通过纳米粒子表面配体设计调控磁热疗特性：对细胞反应的影响

《Small》：Shaping Magnetic Hyperthermia Properties through Nanoparticle Surface-Ligand Design: Implications for Cellular Responses

磁性铁氧化物纳米颗粒的表面配体对其磁热性能和生物相容性的影响研究表明，不同配体的分子结构和电荷特性显著改变颗粒的磁滞回线面积、表面电子态及聚集状态，进而影响其比表吸热率（SAR）。实验发现，带有羧基的配体（如PAA）因表面氧化和强相互作用导致SAR较低，而硝基邻苯二酚（ND）配体因增强表面稳定性和减少电子耗散，表现出最高的SAR（754 W g?1）。细胞毒性测试表明，负电荷配体（PAA）的细胞毒性显著高于正电荷配体（PEI和DOP），而ND配体因最佳的水稳定性和电荷平衡，展现出最低毒性。研究证实，表面配体的电子结构调控和空间位阻效应是优化纳米颗粒磁热治疗效率的关键因素。

　　近年来，磁性氧化铁纳米颗粒（MIONPs）因其独特的物理化学特性，在生物医学领域展现出巨大的应用潜力。它们在靶向药物递送、医学成像增强以及磁热治疗（MHT）等前沿技术中发挥着重要作用。磁热治疗是一种利用交变磁场诱导纳米颗粒产生热量以治疗癌症等疾病的方法，其效果取决于纳米颗粒的磁性性能、分散稳定性以及与细胞的相互作用。然而，尽管已有大量研究关注MIONPs的磁性优化，但其表面设计的最优方案尚未达成一致。本文旨在探讨不同表面配体对MIONPs磁性、热效应和细胞活性的影响，从而为磁热治疗的临床应用提供新的视角和设计策略。

MIONPs的性能受到多种因素的影响，包括尺寸、形态、晶体结构以及表面配体的分子结构。这些因素共同决定了纳米颗粒在交变磁场中的加热能力，即特定吸收率（SAR）。SAR是衡量MIONPs在磁热治疗中热效应的关键指标，它与磁场频率和磁滞回线的面积密切相关。然而，表面配体的设计仍然是影响MIONPs性能的重要变量，尤其在磁热治疗的实现过程中，配体不仅影响纳米颗粒的磁性行为，还可能通过改变其聚集状态、表面电荷和表面结构，对细胞的反应产生显著影响。因此，深入研究表面配体的分子结构及其对纳米颗粒行为的影响，对于提高磁热治疗的效率和安全性至关重要。

本文的研究聚焦于表面配体的分子结构，包括锚定基团和分子链的结构变化。通过比较不同配体对MIONPs的磁性、热效应和细胞活性的影响，研究揭示了表面化学修饰对纳米颗粒性能的多方面作用。实验中采用了一系列表面配体，包括聚合物类（如聚丙烯酸（PAA）和聚乙烯亚胺（PEI））和儿茶酚类（如多巴胺（Dop）、6-硝基多巴胺（ND）和3,4-二羟基肉桂酸（DHCA）），并进一步探讨了这些配体对纳米颗粒的聚集状态和表面电荷的影响。研究结果表明，配体的分子结构在很大程度上决定了纳米颗粒的磁性行为和热效应表现，同时，其对细胞活性的影响也表现出明显的差异。

在磁性性能方面，研究发现，不同的表面配体会导致MIONPs的磁滞回线面积和磁饱和特性发生变化。例如，通过热重分析（TGA）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等手段，研究人员测量了配体的厚度，并发现其对纳米颗粒的磁滞行为有显著影响。对于PEI修饰的纳米颗粒，由于其较高的锚定密度和较弱的表面结合力，其磁滞回线面积和SAR值均高于PAA修饰的纳米颗粒。而在儿茶酚类配体中，ND修饰的纳米颗粒表现出更低的磁滞回线面积和SAR值，这可能是由于其锚定基团引起的电子表面耗尽现象，从而改变了纳米颗粒的表面各向异性。这种变化进一步影响了磁热效应的表现，表明配体的结构不仅影响磁性，还可能通过改变表面电子结构，间接影响纳米颗粒的热性能。

在热效应的评估中，研究人员利用光纤测温技术测量了不同配体修饰的纳米颗粒在交变磁场下的温度变化。结果表明，尽管SAR值与磁滞回线面积密切相关，但实际的加热效果可能还受到纳米颗粒的聚集状态和分散稳定性的影响。因此，配体不仅通过改变磁性特性影响热效应，还可能通过改变纳米颗粒的物理状态，间接调控其在交变磁场中的表现。这种复杂的相互作用表明，磁热治疗的效率并非仅由单一的磁性参数决定，而是需要综合考虑纳米颗粒的表面化学设计和物理行为。

在细胞活性方面，研究发现，不同配体修饰的MIONPs对细胞的毒性表现出显著差异。通过MTT实验和活/死细胞染色分析，研究人员评估了这些纳米颗粒在细胞培养体系中的影响。结果表明，带有正电荷的配体（如PEI和Dop）可能会促进纳米颗粒的细胞摄取，从而在一定程度上增加其细胞毒性，而带有负电荷的配体（如PAA和DHCA）则可能通过降低细胞膜的相互作用，减少其毒性。此外，ND修饰的纳米颗粒表现出最佳的细胞兼容性，这可能是由于其表面的硝基基团能够提高纳米颗粒的分散稳定性，从而减少其与细胞膜的直接接触。这一发现对于未来磁热治疗的应用具有重要意义，表明通过优化表面配体的设计，可以在提高治疗效果的同时，降低其对细胞的毒性。

在进一步的实验中，研究人员还探讨了通过引入不同分子量的聚乙二醇（PEG）链来改善ND修饰纳米颗粒的分散稳定性和热效应。结果表明，PEG链的长度对纳米颗粒的聚集状态和磁热性能有显著影响。短链PEG（如PEG12）能够增强纳米颗粒的热效应，而长链PEG（如PEG1000）则可能通过增加表面的立体阻碍效应，降低纳米颗粒的聚集倾向，从而改善其分散稳定性。然而，这种改进在一定程度上可能牺牲了纳米颗粒的磁热性能，表明在磁热治疗的设计中，需要在分散稳定性和热效应之间找到一个平衡点。

此外，研究还发现，纳米颗粒的磁热性能与其表面电子结构密切相关。通过FTIR分析，研究人员观察到不同配体修饰的纳米颗粒在特定波数下的振动峰发生了偏移，这表明表面配体的结合可能改变了纳米颗粒的电子分布。例如，ND修饰的纳米颗粒表现出明显的电子耗尽现象，而Dop修饰的纳米颗粒则可能由于其末端氨基基团的存在，增加了表面的电子密度。这些变化进一步影响了纳米颗粒的磁各向异性，从而改变了其在交变磁场中的热效应表现。因此，表面配体的设计不仅需要考虑其磁性行为，还应关注其对电子结构和表面各向异性的影响。

研究还发现，纳米颗粒的聚集状态对磁热性能有重要影响。通过动态光散射（DLS）和ζ电位测量，研究人员评估了不同配体修饰纳米颗粒的分散稳定性。结果表明，配体的分子结构和电荷特性在很大程度上决定了纳米颗粒的聚集倾向。例如，PEI修饰的纳米颗粒由于其较高的正电荷密度，表现出更强的静电排斥作用，从而减少其聚集。而PAA修饰的纳米颗粒由于其负电荷特性，可能在某些情况下更容易发生聚集。这些结果表明，纳米颗粒的分散稳定性是其磁热性能的重要影响因素，而表面配体的设计在这一过程中起到了关键作用。

综上所述，本文的研究揭示了表面配体在磁性、热效应和细胞活性方面的重要作用。通过改变配体的分子结构，研究人员能够调控纳米颗粒的磁性行为和热效应表现，同时优化其与细胞的相互作用。这些发现为磁性氧化铁纳米颗粒在磁热治疗中的应用提供了新的思路，强调了表面工程在纳米颗粒设计中的关键地位。未来的研究应进一步探索不同配体对纳米颗粒性能的协同作用，并结合实际应用场景，优化其表面设计，以实现更高的治疗效果和更低的细胞毒性。