第1章绪论
纳米材料是指特征维度尺寸在纳米量级(1-100 nm)的材料。纳米材料的特征维度尺寸处于原子簇和宏观物体的交接区域，具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子險道效应，并产生奇异的力学、电学、磁学、光学、热学和化学等特性，因而在国防、电子、化工、冶金、航空、轻工、医药、生物、核技术等领域中具有重要的应用价值。纳米材料可分为两个层次：一是纳米微粒；二是纳米微粒聚集体〔包括膜和线〕。随着纳米科学的发展，纳米材料定义的内涵和外延在不断扩大，比如纳米管、纳米孔、纳米线等均在其研究之列。众多的纳米材料中，有一种我们既熟悉又陌生的材料，就是金。在日常的生活中，金主要以珠宝、货币和电子材料的形式出现。比如，办公室窗户上的金薄片可以让可见光大量高效地穿透到室内的同时，反射近红外光，保持冬暖夏凉。分子层面上的金，则从催化到医学上的抗关节炎等广泛的领域都有应用金是典型的贵金属。宏观块体金具有许多优良的性质，如较高的电导率、良好的延展性以及优良的抗腐烛和抗氧化性能。当金的尺寸小至纳米级别时就会出现许多新的性质。其中最受人们关注的要属纳米金与光的作用。当光照射到金纳米粒子表面时，在某个特定波长会出现强烈的吸收或散射，或者是两者皆有，这种性质与金纳米粒子的形貌和所处的介电环境有很大关系。这种现象被称为局部表面等离子激元共振(LSPR)，许多纳米尺寸的金粒子的应用都利用了这个现象(比如几百年前人们就利用这种现象给玻璃上红色)。1857年Michael Faraday率先报道了在水相中合成了胶体金，在这之后有关于金纳米粒子的系统研究逐步受到人们关注[7]。进入21世纪后，Gustav Mie和John Turkevich分别在理论和实践方面为金纳米粒子的研究作出了重要贡献[8]。1904年，Gustav Mie求解了球形颗粒的Maxwell方程，人们可以基于此推测和解释金纳米粒子的光学性质[9]。1951年，John Turkevich首次提出了利用梓檬酸及其衍生物简单有效的合成金纳米粒子的方法[8]。Mie理论和Turkevich合成方法直到今天还在沿用。随着表征手段越来越丰富，合成方法越来越简单且可控，研究人员可以逐渐控制金纳米粒子的尺寸、形貌和性质。下面，我们首先介绍一下各种不同结构的金纳米粒子及制备方法。
1.1不同结构的金纳米粒子
图1.1显示的是不同形状和尺寸的金纳米粒子在这之中金纳米球、纳米壳、纳米棒和纳米笼是四种常见的金纳米结构，它们无论在合成方法还是在其光学性质方面都是典型的代表，因此在生物医学领域受到了广泛应用[23_29]。下面就最常见的这四种金纳米结构作简单的介绍：
1.1.1金纳米球
金纳米球(AuNPs)是人工合成的最简单的金纳米结构，由Michael Faraday首先在水相中利用憐还原氯化金合成得到[7]。目前，金纳米球的胶体合成方法多采用相似的策略：利用还原剂对金的过渡金属盐(如HAuCU)进行直接还原形成纳米球，同时用表面保护剂如梓檬酸三钠或表面活性剂十六院基三甲基溴化钱(CTAB)等通过静电/物理排斥的方式来稳定金纳米球，防止团聚的发生。另外，金纳米球的粒径大小可以通过改变金属盐和还原剂或金属盐和保护剂的化学剂量比来控制，所生成的粒子大小可以从几到数百纳米之间进行调控[33]。但是上述方法在制备粒径较大的金纳米球时，难以保证尺寸均一性以及金纳米球的单分散性。对于这种尺寸较大的金纳米球，一般使用晶种辅助多步生长法，先制备出小的金属纳米粒子，然后将它作为晶种(成核中心)制备更大尺寸的纳米粒子134，35]。只要简单地改变晶种与金属盐浓度的比例就可以控制纳米粒子的尺寸。1973年，Frens对Turkevich提出的梓檬酸盐辅助生长法进行了系统的研究，合成出了单分散的粒径在16-150 nm范围内可调的金纳米球最近，Puntes等人进一步发展了 Frens的方法，通过调节温度、金前躯体浓度、pH值等条件来抑制生长过程中的二次成核，得到了粒径最大可达200 nm，单分散、尺寸均一的金纳米球[30]。金纳米球的制备方法虽然简单，然而，其局部表面等离子激元共振峰(LSPR)—般出现在500-600nm，并且随着金纳米球的粒径变大LSPR峰会出现红移，但是光学性质受粒径的影响较小，为了使LSPR红移至适合生物应用的近红外窗口(650nni-900nm)，需要对金纳米粒子的形貌进行调控。
第2章实验原料与表征
2.1实验原料
目前，癌症已经成为制约人类健康的一个重大疾病，其发病率与死亡率也是逐年增高。因此，如何实现对癌症早期诊断并且及早开展治疗显得尤为重要。常用的癌症诊断方式主要有磁共振成像(MRI)[i42_I44]、X射线断层摄影(CT)[I45，146]、超声[I47]与正电子发射造影(PETf9’ 143]等。为了提高诊断的准确性，多种影像工具经常配合使用来克服单一模式造影带来的不确定性与误判例如：CT造影能够给出高分辨率的三维(3D)组织细节，但是却受限于其极低的灵敏度，特别是在密度差较小的软组织造影时，图像效果不够理想；相反，磁共振的分辨率较低但具有很高的灵敏度。因此，开发一种具有同时增强MRI与CT造影能力的多功能纳米探针可以有效克服上述单一造影模式的缺陷，极大改善成像效果与减少误判。经过数十年的发展，纳米材料的合成技术以及生物应用日趋完善。比如，热分解制备的四氧化三铁(Fe304)纳米粒子具有高的池豫率与对比效果，已经被广泛作为磁共振造影剂而深入研究151-154];而金纳米颗粒(Au NPs)对X射线的高效吸收及优良的光学性能使其在CT造影[ISO，i55]与光学成像(如暗场光散射f76，和双光子成像，等方面具备广阔的应用前景。同时，这两种纳米粒子都具有良好的生物相容性并可较快速从体内代谢排出。因此，将这两种功能纳米粒子整合于一体，就可以同时增强MRI与CT造影效果，从而实现对癌症精确的早期诊断与治疗评价。到目前为止，已经有一些文献报道了制备Fe304与Au NPs复合颗粒的方法，最常用的就是通过热分解的办法将铁的前躯体沉积到预先制备得到的金纳米颗粒的表面，或者是利用化学键如琉基、氨基或静电引力将分别制备的Fe304与AuNPs复合到同一颗粒中[162，163]。然而，上述方法存在着共同的缺陷：1)反应不可控，复合颗粒的组成、尺寸及形貌的均一性较差；2)结构不稳定，反应前后都需要复杂的表面修饰过程，导致颗粒团聚严重，不适用复杂的体内环境3)具有细胞标记功能的突光分子由于极易被贵金属淬灭突光而难以引入到体系中[149]。
第3章超顺磁四氧化三铁-金纳米复合颗粒..........25
3.1引言........25
3.2实验部分........26
3.2.1憎水性四氧化三铁纳米粒子........26
3.2.2磁性胶束的制备........26
3.2.3表面巯基功能化的硅交联磁性胶束........26
3.2.4超顺磁四氧化三铁-金纳米........26
3.2.5细胞毒性试验........27
3.2.6细胞暗场光散射与突光标记........27
3.2.7体外MRI与CT成像性能测试........27
3.2.8体内MRI与CT成像........28
3.3结果与讨论........28
3.3.1SH-SSCNs微球结构与形貌表征........29
3.3.2复合颗粒结构........31
3.3.3体内、体外MRI测试结果........35
3.3.4体内、体外CT成像测试结果........37
3.3.5肝癌MRI与CT成像测试结果........38
3.3.6暗场光散射与荧光标记........39
3.4本章小结........42
结论
论文主要创新点及结论如下：
(1)利用两亲性嵌段共聚物聚苯乙稀-Z)-聚丙稀酸在选择性溶剂中的自组装特性，同时通过憎水作用将油相四氧化三铁纳米粒子封装在嵌段共聚物胶束的内部，进而得到具有球形形貌的磁性胶束；然后引入娃焼偶联剂MPTMS及罗丹明B对磁性胶束的亲水壳层交联固定的同时，进行突光功能化与表面琉基修饰；最后，通过S-Au共价键利用原位还原一步法嫁接金纳米粒子，得到一类具有超顺磁、焚光特性的多功能纳米粒子并初步验证了其在细胞焚光标记及暗场光散射成像、肿瘤磁共振与CT成像方面的应用。
(2)创新性地以巯基功能化的桂交联磁性胶束作为内核，通过控制原位还原嫁接金纳米粒子的尺寸并利用种子辅助生长法制备了具有近红外光吸收特性的两种金纳米结构(纳米星与纳米壳)。同时，对纳米壳的种子生长成壳的过程及其在肿瘤磁共振造影与光热治疗性能作了详细研究并初步考察了金纳米壳的体内生物相容性。
(3)针对以往制备金纳米壳过程中，金纳米种子通过静电引力吸附后电势变化容易引起颗粒团聚，影响光学性能及结构稳定性的问题，本论文发展了一种利用S-Au共价键，原位还原一步法嫁接金纳米粒子的方法。该方法不但步骤简便、过程可控，重复性好，而且可以通过简单地控制溶液中MPTMS分子的浓度实现对嫁接的金纳米粒子尺寸的有效调控。并且该方法具有很好的通用性，能够拓展到其他含巯基官能团的微球表面金纳米粒子的嫁接。
(4)首次通过嵌段共聚物与憎水四氧化三铁纳米粒子之间的自组装作用，成功地将磁性功能材料复合到了金纳米壳中，得到的复合颗粒具有组成可控、结构稳定、尺寸均一、单分散等优点。并且，本论文发展的这种嫁接金纳米种子及制备超顺磁金壳纳米复合颗粒的方法具有优良的可调性。通过控制磁性胶束封装的四氧化三铁用量，可以有效地对超顺磁金壳的粒径、光学性能、弛豫率进行调控。
参考文献
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