劉詩詩 彭紅霞＊，，2 胡繼林 賀愛蘭 陳占軍 彭秧錫

(1精細陶瓷與粉體材料湖南省重點實驗室，湖南人文科技學院，材料與環(huán)境工程學院，婁底 417000)(2中南大學材料科學與工程學院，長沙 410000)

0 引 言

癌癥是導致人類死亡的疾病之一[1-2]。目前治療癌癥的主要方法有手術、放療、化療、光動力療法和熱療法等[3]。其中，最為廣泛的化療存在著嚴重的毒副作用[4]。因此，國際上提出了通過組裝制備兼具靶向和可控釋放藥物的多功能無機納米載體，提高化療藥物的利用率，降低毒副作用，從而達到增強治療效果的目的[5]。

目前已報道的可控釋放方式主要包括利用溫度、氧化還原劑、酶的活性和生物分子等來控制。其中，溫度控制藥物釋放備受關注，主要歸因于它不依賴于病變組織中特定化學環(huán)境的變化，一般病變組織的溫度比正常組織溫度要高[6-7]。另外，也可以人為的通過某種外界手段使病變部位的溫度提高。因此通過溫度的變化來控制藥物的釋放成為一個重要的研究方向。而與光和交變磁場誘導加熱相比，微波加熱具有加熱速度快、穿透性好、無脂肪過熱現(xiàn)象等優(yōu)點。此外，還可以通過改變微波頻率、功率密度、工作周期和輻射時間來準確有效地控制載體上藥物釋放的時間和劑量[8]。

近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)磁性納米顆粒和微波吸收納米顆粒復合的新“二合一”雙功能納米顆粒因為在一個實體里同時具有獨特的磁性和微波熱轉化特性2種性質。因此，其作為藥物載體不僅可以通過外部磁場操縱實現(xiàn)靶向腫瘤部位，還可以利用微波加熱刺激實現(xiàn)藥物的可控釋放。該特性在精準化療應用中有著至關重要的作用。其中，利用磁性Fe3O4的大磁矩、高弛豫效能、低毒性、低成本等優(yōu)點[9]，以及金屬氧化物微波吸收材料(MOn)的局部加熱迅速、對生物組織的穿透性好、安全性高、易于控制、獨特的微波吸收性能、良好的微波熱響應特性和生物毒性低等特性[10-11]，設計、合成磁-微波吸收雙功能復合納米材料成為當前研究的熱點。例如，文獻[12]報道了用沉淀法制備Fe3O4@ZnO@mSiO2核殼結構的雙功能納米顆粒，通過磁場引導藥物直達患處，在微波刺激下進行藥物釋放，穩(wěn)于患處。本課題組也成功制備了Fe3O4@MoO3@mSiO2用于藥物載體的納米復合顆粒[13]。但是，該類的復合材料存在明顯的不足，如制備過程復雜、成本高等，最為主要的是由于mSiO2非磁性殼層的存在而大大減弱了其磁性和微波熱響應性。

針對這個問題，擬在Fe3O4表面直接包覆介孔結構的金屬氧化物微波吸收材料殼層，構建一種介孔結構，磁性靶向，微波加熱控制定時定量釋放藥物的新型無機納米載體，以提高抗腫瘤藥物的治療效果，同時還可以降低抗腫瘤藥物對人體正常細胞的毒副作用。

氧化鉬(MoO3)納米材料具有優(yōu)異的微波熱響應特性，它可以吸收一定頻率的微波并將其轉化為熱能用于加熱納米載體進而刺激藥物的可控釋放[14-15]。此外，根據(jù)其細胞毒性和體內毒性評價結果可知MoO3納米粒子具有低毒性和較好的生物相容性等特點[16]。Fe3O4是一種良好的介質損耗型微波吸收材料，通過將介孔結構MoO3沉積到Fe3O4納米粒子表面以平衡材料的復磁導率和介電常數(shù)，降低自由空間中微波吸收劑的阻抗匹配難度[17]，提高其微波吸收性，同時賦予介孔殼層高的孔隙率，大的表面積，從而可以得到兼具磁性、強微波吸收性，獨特微波熱轉換特性和高負載藥物能力的新型納米載體。

基于以上研究現(xiàn)狀，擬構建一種新型核殼結構的Fe3O4@mMoO3磁-吸波介孔多功能納米載體，即把磁性Fe3O4和具有微波吸收性能的負載藥物的介孔MoO3納米顆粒結合，得到具有磁性靶向、在微波加熱控制下可以定時定量釋放藥物的新型無機納米載體。以布洛芬為模板藥物，通過微波輻射響應來研究藥物的可控釋放。另外，并對其結構、形貌進行了研究。

1 實驗部分

1.1 試劑與表征

實驗藥品均為分析純，無需進一步純化。醋酸鈉(C2H5COONa，99.0%)購于衡陽市凱信化工試劑有限公司；三氯化鐵(FeCl3·6H2O，99.0%)、乙二醇((CH2OH)2，96.0%)購于北京朝陽區(qū)通惠化工廠；鉬酸銨((NH4)2MoO4，54.0%)、 聚乙二醇 (分子量 6 000)、 乙酸(CH3COOH，99.0%)購于天津科密歐化學試劑有限公司；無水乙醇(C2H5OH，99.5%)、十六烷基三甲基溴化銨(C19H42BrN，CTAB，99.0%)購于湘中化學試劑有限公司；實驗用水為去離子水。

德國Bruker D8 FOCUS多晶粉末X射線衍射(XRD)儀進行分析，以 Cu Kα1為 X 射線源(λ=0.154 056 nm)，2θ為 10°～80°， 步長為 10°·min-1，掃描速率為0.1°·s-1，最大輸出功率大于或等于2.2 kW，最大管壓60 kV，最大管流80 mA)。采用日本JEOL公司的JEM-2010型透射電鏡 (初始電壓120 kV，初始電流 60～62 mA，最大工作電壓 200 kV，穩(wěn)定電流105 mA)觀察粒子的形貌和尺寸。用美國Quantum Design公司的MPMS-XL-7超導量子干涉磁測量系統(tǒng)(SQUID)對樣品的磁學性能進行測試。用表面吸附儀(TR2Star 3020)在液氮濕度下(77 K)測試樣品的氮氣吸附與解吸附過程。用日本島津的UV-1800型紫外-可見分光光度計進行藥物的負載和釋放過程的紫外-可見光譜的測試。采用MCR-3微波化學反應器觀察載體的微波熱轉化性。

1.2 樣品的制備

該納米載體的合成及微波控制給藥過程如圖1所示。

圖1 Fe3O4@mMoO3納米復合載體的合成及微波控制給藥過程示意圖Fig.1 Schematic illustration of the synthesis of the Fe3O4@mMoO3 nanocomposite carrier and microwave controlled drug delivery process

Fe3O4納米顆粒的制備：將1.0 g三氯化鐵溶于30 mL乙二醇中，然后加入2.0 g C2H5COONa和6.5 g聚乙二醇，室溫下攪拌30 min，把所得溶液轉移到50 mL帶聚四氟乙烯內襯的反應釜中，在恒溫箱中200℃反應6 h。室溫下冷卻后，將釜內黑色沉淀用去離子水和無水乙醇各洗滌3次，用磁鐵吸附來收集樣品，所制得的黑色沉淀在50℃下干燥5 h，得到Fe3O4納米顆粒。

Fe3O4@mMoO3納米顆粒的制備：將3.34 g鉬酸銨溶入70 mL的去離子水中配置成無色透明的溶液，再加入0.5 g Fe3O4和 1.0 g CTAB，超聲30 min，然后用磁力攪拌器攪拌(30 min)的同時緩慢滴加乙酸溶液至pH=3.5。滴加完畢后，靜置一段時間，制得Fe3O4@H2MoO4納米顆粒，用去離子水和無水乙醇清洗3次后在恒溫箱中150℃干燥2 h，室溫下冷卻后在馬弗爐中500℃燒結3 h，最終得到Fe3O4@mMoO3納米顆粒。

1.3 載藥與釋放

藥物負載過程：將0.1 g Fe3O4@mMoO3納米顆粒分散到 50 mL IBU(0.3 g·L-1)的生理鹽水(9 g·L-1)溶液中，磁力攪拌24 h。在藥物負載過程中，分別在0、30、60、120、180、240 和 360 min 時取上清液，通過紫外分光光度計測量溶液中IBU的濃度 (石英比色皿)。通過朗伯-比爾定律計算納米載體的載藥量。

RM=Mads/Madd×100%

其中，RM是藥物IBU的負載率，Mads是負載到納米載體表面的IBU的質量，Madd是藥物負載過程中IBU的初始量。

藥物釋放過程：藥物IBU的釋放實驗全程是在生理鹽水中進行的，為了研究微波輻射對藥物釋放率的影響，規(guī)定溶液的條件為37℃和pH=7.0，所采用的微波照射頻率為2.45 GHz，具體實驗過程是：稱取0.1 g Fe3O4@mMoO3-IBU，使其均勻分散在50 mL 生理鹽水中，在微波輻射 0、15、30、45、60 和 90 s時分別取上清液，然后將所取得樣品用紫外可見光光譜進行IBU濃度的測試，再進一步計算藥物的釋放率。

2 結果與討論

2.1 XRD分析

樣品的相組成和結晶度由XRD進行測試分析。圖2是純Fe3O4、Fe3O4@mMoO3顆粒的XRD圖。圖2(a)中 30.1°、35.5°、43.1°、53.18°、56.9°和 62.5°處的特征衍射峰與Fe3O4的XRD標準圖 (PDF No.65-3107)非常吻合，分別對應立方晶石結構Fe3O4晶體的(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)晶面。 由圖 2(b)可以很清楚地觀察到樣品中除了存在尖晶石結構的Fe3O4晶體外，還出現(xiàn)較多的與PDF標準卡片(PDF No.35-0609)吻合良好的特征峰，對應結構為六方相的MoO3納米晶體。圖中沒有檢測出其他雜峰，表明磁性Fe3O4核與MoO3殼層之間并未發(fā)生明顯的化學反應。此外，尖銳的強峰也表明樣品的結晶較好。

圖2 (a)Fe3O4和(b)Fe3O4@mMoO3納米顆粒的XRD圖Fig.2 XRD patterns of(a)Fe3O4 and(b)Fe3O4@mMoO3

2.2 TEM分析

為了更清晰地觀察復合顆粒的形貌以及包覆層的厚度，對制備的Fe3O4@H2MoO4和Fe3O4@mMoO3納米顆粒的形貌和核殼結構分別進行了透射電鏡分析。

圖3為Fe3O4@H2MoO4和Fe3O4@mMoO3的TEM圖以及Fe3O4@mMoO3的 EDS能譜圖。圖3(a，b)是Fe3O4@H2MoO4的透射電鏡圖，從圖中可以看到，F(xiàn)e3O4@H2MoO4顆粒外形為球形，粒徑分布較均勻，進一步觀測還可以清楚地看到外殼呈灰色的核-殼結構，平均厚度約為20 nm。結果表明，H2MoO4層均勻沉積在 Fe3O4納米粒子上。圖 3(c，d)中 Fe3O4@mMoO3的TEM圖表明，煅燒后的樣品(Fe3O4@mMoO3)仍保持原始尺寸，其外形依然呈單分散球形。但值得注意的是，煅燒后納米粒子表面變得粗糙和松散，這是由于所制備的Fe3O4@H2MoO4在500℃下煅燒3 h時，模板CTAB分解產(chǎn)生了CO2和水蒸氣導致在粒子內會留下大量的孔隙[10]。從高倍TEM圖像(圖3d)觀察到在Fe3O4@mMoO3納米顆粒的表面存在有較多的氣孔且氣孔形狀不規(guī)則，孔徑也不均勻。Fe3O4@mMoO3納米顆粒的EDS能譜圖(圖3e)證實了 Fe3O4@mMoO3樣品中存在 O、Fe、Mo元素(其他信號是用于測量材料的Cu)。再結合XRD結果分析，進一步證實了樣品是介孔Fe3O4@mMoO3納米顆粒。Fe3O4@mMoO3的多孔表面為其用作藥物載體提供了機會。

圖 3 Fe3O4@H2MoO4(a，b)和 Fe3O4@mMoO3(c，d)的TEM圖；(e)Fe3O4@mMoO3的EDS能譜圖Fig.3 TEM images of Fe3O4@H2MoO4(a，b)and Fe3O4@mMoO3(c，d)；(e)EDSspectrum of Fe3O4@mMoO3

為了研究Fe3O4@mMoO3納米顆粒的介孔性能，對其進行了液氮吸附-脫附測試(圖4)。根據(jù)國際理論和應用化學聯(lián)合會(IUPAC)的標準，樣品的吸附-脫附曲線表現(xiàn)出H2型滯后環(huán)的Ⅳ型等溫曲線，這是典型的具有毛細管冷凝并且具有窄尺寸分布的多孔孔徑的多功能材料所具有的特征[17]。通過BET計算其表面積為94 cm2·g-1。此外，圖4插圖中的孔徑分布曲線也進一步證實了Fe3O4@mMoO3的平均孔徑為2.5 nm。氮氣吸附-脫附結果顯示納米粒子的孔道為介孔結構，表明該納米顆粒適合作為藥物載體來運輸藥物和吸附劑。

圖4 Fe3O4@mMoO3的氮氣吸附-脫附等溫線與孔徑分布曲線Fig.4 Pore diameter distribution and N2 adsorptiondesorption isotherms of Fe3O4@mMoO3

2.3 磁性分析

圖5 a為Fe3O4和Fe3O4@mMoO3復合納米顆粒的磁滯回線圖，從圖中可以看到2種樣品具有相似的磁性質，其飽和磁化強度分別為80.2和42.3 emu·g-1。 與 Fe3O4顆粒相比 Fe3O4@mMoO3復合顆粒的飽和磁性強度有所降低，分析原因是由于Fe3O4顆粒表面包覆了mMoO3從而使Fe3O4的磁性質量分數(shù)降低(隨著引入的非磁性物質的增多，磁性降低的更多)。與Fe3O4相比，F(xiàn)e3O4@mMoO3復合納米顆粒飽和磁化強度有所降低，但其磁滯回線仍具有較高的飽和磁化強度，足夠用作磁靶向藥物載體。圖5b為分散在去離子水中的Fe3O4@mMoO3復合納米顆粒在外加磁場下，不同時刻的磁響應性對比圖。由圖可見，均勻分散在溶液中的復合納米顆粒Fe3O4@mMoO3在外加磁場的作用下迅速聚集到磁鐵附近，說明制得的納米顆粒具有良好的磁響應特性，可以用在磁性分離和磁靶向藥物載體等方面。

2.4 微波熱轉化性

圖5 (a)Fe3O4和(b)Fe3O4@mMoO3的磁滯回線；(b)分散在水溶液中的Fe3O4@mMoO3納米顆粒在外部磁場作用下的磁響應圖Fig.5 Hysteresis loops of(a)Fe3O4 and Fe3O4@mMoO3；(b)Magnetic response ability of Fe3O4@mMoO3 nanocomposites dispersed in aqueous solution under the magnetic field at different times

為了驗證微波能否用來刺激控制藥物釋放，對Fe3O4@mMoO3納米顆粒進行了吸收微波后的微波熱響應測試。該測試是在室溫條件下進行的，測試的微波頻率為2.45 GHz(這與生物醫(yī)療上所用到的頻率范圍(2.45±0.05)GHz一致[7])。生理鹽水溶液、Fe3O4懸浮液、Fe3O4@mMoO3懸浮液在微波輻射下的時間-溫度的曲線如圖6a所示。從圖中可以看出，3種物質表現(xiàn)出了不同的微波熱響應性能。其中樣品Fe3O4@mMoO3的微波熱響應速率最大，相比于Fe3O4@mMoO3分散液，生理鹽水溶液和Fe3O4分散液的微波熱效應相對要差一些，70 s時分別升溫至57和69℃。當微波照射0.2 mg·mL-1Fe3O4@mMoO370 s時，F(xiàn)e3O4@mMoO3分散液的溫度升高至80℃，該溫度已經(jīng)足夠用來進行疾病的熱療。結果表明，F(xiàn)e3O4@mMoO3納米顆粒具有很好的微波吸收性能和微波熱轉化性能，可以用在磁性分離和磁靶向藥物載體等方面。

圖 6 (a)在微波照射下(2.45 GHz，400 W)生理鹽水溶液、Fe3O4(0.2 mg·mL-1)懸浮液和 Fe3O4@mMoO3(0.2 mg·mL-1)懸浮液的溫度變化曲線；(b)在微波照射下(2.45 GHz，400 W)Fe3O4@mMoO3濃度對其微波轉化特性的影響曲線；(c)在微波照射下(2.45 GHz)微波輻射功率對Fe3O4@mMoO3(0.2 mg·mL-1)微波轉化特性的影響曲線Fig.6 (a)Heating curves of physiological saline solution，F(xiàn)e3O4(0.2 mg·mL-1)supspension and Fe3O4@mMoO3(0.2 mg·mL-1)supspension under microwave irradiation(2.45 GHz，400 W)；(b)Effect of the concentration of Fe3O4@mMoO3 on the microwave conversion property under microwave irradiation(2.45 GHz，400 W)；(c)Effect of microwave radiation power on the microwave conversion property of Fe3O4@mMoO3(0.2 mg·mL-1)under microwave irradiation(2.45 GHz)

為了評價Fe3O4@mMoO3納米顆粒的體外微波加熱轉化效率，在微波照射下探索Fe3O4@mMoO3納米顆粒懸浮液的濃度對其微波轉化率的影響。圖6(b)顯示，在一定范圍內，隨著Fe3O4@mMoO3濃度的增加，其懸浮液的溫度升高，當濃度為0.4 mg·mL-1、微波功率為400 W時，懸浮液溫度在不到20 s的時間內升高超過20℃。將Fe3O4@mMoO3納米顆粒注射到腫瘤組織時可以在短時間內快速加熱至43℃，該溫度足以將腫瘤細胞殺死。結果表明，F(xiàn)e3O4@mMoO3納米顆粒表現(xiàn)出較好的微波吸收能力和良好的微波熱轉化，主要原因是鐵電和介電材料結合的Fe3O4@mMoO3納米顆粒能迅速將所吸收的微波能量以電能能量的損失形式轉化為熱能，導致其溫度升高[11]。并且，F(xiàn)e3O4@mMoO3納米顆粒的微波熱轉換效率隨著微波輻射功率的增加而增加(圖6c)。以上結果表明，F(xiàn)e3O4@mMoO3納米顆?？梢钥焖賹⑽⒉苻D化為熱能，并可用于熱療。鐵電和介電材料的結合能迅速將所吸收的微波能量轉化為熱能，導致其懸浮液溫度升高。介電材料和磁性材料之間的有效界面可產(chǎn)生較高的介電常數(shù)和反射損耗即界面極化和相關的弛豫，導致其微波吸收能力增強。由于mMoO3會迅速將電磁能轉化為熱能，在微波功率相同的條件下，對于納米載體來說，mMoO3的比例越大，微波吸收能力越強，與實驗結果一致。Fe3O4納米顆粒也可以吸收微波能并有效地將微波能量轉換為局部熱量，這主要是由于軟磁材料Fe3O4納米粒子具有高磁飽和強度和高磁導率。Fe3O4與mMoO3的結合能改變材料的磁導率和介電常數(shù)，使介質的切線損耗和磁正切損耗相當，降低在自由空間內阻抗匹配的難度，從而增強吸收能力。

2.5 載藥和釋藥

Fe3O4@mMoO3納米載體的介孔層為藥物分子的負載提供了較大的孔體積，其平均孔徑大小為2.50 nm，比IBU藥物分子的直徑(0.60 nm)要大4.0倍。IBU分子與介孔三氧化鉬表面上的羥基之間可以通過氫鍵相連或物理吸附，從而使IBU分子裝載到介孔層的孔內，然后通過微波加熱促使二者之間的氫鍵斷裂或作用力破壞，使IBU藥物分子從載體上釋放出來，從而實現(xiàn)微波可控釋放的目的。

圖7為藥物負載的動力學分析。圖7(a)表明IBU在225 nm處有最大吸收峰，但隨著時間的延長，所對應的吸光強度值減小，這說明溶液中藥物的濃度是隨負載時間的延長而減小的。由圖7(b)可知，在開始的時候藥物的負載率(R)迅速增大，在180 min內其負載率均達到約75%，但是隨后藥物負載率增長速度變得緩慢。360 min后Fe3O4@mMoO3的藥物負載率大約為80%。納米顆粒具有較高的裝載率歸功于介孔MoO3的多孔表面和其強大的裝載能力。

圖7 藥物負載的動力學分析Fig.7 Kinetic analysis of drug loading

為了進一步確定微波照射對載體釋放藥物的影響，對比研究了微波照射和無微波僅攪拌時藥物釋放速率的變化曲線，如圖8所示。在沒有微波照射下，納米載體對IBU藥物分子的釋放速率非常慢，攪拌下經(jīng)過90 s，IBU藥物分子的釋放量僅為1.6%。然而，當把藥物釋放體系轉到微波照射的環(huán)境時IBU藥物分子的釋放速率會明顯的提升，微波照射90 s藥物分子的釋放量達到了86%。在微波照射和無微波僅攪拌情況下(圖8)，載體上藥物釋放速率的變化十分明顯，說明Fe3O4@mMoO3納米載體具有很好的刺激響應釋放性能。藥物釋放研究表明微波照射能大大提高納米載體的藥物釋放速率，在微波照射下MoO3層能迅速吸收微波產(chǎn)生熱量，破壞載體與藥物分子之間的作用力，致使裝載在納米載體介孔中的藥物分子釋放出來，表明Fe3O4@mMoO3-IBU納米載體具有的微波熱響應促進了藥物釋放性能。

圖8 Fe3O4@mMoO3@-IBU在微波照射和沒有微波照射僅攪拌的條件下IBU的釋放曲線Fig.8 Release profiles of IBU with microwave irradiation or without microwave irradiation(only stirring)for Fe3O4@MoO3@mSiO2-IBU

3 結 論

針對Fe3O4@MOn作為藥物載體時MOn殼層缺乏孔結構引起的藥物負載率較低這一科學難題，采用溶劑熱法和沉淀法在Fe3O4表面包覆mMoO3介孔殼層，制備了具有磁-吸波性能于一體的Fe3O4@mMoO3介孔多功能復合納米載體，并以IBU為藥物模型研究和分析其對IBU的負載能力和可控釋藥行為，其結果表明所制備的納米載體Fe3O4@mMoO3具有較大的表面積，可實現(xiàn)藥物的有效裝載。微波熱轉換特性研究表明納米載體Fe3O4@mMoO3具有較高的磁化飽和強度和良好的微波熱轉化性，可實現(xiàn)靶向可控給藥。此外，該合成方法也為其他多孔核-殼結構納米顆粒的設計和合成提供了重要的途徑。并且Fe3O4@mMoO3核-殼結構納米顆粒不僅可成為癌癥治療中具有前景的微波熱療劑，也可用于水處理領域。