金纳米颗粒自组装1 引言纳米技术(nanotechnology）是研究结构尺寸在0.1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。
目前纳米技术涉及领域主要包括：化工、能源、材料、生物医学等。
尺寸为纳米级别的物质其性质也会发生变化，出现既不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质特殊性能，把这种具有特殊性能材料称为纳米材料。
纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础，可以以很多形状存在，例如球状、棒状、片状、星状、线状、枝杈状等。
由于纳米材料的较小尺寸，使它产生出小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等，从而具有传统材料不具备的特异的光、电、磁、热、声、力、化学和生物学性能。
因此，纳米材料也被科学家们广泛应用于各个研究领域，如催化、生物医学、化工、环境能源等。
在众多纳米材料中，金纳米颗粒自从16世纪欧洲现代化学的奠基人、杰出的医师、化学家Paracelsus制备出“饮用金”用来治疗精神类疾病以来，开始登上了科学的舞台。
随着纳米技术的不断发展，人们发现金纳米颗粒具有独特的光、电、热、催化等物理与化学性质，生物相容性好等特点，是构筑新型复合功能材料的重要组元，在生物传感、细胞及活体成像、癌细胞的光热治疗、肿瘤放射治疗、靶向载药等生物医学领域展现出了广阔的应用前景。
金纳米颗粒的光学性能方面，由于入射光源的波长与金纳米颗粒的原子表面自由电子的振动频率可以发生共振耦合，使金纳米颗粒具有突出的局部表面等离子共振吸收（Localized surface plasmonresonance, LSPR）。
金纳米颗粒的LSPR性质与其尺寸、周围介质性质以及纳米微粒间作用等因素都有关。
因此，不同尺寸的金纳米颗粒会有不同的共振吸收峰，并且改变纳米微粒间距离、介质等都会造成共振吸收峰位置的左移或右移。
小尺寸范围（<50 nm）的金纳米颗粒的等离子共振吸收通常在可见光范围520-530 nm左右有一个很明显的吸收峰，尺寸越大，吸收峰波长越大，并且其溶液会呈现出橙红、酒红、浅紫等不同颜色。
大尺寸的金纳米颗粒自组装聚集体的等离子共振吸收除了在可见光范围520-530 nm左右有一个很明显的吸收峰，并且其溶液颜色会呈现深紫、蓝黑色等。
这一近红外波长范围正是生物组织所具有的光的窗口。
近红外线能够穿透进入深部组织达10cm，克服了可见光不能很好穿透组织的缺点，为利用金纳米材料进行光热治疗，破坏肿瘤细胞提供了理论依据。
此外，也有很多研究报道，金纳米颗粒的其他一些生物性能也与其尺寸有关，例如2016年Chang等研究了3-50 nm不同尺寸的金纳米颗粒增强CT成像与放射治疗的效果比较，发现约13 nm的金纳米颗粒细胞摄取最多，具有最好的CT成像以及对肿瘤具有较强的放射增敏治疗疗效。
2009年Chan等也发现金纳米颗粒的细胞摄取量与尺寸相关，对于PEG修饰的金纳米颗粒，小尺寸的金纳米颗粒随着血液运输具有更深的组织穿透深度，可以输送到病变组织深部，但是很容易随着时间延长回流到血液中或周边正常组织，而大尺寸的金纳米颗粒自组装聚集体在病变组织具有更长的滞留时间，更有助于对疾病的诊断与治疗应用。
因此，基于纳米自组装体与单独纳米微粒之间性质的区别，纳米颗粒自组装越来越受到人们的关注。
传统的纳米颗粒（尤其是金属纳米颗粒）自组装聚集主要是通过纳米颗粒自发地组织或聚集成一种热力学稳定、分布均一、性能特殊的结构的过程。
该过程主要依靠两个因素来形成聚集体系：其一是通过非共价键（特别是氢键）作用来形成稳定的纳米聚集体系；其二是纳米体系为了达到最低能级所产生的自发聚集。
然而由于依赖非共价键作用或电荷间作用，通过这些传统方法所获得的纳米聚集体系往往呈现出较差的重复性和稳定性，大大制约了材料在生物体系中的应用。
因此近年来，通过设计合成适当化学配体修饰或构建刺激响应性的纳米材料自组装应用于生物医学领域的研究越来越受到人们关注。
2 金纳米颗粒自组装及其生物医学应用几乎所有的种类纳米颗粒都可以在其表面修饰合适的配体或构建为“智能”响应型颗粒来达到自组装。
这些纳米颗粒除了作为自组装单体，还有其他的一些各自独特的性质。
例如，磁性纳米颗粒，包括铁、钴、镍等，利用它们的磁特性可以是很好的磁导向材料。
量子点纳米材料，由于其突出的荧光性质，在生物标记及成像方面有很好的应用。
还有一些贵金属纳米材料，例如，铂纳米材料可以利用Pt2+进行肿瘤治疗。
金纳米材料由于其在近红外区的较强的表面等离子体共振吸收可以应用肿瘤光热治疗等。
因此，能够控制这些种类的纳米颗粒的自组装聚集对其在生物医学应用有着重要的意义。
例如，磁性纳米材料在磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）领域应用越来越受到大家的关注，而MRI的性能与纳米粒子的聚集状态非常相关，分散的氧化铁纳米粒子主要用于T1成像，而聚集状态的氧化铁纳米粒子的T2成像效果更好。
因此，可以通过控制磁性纳米粒子自组装来进行生物靶向性成像。
有研究报道，pH敏感的铂纳米材料到达肿瘤细胞的细胞溶酶体后，在体内发生自组装同时可持续释放Pt2+来克服肝癌肿瘤细胞耐药性问题。
此外，金纳米颗粒的自组装的生物应用也有很多报道，如生物传感器、细胞成像、肿瘤光热治疗等，我们将在下面着重介绍。
目前研究金纳米颗粒自组装或聚集的报道很多。
金纳米颗粒自组装或聚集主要是可以通过两种方式，第一种是在金纳米颗粒表面修饰适当化学配体来介导其自组装。
第二种是构建内源性或外源性刺激响应的金纳米颗粒触发其自组装。
2.1 化学配体修饰介导的金纳米颗粒自组装各种各样的化学配体可以修饰在金纳米颗粒表面介导自组装聚集，例如小分子化合物、聚合物、生物大分子等。
为了进一步将纳米颗粒自组装聚集体系应用在生物医学方面，研究人员在设计合成化学配体修饰介导的自组装聚集体系不得不考虑化学配体在复杂生物体环境中的稳定性以及生物相容性。
2.1.1 小分子化合物修饰介导目前文献报道小分子化合物修饰介导的金纳米颗粒自组装聚集有很多。
例如，2013年Zhao等人在金纳米颗粒表里面修饰了4-哌嗪-1,8-萘二甲酰亚胺后，可以螯合溶液中Fe3+使金纳米颗粒发生聚集，并且通过比色和荧光方法来定量分析Fe3+的含量。
2011年Ye等在金纳米颗粒表面修饰巯基乙胺后，在滴入硫酸盐溶液后迅速发生静电相互作用使金纳米颗粒发生聚集，可以超灵敏检测水中最低50ppb浓度的硫酸盐。
并且很多研究报道小分子化合物修饰介导的金纳米颗粒自组装聚集过程还可以是可控的，例如，Berlin课题组在金纳米颗粒表面修饰季戊四醇四巯基乙酸酯（PTMP）后，通过加入马来酰亚胺-PEG来使得金纳米颗粒反生可控聚集，并且修饰不同量的PTMP，可以调控聚集大小，可以为将来纳米载药及纳米成像应用材料设计提供新思路。
Chen等2010年也报道了利用季戊四醇四巯基乙酸酯修饰的金纳米颗粒和柠檬酸跟修饰的金纳米颗粒，来可控的使两种金颗粒发生不同组合的聚集形式。
2012年Singamaneni等利用小分子交联剂胺基硫醇对金纳米颗粒自组装聚集动力学过程进行了研究报道，通过改变交联剂与纳米颗粒的比例可以预测并可控金纳米颗粒聚集的速度及程度。
Cooper以及Brust等人也都在体外研究证实利用二硫醇烷修饰可以介导金纳米颗粒发生自组装聚集。
此外，2016年Grzybowski课题组利用TMA/MUA两种小分子化合物修饰得到的正负混合电荷纳米颗粒，发现在不同比例TMA/MUA修饰条件下，混合电荷纳米颗粒对革兰氏阳性菌或阴性菌的细胞壁造成破坏，从而达到抗菌的作用。
综上所述，虽然目前对小分子化合物修饰介导金纳米颗粒自组装聚集可以做到实时监测及可控，但是仍然存在一些优缺点，优点是：小分子化合物与修饰在纳米颗粒表面后对纳米颗粒的自身尺寸影响较小，并且修饰较为简单，大部分是利用硫醇化学物在金颗粒表面形成金-硫键。
缺点是：因为小分子化合物在生物体内稳定性和生物相容性较不好，目前利用小分子化合物修饰介导的金纳米颗粒自组装聚集研究都停留在体外溶液实验中，而且介导的自组装聚集较少在生物医学领域应用。
2.1.2 聚合物修饰介导聚合物不仅在纳米颗粒自组装聚集方面应用较广，而且在医学应用方面也非常受欢迎。
与小分子化合物相比，聚合物在生物体内可以有长时间的血液循环，并且通过设计聚合物结构来实现载药和释放药物。
聚合物修饰介导的金纳米颗粒发生自组装聚集往往是因为表面修饰的聚合物同时具有亲疏水性导致的。
聚合物的亲疏水性指的是聚合物一端亲水基团一端疏水基团，大部分聚合物修饰介导的纳米颗粒自组装聚集过程都是因为聚合物的疏水基团可以在水的界面会发生较强的疏水作用，并且疏水作用与纳米颗粒的表面电荷相关。
2014年Zhang课题组发表的标题为金纳米颗粒可控自组装聚集应用于光热治疗和CT成像研究中，分别将PCL-SH和PMEO2MA-SH聚合物修饰在14 nm的金纳米颗粒表面得到同时具有疏水和亲水配体的金纳米颗粒。
在两种配体不同比例条件下，金纳米颗粒会发生不同程度的聚集状态，随着PCL-SH/PMEO2MA-SH的比例增加，可以发现金纳米颗粒聚集体从囊泡状逐渐变大的胶束状。
并且形成的胶束状的金纳米颗粒聚集体不仅增强了肿瘤的CT成像效果，而且其等离子共振吸收可以从原来的520 nm红移到830 nm，使其具有较强的光热转换效率，可以应用于肿瘤的光热治疗中。
2015年Zhang等人继续利用PCL和PMEO2MA聚合物为模板，形成具有较小尺寸8 nm金纳米颗粒自组装聚集体，并利用自组装聚集体载化疗药阿霉素实现肿瘤光热治疗和化疗的联合。
此外，Tsourkas课题组也在2014年连续报道了两篇关于利用PEG-b-PCL聚合物修饰介导金纳米颗粒自组装聚集研究。
在第一篇研究中，他们在1.9 nm 的金纳米颗粒表面修饰上具有亲疏水性的PEG-b-PCL聚合物，修饰了PEG-b-PCL的金纳米颗粒可以在乳液环境中慢慢形成包裹了金颗粒的聚合物胶束，当含金聚合物胶束尾静脉注射到小鼠体内后，在肿瘤组织有较长的滞留时间，不仅增强了肿瘤的CT成像，而且具有很好的肿瘤放射增敏治疗效果。
在第二篇研究中，他们不仅将金纳米颗粒包裹在PEG-b-PCL聚合物胶束中进行放射增敏治疗，同时为了进一步提高纳米颗粒对肿瘤的成像的灵敏度，还将氧化铁纳米颗粒包裹进胶束中对肿瘤的进行磁共振成像。
同时利用亲疏水性的PS-b-PEO嵌段共聚物来介导金纳米颗粒自组装聚集的研究也受到科研人员的关注。
2015年Nie等报道了可以通过调控PS-b-PEO修饰在金纳米颗粒表面的量使金纳米颗粒形成不同聚集状态的空心囊泡，金纳米颗粒表面高密度的PS-b-PEO修饰不会先形成链状，空心囊泡中金纳米颗粒整齐排列，形成的空心囊泡等离子共振吸收峰会有轻微的红移，光声成像效果不好。