表面改性的氧化铁纳米探针在生物医学支架中的应用

《Nanoscale Advances》：Surface-modified iron oxide nanoprobes in biomedical scaffolds

磁性聚脲支架通过表面修饰铁氧化物纳米颗粒提升磁热治疗效率，SPIONs@Al(OH)3在热增温、磁响应和细胞相容性方面最优。

　　近年来，随着纳米技术在生物医学领域的广泛应用，磁性纳米材料因其独特的物理化学性质而受到越来越多的关注。其中，磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）因其超顺磁性、良好的生物相容性以及易于表面修饰的特性，在磁共振成像（MRI）、靶向药物输送和磁热疗等生物医学应用中展现出巨大的潜力。为了进一步提升这些纳米材料在生物医学中的应用价值，科学家们不断探索新的表面修饰方法，以增强其在生理条件下的稳定性、磁响应性和细胞相容性。本文围绕磁性氧化铁纳米颗粒的表面修饰及其在聚氨酯（PU）支架中的应用展开，旨在开发一种用于癌症靶向治疗的多功能生物材料平台。

在研究中，研究人员对磁性氧化铁纳米颗粒进行了多种表面修饰，包括柠檬酸、聚乙二醇（PEG）、油酸（OA）以及氢氧化铝（Al(OH)?）。通过系统的实验分析，发现其中氢氧化铝修饰的SPIONs（SPIONs@Al(OH)?）在多个关键性能指标上表现最为优异，包括良好的胶体稳定性、磁响应性和细胞相容性。这些特性使得SPIONs@Al(OH)?成为一种理想的磁热疗材料，尤其在临床相关的交变磁场下，其表现出高效的磁热性能。通过将这些修饰后的纳米颗粒嵌入PU支架中，研究人员成功构建了具有多孔结构的磁性复合材料，其在保持机械强度的同时，能够提供局部的磁热治疗效果。

PU支架因其机械强度高、可调的孔隙率和良好的生物相容性，长期以来在生物医学工程中被广泛使用。然而，当将未修饰的磁性纳米颗粒直接引入这类支架时，常常面临纳米颗粒分散不均和生物性能不佳的问题。因此，本研究通过引入不同的表面修饰策略，系统地评估了其对支架性能的影响。研究结果显示，不同的表面修饰不仅影响了纳米颗粒的分散性，还显著改变了支架的磁性特性、热响应行为以及细胞相容性。其中，SPIONs@Al(OH)?由于其独特的多核壳结构，表现出最佳的磁热性能，这为开发新型的、适用于癌症治疗的植入式材料提供了重要的理论依据和实验支持。

为了验证这些磁性纳米颗粒在PU支架中的实际应用效果，研究人员对支架的物理化学特性进行了全面表征。其中包括通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和选区电子衍射（SAED）分析纳米颗粒的形态和晶体结构，通过动态光散射（DLS）和ζ电位测量评估其在水中的分散性和表面电荷特性，利用热重分析（TGA）测定有机涂层的含量，并通过磁滞回线测试分析其磁性行为。实验结果表明，SPIONs@Al(OH)?不仅在磁性方面表现出色，其在支架中的分布也更加均匀，形成了具有优良中孔结构的复合材料，这有助于提高其在体内的生物利用度和热传导效率。

在磁热性能测试中，研究人员采用MagneTherm系统，在交变磁场下对不同修饰的磁性支架进行了评估。结果表明，SPIONs@Al(OH)?修饰的支架在相同磁场条件下实现了最高的温度上升（ΔT ≈ 43 °C），而其他修饰方式则表现出相对较低的热响应能力。这主要是由于Al(OH)?涂层的多核结构促进了纳米颗粒之间的磁耦合，从而增强了磁热效应。此外，通过计算内在损失功率（ILP），研究人员进一步验证了不同支架在不同磁场条件下的性能差异，发现SPIONs@Al(OH)?支架的ILP值显著高于其他类型，这表明其在磁热治疗中的应用潜力更大。

为了确保这些磁性支架在临床应用中的安全性，研究团队还对其细胞相容性进行了评估。实验中使用了NIH/3T3成纤维细胞，分别在直接接触和间接接触条件下测试了支架对细胞活性的影响。结果显示，所有磁性支架均表现出良好的细胞相容性，其中SPIONs@Al(OH)?修饰的支架与未修饰的PU支架相比，细胞活性未受到明显影响，表明其在生物体内具有较低的细胞毒性。这一结果进一步支持了其作为植入式材料的可行性。

此外，研究人员还通过扫描电子显微镜（SEM）和汞渗透法对支架的孔隙结构进行了分析。结果显示，不同修饰方式对支架的孔隙形成过程产生了一定影响，其中SPIONs@OA修饰的支架在小孔分布上表现出独特的特征，而SPIONs@Al(OH)?修饰的支架则在孔隙大小和连通性方面保持了较好的平衡。这表明，表面修饰不仅影响了纳米颗粒的物理化学性能，还对支架的微观结构产生了显著影响，从而影响其在生物环境中的功能表现。

研究还发现，SPIONs@Al(OH)?修饰的支架在长期浸泡后仍能保持良好的稳定性，未检测到铁元素的明显释放，这进一步证明了其在生物医学应用中的安全性和持久性。同时，该支架在热响应测试中表现出更高的温度上升幅度，表明其在磁热治疗中的效率更高。这些结果不仅验证了表面修饰在改善磁性纳米材料性能方面的关键作用，也为未来开发更高效的磁热治疗平台提供了重要参考。

综上所述，本文的研究成果为磁性纳米材料在生物医学中的应用提供了新的思路。通过系统地探索不同表面修饰方式对磁性纳米颗粒性能的影响，研究团队成功开发出一种在磁热治疗中表现优异的PU复合支架。SPIONs@Al(OH)?不仅在磁性、热响应和细胞相容性方面表现出色，其独特的多核壳结构还增强了纳米颗粒之间的磁耦合，从而提高了磁热效率。这些发现为未来的癌症靶向治疗提供了有力的材料基础，同时也为纳米材料在生物医学领域的进一步研究和应用奠定了坚实的基础。