磁性纳米粒子包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni )、锰(Mn)以及它们的氧化物，相对于Co、Ni、Mn具有一定的毒性的磁性材料，超顺磁性氧化铁纳米粒子（SPIONs）具有高磁化强度、良好的生物相容性和低毒性，被广泛应用于生物医学中。
本文译自Shirish H.Sonawane，BharatA.Bhanvase and Manickam Sivakumar撰写的书籍《Encapsulation of ActiveMolecules and Their Delivery System》中的第四部分（第三部分：《活性分子的微囊化技术及其给药系统（三）-自乳化》），总结了超顺磁性氧化铁纳米粒子SPIONs的制备与功能化修饰。
4.4.3 超顺磁性氧化铁纳米粒子的制备
SPIONs是磁铁矿（Fe3O4）或磁赤铁矿（γ-Fe2O3）的小颗粒，直径在10到100nm之间。制备SPIONsd的方法有很多，分为物理方法或化学方法。物理方法包括气相沉积、电子束光刻、脉冲激光烧蚀、激光诱导热解，粉末球磨和气溶胶生产。化学方法包括共沉淀法、微乳液法、水热合成法、热分解法、声化学法及微波辅助合成法。
共沉淀法是目前产业化化学法合成磁性纳米材料最常用的方法，这种方法是将亚铁(Fe2+)和铁(Fe3+)离子在沉淀剂的作用下从水溶液中同时沉淀出来的方法，在惰性气氛（氮气N2或氩气Ar）保护下，向含Fe2+/Fe3+（化学计量比为1:2）的碱性溶液中加入沉淀剂，在室温或高温（70℃-90℃）条件下可获得Fe3O4纳米颗粒。这种方法，调节粒径和粒径分布是极其困难的，关键是控制pH值、Fe2+/Fe3+离子浓度和强度。由于受多种反应条件的限制，缺少表面活性剂，共沉淀法制备得到的SPIONs普遍存在团聚严重的现象，或很容易被氧化成磁赤铁矿、饱和磁化值很低(30-50 emu/g)。
微乳液法(W/O微乳液法)，是在连续油相中加入稳定剂和水相，乳化成更小、更均匀的颗粒。氧化铁前驱体与比例、表面活性剂和/或溶剂浓度是控制SPIONs尺寸和形状的关键。由于难以去除未反应的化学物质(前体、碱或表面活性剂)，不允许该方法应用于生物医学领域。
水热法是在高压釜内的高温高压下反应的一种方法。在反应结束后，冷却至室温，去除上清液。通过调节反应温度、反应时间和前驱体、表面活性剂的比例，可得到尺寸、形状和磁性能均可控的SPIONs。用乙二醇可合成不同形态的SPIONs，花状的NPs的饱和磁化强度最低，为66 emu/g。水热法的缺点是生产的SPIONs结晶度适中，过程耗时较长。
通过热分解(使用高沸点的表面活性剂和有机溶剂)可以产生不同大小和形状的SPIONs。通过调节表面活性剂浓度、前驱体/表面活性剂比、溶剂、回流加热速率和反应温度等参数，可以控制SPIONs的理化特性和磁性能。常见的前驱体主要包括金属油酸物，金属乙酰丙酮盐，金属羰基化合物和金属氯化物等。与疏水性表面配体相比，多巴胺对氧化铁NPs表面更有亲和力，Xu等人通过配体交换方法开发了一种多巴胺附着聚乙二醇(PEG)的亲水配体，优化浓度后，采用油酸在磁性NPs表面形成双层膜。然而，这些方法影响磁性、胶态分散性和合成收率。为了解决这些问题，可以使用表面活性剂/溶剂，用一锅热解法合成亲水的SPIONs。如高明远课题组采用高沸点的强极性溶剂(2-吡咯烷酮)代替了传统的高沸点弱极性或非极性的溶剂，并在反应体系中成功引入羧基化聚乙二醇(PEG)，通过“一锅法”成功制备出生物相容性良好，血液循环时间延长、水溶性良好的磁性氧化铁纳米晶体。
声化学法利用超声产生的空化泡，在室温下合成SPIONs。调节超声时间和功率可以控制SPIONs的大小和形状。通过增加反应时间，在恒定频率(581 kHz)下[与其他频率(861 kHz和1141 kHz)相比]，以PEG为表面活性剂可以观察到Fe3+线性增加。
另一种短时间、低成本合成SPIONs的方法是利用微波能量。该方法主要是在反应容器内提供微波热源，促进SPIONs的合成。微波制备的SPIONs具有低能量的表面晶面(降低了表面反应性，但提高了SPIONs的稳定性)。表面活性剂的浓度、微波功率和反应时间对SPIONs的磁性能有影响。
4.4.4 超顺磁性氧化铁纳米粒子的功能化修饰
SPIONs在高pH和低pH悬浮液中都是稳定的，但其在生理环境(pH7.4)有快速聚集倾向和高表面氧化能力。在中性pH下，SPIONs非常活泼(由于其巨大的表面积体积比，高的表面能和反应活性，具有磁性和长程吸引范德华力)。聚集和氧化降低了SPIONs的磁性和生物相容性，但增加了毒性。为了克服这些缺点，需要对SPIONs表面进行修饰或包覆。
SPIONs的修饰有不同的途径：原位反应法、合成后吸附和合成后接枝法。合成后接枝方法是将聚合物端基偶联在SPIONs表面，这种偶联是通过端部官能团静电作用或共价键来实现。原位反应法或嫁接法修饰的SPIONs更加稳定。然而，需要强调的是，当使用非磁性材料作为修饰材料时，SPIONs的饱和磁化值可能会降低。例如，带有-OH端基的聚氧乙烯(5)壬基苯醚、油酸(无机或有机表面活性剂)、PEG和葡聚糖聚合物(链较短)都不影响SPIONs的磁化性能，而长链的PEG和葡聚糖会显著降低被修饰后的SPIONs的磁化强度。将无机或有机材料在其表面偶联，除了防止SPIONs的表面氧化和/或聚集，修饰材料还提供了功能化的可能性，有利于SPIONs在生物医药领域的进一步应用。
目前，根据修饰材料的不同以及修饰方法的差异SPIONs的表面修饰可分为以下4类：①有机小分子修饰；②有机高分子聚合物材料修饰；③无机纳米材料修饰；④“all in one ”两种或以上材料的多功能修饰。按照机理主要分为配体交换、无机壳层包裹和聚合物包覆。图4-12显示了这些不同类型的SPIONs结构。
由于二氧化硅具有比表面积大、表面易于修饰、良好的分散性能及抗分解能力等特点，最常用作Fe3O4等磁性纳米颗粒表面修饰的无机材料。目前采用二氧化硅修饰SPIONs的方法主要有Stöber法、微乳液法和气溶胶热解法。表4-8总结了这些方法及其优点和缺点。
表4-8 二氧化硅包覆超顺磁性氧化铁纳米粒子制备方法的优缺点
Stöber法是最经典最常用的方法。简单地说，是将SPIONs均匀分散在乙醇溶液中，然后加入正硅酸四乙酯TEOS，再加入氨水。用作催化剂的氨水可以控制粒径大小，并形成具有相同形态的NPs。随着反应介质中水、正硅酸乙酯和氨水的加入量的增加，颗粒尺寸增大。同时，随着反应温度的升高，二氧化硅NPs的尺寸也略有增加。硅包覆的SPIONs在胶体溶液中显示出库伦斥力，使得纳米结构在更长的时间内保持其化学稳定性。硅醇表面还可以用其他偶联剂进行修饰，以提高磁性纳米系统靶向给药的能力。据报道，聚乙二醇硅烷包覆的磁性氧化铁NPs可以在小鼠肿瘤中聚集。
由于SPIONs自旋倾斜表层厚度的不同，该包覆材料也会影响SPIONs的磁性能。在一项研究中，将SPIONs包覆上二氧化硅和(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷，得到的磁化值分别为～20-30和77.7 emu/g。另一项研究表明，使用氨基硅烷包覆的SPIONs，相比于未修饰的SPIONs、二氧化硅包覆或葡聚糖包覆的SPIONs对不同细胞 (小鼠间充质干细胞，L929,HepG2, PC-3等)的摄取效率提高了，毒性降低了。
包覆非磁性材料的SPIONs的饱和磁化值较未修饰的SPIONs的饱和磁化值有所降低。多孔二氧化硅增强了磁性纳米系统的药物转运能力的同时磁性会降低。据报道，当SPIONs被二氧化硅修饰后，磁化值从85 emu/g降低到64.7 emu/g或从79 emu/g降低到38 emu/g。
采用聚合物修饰磁性纳米粒子时，无机纳米粒子被包覆在聚合物的交联凝胶网络中，阻止了颗粒的团聚从而可合成单分散的颗粒。聚合物分为天然聚合物和合成聚合物两大类：天然聚合物体系包括葡聚糖、淀粉、壳聚糖、明胶等；人工合成聚合物体系包括聚乙二醇(PEG)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)等。聚合物是有机大分子，与人体的生物相容性较好，特别是天然聚合物，因此聚合物被广泛用于磁性纳米材料的表面修饰。
葡聚糖是一种广泛用于SPIONs修饰的天然聚合物。该聚合物通过聚合物链上的羟基与SPIONs表面核心形成氢键，在SPIONs表面强吸附，提高了纳米体系的生物相容性和生物降解性。葡聚糖或葡聚糖衍生物，如羧甲基葡聚糖和羧甲基葡聚糖已用于临床前MRI CAs的开发。其他可以用于修饰SPIONs的天然聚合物有壳聚糖、海藻酸盐和普鲁兰等。
聚乙二醇是一种广泛用于纳米体系的合成聚合物，可以提高纳米载体的亲水性、血液循环时间和生物相容性。有报道称，在SPIONs核心周围使用聚(e-己内酯)-b-PEG共聚物可提高r2的弛豫张度和MRI图像对比度。
其他广泛用于修饰SPIONs表面的是脂质体。脂质体是由胆固醇和天然无毒磷脂制成的人工球状小泡，由一个或多个磷脂双分子层组成，脂质体是一种很有前途的药物传递体系结构。它们具有生物相容性，亲水性和疏水性基团，非常适合应用于生物医学应用领域。脂质体的性质高度依赖于其制备、脂质组成、表面电荷和大小。脂质体可以通过直接包封SPIONs而与SPIONs结合，也可以将SPIONs包埋在脂双分子层之间。SPIONs在脂质体结构中的空间位置取决于应用。例如，如果使用SPIONs加脂质体结构作为药物载体，则最好将SPIONs嵌入脂双分子层之间，然而，对于MRI跟踪，则直接将SPIONs包封在脂质体腔内更有利。
4.4.5 核壳结构及其性能
壳核NPs可以定义为由内层材料(内核)和外层材料(外壳)组成的结构。核心壳结构的几种组合可以制成：无机无机，无机有机，有机无机，有机有机材料。这一组合取决于应用领域。图4-13显示了不同种类的核壳NPs。通过包封不同壳层形成多壳或洋葱状(壳层数多于2或3个)的NPs，这类结构的SPIONs利用内核和壳层之间互不兼容的界面保护核内物质。
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