羧甲基壳聚糖修饰的磁性纳米颗粒的制备与应用研究

摘要

磁性纳米颗粒（Magnetic Nanoparticles, MNPs）因其独特的磁响应特性、优良的比表面积及生物相容性，在靶向药物递送、磁共振成像（MRI）、细胞分离及生物传感等领域展现出巨大应用潜力。然而，裸露的磁性纳米颗粒易发生团聚和氧化，限制其稳定性和功能性。羧甲基壳聚糖（Carboxymethyl Chitosan, CMC）是一种水溶性壳聚糖衍生物，具有良好的生物相容性、化学可修饰性以及pH响应性。将其修饰在MNPs表面，既能增强其分散稳定性，又可引入功能基团，实现多功能化生物应用。本文系统介绍了羧甲基壳聚糖修饰磁性纳米颗粒的制备方法、结构特征、生物性能及其在药物递送、肿瘤治疗、重金属吸附等方面的典型应用，展望了该类材料未来的研究与发展趋势。

一、引言

磁性纳米材料，尤其是以Fe₃O₄为代表的铁氧体类纳米颗粒，因其在外加磁场中响应迅速、可控性强，成为纳米医学领域的重要工具。然而，裸Fe₃O₄颗粒存在以下问题：

容易氧化失去磁性；
在水性体系中团聚，影响分散性；
缺乏功能基团，限制生物应用。

为解决上述问题，表面功能化修饰是必经手段。羧甲基壳聚糖作为一种壳聚糖衍生物，兼具天然高分子结构与良好的水溶性，在pH 5~7范围内稳定，可提供大量的羧基（–COOH）和氨基（–NH₂）进行偶联反应，是理想的修饰材料。

二、羧甲基壳聚糖（CMC）简介

羧甲基壳聚糖是将壳聚糖的羟基/氨基经羧甲基化反应修饰而成的衍生物，通常有两种结构：

N-羧甲基壳聚糖（在氨基上修饰）
O-羧甲基壳聚糖（在羟基上修饰）

其中，O-羧甲基化为主的CMC更具水溶性和反应活性。

CMC的主要优点包括：

良好的水溶性，便于在生理条件下应用；
低毒、生物降解性强；
丰富的反应位点，可用于偶联药物、荧光染料、靶向配体等；
pH响应性，有利于构建控释系统。

三、CMC修饰磁性纳米颗粒的制备方法

1. 共沉淀法制备CMC-MNPs

原理：将Fe²⁺和Fe³⁺在碱性条件下沉淀为Fe₃O₄，同时加入CMC使其原位包覆。

典型流程：

将FeCl₃·6H₂O与FeCl₂·4H₂O按摩尔比2:1溶于去离子水中；
在氮气保护下滴加NaOH或NH₄OH溶液；
同时加入一定浓度的CMC溶液；
反应结束后用磁铁分离，洗涤干净；
得到CMC-MNPs颗粒。

羧甲基壳聚糖修饰的磁性纳米颗粒的制备

优点：操作简单，反应可控，包覆均匀。

2. 后修饰法

原理：先合成Fe₃O₄纳米颗粒，再通过静电吸附或化学偶联将CMC包覆其表面。

偶联方式：

通过EDC/NHS反应将CMC的羧基与Fe₃O₄表面氨基连接；
或先用硅烷（如APTMS）修饰Fe₃O₄，再与CMC偶联。

优点：结构可控，适用于功能化粒子。

四、理化性质与表征

表征方法	功能
TEM/SEM	观察颗粒形貌与粒径（一般10–30 nm）
FT-IR	确认CMC包覆成功（出现COO⁻、NH₂等特征峰）
XRD	检测Fe₃O₄晶型结构是否完整
VSM	测定磁性参数（饱和磁化强度）
TGA	分析CMC包覆量
DLS/Zeta	评估水中分散性与表面电荷