兩步法制備核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料

兩步法制備核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料陳天弟;劉輝;馬阜生;陶彩虹【摘要】采用溶劑熱法制備了Fe3O4納米粒子,再經(jīng)兩步法制備了核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料，并利用X-射線衍射儀(XRD)、透射電鏡(TEM)、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)時(shí)樣品形貌及磁性能進(jìn)行了表征?結(jié)果表明，所制備的Fe3O4納米粒子粒徑為3~21nm;核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料的殼層厚度為10-20nm,比飽和磁化強(qiáng)度為58.8emu?g-1,具有良好的磁性能和生物安全性?該方法簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和、綠色環(huán)保,具有較好的適用性.期刊名稱】《化學(xué)與生物工程》年(卷),期】2018(035)010【總頁數(shù)】5頁(P26-30)【關(guān)鍵詞】四氧化三鐵(Fe3O4);聚多巴胺(PDA);牛血清白蛋白(BSA);層層自組裝；磁性能;生物安全性【作者】陳天弟;劉輝;馬阜生;陶彩虹【作者單位】蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,甘肅蘭州730070;蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,甘肅蘭州730070;蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,甘肅蘭州730070;蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,甘肅蘭州730070【正文語種】中文中圖分類】O614磁性納米粒子不但具有納米材料所特有的性質(zhì)，而且具有磁響應(yīng)性，具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在生物技術(shù)領(lǐng)域以及靶向藥物傳遞領(lǐng)域［1］。當(dāng)Fe3O4納米粒子粒徑小至16nm時(shí)就具有超順磁性［2］，超順磁性Fe3O4納米粒子無毒，具有良好的生物安全性、生物降解性和生物相容性，被廣泛用于藥物載體、催化劑載體、碳吸附劑［3］和靶向磁共振成像［4］等研究。目前制備Fe3O4納米粒子有共沉淀法、微乳液法、水熱合成法、溶劑熱法和溶膠-凝膠法等，其中溶劑熱法是制備高性能Fe3O4納米粒子的常用方法。在磁性納米粒子表面修飾靶向藥物，通過外加磁場(chǎng)，可以定向運(yùn)輸，靶向傳遞，提高藥物的利用率［5-7］，但磁性納米粒子表面需要進(jìn)行特殊的改性和修飾。牛血清白蛋白(BSA)是組成牛血漿的主要蛋白［8］，其分子量小，容易獲取，具有獨(dú)特的鍵合能力，與聚多巴胺(PDA)之間通過氫鍵和疏水力相互作用［9］，其結(jié)構(gòu)與人體血清蛋白相似，被廣泛用于藥物載體、遺傳變異等生物醫(yī)學(xué)研究。多巴胺(DOPA)中含有羥基、氨基活性基團(tuán)，具有超強(qiáng)的黏附力，在堿性條件下會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，即多巴胺的2個(gè)羥基去質(zhì)子化形成多巴胺醌，然后與含氨基官能團(tuán)分子發(fā)生邁克爾加成反應(yīng)［10］，從而起到修飾作用(圖1)。作者前期對(duì)比了聚多巴胺和戊二醛的交聯(lián)效果［11］，證明了聚多巴胺具有良好的生物相容性。用聚多巴胺對(duì)納米粒子表面進(jìn)行修飾的方法簡(jiǎn)單、綠色，且適用性廣，在表面涂層［12-13］傳感器［14］、生物成像和醫(yī)療［15-16］等領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用。圖1多巴胺修飾機(jī)理Fig.1Modificationmechanismofdopamine基于此，作者以無水三氯化鐵為原料、一縮二乙二醇為溶劑，采用溶劑熱法制備高純度的Fe3O4納米粒子；選擇吸附性能較強(qiáng)的聚多巴胺為過渡層沉積聚多巴胺，通過層層自組裝在過渡層表面接枝牛血清白蛋白(BSA)，再經(jīng)兩步法制備核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料，并對(duì)其形貌和磁性能進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)試劑與儀器無水三氯化鐵099.9%）,上海阿拉丁生化科技股份有限公司；三羥甲基氨基甲烷（99.8%）、多巴胺（99%），AcrosOrganics;牛血清白蛋白（98%，生物試劑）；無水乙醇（分析純），廣東光華科技股份有限公司；一縮二乙二醇（C4H1OO3），上海中秦化學(xué)試劑有限公司；無水醋酸鈉（CH3COONa，98%，工業(yè)級(jí)/分析純），北京百靈威科技有限公司；其它試劑均為分析純。XRD-6000型X-射線衍射儀，日本島津；FEICorpTF20型高分辨透射電鏡，加速電壓為300kV；Lakeshore7400型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)，北京東方晨景科技有限公司。方法1.2.1溶劑熱法制備Fe3O4納米粒子準(zhǔn)確稱取0.5117g無水醋酸鈉、0.3152g無水三氯化鐵置于100mL燒杯中，加入20mL—縮二乙二醇，放入磁子后，打開磁力攪拌器，于60°C攪拌30min。將此溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜（內(nèi)襯材料為耐高溫的聚四氟乙烯）中，于240C干燥8h后冷卻至室溫，在8500r?min-1下離心，分別用乙醇、蒸餾水洗滌3次，即得Fe3O4納米粒子（標(biāo)記為N-4），分散到乙醇中，室溫干燥，備用。將180C/2h、200C/7h、240C/4h條件下得到的Fe3O4納米粒子分別標(biāo)記為N-1、N-2、N-3。Fe3O4@PDA復(fù)合粒子的制備準(zhǔn)確稱取0.2146g多巴胺置于250mL燒杯中，加入40mLpH值為8.5的Tris緩沖溶液，攪拌溶解；將20mgFe3O4納米粒子分散于2mL蒸餾水中，加入到上述多巴胺緩沖溶液中，用增力電動(dòng)攪拌器室溫下攪拌4h，防止Fe3O4納米粒子發(fā)生團(tuán)聚；待反應(yīng)結(jié)束，在8500r?min-1下離心，分別用乙醇、蒸餾水洗滌3次，即得Fe3O4@PDA復(fù)合粒子，分散到乙醇中，室溫干燥，備用。1.2.3核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料的制備將Fe3O4@PDA復(fù)合粒子分散到1mL蒸餾水中；在250mL燒杯中加入20mLpH值為8.0的磷酸緩沖溶液，稱取0.2187gBSA加到磷酸緩沖溶液中，待BSA全部溶解后加入Fe3O4@PDA復(fù)合粒子溶液；用增力電動(dòng)攪拌器室溫下攪拌4h;待反應(yīng)結(jié)束，在8500r?min-1下離心5min，分別用乙醇、蒸餾水洗滌3次，即得核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料，分散到乙醇中，備用。在Fe3O4納米粒子表面修飾PDA后再接枝BSA算1層，若要制備多層核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料，就需要層層組裝，如圖2所示。圖2核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料制備示意圖Fig.2SchematicdiagramofpreparationofFe3O4@PDA@BSAcore-shellnanocomposites結(jié)果與討論Fe3O4納米粒子的表征XRD分析（圖3）圖3不同反應(yīng)條件下制備的Fe3O4納米粒子的XRD圖譜Fig.3XRDpatternsofFe3O4nanoparticlespreparedunderdifferentreactionconditions從圖3可以看出，不同反應(yīng)條件下制備的Fe3O4納米粒子在20為30。、35。、43。、46。、53。、57。、63。和74。處均出現(xiàn)衍射峰，與Fe3O4標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDSNo.86-1354）［17］出峰位置高度一致。表明,Fe3O4納米粒子制備成功。且隨著反應(yīng)溫度的升高和反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，衍射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。TEM分析（圖4）從圖4可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高和反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)e3O4納米粒子的粒徑逐漸增大,Fe3O4納米粒子N-1、N-2、N-3、N-4的粒徑分別為幾納米、10nm、15nm、20nm左右。且Fe3O4納米粒子呈規(guī)則的球形，粒徑越大，分散性越好，團(tuán)聚現(xiàn)象越少，結(jié)晶越好。2.1.3磁性能（VSM）分析（圖5）a~d:N-1、N-2、N-3、N-4圖4不同反應(yīng)條件下制備的Fe3O4納米粒子的TEM照片F(xiàn)ig.4TEMimagesofFe3O4nanoparticlespreparedunderdifferentreactionconditions圖5不同反應(yīng)條件下制備的Fe3O4納米粒子的M-H磁滯回線Fig.5M-HhysteresisloopcurvesofFe3O4nanoparticlespreparedunderdifferentreactionconditions磁疇結(jié)構(gòu)和磁疇壁的移動(dòng)與材料的磁性關(guān)系緊密，如果晶粒粒徑接近臨界尺寸時(shí)，材料的磁性能會(huì)發(fā)生巨大的變化［18］。從圖5可以看出，不同反應(yīng)條件下制備的Fe3O4納米粒子的M-H磁滯回線無矯頑力與剩磁［19］，即具有超順磁性［20］。Fe3O4納米粒子N-1、N-2、N-3、N-4的粒徑分別為3nm、11nm、15nm、21nm，質(zhì)量分別為0.0467g、0.0235g、0.0482g、0.0277g，計(jì)算可得比飽和磁化強(qiáng)度分別為20.0emu?g-1、55.0emu?g-1、51.0emu?g-1、100.6emu?g-1。表明，隨著Fe3O4納米粒子粒徑的增大，其磁場(chǎng)強(qiáng)度和比飽和磁化強(qiáng)度均逐漸增強(qiáng)，與文獻(xiàn)［21］結(jié)論一致。2.2核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料的表征FTIR分析（圖6）圖6Fe3O4@PDA與Fe3O4@PDA@BSA的FTIR圖譜Fig.6FTIRspectraofFe3O4@PDAandFe3O4@PDA@BSA從圖6可以看出，在Fe3O4@PDA復(fù)合粒子的FTIR圖譜中，1445cm-1、1510cm-1、1580cm-1和1600cm-1處為聚多巴胺薄膜中苯環(huán)C=C的吸收峰;1215cm-1和1345cm-1處為-OH的吸收峰。在核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料的FTIR圖譜中，1350cm-1處為C-O的吸收峰；1100cm-1處為O-H的吸收峰；1650cm-1處為酰胺的吸收峰；3300cm-1處為氨基的吸收峰。表明，核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料中存在PDA和BSA特征基團(tuán)。TEM分析3層和6層核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料的TEM照片如圖7所示。圖73層⑻和6層(b)核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料的TEM照片F(xiàn)ig.7TEMimagesofFe3O4@PDA@BSAcore-shellnanocompositeswith3layers(a)and6layers(b)從圖7可以看出，在Fe3O4納米粒子球狀表面通過層層自組裝包裹了透明薄膜，F(xiàn)e3O4納米粒子的粒徑約為20nm，3層核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料的殼層(薄膜)厚度在10nm左右(圖7a)，6層核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料的殼層厚度在20nm左右(圖7b)。證明殼層厚度與組裝次數(shù)有關(guān)，通過調(diào)整組裝次數(shù)可以改變殼層厚度。表明采用層層自組裝法可以制備出殼層厚度可控的核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料，并且殼層越厚，分散性越好，生物安全性越好。2.2.3磁性能(VSM)分析(圖8)從圖8可以看出，F(xiàn)e3O4@PDA復(fù)合粒子和核殼圖8Fe3O4@PDA⑻和Fe3O4@PDA@BSA(b)的M-H磁滯回線Fig.8M-HhysteresisloopcurvesofFe3O4@PDA(a)andFe3O4@PDA@BSA(b)結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料的M-H磁滯回線無矯頑力與剩磁［19］，與未做任何修飾的Fe3O4納米粒子一致，證明Fe3O4@PDA復(fù)合粒子和核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料均具有超順磁性。Fe3O4@PDA復(fù)合粒子和核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料的質(zhì)量分別為0.467g、0.272g，計(jì)算可得比飽和磁化強(qiáng)度分別為64.2emu?g-1、58.8emu?g-1,稍低于Fe3O4納米粒子N-4。但總的來說，F(xiàn)e3O4@PDA復(fù)合粒子和核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料依舊具有良好的磁性能。結(jié)論采用溶劑熱法制備了Fe3O4納米粒子，再經(jīng)兩步法制備了生物安全性良好的核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料。Fe3O4納米粒子粒徑為3~21nm;核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@PDA@BSA納米復(fù)合材料殼層厚度為10-20nm，比飽和磁化強(qiáng)度為58.8emu?g-1。該方法簡(jiǎn)單，原料無毒無害，反應(yīng)條件溫和，具有廣泛的適用性，所制備的復(fù)合材料既具有生物大分子優(yōu)異的生物安全性，又具有磁性納米粒子良好的磁性能，有望應(yīng)用于催化劑載體和生物醫(yī)藥領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】馬阜生?基于PDA的自組裝法制備幾種微納米核殼結(jié)構(gòu)及其性能研究[D].蘭州:蘭州交通大學(xué),2017.MAFS.Preparationandperformancestudiesofseveralmicro/nanocore-shellstructureparticlesviapolydopamineinspiredcoatingsusingself-assemblymethod[D].Lanzhou:LanzhouJiaotongUniversity,2017.ZIOLORF,GIANNELISEP,WEINSTEINBA,etal.Matrix-mediatedsynthesisofnanocrystallinegamma-Fe2O3:anewopticallytransparentmagneticmaterial[J].Science,1992,257(5067):219-224.LIUR,GUOY,ODUSOTEG,etal.Core-shellFe3O4polydopaminenanoparticlesservemultipurposeasdrugcarrier,catalystsupportandcarbonadsorbent[J].ACSAppliedMaterials&Inferfaces,2013,5(18):9167-9171.HUH,SUNJ,HUANGGS,etal.Preparationofamino-functionalizedmagnetitenanoclustersbyring-openingpolymerizationandapplicationfortargetedmagneticresonanceimaging[J].JournalofMaterialsScience,2013,48(21):7686-7695.RHEINLANDERT,KOTITZR,WEITSCHIESW,etal.Magneticfluids:biomedicalapplicationsandmagneticfractionation[J].MagneticandElectricalSeparation,2000,10(3):179-199.SENT,SEBASTIANELLIA,BRUCEIJ.Mesoporoussilica-magnetitenanocomposite:fabricationandapplicationsinmagneticbioseparations[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,2006,128(22):7130-7131.陳凱敏?功能性納米粒子的制備及其與蛋白質(zhì)的相互作用研究[D].上海:華東理工大學(xué),2011.CHENKM.Preparationoffunctionalnanoparticlesandtheirinteractionswithproteins[D].Shanghai:EastChinaUniversityofScienceandTechnology,2011.李靜?多巴胺的電化學(xué)檢測(cè)及其與生物大分子的相互作用研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2011.LIJ.Eletrochemicaldetectionofdopamineanditsinteractionwithbiologicalmacromolecules[D].Changsha:HunanUniversity,2011.YUCH,AL-SAADIA,SHIHSJ,etal.ImmobilizationofBSAonsilica-coatedmagneticironoxidenanoparticle[J].TheJournalofPhysicalChemistryC,2008,113(2):537-543.LaVOIEMJ,OSTASZEWSKIBL,WEIHOFENA,etal.Dopaminecovalentlymodifiesandfunctionallyinactivatesparkin[J].NatureMedicine,2005,11(11):1214-1221.TAOCH,MAFS,CHENTD,etal.FacilesynthesisandperformancestudiesofBSAandPDA@AghollowmicrocapsulesusingSiO2microspheresasthetemplates[J].JournalofAlloysandCompounds,2017,715:154-160.馬阜生，李秀奇陳天弟，等?氧化鈦納米管的制備及兩步法修飾[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(3):131-136.MAFS,LIXQ,CHENTD,etal.Thepreparationoftitaniananotubeandthetwo-stepmodifiedmethod[J].JournalofLanzhouJiaotongUniversity,2017,36(3):131-136.LIUY,AIK,LUL.Polydopamineanditsderivativematerials:synthesisandpromisingapplicationsinenergy,environmental,andbiomedicalfields[J].ChemicalReviews,2014,114(9):5057-5115.WANGCL,ASTRUCD.Nanogoldplasmonicphotocatalysisfororganicsynthesisandcleanenergyconversion[J].ChemicalSocietyReviews,2014,43(20):7188-7216.ESPARZAR,GARCIA-RUIZAF,SALAZARJJ,etal.StructuralcharacterizationofPt-Pdcore-shellnanoparticlesbyCs-correctedSTEM[J].JournalofNanoparticleResearch,2012,15(1342):971-976.LOOC,LINA,HIRSCHL,etal.Nanoshell-enabledphotonics-basedimagingandtherapyofcancer[J].TechnologyinCancerResearch&Treatment,2004,3(1):33-40.MAM,