国家大学生创新性计划典型案例

资源加工与生物工程学院

国家大学生创新实验计划项目典型案例（1）磁性核/壳结构纳米材料的控制合成、结构及性能研究

项目负责人：无机0502班李伟

“磁性核/壳结构纳米材料的控制合成、结构及性能研究”课题是由中南大学资源加工与生物工程学院无机非金属材料科学与工程专业0502班的李伟同学主持另有4位同班同学参与申请并受国家资助的国家大学生创新性实验计划项目。指导老师刘小鹤副教授主要从事纳米材料、生物材料、吸波材料及电源材料方面的研究工作。近年来，先后主持国家自然科学基金青年科学基金、湖南省科技计划重点项目、湖南省自然科学基金等6项科研课题，在《Journal of Physical Chemistry C》、《Chemistry - An Asian Journal》以及《Nanotechnology》等国际重要学术期刊上发表研究论文20余篇（SCI），申请国家发明专利2项。

纳米磁性材料以其独特的物理化学性质及在电子器件、吸波材料、信息存储、生物医学等领域内的巨大应用潜力而备受瞩目。目前在单分散磁性纳米材料的合成、结构、性能与应用研究领域，正孕育着重大的突破与科学发现。癌症已经成为威胁人类健康的重大疾病之一，有效地医治癌症已成为科学研究中的当务之急。纳米尺度的磁性材料在癌症治疗中的潜在应用，为磁性材料开辟了崭新的研究领域。选择此课题主要是以肿瘤治疗为目的来制备具有核/壳结构的生物载体。

目前，我们已经合成了粒径小于10nm的单分散磁性纳米粒子，并完成在表面包覆改性，现在正与中南大学湘雅二医院陈军教授合作进行肿瘤治疗方面的实验研究。距离合成有效的肿瘤治疗用药剂还有很长的一段路要走，但我们一直努力着。

一、项目选题的背景

现代科技迅猛发展，使过去只能幻想的事物成为现实。在谈癌色变的今天，科学家们一直坚持不懈的努力探索，期望能早日攻克癌症。初次接触到这个课题，便激起了我们很大的兴趣，没有想到纳米磁性粒子在生物医药上有这么大用途。兴奋的小组成员查阅了大量的有关文献，并认真的整理和总结。

通过学习，我们了解到纳米尺度的磁性材料由于具有小尺寸效应、良好的磁

导向性、生物相容性、生物降解性和活性功能基团等特点，以及良好的生物相容性和一定生物医学功能，可结合各种功能分子，如酶、抗体、细胞、DNA或RNA 等，因而在靶向药物、酶的固定化、免疫测定、细胞的分离与分类等领域可望有广泛的应用。

大二期间，课题组长李伟在刘老师的指导下能够运用液相化学反应控制合成技术，制备一些粒径均匀分布的不同形貌的铁氧体纳米材料，如球形和圆饼形四氧化三铁纳米粒子，粒径在10-200nm范围内调控。另外，在粒子的表面处理方面也取得了突破性进展，能够使四氧化三铁纳米粒子稳定地分散在某一溶剂中，不发生团聚。

二、项目成员组成、分工及老师指导

课题小组由无机0502班的5名同学组成。组长李伟和组员程莹莹具有实践基础，所以主要负责纳米磁性材料的制备；陈跃具有很强的理论分析能力，负责纳米磁性材料的结构及性能的研究；张国庆擅长文献检索及资料的整理总结，负责包覆技术；卢家亿有很强的想象和创造能力，负责包覆结构的测试。每个人各有分工，每个环节相互配合，使得小组的竞争力大大加强。

指导老师刘小鹤老师是一个工作认真、学术态度严谨、具有创造性思维的科研工作者。他努力培养学生，对我们寄予很高的期望，同时也向我们提出更高的要求，并对我们的工作给予重点支持和倾心指导。在他的指导下，我们的课题小组工作有条不紊地进行，并有了初步的可喜的成果。

三、项目的创新点与特色

该项目的创新之处主要表现在以下三个方面：

(一) 此项目是以液相合成技术为基础，结合高温高压、溶胶凝胶与模板限制等技术手段，发展一套制备磁性核/壳结构纳米材料的新技术。以液相合成技术为基础，结合高温高压、表面活性剂辅助等技术手段，制备纳米尺度的单分散Co3O4、Fe3O4、γ-Fe2O3，并在此基础上制备其他单分散磁性纳米材料，如MnFe2O4、ZnFe2O4、CoFe2O4以及Mn-ZnFe2O4、Ni-ZnFe2O4等磁性材料。

(二) 揭示磁性核/壳结构纳米材料的形成机制与规律性，提出新的反应与生长理论模型。通过研究工艺参数对于磁性材料的结构、尺度、形貌和物性

的影响，优化制备工艺，制备出尺度均一，大小可调、可控的单分散磁性纳

米材料。并且探讨其形成机理，进一步揭示单分散磁性纳米材料的结构、形貌、物性与制备工艺间的关联。通过适当的有机/无机包覆技术，利用化疗药

物对上述单分散磁性纳米材料进行表面包覆处理，发掘该类核/壳结构材料优

异的物理化学性质，并在特殊的核/壳结构形式下材料物理化学性质的变化，

探讨其形成机制并建立核/壳结构材料的生长模型。采用XRD、SEM、TEM、HRTEM和SQUID等手段以及红外光谱、拉曼光谱等光谱技术对于合成的单

分散的磁性材料以及有机-无机复合的核壳结构材料进行结构表征和物性测量。

(三) 研究磁性核/壳结构纳米材料在生物医学上的应用。以肿瘤治疗为目的来制备具有核/壳结构的生物载体，是该项目的最大亮点。

四、项目进展与初步成果

(1)采用溶剂热法，成功制备了单分散的四氧化三铁和铁酸盐。同时研究了影响产物形貌和特性的关键因素，如反应温度、反应时间、保护剂种类、反应物浓度等，实现了将Fe3O4纳米晶的粒径在10-200nm范围内进行调控合成，在此基础上，成功制备了Fe3O4表面包覆碳质材料的磁性核/壳结构材料。

图1. 溶剂热法合成的单分散四氧化三铁及其核/壳结构材料的TEM照片

(2) 项目采用热分解技术，以无毒的乙酰丙酮盐为主要原料，辅以合适的还原剂，在高沸点的有机溶剂中成功合成了粒径为5nm左右的单分散四氧化三铁磁性材料，同时研究了表面活性剂种类、反应温度等影响产物特性的关键因素。该方法具有一些其他单分散纳米材料制备方法无法取代的独特优点：在有机溶剂中反应

能够有效地抑制产物的氧化过程；不同于采用水热法以水做溶剂低沸点的限制，利用有机溶剂的高沸点，使得一些在低温下无法反应的物质可以在有机溶剂中得到分解或反应。采用该法制备的单分散磁性纳米晶具有粒度分布均一、比表面积大、纯度高、表面活性高且易于修饰且环境友好等特点。目前申请人已熟练掌握了高温热分解法的反应机理，有望采用该方法在制备其他具有独特性质的纳米材料方面取得更大突破。

图2.热分解法制备的单分散四氧化三铁TEM照片

(3) 采用适当的表面包覆技术，对上述制得的单分散Fe3O4纳米粒子表面包碳处理，使其表面具有易于与siRNA表达质粒偶联的基团。通过荧光显微镜监测发现偶联复合物的细胞转染效率达到20%以上，相关工作正在进行中。

五、收获与体会

经过认真的分析和细致的讨论，我们选择了这个课题。不仅满足了我们大学生学以致用的迫切要求，更主要的是这个课题具有重大意义，攻克癌症不再只是幻想，纳米磁性材料为我们提供了可行的方法和手段。有幸被选中的我们很兴奋，因为在大学本科阶段可以有这样一个机会让我们参与其中，贡献自己的聪明才智，并为人类健康的进步做些积极的工作，这将是很有意义的事情。于是，暑假期间，我们就开始查阅文献，关注国内外进展和发展动态，并寻找可行方法，经分析比较后选择几个优化方案，做了一些相关的实验后，最终确定一种最优方案。接下来准备药剂，调试实验设备。我们专业已经拥有可供无机化学合成研究工作用的常规反应釜、高压反应釜、真空惰性气体保护系统、及可实现温度控制的电加热马弗炉、管式炉、真空干燥箱等多台设备，同时还有红外光谱仪，紫外可见

分光光度计，气相色谱仪等检测设备，已经具备了实验所需的基本条件。除此之外，我们可充分利用本校分析中心、材料学院以及粉末冶金研究院的大型仪器，如X-射线衍射仪，光电子能谱仪（XPS）、荧光光谱仪、激光Raman光谱仪、透射电镜(TEM)，扫描电镜(SEM)等大型仪器以满足研究的需要。这些资源为我们提供了强有力的支持，我们从中获益很多。

在实验过程中，我体会到科学研究是一项辛苦的工作，需要耗费大量时间和精力去学习新的知识和方法，尤其是对于我们这些初涉其中的人来说，只能牺牲大量的个人时间去填补课题知识上的空白。同时实验也需要科学使用和操作仪器，使用不当极有可能会造成对自己或对他人的伤害，这就需要我们持有高度认真严谨的实验态度，保证自己和他人的安全。前期的准备阶段，我们扩充了大量知识，并熟悉了基本操作，确定了目标和方法，为我们以后实验的顺利进行打下了基础。

一次实验的成功可能会伴随着一千次的失败，似乎有些夸张，但这就是科学研究的真实写照。但在遇到失败时，是继续坚持走下去，还是此路不通另辟蹊径？很多时候，我们会有这样的困惑和迷茫，突然失去方向，失去希望。我们最初制备的纳米粒子太大，不符合要求，并且由于纳米粒子的小尺寸效应又重新团聚在一起。就在不知所措的时候，刘小鹤老师告诉我们，不要轻易放弃，成功有时就在于灰心时候的再坚持。但不能是盲目的坚持，要及时分析和总结实验数据。认清在实验过程中有哪些重要的影响因素，通过实验设计，改变这些影响因子，选择最优化方案。只有找准方法，不断摸索，才能进步。于是，我们及时调整了方法，实验、实验、再实验，终于实现了尺寸小于10nm的单分散纳米磁性粒子的合成。在绝望中寻找希望，人生终将辉煌。

现在正处于和湘雅医学院合作进行肿瘤细胞试验的过程中，但同时又有更多的困难和挑战等着我们。如何包覆均匀的葡聚糖？如何尽可能多的连接药物，提高承载能力？如何实现磁性载体的可控性，使得它具有与多种抗癌药物，如阿霉素、FUDR、放射性元素，甚至基因类药物、活性蛋白、抗体以及小分子多肽连接的潜力，并可针对不同类型的肿瘤，开发出不同种类的纳米磁性载体系统？更重的是，怎样推广到应用上去，制成对人体没有危害的并能准确富集在病灶部位的药剂？这些问题都需要继续去解决去攻克。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。但我相信我们会走得更远，因为我们在孜孜不倦的努力着。