金刚烷修饰的四氧化三铁颗粒：结构设计、制备及应用研究

一、引言

四氧化三铁（Fe₃O₄）纳米颗粒因其优良的超顺磁性、可控尺寸、生物相容性以及易表面功能化等特点，在磁共振成像（MRI）、靶向药物递送、磁热治疗和催化等领域发挥着重要作用。然而，裸Fe₃O₄颗粒表面活性高，易在水相中团聚或被氧化，导致磁性能衰减和分散性下降。为提升其稳定性和功能化水平，科研人员引入了多种表面修饰策略，其中，刚烷（adamantane）修饰因其化学稳定性、疏水性和独特的主–客体识别能力，成为近年来研究热点。

金刚烷是一种笼状碳氢结构，空间刚性大、非性、耐化学降解，且与环糊等分子具有较强的可逆结合能力。将刚烷基团修饰到Fe₃O₄颗粒表面，不仅能够提升颗粒在复杂环境中的分散性和*氧化能力，还能赋予其可编程的分子识别与载药功能，为构建多功能纳米平台提供了新思路。

二、结构设计与修饰原理

1. Fe₃O₄纳米颗粒的核心特性

超顺磁性：在外磁场下迅速磁化，撤去磁场后无剩磁，避免颗粒在体内自发聚集。

可控粒径与形貌：通过合成工艺调节，可获得不同尺寸、形貌（球形、立方体、花状等）的颗粒，以适配不同应用需求。

表面化学活性：颗粒表面的羟基等官能团便于化学修饰。

2. 刚烷修饰的优势

疏水屏障效应：降低水分子直接接触Fe₃O₄表面，减缓氧化和溶解过程。

主–客体作用：刚烷与β-环糊间结合常数可达10⁴–10⁵ M⁻¹，可利用该作用连接药物、荧光探针或靶向配体。

空间位阻保护：笼状结构阻碍颗粒间直接接触，防止团聚。

三、合成与修饰方法

1. Fe₃O₄纳米颗粒的制备

(1) 共沉淀法：在惰性气氛下，将Fe²⁺/Fe³⁺盐溶液（摩尔比1:2）与强碱混合，在pH 9–11条件下生成Fe₃O₄沉淀。工艺简单，但粒径分布较宽。

(2) 热分解法：在高沸点有机溶剂（如苯基醚）中分解有机铁前驱体（如Fe(acac)₃），可得到粒径均一、分散性良好的疏水颗粒，适合后续细修饰。

(3) 水热法：在高温高压反应釜中促进晶粒生长，得到结晶度高的颗粒。

2. 刚烷基团的引入

(1) 硅烷化偶联

先用含反应基团的硅烷（如3-氨丙基三乙氧基硅烷，APTES）修饰Fe₃O₄表面，形成稳定Si–O–Fe键。

再与刚烷衍生物（如刚烷羧酸NHS酯）反应，将刚烷共价连接到表面。

(2) 配体交换法

对热分解法制得的油酸包覆Fe₃O₄，通过与刚烷膦酸、羧酸配体交换，将刚烷直接锚定在颗粒表面。

(3) 接枝聚合

利用刚烷单体（如刚烷丙烯酸酯）在Fe₃O₄表面进行原子转移自由基聚合（ATRP），形成高分子壳层，刚烷基团分布于侧链。

四、性能表征

1. 磁性能

通过VSM或SQUID测量，刚烷修饰后仍保留超顺磁特性，饱和磁化强度（Ms）略低于裸颗粒，但在生物体系中表现更稳定。

2. 分散性与稳定性

动态光散射（DLS）和Zeta电位测试表明，刚烷修饰提高了颗粒在水相及生理缓冲液中的分散性，即使在高盐或不同pH条件下也能保持稳定。

3. 主–客体识别能力

利用荧光标记β-环糊探针可验证刚烷–环糊结合，通过荧光猝灭与恢复实验计算结合常数，确认其可逆性与选择性。

4. 表面化学

FTIR：出现刚烷C–H伸缩振动峰（2800–3000 cm⁻¹）。

XPS：C 1s信号中sp³碳比例增加。

TGA：可量化有机层质量分数。

五、应用领域

1. 靶向药物递送

刚烷修饰的Fe₃O₄可通过磁靶向输送至特定病灶，利用刚烷–环糊结合携带药物分子，在竞争配体作用下实现可控释放，适合化疗药物、基因载体等。

2. 磁共振成像（MRI）

Fe₃O₄是优良的T₂加权MRI对比剂，刚烷修饰增强了血液循环稳定性，并能通过与靶向配体结合实现特异性成像。

3. 磁热治疗

在交变磁场下，颗粒通过Neel弛豫与Brown弛豫发热，刚烷层可防止颗粒聚集，保证热效应均匀可控。

4. 生物传感与分子识别

刚烷–环糊的可逆结合可用于组装荧光探针或电化学探针，实现重复使用和信号响应调控。

六、发展挑战与展望

功能化与磁性能平衡：过厚有机层可能削弱磁响应，需要确控制修饰密度与层厚。

生物安全性：刚烷结构虽稳定，但长期体内循环的代谢与免疫影响需系统评估。

规模化合成与成本：刚烷衍生物合成路线相对复杂，需开发更经济、绿色的制备工艺。

多功能集成化：未来可将刚烷–环糊平台与光热、光动力、化疗等结合，实现诊疗一体化。

七、结论

金刚烷修饰的Fe₃O₄纳米颗粒结合了超顺磁核心的物理特性与刚烷分子的化学稳定性和主–客体识别能力，在药物递送、分子影像、热疗及传感等方面展现出独特优势。通过优化制备方法、提升生物安全性及开发多模式协同治疗体系，该类材料有望在准医疗和纳米诊疗一体化中发挥重要作用。

厂家:西安齐岳生物科技有限公司

用途:科研

温馨提醒:仅供科研，不能用于人体实验!