氧化鈰納米粒子的制備及其生物應用進展

劉冶坪, 牟 娟, 吳惠霞

(上海師范大學 化學與材料科學學院,上海 200234)

0 引 言

鈰(Ce)是鑭系元素(Ln)中第一個具有4f電子的元素,引起了物理學、化學、生物學和材料科學等領域的廣泛關注.Ce以Ce3+和Ce4+的雙重氧化方式存在并可發生可逆轉變,通常認為Ce4+氧化態比Ce3+更穩定.氧化鈰(CeO2-x,x=0～0.5)具有螢石晶體結構,其作為最具活性的稀土材料之一[1],已被廣泛應用于各種工程和生物領域.在工業上,它被廣泛用作汽車尾氣處理的三聯催化劑、甲烷氧化偶聯反應和水煤氣變換反應的活性組分[2-4].在生物應用上,多酶類特性(如超氧化物歧化酶[5]、過氧化氫酶[6]和氧化酶[7]等)使氧化鈰在生物分析、生物醫學、藥物遞送和生物支架等方面展示出了巨大的應用潛力[8].氧化鈰的結構、尺寸及形貌等對其物理化學性質具有重要影響.因此,如何控制氧化鈰晶體生長已成為當前科學研究的熱點之一.目前,氧化鈰納米粒子的制備方法主要有水熱法、溶劑熱法、沉淀法、反膠束法、熱分解法和溶膠凝膠法等[9].不同制備方法和反應條件(如反應原料、時間和溫度等)將直接影響反應產物氧化鈰納米粒子的形貌、結構、粒徑、分散性、表面電荷和性質等特性.本文作者綜述了氧化鈰納米粒子的制備方法及其在生物領域的應用.

1 氧化鈰納米粒子的制備

1.1 水熱法

水熱法合成納米粒子的研究主要集中在納米粒子的尺寸、形貌和晶體的多變性等方面.反應介質的pH值是影響納米粒子性質和結晶度的重要參數.TOK等[10]以氫氧化鈰和醋酸鈰兩種前驅體,采用低溫水熱法合成了氧化鈰納米晶顆粒.他們先將前驅體pH值調整到堿性(pH=10)和酸性(pH=4),然后使用襯有聚四氟乙烯的水熱釜在250 ℃反應不同時間(6,12,18和24 h).結果發現,兩種前驅體體系均在250 ℃水熱合成6 h后產生了晶狀氧化鈰納米顆粒.氫氧化物和乙酸鹽體系的平均晶粒尺寸分別為6和15 nm.醋酸鹽前驅體體系能夠得到結晶和形貌更好的納米顆粒.將合成的納米顆粒分別在500 ℃和1 000 ℃的溫度下熱處理2 h后,微晶的結晶度和晶粒尺寸均有所提高,但顆粒結塊現象更明顯.水熱處理能夠有效減少中間產物的產生.

1.2 溶劑熱法

溶劑熱法是在水熱法的基礎上發展起來的材料制備方法.溶劑的壓力和溫度高于其臨界點的,可以增加固體的溶解度并加速固體之間的反應.溶劑熱法具有純度高、均勻性好等優點,是制備低維納米材料的重要技術之一.SUN等[11]采用溶劑熱法合成了純相氧化鈰納米棒,其直徑為40～50 nm,長度為0.3～2 μm.研究表明,乙二胺的加入是獲得氧化鈰納米棒的關鍵.溶劑組分、表面活性劑和Ce源前驅體對最終產物的形貌有重要影響.反應溫度和反應時間對氧化鈰納米棒的產率也有顯著影響.相比塊體氧化鈰而言,氧化鈰納米棒的紫外可見吸收光譜和光致發光光譜分別表現出不同尋常的紅移和增強發光.

1.3 沉淀法

1.4 反膠束法

兩種互不相溶的液體,如油和水,通過使用表面活性劑來降低油和水之間界面的表面張力,使之分散,稱為微乳液.這些表面活性劑是由極性頭和非極性尾組成的分子.表面活性劑的極性部分被水吸引,非極性部分被油吸引.親水親脂平衡(HLB)將導致表面活性劑分子在球形液滴周圍形成單分子層的有序排列.這些球形顆粒可以用作微小的反應器容器,產物的大小將限制反應器的大小.例如,在水介質中發生的反應,可以在油包水微乳液中進行,稱為反向膠束方法.它的優點是可以得到粒徑均一、分布窄的納米粒子.SATHYAMURTHY等[13]以硝酸鈰為原料,氫氧化鈉(NaOH)為沉淀劑,正辛烷為油相,十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為表面活性劑,1-丁醇為輔助表面活性劑,采用反膠束法制備了粒徑約為3.7 nm的氧化鈰納米粒子.該氧化鈰納米粒子的直接帶隙為3.31 eV,在400 nm以下表現出很強的紫外吸收,最大吸收峰位于305 nm處.這些粒子也表現出室溫光致發光(PL).研究發現,PL峰對粒子濃度很敏感,當溶液被稀釋時,它會向更短的波長移動.

1.5 熱分解法

金屬鹽、表面活性劑和高沸點有機溶劑混合物中的金屬配體復合物前驅體的熱分解是制備高質量納米粒子最成功的方法.LIN等[14]以醋酸鈰、油酸、油胺和1-十八烯的混合物為原料,在可控氣氛下進行熱分解,合成了氧化鈰納米片和納米棒.氧化鈰的形貌通過合適反應氣氛、活化劑的添加方式、反應時間和溫度等來控制.在室溫下加入活化劑并與反應混合物一起加熱,可以形成納米片.在高溫下注入活化劑會導致納米棒的形成.納米片和納米棒都是小顆粒定向組裝形成的.與商用氧化鈰納米粉相比,氧化鈰納米板和納米棒的紫外吸收閾值邊緣出現了藍移.

1.6 溶膠凝膠法

溶膠凝膠法能很好地控制納米顆粒的尺寸、形態、純相、表面積和孔徑等性質,因此被廣泛用于合成金屬氧化物.它的原理是反應前驅體經水解、縮合等化學反應形成穩定、透明的溶膠.隨后,溶質聚合凝膠化形成濕凝膠.最后,濕凝膠經干燥、焙燒得到最終產物.反應原料一般為金屬醇鹽或可溶鹽.大部分非水溶液溶膠凝膠法采用昂貴的模板如P123、碳氫化合物、硅膠和碳等來合成氧化鈰.PERIYAT等[15]開發了一種新穎的水溶液溶膠凝膠法,以硝酸鈰和氨水為原料制備了粒徑為9～13 nm氧化鈰.這種方法最大的優點是不需要使用昂貴的前驅體,合成工藝簡單、反應可控.

2 氧化鈰納米粒子的生物醫學應用

2.1 生物分析

納米技術的發展極大地影響了生物分析技術.無機納米顆粒穩定的物理和化學性質改善了有機熒光體、放射性標記或天然酶的易光漂白、有毒、昂貴和易降解等缺點.氧化鈰納米粒子的多酶類活性已成功運用于生物檢測和分析.CeO2的類氧化酶活性使它能促進有機分子氧化產生顯色產物.ASATI等[16]通過點擊化學將葉酸連接到聚丙烯酸包覆的氧化鈰表面,開發了一種可靠的比色免疫測定法.由于葉酸可特異性識別某些腫瘤細胞表面葉酸受體表達升高,因此可以替代傳統的酶聯免疫吸附試驗(ELISA)中使用的抗葉酸受體抗體.靶向癌細胞(如肺癌細胞系,A-549)可捕獲葉酸修飾的氧化鈰,以3,3’,5,5’-四甲基聯苯胺為報告底物,建立了比色法,效率可以根據A-549細胞在652 nm時吸光度的增加幅度來判斷.以不含葉酸受體的心肌細胞(H9c2)作為對照,吸光度幾乎沒有變化,說明該比色法具有選擇性.該裝置在酸性條件下性能最佳.此外,氧化鈰還具有類磷酸酶活性、pH響應類生物酶活性、類過氧化物酶活性和比色性質,使得它可以用于各種生物檢測分析.與傳統檢測方法相比,氧化鈰具有更加穩定、pH響應、不依賴H2O2和價格低廉、易操作的優點.

2.2 疾病治療

2.3 藥物輸送

受到氧化鈰納米粒子的獨特和多功能性啟發,XU等[28]設計了一種基于氧化鈰包覆的介孔二氧化硅(SiO2)納米顆粒(MSNs@CeO2)的抗癌藥物遞送系統.他們分別合成了β-環糊精修飾的氧化鈰和二茂鐵功能化的SiO2納米顆粒(MSNs).在生理條件下,β-環糊精修飾的氧化鈰通過β-環糊精與二茂鐵的主客體相互作用吸附到二茂鐵功能化的單分散MSNs表面.當該復合納米體系通過溶酶體途徑(pH=4.5～5.0)內化到A549細胞后,二茂鐵基團被氧化鈰氧化為二茂鐵離子,從而觸發氧化鈰脫離并釋放裝載的抗癌藥物.由于氧化鈰在酸性條件下具有細胞毒性,與抗腫瘤藥物具有協同抗腫瘤作用.此外,由于其在生理環境中的抗氧化特性,氧化鈰將有利于接下來的代謝過程.氧化鈰的多功能性使其成為一種有吸引力的藥物遞送材料.

2.4 生物支架

KARAKOTI等[29]報道氧化鈰可促進培養在多孔生物活性玻璃支架上的人骨髓間充質干細胞(HMSCs)產生膠原.多孔生物活性玻璃支架已被應用于臨床,可與骨結合,作為骨生長的臨時導向并刺激骨在三維空間生長.骨髓來源的HMSCs是體內骨再生的關鍵細胞類型,因為它能分化為骨祖細胞.據報道,HMSCs對來源于分子氧的有毒化合物敏感.氧化鈰可以通過中和氧化應激而促進HMSCs的增殖.因此,將氧化鈰植入多孔的三維生物活性泡沫玻璃支架可以促進HMSCs的成骨分化和膠原形成.MANDOLI等[30]將氧化鈰粉末和聚(D,L-乳酸-乙醇酸)在特定濃度下混合,然后用溶劑澆鑄到預制的模具上,制作了用于干細胞體外培養的混合二維聚合物——陶瓷生物載體.氧化鈰不僅改善了聚合物基復合材料的力學性能,而且由于其抗氧化活性,它能促進再生組織的生化活性,在組織工程應用中潛力巨大.

3 總結與展望

Ce4+和Ce3+之間快速而有利的轉變使氧化鈰具有極好的催化和多酶模擬屬性,在工業和生物系統中具有廣泛的應用價值.目前,氧化鈰的工業應用發展良好,而生物應用尚處于起步階段.氧化鈰的類酶活性在簡單緩沖溶液和非生物研究中得到了支持.然而,在生物介質、細胞、組織甚至動物中的作用機制及效果有待進一步證實.氧化鈰的制備方法、結構形貌、顆粒大小和表面特征等與其生物反應/毒理學的相關性尚不明確.此外,氧化鈰的毒性機制需要進行長期、細致、系統的考察.雖然還存在一些未解決的問題和挑戰,但氧化鈰獨特的物理化學性質和已取得的重大進展表明,氧化鈰將在疾病檢測分析和治療方面發揮巨大潛能.