生物醫學上對使用磁性奈米顆粒的應用
Els Parton, Randy De Palma, Gustaaf Borghs, IMEC, Leuven, Belgium
磁性奈米顆粒(MNPs)可以被廣泛地使用在各種生物醫學的應用領域中[1,2]，其應用範圍可從核磁共振成像的對比試劑到以物理現象－使癌細胞退化的高熱處理(圖1)。大多數這些可信度的應用例子均取決於在MNPs和活細胞之間要作出明確的定義及可控制性地作用。一項創新和直接性塗層的方法已經在最近被發展出來，使穩定的粒子具功能性成為可能。而且，這種功能化的方法允許引用可調整式的塗層到可預想描繪出的應用例子，而在細胞之間的相互作用可保證到有更多的可控制性，在醫學領域的發展上將鋪設出一條光明的道路來。
生物醫學上的應用
MRI。一個在診斷領域中著名的應用，其使用MNPs來做為核磁共振成象(MRI)的對比試劑，其被用於區分健康程度和病理中組織物的差異性並且使得在身體裡各樣生物事件得以成像。由於他們的低毒性，氧化鐵型的MNPs已經得到美國國家食品和藥品管理局批准被用作MRI訊號的增強劑。
磁性標籤。另一個診斷應用是用於各種生物的實體標上磁性標籤，例如細胞、DNA和蛋白質。其中一項有趣的應用是將幹細胞標上標籤來做為非入侵性的監控，並分析其分布和被移植的幹細胞在人體中的結果。另外MNPs與傳統的標籤劑如酵素、螢光染料、化學發光劑和放射性同位素等相比較，可顯示出作為生化感應磁性標籤有較好的可信度及其它優點：例如，被磁性標籤過後的癌細胞可以被淨化及運送並且在一個單晶片表面上可被偵測得到，如此可在lab-on-a-chip的模式中促成一個既簡單又節省成本的癌症篩檢方法。
控制藥物釋放。接著對人類而言除了MNPs的小尺寸和低毒性的優點外，也可以透過外部磁場梯度來運送達到深入貫穿體內組織的優點。以這種方法，輸送控制藥物到目標區便可以被達成。後者的用法被了解為透過在一種生化可相容性的MNP攜帶者中附上一種藥劑，再用一種含鐵的流體將之注入血流中，並且透過使用外部磁場在目標區來濃縮此藥物與攜帶者的複合物。舉一例子，這原則被用於癌症處理上細胞毒性藥物的分析。
高熱處理。當磁場以時間來變化其強度被使用時，另一個有趣的治療是來基於MNPs可以被加熱的能力。這種特性可以用來燒除癌細胞(高熱處理)，並經常與化學療法聯合在一起。事實上我們已知道癌細胞在超過41℃時，其對溫度比他們的正常極相似物來的更敏感。以上兩者應用於目標區治療提出一個光明的未來，因為能夠明確破壞一個需求的目標但不會去惡化周遭健康的組織物。
細胞隔離。最後，在外部磁性和MNPs之間的吸引力使得多種生物實體的分離成為可能。舉例來說，像是血液樣品中癌細胞或者在骨髓裡的幹細胞的隔離來允許對人體更先進的診斷和毒素的移除。而且，MNPs可以被生化性地啟動來允許細胞透過內膜的路徑來攝取，因而此治療方式可允許特定細胞劃分隔間來被具體的定位。一旦採用這樣的機制，所期望的細胞劃分隔間就可以被磁性隔離開並且可使用蛋白質體方法來準確的分析。
挑戰
要使上述全部討論的生物醫學應用可以來被實現則有兩項主要挑戰︰(1)對於直徑小於20奈米單一發散的MNPs來說需要一條好的合成路線；(2)一種在奈米顆粒表面功能化的好方法[2]。後者決定了MNPs與活細胞之間能以明確和可控制的模式來相互作用之能力(二圖)。這樣的相互作用主要是透過在細胞表面上(例如，感受器調停的相互作用)為某些感受器具體的生物配體塗上奈米顆粒來達成。不過，對一些案例而言，化學功能性也能是一個對細胞表面有吸引力(即非特異性的相互作用)。一旦與細胞表面相結合，奈米顆粒能停留在那裡或者一個細胞的攝取機制可以被引發，經由奈米顆粒透過細胞膜的傳導作用而帶入細胞體中(圖二)。
磁性奈米顆粒的生產
有磁性的奈米顆粒要適合在生物醫學應用上必須統一尺寸和單一發散，所以每個獨立的奈米顆粒有近乎的相同物質和化學特性[2]。大多數單一發散MNPs的合成路線是基於短成核作用的規則來發展，再依於現有原子核上的較慢成長過程。在這些MNPs的合成期間遇到的一個主要困難在於保持他們在溶液狀態中的穩定，而沒有顯示奈米顆粒集中的任何跡象。至於對全部奈米顆粒來說，一般聚集效應是很容易被觀察到。這是由於MNPs具有極大表面積與體積之比及很大的表面能量。而且，當其不穩定時，他們還能彼此依照磁性來相互作用。
為能防止聚集問題，勢必須藉由強大的排斥力才能抵消磁性和表面相關的吸引力。而此強大的排斥力可藉由靜電或空間排斥作用而達成[2]。例如第一種方式可在粒子上塗佈離子化合物；第二種方式則是利用大分子化合物，諸如聚合物或含有長鏈烴之界面活性劑，塗佈於粒子上以提供更有效之穩定塗附層。
有許多MNPs的合成乃依據微乳膠，共沉澱法和其他水性之方法[1,3]，這些水性方法的缺點乃在於MNPs的尺寸均勻度和結晶度是相當差的，並常可觀察到奈米顆粒的聚集。最近，Sun et al.發展一個既新穎又簡單的合成程序[2-4]，其乃具有合成高度單分子彌散以及尺寸介於3至20奈米間且無任何奈米顆粒聚集跡象之高結晶度MNPs之合成能力。
一個典型製程需要在疏水性配位體(正如油酸)存在條件下進行有機鐵的高溫裂解(＞220℃)[2-3]。這些疏水性配位體能在奈米顆粒周遭形成一層滯密的塗層，因此可避免奈米顆粒的聚集。其他研究人員已經更進一步使這種方法適應於來合成含有不同材料(例如鈷、錳、鎳、鉑等等)的各類型MNPs[3]。雖然此熱分解法具有產生單分子彌散與高結晶度粒子的優點，但其主要缺點在於：由於奈米顆粒已被塗上疏水性配位體，故只能溶於非極性溶劑。因此，為能使MNPs適於生物學上的應用，原有的疏水性配位體塗層將需要被具有親水性，生物相容性與功能性塗層所取代，以容許不同類型的生物物種，例如細胞、蛋白質或DNA進行可控性之交互作用。
對MNPs的塗層
配位體的交換可利用親水性分子來置換上文中所提及MNPs的疏水性塗層。配位體交換法乃須將過量的配位體增加至奈米顆粒溶液中以置換原塗佈於奈米顆粒表面上的配位體。在此方法中，研究團隊已意識到含有亞鐵的MNPs 因被含有末端帶有羧基、磷酸鹽和醇基的親水性配位體所覆蓋，將使得粒子具有水溶性。然而，這些在長時期下仍具有穩定性的水溶性奈米粒子尚無法明確地證明此與配位體與MNPs間的微弱鍵結(非共價鍵結)相關。
根據其矽烷類之自組裝單層分子膜於生化感應器應用之專業技術[5]，IMEC最近成功地利用矽烷類單層薄膜塗佈於MNPs表面上(經由熱分解法)[6]。此法的優點在於其能將穩定且具有水溶性單分子彌散之MNPs表面上稼接多種不同種類的末端官能基。此技術將可用來調整奈米顆粒表面上之功能性，並針對每ㄧ特定應用而達成最佳化之效果。
一項對於矽烷類配位體交換的系統性研究指出，已篩選出九種可用商業用之矽烷類單層分子薄膜，其顯示出配位體交換非常地有效[6]。原先疏水性配位體將可完全被矽烷類之自組裝單層分子膜所置換，並在周圍環繞液體環境下而呈現出滯密且末端帶有功能性官能基的有機薄層。甚者，其更顯示這些末端官能基的存在將可強烈決定奈米顆粒的水分散性。然而在這9種不同的矽烷類分子中，發現只有末端帶有氨基、羧酸和聚合物(乙烯、乙二醇)之官能基才能提供奈米顆粒在較寬酸鹼值範圍之水相溶液中完全地溶解。(圖三)
提升長期穩定性與增加對溫和酸性與鹼性環境的抵抗性，是被用來檢視相較於其他常使用配位體來穩定的MNPs的指標。這些特性是由於矽烷層薄膜能在奈米顆粒表面上形成強而有力的共價鍵結。結合Sun’s方法來合成MNPs，功能化過程描述了在單分子彌散中之以上結果，水溶性(因而具有生物相容性)的MNPs可針對所需的特殊應用而輕易地調整表面特性。
活體細胞的應用
在生物醫學應用上，例如磁共振成像(對比提升)以及癌細胞的高熱處理都需要MNPs與身體細胞間彼此的相互作用。相較於更大粒子而言，由於奈米顆粒在每單位體積下具有較多的表面積，因此能與周圍環境間佔有更大的界面，且奈米顆粒與環境間的相互作用取決於其表面塗層。 有個試驗被完成來觀察奈米顆粒是否證實了根據Sun 的方法並且用IMEC的新方法塗上而產生對細胞的吸引。而此次試驗則與比利時勒芬醫院的密切合作過程中完成。
三種不同類且擁有不同電荷的矽烷層則被用來作為塗佈層， 例如：NH2、COOH和聚乙烯乙二醇(PEG)，分別帶正電、負電與電中性。在全部三種情況下，當使用常用來維持細胞活性或保養細胞健康，例如像是DMEM-F12的細胞培養基時，MNPs表現出極好的溶解度。胎牛血清(FCS)在細胞中的相互作用影響也被測試。
在活細胞與MNPs的相互作用乃基於磁性標記和磁性分離的成功率來評估。而被標上磁性標記的細胞其成功率可高達70-80%。圖四顯示更詳細的結果︰(1)當FCS存在於細胞培養基時，只有塗佈上NH2官能基的奈米顆粒時顯示強大的細胞間的相互作用。(2)當FCS不存在時，只有表面塗佈羧基類與PEG的奈米顆粒才允許被標上磁性標籤。為了解釋這些結果，我們首先探討FCS至奈米顆粒表面上的鍵結。表面上含有NH2官能基之奈米顆粒顯示其與血清蛋白質間存在一強大的鍵結力，然而表面塗佈PEG和羧基類將使其表面排斥這些血清蛋白質。這清楚顯示細胞對於表面含有NH2官能基的奈米顆粒間並無存在顯著的親和性，除非他們被塗上FCS蛋白質時。相反，細胞對於羧基類和PEG奈米顆粒間顯示強大的親和性。不過，當FCS存在溶解狀態中時，它將會與奈米顆粒相互競爭並且抑制與羧基類和PEG奈米顆粒的相互作用。而沒有任何的案件顯示奈米顆粒對於細胞是有毒的並且其生存能力大於70%是被觀察到的。
如上述結果清楚明確表示在活細胞和奈米顆粒間的相互作用，可以容易地被透過改變奈米顆粒的表面功能性所控制。而且，血清蛋白質的存在能觸發或者抑制非特異性的相互作用，而其將取決於奈米顆粒之表面功能性