通过介孔二氧化硅和P(NIPAM/MAA)共聚物涂层提高各向异性磁性纳米盘的胶体稳定性

优化磁性纳米圆盘合成策略，去除还原步骤的oleic acid可避免纳米盘侵蚀，同时通过介孔二氧化硅涂层减少颗粒聚集。后续聚(NIPAM-co-MMA)表面修饰显著提升纳米颗粒在水和细胞培养基中的稳定性，且未观察到细胞毒性。该成果为生物医学应用中的稳定磁性纳米圆盘提供了新方法。

　　
该研究聚焦于磁性纳米圆盘（Magnetic Nanodiscs, MNDs）的合成优化与表面功能化，旨在解决纳米材料在生物医学应用中面临的稳定性与毒性问题。通过引入硅烷涂层和聚合物共聚物，研究团队成功提升了MNDs的分散性、稳定性和生物相容性，为智能热疗和神经调控等应用奠定了基础。

### 一、研究背景与科学意义
磁性纳米材料因独特的热响应和机械刺激特性，在肿瘤治疗（磁热疗）、神经调控（磁场驱动离子通道）等领域展现出重要应用潜力。然而，纳米材料易因磁偶极相互作用或表面化学性质导致聚集，影响其在水溶液或生物体内的稳定性。以磁性纳米圆盘为例，其盘状结构在磁场中可产生涡旋磁化，但高浓度下容易通过磁相互作用自发聚集。传统合成方法中，常添加有机酸（如oleic acid, OA）作为稳定剂，但OA可能通过表面吸附导致纳米颗粒形貌破坏或加速腐蚀。

本研究通过优化合成流程和表面功能化策略，实现了以下突破：
1. **合成流程简化**：去除还原步骤中的OA，避免纳米圆盘的侵蚀和表面化学改性干扰；
2. **双涂层技术**：先通过硅烷化修饰制备多孔二氧化硅（m-SiO?）层，再引入NIPAM/MAA共聚物，形成无机-有机复合涂层；
3. **稳定性提升**：在生理介质（RPMI 1640）中实现72小时无显著聚集，细胞毒性低于国际标准阈值（>80%存活率）。

### 二、关键技术创新
#### （一）合成工艺优化
传统MND合成包含两步：①水热法合成赤铁矿（α-Fe?O?）模板；②氢气还原为四氧化三铁（Fe?O?）。研究发现，还原步骤中添加OA虽能短期抑制聚集，但会通过表面吸附引发材料降解，导致产物中形成非盘状颗粒（TEM显示小球体占比达30%）。

研究团队通过三阶段优化：
1. **模板控制**：调整FeCl?与乙酸钾比例（0.273:0.8 g）和反应温度（180°C，18小时），确保赤铁矿模板形成均匀六边形盘状结构（TEM显示26±7 nm厚度）；
2. **还原工艺改进**：采用纯氢气（100%）流场（360°C，30分钟），避免OA引起的副反应。XRD和FTIR证实所有赤铁矿完全转化为磁铁矿（Fe?O?），且未检测到OA残留；
3. **硅烷涂层制备**：在赤铁矿模板表面先沉积m-SiO?层（厚度4±1 nm），通过控制CTAB浓度（40 mg/L）和异丙醇-水比例（1:1），实现纳米级孔隙（直径2-5 nm）的均匀分布，孔隙率高达68%。

#### （二）表面功能化策略
1. **m-SiO?涂层优势**：
- 物理屏障作用：孔隙结构可阻隔磁偶极相互作用，使Fe?O?@m-SiO?的零星聚集率（DLS测量）从5%降至0.8%；
- 化学修饰平台：表面Si-OH基团与硅烷偶联剂（MEMO）反应效率达92%，为后续功能化提供高活性位点。

2. **NIPAM/MAA共聚物设计**：
- **电荷调控**：MAA引入负电荷（zeta电位-25 mV），在生理pH（7.4）下形成静电斥力，使Fe?O?@m-SiO?@P3的粒径波动率（PDI）从0.38降至0.29；
- **温度响应特性**：NIPAM链段在37°C（体温）下发生相变，形成弹性屏障，有效抑制粒径增长（DLS显示48小时后直径仅增加15%）；
- **比例优化**：80:20（P2）和50:50（P3）共聚物中，P3因MAA占比更高，在RPMI培养基中稳定性提升40%，细胞毒性降低至2.5%以下。

#### （三）稳定性评估体系
研究构建了多维度稳定性评价模型：
1. **动态光散射（DLS）**：监测粒径随时间变化，发现未涂层MNDs在生理液中的聚集速度是涂层的7.2倍（48小时后直径达2.4 μm vs. 0.34 μm）；
2. **原子力显微镜（AFM）**：显示m-SiO?涂层使表面粗糙度降低67%（RMS从0.58 nm降至0.19 nm），并形成有序六边形微孔结构；
3. **细胞毒性测试**：采用MTS法评估WI-38成纤维细胞和HEK293T细胞存活率，Fe?O?@m-SiO?@P3在200 μg/mL浓度下仍保持>95%存活率，显著优于对照组（78%）。

### 三、主要发现与机制解析
#### （一）硅烷涂层对磁转化的影响
通过XPS和FTIR分析发现，m-SiO?涂层使Fe-O键能降低15%，但未改变Fe3?/Fe2?氧化态比例（XRD显示Fe?O?纯度>99%）。TEM观察证实，涂层厚度（4±1 nm）仅影响纳米圆盘边缘结构，未改变其核心磁化特性。这种“内核磁化+外壳稳定”的协同效应，使涂层的M-N（磁-非磁）转化率从68%提升至89%。

#### （二）聚合物共聚物的作用机制
1. **P(NIPAM-co-MAA) 80:20**：
- NIPAM链段（水溶性）占比80%，在pH 7.4时形成疏水-亲水平衡层；
- MAA链段（zeta电位-12 mV）占比20%，在生理液中产生-25 mV负电位，使纳米颗粒Zeta电位从-18 mV提升至-23 mV；
- 共聚物在60-70°C发生相分离，形成致密保护层（厚度7.3±1.5 nm）。

2. **P(NIPAM-co-MAA) 50:50**：
- MAA占比提升至50%，负电荷密度增加，导致Zeta电位-31 mV；
- 纳米圆盘表面形成双层保护结构（外层MAA富集区厚度2.1 nm，内层NIPAM富集区厚度5.2 nm）；
- 在含10%血清的RPMI中，粒径波动率（PDI）仅为0.17，显著低于未涂层样品（PDI=0.45）。

#### （三）生物相容性提升策略
1. **表面化学惰性**：硅烷涂层使Fe?O?@m-SiO?的氧化还原电位（Eh）从+680 mV提升至+730 mV，避免与细胞膜发生氧化还原反应；
2. **机械性能优化**：AFM测试显示，P3涂层使纳米圆盘杨氏模量从1.2 GPa增至2.5 GPa，抗剪切力提升112%；
3. **细胞相互作用调控**：共聚焦显微镜显示，P3涂层使细胞黏附率降低至12%（未涂层为68%），且未观察到明显的炎症因子（IL-6）释放。

### 四、应用潜力与未来方向
#### （一）临床转化优势
1. **靶向递送系统**：利用m-SiO?的介孔结构可负载药物（如阿霉素负载量达42%），在体外实验中实现pH响应性释放；
2. **磁场可控性**：涡旋磁化使圆盘在1.5 T磁场中产生120 μW/cm2热密度，适用于深部脑刺激（DBS）治疗；
3. **代谢稳定性**：在模拟胃液（pH 2, 37°C）中，P3涂层纳米圆盘的完整度保持>98%以上。

#### （二）技术挑战与改进方向
1. **长期稳定性验证**：需补充加速老化实验（85°C, 60% RH），模拟20年生物体内环境；
2. **磁响应精准调控**：当前样品的矫顽力（Hc）为820 Oe，未来需优化至500-600 Oe范围（匹配深部脑刺激频率）；
3. **多模态成像兼容性**：测试在1.5 T MRI中的信号干扰，确保热疗与影像诊断同步进行。

#### （三）产业化路径建议
1. **规模化生产**：采用连续流微反应器（替代传统三颈瓶），将产量从实验室级（0.5 g/h）提升至GMP标准（10 kg/h）；
2. **成本控制**：将TEOS（$150/kg）替代为纳米二氧化硅前驱体（$80/kg），降低包覆成本30%；
3. **临床前研究**：重点考察BBB穿透能力（体外模型显示pore passage rate达73%）和血管内循环时间（t=4.2±1.1 h）。

### 五、总结
该研究通过材料设计（无机-有机复合涂层）和工艺优化（无OA还原、动态超声辅助），实现了磁性纳米圆盘三大核心性能突破：①生物安全性（细胞存活率>95%）；②环境稳定性（72小时零聚集）；③磁响应可控性（矫顽力可调范围）。其创新点在于将材料表面化学势调控与机械性能优化相结合，为开发新一代智能医疗设备提供了理论和技术基础。后续研究建议结合多组学分析（如单细胞测序跟踪细胞摄取过程），深入解析纳米颗粒与生物系统的相互作用机制。