多功能磁性纳米颗粒的介绍、制备及生物医药应用摘要纳米技术和分子生物的结合，发展了一个新兴的研究领域：纳米生物技术。
磁性纳米颗粒是一类性能卓越的纳米材料，它具有可控的尺寸，在外形上易于改变，核磁共振现象中对比明显等特质。
因此这些纳米颗粒在生物及医药领域得到了很广泛的应用，包括：蛋白质的纯化，药物输送，医学成像。
由于在生物医药领域，多模式功能具有潜在的利益，研究者们纷纷开始设计和制造多功能磁性纳米颗粒。
现在有两种方法来制造基于磁纳米基础上的多功能纳米结构。
第一个方法是分子功能化，包括依赖抗体、蛋白质，和给磁性纳米颗粒染色；另一种方法是整合磁性纳米颗粒的其他功能纳米成分，例如量子点，或金属纳米颗粒。
正是因为他们可以显示几种功能协同和运输，而不是一种功能同时起效，这种多功能磁性纳米颗粒在生物医药领域的应用有着独特的优势。
我们先回顾一下多功能磁性纳米颗粒的设计和生物医药应用的几个例子。
在多功能磁性纳米颗粒与适合的配体、抗体或蛋白质结合之后，生物功能磁性纳米颗粒显示出了高度选择性的结合。
这些结果显示出了纳米颗粒可以应用于解决生物医药问题，例如：蛋白质纯化，细菌检测，褪毒素。
使纳米颗粒与其他纳米成分结合在一起的混合纳米结构，显示出伴随着特征的顺磁性。
例如荧光或加强的光学对比度。
这一结构为强化医学成像和药物控制释放提供了平台。
我们希望多组分磁性纳米颗粒的完整结构和特殊的结构特征的结合。
可以吸引更多的研究兴趣并在纳米医疗中开辟出新的道路。
1.介绍纳米技术和分子生物医药的结合是的一项新兴的研究领域——纳米生物科技蓬勃发展。
纳米生物科技还未发现新材料过程、现象等提供了有利的机会，纳米级别的磁性材料有它们独特的优点，例如可以在生物医药应用上提供许多机会，首先磁性纳米材料可以传输从1-104nm数量级的固定尺寸的物质，因此他们的尺寸和性能的最优化可以很容易的与研究热点相匹配。
其次外部的磁力可以制造纳米颗粒，这一“超距作用”为很多应用领域提供了巨大的优势。
最后磁性纳米颗粒还在核磁共振图像对比度增强剂中起到了很重要的作用。
因为磁性纳米颗粒的质子磁矩信号可以通过共振吸收所获得，最近已经合理的提出了生产单分散的、固定尺寸的磁性纳米颗粒（例：FePt、Fe3O4和γ-Fe2O3）的技术和流程。
这一技术的提出使得磁性纳米颗粒的应用得以更广泛的研究，包括生物医疗领域。
图1 这个框图说明两种制造多功能磁性纳米粒子的方法及其潜在的应用领域本文中我们叙述了多功能磁性纳米颗粒在生物医药中的一些潜在的有用的设计和应用，由于他们具有多元性，磁性纳米颗粒吸引了更多的研究成果。
一般来说有两种制造磁性纳米颗粒的多功能结构方法（图1）。
第一种方法是分子功能化，生物功能的分子（例如：抗体、配合基、受体）覆盖在此行纳米颗粒的表面，使得他们与高亲和性的生物实体相互反应。
这样就提供了一个可控的方法来“标记”，在分子功能化之后，生物功能的磁性纳米颗粒在许多生物应用中都表现出高度的选择性和敏感性。
第二种方法是通过持续性的增长和覆盖，使得磁性纳米颗粒与具有其他功能的纳米结构相结合，这一方法在纳米尺寸上提供了一个单一实体所赋予的多重功能。
例如使用磁性纳米颗粒作为种子，在半导体氧族化合物生长时产生出具有磁性和荧光性的壳状或异二聚体状的纳米结构，这样使得纳米粒子胞内的操作得以证实，并且为双官能化的分子成像提供了一种可能。
磁性纳米颗粒与金属纳米颗粒的结合形成异二聚体的结构，这样所形成的两种独特的表面和性能使得不同种类的功能分子可以依附在异二聚体的特定部位，新的异二聚体结构可以结合多种受体，或者作为复合式成像的媒介。
由氧化铁纳米壳做包装的一种潜在抗癌药物可以产生蛋黄形的纳米结构，这一结构是药物输送的一种新型的纳米元件。
2.磁性纳米颗粒的分子功能化经过生物分子修改之后，磁性纳米颗粒可以利用某种特定的装载方式来检查或提纯生物实体。
在磁场中，由于它们具有独特的性质，具有生物功能的磁性纳米颗粒存在两种特征：专一性和磁性。
在大部分的表面饰变过程中，不论是聚合覆盖还是化学配体的改变，都基于或源自于自组装的单层膜。
以下部分就是在讨论几种应用过程中磁性纳米颗粒上的功能性分子的依附作用。
图2 （A）万古霉素共轭FePt纳米颗粒和细菌的相互反应（B）释控反应中FePt-NH2的扫描电子显微镜（SEM）图像（C）金黄色葡萄球菌与万古霉素共轭FePt纳米颗粒聚合（D）FePt-NH2纳米颗粒的集合（E）扫描电子显微镜（SEM）图像（F）由万古霉素共轭FePt纳米颗粒获得VanA细菌的透射电子显微镜（TEM）的图像2.1特定的组合与目标有着高度亲和性的生物分子组合，他们的相互反应主要存在于自然界。
如果其中的一个生物分子实体与磁性纳米颗粒相结合，所产生的具有生物功能的磁性纳米颗粒可以有针对性的与其他生物分子实体相结合。
其主要原因是由于外部的磁力可以控制生物实体的位置，基于这一理念，许多的应用例如，病原体的检查，蛋白质的纯化，褪毒素等，都已在实验室的研究中证实了，可以利用生物功能的磁性纳米颗粒来做研究。
2.1.1细菌检测细菌在低浓度下很难检测，并且在进一步的分析之前需要很长的感应时间。
在临床诊断和环境监测中，没有时间消耗步骤的超低位浓度下检测细菌是非常有利的。
我们发现了一个简单的方法，即利用万古霉素共轭FePt 纳米颗粒（FePt@Van conjugates ）可以在极低浓度下获得并检测出一些病原体，这些病原体有：万古霉素抗药性肠球菌（VRE ）、革兰阳性细菌。
图2A 显示了使用生物功能的磁性纳米颗粒检测细菌的实验过程。
万古霉素共轭FePt 纳米颗粒和细菌溶液相互混合，由于他们强烈的相互作用，使得足够多的磁性纳米颗粒附着在细菌上（即Van 和D-Ala-D-Ala 在细菌表面多价染色体相互反应）。
在分析时，一个小的磁体吸引并充满这些细菌-纳米颗粒混合物，在释控实验中，因为缺乏特定的分子识别，使用FePt 纳米颗粒覆盖在非特异性分子团（FePt-NH2）上不能获得细菌（图2B ）。
根据细菌微米级别的尺寸，扫描电子显微镜（SEM ）可以很容易的从总体中将它们分辨出来。
万古霉素共轭FePt 纳米颗粒在超低浓度下获得一些细菌的菌株，例如金黄色葡萄球菌，表皮葡萄球菌，凝固酶阴性葡萄球菌。
图2C 显示了“磁化的”金黄色葡萄球菌与万古霉素共轭FePt 纳米颗粒聚合时的扫描电镜图像，当使用FePt-NH2时，（图2D ）的扫描电镜图像中没有了金黄色葡萄球菌，这意味着肯定是因为分子识别，万古霉素共轭FePt 纳米颗粒与金黄色葡萄球菌结合了。
图2E 显示的是万古霉素共轭FePt 纳米颗粒获得素病原菌（VanA 基因型）的扫描电镜图像。
透射电子显微镜（TEM ，图2F ）清楚的证实了纳米颗粒在细菌细胞表面与之相结合。
现在已经发现的最低浓度限值是4cfu/ml 。
也许是因为万古霉素共轭FePt 多价纳米颗粒的尺寸与抗体的比较接近，一些高敏感性的细菌检测时也是用到它，例如lgG （鼠李糖乳杆菌）。
此外，根据在细胞表面的适合受体的部分曝光，万古霉素共轭FePt 纳米颗粒也可以获得并预浓缩革兰氏阴性细菌，如大肠杆菌。
使用万古霉素共轭FePt 磁性纳米颗粒的检验限度与用聚合酶链反应（PCR）图 3 血液样本检测细菌的步骤：（i ）添加万古霉素共轭FePt 纳米颗粒（ii ）通过磁体获得细菌（iii ）添加用Van-FLA 染色的细菌（iv ）磁性分离细菌Van-FLA 染色的解决方案检验的限度相比较，当细菌总数很低时采用前者的方法比用PCR的方法要快。
另外，当PCR不适用时，使用生物功能的磁性纳米颗粒获取细菌也是很实用的方法，在这个过程中结合用荧光染料标记的万古霉素共轭FePt磁性纳米颗粒，可以很快并且敏感、低耗的完成血液中的细菌检测。
FePt纳米颗粒为引入万古霉素提供了一个平台，以便于形成多元互动。
荧光万古霉素，共轭万古霉素和荧光胺（Van-FLA），为了快速检测使用荧光显微镜来染色富集的细菌。
这个方法允许样品中的细菌检测在两个小时内进行，并且在低至10cfu/ml的浓度下仍然很敏感。
图3所示的血样检测细菌的简单步骤：（Ⅰ）混合（Ⅱ）分离（Ⅲ）着色（Ⅳ）洗涤。
利用荧光显微镜,我们可以很容易地观察捕获的细菌（图3）。
尽管通过结合生物功能的磁性纳米粒子可以检测多种细菌和一个特定的抗体,它可能只具备有限的准确性并使成本太高。
为了快速、准确地检测菌株的类型,低浓度,整合磁性纳米粒子对细菌积累和PCR方法有可能带来一些DNA分析的优点。
毕竟,生物功能的磁性纳米粒子将有助于开辟了一条新的途径和有吸引力的病原体检测和疾病诊断的应用。
2.1.2蛋白质纯化净化和有效的处理对蛋白质的研究与生命科学的应用是非常重要的。
在现有的方法中,磁分离和纯化的方法是一种简便可靠的选择性和捕捉特定蛋白、遗传材料,细胞器、细胞。
例如,用多巴胺作为一种鲁棒锚，NTA-终端磁性纳米粒子的成功制备为分离六组氨酸(6 xHis)-标记的蛋白质提供了一个简单并丰富的平台。
较高的表面积/体积比和良好的纳米颗粒离散系数也会增加蛋白质的结合能力。
目标蛋白质覆盖纳米粒子的表面快速有效,从而减少整体空置的表面积,非特异性吸附,实现更高的特异性的蛋白质比微粒。
此外, 由于纳米微粒较高的特异性，可以使用NTA-末端磁性纳米粒子消除细胞裂解的预处理(图4 A,B)。
值得一提的是NTA-修正磁性纳米粒子可重复使用而不失去效率(图4 B)。
虽然在六组氨酸-标记（6 xHis-tag）基础上的蛋白纯化得到了广泛的应用,但是金属-NTA毒性化合物在这种技术仍然需要注意的在体内应用。
磁性纳米粒子的特异性蛋白分离表现表明作为一个通用的、多功能的系统的磁性纳米粒子, 如果使用恰当末端和配体，在低浓度下要选择性的与其他生物靶向相结合。
2.1.3 褪毒素在褪毒素中磁性纳米粒子中也发挥着重要的作用,这种方法可以减少污染和去除毒素的身体。
例如, 由二磷酸盐(BP) 组成的生物功能的纳米粒子,它可以协调一个铀酰离子(UO22+)与高亲和力,并能有效去除这个铀酰离子UO22+(图4 C)。
设计出的磁纳米颗粒,Fe 3O 4-BP,可以分别从水和血中去除99%和69%的UO22+ (图4 D)。
除了第一个从生物学状态纳米颗粒中清除辐射的例子,该结果还表明,功能化、生物相容性的磁性纳米粒子，可以为有选择性的、快速去除体内放射性毒素充当有效的媒介。
虽然使用Fe 3O 4-BP 纳米粒子切除UO22+的成功方法，为开发一个去除危害人体的放射性提供了一个潜在的生物相容性的平台,但是这对于研究人员下一阶段在动物模型上来证明这种可能性是很重要的。
2.2 染料或药品磁性纳米颗粒也是吸引共轭磁性纳米粒子与其他功能的分子。