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纳米磁性颗粒具有良好的生物安全性、表面可修饰性、特殊的体内行为以及独特的磁学性能,使得其在生物检测、疾病诊断以及疾病治疗等方面均展示出广阔的应用前景,已成为在生物医学中得到实践应用最成功的功能纳米材料之一。例如,磁性氧化铁纳米颗粒作为磁共振成像造影剂在全世界多家公司或企业得到研制开发,美国食品药品监督管理局（US Food and Drug Administration,FDA）在 1 996 年批准了 Advanced Magnetics公司开发的静脉注射剂菲力磁（Feridex）肝部造影剂应用于临床。针对如何实现有效治疗疾病以及如何实现疾病的早期、实时、非侵入性诊断的迫切需要,生物医用磁性纳米颗粒能够增强磁共振成像灵敏度、增加磁热疗效,再加上磁场本身的深穿透性,使得生物医用磁性纳米颗粒在构建高性能磁共振成像造影剂和磁热疗剂在疾病诊断和治疗的应用中更具有吸引力。尽管已开发的生物医用超顺磁纳米颗粒具有很多优点,但是目前从实验到实践过程中其作为磁共振成像造影剂和磁热疗剂最大的挑战,是低的磁共振成像灵敏性和弱的热转换效率。为了提高生物医用磁性纳米颗粒作为造影剂或磁热疗剂的性能,本文开展了以下研究:1.从微磁学模拟和实验上阐明了生物医用涡旋磁性纳米环的磁热性能。通过对水热反应条件如温度和反应物浓度,以及管式炉中还原温度等的控制,制备直径为70 nm的具有涡旋磁氧化铁纳米环,在其表面用聚乙二醇（PEG）修饰,成功得到涡旋磁氧化铁纳米环磁溶胶;表征其制备过程依赖的晶体学、磁学、分散体系稳定性等物理化学性质,为基于涡旋磁氧化铁纳米环作为磁热疗剂的制备提供理论和实验依据;涡旋磁氧化铁纳米环磁溶胶的比吸收率为3050 W/g,该值比商业的超顺磁铁氧化物铁羧葡胺（Resovist）高一个数量级。涡旋磁氧化铁纳米环磁溶胶的MCF-7乳腺癌细胞磁热实验和裸鼠抗MCF-7乳腺肿瘤模型实验的研究结果表明该涡旋磁态纳米环磁溶胶作为高性能磁热疗剂,可以有效地杀死癌细胞。2.从理论和实验上首次阐明了生物医用磁性纳米颗粒有机包覆层对其磁热性能的调控机制。采用高温热分解法,可控性制备高单分散性9 nm、19 nm和31 nm的Fe3O4磁性纳米颗粒,将此不同尺寸的Fe3O4磁性纳米颗粒作为一个模型体系,用不同分子量的PEG（分子量2000、5000和20000 Da）分别对该不同尺寸的Fe3O4磁性纳米颗粒进行表面修饰,研究不同分子量PEG修饰后的Fe3O4磁溶胶对磁热性能的直接影响。实验结果表明,随着表面PEG分子量的增加,Fe3O4磁溶胶磁热性能减弱。通过对Fe3O4晶体尺寸、PEG分子量、Fe3O4磁溶胶稳定性、Fe3O4磁溶胶磁学性能等因素的工艺优化,Fe3O4磁溶胶在饱和磁化值只有5%的变化范围内,其磁热性能可以明显提高74%。其中分子量为2000 Da的PEG表面修饰19 nm Fe3O4晶体的样品的磁热比吸收率为930 W/g,是所有实验磁热测试样品的最高值。该研究思路可以为磁溶胶在生物医学磁热疗应用中作为高性能磁热疗剂提供一种新的设计理念,即通过表面聚合物的直接优化以实现高性能磁热疗剂。3.从理论和实验上首次阐明了生物医用磁性纳米颗粒有机包覆层对其磁共振信号的调控机制。采用高温热解法,制备高单分散性超顺磁6 nm MnFe2O4磁性纳米颗粒,分别用分枝状聚乙烯亚胺接枝PEG（PEI-g-mPEG）和PEG修饰该超顺磁MnFe2O4磁性纳米颗粒形成磁溶胶,研究其对磁共振成像T2弛豫率和细胞吞噬量的影响。聚合物PEI-g-mPEG修饰的MnFe2O4磁溶胶的T2弛豫率可以达到331.8 mM-1s-1,是目前所报道过的同样磁性晶体尺寸的超顺磁铁氧化物作为T2造影剂中T2弛豫率最高值,要比PEG修饰的MnFe2O4磁溶胶的T2弛豫率高4倍。乳腺癌MDA-MB-231细胞吞噬量的定量结果表明,细胞对PEI-g-mPEG修饰的MnFe2O4磁溶胶的吞噬量要比PEG修饰的MnFe2O4磁溶胶高2.4倍。理论模型分析表明聚合物PEI-g-mPEG修饰的MnFe2O4磁溶胶具有高的T2弛豫率主要是由于磁性纳米颗粒表面周围的水分子被局限在PEI-g-mPEG网格状分子结构中而具有低的扩散速率,因此导致高的T2弛豫率。结合聚合物PEI-g-mPEG修饰的MnFe2O4磁溶胶具有的高的T2弛豫率和高的细胞吞噬量,乳腺癌MDA-MB-231细胞磁共振成像的T2弛豫率可达到92.6 mM-1s-1,要比目前报道的晶体尺寸为10 nm的MnFe2O4磁溶胶高2.5倍。该研究是从界面包覆层调制出发,在细胞水平实现磁共振信号的增强,为制备高性能生物医用造影剂提供新的思路。4.采用微乳法,制备了负载有磁性纳米颗粒的均一的生物分子纳米球,通过对磁性纳米颗粒晶体尺寸和负载数量的工艺优化,研究该生物分子纳米球作为磁热疗剂的磁热性能。负载磁性纳米颗粒的晶体尺寸为18 nm、低负载量的生物分子纳米球具有最高的比吸收率。而且,该生物分子纳米球分散在模拟生物体内生理环境的琼脂糖凝胶,其比吸收率也是最高的,与被分散在水溶液相比,其比吸收率并没有减小。该实验提供了一种新型生物分子纳米球作为磁热疗剂,可在模拟生物体内生理环境的生物凝胶中保持高的磁热效率。5.通过使用生物学相容性良好的类人胶原蛋白去包覆单分散性超顺磁Fe3O4纳米颗粒,研究其作为磁热疗剂的磁热性能和生物相容性。超顺磁Fe3O4纳米颗粒在包覆类人胶原蛋白后,尽管其饱和磁化值降低,但是在交变磁场作用,升温速率提高了很多。而且,与未包覆类人胶原蛋白的Fe3O4纳米颗粒相比,包覆类人胶原蛋白后生物学相容性提高了。该研究提供一种新型的生物学相容性良好的类人胶原蛋白修饰的磁性纳米颗粒作为磁热疗剂,不仅有高的磁热能力,而且还有很好的生物学相容性,为以后在实践临床应用提供了良好的理论基础。