过渡金属掺杂磁性纳米粒子在生物医学领域中的研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210394

摘要/Abstract

摘要：

在过去50多年中，磁性纳米粒子（MNPs）由于其可协调的磁性、非侵入性、易操控性和良好的生物相容性等优点得到了广泛的关注。从具有复合结构或不同形状的MNPs的合成方法到与MNPs相关的大量表征技术，其应用领域也与我们的生活紧密相关。然而，MNPs的复杂磁行为受到多种参量的影响，包括粒径、成分、形状和结构等。基于此，通过调节MNPs的主要参量提高其磁功能效果对后续的材料设计和应用具有重大的参考意义。其中，二价过渡金属离子的掺杂是影响MNPs各种磁性能（如磁矩（μ）、饱和磁化强度（M_s）、矫顽力（H_c）、磁晶各向异性（K）和弛豫时间（τ_N和τ_B）等）重要参量之一。因此，本文着重介绍了通过向磁性纳米材料中掺杂过渡金属离子来精确调控其磁性的相关机理研究，并介绍了掺杂过渡金属离子的MNPs在生物成像检测（磁共振成像和磁性粒子成像）、药物精准递送和肿瘤治疗以及生物传感方面的潜在机制和所取得的最新进展，最后总结了目前MNPs所面临的一些挑战以及未来发展的趋势。

关键词: 磁性纳米材料, 过渡金属掺杂, 磁协调机理, 生物成像, 肿瘤治疗, 药物递送, 生物传感

Abstract:

Magnetic nanomaterials （MNPs） have been extensively studied and applied in the past half century due to their unique properties including coordinated magnetic properties， non-invasive， easy manipulation， and good biocompatibility. However， the complex magnetic behavior of MNPs is influenced by a variety of factors， including particle size， composition， shape， and core-shell structure. Therefore， the main parameters of MNPs are needed to coordinate accordingly for specific applications to improve their effectiveness. Among them， doping of divalent transition metal ions is a crucial parameter affecting various magnetic properties of MNPs such as magnetic moment （μ）， saturation magnetization strength （M_s）， coercivity （H_c）， magnetic crystal anisotropy （K） and relaxation time （τ_N and τ_B）. Therefore， this review focuses on the mechanism of precisely regulating the magnetic properties of magnetic nanomaterials by doping them with transition metal ions， and introduces the potential mechanisms and some recent advances of MNPs doped with transition metal ions for bioimaging detection （magnetic resonance imaging and magnetic particle imaging）， drug precision delivery and tumor therapy， and biosensing. Finally， we summarize some challenges and future trends of MNPs.

Key words: Magnetic nanomaterials, Transition metal doping, Magnetic coordination mechanism, Bioimaging, Tumor therapy, Drug delivery, Biosensing

中图分类号:

O614

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图/表 8

图1 基于过渡金属掺杂铁基纳米粒子在生物医学领域的研究进展

Fig.1 Advances in transition metal-doped iron-based nanoparticles for biomedical research

图2 （a）在油酸/酒精/水系统下不同锌掺杂量的铁氧体的掺杂机理及其总磁矩的变化情况［8］；（b）以离子交换的形式向铁氧体中掺杂Co2+对其矫顽力的影响［9］

Fig.2 （a） Doping mechanism of ferrite with different zinc doping and its total magnetic moment in oleic acid/alcohol/water system［8］. （b） Effect of Co2+ doping into ferrite in the form of ion exchange on its coercivity［9］

图3 （a）向γ-Fe2O3中掺杂Zn2+和Mn2+的机理图以及所合成的MNPs的T1加权成像效果［14］；（b）静脉注射Zn0.4F@Zn0.4Mn0.2 F-AMD 40 min后小鼠转移的T1加权图像、生物发光成像（BLI）和肺部组织切片图像（H&E）［14］

Fig.3 （a） Mechanistic diagram of doping Zn2+ and Mn2+ into γ-Fe2O3 and the T1-weighted imaging effect of the synthesized MNPs［14］. （b） MRI T1-weighted images of metastases in mice of Zn0.4F@Zn0.4Mn0.2F-AMD， BLI images and H&E images of the lung （scale bar： left， 1 mm； right， 50 μm）［14］

图4 利用MPI成像技术监测小鼠中风的实验设计及工作流程［23］

Fig.4 Experimental design and workflow for monitoring stroke in mice using MPI imaging［23］

图5 （a）基于磁性纳米颗粒激活细胞凋亡信号的聚集策略：磁性开关聚集死亡受体4（DR4），通过TRAIL模拟生化信号，用于诱导细胞凋亡；（b）在细胞表面拍摄到的M-TAT的扫描电子显微镜（SEM）图像［37］

Fig.5 （a） Aggregation strategy based on magnetic nanoparticles to activate apoptotic signaling： magnetic switch aggregates death receptor 4 （DR4）， which is used to induce apoptosis by TRAIL mimicking biochemical signaling［37］；（b） Scanning electron microscopy （SEM） images of M-TAT on the surface of cells［37］

图6 （a）多组分（Mn、Zn、Co）掺杂铁氧体用于磁热研究［49］；（b）基于自旋磁场组装的磁致机械力和高频交变磁场触发的磁热协同疗法（MTIT）［51］

Fig.6 （a） Multicomponent （Mn， Zn， Co） doped ferrite for magnetothermal studies［49］；（b） Magneto-mechanical force based on spin- field assembly and high frequency alternating magnetic field triggered magnetothermal synergy therapy （MTIT）［51］

图7 从单磁到双磁系统的磁铁配置示意图［61］

Fig.7 Illustration of magnet configuration from single to dual magnet system［61］

图8 MCD检测方法的工作原理示意图［69］

Fig.8 Illustration of the working principle of MCD detection method［69］

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