《磁性纳米颗粒的生物医学应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁性纳米颗粒的生物医学应用（127页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、磁性纳米颗粒的生物医学应用 主要内容 磁性纳米颗粒的合成与表征 磁性纳米颗粒在生物分离中的应用 磁性纳米颗粒在生物医学检测中的应用 磁性纳米颗粒在临床诊断中的应用 磁性纳米颗粒在靶向药物和过热治疗中的应用 磁性纳米颗粒 磁性纳米颗粒磁性纳米颗粒(magnetic nanoparticles, MNPs)： 是指大小在纳米尺度的磁性材料是指大小在纳米尺度的磁性材料(如如Fe3O4的纳的纳 米粒米粒)，在外加磁场的作用下，具有磁性并可向，在外加磁场的作用下，具有磁性并可向 着磁场方向移动而集中于指定的部位。着磁场方向移动而集中于指定的部位。 人们把磁性纳米颗粒的这一特点称为物理导向人们把磁性纳米颗
2、粒的这一特点称为物理导向 性。利用这一特点，人们发现了磁性纳米颗粒性。利用这一特点，人们发现了磁性纳米颗粒 生物和医学中的广泛应用生物和医学中的广泛应用。 常用的磁性材料 常用的磁性材料有三类：常用的磁性材料有三类： 一类是单体，如单纯的铁、钴、镍等；一类是单体，如单纯的铁、钴、镍等； 另一类是合金，如铁镍合金、铁铝合金等；另一类是合金，如铁镍合金、铁铝合金等； 还有一类是氧化物，如氧化钴、四氧化三铁等。还有一类是氧化物，如氧化钴、四氧化三铁等。 用的最多的是用的最多的是Fe3O4，因为它粒子直径小、灵敏度高、毒性低、因为它粒子直径小、灵敏度高、毒性低、 性能稳定、原材料易得。性能稳定、原材料
3、易得。 Fe3O4一般对人体不产生毒副作用，整个疗程所用的载体含铁量一般对人体不产生毒副作用，整个疗程所用的载体含铁量 不超过贫血病人的常规补铁总量，除部分被人体利用外，其余的不超过贫血病人的常规补铁总量，除部分被人体利用外，其余的 磁性粒子能通过皮肤、胆汁、肾脏等安全排出体外。磁性粒子能通过皮肤、胆汁、肾脏等安全排出体外。 磁性纳米颗粒的表征 TEM：透射电镜 SEM：扫描电镜 磁强计：磁性能及强度 （超顺磁性） 动态光散射（DLS）（粒径大小，水合粒径） X射线衍射（XRD） 红外光谱：表面功能团 超顺磁性（superparamagnetism） 磁性纳米颗粒的制备 1.Water-sol
4、uble NPs by coprecipitation 2. Water-soluble NPs by hydrothermal Fe3+ dissolved in ethylene glycol (EG) and mixed with sodium acetate then sealed in a Teflon-lined stainless-steel autoclave and autoclave was heated at 200 and maintained for several hours. 3.oil-soluble NPs by thermal decomposition m
5、ethod 磁性纳米颗粒的表面修饰 1. MNPs的表面修饰 增强颗粒的稳定性 引入功能基团 油溶性纳米颗粒的相转移和表面修饰 油溶性变成水溶性 无机材料包覆（silica，Au） 高分子包覆 polystyrene 配基替换（Ligand exchange） 磁性纳米颗粒的生物分子偶联 在生物分离中的应用 蛋白质或DNA的分离 例1 蛋白质分离 SDS/PAGE analysis of the cell lysate (lane 1), the fraction (lane 2) washed off a commercial Ni2+NTA column; the fraction was
6、hed with the freshly made6cusing imidazole solution (10 mM, lane 3; 80 mM, lane 4; 500 mM, lane 5); fractions washed off the reused 6cusing imidazole solution (10 mM, lane 6; 20 mM, lane 7; 500 mM, lane 8) 例2 DNA分离 例3 细胞分离 原理及方法：原理及方法： 将免疫磁性微球与含有靶物质（欲分离 物质）的复杂混合物共同培养，则免疫 磁性微球可以通过抗原抗体反应选择性 地与靶物质结合，当此
7、混合物通过一个 磁场装置时，与免疫磁性微球结合地靶 物质就会被磁场滞留，从而与其他复杂 物质分离开来。 细胞分离有两种方式： 直接法和间接法。 直接法：用抗体包被磁性粒子，再与抗原结合形直接法：用抗体包被磁性粒子，再与抗原结合形 成复合物，在磁场中与其它物质分离；成复合物，在磁场中与其它物质分离； MNPs抗体抗体 抗原靶细胞抗原靶细胞 间接法： 先用第二抗体包被磁性粒子，使磁性粒子成为第二抗体的 载体，带抗原的细胞与第一抗体结合后，再加入带有第二 抗体的磁性粒子，磁性粒子上的第二抗体便与第一抗体结 合,形成复合物。在磁场中该复合物得到分离。 MNPs第二抗体第二抗体 第一抗体第一抗体抗原靶细
8、胞抗原靶细胞 用MNPs进行分离，操作简单，不需要昂贵的设备；分离 的速度快，纯度高，高效；不影响被分离细胞的生物学功 能，保留被分离的细胞的活性，低毒。 应用举例：把癌细胞从骨髓液中分离出来应用举例：把癌细胞从骨髓液中分离出来 癌症、肿瘤手术后要进行放射性辐射，以杀死残存的癌 细胞，但与此同时，大面积辐射也会使正常细胞受到 伤害，尤其是会使对生命极端重要的具有造血功能和 免疫系统的骨髓细胞受损害，所以在辐射治疗前将骨 髓抽出，避免其受伤，辐射后再重新注入。 但在较多的情况下，癌细胞已经扩散到骨髓中，因此把 癌细胞从骨髓液中分离出来是至关重要的，否则，将 含有癌细胞的骨髓液注回辐射治疗后的骨髓
9、中还会旧 病复发。 在生物医学检测中的应用 电化学传感 免疫传感 DNA传感 磁控生物传感 GMR DMR 免疫传感 1 免疫传感2 免疫传感3 DNA传感 1 DNA传感2 磁控电化学传感 巨磁电阻生物传感巨磁电阻生物传感 (GMR) 巨磁电阻（Giant Magnetoresistance, GMR）效应来自于 载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致 的电阻值的变化。这种效应只有在纳米尺度的薄膜结构中才能观测出来。 GMR检测检测DNA GMR检测肿瘤抗原检测肿瘤抗原 GMR检测蛋白质检测蛋白质 诊断性磁共振生物传感诊断性磁共振生物传感 直接利用磁性纳米粒子的磁性或顺磁性物理特性
10、，通过粒子产 生的磁信号来进行检测或者控制的传感器。例如磁性纳米粒子 在聚集时通过改变水分子表现出一种独特的磁驰豫开关 （magnetic relaxation switches, MRS）现象，结果使水分子的驰 豫时间T2缩短，基于这个原理的传感称为诊断性磁共振生物传 感器(diagnostic magnetic resonance, DMR)。 DMR exploits MNPs as proximity sensors, which modulate the spin spin relaxation time (T2) of water molecules adjacent to the
11、 molecularly-targeted MNPs. DMR的检测对象包括 DNA/mRNA, proteins, small molecules/drugs, bacteria, and tumor cells。 Unique advantage: biological samples exhibit negligible magnetic background, MNPs can be used to obtain highly sensitive measurements in turbid samples with reduced sample preparation. In con
12、trast, traditional detection strategies based on optical techniques, for example, are often affected by scattering, absorption, auto-fluorescence, and require extensive sample purification before measurements can be made. DMR原理原理 1.When placed in an external field, each MNP creates a local magnetic
13、field, which increases the field inhomogeneity. 2. When water molecules diffuse within the periphery of the MNPs, the coherent precessions of water proton spins are perturbed. The net effect is a change in the magnetic resonance signal, which is measured as a shortening of the longitudinal (T1, spin
14、lattice) and transverse (T2, spinspin) relaxation times. 3. the transverse relaxivities (r2) of MNPs are greater than their longitudinal relaxivities (r1), T2 is used for NMR-based biosensing applications. 4. For a given volume fraction of MNPs in solution, T2 of the sample is inversely proportional
15、 to the cross-sectional area of the particles. 5. Nanoparticles aggregate to form self-assembled clusters, and the consequent increase in cross-sectional area of the particles shortens T2 relaxation times. DMR assay configurations a: Small molecular analytes, such as drugs, metabolites, oligonucleot
16、ides, and proteins, no need removing excess unbound MNPs b: larger biological structures such as bacteria, entire mammalian cells or cellular components, requires washing steps to remove excess unbound MNPs from the tagged biological targets 三代三代DMR仪器仪器 蛋白质及酶的检测蛋白质及酶的检测(1) 酶活检测(2) 检测微生物检测微生物 检测癌细胞检测癌细胞 检测核酸 (1) 检测核酸
