董翩翩，颜国强，宋铭山，李淑香，王彩霞，董平轩,2，付春华,2

（1.德州学院医药与护理学院，山东德州253023；2.山东省新型药 用辅料及缓控释制剂工程实验室，山东德州253023）

四氧化三铁磁性材料（IONP）当其尺度达到纳米级（尤其是当尺寸＜30nm）时具有超顺磁性、低生物毒性、良好的导电和导热性能。这些特点使IONP在药物磁靶向传输和释放、核磁共振成像、肿瘤热疗、生物传感器与生物探针、酶工程载体等生物医学领域有广阔的应用前景[1-5]。

但是，通过物理、化学方法获得的IONP在应用时存在以下不足：首先，裸磁粒在水中分散性较差，容易聚集沉降，因此需要表面修饰以提高其稳定性；其次，IONP表面缺乏可利用的活性基团[6-8]，不易在其表面引入生物活性分子。利用聚合物对IONP进行包覆是解决上述问题最有效的途径之一，高分子本身的特性可赋予IONP良好的生物相容性、分散性及特殊应用目的。材料学工作者在高分子修饰IONP方面进行了大量研究，如台湾长庚大学庄俊煌等人[9-12]用壳聚糖修饰IONP并对其核磁成像性能进行了系统的研究。其它如PEG及嵌段共聚物、淀粉、葡聚糖等亲水性高分子修饰IONP用作药物控释载体等医药领域的研究也有大量文献报道[13-17]。

在高分子修饰IONP的研究中，树枝状高分子（dendrimer）因其结构特殊性，引起了诸多领域学者的关注。用树枝状高分子包覆裸Fe3O4纳米粒子从而提高其生物相容性是一种最为有效的 修饰手段。本文针对目前研究最多的树枝状高分子PAMAM修饰IONP粒子的合成工艺及应用进行归纳和总结。

1 氧化铁纳米粒子的分类和特点

氧化铁从分子结构上分为Fe3O4和Fe2O3两大类，其中Fe2O3包括α、β、γ、ε四种晶体构型。β、γ、ε-Fe2O3纳米粒子具有顺磁性但晶体稳定性差，在一定条件下发生相变转化为结构最稳定的α-Fe2O3

[18-19]， 而α-Fe2O3的弱磁性限制了其在生物医学领域的应用。因此，目前对IONP修饰用于生命科学领域，研究较多的是超顺磁性Fe3O4、γ-Fe2O3及与其它氧化物形成的复合氧化物，如MFe2O4或MOFe2O3(这里 M=Co, Li, Ni or Mn)。

2 树枝状高分子的特点

1985年 Tomalia等人[20]以乙二胺（en）和丙烯酸甲酯（MA）为单体合成第一个树枝状高分子PAMA M，开辟了超支化多功能高分子的研究热潮。这类分子的应用潜力立刻吸引多个领域学者的关注，树枝状高分子与普通聚合物分子相比，其优势表现为：1）分子量大小可根据反应代数精确控制（图1），丰富的末端基团容易偶联生物活性分子，可作为基因或靶向分子载体；2）这类分子具有强的穿透细胞膜能力且能在细胞内长时间停留，可作为转基因载体；3）分子内部大的空腔可用作药物控释载体[21]。

图1 树枝状高分子的结构Fig 1 The structure of dendrimer

当前，新型和功能化的树枝状高分子不断增加，如四川大学顾忠伟等人[22]以赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）、谷氨酸等为重复单元，设计合成多系列的不同代数的单分散性肽类树枝状聚合物。上海交通大学董常明课题组[23]合成了扇形树枝状高分子用作药物控释载体。而PAMAM因单体便宜易得、合成条件温和、合成效率高，在修饰IONP方面具有明显优势。

3 PAMAM修饰IONP的方法

如上所述，用PAMAM接枝IONP制备“核-壳”结构的复合粒子，充分利用树枝状高分子和磁性氧化铁的磁响应性，可使其在生物医学领域得到更好的应用。

图2 PAMAM修饰IONP工艺过程Fig 2 The Processes of functional IONP with PAMAM

目前制备PAMAM-IONP的方法按照图2所示工艺进行。该工艺包括3个步骤：1） IONP的氨基化。3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-Aminopropyltriethoxysilan, APTS）与磁性纳米粒子表面羟基发生取代反应，获得表面具有氨基的复合粒子G0。2）迈克尔加成反应。磁性粒子表面的氨基与丙烯酸甲酯中的烯烃基在甲醇溶液中发生迈克尔加成反应，分子结构开始枝化，获得酯键末端的G0.5代复合粒子。3）氨基化反应。用二元胺单体分子在甲醇中胺解G0.5粒子的酯键，获得氨基封端的G1.0代复合粒子，完成第一代枝化反应。重复迈克尔加成反应和胺解反应n次，获得n代PAMAM修饰的复合 粒子。由 于IONP具有磁响应性，PAMAM制备过程中，产物容易与未反应单体分离，使得产物纯化过程得以简化。

3.1 IONP表面氨基化研究进展

根据IONP氨基化原理，APTS只有与表面带有-OH的纳米粒子才能进行氨基化反应，当粒子表面无-OH可利用时，可先用SiO2包覆，借助形成的-Si-O-H与APTS进行反应[24-26]。APTS修饰IONP的反应需在有机溶剂中进行，分为疏水有机溶剂和亲水性有机溶剂两种类型。

3.1.1 疏水溶剂中氨基化反应

疏水溶剂是指采用甲苯或二甲苯等作为氨基化反应溶剂，如兰州大学赵光辉课题组[27-29]分别采用甲苯和二甲苯为溶剂，机械搅拌条件下120℃回流反应12h，获得氨基化修饰的IONP-NH2。使用疏水溶剂的优点是APTS分子中的硅烷基团与IONP粒子表面-OH发生图2所示的反应，在IONP表面形成单分子层。虽然后续对该方法不断调整操作条件 以提高反应效率，但是该方法仍有自身不足：氨基化的前体的IONP因表面带有-OH，在甲苯中分散性差，在反应过程中粒子容易团聚，造成IONP表面-NH2不均，从而影响后续反应效果。

3.1.2 亲水溶剂中氨基化反应

若采用乙醇、甲醇等亲水溶剂作为反应溶剂，当溶剂中含有少量水分子时，ATPS会首先与水反应，3个乙氧基分别被水取代[30-31]形成水解产物，水解产物容易聚合形成聚合物（4），聚合物产物再与IONP表面-OH反应在粒子表面形成多分子层的APTS聚合物。因此采用此类溶剂时，应严格控制溶剂中的水含量，上海交通大学高峰等人[32-35]以无水乙醇为溶剂，70℃回流反应5h成功获得单分子层ATPS修饰IONP粒子。

3.2 迈克尔加成反应研究进展

反应温度、时间和单体比例是保证氨基与烯烃键发生迈克尔加成反应的必要条件，也是控制反应效率和速率的主要因素，为保证氨基充分支化需要加入过量丙烯酸甲酯，因此对该过程的研究主要集中在反应温度和时间的控制上。Tomalia等人的研究结果表明，当温度＞25℃，氨基会将丙烯酸甲酯水解形成羧基，从而使分支无法继续发散；且温度＞50℃时，会发生复杂副反应不能有效支化，因此迈克尔加成反应一般控制在≤25℃条件下进行。早期合成反应普遍采用低温反应，即0~10℃、24~48h获得G0.5复合粒子[36-37]。但是反应温度过低使得反应速率下降，粒子制备过程耗时长，合成5代PAMAM需要3~4周时间。高峰等人将反应温度提高到25℃，反应时间缩短到5h，从而提高了迈克尔加成反应效率，目前该合成方案被普遍采用。在该温度下，反应时间过长同样容易发生氨基将丙烯酸甲酯水解的结果。

3.3 氨解反应研究进展

使用二元胺将丙烯酸甲酯酯键氨解，从而获得G1.0代PAMAM与IONP复合粒子。为确保酯键充分被酰胺化形成氨基末端，需要加入过量二元胺单体，氨解温度一般控制在25~50℃，氨解时间为7~24h，获得氨基封端的复合粒子。重复迈克尔加成反应和氨解反应，可获得不同代数的PAMAM-IONP复合粒子。

4 PAMAM-IONP复合粒子在生物医学领域的应用

PAMAM-IONP复合粒子在药物控释、核磁成像、转基因载体等领域均具有潜在的应用价值。Wiener 等人[38]将PAMAM嵌段聚合物修饰的IONP用作肿瘤组织核磁造影剂研究，与裸IONP相比效果明显改善。Liu等人[39]将合成复合粒子加载抗癌药物，借助核磁成像技术研究药物在不同组织、不同时间的释药情况，结果表明PAMAM修饰后的IONP在核磁成像、药物控释效果方面均优于线性高分子修饰磁性粒子。

5 结论及展望

树枝状高分子无疑已成为当前学术界的一大研究热点，PAMAM是树枝状高分子化学中研究较为成熟的一类, 以其合成简单、质量稳定、结构独特等优势已在多个领域显示出广阔的应用前景。虽然树枝状大分子具有广泛的应用价值, 但是它的合成过程繁琐，成本较高，因而限制了其在工程领域的应用。随着电解化学合成反应的发展， 各种新型树枝状高分子不断涌现，树枝状高分子合成的理论研究不断深化，都将为这类高分子在医药领域提供更好的应用前景。

[1] Jeong U, Teng XW, Wang Y, et al. Magnetic nanoparticles:preparation, physical properties, and applications in biomedicine[J]. Advance Materials, 2007(19): 33-60.

[2] Weinstein JS, Varallyay CG, Dosa E, et al. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles: diagnostic magnetic resonance imaging and potential therapeutic applications in neurooncology and central nervous system inflammatory pathologies[J]. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, 2010(30): 15-35.

[3] Nakai G, Matsuki M, Harada T, et al. Evaluation of axillary lymph nodes by diffusion-weighted MRI using ultrasmall superparamagnetic iron oxide in patients with breast cancer:Initial clinical experience.[J].Journal of Magnetic Resonance Imaging, 2011(34): 557-562.

[4] Pankhurst QA, Connolly J, Jones SK, et al. Applications of magnetic nanoparticles in biomedicine[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2003(36): R167-R181.

[5] Akbarzadeh A, Samiei M, Davaran S. Magnetic nanoparticles:preparation, physical properties, and applications in biomedicine.[J] Na noscale Research Letters，2012(7): 144-152.

[6] Issa B, Obaidat IM, Albiss BA, et al. Magnetic nanoparticles: surface effects and properties related to biomedicine applications[J]. International Journal of Molecular Sciences,2013(14)：21266-21305.

[7] Kostiantyn Turcheniuk, Arkadii V. Tarasevych, Valeriy P. Kukhar, et al. Recent advances in surface chemistry strategies for the fabrication of functional iron oxide based magnetic nanoparticles[J]. Nanoscale, 2013(5): 10729-10752.

[8] Ruiz A, Morais PC, Azevedo RB, et al. Magnetic nanoparticles coated with dimercaptosuccinic acid:development, characterization, and application in biomedicine[J]. Journal Nanoparticals Research, 2014(16):2589-2608.

[9] Juang JH, Shen CR, Wang JJ, et al. Magnetic Resonance Imaging of Mouse Islet Grafts Labeled with Novel Chitosan-Coated Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles[J].PLOS ONE, 2013(8): 62-66.

[10] Shen CR, Juang JH, Tsai ZT, et al. Preparation,characterization and application of superparamagnetic iron oxide encapsulated with N-[(2-hydroxy-3-trimethylammonium) propyl] chitosan chloride[J].Carbohydrate Polymers, 2011(84): 781-787.

[11] Shen CR, Wu ST, Tsai ZT, et al. Characterization of quaternized chitosan-stabilized iron oxide nanoparticles as a novel potential magnetic resonance imaging contrast agent for cell tracking[J]. Polymer International, 2011(60):945-950.

[12] Tsai ZT, Wang JF, Kuo HY, et al. In situ preparation of high relaxivity iron oxide nanoparticles by coating with chitosan:A potential MRI contrast agent useful for cell tracking[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2010(322):208-213.

[13] Larsen EK, Nielsen T, Wittenborn T, et al. Accumulation of magnetic iron oxide nanoparticles coated with variably sized polyethylene glycol in murine tumors[J]. Nanoscale,2012 (4): 2352-2361.

[14] Mahmoudi M, SimchiA, Imani M, et al. Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles with Rigid Cross-linked Polyethylene Glycol Fumarate Coating for Application in Imaging and Drug Delivery[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2009(113): 8124-8131.

[15] Khoee S, Kavand A.A new procedure for preparation of polyethylene glycol-grafted magnetic iron oxide nanoparticles[J]. Nanostruct Chem., 2014(4):111.

[16] Mahmoudi M, Simchi A, Imani M. Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles with Rigid Cross-linked Polyethylene Glycol Fumarate Coating for Application in Imaging and Drug Delivery[J]. Phys. Chem. C, 2009(113): 8124-8131.

[17] Brullot W, Reddy NK, Wouters J. Versatile ferrofluids based on polyethylene glycol coated iron oxide nanoparticles[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2012(324):1919-1925.

[18] Shunsuke Sakurai, Asuka Namai, Shin-ichi Ohkoshi, et al. First Observation of Phase Transformation of All Four Fe2O3Phases (γ→ε→β→γPhase)[J]. J. AM. CHEM.SOC., 2009(131): 18299-18303.

[19] Shin-ichi Ohkoshi; Yoshihide Tsunobuchi;Tomoyuki Matsuda, et al. Synthesis of a metal oxide with a roomtemperature photoreversible phase transition[J]. Nature Chemistry, 2010(2): 539-545.

[20] Tomalia DA, Baker H, Dewald J, et al. A New Class of Polymers: Starburst-Dendritic Macromolecules[J]. Polymer Journal, 1985, 17(1): 117-132.

[21] Lazniewska J, Milowska K and Gabryelak T. Dendrimersrevolutionary drugs for Infectious diseases[J]. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology, 2012(4): 469-491.

[22] Gu ZW, Luo K, ChuanW, et al. New-generation biomedical materials: Peptide dendrimers and their application in biomedicine[J]. SCIENCE CHINA Chemistry, 2010(53):458-478.

[23] Xu You-Cui, Dong Chang-Ming, et al. Dendron-like poly(εbenzyloxycarbonyl-L-lysine) /linear PEO block copolymers:Synthesis, physical characterization, self-assembly, and drug-release behavior[J]. Journal of Polymer Science Part A:Polymer Chemistry, 2012(50): 1216-1225.

[24] Gao F, Bi FP, Zheng WM, et al. Study of streptavidin coated onto PAMAM dendrimer modified magnetite nanoparticles[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2005(293): 48-54.

[25] G. Ennas, A Musinu, G. Piccaluga, D Zedda. Characterization of Iron Oxide Nanoparticles in an Fe2O3-SiO2Composite Prepared by a Sol-Gel Method[J]. Chemistry of Materials, 1998(10): 495-502.

[26] Sarita Kango, Susheel Kalia, Annamaria Celli. Surface modification of inorganic nanoparticles for development of organic-inorganic nanocomposites[J]. Progress in Polymer Science, 2013(38): 1232-1261.

[27] Zhao Guanghui, Li Yanfeng, Wang Jianzhi and Zhu Hao.Reversible immobilization of glucoamylase onto magnetic carbon nanotubes functionalized with dendrimer[J].Applied Microbiology and Biotechnology, 2013(91): 591-601.

[28] Wang Jianzhi & Zhao Guanghui & Li Yanfeng. Reversible immobilization of glucoamylase onto magnetic chitosan nanocarriers[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2013(97): 681-692.

[29] Akbar Bagheri, Mohammad Behbahani, Mostafa M. Amini,et al. Preconcentration and separation of ultra-trace palladium ion using pyridine-functionalized magnetic nanoparticles[J]. Microchim Acta., 2012(178): 261-268.

[30] Ek S, Iiskola E I, Niinistö L, Vaittinen J, et al. Root A.A29Si and 13C CP/MAS NMR study on the surface species of gas-phase-deposited γ-aminopropylalkoxysilanes on heat-treated silica[J]. The Journal of Physical Chemistry B,2004, 108(31): 11454-11463.

[31] 乔冰，高晗，王亭杰，金涌.二氧化硅表面修饰硅烷偶联剂APTS的过程和机制[J].化工学报，2014，65(7)：2629-2637.

[32] Gao F, Bi FP, Zheng WM, et al. Study of streptavidin coated onto PAMAM dendrimer modified magnetite nanoparticles[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2005(293): 48-54.

[33] Liu WM, Xue YN, Peng N, et al. Dendrimer modified magnetic iron oxide nanoparticle/DNA/PEI ternary magnetoplexes: a novel strategy for magnetofection[J].Journal of Mater. Chem., 2011(21): 13306.

[34] Pan BF, Cui DX, Sheng Y, et al. Dendrimer-Modified Magnetic Nanoparticles EnhanceEfficiency of Gene Delivery System[J].Cancer Res., 2007(67): 17.

[35] Kurtan U, Esir S, Baykal A, et al. Poly(amidoamine)-Grafted Superparamagnetic Iron OxideNanoparticles: Synthesis and Characterization.[J]. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, 2014(27): 2097-2103.

[36] 赵国玺.表面活性剂物理化学(修订版) [M]. 北京：北京大学出版社，1991：184-193.

[37] 樊能廷.有机合成事典[M].北京：北京理工大学出版社，1995：325-390.

[38] Wiener EC, Konda S, Shadron A, et al. Targeting dendrimerchelates to tumors and tumor cells expressing the highaffinity folate receptor[J]. Investigative radiology, 1997(32):748-754.

[39] Liu Fujun, Laurent, Sop hie, Fattahi, et al.Superparamagnetic nanosystems based on iron oxide nanoparticles for biomedical imaging[J]. Nanomedicine,2011(6): 519-528.