Fe3 O4＠SiO2 /rGO 復(fù)合材料的制備及性能

劉海豐， 高 波， 尹俊太

（東北大學(xué) 冶金學(xué)院， 沈陽 110819）

磁性納米材料是由尺寸為1 ～100 nm 的納米粒子所構(gòu)成的新型材料.近年來，它在磁流體、催化劑、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注［1］.磁性Fe3O4納米顆粒具有超順磁性、徑粒較小、表面易被修飾等優(yōu)異特點，因此在核磁共振成像、靶向載藥等領(lǐng)域逐漸成為學(xué)者們研究的熱點［2］.但磁性Fe3O4納米顆粒會出現(xiàn)自發(fā)降低表面能的趨勢，易發(fā)生團(tuán)聚，而表面改性是提高磁性Fe3O4納米顆粒性能的主要途徑之一.

目前，磁性Fe3O4納米顆粒表面改性所用的材料主要分為無機材料［3］和有機材料［4］.SiO2作為一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的無機材料，具有易修飾、比表面積大和生物相容性好［5-6］等特點.以Fe3O4納米顆粒為核心，在其表面包裹一層SiO2可形成Fe3O4＠SiO2復(fù)合材料.該方法既可提高Fe3O4納米顆粒的穩(wěn)定性和分散性［7］，還可避免其因氧化而失去超順磁性.易平［8］采用共沉淀法制備出Fe3O4＠SiO2核殼磁性納米顆粒（MFS）并對其結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行表征，研究結(jié)果表明：MFS 分散情況較好且形貌較完整，在VSM 測試中表現(xiàn)出典型的超順磁性，飽和磁化強度為85.38 emu／g.

近年來，磁性Fe3O4碳基復(fù)合材料因具有較高的比表面積、優(yōu)異的磁性、良好的生物相容性，被認(rèn)為是一種大有應(yīng)用潛力的靶向藥物載體材料.石墨烯是最薄、最堅硬的二維碳材料之一，它是碳原子通過sp2雜化緊密排列而成的六邊形蜂巢狀片層［9］.當(dāng)利用磁性Fe3O4納米顆粒與石墨烯進(jìn)行復(fù)合時，磁性Fe3O4納米顆粒往往會呈均勻分布，這能有效防止磁性Fe3O4納米顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象［10-12］.

Karimi 等［13］對所制備出的GO-TD-Fe3O4＠PEG 納米復(fù)合材料進(jìn)行載藥性能測試，發(fā)現(xiàn)阿霉素（DOX）可被有效地包裹在納米復(fù)合材料中，負(fù)載率 為92.6%.Taheri-Kafrani 等［14］使 用 功 能 化GO 復(fù)合的PMGO／CC／MTX 納米作為載體，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出載藥量高和藥物釋放可控的特點，在MTX 化療中有很大的應(yīng)用潛力.因此，本文中先采用溶劑熱法制備優(yōu)異磁性的Fe3O4納米顆粒，再用SiO2將其表面修飾成Fe3O4＠SiO2，然后將其與石墨烯進(jìn)行復(fù)合，用以制備Fe3O4＠ SiO2／rGO納米材料，并探究其對鹽酸表柔比星（EPI）的載藥性能，以期制備出一種載藥性能良好的EPI 藥物靶向載體材料.

1 研究方法

1.1 實驗原料

制備Fe3O4＠SiO2／rGO 復(fù)合材料所需的主要實驗原料如下：六水合三氯化鐵、尿素、二甲基甲酰胺、檸檬酸三鈉、氨水、PVP、CTAB、正硅酸乙酯、石墨、濃硫酸、硝酸、高錳酸鉀（以上試劑均為分析純）.

1.2 實驗方案

先將FeCl3·6H2O、尿素、檸檬酸三鈉、對苯二甲酸溶于二甲基甲酰胺與去離子水的混合溶液中，再進(jìn)行超聲.待超聲完成后，200 ℃下水熱2 h，再經(jīng)450 ℃退火處理，可還原得到Fe3O4粉末.將制得的Fe3O4粉末與PVP、CTAB 溶于氨水、正硅酸乙酯和無水乙醇的混合溶液中，經(jīng)超聲、攪拌得到均勻混合的溶液，再經(jīng)離心、干燥制得Fe3O4＠SiO2復(fù)合材料.隨后，將石墨、高錳酸鉀放入由濃硫酸和硝酸組成的混酸體系中，置于恒溫磁力攪拌器中加熱并攪拌.待攪拌均勻后，加入雙氧水，溶液變成金黃色，而后離心至溶液呈中性，干燥后即可得到氧化石墨烯（GO）.采用水熱法對上述制得的Fe3O4＠SiO2和GO 進(jìn)行處理，將GO 還原成rGO，復(fù)合得到Fe3O4＠SiO2／rGO 溶液，經(jīng)冷凍、干燥后，最終可得到Fe3O4＠SiO2／rGO 復(fù)合材料.

2 結(jié)果與討論

2.1 檸檬酸三鈉添加量對Fe3O4 物相組成和微觀形貌的影響

圖1 示出了在不同檸檬酸三鈉添加量下制備出的Fe3O4的XRD 圖.由圖可知，在2θ＝18.14°，30.12°，35.56°，43.16°，53.58°，57.08°和62.74°處，均檢測到Fe3O4的衍射峰，且分別對應(yīng)（111），（220），（311），（400），（422），（511）和（440）晶面.參考Fe3O4的JCPDS 數(shù)據(jù)庫（PDF：190-0129）可知，反應(yīng)產(chǎn)物僅由Fe3O4單相形成，并且純度較高，圖1 中的尖端和強峰可表明樣品結(jié)晶度良好.本實驗中使用檸檬酸三納作為分散劑，用以避免Fe3O4納米顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象.在靶向載藥領(lǐng)域中，使用磁性納米粒子作為藥物載體時，尺寸不宜過大.因此，為了達(dá)到藥物載體的尺寸要求，需要制備出粒徑較小的Fe3O4，再對其表面進(jìn)行Si 層包覆.從圖1中可看出，當(dāng)檸檬酸三納添加量為100 mg 時，半峰寬最大，F(xiàn)e3O4粒徑最小，故本實驗中選用的檸檬酸三納添加量為100 mg.

圖1 在不同檸檬酸三鈉添加量下Fe3O4 的XRD 圖Fig.1 XRD pattern of Fe3O4 with different trisodium citrate contents

2.2 Fe3O4 表面改性及性能分析

圖2 為不同放大倍數(shù)下的Fe3O4，F(xiàn)e3O4＠SiO2和Fe3O4＠ SiO2／rGO 的SEM 照片.由圖可知：本實驗中制備出的Fe3O4顆粒為棒狀，且發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象［見圖2（a） （b）］；被SiO2包覆的Fe3O4顆粒表面不平整，呈類球狀，但團(tuán)聚現(xiàn)象減弱，分散性良好［見圖2（c）（d）］.從圖2（e）（f）中還可以發(fā)現(xiàn)，褶皺狀的石墨烯能為Fe3O4＠ SiO2提供很大的鑲嵌復(fù)合空間，而Fe3O4＠SiO2也能阻止石墨烯堆疊，增加藥物表面的結(jié)合位點.

圖2 Fe3O4 及其復(fù)合材料的SEM 照片F(xiàn)ig.2 SEM images of Fe3O4 and its composites

圖3 為石墨、GO、rGO 和Fe3O4SiO2／rGO 的拉曼圖譜.由圖可知，這4 種材料的光譜均在1 334 cm-1和1 592 cm-1處表現(xiàn)出兩個特征波段D和G，但位置和相對強度略有不同.D 峰是由碳原子sp2環(huán)變化所引起的結(jié)構(gòu)缺陷，其強度可以測量石墨烯的缺陷［15］；G 峰則是由sp2雜化的碳原子相互拉伸振動所形成的［16-18］.從圖3 中還可看出，F(xiàn)e3O4SiO2／rGO 復(fù)合材料的D 峰強于G 峰，而D 峰較強說明復(fù)合材料缺陷較多，表面可利用的官能團(tuán)也較多，有利于藥物的負(fù)載.

圖3 4 種材料的拉曼圖譜Fig.3 Raman spectra of four materials

本實驗中對Fe3O4，F(xiàn)e3O4＠SiO2和Fe3O4＠SiO2／rGO 的磁性能進(jìn)行測試，結(jié)果如圖4 所示.由圖4 可知：這3 種材料均具有良好的超順磁性；本實驗中所制備的Fe3O4納米顆粒磁性能較好，飽和磁化強度Ms為81.95 emu／g；包裹SiO2后，Ms下降為58.53 emu／g；再復(fù)合rGO 后，Ms繼續(xù)下降至33.97 emu／g.

圖4 Fe3O4 及其復(fù)合材料的磁滯回線圖Fig.4 Hysteresis loop diagram of Fe3O4 and its composites

此外，為了進(jìn)一步測試Fe3O4的磁性，將Fe3O4粉末溶于水中，混合搖勻.開始階段，F(xiàn)e3O4懸浮在整個水溶液體系中，分散較為充分.當(dāng)使用永磁體在瓶壁外進(jìn)行吸附時，F(xiàn)e3O4全部吸附瓶壁上，如圖4 中插圖所示.

在電壓為-0.6～1.2 V、掃描速率為50 mV／S的條件下，對Fe3O4及其復(fù)合材料進(jìn)行電化學(xué)性能測試，結(jié)果如圖5 所示.由圖可知：當(dāng)Fe3O4納米顆粒包覆SiO2后，電流反應(yīng)減弱，這主要是因為SiO2本身導(dǎo)電性能差，而導(dǎo)電性的降低也從側(cè)面說明Fe3O4表面成功被SiO2層包覆；當(dāng)Fe3O4＠SiO2復(fù)合GO 后，電流反應(yīng)顯著增強，這是由于石墨烯本身的導(dǎo)電性良好，故復(fù)合材料的導(dǎo)電性也得到改善.

圖5 Fe3O4 及其復(fù)合材料的循環(huán)伏安曲線Fig.5 Cyclic voltammetry curves of Fe3O4 and its composites

2.3 Fe3O4＠SiO2/rGO 載體性能研究

2.3.1 Fe3O4及其復(fù)合材料的穩(wěn)定性分析

為了測試Fe3O4，F(xiàn)e3O4＠ SiO2和Fe3O4＠SiO2／rGO 在水中的穩(wěn)定性，將它們分散在水中靜置10 min，結(jié)果如圖6 所示.由圖6 可知：Fe3O4在水中穩(wěn)定性較差；Fe3O4＠ SiO2在水中穩(wěn)定性較好，且分散均勻； Fe3O4＠SiO2／rGO 也有較好的穩(wěn)定性.這說明Fe3O4＠SiO2／rGO 的載體性能優(yōu)越.

圖6 Fe3O4 及其復(fù)合材料在水中的穩(wěn)定性測試Fig.6 Stability test of Fe3O4 and its composites in water

2.3.2 Fe3O4＠SiO2／rGO 的載藥量研究

EPI 是目前臨床醫(yī)學(xué)使用較為廣泛的抗腫瘤藥物之一.本實驗所制備的Fe3O4＠ SiO2／rGO 納米復(fù)合材料具有疏水性，故在生物醫(yī)藥領(lǐng)域可作為藥物載體.將質(zhì)量濃度為4，5，10，20，25 μg／mL的EPI 溶液分別放入5 個試管中，采用紫外分光法測得EPI 的吸收波長為482 nm，故選定482 nm作為檢測波長.在482 nm 波長處，對5 個試管中溶液的吸光度和透過率進(jìn)行檢測，建立EPI 標(biāo)準(zhǔn)曲線.隨后，在5 個試管中分別加入5 mg 的Fe3O4＠SiO2／rGO，經(jīng)攪拌、超聲后，檢測它們上清液的吸光度和透過率，結(jié)果如表1 所列.

表1 不同質(zhì)量濃度下EPI 藥物溶液上清液的吸光度和透過率Table 1 Absorbance and transmittance of supernatant of EPI drug solution at different concentrations

圖7 示出了在不同的EPI 質(zhì)量濃度下吸光度所計算出的加載效率和加載能力（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）.從圖7 中可以看出：隨著EPI 質(zhì)量濃度的增加，F(xiàn)e3O4＠SiO2／rGO 的加載效率減小，加載能力增強；當(dāng)EPI 質(zhì)量濃度達(dá)到25 μg／mL 時，加載效率達(dá)到69.91 %，加載能力為34.95 %，這說明Fe3O4＠SiO2／rGO 具有良好的載藥性能.

圖7 Fe3O4＠SiO2/rGO 的加載效率和加載能力Fig.7 Load efficiency and load capacity diagrams of Fe3O4＠SiO2/rGO

2.3.3 Fe3O4＠SiO2／rGO 載體的細(xì)胞毒性研究

采用CCK8 實驗法對細(xì)胞毒性進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8 所示.由圖8 可知：在Fe3O4，F(xiàn)e3O4＠SiO2和 Fe3O4＠ SiO2／rGO 的 質(zhì) 量 濃 度 小 于80 μg／mL的條件下，細(xì)胞存活率均高于90%；當(dāng)Fe3O4質(zhì)量濃度升至160 μg／mL 時，細(xì)胞存活率降低至89.85%；而當(dāng)Fe3O4＠ SiO2和Fe3O4＠SiO2／rGO質(zhì)量濃度升至160 μg／mL 時，細(xì)胞存活率仍高于95%.綜上可知，F(xiàn)e3O4，F(xiàn)e3O4＠ SiO2和Fe3O4＠SiO2／rGO 這3 種載體的細(xì)胞毒性低，另外也說明Fe3O4，SiO2和rGO 材料具有良好的生物相容性，F(xiàn)e3O4＠SiO2／rGO 可適用于載藥領(lǐng)域.

圖8 3 種材料對細(xì)胞存活率的影響Fig.8 Effects of three materials on cell viability

對Fe3O4，F(xiàn)e3O4＠ SiO2和Fe3O4＠ SiO2／rGO進(jìn)行細(xì)胞凋亡實驗測試，結(jié)果如表2 所列.從表中可以看出：在這3 種材料的作用下，活細(xì)胞存活率均超過95 %；在Fe3O4＠SiO2／rGO 復(fù)合載體材料的作用下，活細(xì)胞的存活率為99.12%.綜上可知，F(xiàn)e3O4＠SiO2／rGO 復(fù)合載體材料對活細(xì)胞的周期生長機制幾乎不產(chǎn)生影響.

表2 藥物載體對各區(qū)域細(xì)胞凋亡的影響Table 2 Cell cycle of each region of the drug carrier%

3 結(jié) 論

（1）本實驗中所制備的Fe3O4納米顆粒具有良好的結(jié)晶度.采用包覆一層SiO2的方法對Fe3O4納米顆粒進(jìn)行表面改性，可使Fe3O4納米顆粒分散性得到提高.

（2）Fe3O4納米顆粒經(jīng)SiO2包覆后導(dǎo)電性降低，再經(jīng)石墨烯復(fù)合后，導(dǎo)電性得到改善.

（3） Fe3O4納 米 顆 粒 的 磁 性 能 較 好， 但Fe3O4＠SiO2磁性能下降.復(fù)合rGO 后，F(xiàn)e3O4＠SiO2／rGO飽和磁化強度為33.97 emu／g，具有超順磁性.

（4）隨著EPI 質(zhì)量濃度的增加，載體的加載效率減小，加載能力增強.當(dāng)EPI 質(zhì)量濃度達(dá)到25 μg／mL時，加載效率達(dá)到69.91%，加載能力為34.95%.

（5）在Fe3O4＠SiO2／rGO 復(fù)合載體材料的作用下，細(xì)胞存活率均超過95%，可認(rèn)為該材料是一種細(xì)胞毒性低的靶向載體材料.