磁性纳米材料对空化的影响

浹帀阿抿如学SHAANXINORMALUNIVERSITY本科生毕业论文英文文献翻译作者单位物理学与信息技术学院作者姓名 专 业物理学 指导教师（职称） 论文（设计）完成时间二O一三年五月摘要：高能聚焦超声波能诱导惯性空化，也能提高细胞对药物的运载作用。悬浮于超纯水中的团聚磁性纳米微粒（直径290±10nm）、团聚二氧化硅磁性纳米微粒（直径320±10nm）和二氧化硅微粒（直径320±10nm）在强超声波作用下的惯性空化从未被研究过。应用1.1MHz超声波、1.67kHz脉冲、0%〜5%的占空比和达7.2Mpa的不同峰值的负焦压。惯性空化的测量是在超声波作用下控制纳米微粒的有无完成的。相比较，团聚的磁性纳米微粒在2.7Mpa尖端压强能大大提高惯性空化，这样一来，在超声波作用下引入磁性纳米微粒这一技术就能用于药物输送。微粒的超顺磁性也就给磁定位提供了一定的可能性。关键词：磁铁矿纳米粒子、高能聚焦超声（HIFU）、惯性空化、药物输送、磁定位引言：实践证明，高能聚焦超声能释放微粒中的药物，并且能修复细胞膜，因此超声能提高细胞的药物运载能力但过强的超声会导致细胞死亡。细胞药物运载能力的提高和超声诱发细胞死亡都是缘于空化泡。惯性空化是液体在声场作用下蒸气或气体的空泡的形成、发展和溃灭的过程。产生空化效应最小的压强值叫做空化阈值。微粒在液体中容易团聚，因此声处理能降低液体的空化阈值。1911年Madanshetty和Apfel在研究亚微米微粒以及二氧化硅微粒的惯性空化时，使用了0.75MHz高强度聚集超声换能器加上2.2MPa的极端负压。对于乳胶粒子来说，增大粒子大小或浓度会降低空穴成核阈值（空化程度的数据没有发表）;对于二氧化硅粒子，随着粒子大小浓度的增加，空化现象更加明显。磁性微粒的靶向化学疗法之前已进行了三次临床试验（卢贝等1996、1999，威尔逊等2004）。此外，萨拉瓦南等（2004年）磁性明胶微球体的药物释放能用超声增强。罗森加特等（2005年）表明超声可能增强磁靶向型药物的释放。之后，卡明斯基等（2008年）证实了超声能够改善纤溶酶原催化物的释放。当前实验的目的是针对超声下药物输送的增强性来研究超声诱导的惯性空化对磁铁矿纳米颗粒团聚的影响，。材料和方法磁铁矿纳米粒子的合成磁铁矿（Fe3O4）纳米粒子的合成是用共沉淀法，材料有0.86克FeC12.4H2O以及2.36克FeCl3・6H2O,并用80mL超纯水溶解，在80°C的温度下不断搅拌，加入5mL氨水（质量分数25%）便立即产生黑色沉淀。合成必须在无氧的条件下进行，30分钟后，形成的磁铁矿纳米粒子会磁分离，所以用200mL超纯水洗涤三次就可以了。二氧化硅镀层的磁铁矿纳米粒子的合成化学溶液沉淀发可制成二氧化硅镀层的磁铁矿纳米粒子。将30mg的磁铁矿纳米粒子溶入160mL乙醇、40mL超纯水、5mL氨水（质量分数25%），用超声打散10分钟。然后用机器不断搅拌，再加入1mL正正矽酸乙酯。将这些混合在室温下搅拌12小时。在15000转数下离心5分钟就能得到反应产物，最后用200mL超纯水洗涤三次。二氧化硅纳米粒子的合成室温下搅拌120mL乙醇和27.2mL水10分钟，然后继续搅拌并加入2.8mL正矽酸乙酯，20分钟后加入100mL氨水（质量分数25%），继续搅拌60分钟，这时会产生白色的悬浮液，在15000转数下离心5分钟，然后用200mL超纯水洗涤三次就能得到

二氧化硅纳米粒子了。粒子的性质Zeta-sizing用原子显微镜和透射电子显微镜测量过以上合成粒子的平均水力直径。高能聚焦超声波时代图1为实验装置原理图。信号发生器输入1.1MHz的正弦波，由于0%到5%占空比才能出现波信号，并引发持续30秒的1.67kHz脉冲重复频率。所以用功率放大器放大信号，输入到50q的匹配网络。超声换能器尺寸宽1.2mm、长4mm，还有一个水听器。AmplrfiierMatchingNeiworikSignalGenerator{1.1MHz)Ampifier40dBHIFUTransducerPCDTransducer5MHzAmplrfiierMatchingNeiworikSignalGenerator{1.1MHz)Ampifier40dBHIFUTransducerPCDTransducer5MHzHiglhpassFiller图1超声波原理图和空化监测空化探测空化探测传感器中心频率15MHz、直径13mm、焦距76mm。惯性空化能重新分配输入信号，因此，增加高频率的振幅能让空话活动更加明显。空化探测器和超声换能器是同焦的，所以用空化探测器能监测到高频率。空化探测器的信号能放大40dB,5MHz高通滤波器能减弱1.1MHz的输入信号，低谐波能对宽频噪音进行测量。最终，波形图会显示在示波器上。样品的制备实验是在17°C的温度下装有去离子水的容器中进行的。1mL的样品溶液声处理后（所有粒子样本都悬浮于超纯水中）移到一次性微量离心管内并密封好然后置于换能器的焦点处。在18C温度下，对所有样品进行脱气处理1小时，并使溶解氧浓度为30%。1mL无气超纯水也需要用到。所有测试重复六次，三天后，每个样品就会有18个数据点。用误差线来表示标准偏差，18个数据的平均值会在之后的数据中呈现。高能聚焦超声压强波形图超声换能器焦点处形成的压强波形状取决于去离子水，在换能器焦点放置一个钢球就可以反应出波的情况。对于1.1MHz的输入信号波，管壁厚度为095士0.02mm的微量离心管其透射系数为70%或-3.1dB（使用水听器检测）。这样一来，分解透射系数就能计算出焦点压强。惯性空化的测量为了处理信号，用快速傅里叶变换将记录的波形转换为频率范围。傅立叶变换的均方根是确定的，通过傅里叶变换表整合区域,所有点的惯性空化量就都确定了。多次实验，就能得到惯性空化量的平均值结果和讨论粒子的表征均直径为200nm的磁铁矿纳米微粒用透射电子微镜测量，其误差为10士2nm。这些粒子具有超顺磁性。并且结果显示，团聚的磁铁矿纳米粒子直径为290士10nm，二氧化硅

镀层的磁铁矿纳米粒子和二氧化硅粒子直径为320士10nm。图2为原子力显微镜观测到的粒子表面粗糙程度,结块的磁铁矿纳米粒子表面更粗糙是因为个别粒子的直径误差10士2nm。图2原子力显微镜下的磁铁矿纳米粒子：a为磁铁矿纳米粒子；b为一氧化硅镀层的磁铁矿纳米粒子；c为二氧化硅粒子为了电子力显微镜成像，团聚的纳米粒子需要烘干，这样就观测不到团聚现象了。二氧化硅镀层的磁铁矿纳米粒子和二氧化硅粒子表面都较光滑，很容易识别单个粒子。由于磁铁矿纳米微粒表面会发生成核现象，其尺寸和表面粗糙程度便会影响惯性空化量。并假设表面粗糙程度有利于空化强度。图3透射电子显微镜成像：a为磁铁矿纳米粒子；b为二氧化硅镀层的磁铁矿纳米粒子；c为二氧化硅粒子透射电镜成像(图3)显示三种不同粒子的形态对比,磁铁矿纳米粒子和二氧化硅镀层的磁铁矿纳米粒子形状不规则(流动状态的粒子)。磁铁矿纳米粒子的团聚在在图3(a)可以看到，图3(b)可以看到硅层包围着磁铁矿团聚体。图3(c)呈现了光滑和轮廓分明的二氧化硅粒子。高能聚焦超声压强波形图由图4可以看出，压强波形反应出了换能器的焦点、延时代表波传播需要时间。

图4换能器焦点的压强波形，1.1MHz、1010占空比（7个周期）、1.67kHz脉冲重复频率、峰值电压分别为44V,89V,131Vand178V图5浓度为1mg/mL图4换能器焦点的压强波形，1.1MHz、1010占空比（7个周期）、1.67kHz脉冲重复频率、峰值电压分别为44V,89V,131Vand178V图5浓度为1mg/mL的团聚磁铁矿纳米微粒在占空比为0.5%,1%,2%and5%下的效果，1.1MHz输入超声波、1.67kHz脉冲重复频率Eopnl=dE<Time(s|i-1500.010.0090.0080.0070.00&0.0050.0040.0030.002PeakNegativeFocalPressure{MPa|iJ2 3JI5e/ 4—WalarS%DC .MNP0j5%DC «HP1%DC..MNP2%DCMNP號DC不同的表面特征对粒子惯性空化的影响图6呈现了浓度为1mg/mL的磁铁矿纳米粒子、二氧化硅镀层的磁铁矿纳米粒子和二氧化硅粒子（占空比1%）,其表面对惯性空化量的影响。对于这三种粒子,惯性空化量随着峰负焦压的增大而增大（最大值为7.2MPa）。二氧化硅镀层的磁铁矿纳米粒子和二氧化硅粒子有类似的趋势，当峰负焦压为7.2MPa时，惯性空化量是0.0006，磁铁矿纳米粒子是0.009，是另外两种粒子的15倍。0.01亠5一〕aulGCIu.24£5Eu-.!!-tau_0.0080.CXJ60.CXJ40.002亠5一〕aulGCIu.24£5Eu-.!!-tau_0.0080.CXJ60.CXJ40.002Peak Foc^lPnes-sure(MP^b图6不同表面特征对惯性空化量的影响结果表明，超声作用下磁铁矿纳米粒子可以增加惯性空化量，由于惯性空化量与药物释放、细胞声孔效应、细胞死亡息息相关，用这种方法来增加惯性空化量，既能改善药物输送性能又能加强靶向治疗。磁铁矿粒子的超顺磁性使得粒子具有磁定位，也许，在不久的未来会有超声波磁定位疗法。参考文献BorkentBM,AroraM,OhlCD.Reproduciblecavitationactivityinwater-particlesuspensions.JAcoustSocAm2007;121:1406-1412.CrumLA.Tensile-strengthofwater.Nature1979;278:148-149.DengCX,SielingF,PanH,CuiJ.Ultrasound-inducedcellmembraneporosity.UltrasoundMedBiol2004;30:519-526.DengYH,WangCC,HuJH,YangWL,FuSK.Investigationofformationofsilica-coatedmagnetitenanoparticlesviasol-gelapproach.ColloidsSurfA-PhysicochemEngAsp2005;262:87-93.HillCR,BamberJC,terHaarG.Physicalprinciplesofmedicalultrasonics.Chichester:Wiley&SonsLtd;2004.HuangSL,MacDonaldRC.Acousticallyactiveliposomesfordrugencapsulationandultrasound-triggeredrelease.BiochimBiophysActa2004;1665:134-141.KaminskiMD,XieY,MertzCJ,FinckMR,ChenH,RosengartAJ.Encapsulationandreleaseofplasminogenactivatorfrombiodegradablemagneticmicrocarriers.EurJPharmSci2008;35:96-103.LaiCY,WuCH,ChenCC,LiPC.Quantitativerelationsofacousticinertialcavitationwithsonoporationandcellviability.UltrasoundMedBiol2006;32:1931-1941.LubbeAS,BergemannC,BrockJ,McClureDGPhysiologicalaspectsinmagneticdrug-targeting.JMagnMagnMat1999;194:149-155.LubbeAS, BergemannC,RiessH, SchrieverF,Reichardt P,PossingerK,MatthiasM,DorkenB,HerrmannF,GurtlerR,HohenbergerP,HaasN,SohrR,SanderB,LemkeAJ,OhlendorfD,HuhntW,HuhnD.Clinicalexperienceswithmagneticdrugtargeting:AphaseIstudywith4'-epidoxombicinin14patientswithadvancedsolidtumors.CancerRes1996;56:4686-693.MaZY,GuanYP,LiuHZ.Superparamagneticsilicananoparticleswithimmobilizedmetalaffinityligandsforproteinadsorption.JMagnMagnMat2006;301:469-477.MadanshettySI,ApfelRE.Acousticmicrocavitation:Enhancementandapplications.JAcoustSocAm1991;90:1508-1514.RaoKS,El-HamiK,KodakiT,MatsushigeK,MakinoK.Anovelmethodforsynthesisofsilicananoparticles.JColloidInterfaceSci2005;289:125-131.RapoportN,PittWG,SunH,NelsonJL.Drugdeliveryinpolymericmicelles:Frominvitrotoinvivo.JControlRelease2003;91:85-95.RosengartAJ,ChenH,XieY,KaminskiMD.Magneticallyguidedplasminogenactivator-loadeddesignerspheresforacutestrokelysis.MedHypothosisRes2005;2:12.SaravananM,BhaskarK,MaharajanG,PillaiKS.Ultrasonicallycontrolledreleaseandtargeteddeliveryofdiclofenacsodiumviagelatinmagneticmicrospheres.IntJPharm2004;283:71-82.TerHaarG.Harnessingtheinteractionofultrasoundwithtissuefortherapeuticbenefit:High-intensity