摘要
核磁共振成像(MRI)技术是癌症的早期诊断的重要方法，在MRI诊断过程中，造影剂起到至关重要的作用。与商业化的小分子造影剂相比，磁性纳米材料不仅具备良好的MR成像性能，而且更加安全稳定，已成为生物医学领域的研究热点。四氧化三铁（Fe3O4）纳米颗粒具有非常好的生物相容性和磁性，并且尺寸可控，表面易于功能化，其在生物体内的影像学应用具有重要的研究价值。为了提高MR成像诊断的灵敏性和精确性，基于Fe3O4纳米颗粒的功能化纳米材料被不断开发，如通过控制结构和尺寸，构建单分散、自组装体或团簇结构的Fe3O4纳米颗粒；通过表面修饰聚乙二醇（PEG），聚乙烯亚胺（PEI）等亲水性高分子或两性离子来延长其血液循环时间。这些功能化的Fe3O4纳米颗粒被广泛地应用于MR成像诊断。目前，研究者致力于开发新型的更安全、灵敏度更高的功能化Fe3O4纳米颗粒造影剂。 研究表明，超小 Fe3O4纳米颗粒（<5 nm）具有优异的T1加权MR 成像性能，而尺寸较大或团簇结构（clustered）的Fe3O4纳米颗粒因为有较强的磁性而常被用作MR T2加权成像造影剂。总之通过控制Fe3O4纳米颗粒的尺寸、结构可以得到具有T1，T2或T1-T2双模态效应的MR成像造影剂。此外，L-半胱氨酸（Cys）等两性离子作为新型的表面修饰基团引起关注。两性离子化修饰可以赋予纳米材料独特的生物抗污性，并延长其血液半衰期。在以上前期研究基础之上，本论文设计了一种简便的方式合成超小Fe3O4纳米颗粒，以此为基础修饰两性离子 Cys 或形成可控的团簇结构，构建出功能化的超小Fe3O4纳米颗粒，用于血管和肿瘤部位的高效MR T1加权成像或T1-T2双模态MR成像诊断的研究。 在第二章中，我们通过溶剂热法制备了表面柠檬酸钠稳定的超小Fe3O4 纳米颗粒，利用其表面的羧基（COOH ）修饰聚乙二醇（NH2-PEG-Mal），然后通过马来酰亚胺基（Mal）连接 L-半胱氨酸（Cys），得到Fe3O4-PEG-Cys纳米颗粒。实验证明，Fe3O4-PEG-Cys纳米颗粒具有良好的稳定性和生物相容性，弛豫率为1.2 mM-1s-1。并且具有生物抗污性，在蛋白质（BAS或FBS）浓度为10%-50%的PBS溶液中Fe3O4-PEG-Cys纳米颗粒均能稳定存在，无蛋白质吸附或聚集现象。在大鼠体内，Fe3O4-PEG-Cys具有延长的血液循环时间（T1/2=6.2 h）。注射Fe3O4-PEG-Cys纳米颗粒后，大鼠主动脉部位MR成像对比度可以持续增强4.5 h以上，小鼠体内Hela细胞的移植瘤模型的MR成像对比度持续增强3 h以上。因此，Fe3O4-PEG-Cys纳米颗粒是一种具有前景的MRI 阳性造影剂，可以实现长效的T1加权 MRI血池造影和肿瘤诊断。 在第三章中，我们改良了材料配比与加热时间，制备出高弛豫率的超小Fe3O4纳米颗粒，通过胱胺二盐酸盐（Cystamine）的交联作用，使 Fe3O4纳米颗粒形成稳定的、具有团簇结构的Fe3O4/Cystamine 纳米颗粒。实验证明，此方法合成的Fe3O4/Cystamine 具有良好的稳定性和生物相容性、较高的T2弛豫率（26.4 mM-1s-1）和肿瘤细胞内吞效率。并且在还原性条件下，胱胺二盐酸盐中的S-S会断裂，从而使团簇型 Fe3O4/Cystamine 解散成单分散的Fe3O4纳米颗粒，获得较高的T1弛豫率（4.3 mM-1s-1），实现材料的T1-T2双模态MRI造影功能。与单独的超小 Fe3O4相比，团簇结构的Fe3O4/Cystamine 纳米颗粒水动力直径更大（134.4 nm）更容易通过内吞作用留在细胞内部。并且，在动物体内肿瘤部位的还原性微环境中，Fe3O4/Cystamine 能够实现良好的T1-T2双模态MR成像效果。 综上所述，我们基于超小Fe3O4纳米颗粒优良的MR成像性能，设计合成出两性离子化修饰的Fe3O4纳米颗粒和团簇结构的Fe3O4纳米颗粒两种功能化的纳米材料，并研究其在动物体内的T1或 T1-T2双模态MR成像性能。其中Fe3O4-PEG-Cys展现出生物抗污性能，能实现在血管和肿瘤部位的长效 MR 阳性造影功能；团簇型Fe3O4/Cystamine 具有还原敏感性，能够实现在动物体内肿瘤部位的T1-T2双模态 MR 成像。本论文的设计和所获实验结果为研发新型的安全、多功能的MR诊断平台提供新思路。
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