纳米氧化铁及其水合物的生物学效应

第36卷 第4期 电 子 科 技 大 学 学 报 V ol.36 No.4 2007年8月 Journal of University of Electronic Science and Technology of China Aug. 2007

·生物电子学·

纳米氧化铁及其水合物的生物学效应

赵 强1，庞小峰1，刘乐维2，邓 波1，胡文成2

(1. 电子科技大学生命科学与技术学院 成都 610054; 2. 电子科技大学微电子与固体电子学院 成都 610054)

【摘要】采用水热法合成了纳米氧化铁及其水合物(羟基氧化铁) ，通过红外光谱、扫描电镜等进行分析，表明纳米氧化铁呈球形，而纳米羟基氧化铁呈棒状，纳米微粒的粒径在50∼120 nm之间。将掺杂这两种纳米材料的氨基酸进行重结晶，光学显微镜观察发现其晶型发生了变化，红外光谱图谱出现了峰的移位和增减，说明纳米材料对氨基酸的晶体内部结构产生了影响。用MTT(噻唑蓝) 细胞增值率实验评价材料的细胞毒性，两种纳米材料的细胞增值率约为70%∼95%，细胞毒性评级1∼2，表明其较低的细胞毒性。

关 键 词 生物学效应; 羟基氧化铁; 氧化铁; 纳米生物材料 中图分类号 R318 文献标识码 A

Biological Effect of Iron Oxide and Its Hydrate Nanoparticles 11112

ZHAO Qiang，PANG Xiao-feng，LIU Le-wei，DENG Bo，HU Wen-cheng

(1. School of Life Science and Technology, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054; 2. School of Microelectronics and Solid Sate Electronics, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054)

Abstract Nanoparticles of iron oxide and its hydrate were synthesized with hydrothermal method and

characterized by infrared, Scanning Electron Microscope (SEM) and soon. The dimensions of the nanoparticles are about 50～120 nm. The form of iron oxide nanoparticles appears to be globosity while its hydrate rod. Amino acids intermingling with the synthesized nanoparticles were crystallized to investigate the space effect of the nanoparticles. The crystalline forms of crystal are different from those of pure amino acid. The positions and width of the nanoparticles’peaks in the infrared spectrum change too. Microscope observation and infrared spectrum results indicate the nanoparticles have changed the internal structure of amino acids crystal. 3-(4, 5-dimethythiazol 2-yl)-2,5 diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay was used to determine their cytotoxicity. The Optical Density (OD) value was used to calculate Relative Generation Rate (RGR) of cells. The RGRs of nanoparticles of iron oxide and its hydrate are about 70%～95%, the grades of cytotoxicity are 1～2. This result indicates they just have low toxicity.

effect; FeOOH; Iron oxide; nanobiomaterials Key words biological

纳米材料是指具有纳米量级的超微粒构成的固纳米生物材料对生物体有何影响，即其生物学效应体物质。纳米材料在化学、冶金、电子、航天、生的研究却并不充分[5-6]。有关纳米材料的安全性问题物和医学等领域展现出广阔的应用前景。运用于生受到越来越多的研究者重视，纳米生物材料直接与物医学领域的纳米材料被称之为纳米生物材料。其生物体接触，其生物学效应更加令人关注。本文从中磁性纳米生物材料具有小尺寸效应、良好的磁导纳米材料对蛋白质结晶和细胞增值率的影响来研究向性、生物相容性、生物降解性和活性功能基团等纳米氧化铁及其水合物的生物学效应。 特点，可结合各种功能分子，如酶、抗体、细胞、

1 实验部分

DNA 或RNA 等，并利用其磁性进行定位、分离和分

1.1 纳米氧化铁和纳米羟基氧化铁的制备[7] 类，在靶向药物、酶的固定化、免疫测定、细胞的分离与分类等方面有着广泛的研究[1-4]。然而，磁性收稿日期：2005 − 06 − 02

作者简介：赵 强(1973 − )，男，博士后，主要从事生物医学工程方面的研究.

取一定量的三氯化铁用双蒸水溶解，搅拌下迅

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速加入氨水得到氢氧化铁沉淀，调节溶液PH 值等于10后，转移至高压反应釜中，在240℃反应4 h后即可得到纳米氧化铁，经洗涤、高速离心、真空干燥后得到样品。

取一定量的三氯化铁用双蒸水溶解，搅拌下迅速加入氢氧化钠得到氢氧化铁沉淀，调节溶液PH 值等于12后转移至高压反应釜中，在240℃电阻炉中反应4 h后静置过夜即可得到纳米羟基氧化铁，经洗涤、高速离心、真空干燥后得到样品。

1.2 纳米材料与组成蛋白质的氨基酸分子的相互作用效应

氨基酸晶体购自美国Sigma 公司。将其饱和水溶液掺杂上述纳米材料，然后降低温度进行重结晶。对照组不加纳米材料，其他条件相同。在光镜下观测结晶的形态，傅里叶变换红外光谱仪检测其红外吸收谱。

1.3 纳米材料的细胞毒性实验[8]

采用MTT(噻唑蓝，3-(4,5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑溴盐) 比色实验，检测鸡胚胎细胞在纳米材料存在下的存活和生长情况。用纳米氧化铁或纳米羟基氧化铁的浸提液培养细胞和在空白对照培养液中培养细胞的存活数量进行比较，得到相对细胞增值率，进行细胞毒性分级。

图2是纳米氧化铁和羟基氧化铁的红外光谱图。由图可见在556、478 cm−1观测到了氧化铁的特征吸收 峰，在895 cm−1处观察到了羟基氧化铁的特征吸 收峰，羟基氧化铁在556 cm−1处没有吸收。图中 800、900 cm−13 000～3 500 cm−1处是羟基伸缩振动峰，

附近是羟基弯曲振动峰。氧化铁图谱中的羟基振动峰是氧化铁表面吸收的羟基所表现，羟基氧化铁中的羟基振动峰是其分子中羟基所表现。图1、2所示证实得到了纳米氧化铁和羟基氧化铁。

a. 纳米氧化铁扫描电镜图

2 结果与讨论

2.1 纳米氧化铁和纳米羟基氧化铁扫描电镜与红

外光谱分析

通过扫描电子显微镜可以清楚地看到材料表面形态，判断纳米材料的尺寸大小。图1a 是纳米氧化铁扫描电镜图，可以看到纳米氧化铁呈球形，粒径范围在50~120 nm、80~100 nm微粒居多(约占80%)，明显的团聚现象，是由于纳米材料的小尺寸效应，表面吸附作用明显造成的。图1b 是纳米羟基氧化铁扫描电镜图，纳米羟基氧化铁呈棒状，其短径在80~120 nm、长径在200~300 nm之间。同样可见纳米现象较纳米氧化铁为弱。羟基氧化铁是氧化铁的水合物，在碱性较强的条件下转化得到。因而考虑可能是在转化过程中由于羟基的极性和取向作用，得到棒状纳米羟基氧化铁。

红外吸收光谱分析可以用来定性鉴别、定量分析和结构分析等，它是确定目的产物的重要手段。

4 000

3 1213 000

2 000

波数/cm-1

吸光度

b. 纳米羟基氧化铁扫描电镜图

图1 纳米氧化铁和纳米羟基氧化铁的扫描电镜图

3 135

纳米羟基氧化铁

895

797

629478

羟基氧化铁的团聚现象，但由于其尺寸较大，团聚

556

纳米氧化铁

900

629 807

1 000

图2 纳米氧化铁和纳米羟基氧化铁的红外光谱图

第4期 赵 强 等: 纳米氧化铁及其水合物的生物学效应 793

2.2 纳米材料的生物学效应

2.2.1 纳米材料与组成蛋白质的氨基酸分子的相互 作用效应

氨基酸是构成蛋白质的基本单位，氨基酸的结晶形态发生改变，将对蛋白质的形成、形态等产生影响。为此，将掺杂纳米材料前后的氨基酸进行重结晶，光学显微镜观察发现其晶型的变化。实验表明，由于纳米材料的加入，所有氨基酸的结晶形态都发生了变化。以谷氨酸为例，如图3所示，掺杂纳米材料的氨基酸晶体形态与对照组有所不同。未掺杂纳米材料的谷氨酸为柱状结晶，掺杂纳米氧化铁的谷氨酸晶体也为柱状，但头部呈锥状。纳米材料在结晶体系中既可作为晶核引发结晶过程，也可能在晶体形成过程中吸附、占位，从而影响结晶形态。由于纳米材料的尺寸很小，其影响不会很大，因而谷氨酸的结晶形态总体上变化不大，但在细节上有所差别，体现了纳米材料对氨基酸结晶过程影响。

红外光谱表现了分子的振动和转动，纳米材料的小尺寸效应可能会对氨基酸分子的振-转光谱产生影响。由图可以看到谷氨酸掺杂纳米氧化铁后红外谱图整体发生红移，3 000～3 500 cm−1的羟基伸缩振动峰变窄，500～1 000 cm−1由于氧化铁特征吸收峰的影响而出现了峰值强弱变化以及新的吸收峰。这些说明了纳米材料和氨基酸分子确实发生了相互作用，引起了化学键振-转光谱的变化，这种影响是分子水平的。

谷氨酸

吸光度

谷氨酸+氧化铁

氧化铁

4 000

3 000

2 000

波数/cm−1

1 000

图4 谷氨酸结晶、谷氨酸掺杂纳米氧 化铁及纳米氧化铁的红外光谱图

2.2.2 纳米材料与细胞的相互作用及其毒性

MTT(噻唑蓝) 是一种能接受氢原子的物质，活细胞线粒体中的琥珀酸脱氢酶能使外源性的MTT 还原成难溶性的蓝紫色结晶物并沉积在细胞中，而死细胞无此功能。二甲基亚砜能溶解细胞中的紫色结晶物，用酶联免疫检测仪在490 nm波长处测定其吸

a. 谷氨酸晶体光学显微镜图

收值，可间接反映活细胞数量。在一定细胞数范围内，MTT 结晶物形成的量和细胞数成正比。这个实验灵敏度高、重复性好，有良好的相关性。

试验数据用统计学方法进行处理。实验组与空白对照组及实验组之间差异用显著性检验，P ＜0.05。数据结果表示为平均值±标准偏差，用光密度值(OD Value)计算各试样的细胞相对增殖率(RGR)，用以评价两种材料的细胞毒性分级。

细胞相对增殖率=(实验组光密度值/对照组光密度值) ×100%。

最后根据RGR 值按美国药典评分标准对材料评定毒性程度，表1给出了实验的结果和评定的细胞毒

b. 谷氨酸-Fe 2O 3晶体光学显微镜图

性等级。纳米氧化铁及纳米羟基氧化铁均呈现出高的细胞相对增殖率，其细胞毒性为1～2级。

图3 谷氨酸结晶的光学显微镜图

794 电 子 科 技 大 学 学 报 第36卷

表1 细胞的吸光度值，相对增殖率及毒性评级

Groups

OD Value (Mean±SD)

24 h

RGR/(%) Score

OD Value (Mean±SD)

48 h

RGR/(%) Score

100%T1 0.823±0.072 81.6 1 0.981±0.075 73.5 2 50%T1 0.903±0.052 89.6 1 1.109±0.049 83.1 1 25%T1 0.943±0.083 93.6 1 1.228±0.041 92.1 1 100%T2 0.810±0.044 80.4 1 0.996±0.046 74.7 2 50%T2 0.893±0.067 88.6 1 1.191±0.047 89.3 1 25%T2 0.943±0.116 93.6 1 1.261±0.050 94.5 1 Control 1.008±0.105 100 0 1.334±0.760 100 0

注：T 1为纳米氧化铁材料浸提液，T 2为纳米羟基氧化铁材料浸提液

[2] CHEMLA Y R, GROSSMAN H L, POON Y, et al.

3 结 论 Ultrasensitive magnetic biosensor for homogeneous

immunoassay[J]. Proceedings of the National Academy of

通过以上试验结果看到，无论从显微观察、红Sciences, 2000, 97(26): 14268-14272. 外光谱还是细胞培养的角度看，纳米氧化铁及其水[3] 任 翊, 高彦芳, 朱学骏. 纳米磁性微粒合成制备方法及

在酶联免疫吸附试验中的初步应用[J]. 中华微生物学和合物对蛋白质乃至生物细胞都有一定的影响。对于

免疫学杂志, 2003, 23(3): 231-234.

50~120 nm的氧化铁及其水合物来说，这种影响并不

[4] 向娟娟, 朱诗国, 吕红斌, 等. 用氧化铁磁性纳米颗粒作

十分显著。可以预计，更小粒径的纳米材料由于其为基因载体的研究[J]. 癌症, 2001, 20(10): 1009-1014.

[5] ROBERT F. American chemical society meeting: 纳米效应更强，可能产生的生物学效应会更加明显。

nanomaterials show signs of toxicity[J]. Science, 2003, 300

获得更小粒径的纳米磁性生物材料，研究其在生物

(5617): 243-243.

体内环境的团聚作用和生物学效应，是进一步研究[6] DREXLER K E, PETERSON C, Pergamit G. Unbounding

the future: the nanotechnology revolution[M]. New York: 的重点，以期得到既具有生物医学功能、毒性又小

William Morrow, 1991. 的纳米磁性生物材料。

[7] 杨玉东, 梁 勇, 线全刚. 生物医用铁基磁性纳米粒子的

制备、性能及应用[J]. 材料科学与工程学报, 2004, 90(4):

参 考 文 献 617-622.

[1] DING X B, WEI L, ZHAO H Z. Synthesis and [8] 司徒镇强, 吴军正. 细胞培养[M]. 北京: 世界图书出版characterization of aliphatic polycarbonatediols[J]. Applied 公司, 1996: 186-187. polymer Science, 2001, 79(2): 1847-1851.

编 辑 税 红