劉冶坪, 牟 娟, 吳惠霞

(上海師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,上海 200234)

0 引 言

鈰(Ce)是鑭系元素(Ln)中第一個(gè)具有4f電子的元素,引起了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注.Ce以Ce3+和Ce4+的雙重氧化方式存在并可發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變,通常認(rèn)為Ce4+氧化態(tài)比Ce3+更穩(wěn)定.氧化鈰(CeO2-x,x=0～0.5)具有螢石晶體結(jié)構(gòu),其作為最具活性的稀土材料之一[1],已被廣泛應(yīng)用于各種工程和生物領(lǐng)域.在工業(yè)上,它被廣泛用作汽車尾氣處理的三聯(lián)催化劑、甲烷氧化偶聯(lián)反應(yīng)和水煤氣變換反應(yīng)的活性組分[2-4].在生物應(yīng)用上,多酶類特性(如超氧化物歧化酶[5]、過(guò)氧化氫酶[6]和氧化酶[7]等)使氧化鈰在生物分析、生物醫(yī)學(xué)、藥物遞送和生物支架等方面展示出了巨大的應(yīng)用潛力[8].氧化鈰的結(jié)構(gòu)、尺寸及形貌等對(duì)其物理化學(xué)性質(zhì)具有重要影響.因此,如何控制氧化鈰晶體生長(zhǎng)已成為當(dāng)前科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一.目前,氧化鈰納米粒子的制備方法主要有水熱法、溶劑熱法、沉淀法、反膠束法、熱分解法和溶膠凝膠法等[9].不同制備方法和反應(yīng)條件(如反應(yīng)原料、時(shí)間和溫度等)將直接影響反應(yīng)產(chǎn)物氧化鈰納米粒子的形貌、結(jié)構(gòu)、粒徑、分散性、表面電荷和性質(zhì)等特性.本文作者綜述了氧化鈰納米粒子的制備方法及其在生物領(lǐng)域的應(yīng)用.

1 氧化鈰納米粒子的制備

1.1 水熱法

水熱法合成納米粒子的研究主要集中在納米粒子的尺寸、形貌和晶體的多變性等方面.反應(yīng)介質(zhì)的pH值是影響納米粒子性質(zhì)和結(jié)晶度的重要參數(shù).TOK等[10]以氫氧化鈰和醋酸鈰兩種前驅(qū)體,采用低溫水熱法合成了氧化鈰納米晶顆粒.他們先將前驅(qū)體pH值調(diào)整到堿性(pH=10)和酸性(pH=4),然后使用襯有聚四氟乙烯的水熱釜在250 ℃反應(yīng)不同時(shí)間(6,12,18和24 h).結(jié)果發(fā)現(xiàn),兩種前驅(qū)體體系均在250 ℃水熱合成6 h后產(chǎn)生了晶狀氧化鈰納米顆粒.氫氧化物和乙酸鹽體系的平均晶粒尺寸分別為6和15 nm.醋酸鹽前驅(qū)體體系能夠得到結(jié)晶和形貌更好的納米顆粒.將合成的納米顆粒分別在500 ℃和1 000 ℃的溫度下熱處理2 h后,微晶的結(jié)晶度和晶粒尺寸均有所提高,但顆粒結(jié)塊現(xiàn)象更明顯.水熱處理能夠有效減少中間產(chǎn)物的產(chǎn)生.

1.2 溶劑熱法

溶劑熱法是在水熱法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的材料制備方法.溶劑的壓力和溫度高于其臨界點(diǎn)的,可以增加固體的溶解度并加速固體之間的反應(yīng).溶劑熱法具有純度高、均勻性好等優(yōu)點(diǎn),是制備低維納米材料的重要技術(shù)之一.SUN等[11]采用溶劑熱法合成了純相氧化鈰納米棒,其直徑為40～50 nm,長(zhǎng)度為0.3～2 μm.研究表明,乙二胺的加入是獲得氧化鈰納米棒的關(guān)鍵.溶劑組分、表面活性劑和Ce源前驅(qū)體對(duì)最終產(chǎn)物的形貌有重要影響.反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)氧化鈰納米棒的產(chǎn)率也有顯著影響.相比塊體氧化鈰而言,氧化鈰納米棒的紫外可見吸收光譜和光致發(fā)光光譜分別表現(xiàn)出不同尋常的紅移和增強(qiáng)發(fā)光.

1.3 沉淀法

1.4 反膠束法

兩種互不相溶的液體,如油和水,通過(guò)使用表面活性劑來(lái)降低油和水之間界面的表面張力,使之分散,稱為微乳液.這些表面活性劑是由極性頭和非極性尾組成的分子.表面活性劑的極性部分被水吸引,非極性部分被油吸引.親水親脂平衡(HLB)將導(dǎo)致表面活性劑分子在球形液滴周圍形成單分子層的有序排列.這些球形顆?？梢杂米魑⑿〉姆磻?yīng)器容器,產(chǎn)物的大小將限制反應(yīng)器的大小.例如,在水介質(zhì)中發(fā)生的反應(yīng),可以在油包水微乳液中進(jìn)行,稱為反向膠束方法.它的優(yōu)點(diǎn)是可以得到粒徑均一、分布窄的納米粒子.SATHYAMURTHY等[13]以硝酸鈰為原料,氫氧化鈉(NaOH)為沉淀劑,正辛烷為油相,十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為表面活性劑,1-丁醇為輔助表面活性劑,采用反膠束法制備了粒徑約為3.7 nm的氧化鈰納米粒子.該氧化鈰納米粒子的直接帶隙為3.31 eV,在400 nm以下表現(xiàn)出很強(qiáng)的紫外吸收,最大吸收峰位于305 nm處.這些粒子也表現(xiàn)出室溫光致發(fā)光(PL).研究發(fā)現(xiàn),PL峰對(duì)粒子濃度很敏感,當(dāng)溶液被稀釋時(shí),它會(huì)向更短的波長(zhǎng)移動(dòng).

1.5 熱分解法

金屬鹽、表面活性劑和高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑混合物中的金屬配體復(fù)合物前驅(qū)體的熱分解是制備高質(zhì)量納米粒子最成功的方法.LIN等[14]以醋酸鈰、油酸、油胺和1-十八烯的混合物為原料,在可控氣氛下進(jìn)行熱分解,合成了氧化鈰納米片和納米棒.氧化鈰的形貌通過(guò)合適反應(yīng)氣氛、活化劑的添加方式、反應(yīng)時(shí)間和溫度等來(lái)控制.在室溫下加入活化劑并與反應(yīng)混合物一起加熱,可以形成納米片.在高溫下注入活化劑會(huì)導(dǎo)致納米棒的形成.納米片和納米棒都是小顆粒定向組裝形成的.與商用氧化鈰納米粉相比,氧化鈰納米板和納米棒的紫外吸收閾值邊緣出現(xiàn)了藍(lán)移.

1.6 溶膠凝膠法

溶膠凝膠法能很好地控制納米顆粒的尺寸、形態(tài)、純相、表面積和孔徑等性質(zhì),因此被廣泛用于合成金屬氧化物.它的原理是反應(yīng)前驅(qū)體經(jīng)水解、縮合等化學(xué)反應(yīng)形成穩(wěn)定、透明的溶膠.隨后,溶質(zhì)聚合凝膠化形成濕凝膠.最后,濕凝膠經(jīng)干燥、焙燒得到最終產(chǎn)物.反應(yīng)原料一般為金屬醇鹽或可溶鹽.大部分非水溶液溶膠凝膠法采用昂貴的模板如P123、碳?xì)浠衔铩⒐枘z和碳等來(lái)合成氧化鈰.PERIYAT等[15]開發(fā)了一種新穎的水溶液溶膠凝膠法,以硝酸鈰和氨水為原料制備了粒徑為9～13 nm氧化鈰.這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要使用昂貴的前驅(qū)體,合成工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)可控.

2 氧化鈰納米粒子的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

2.1 生物分析

納米技術(shù)的發(fā)展極大地影響了生物分析技術(shù).無(wú)機(jī)納米顆粒穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)改善了有機(jī)熒光體、放射性標(biāo)記或天然酶的易光漂白、有毒、昂貴和易降解等缺點(diǎn).氧化鈰納米粒子的多酶類活性已成功運(yùn)用于生物檢測(cè)和分析.CeO2的類氧化酶活性使它能促進(jìn)有機(jī)分子氧化產(chǎn)生顯色產(chǎn)物.ASATI等[16]通過(guò)點(diǎn)擊化學(xué)將葉酸連接到聚丙烯酸包覆的氧化鈰表面,開發(fā)了一種可靠的比色免疫測(cè)定法.由于葉酸可特異性識(shí)別某些腫瘤細(xì)胞表面葉酸受體表達(dá)升高,因此可以替代傳統(tǒng)的酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA)中使用的抗葉酸受體抗體.靶向癌細(xì)胞(如肺癌細(xì)胞系,A-549)可捕獲葉酸修飾的氧化鈰,以3,3’,5,5’-四甲基聯(lián)苯胺為報(bào)告底物,建立了比色法,效率可以根據(jù)A-549細(xì)胞在652 nm時(shí)吸光度的增加幅度來(lái)判斷.以不含葉酸受體的心肌細(xì)胞(H9c2)作為對(duì)照,吸光度幾乎沒有變化,說(shuō)明該比色法具有選擇性.該裝置在酸性條件下性能最佳.此外,氧化鈰還具有類磷酸酶活性、pH響應(yīng)類生物酶活性、類過(guò)氧化物酶活性和比色性質(zhì),使得它可以用于各種生物檢測(cè)分析.與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比,氧化鈰具有更加穩(wěn)定、pH響應(yīng)、不依賴H2O2和價(jià)格低廉、易操作的優(yōu)點(diǎn).

2.2 疾病治療

2.3 藥物輸送

受到氧化鈰納米粒子的獨(dú)特和多功能性啟發(fā),XU等[28]設(shè)計(jì)了一種基于氧化鈰包覆的介孔二氧化硅(SiO2)納米顆粒(MSNs@CeO2)的抗癌藥物遞送系統(tǒng).他們分別合成了β-環(huán)糊精修飾的氧化鈰和二茂鐵功能化的SiO2納米顆粒(MSNs).在生理?xiàng)l件下,β-環(huán)糊精修飾的氧化鈰通過(guò)β-環(huán)糊精與二茂鐵的主客體相互作用吸附到二茂鐵功能化的單分散MSNs表面.當(dāng)該復(fù)合納米體系通過(guò)溶酶體途徑(pH=4.5～5.0)內(nèi)化到A549細(xì)胞后,二茂鐵基團(tuán)被氧化鈰氧化為二茂鐵離子,從而觸發(fā)氧化鈰脫離并釋放裝載的抗癌藥物.由于氧化鈰在酸性條件下具有細(xì)胞毒性,與抗腫瘤藥物具有協(xié)同抗腫瘤作用.此外,由于其在生理環(huán)境中的抗氧化特性,氧化鈰將有利于接下來(lái)的代謝過(guò)程.氧化鈰的多功能性使其成為一種有吸引力的藥物遞送材料.

2.4 生物支架

KARAKOTI等[29]報(bào)道氧化鈰可促進(jìn)培養(yǎng)在多孔生物活性玻璃支架上的人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(HMSCs)產(chǎn)生膠原.多孔生物活性玻璃支架已被應(yīng)用于臨床,可與骨結(jié)合,作為骨生長(zhǎng)的臨時(shí)導(dǎo)向并刺激骨在三維空間生長(zhǎng).骨髓來(lái)源的HMSCs是體內(nèi)骨再生的關(guān)鍵細(xì)胞類型,因?yàn)樗芊只癁楣亲婕?xì)胞.據(jù)報(bào)道,HMSCs對(duì)來(lái)源于分子氧的有毒化合物敏感.氧化鈰可以通過(guò)中和氧化應(yīng)激而促進(jìn)HMSCs的增殖.因此,將氧化鈰植入多孔的三維生物活性泡沫玻璃支架可以促進(jìn)HMSCs的成骨分化和膠原形成.MANDOLI等[30]將氧化鈰粉末和聚(D,L-乳酸-乙醇酸)在特定濃度下混合,然后用溶劑澆鑄到預(yù)制的模具上,制作了用于干細(xì)胞體外培養(yǎng)的混合二維聚合物——陶瓷生物載體.氧化鈰不僅改善了聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)性能,而且由于其抗氧化活性,它能促進(jìn)再生組織的生化活性,在組織工程應(yīng)用中潛力巨大.

3 總結(jié)與展望

Ce4+和Ce3+之間快速而有利的轉(zhuǎn)變使氧化鈰具有極好的催化和多酶模擬屬性,在工業(yè)和生物系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值.目前,氧化鈰的工業(yè)應(yīng)用發(fā)展良好,而生物應(yīng)用尚處于起步階段.氧化鈰的類酶活性在簡(jiǎn)單緩沖溶液和非生物研究中得到了支持.然而,在生物介質(zhì)、細(xì)胞、組織甚至動(dòng)物中的作用機(jī)制及效果有待進(jìn)一步證實(shí).氧化鈰的制備方法、結(jié)構(gòu)形貌、顆粒大小和表面特征等與其生物反應(yīng)/毒理學(xué)的相關(guān)性尚不明確.此外,氧化鈰的毒性機(jī)制需要進(jìn)行長(zhǎng)期、細(xì)致、系統(tǒng)的考察.雖然還存在一些未解決的問題和挑戰(zhàn),但氧化鈰獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)和已取得的重大進(jìn)展表明,氧化鈰將在疾病檢測(cè)分析和治療方面發(fā)揮巨大潛能.