纤维素磁性微球研究进展

摘 要 纤维素磁性微球是一种生物相容性好、环境友好的纤维素功能化材料。关于纤维素磁性微球的研究已引起人们的广泛关注。本文在目前存在磁性微球制备方法的基础上，探讨了磁性微球的特性指标和特征参数，论述了纤维素磁性微球的功能化应用，并对纤维素磁性微球的未来发展进行了展望。

关键词 纤维素磁性微球；特征参数；未来展望

中图分类号 TQ352文献标识码 A文章编号 1673-9671-(2012)052-0224-02

随着高分子材料的多元化发展，高分子与磁性物质结合诞生的高分子磁性微球已逐渐应用于生物工程、医药运载、化学化工、环境监测等诸多领域。高分子磁性微球（简称磁性微球）是通过适当的化学或物理方法使有机高分子材料与无机磁性材料结合形成的具有一定磁性及特殊结构的一种功能材料。这种复合致使材料既拥有磁性材料尤其是顺磁性材料的特性，又兼有高分子材料易加工和改性、柔韧的性能，同时具有无机材料的高密度和高力学性能和生产成本低、能耗少、无污染等优点。这就使得高分子磁性微球的研究和发展呈现出诱人广阔的前景。

根据高分子磁性微球中高分子的来源，可以把磁性微球分为合成高分子磁性微球和天然高分子磁性微球。合成中的铰链分子主要有：聚丙交酯（PLA）、聚乙交酯（PGA）、聚己内酯（PCL）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）等，天然中常用的物质有：纤维素、明胶和生物性高分子物质，如：蛋白质，糖蛋白，胶原蛋白等，此外还有对天然高分子进行改性来作为磁性微球中的高分子基质。而常用的无机磁性粒子主要有：Fe3O4、Fe2O3、Pt、Ni、Co等。

纤维素磁性微球以其环境友好、原材料来源丰富、生物相容性好逐渐引起了人们的广泛关注。本文在查阅一定量文献的基础上，了解到纤维素磁性微球的制备方法主要有溶胶-凝胶转相法、反相悬浮包埋法、静电喷射法、原位共沉淀法、反相悬浮聚合法、生物发酵法等，然而关于纤维素磁性微球的特性和应用的研究相对比较缺乏。本文探讨了纤维素磁性微球的特性指标，并对纤维素磁性微球的应用进行了简介，最后对纤维素的未来发展方向进行了展望。

1 纤维素磁性微球的特征和特性指标

据目前查阅文献，有关纤维素磁性微球特性指标的研究很少，但归纳起来纤维素磁性微球的特性指标主要有三个：磁含量、磁响应性、磁渗漏，蛋白质的吸附性，耐酸碱性。衡量某特定纤维素磁性微球是否符合特定环境，基本上可以用着三个参数进行表征。

1.1 磁含量、磁响应性、磁渗漏

磁含量、磁响应性、磁渗漏是对纤维素磁性微球磁性方面的表征参数。磁含量主要是指纤维素磁性微球中无机磁性粒子的质量分数，这个指标不仅可以直接影响制出纤维素磁性微球的粒径，还会影响所得粒径的磁滞回线。磁响应性可以通过在外磁场作用下，磁性微球会被感应产生一附加电场，这种外加磁场与自身感应磁场的叠加产生磁效应用磁化强度来表征；也可以通过在外加磁场作用下，到达指定地点的纤维素磁性微球占纤维素磁性微球的百分数；还可以测定纤维素磁性微球的磁化率和沉降速度间接地体现磁性微球的磁响应时间。磁渗漏主要指磁性会随着无机磁性粒子从纤维素磁性微球的孔洞中流出而减小的现象。磁含量、磁响应性这三者是有密切关系的，随着磁含量的增加，磁响应性会变得更加优良。磁渗漏的出现也必会导致磁含量的减小。

磁含量的多少、磁响应性、磁渗漏一般是由最初加入无机磁性粒子的比例、制备工艺等因素决定的，这些特征参数直接关系到磁性微球磁性能。孙丹等以1.5g磁流体、若干质量纤维素为原料用反相悬浮包埋技术制出了纤维素磁性微球，并用原子发射光谱法单位质量微球中铁元素的含量，得出纤维素磁性微球的磁含量为（3.83±0.29）%。此微球磁含量相对比较低，磁响应性也相对比较差。但在酸性环境下得出了磁渗漏为（0.139±0.06）‰，表现出了良好的耐酸性能。喻发全[8]等用静电喷射技术制得了纤维素磁性微球，发现磁含量的多少直接影响了纤维素磁性微球的粒径。

1.2 蛋白质吸附性

蛋白质的吸附性反应了纤维素磁性微球对蛋白质的吸附性能，体现了纤维素磁性微球与蛋白质的结合能力。其主要衡量方法是采用ELISA法测定剩余抗体量，通过差量法进而求出纤维素磁性微球吸附抗体的吸附率。

王龙用与CBD-ProA（桥联剂）充分结合的纤维素磁性微球和抗体进行吸附试验，以兔lgG作为抗体来源，采用ELISA法和差量法，研究了六种不同粒径的吸附抗体能力。并且研究发现纤维素磁性微球的粒径为5.82 µm时，其吸附性能最佳。

1.3 耐酸碱性

耐酸碱性是指纤维素磁性微球在酸碱环境下的稳定性，通常是以纤维素磁性微球在酸碱环境下的破坏情况来衡量。耐酸碱性可以通过检测磁性微球在酸碱情况下纤维素磁性微球被破坏后释放出的无机磁性粒子的质量或者纤维素微球的质量。

梁鸿霞自制了大孔形纤维素磁性微球离子交换树脂，并准确称取0.0500 g大孔形纤维素磁性阳离子交换树脂于25 ml容量瓶中，分别加入不同浓度的HCl（NaOH、NaCl）溶液定容，并用邻二氮菲分光光度法测定溶液中的铁含量。如表1。从表中可以看出，阳离子交换树脂的耐碱性很好，对中性盐溶液稳定性也很好，但耐酸性很差，这主要是因为算能破坏无机磁性粒子。

2 纤维素及其衍生物磁性微球的应用

纤维素磁性微球由于其具有良好的生物相容性和超强的磁性广泛应用于水质监测、药物运输、抗体吸附、细胞分离等领域。改性后的纤维素磁性微球使纤维素磁性微球的某一方面性质得到加强，可以应用于特定的环境。

2.1 纤维素磁性微球的应用

纤维素磁性微球是近年来发展的广泛用于药物载体、水质监测、生物活性配体等的磁性材料。纤维素磁性微球在外部磁场环境下能够快速富集，这就为实现免疫分析分离及靶向给药提供了可能。纤维素磁性微球具有良好的生物相容性，且能与蛋白质等发生吸附作用，这就为磁性微球生物活性配体功能提供了基础。

2.1.1 纤维素磁性微球在水质检测中的应用

水质是影响人类健康的一个重要自然因素，水质中的微生物对人类健康也有着重大的影响，因此，检测水中的微生物就变得举足轻重。纤维素磁性微球与特定抗体连接的功能化微球就可用于微生物的检测。Skjerve E等用免疫磁性技术从乳制品中分离出沙门氏菌，其检测限为1×102个细菌。

2.1.2 纤维素磁性微球在生物工程中的应用

纤维素磁性微球在生物工程方面有广泛的应用，白钢等以纤维素磁性微球为载体，利用其和金黄色葡萄球菌蛋白A的配合作用，进而结合了抗L-半胱氨酸脱巯基抗体。这种功能化的微球对于含L-半胱氨酸脱巯基抗原的分离和吸附具有重要的意义。曹宇等把IFN α-2b发酵群体裂解液加入到含有纤维素免疫磁性微球的玻璃容器中，4℃缓慢震荡反应过夜；将反应溶液置于磁性分离装置上吸附固定磁性微球，再用0.1M甘氨酸-盐酸缓冲液（pH=2.5）解离未被吸附的IFN α-2b，分离磁性微球并解吸即可得到了纯化的IFN α-2b溶液。

2.2 纤维素衍生物磁性微球的应用

纤维素衍生物磁性微球主要是为了对纤维素磁性微球进行改性，在保持纤维素磁性微球优良性质的基础上，提高磁性微球某一方面的特性。纤维素衍生物磁性微球的种类比较多，各有优点，下面仅简单介绍丙烯酸酯纤维素复合微球、重氮树脂/纤维素复合磁性微球、环氧氯丙烷修饰后纤维素磁性微球、羧甲基纤维素/甲壳素加入磁性纳米粒子粉末、羟乙基纤维素磁性微球、环糊精改性纤维素微球。

丙烯酸酯类具有可降解的分子结构，改性纤维素后具有优良的加工、力学性能及可调控性。陈日清等用丙烯酸酯和纤维素在含有无机磁性粒子的溶液中进行反相悬浮聚合，制得了丙烯酸酯纤维素磁性微球。经研究发现，Fe3O4磁性粒子不会和丙烯酸酯交联，二者之间仅是简单的包裹，而微晶纤维素和丙烯酸酯却发生了交联，显著提高了磁性微球的耐溶剂型和力学强度。

朱咸浩等采用静电自组装技术制备了重氮树脂/羧甲基纤维素钠磁性微球，该过程主要分为重氮树脂的制备、羧甲基纤维素钠与重氮树脂的自组装。生成的复合磁性微球是一个多层复合结构，其耐酸、碱和有机溶剂性与纤维素磁性微球相比显著增强。

万军民等采用环氧氯丙烷作为交联剂将环糊精接枝在纤维素上来对水中的无机重金属离子进行富集。环氧氯丙烷修饰的纤维素磁性微球一般是用环氧氯丙烷作为活化剂，进步一为了引入各种功能集团。

Cui等用自组装的方法制备了羧甲基纤维素/壳聚糖磁性微球，这种多相的微球不仅赋予了它药物运输的功能，而且允许在外磁场作用下进行靶向定位。

张密林等制得了羟乙基纤维素磁性微球，并用戊二醛作为交联剂，能固定生物中的各种酶，这将有利于对传统酿酒业、食品发酵业的革新。

3 展望

近年来，在纤维素磁性微球的制备、性能研究及应用等方面虽然取得了一定的进展，但纤维素磁性微球尚处于研究试验阶段，有些问题还需要进一步研究解决。未来的研究可能从以下几个方面展开。

1）纤维素磁性微球的理论研究：纤维素磁性微球的吸附机理、结构的探讨都尚不明朗，温度等外界环境对纤维素磁性微球稳定性、吸附性等因素的影响尚存在许多疑问。这些理论还有广阔的研究空间。

2）纤维度磁性微球的应用领域：纤维素磁性微球应用截至目前已十分广泛，但主要都是生物医药领域，其他领域的应用却少之又少。因此对纤维素磁性微球进行改性添加功能性基团，制造功能性纤维素磁性微球，以扩展纤维素磁性微球的应用领域很有必要。

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作者简介

高俊民（1990—），男，郑州大学材料科学与工程学院2009级材料化学1班。