磁性奈米载体之生物医学应用
生化暨生醫工程所 劉繼賢副教授
磁性奈米载体因具有超顺磁性、低毒、生物相容与可修饰等特性，所以被应用於生物医学领域，如影像感测、生物分离、萤光标记、临床诊断和药物传递。為了提升磁性载体之应用，而发展出具多功能之复合奈米载体；同时具备标定、影像与载药功能之复合载体，正蓬勃发展且备受注目；然而為了成功製造具生物医学应用的奈米载体，必须考虑广泛的物理、化学、材料和生理因素，藉由调整载体核心、壳体和配体等性质，可以製造出同时符合生物安全和功能化之载体，以下介绍复合奈米载体之製造与应用。
一、磁性奈米载体之製造与修饰
奈米磁性载体的磁性金属通常為铁、鈷、镍等，但是以四氧化叁铁最為多数，其製备方法多数以化学共沉淀法，具有製备大、生物毒性低及化学稳定性高等优点。如何用配体进行表面修饰，增加磁性奈米粒子的功能是关键技术，一般有二种做法：1、使用交联剂分子 ( crosslinker ) 或间隔分子 ( spacer ) 形成共价连接，将萤光配体修饰在磁性奈米粒子表面，形成铁奈米粒子為核心和配体作為外壳。奈米粒子与萤光配体之亲和性，取决於奈米粒子表面的配位体种类与数量，所以如何製作与选择链接用的表面配位体非常重要。常用的配位体有 amines、carboxylates、hydroxyl group、thiol group 等，在某些情况下，还需要额外间隔分子或交联剂，以帮助奈米复合材料之键结。2、逐层涂佈 ( layer-by-layer )：以磁性奈米粒子為核心，將螢光配體利用相反電荷的靜電吸引力，逐层涂佈在奈米粒子周圍的技術。它的優點包括：可以製作單層螢光層和調整功能殼層的厚度。
二、磁性奈米载体之安全性
奈米氧化铁具生物相容与低毒性，可被组织自然摄取与代谢，藉由人体组织蛋白质如 ferritin 等形成复合物后，被人体运输与储存到组织中，再进行代谢或利用，所以磁性奈米载体在囓齿动物模式 100 毫克铁/公斤的注射量，不会有副作用，当增加剂量至 600 毫克铁/公斤，亦不会引起死亡。
叁、磁性奈米载体之磁共振成像
超顺磁性之功能化奈米载体，可以标定特殊细胞类型或特定细胞成分，配合放射性元素 F18 或 Cu64 修饰与磁共振成像 ( MRI )，萤光光学，和正电子发射断层扫描 ( PET ) 等儀器，可以應用於診斷成像。配合配體庫之系統性篩選，可以進一步找到對於細胞或癌症標記物具有高親和力與特異選擇性的功能化奈米載體。磁性奈米載體平台，也有利於病灶之磁共振和雙模態成像 ( 如 MR/ PET /螢光 )，以使多重影像協助早期診斷和疾病分類。最後，奈米顆粒之靶向遞送光動力藥物有機會提高局部的癌細胞毒性和最小化全身性副作用。由於多種螢光染料，可以在近紅外光照射下產生螢光，螢光配體塗佈或修飾在磁性奈米粒子表面形成核/殼結構，可以製造出磁性螢光複合奈米粒子，此複合奈米粒子，可作為新的雙功能造影劑，配合共軛焦螢光顯微鏡和磁振成的影像技術，可提供彼此互補的活體內外生物體的清晰攝像，加上其超順磁特性，可以在外部磁場下控制奈米粒子之位置，待其進入特定細胞後，進而標定細胞。
四、磁性奈米载体之分离纯化应用
纯化是进行多数生化产物出厂前的必经程序，但也常是整个生产过程中的瓶颈。传统纯化方法，如：液相-液相萃取，不但速度慢，步骤繁杂，且常需使用大量有机溶剂。开发环保的精製程序是近年来一项热门的研究主题。在各种分离技术发展当中，使用表面修饰具特定选择性基团的磁性奈米颗粒当作吸附剂，近年受到广泛重视，其最大优点是操作步骤非常简单。将磁性颗粒与样品溶液混合后，分离表面吸附有目标分析物的磁性颗粒与溶液基质，通常只需藉助一块磁铁，不需要复杂的分离装置与过滤、离心等处理手续。其他优点包括：奈米颗粒表面积大，萃取效率高；原料价格便宜，颗粒製备程序简单；可依需求弹性修饰颗粒表面基团。此外，奈米磁性载体具备大表面积、分散性好且没有孔内扩散阻力之问题存在，相当适合作為酵素固定化之材料。使用共价键或亲合性键结，可以将酶固定在磁性奈米载体上，固定化之酵素具独特性质，例如：易分散之特性可以使酵素顺利接触基质，减轻传质限制，可以加速酵素作用。相对於微米的颗粒，奈米载体有高度比表面积，有助於固定较多的酵素，并增加酵素的活性。固定化在磁性颗粒之酵素，普遍有较高的热稳定性、贮存方便性、回收性与重复使用性。
五、结论
复合磁性奈米载体同时具有低毒性、顺磁性和高表面/体积比之特性；此外，载体之奈米尺度，使它们能够穿过细胞膜，避免被网状内皮系统吞噬和允许加载药物与表面修饰之优势，非常具有开发潜力，特别是其超顺磁特性，可以在外部磁场控制奈米载体之移动：所以，奈米磁性载体在生化与生医应用方面，已经有许多学者利用不同功能化磁性奈米载体进，行检测分析、温热疗法、药物传递、酵素纯化、生物影像、肿瘤标定及基因治疗等研究。本实验室使用特定萤光配体製作，同时具有萤光与磁性之双重功能复合奈米载体，具备萤光、磁性和奈米尺寸之特性，可应用於去氧核醣核酸之分离和侦测、细胞之标定等用途。初步结果显示：复合奈米载体细胞毒性低，由细胞吞噬实验，发现萤光强度和带萤光细胞百分比之结果，可证实复合奈米载体可进入细胞，随着浓度之增加其萤光强度有上升之趋势。功能化磁性奈米载体已发展成一个强有力的奈米技术，用於分离、MRI 诊断、细胞标定及药物输送等系统，预期功能化磁性奈米载体在生物医学之应用，将继续成长茁壮。
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