一种树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料及其制备方法和应用。这种树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料为表面修饰树枝状分子的Fe

说明书

技术领域

本发明涉及一种树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

Fe₃O₄纳米粒子具有许多优良的性质，在外磁场下能够定向移动，并且在外加交变电磁场作用下能产生热量，其化学性能稳定，用途广泛。但是，Fe₃O₄纳米粒子在生产、应用过程中却受到很多的限制。首先Fe₃O₄本身具有磁性，容易团聚；另一方面由于纳米颗粒具有很高的比表面积，处于高能状态，为不稳定体系，因此具有强烈的聚集倾向；其次，纳米颗粒表面原子存在许多不饱和键，极易与其他原子相结合而趋于稳定；再次，纳米颗粒表面出现非化学平衡、非整数配位的化学价。因而，需要对纳米粒子进行表面修饰，通过对纳米粒子表面修饰能够降低纳米颗粒的表面能，减小纳米粒子间的相互作用，达到稳定纳米粒子不使其团聚的效果，可以使粒子表面产生新的物理、化学等新的功能，同时，适当的修饰还可改变磁性纳米粒子与基体的相容性，使纳米粒子均匀分散，起到增强增韧的作用。

通过将磁性纳米粒子表面功能化修饰后可以增加纳米粒子在生物医学领域的用途。表面修饰的目的在于使纳米粒子在体内或者体外的环境中具有良好的稳定性，增加水溶性，提供进一步衍生的官能团，扩大它们在生物医学的应用范围。

发明内容

本发明的第一个目的在于一种树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料，本发明的第二个目的在于提供这种树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料的制备方法，本发明的第三个目的在于提供这种树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料在生物医学工程材料中的应用。

本发明所采取的技术方案是：

一种树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料，为表面修饰树枝状分子的Fe₃O₄纳米材料。

进一步，树枝状分子为树枝状聚酰胺-胺。

再进一步的，树枝状聚酰胺-胺的代数为2～4代。

一种树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

1)合成Fe₃O₄纳米裸球：以FeCl₃为原料，通过水热法制备得到Fe₃O₄纳米裸球；

2)合成树枝状分子：将含端炔基的树枝状聚酰胺-胺和硅氧烷溶解于溶剂中，再加入引发剂，将溶液体系密封进行反应，反应所得的产物经沉淀，洗涤，干燥，得到端基为硅氧烷的树枝状分子；

3)合成树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料：将Fe₃O₄纳米裸球超声分散于醇水混合液中，所得的分散液与氨水混合搅拌，再与端基为硅氧烷的树枝状分子混合搅拌，然后在磁场吸引条件下，将所得的产物水洗，得到上述的树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料。

制备方法步骤1)具体为：将FeCl₃溶于乙二醇中，再与乙醇钠和柠檬酸钠混合搅拌，然后进行水热反应，得到Fe₃O₄纳米裸球；FeCl₃与乙二醇的用量比为(10～30)mg：1mL；FeCl₃、乙酸钠和柠檬酸钠的摩尔比为1：(0.1～0.5)：(1～5)；水热反应的反应时间为150℃～400℃，反应时间为10h～24h。

制备方法步骤2)中，含端炔基的树枝状聚酰胺-胺和硅氧烷的摩尔比为1：(0.5～1.2)；含端炔基的树枝状聚酰胺-胺与溶剂的质量比为1：(20～100)；引发剂的加入量为含端炔基的树枝状聚酰胺-胺质量的0.1％～0.8％。

制备方法步骤2)中，含端炔基的树枝状聚酰胺-胺为代数是2～4代的端炔基树枝状聚酰胺-胺；硅氧烷为3-巯丙基三甲氧基硅烷；溶剂为二甲基亚砜；引发剂为光引发剂或热引发剂。

制备方法步骤2)中，当引发剂为光引发剂时，反应条件为：将溶液体系置于激发波长为254nm或365nm紫外灯下，紫外灯的功率为6W～40W，反应过程使用磁力搅拌，转速为600r/min～1200r/min，反应时间为4h～12h；当引发剂为热引发剂时，反应条件为：反应过程使用磁力搅拌，转速为600r/min～1200r/min，反应温度为40℃～90℃，反应时间为4h～12h。

制备方法步骤3)中，Fe₃O₄纳米裸球与端基为硅氧烷的树枝状分子的质量比为1：(10～50)；醇水混合液为乙醇和水按体积比(5～10)：1组成的混合液，乙醇与Fe₃O₄纳米裸球的用量比为10mL：(1～5)mg；分散液体系中氨水的体积浓度为5％～15％。

这种树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料在制备生物医学材料中的应用。

本发明的有益效果是：

本发明的树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料粒径均一，磁性效果明显，生物相容性良好，且材料外围大量的氨基为其进一步功能化提供了更多的反应位点，有望在生物医学工程领域得到广泛的应用。

具体如下：

(1)采用不同代数聚酰胺-胺对四氧化三铁纳米进行修饰，极大改善四氧化三铁的稳定性，得到的纳米材料结构稳定，分散性良好；

(2)含大量胺基官能团的高代数聚酰胺-胺，可进行不同的化学修饰，将会在在基因传递、肿瘤诊疗一体化方面显示出重要的应用前景；

(3)材料粒径的相对较小，除有利于降低产物的细胞毒性外，其作为药物控释载体，在药物共传递领域有潜在的应用价值。

附图说明

图1是3代端炔基的树枝状聚酰胺-胺树枝状分子合成线路示意图；

图2是四氧化三铁粒子的透射电镜图；

图3是四氧化三铁裸球粒子和树枝状大分子修饰后的四氧化三铁磁滞曲线图；

图4是3代树枝状大分子修饰的四氧化三铁纳米粒子与四氧化三铁裸球粒子的细胞毒性分析图。

具体实施方式

一种树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料，为表面修饰树枝状分子的Fe₃O₄纳米材料。

优选的，树枝状分子为树枝状聚酰胺-胺(PAMAM)。

进一步优选的，树枝状聚酰胺-胺的代数为2～4代(PAMAM-G2～G4)。

一种树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

1)合成Fe₃O₄纳米裸球：以FeCl₃为原料，通过水热法制备得到Fe₃O₄纳米裸球；

2)合成树枝状分子：将含端炔基的树枝状聚酰胺-胺和硅氧烷溶解于溶剂中，再加入引发剂，将溶液体系密封进行反应，反应所得的产物经沉淀，洗涤，干燥，得到端基为硅氧烷的树枝状分子；

3)合成树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料：将Fe₃O₄纳米裸球超声分散于醇水混合液中，所得的分散液与氨水混合搅拌，再与端基为硅氧烷的树枝状分子混合搅拌，然后在磁场吸引条件下，将所得的产物水洗，得到上述的树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料。

进一步的，制备方法步骤1)具体为：将FeCl₃溶于乙二醇中，再与乙醇钠和柠檬酸钠混合搅拌，然后进行水热反应，得到Fe₃O₄纳米裸球。

优选的，制备方法步骤1)中，FeCl₃与乙二醇的用量比为(10～30)mg：1mL。

优选的，制备方法步骤1)中，FeCl₃、乙酸钠和柠檬酸钠的摩尔比为1：(0.1～0.5)：(1～5)。

优选的，制备方法步骤1)中，混合搅拌的时间为10min～60min。

优选的，制备方法步骤1)中，水热反应的反应时间为150℃～400℃，反应时间为10h～24h。

进一步的，制备方法步骤1)中，水热反应后，使用乙醇洗涤3～5次产物，得到Fe₃O₄纳米裸球。

进一步的，制备方法步骤2)中，加入引发剂的条件为室温下加入，干燥为室温下进行真空干燥，所述的室温为5℃～50℃。

进一步的，制备方法步骤2)中，密封反应具体为先通入氮气或氩气去除溶液体系中的空气后，再密封进行反应；优选的，氮气或氩气的气体流量为0.5L/min～5L/min，通气时间为10min～30min。

优选的，制备方法步骤2)中，含端炔基的树枝状聚酰胺-胺和硅氧烷的摩尔比为1：(0.5～1.2)。

优选的，制备方法步骤2)中，含端炔基的树枝状聚酰胺-胺与溶剂的质量比为1：(20～100)。

优选的，制备方法步骤2)中，引发剂的加入量为含端炔基的树枝状聚酰胺-胺质量的0.1％～0.8％。

优选的，制备方法步骤2)中，含端炔基的树枝状聚酰胺-胺为代数是2～4代的端炔基树枝状聚酰胺-胺，其合成方法参照文献《Star-shaped polymers consisting of aβ-cyclodextrin core and poly(amidoamine)dendron arms:binding and releasestudies with methotrexate and siRNA》(Journal of Materials Chemistry 2011,21:5273-5281)。附图1为3代端炔基的树枝状聚酰胺-胺树枝状分子合成线路示意图。

优选的，制备方法步骤2)中，硅氧烷为3-巯丙基三甲氧基硅烷。

优选的，制备方法步骤2)中，溶剂为二甲基亚砜(DMSO)。

优选的，制备方法步骤2)中，引发剂为光引发剂或热引发剂；进一步优选的，光引发剂为自由基聚合光引发剂，选自BP、MK、MEMK、DEMK中的至少一种；热引发剂选自AIBN、BPO中的至少一种。

优选的，制备方法步骤2)中，当引发剂为光引发剂时，反应条件为：将溶液体系置于激发波长为254nm或365nm紫外灯下，紫外灯的功率为6W～40W，反应过程使用磁力搅拌，转速为600r/min～1200r/min，反应时间为4h～12h；当引发剂为热引发剂时，反应条件为：反应过程使用磁力搅拌，转速为600r/min～1200r/min，反应温度为40℃～90℃，反应时间为4h～12h。

进一步的，制备方法步骤2)中，沉淀为加入乙醚将产物沉淀；优选的，乙醚与二甲基亚砜的体积比为(3～5)：1。

进一步的，制备方法步骤2)中，洗涤为使用丙酮洗涤。

优选的，制备方法步骤3)中，Fe₃O₄纳米裸球与端基为硅氧烷的树枝状分子的质量比为1：(10～50)。

优选的，制备方法步骤3)中，醇水混合液为乙醇和水按体积比(5～10)：1组成的混合液，乙醇与Fe₃O₄纳米裸球的用量比为10mL：(1～5)mg。

优选的，制备方法步骤3)中，分散液体系中氨水的体积浓度为5％～15％。

进一步的，制备方法步骤3)中，分散液与氨水混合搅拌的时间为1h～2h。

进一步的，制备方法步骤3)中，与端基为硅氧烷的树枝状分子混合搅拌的温度为室温，搅拌时间为12h～24h，所述的室温为5℃～50℃。

制备方法中，FeCl₃为无水FeCl₃，乙醇钠为无水乙醇钠，乙醚为无水乙醚。

这种树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料在制备生物医学材料中的应用。

举例，树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料可作为一种制备造影剂的材料。

以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。

实施例1(合成Fe₃O₄纳米裸球例1)：

将无水FeCl₃溶解于乙二醇中，然后依次加入无水乙酸钠和柠檬酸钠，剧烈搅拌10min，置于马弗炉内，150℃反应10h，乙醇洗涤3次后，得到Fe₃O₄纳米粒子。

本实施例中无水FeCl₃、无水乙酸钠、柠檬酸钠的摩尔比为1:0.1:1；乙二醇的使用量为每1mL中加入10mg无水FeCl₃计。

实施例2(合成Fe₃O₄纳米裸球例2)：

将无水FeCl₃溶解于乙二醇中,然后依次加入无水乙酸钠和柠檬酸钠，剧烈搅拌30min,置于马弗炉内，250℃反应16h，乙醇洗涤3次后，得到Fe₃O₄纳米粒子。

本实施例中无水FeCl₃、无水乙酸钠、柠檬酸钠的摩尔比为1:0.5:5；乙二醇的使用量为每1mL中加入30mg无水FeCl₃计。

实施例3(合成Fe₃O₄纳米裸球例3)：

将无水FeCl₃溶解于乙二醇中，然后依次加入无水乙酸钠和柠檬酸钠，剧烈搅拌60min，置于马弗炉内，400℃反应24h，乙醇洗涤5次后，得到Fe₃O₄纳米粒子。

本实施例中无水FeCl₃、无水乙酸钠、柠檬酸钠的摩尔比为1：0.3：3；乙二醇的使用量为每1mL中加入20mg无水FeCl₃计。

实施例4(合成树枝状分子例1)：

将含端炔基的二代树枝状分子聚酰胺-胺(PAMAM-G2)和3-巯丙基三甲氧基硅烷溶解于二甲基亚砜(DMSO)中，然后在5℃条件下加入BPO引发剂。将混合溶液通氮气10-30分钟以除去反应体系中的空气，气体流量为每分钟5升。然后密封进行反应，反应过程中磁力搅拌，转速为600转/分钟；反应温度为90℃；反应时间4小时。反应结束后，将产物用无水乙醚沉淀，并用丙酮洗涤一次，然后将产物室温条件下真空干燥，得到端基为硅氧烷的树枝状分子。

本实施例中，树枝状分子聚酰胺-胺与3-巯丙基三甲氧基硅烷的摩尔比为1:0.5；引发剂的用量是树枝状分子质量的0.1％；溶剂DMSO的用量为树枝状分子的20倍(质量比)；所用乙醚的用量是DMSO的5倍(体积比)。

实施例5(合成树枝状分子例2)：

将含端炔基的三代树枝状分子聚酰胺-胺(PAMAM-G3)和3-巯丙基三甲氧基硅烷溶解于二甲基亚砜(DMSO)中，然后在25℃条件下加入AIBN引发剂。将混合溶液通氩气10-30分钟以除去反应体系中的空气，气体流量为每分钟0.5升。然后密封进行反应，反应过程中磁力搅拌，转速为1200转/分钟；反应温度为40℃；反应时间12小时。反应结束后，将产物用无水乙醚沉淀，并用丙酮洗涤一次，然后将产物室温条件下真空干燥，得到端基为硅氧烷的树枝状分子。

本实施例中，树枝状分子聚酰胺-胺与3-巯丙基三甲氧基硅烷的摩尔比为1:1.2；引发剂的用量是树枝状分子质量的0.2％；溶剂DMSO的用量为树枝状分子的50倍(质量比)；所用乙醚的用量是DMSO的4倍(体积比)。

实施例6(合成树枝状分子例3)：

将含端炔基的四代树枝状分子聚酰胺-胺(PAMAM-G4)和3-巯丙基三甲氧基硅烷溶解于二甲基亚砜(DMSO)中，然后在35℃条件下加入MK引发剂。将混合溶液通氮气10-30分钟以除去反应体系中的空气，气体流量为每分钟2.5升。然后密封进行反应，将反应体系置于激发波长为365nm的紫外灯下，功率为40W；反应过程中磁力搅拌，转速为1000转/分钟，反应时间为6小时。反应结束后，将产物用无水乙醚沉淀，并用丙酮洗涤一次，然后将产物室温条件下真空干燥，得到端基为硅氧烷的树枝状分子。

本实施例中，树枝状分子聚酰胺-胺与3-巯丙基三甲氧基硅烷的摩尔比为1：1；引发剂的用量是树枝状分子质量的0.8％；溶剂DMSO的用量为树枝状分子的100倍(质量比)；所用乙醚的用量是DMSO的3倍(体积比)。

实施例7(合成树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料例1)：

取实施例1所得的Fe₃O₄纳米粒子超声分散于乙醇和蒸馏水中，将分散后的溶液转入三口烧瓶中，加入NH₃·H₂O搅拌1～2小时后，再将实施例4所得的端基为硅氧烷的树枝状分子，室温机械搅拌12～24h。在磁场吸引条件下，将溶液用蒸馏水反复洗涤3～5次得到二代树枝状大分子修饰的四氧化三铁纳米粒子。

本实施例中，Fe₃O₄与端基为硅氧烷的树枝状分子质量比1:10；蒸馏水和乙醇体积比为1:5；体系中氨水浓度为5％；乙醇的使用量为每10mL加入1mg>3O₄粒子。

实施例8(合成树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料例2)：

取实施例2所得的Fe₃O₄纳米粒子超声分散于乙醇和蒸馏水中，将分散后的溶液转入三口烧瓶中，加入NH₃·H₂O搅拌1～2小时后，再将实施例5所得的端基为硅氧烷的树枝状分子，室温机械搅拌12～24h。在磁场吸引条件下，将溶液用蒸馏水反复洗涤3～5次得到三代树枝状大分子修饰的四氧化三铁纳米粒子。

本实施例中，Fe₃O₄与端基为硅氧烷的树枝状分子质量比1:50；蒸馏水和乙醇体积比为1:10；体系中氨水浓度为15％；乙醇的使用量为每10mL加入5mg>3O₄粒子。

实施例9(合成树枝状分子修饰的四氧化三铁磁性纳米材料例3)：

取实施例3所得的Fe₃O₄纳米粒子超声分散于乙醇和蒸馏水中，将分散后的溶液转入三口烧瓶中，加入NH₃·H₂O搅拌1～2小时后，再将实施例6所得的端基为硅氧烷的树枝状分子，室温机械搅拌12～24h。在磁场吸引条件下，将溶液用蒸馏水反复洗涤3～5次得到四代树枝状大分子修饰的四氧化三铁纳米粒子。

本实施例中，Fe₃O₄与端基为硅氧烷的树枝状分子质量比1:25；蒸馏水和乙醇体积比为1:8；体系中氨水浓度为12％；乙醇的使用量为每10mL加入3mg>3O₄粒子。

表征分析：

称取实施例3所得Fe₃O₄纳米粒子2mg溶解于1mL纯水中，超声溶解30min后，取200μL缓慢滴加到透射电镜专用铜网上，自然干燥后进行透射电镜观察，结果如附图2所示。从图2的透射电镜图可以看出，磁性纳米材料以单个球形形式分散，粒径分布均一，粒径大小约200nm。

磁性分析：

对实施例3所得Fe₃O₄纳米粒子和实施例7所得二代树枝状大分子修饰的四氧化三铁纳米粒子Fe₃O₄@G2以及实施例9所得四代树枝状大分子修饰的四氧化三铁纳米粒子Fe₃O₄@G4在室温(300K)条件下通过磁滞曲线来评估纳米材料磁性性质变化，结果如附图3所示。从图3可见，经树枝状大分子修饰后的磁性纳米粒子磁化饱和程度与裸露的Fe₃O₄纳米粒子磁化饱和程度相比有所减弱，但磁力学性质依然明显，仍能满足生物医学上对其磁性应用的要求。

应用测试：

实施例3所得的Fe₃O₄纳米粒子和实施例8所制备得到三代树枝状大分子修饰的四氧化三铁纳米粒子经过滤灭菌后，用无菌水按照一定的浓度梯度(5、10、20、50、100、200μg/mL)超声分散均匀，然后加入到融合度达70％的大鼠成纤维细胞中共培养。24h后，采用CCK8比色法测定材料的细胞毒性，结果如附图4所示。图4中，A为实施例3为Fe₃O₄纳米粒子，B为实施例8所制备得到三代树枝状大分子修饰的四氧化三铁纳米粒子。从图4可知，实施例8所制备得到的三代树枝状大分子修饰的Fe₃O₄纳米粒子表现出良好的生物相容性，在材料浓度达到200mg/mL时，细胞仍保持良好的生物相容性，细胞仍保持80％以上的存活率；而与相同含量的Fe₃O₄纳米粒子相比较则表现出明显的细胞毒性，细胞存活率有明显的浓度依赖关系。图4结果证实，经树枝状大分子修饰后的磁性纳米粒子可以明显的降低Fe₃O₄纳米裸球的细胞毒性，且材料本身也表现出良好的生物相容性。

本发明首先通过水热法合成出粒径均一、磁性效果明显的Fe3O4裸球；接着通过加成反应将树枝状分子的端基修饰上硅氧烷，然后再将端基为硅氧烷的树枝状分子与Fe3O4裸球特异性结合，最终得到一种粒径均一，磁性效果明显，生物相容性良好的磁性纳米材料，且材料外围大量的氨基为材料的进一步功能化提供了反应位点，有望在生物医学工程领域得到广泛的应用。