5 的4种La1-xSrx MnO3纳米粒子，并且对它们的磁性能进行了一系列探究.使用FTIR，XRD，SEM，TEM和VSM等表征手段研究了纳米粒子的结构、形态和磁性，证明了La1-xSrx MnO3晶体结构符合预期，纳米粒子大多处于聚集状态，并且当x=0.2时，La1-xSrx MnO3纳米粒子的磁化强度高于其他样品，证明了Sr的浓度会影响纳米颗粒的磁化.另外纳米粒子的磁响应实验中没有观察到磁滞现象，表明了粒子的超顺磁性(图11).毒性试验也证明了它们不会显著地对正常细胞造成细胞毒性.当暴露于射频磁场RF时，La1-xSrx MnO3纳米粒子表现出优异的加热性能.这些实验结果表明具有低毒性的超顺磁性钙钛矿La1-xSrx MnO3纳米粒子在生物医学应用，特别是磁热疗应用上具有很高的潜力，是磁热材料的有力竞争者.

此外，磁性纳米粒子在局部递送过程中很难完全被递送至肿瘤部位，主要原因包括肾脏的快速过滤、网状内皮系统的清理、血流到组织内靶细胞的转运以及过度依赖增强的渗透和保留(EPR)效应等.所以人们在制备用于癌症治疗的纳米材料时也在考虑如何提高纳米载体的递送效率.YANG等[20]通过一种新兴的电液动力射流(E-jet)印刷技术，实现了抗癌磁热聚己内酯/Fe3O4(PCL/Fe3O4)垫的快速制备.这种新技术克服了电纺垫的机械稳定性和3D形状构造能力低的缺点，制造出的磁热垫形状可控且制作速度快，可以设计出适合各种肿瘤环境的材料，而且受益于三维性，3D打印可以显著改善膜的比表面积，从而增加垫与癌细胞之间的接触面积，改善磁热疗的效果.制作出的磁热垫不仅保持了传统磁热疗技术的加热效率，而且延长了体内的有效治疗.采用PCL作为基础材料是因为其优异的生物相容性和生物稳定性，能够让Fe3O4纳米粒子稳定地固定在肿瘤部位周围，对癌细胞进行持续热疗.在研究中发现，当Fe3O4纳米颗粒用于物质的量浓度为6 mmol·L-1的垫子时，0.07 g的PCL/Fe3O4垫能够在45 min内在AMF中将外围温度增加到45 ℃(图12).此外重复性试验表明，在重复的加热和冷却循环后磁热垫依旧能达到最高温度，因为纳米粒子泄漏，加热能力没有损失.细胞毒性实验也表明材料毒性不高，体内实验也表明肿瘤生长抑制的效果非常明显，处理4周后肿瘤小鼠的存活时间也延长.最关键的是，磁热垫可以通过手术放置在肿瘤的邻近区域，而不是频繁的静脉注射，这提高了Fe3O4纳米粒子的局部递送的精确性和稳定性，非常适合容易接近肿瘤的磁热疗.

4 总结和展望

本文作者总结了一些有关磁热的原理和应用，并介绍了一系列有望在磁热治疗中用于临床应用的磁热材料.毫无疑问，基于磁性纳米粒子的磁热疗技术在癌症治疗上有着非常广的应用前景，其中的一些产品已经走出实验室，在市场上应用或临床试验中.然而，这并不意味着这磁热疗技术已经完全成熟，将有效的纳米制剂转化为临床药物具有非常大的挑战，有几个迫切需要解决的问题：1) 优化和扩大磁热纳米粒子的生产，只有拥有大批量、稳定的生产流程与方法，磁热材料的市场化应用才能成为可能;2) 纳米材料的标准化，并能对其功效进行定量的系统评估，只有材料的生产能够标准化，流水线出来的成品拥有等量的标准功效，才能保证产品的稳定性和有效性;3) 建立清晰详细的毒性、免疫原性、清除率和安全性等评价标准，用于人体治疗的药物一定要保证其安全性，才能让人用得放心.此外系统地考虑工程化MNP与生物环境在各种生理化学条件、解剖位置和不同组织环境之间的变化与影响也非常重要.到目前为止，市面上还是极少有能完全发挥出磁热治疗优势的合适药物出现，在癌症治疗中磁热疗也没有非常普及.作為一种已经被研究很久、日趋成熟的技术，如何让其走出实验室，开发出能真正用于实际应用的、完全发挥磁热优越性的体系是需要解决的问题，这也是生物医学界、商界以及全世界癌症患者的共同期望.

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(責任编辑：郁 慧)

作者：朱顺涛 贺美娥 杨广令 林焦敏