1、第 51 卷第 2 期 2023 年 2 月 硅 酸 盐 学 报 Vol.51，No.2 February，2023 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY http:/ DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.20220511 高性能低维铁基材料研究现状及生物医用前景 毛 宇1,3，王 鉴2，黄 晓2，顾 宁1(1.江苏省生物材料与器件重点实验室，东南大学生物科学与医学工程学院，南京 210096；2.江苏省柔性电子重点 实验室，江苏省先进材料协同创新中心，南京工业大学先进材料研究院，南京 211816；3.南京大学医学院附属鼓楼医院
2、，南京 210008)摘 要：以低维铁基材料为典型代表的磁性纳米材料，在医学健康领域具有重要且广阔的应用前景，近年来引起了国内外研究者的广泛关注和大量研究。综述了近几年在高性能铁基纳米颗粒合成、相关形成机制研究以及生物医学应用等方面取得的进展。此外，也探讨了一系列典型二维铁基纳米材料及其复合结构的可控合成、界面性质调控以及其在生物医学领域的应用前景。关键词：低维；铁基；合成；形成机制；生物医学应用 中图分类号：TB34 文献标志码：A 文章编号：04545648(2023)02034509 网络出版时间：20221128 High-Performance and Low-Dimensional
3、 Iron Based Materials and Their Prospects for Biomedical Applications MAO Yu1,3,WANG Jian2,HUANG Xiao2,GU Ning1(1.Jiangsu Key Laboratory for Biomaterials and Devices,School of Biological Science and Medical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China;2.Key Laboratory of Flexible Electronic
4、s&Institute of Advanced Materials,Jiangsu National Synergistic Innovation Center for Advanced Materials,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China;3.Nanjing Drum Tower Hospital,The Affiliated Hospital of Nanjing University Medical School,Nanjing 210008,China)Abstract:Low-dimensional iron-based nan
5、omaterials are representative magnetic nanomaterials used in the field of medicine and healthcare.These nanomaterials have attracted recent attention.This review summarized recent research progress on the synthesis,formation mechanism and biomedical applications of high-performance iron-based nanopa
6、rticles,and discussed the controllable synthesis as well as themodulation of interface property.In addition,this review also gave some prospects for biomedical applications of typical two-dimensional iron based nanomaterials and composites.Keywords:low dimensional;iron-based;synthesis;formation mech
7、anism;biomedical applications 铁是人体内的重要微量元素，参与人体的多种必要生命活动。低维铁基材料如铁基纳米颗粒、二维铁基纳米材料及复合结构等由于具有独特的光、电、磁等性质以及良好的生物相容性，在生物医学领域得到了广泛的关注。铁基纳米颗粒包括铁的单质、合金、氧化物、配位化合物等组成的纳米颗粒1，其中，氧化铁纳米颗粒(IONPs)和普鲁士蓝纳米颗粒(PBNPs)作为铁基纳米颗粒的典型代表，已被美国食品药品监督管理局(FDA)批准用于临床。IONPs 由于具有良好的磁性和生物相容性，被研究作为磁共振成像(MRI)造影剂2、肿瘤热疗剂3、靶向药物载体4等用于相关疾病的诊断
8、与治疗。PBNPs 则由于其优异的光电特性和类酶活性，在光声成像5、肿瘤光热治疗6、抗炎消炎78等方面具有广泛的应用。收稿日期：20220624。修订日期：20220713。基金项目：国家自然科学基金(51832001)。第一作者：毛 宇(1990)，男，博士。通信作者：顾 宁(1964)，男，博士，教授；黄 晓(1982)，女，博士，教授。Received date:20220624.Revised date:20220713.First author:MAO Yu(1990),male,Ph.D.E-mail: Correspondent authors:GU Ning(1964),mal
9、e,Ph.D.,Professor;HUANG Xiao(1982),female,Ph.D.,Professor.E-mail:; 综 合 评 述 346 硅酸盐学报 J Chin Ceram Soc,2023,51(2):345353 2023 年 二维铁基纳米材料及复合材料由于具有巨大的比表面积、独特的光学和电学性能、良好的生物相容性、优异的界面传质与信号转换等特点使其不仅在电子器件应用方面展现出巨大潜力，在生物医学领域也引起了研究者的关注。例如负载 IONPs 的层状双氢氧化物被用于 MRI 造影9和肿瘤的化疗10，负载Pt 和 Fe3O4纳米颗粒的还原氧化石墨烯材料被用作生物传感器1
10、1，利用多肽修饰的 BiFeO3材料被用于肿瘤的治疗12等。另外，铁基纳米颗粒与二维材料的有效结合，将有望进一步提高传感器的适用性、灵敏度和选择性，促进磁性光电传感材料的发展，对推动多功能、高通量、体外精准检测技术的发展具有重要意义。目前，医用铁基纳米材料及其复合结构在制备与应用方面存在许多局限，例如纳米颗粒结晶性和磁学性能不够好、制备工艺稳定性差以及结构性能调控不精准等问题，难以满足临床诊疗应用的迫切需求。对于生物医学领域应用最为普遍的化学沉淀法制备IONPs，已有大量研究通过化学工艺调整1315和物理场介入1617等手段进行过程控制，但仍然无法对产物的粒径和形貌进行有效调控，并且IONPs
11、的具体形成机理也有待进一步探索。PBNPs一般是由 Fe3+和Fe(CN)64混合反应制备，PBNPs 较低的溶解常数使得反应过程非常迅速，导致产物成核和结晶过程无法得到很好的控制，从而容易形成粒径较大、分散性较差的团聚物1819。纳米颗粒与二维材料的复合结构也存在形貌可控性较差且难以形成晶体取向的问题，从而影响其性能的进一步提升。其次，复合材料的形成过程对产物的磁性也会产生难以调控的影响，对此现象的机理尚有待详细研究。为应对各种生物医学需求，铁基纳米颗粒在合成尺寸与形貌调控、结晶与磁性能调控、表面修饰及宏量制备等方面存在很大的发展空间。此外，针对可用于体外检测的二维铁基纳米材料及复合结构，也
12、需要深入研究其组装或复合结构的形成与光电磁等性能的关系，发展新的检测技术。针对以上问题，本文综述了为加强对铁基纳米颗粒、二维铁基纳米材料及其复合物制备过程的控制，提高产物的性能以及阐明相关机理方面的最新研究进展。1 零维铁基纳米材料 零维铁基纳米材料是指组成中含有铁元素的纳米颗粒，包括铁单质、铁合金(FeCo、FePt、Fe5C2等)、氧化铁(Fe3O4、-Fe2O3、-Fe2O3等)、掺杂铁氧体(MFe2O4，M=Mn、Co、Ni 等)、铁的配位化合物(普鲁士蓝、柏林绿、普鲁士白等)等的纳米颗粒。其中 IONPs 是目前唯一被 FDA 批准用于临床的磁性纳米颗粒。虽然铁单质、铁合金、掺杂铁氧
13、体纳米颗粒等通常具有比 IONPs 更好的磁性，在生物医学领域也展现出了广阔的应用前景，但其临床转化往往受到材料稳定性及生物安全性的限制1。此外，PBNPs 虽然磁性微弱，但因其具有离子交换剂的作用而被 FDA 批准用于治疗铯和铊元素中毒。本文将IONPs 和 PBNPs 作为铁基纳米颗粒的典型代表，重点介绍它们在制备、形成机理探索及生物应用开发方面取得的研究进展。1.1 IONPs IONPs 独特的磁性、类酶活性以及良好的生物相容性使其在生物医药领域得到了广泛的关注1。在众多制备IONPs的方法中，化学共沉淀法由于制备过程绿色环保、产物水相分散、容易实现批量生产等优点，是目前生物医药领域应
14、用最为广泛的 一种合成方法20。然而，由于 IONPs 的共沉淀过程涉及复杂且剧烈的铁离子水解反应，往往难以实现对合成过程的有效控制，导致最终产物的粒径、形貌及组成均一性较差，进而影响其结晶性和磁性能13。深入了解纳米颗粒形成机制是实现其合成过程有效控制的关键。近年来，越来越多研究证明IONPs 的共沉淀形成过程遵循非经典的预成核团簇路线21，即铁离子先水解形成预成核团簇颗粒，然后预成核团簇颗粒通过积聚融合形成氧化铁纳米晶体22。然而，对于预成核团簇颗粒的具体相组成及反应过程中的相转变目前还没有研究报道。为了探索这一问题，结合共沉淀反应的特性一种全新的气液微反应单元流体合成方法被设计提出23。
15、如图 1 所示，该方法采用氨气作为碱源，氮气搭载氨气通过 T 型通道与铁盐前驱体溶液汇合后形成均匀的微液滴。氨气在微液滴内快速溶解、混合达到共沉淀反应所需的碱性环境，通过对流体管道长度、水浴温度的调节调控反应时间及反应温度。采用该合成方法研究了室温共沉淀反应初始阶段形成IONPs 的相组成23。通过球差电镜和同步辐射 XRD对不同反应时间产物的晶相组成进行分析，在初始IONPs 中观察到了包括 Fe(OH)3、-FeOOH、Fe3O4和-FeOOH 的一系列晶相。表明 Fe(OH)3和-FeOOH 相是共沉淀反应初始阶段形成的主要相，它们在Fe2+的催化与参与下进一步转变为Fe3O4相。针对
16、IONPs 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)照片的 第 51 卷第 2 期 毛 宇 等：高性能低维铁基材料研究现状及生物医用前景 347 图 1 气液微反应单元流体方法合成 IONPs 示意图23 Fig.1 Schematic diagram of the synthesis of IONPs via gasliquid micro-reaction fluidic method23 快速精准分析，开发了基于 U-net 神经网络的算 法24。进一步研究了反应时间、反应 pH、前驱体Fe 离子价态等因素对 IONPs 室温共沉淀生长过程的影响25。研究发现，IONPs 的形成遵循小纳米颗粒聚集融合的生长方式，反应 pH 及前驱体 Fe 离子价态对IONPs产物的组成具有重要影响。传统合成方法在缓慢添加碱溶液的过程中会形成大量结晶良好的中间相13，而气液微反应单元流体合成方法的快速混合方式有效减少了中间相的形成。基于部分电荷模型与 Coulombic-Buckingham 势拟合的相关力场参数，从分子尺度模拟并解释了离子聚集、IONPs 形核与生长、IONPs 晶型转变过程中的构相变