創(chuàng)新課程市公開(kāi)課一等獎(jiǎng)省賽課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

組員任務(wù)分配：陳相宇查找資料講述PPT

王乙龍查找資料編制PPT姚永存查找資料編寫(xiě)綜述聚合物基無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研究----結(jié)課作業(yè)創(chuàng)新課程課件第1頁(yè)第1頁(yè)

主要內(nèi)容1、引言2、研究進(jìn)展3、制備方法4、應(yīng)用及現(xiàn)實(shí)情況生物醫(yī)用功效化磁性納米粒子5、展望創(chuàng)新課程課件第2頁(yè)第2頁(yè)引言

伴隨科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人類認(rèn)知領(lǐng)域由宏觀世界逐步發(fā)展到微觀世界，從而形成了一門(mén)新科學(xué)技術(shù)——納米科學(xué)技術(shù)。納米科學(xué)技術(shù)包含納米材料、納米器件、納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工組裝、納米機(jī)器以及對(duì)應(yīng)檢測(cè)表征技術(shù)和方法，所以“納米”不僅僅局限于狹義空間尺度上意義，而是一個(gè)全新思維方式和認(rèn)識(shí)方法、研究伎倆和應(yīng)用技術(shù)。

將納米材料應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域形成納米生物醫(yī)學(xué)就是由納米科學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)交叉結(jié)合形成，這種結(jié)合盡管才十明年歷史，但已取得了許多令人鼓舞成就，使得納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)己成為納米科技領(lǐng)域最引人注目、最有生命力發(fā)展方向之一。其中，磁性納米材料是近年來(lái)研究較多生物醫(yī)學(xué)無(wú)機(jī)功效納米材料。

創(chuàng)新課程課件第3頁(yè)第3頁(yè)制備方法干法共沉淀法溶膠-凝膠法微乳液法金屬有機(jī)前驅(qū)體熱分解法水熱法制備方法創(chuàng)新課程課件第4頁(yè)第4頁(yè)干法

干法常以鐵配合物如五羰基合鐵[Fe(CO)5]或二茂鐵[FeCP2]為原料，在比較猛烈條件下，使原料分解制得產(chǎn)物。比如，以N2為載體，將Fe(CO)5，從蒸發(fā)室導(dǎo)入溫度高達(dá)600

℃燃燒室，同時(shí)噴入高流速空氣，F(xiàn)e(CO)5

與空氣快速混合發(fā)生猛烈氧化反應(yīng)，產(chǎn)物經(jīng)驟冷、分離得到超細(xì)粒子。所得產(chǎn)物粒徑為5~10nm，比表面積150m2/g、熱穩(wěn)定性和分散性良好無(wú)定型透明氧化鐵。

干法含有工藝流程短，產(chǎn)品質(zhì)量高，粒子超細(xì)、均勻、分散性好等特點(diǎn)，但其技術(shù)難度大，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)及材質(zhì)要求高，一次性投資也大。創(chuàng)新課程課件第5頁(yè)第5頁(yè)共沉淀法

共沉淀法制備納米Fe3O4因其操作簡(jiǎn)單，成本低廉，且能大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采取。其反應(yīng)原理為：Fe2++2Fe3++8OH-→Fe3O4+4H2O

通常是把Fe2+和Fe3+鹽溶液以一定百分比混合后，用過(guò)量NH4OH或NaOH在惰性氣氛、一定溫度和PH值下高速攪拌進(jìn)行沉淀反應(yīng)，然后將沉淀洗滌、過(guò)濾、干燥，制得一定尺寸Fe3O4納米粒子（如下圖所表示）。

在共沉淀法制備納米Fe3O4粒子過(guò)程中，納米顆粒大小、形狀和成份取決于使用鐵鹽類型（氯化物、硫酸鹽或硝酸鹽等）、Fe2+/Fe3+摩爾比率、反應(yīng)溫度、PH值和反應(yīng)離子強(qiáng)度。圖1-1共沉淀法制備磁性納米粒子示意圖創(chuàng)新課程課件第6頁(yè)第6頁(yè)溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠方法（Sol-Gel）是日本科學(xué)家Sugimoto等于上世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)一個(gè)液相制備單分散金屬氧化物顆粒新工藝。

其基本原理是：以高度濃縮金屬醇鹽凝膠為基質(zhì)，經(jīng)過(guò)對(duì)其溶解-再結(jié)晶（Sol-Gel過(guò)程）處理，生長(zhǎng)出高度單分散金屬氧化物顆粒。在40℃，強(qiáng)力攪拌下，將Fe(NO3)3溶于聚乙二醇中制得溶膠，升溫繼續(xù)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽厣z，老化2h后干燥，干凝膠在200～400℃真空條件下退火處理即制備了不一樣尺寸納米Fe3O4

粒子，退火處理溫度越高，粒子尺寸越大，對(duì)應(yīng)地，飽和磁化強(qiáng)度及矯頑力也增大。

另外用此法進(jìn)行α-Fe2O3納米粒子合成時(shí)，加入了環(huán)氧乙烷（ethyleneoxide，EO）取得理想效果，EO加入不但能與HCl反應(yīng)，而且加速了FeCl3水解作用，使得反應(yīng)能夠在主反應(yīng)方向進(jìn)行，這個(gè)過(guò)程使用聚乙二醇（polyethyleneglycol，PEG）作為穩(wěn)定劑和粒子表面鈍化劑，產(chǎn)物粒子幾乎是單分散。該方法能夠比較嚴(yán)格區(qū)分晶體結(jié)晶成核和生長(zhǎng)兩個(gè)階段，預(yù)防晶粒在生長(zhǎng)過(guò)程中大量聚沉現(xiàn)象，從而取得高度單分散納米顆粒。創(chuàng)新課程課件第7頁(yè)第7頁(yè)微乳液法

微乳液法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)一個(gè)制備納米顆粒有效方法，它是由熱力學(xué)穩(wěn)定、透明水滴在油中(W/O)或油滴在水中(O/W)形成單分散體系，其微結(jié)構(gòu)粒徑為5~70nm，在微觀結(jié)構(gòu)方面可分為O/W型、雙連續(xù)型和W/O（反相膠束）型3種，是表面活性劑分子在油/水界面形成有序組合體。微乳液通常由表面活性劑、助表面活性劑(通常為醇類)、油(通常為烴類)和水(或水溶液)組成。在此體系中，兩種互不相溶連續(xù)介質(zhì)被表面活性劑雙親分子分割成微小空間形成微型反應(yīng)器，其大小可控制在納米級(jí)范圍，反應(yīng)物在體系中反應(yīng)生成固相粒子。

以FeCl2與表面活性劑十二烷基磺酸鈉（sodiumdodecanesulphonate，SDS）反應(yīng)生成Fe(DS)2作為反應(yīng)前體，經(jīng)過(guò)控制SDS濃度和反應(yīng)溫度能夠合成3.7～11.6nmFe3O4粒子。Gupta等在表面活性劑丁二酸-2-乙基己基磺酸鈉(AOT)溶于正己烷中形成W/O反相微乳液體系，F(xiàn)e2+和Fe3+鹽溶于反相微液滴親水核中，在N2存在下，加入NaOH得到直徑較?。?lt;15nm）、高分散氧化鐵磁性納米粒子。創(chuàng)新課程課件第8頁(yè)第8頁(yè)

圖1-2AOT/正己烷反相微乳液體系結(jié)構(gòu)

微乳法制備納米粒子最大優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)納米粒子合成后，體系能夠馬上為粒子提供表面活性劑，鈍化粒子表面，不會(huì)發(fā)生納米粒子團(tuán)聚，使其分散性得到保障。其缺點(diǎn)也很顯著，因?yàn)殡娊赓|(zhì)加入會(huì)造成微乳液體系不穩(wěn)定性，所以反應(yīng)試劑濃度不可能很高，一次合成制備納米粒子產(chǎn)量很低；同時(shí)因?yàn)槲⑷橐后w系是熱力學(xué)穩(wěn)定體系，粒子提取及后處理過(guò)程復(fù)雜；而且微乳液法合成Fe3O4磁性納米粒子通常只溶于有機(jī)溶劑，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用受到限制，通常需要在Fe3O4表面修飾上親水分子，使其溶于水方能應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。創(chuàng)新課程課件第9頁(yè)第9頁(yè)金屬有機(jī)前驅(qū)體熱分解法

金屬有機(jī)前驅(qū)體（organometallicprecursor）分解法，顧名思義，就是從金屬有機(jī)前驅(qū)體出發(fā)，利用各種能量輸入方法，使得其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分解，從而取得所需要磁性納米粒子。利用有機(jī)溶液高沸點(diǎn)性，使分散在油相中金屬有機(jī)前驅(qū)體在高溫下分解，并結(jié)晶成核生長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)控制原料濃度、反應(yīng)時(shí)間以及投入晶核大小能夠方便控制粒子粒徑、形狀和晶型，經(jīng)過(guò)表面鍵合有機(jī)配體來(lái)預(yù)防團(tuán)聚，得到高質(zhì)量磁性納米粒子。這種高溫分解法已被用于制備Fe、Co、Ni等各種磁性納米粒子。其中Sun等對(duì)此法做了重大改進(jìn)，使用乙酰丙酮鐵（Fe(acac)3）代替有劇毒金屬有機(jī)化合物Fe(CO)5，以1,2-十六烷基二醇、二苯醚、油酸等作溶劑，其中1,2-十六烷基二醇起著溶劑和還原劑雙重作用，在惰性氣氛環(huán)境下，經(jīng)過(guò)高溫裂解、還原反應(yīng)制備表面以十八胺、油酸作為有機(jī)配體Fe3O4

納米粒子，產(chǎn)物含有非常好單分散性，粒徑均勻，能夠小至4nm，而且呈疏水性，能夠長(zhǎng)久穩(wěn)定分散于非極性有機(jī)溶劑中。

高溫分解法制得納米顆粒結(jié)晶度高、粒徑可控且分布較窄，但所得納米粒子為親油性，顆粒水溶性較差，限制了生物醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用。創(chuàng)新課程課件第10頁(yè)第10頁(yè)水熱法

水熱法是指在高壓釜里高溫、高壓反應(yīng)環(huán)境中，采取水作為反應(yīng)介質(zhì)，使得通常難溶或不溶物質(zhì)溶解、反應(yīng)、重結(jié)晶而得到理想產(chǎn)物。Fan等在高壓釜內(nèi)放入1.39gFeSO4、1.24gNa2S2O3、14ml蒸餾水，遲緩滴加10ml1.0mol/LNaOH溶液，不停攪拌，反應(yīng)溫度為140℃，12h后冷卻至室溫，得到黑灰色沉淀，經(jīng)過(guò)濾，熱水和無(wú)水乙醇洗滌，在70℃真空干燥4h，得到50nm準(zhǔn)球型多面體Fe3O4納米晶體，磁產(chǎn)率高于90%。其反應(yīng)原理為：3Fe2++2S2O32-+O2(aq)+4OH-→Fe3O4(s)+S4O62-+2H2O

水熱法含有兩個(gè)特點(diǎn)：一是較高反應(yīng)溫度30～250℃，有利于磁性能提升；二是在封閉容器中進(jìn)行，產(chǎn)生相對(duì)高壓(0.3～4Mpa)，預(yù)防組分揮發(fā)，有利于提升產(chǎn)物純度和保護(hù)環(huán)境。同時(shí)還含有原料易得、粒子純度高、分散性好、晶形好等優(yōu)點(diǎn)。但因?yàn)榉磻?yīng)是在較高溫度和壓力下進(jìn)行，所以對(duì)設(shè)備要求較高。創(chuàng)新課程課件第11頁(yè)第11頁(yè)研究現(xiàn)實(shí)情況

磁性納米粒子應(yīng)用非常廣泛，在磁統(tǒng)計(jì)材料、磁性液體、傳感器、催化、永磁材料、顏料、雷達(dá)波吸波材料以及生物醫(yī)藥領(lǐng)域有著遼闊應(yīng)用前景。近年來(lái)，合成和表征納米尺度材料進(jìn)展使科學(xué)家能在分子或細(xì)胞水平上夠了解和掌握納米材料（如：納米線、納米纖維、納米粒子、納米帶和納米管）和生物實(shí)體（核酸、蛋白質(zhì)和細(xì)胞）之間相互作用。單分散磁性納米粒子成功制備，也使納米粒子在生物醫(yī)學(xué)上應(yīng)用領(lǐng)域得到了擴(kuò)展。如：Perez等證實(shí)磁性納米粒子可在MRI中用于檢測(cè)特殊酶和檢測(cè)病毒。Jun等報(bào)道了使用磁性納米粒子在活體中檢測(cè)癌癥。Weizmann等證實(shí)磁性納米粒子能夠作為磁性開(kāi)關(guān)來(lái)誘發(fā)選擇性生物電催化，檢測(cè)癌癥以及增強(qiáng)DNA檢測(cè)。這些都證實(shí)了磁性納米粒子在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用上有著巨大潛能。創(chuàng)新課程課件第12頁(yè)第12頁(yè)方法

通過(guò)吸附、涂敷、包覆等物理手段對(duì)微粒表面進(jìn)行改性，如表面吸附和表面沉積法。利用紫外線、等離子射線等對(duì)粒子進(jìn)行表面改性也屬于物理修飾。物理修飾方法對(duì)于生物醫(yī)學(xué)用磁性納米粒子的表面改性不太適用，修飾分子與顆粒間的物理作用結(jié)合力比較弱，不穩(wěn)定，而且諸多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用對(duì)磁性納米粒子都有特殊的要求，不只是防止團(tuán)聚。所以，磁性納米粒子的表面修飾多采用化學(xué)修飾方法。

化學(xué)改性是指通過(guò)納米表面與修飾劑之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變納米微粒的表面結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，以達(dá)到表面改性的目的，是納米粒子分散、復(fù)合等的重要手段。物理改性化學(xué)改性改性方法創(chuàng)新課程課件第13頁(yè)第13頁(yè)應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新課程課件第14頁(yè)第14頁(yè)磁性納米粒子在靶向藥品傳輸中應(yīng)用應(yīng)用

磁性納米粒子應(yīng)用非常廣泛，在磁統(tǒng)計(jì)材料、磁性液體、傳感器、催化、永磁材料、顏料、雷達(dá)波吸波材料以及生物醫(yī)藥領(lǐng)域有著遼闊應(yīng)用前景。近年來(lái)，合成和表征納米尺度材料進(jìn)展使科學(xué)家能在分子或細(xì)胞水平上夠了解和掌握納米材料（如：納米線、納米纖維、納米粒子、納米帶和納米管）和生物實(shí)體（核酸、蛋白質(zhì)和細(xì)胞）之間相互作用。單分散磁性納米粒子成功制備，也使納米粒子在生物醫(yī)學(xué)上應(yīng)用領(lǐng)域得到了擴(kuò)展。創(chuàng)新課程課件第15頁(yè)第15頁(yè)磁性納米粒子在靶向藥品傳輸中應(yīng)

用

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，磁性納米粒子經(jīng)過(guò)表面修飾而帶有一定電荷或功效基團(tuán)，可與特異性抗體結(jié)合，作為藥品載體用于藥品輸運(yùn)。磁控靶向藥品傳輸是將藥品固定在生物相容性磁性納米顆?；虼判灾|(zhì)體中，形成穩(wěn)定藥品劑型，靜脈注射后在外磁場(chǎng)導(dǎo)航下使藥品經(jīng)過(guò)血液循環(huán)抵達(dá)并富集在病灶部位。這么既能夠降低藥品毒副作用，不殺死正常細(xì)胞，又可降低藥品用量，大大提升了藥品效率，所以被形象地稱為“生物導(dǎo)彈”技術(shù)。創(chuàng)新課程課件第16頁(yè)第16頁(yè)磁性納米粒子在磁共振成像中應(yīng)用

磁共振成像（MRI）技術(shù)因?yàn)槟軌蛴脕?lái)對(duì)生物內(nèi)臟器官和軟組織進(jìn)行無(wú)損快速檢測(cè)，己經(jīng)成為檢測(cè)軟組織病變尤其是檢測(cè)腫瘤最為有效臨床診療方法之一。磁性納米顆粒在生物分離中應(yīng)用是磁性載體技術(shù)和免疫學(xué)結(jié)合而發(fā)展起來(lái)一項(xiàng)新技術(shù)。磁分離是利用功效化磁性納米顆粒表面配體(或受體)與受體(或配體)之間特異性相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)靶向生物目標(biāo)快速分離。

當(dāng)前，磁分離方法已廣泛應(yīng)用于核酸、蛋白質(zhì)、酶、細(xì)胞等各種生物物質(zhì)分離與純化。創(chuàng)新課程課件第17頁(yè)第17頁(yè)展

望Fe3O4磁性納米粒子在磁性分離、磁性探針、生物醫(yī)學(xué)成像、細(xì)胞治療、組織修復(fù)、藥品傳輸?shù)群芏囝I(lǐng)域展現(xiàn)了良好應(yīng)用前景，但同時(shí)面臨著很多挑戰(zhàn)和問(wèn)題。比如:（1）因?yàn)榘邢蚪M織與磁鐵之間有較大距離，只能實(shí)現(xiàn)有限靶向藥品傳輸；（2）表面修