王晶 邹琴 井尧 罗航

摘要：四氧化三铁纳米粒子作用于生物体中时会与动物或人体的细胞直接接触，其带给生物体的毒性不容忽视。文章总结了四氧化三铁纳米粒子产生毒性的机理和影响四氧化三铁纳米粒子毒性的因素。

关键词：四氧化三铁纳米粒子；毒性；机理

1 四氧化三铁基于超顺磁性氧化铁纳米颗粒

四氧化三铁纳米粒子（ Magnetic NanoParticles，MNPs）是一种黑色的铁的氧化物纳米粒子（SuperParamagnetic Iron Oxide Nanoparticles，SPION），具有良好的生物相容性，在室温下表现出超顺磁性、高的磁场强度。与非纳米粒子相比四氧化三铁纳米粒子拥有更大的比表面积，可以提供更多的表面活性原子从而增加粒子的表面活性，其表面经蛋白质、脂质体或者聚合物改性之后在生物医学领域可用于诊断和治疗，如药物释放、磁转染、热疗、核磁共振成像增强剂、生物传感器等。

虽然四氧化三铁纳米粒子在生物医学领域应用广泛，尤其是当粒子载药之后用于靶向药物释放和热疗给肿瘤患者带来了福音，但是其带给身体的其他副作用不容忽视，有必要很好地研究四氧化三铁纳米粒子可能带给身体的伤害，本文对四氧化三铁纳米粒子的合成方法、产生生物毒性的机理和影响毒性的因素，进行了总结。

2 毒性研究

研究发现，四氧化三铁纳米粒子会使细胞通过4种方式产生氧化应激反应：（1）纳米粒子表面与细胞直接接触；（2）酶的作用使四氧化三铁纳米粒子表面发生降解；（3）通过改变线粒体和其他细胞器的功能；（4）四氧化三铁纳米粒子使细胞发生信号转导并激活炎性细胞。四氧化三铁纳米粒子使细胞发生氧化应激反应是产生毒性的主要原因。四氧化三铁纳米粒子的毒性强弱受多种因素控制，粒子的每一项物理化学性质（粒子的大小、形状、表面包裹物的官能团、表面包裹物亲水性、粒子表面的电荷）的改变都会导致生物体发生变化进而影响其毒性。

2.1 粒子浓度

粒子的浓度是决定是否对细胞产生毒性的最重要的因素，研究发现粒子浓度对细胞产生的毒性的影响比其他因素如表面包裹材料、表面电荷和粒子的粒径更强，低浓度不会产生毒性或者产生的毒性很小，而高浓度会对细胞产生很高的毒性甚至致死。

2.2 表面包裹材料和电荷

四氧化三铁纳米粒子表面是否有包裹物和表面所带电荷都会影响体外细胞毒性和粒子在体内的分布和排泄。当给四氧化三铁纳米粒子做体外细胞毒性检测时，没有经过表面处理的四氧化三铁纳米粒子在培养液中其表面可能会吸附OH-1和cl-1而带负电，电荷产生的电场会吸引抗衡离子，从而易与蛋白质相结合。这种结合既影响细胞培养液中粒子浓度和pH，也会影响粒子的表面性质，从而导致细胞分离而死亡。而当表面包裹一些聚合物或者蛋白质会使粒子表面与培养液中的物质的相接触的接触点变少，从而对培养液或者细胞产生较小影响。当裸露的四氧化三铁纳米粒子作用于生物体内时，粒子容易于血浆蛋白相结合并快速被巨噬细胞吞噬。当粒子表面有包裹物时，包裹物所带官能团在溶液中离子化会使粒子带电荷，如当官能团是羧基时会使粒子带负电荷，当官能团是胺基时会使粒子带正电荷。粒子是否带电荷以及所带电荷的种类会对其在体内的分布产生影响。由于细胞膜带负点荷，当粒子带正电时会与细胞发生非特异性结合。粒子带负电时会与组织发生非特异性结合。当粒子不带电时不易与血浆蛋白结合，但容易发生自身团聚减少粒子的血液循环时间。不管粒子带正电还是负电荷，增加电荷都会使粒子更易被吞噬，减少粒子的血液循环时间。不同的包裹材料对细胞产生的毒性也不同，有研究表明表面含有羧基比含有胺基的四氧化三铁纳米粒子产生的毒性更强，这可能与粒子表面所带电荷的种类有关。

2.3 粒径

用于生物医学领域的四氧化三铁纳米粒子需要小粒径。小粒径的粒子才具有超顺磁性，当施加外加磁场时四氧化三铁磁性粒子拥有磁性，当外加磁场撤离时纳米粒子的磁性消失，粒子高度分散，否则纳米粒子会团聚，从而被巨噬细胞吞噬影响疗效。粒子的粒径也会影响粒子在体内的分布、代谢和循环时间。人体最小的血管直径是4 mm，若纳米粒子的粒径超过4 mm粒子会滞留在肺部可引起肺部血栓，若粒径小于4 mm可被肝脏或者脾脏的内质网皮层细胞吸收（若大于200 nm会被脾脏吸收排除，小于150 nm可被肝脏吸收排除），当处于正常的生理条件时，粒径大于10 nm不能穿过内皮细胞而当处于炎症或者肿瘤等病理条件时，可使穿过内皮细胞的直径达到700 nm。通常粒子的直径为10-100 nm时，粒子在体内的时间最长，疗效最好。增加粒径会促进细胞产生炎症反应，Injumpa等发现，当粒径为20-100 nm时，只会使巨噬细胞产生少量的炎性因子，而当到200 nm时会产生大量的炎性因子。

2.4 形状

四氧化三铁纳米粒子的形状对其生物医学应用也有影响。粒子的形状会影响粒子向血管内壁着边，和球形的粒子相比，扁圆形的粒子存在扭转力会引起粒子翻转和旋转，进而向血管内壁横向漂移。粒子的形状还会影响粒子与细胞表面的接触，网状内皮系统清除粒子也受粒子形状支配。与球形的粒子相比，扁圆形的粒子不易被巨噬细胞吞噬拥有更长的血液循环时间。纳米粒子进入正常或者癌细胞内部也受粒子的形状控制，对于拥有长纵横比的粒子来说，长轴平行细胞膜比短轴平行细胞膜内部化速度低。相同粒径的球形和立方体的四氧化三铁纳米粒子相比，立方体的粒子比球形的粒子有更高的结晶度、更大的单晶、更高的饱和磁化度和T，弛豫。棒状的比球形的四氧化三铁纳米粒子对小鼠巨噬细胞产生更强的毒性。

2.5 细胞种类

相同粒径或者浓度的纳米粒子对不同细胞产生的毒性不同。Injumpa等发现增加粒径或者浓度对成纤维细胞或者巨噬细胞的影响不同，成纤维细胞比巨噬細胞更耐毒性。

3 结语

纳米粒子的粒径、形状、所用包裹材料和所带电荷会影响其在细胞和体内的分布、排泄和毒性。虽然很多研究团体做了大量的四氧化三铁纳米粒子的毒性研究，但是仍然存在很多的问题，如不同的毒性测试方法测得的毒性不同，不同的研究团体的四氧化三铁纳米粒子毒性研究使用不同的粒子浓度、检测时间、不同的细胞和培养条件使毒性比较变得困难。毒性研究应当更加标准化，并进行更多包裹物和细胞或者动物的毒性检测，从而推动四氧化三铁磁性纳米粒子大批量应用于临床，最终治愈广大的癌症患者。