Fe3 O4＠SiO2 /rGO 复合材料的制备及性能

刘海丰， 高 波， 尹俊太

（东北大学 冶金学院， 沈阳 110819）

磁性纳米材料是由尺寸为1 ～100 nm 的纳米粒子所构成的新型材料.近年来，它在磁流体、催化剂、生物医学和环境修复等领域引起广泛关注［1］.磁性Fe3O4纳米颗粒具有超顺磁性、径粒较小、表面易被修饰等优异特点，因此在核磁共振成像、靶向载药等领域逐渐成为学者们研究的热点［2］.但磁性Fe3O4纳米颗粒会出现自发降低表面能的趋势，易发生团聚，而表面改性是提高磁性Fe3O4纳米颗粒性能的主要途径之一.

目前，磁性Fe3O4纳米颗粒表面改性所用的材料主要分为无机材料［3］和有机材料［4］.SiO2作为一种化学性质稳定的无机材料，具有易修饰、比表面积大和生物相容性好［5-6］等特点.以Fe3O4纳米颗粒为核心，在其表面包裹一层SiO2可形成Fe3O4＠SiO2复合材料.该方法既可提高Fe3O4纳米颗粒的稳定性和分散性［7］，还可避免其因氧化而失去超顺磁性.易平［8］采用共沉淀法制备出Fe3O4＠SiO2核壳磁性纳米颗粒（MFS）并对其结构及性能进行表征，研究结果表明：MFS 分散情况较好且形貌较完整，在VSM 测试中表现出典型的超顺磁性，饱和磁化强度为85.38 emu／g.

近年来，磁性Fe3O4碳基复合材料因具有较高的比表面积、优异的磁性、良好的生物相容性，被认为是一种大有应用潜力的靶向药物载体材料.石墨烯是最薄、最坚硬的二维碳材料之一，它是碳原子通过sp2杂化紧密排列而成的六边形蜂巢状片层［9］.当利用磁性Fe3O4纳米颗粒与石墨烯进行复合时，磁性Fe3O4纳米颗粒往往会呈均匀分布，这能有效防止磁性Fe3O4纳米颗粒发生团聚现象［10-12］.

Karimi 等［13］对所制备出的GO-TD-Fe3O4＠PEG 纳米复合材料进行载药性能测试，发现阿霉素（DOX）可被有效地包裹在纳米复合材料中，负载率 为92.6%.Taheri-Kafrani 等［14］使 用 功 能 化GO 复合的PMGO／CC／MTX 纳米作为载体，发现其表现出载药量高和药物释放可控的特点，在MTX 化疗中有很大的应用潜力.因此，本文中先采用溶剂热法制备优异磁性的Fe3O4纳米颗粒，再用SiO2将其表面修饰成Fe3O4＠SiO2，然后将其与石墨烯进行复合，用以制备Fe3O4＠ SiO2／rGO纳米材料，并探究其对盐酸表柔比星（EPI）的载药性能，以期制备出一种载药性能良好的EPI 药物靶向载体材料.

1 研究方法

1.1 实验原料

制备Fe3O4＠SiO2／rGO 复合材料所需的主要实验原料如下：六水合三氯化铁、尿素、二甲基甲酰胺、柠檬酸三钠、氨水、PVP、CTAB、正硅酸乙酯、石墨、浓硫酸、硝酸、高锰酸钾（以上试剂均为分析纯）.

1.2 实验方案

先将FeCl3·6H2O、尿素、柠檬酸三钠、对苯二甲酸溶于二甲基甲酰胺与去离子水的混合溶液中，再进行超声.待超声完成后，200 ℃下水热2 h，再经450 ℃退火处理，可还原得到Fe3O4粉末.将制得的Fe3O4粉末与PVP、CTAB 溶于氨水、正硅酸乙酯和无水乙醇的混合溶液中，经超声、搅拌得到均匀混合的溶液，再经离心、干燥制得Fe3O4＠SiO2复合材料.随后，将石墨、高锰酸钾放入由浓硫酸和硝酸组成的混酸体系中，置于恒温磁力搅拌器中加热并搅拌.待搅拌均匀后，加入双氧水，溶液变成金黄色，而后离心至溶液呈中性，干燥后即可得到氧化石墨烯（GO）.采用水热法对上述制得的Fe3O4＠SiO2和GO 进行处理，将GO 还原成rGO，复合得到Fe3O4＠SiO2／rGO 溶液，经冷冻、干燥后，最终可得到Fe3O4＠SiO2／rGO 复合材料.

2 结果与讨论

2.1 柠檬酸三钠添加量对Fe3O4 物相组成和微观形貌的影响

图1 示出了在不同柠檬酸三钠添加量下制备出的Fe3O4的XRD 图.由图可知，在2θ＝18.14°，30.12°，35.56°，43.16°，53.58°，57.08°和62.74°处，均检测到Fe3O4的衍射峰，且分别对应（111），（220），（311），（400），（422），（511）和（440）晶面.参考Fe3O4的JCPDS 数据库（PDF：190-0129）可知，反应产物仅由Fe3O4单相形成，并且纯度较高，图1 中的尖端和强峰可表明样品结晶度良好.本实验中使用柠檬酸三纳作为分散剂，用以避免Fe3O4纳米颗粒发生团聚现象.在靶向载药领域中，使用磁性纳米粒子作为药物载体时，尺寸不宜过大.因此，为了达到药物载体的尺寸要求，需要制备出粒径较小的Fe3O4，再对其表面进行Si 层包覆.从图1中可看出，当柠檬酸三纳添加量为100 mg 时，半峰宽最大，Fe3O4粒径最小，故本实验中选用的柠檬酸三纳添加量为100 mg.

图1 在不同柠檬酸三钠添加量下Fe3O4 的XRD 图Fig.1 XRD pattern of Fe3O4 with different trisodium citrate contents

2.2 Fe3O4 表面改性及性能分析

图2 为不同放大倍数下的Fe3O4，Fe3O4＠SiO2和Fe3O4＠ SiO2／rGO 的SEM 照片.由图可知：本实验中制备出的Fe3O4颗粒为棒状，且发生团聚现象［见图2（a） （b）］；被SiO2包覆的Fe3O4颗粒表面不平整，呈类球状，但团聚现象减弱，分散性良好［见图2（c）（d）］.从图2（e）（f）中还可以发现，褶皱状的石墨烯能为Fe3O4＠ SiO2提供很大的镶嵌复合空间，而Fe3O4＠SiO2也能阻止石墨烯堆叠，增加药物表面的结合位点.

图2 Fe3O4 及其复合材料的SEM 照片Fig.2 SEM images of Fe3O4 and its composites

图3 为石墨、GO、rGO 和Fe3O4SiO2／rGO 的拉曼图谱.由图可知，这4 种材料的光谱均在1 334 cm-1和1 592 cm-1处表现出两个特征波段D和G，但位置和相对强度略有不同.D 峰是由碳原子sp2环变化所引起的结构缺陷，其强度可以测量石墨烯的缺陷［15］；G 峰则是由sp2杂化的碳原子相互拉伸振动所形成的［16-18］.从图3 中还可看出，Fe3O4SiO2／rGO 复合材料的D 峰强于G 峰，而D 峰较强说明复合材料缺陷较多，表面可利用的官能团也较多，有利于药物的负载.

图3 4 种材料的拉曼图谱Fig.3 Raman spectra of four materials

本实验中对Fe3O4，Fe3O4＠SiO2和Fe3O4＠SiO2／rGO 的磁性能进行测试，结果如图4 所示.由图4 可知：这3 种材料均具有良好的超顺磁性；本实验中所制备的Fe3O4纳米颗粒磁性能较好，饱和磁化强度Ms为81.95 emu／g；包裹SiO2后，Ms下降为58.53 emu／g；再复合rGO 后，Ms继续下降至33.97 emu／g.

图4 Fe3O4 及其复合材料的磁滞回线图Fig.4 Hysteresis loop diagram of Fe3O4 and its composites

此外，为了进一步测试Fe3O4的磁性，将Fe3O4粉末溶于水中，混合摇匀.开始阶段，Fe3O4悬浮在整个水溶液体系中，分散较为充分.当使用永磁体在瓶壁外进行吸附时，Fe3O4全部吸附瓶壁上，如图4 中插图所示.

在电压为-0.6～1.2 V、扫描速率为50 mV／S的条件下，对Fe3O4及其复合材料进行电化学性能测试，结果如图5 所示.由图可知：当Fe3O4纳米颗粒包覆SiO2后，电流反应减弱，这主要是因为SiO2本身导电性能差，而导电性的降低也从侧面说明Fe3O4表面成功被SiO2层包覆；当Fe3O4＠SiO2复合GO 后，电流反应显著增强，这是由于石墨烯本身的导电性良好，故复合材料的导电性也得到改善.

图5 Fe3O4 及其复合材料的循环伏安曲线Fig.5 Cyclic voltammetry curves of Fe3O4 and its composites

2.3 Fe3O4＠SiO2/rGO 载体性能研究

2.3.1 Fe3O4及其复合材料的稳定性分析

为了测试Fe3O4，Fe3O4＠ SiO2和Fe3O4＠SiO2／rGO 在水中的稳定性，将它们分散在水中静置10 min，结果如图6 所示.由图6 可知：Fe3O4在水中稳定性较差；Fe3O4＠ SiO2在水中稳定性较好，且分散均匀； Fe3O4＠SiO2／rGO 也有较好的稳定性.这说明Fe3O4＠SiO2／rGO 的载体性能优越.

图6 Fe3O4 及其复合材料在水中的稳定性测试Fig.6 Stability test of Fe3O4 and its composites in water

2.3.2 Fe3O4＠SiO2／rGO 的载药量研究

EPI 是目前临床医学使用较为广泛的抗肿瘤药物之一.本实验所制备的Fe3O4＠ SiO2／rGO 纳米复合材料具有疏水性，故在生物医药领域可作为药物载体.将质量浓度为4，5，10，20，25 μg／mL的EPI 溶液分别放入5 个试管中，采用紫外分光法测得EPI 的吸收波长为482 nm，故选定482 nm作为检测波长.在482 nm 波长处，对5 个试管中溶液的吸光度和透过率进行检测，建立EPI 标准曲线.随后，在5 个试管中分别加入5 mg 的Fe3O4＠SiO2／rGO，经搅拌、超声后，检测它们上清液的吸光度和透过率，结果如表1 所列.

表1 不同质量浓度下EPI 药物溶液上清液的吸光度和透过率Table 1 Absorbance and transmittance of supernatant of EPI drug solution at different concentrations

图7 示出了在不同的EPI 质量浓度下吸光度所计算出的加载效率和加载能力（质量分数，下同）.从图7 中可以看出：随着EPI 质量浓度的增加，Fe3O4＠SiO2／rGO 的加载效率减小，加载能力增强；当EPI 质量浓度达到25 μg／mL 时，加载效率达到69.91 %，加载能力为34.95 %，这说明Fe3O4＠SiO2／rGO 具有良好的载药性能.

图7 Fe3O4＠SiO2/rGO 的加载效率和加载能力Fig.7 Load efficiency and load capacity diagrams of Fe3O4＠SiO2/rGO

2.3.3 Fe3O4＠SiO2／rGO 载体的细胞毒性研究

采用CCK8 实验法对细胞毒性进行分析，结果如图8 所示.由图8 可知：在Fe3O4，Fe3O4＠SiO2和 Fe3O4＠ SiO2／rGO 的 质 量 浓 度 小 于80 μg／mL的条件下，细胞存活率均高于90%；当Fe3O4质量浓度升至160 μg／mL 时，细胞存活率降低至89.85%；而当Fe3O4＠ SiO2和Fe3O4＠SiO2／rGO质量浓度升至160 μg／mL 时，细胞存活率仍高于95%.综上可知，Fe3O4，Fe3O4＠ SiO2和Fe3O4＠SiO2／rGO 这3 种载体的细胞毒性低，另外也说明Fe3O4，SiO2和rGO 材料具有良好的生物相容性，Fe3O4＠SiO2／rGO 可适用于载药领域.

图8 3 种材料对细胞存活率的影响Fig.8 Effects of three materials on cell viability

对Fe3O4，Fe3O4＠ SiO2和Fe3O4＠ SiO2／rGO进行细胞凋亡实验测试，结果如表2 所列.从表中可以看出：在这3 种材料的作用下，活细胞存活率均超过95 %；在Fe3O4＠SiO2／rGO 复合载体材料的作用下，活细胞的存活率为99.12%.综上可知，Fe3O4＠SiO2／rGO 复合载体材料对活细胞的周期生长机制几乎不产生影响.

表2 药物载体对各区域细胞凋亡的影响Table 2 Cell cycle of each region of the drug carrier%

3 结 论

（1）本实验中所制备的Fe3O4纳米颗粒具有良好的结晶度.采用包覆一层SiO2的方法对Fe3O4纳米颗粒进行表面改性，可使Fe3O4纳米颗粒分散性得到提高.

（2）Fe3O4纳米颗粒经SiO2包覆后导电性降低，再经石墨烯复合后，导电性得到改善.

（3） Fe3O4纳 米 颗 粒 的 磁 性 能 较 好， 但Fe3O4＠SiO2磁性能下降.复合rGO 后，Fe3O4＠SiO2／rGO饱和磁化强度为33.97 emu／g，具有超顺磁性.

（4）随着EPI 质量浓度的增加，载体的加载效率减小，加载能力增强.当EPI 质量浓度达到25 μg／mL时，加载效率达到69.91%，加载能力为34.95%.

（5）在Fe3O4＠SiO2／rGO 复合载体材料的作用下，细胞存活率均超过95%，可认为该材料是一种细胞毒性低的靶向载体材料.