CN107531478A - 制备磁链结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于制备磁链结构的方法。所述方法包括提供多个磁性颗粒；将所述多个磁性颗粒分散在包含基于多巴胺的材料的溶液中以形成反应混合物；施加遍及反应混合物的磁场以使反应混合物中的磁性颗粒对齐；和在对齐的磁性颗粒上聚合基于多巴胺的材料以获得所述磁链结构。还提供了通过所述方法制备的磁链结构。

Description

制备磁链结构的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年11月25日提交的、申请号为10201407815Q的新加坡专利申请的优先权的权益，其内容在此通过引用全文并入本申请并用于所有用途。

技术领域

各种实施例涉及磁链结构和用于制备磁链结构的方法。

背景技术

人们在开发金属、半导体和磁性结构的有序集合方面的基础和实际利益日益增长，在所述磁性结构中，该结构的表面等离子体激元、激子或磁矩的定制互动引起了与单独建块截然不同的新兴集体特性。

在明确界定的广泛集合中，通过功能单元的线性排列赋予的具有定向电子、光学和/或磁性的一维(1D)链状结构在快速-开发领域如光电子学和纳米医学上具有巨大的前景。通过沿着1D模板(例如碳纳米管)来组织功能纳米结构，或者利用其定向自组装(其通常来源于通过区域选择性表面修饰引入的各向异性表面化学)的优势，进行了许多研究工作来制备功能性纳米结构的纳米链。

可替换地，对于具有响应外部磁场和电场的固有特性的颗粒，颗粒间偶极-偶极相互作用可以驱动场中颗粒对齐以产生1D集合。尽管如此，在外场产生的链状结构通常会遭受瞬变稳定性，并且在除去场时经常散开。

鉴于上述情况，存在对克服或至少减轻上述一个或多个问题的改进的链结构或链状结构的需求。

发明内容

在第一方面，提供一种用于制备磁链结构的方法。所述方法包括

a)提供多个磁性颗粒；

b)将所述多个磁性颗粒分散在包含基于多巴胺的材料的溶液中以形成反应混合物；

c)施加遍及反应混合物的磁场以使反应混合物中的磁性颗粒对齐；和

d)在对齐的磁性颗粒上聚合基于多巴胺的材料以获得磁链结构。

在第二方面，提供通过根据第一方面的方法制备的磁链结构。

附图说明

结合非限制性实施例和附图，参考详细描述，将更好地理解本发明，其中：

图1为展示通过迈克尔加成(Michael addition)和/或席夫碱反应(Schiff basereaction)进行的硫代/端氨基分子与聚多巴胺(PDA)的反应机理的示意图。

图2为通过磁性颗粒的磁性对齐，沉积自聚合粘合剂聚多巴胺以使磁性颗粒交联从而形成磁链结构，随后利用多聚多巴胺的多面反应性的优势进行功能化，逐步制备多功能磁链结构的示意图。

图3展示(a)磁性纳米颗粒，(b)聚多巴胺涂覆的磁性纳米颗粒，和(c)磁性纳米链的透射电子显微镜(TEM)图像。图3(d)和(e)展示平均长度为(d)20μm和(e)1μm的磁性纳米链的扫描电子显微镜(SEM)图像。图3(f)和(g)展示颗粒间距离为(f)3nm和(g)25nm的代表性纳米链的TEM图像。图中的比例尺表示：(a)至(c)100nm；(d)10μm；(e)2μm；(f)和(g)50nm。

图4为展示在300K下测量的合成的磁性纳米颗粒的磁化曲线的图。

图5展示平均长度为2.7μm的磁性纳米链的SEM图像。图中的比例尺表示2μm。

图6展示具有不同PDA厚度的(a)105nm和(b)185nm的磁性纳米链的SEM图像。

图7展示在(a)不存在和(b)存在磁场的情况下干燥的磁性纳米链的SEM图像。图7(c)展示(1)随机分布的纳米链的暗视野显微镜图像，(2)至(4)沿磁场对齐的纳米链。图7(d)展示从描绘在旋转磁场下磁性纳米颗粒(左)，PDA涂覆的磁性纳米颗粒(中间)和纳米链(右)的水分散的视频提取的静止帧。

图8为分散在不同的溶剂：水(H₂O)、乙醇(EtOH)、二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)和氯仿(CF)中的聚乙二醇化的磁性纳米链的照片。

图9展示(a)宽度为125nm的磁性纳米链和载有金纳米颗粒(AuNP)的磁性纳米链在(b)高和(c)低放大倍数下的TEM图像。图9(d)为展示(i)纳米颗粒，(ii)纳米链和(iii)载有AuNP的纳米链的紫外-可见光(UV-vis)光谱的图。图9(d)的插图为磁性纳米颗粒、磁性纳米链和载有AuNP的纳米链的照片(从左到右)。图9(e)为展示(i)在不搅动的情况下或(ii)在搅动的情况下通过载有AuNP的纳米链催化的4-硝基苯酚向4-氨基苯酚的时间依赖性转化的图。图9(e)的插图为描绘ln(C_t/C_o)对反应时间的依赖性的图。图中的比例尺表示：(a)和(b)50nm；和(c)100nm。C_t为4-硝基苯酚的时间依赖性浓度，C_o为4-硝基苯酚的原始浓度。

图10展示(a)在磁分离之前和(b)之后的载有纳米颗粒的纳米链的照片。

图11展示置于180mM磷酸盐缓冲盐水(PBS)(a)0小时和(b)2小时(a)中的制备好的纳米链(左)和聚乙二醇化纳米链(右)的照片。图11(c)展示用不同浓度的适体(从1至5，浓度为0、2.5、5、10和25μg/mL)修饰的纳米链的电泳。

图12展示(a)用适体-纳米链(NC)和(b)sDNA-NC孵育后MCF-7细胞的暗视野和荧光叠合图像。图12还展示在磁解疗法(magnetolytic therapy)后用(c)用适体-NC以及(d)sDNA-NC处理的MCF-7细胞的荧光图像。死亡细胞用碘化丙啶(PI)(红色)染色。图12(e)为展示在不同条件下用不同生物缀合型NC处理后的MCF-7细胞的存活率的图。图12(f)为展示在存在或不存在旋转磁场的情况下用不同浓度的适体-NC处理后的MCF-7细胞的存活率的图。

图13为概括本文公开的纳米颗粒和纳米链的成分、功能和潜在应用的表。

图14为展示根据实施例的磁性纳米链混合器的示意图。

图15为描述展示了化学物种的移动的设备操作的示意图。

图16为描述使用脱氧核糖核酸(DNA)连接的量子点(QD)-磁性纳米链检测循环肿瘤细胞的示意图。

图17为展示用于循环肿瘤细胞(CTC)捕获、释放和表型分析的微流体芯片系统的示意图。

图18为展示在连续流动反应器中通过微通道控制纳米链长度的示意图。

图19为描绘基于流动聚焦和磁电泳对不同长度的纳米链进行聚焦和分离的示意图。

图20为描述在凹进微室中在冲洗过程保持磁性纳米链的示意图。

图21为描述由线状执行机构驱动的永磁体的移动的示意图。

具体实施方式

本文公开一种用于制备磁链结构的方法。该磁链结构可以包括磁性颗粒，该磁性颗粒在施加磁场的情况下对齐，并且对齐的磁性颗粒可以使用聚合物固定在适当的位置，所述聚合物可通过聚合沉积在对齐的磁性颗粒上的基于多巴胺的材料获得。有利地，基于多巴胺的材料可以在对齐的磁性颗粒周围自聚合以形成高度交联的聚合物壳。这样做可以赋予所得到的磁链结构以结构牢固性。基于多巴胺的材料的使用也是有利的，因为其通用的反应性能用部分如金属纳米催化剂来修饰和/或加载以裁制特定的表面功能。

考虑到上述情况，各种实施例在第一方面涉及用于制备磁链结构的方法。

本文所用的术语“链结构”是指由至少两个颗粒形成的细长链结构。通常，链结构由三个或更多个颗粒形成。该颗粒可以设置成使得每个颗粒与一个或两个其它颗粒接触以形成一维结构。例如，颗粒可以排成一单列以形成磁链结构。

本文所用的术语“颗粒”是指颗粒形式的材料，如微粒或纳米颗粒。术语“微粒”是指尺寸以微米(μm)度量的微观颗粒。术语“纳米颗粒”和“纳米晶体”在本文可互换使用，是指尺寸以纳米(nm)度量的纳米级颗粒。因此，术语“磁性颗粒”通常是指可以在磁场的影响下操纵的微粒或纳米颗粒等颗粒。

磁性颗粒可以具有规则形状，如球体或立方体，或者是不规则形状，并且磁性颗粒的尺寸可以通过其直径来表征。本文所用的术语“直径”是指穿过轮廓中心并终止于周边的直线线段的最大长度。虽然术语“直径”通常用于指穿过球体中心并连接周边上的两个点的线段的最大长度，但是这里也用于指穿过具有其它形状的(如立方体)颗粒或不规则形状的颗粒的中心且连接周边上的两个点的最大长度。

通常，磁性颗粒可以具有任何合适的尺寸，只要该磁性颗粒是磁性的即可。在各种实施例中，磁性颗粒的直径为2μm或以下。例如，磁性颗粒的直径可以为约20nm至约2μm，约50nm至约2μm，约100nm至约2μm，约500nm至约2μm，约1μm至约2μm，约20nm至约1.5μm，约20nm至约1μm，或约50nm至约500nm。在具体实施例中，该磁性颗粒的直径为约20nm至约2μm。

在一些实施例中，磁性颗粒为直径为100nm或更小的磁性纳米颗粒。使用磁性纳米颗粒形成的磁链结构也可以称为磁性纳米链。例如，磁性纳米颗粒的直径可以为约10nm至约90nm、约10nm至约70nm、约10nm至约50nm、约10nm至约40nm、约20nm至约90nm、约40nm至约90nm、约60nm至约90nm、约30nm至约70nm、约40nm至约60nm或约20nm至80nm。

在各种实施例中，多个磁性颗粒基本上是单个分散的，因为其尺寸分布较窄。有利地，尺寸分布较窄的磁性颗粒的使用导致磁链结构质量良好。

磁性颗粒包括磁性材料，如铁磁材料和/或超顺磁性材料或完全由磁性材料，如铁磁材料和/或超顺磁性材料形成。

本文所用的术语“铁磁性”是指可以通过施加外部磁场而被磁化，并且其能够在去除外部磁场时显示剩余磁化作用的材料。例如，铁磁材料可以被磁场吸引。铁磁材料的实施例包括铁磁性金属如Fe、Co、Ni、FeAu、FePt、FePd和/或CoPt；铁磁性金属氧化物如Fe₂O₃、Fe₃O₄、CoO、NiO、CoFe₂O₄和/或MnFe₂O₄；包含铁磁性金属和/或铁磁性金属氧化物如Au-Fe₂O₃、Ag-Fe₃O₄、量子点-Fe₂O₃结构的异质结构；或上述组合。

本文所用的术语“超顺磁性”是指在外部磁场中具有与铁磁材料相似的磁性但在去除外部磁化场之后不具有剩余磁化作用的一类材料。换句话说，超顺磁性材料可以是能通过施加外部磁场而被磁化并且在去除外部磁场后不表现出磁化作用的材料。

当铁磁材料减小到一定大小/尺寸时，铁磁材料可变成超顺磁性的。例如，铁磁材料变成超顺磁性的时的阈值可以取决于材料的组合物及其尺寸。在这方面，本领域技术人员能够确定特定的组合物和/或尺寸的铁磁材料何时变成超顺磁性的。

超顺磁性材料的实例包括超顺磁性金属、超顺磁性金属氧化物、包含超顺磁性金属和/或超顺磁性金属氧化物的异质结构，或上述组合。

在各种实施例中，磁性颗粒包含超顺磁性金属或由超顺磁性金属组成。尽管超顺磁性金属通常可以指超顺磁性元素铁、镍和/或钴，但是本文所用的术语“超顺磁性金属”也指铁、镍和/或钴与一种或多种非铁磁性元素的合金，只要该合金落在如上所述的“超顺磁性材料”的定义之内。在各种实施例中，超顺磁性金属选自Fe、Co、Ni、FeAu、FePt、FePd、CoPt及其合金。

在一些实施例中，磁性颗粒包含超顺磁性金属氧化物或由超顺磁性金属氧化物组成。超顺磁性金属氧化物可以为如上所述的超顺磁性金属的氧化物。在具体实施例中，超顺磁性金属氧化物选自Fe₂O₃、Fe₃O₄、CoO、NiO、CoFe₂O₄、MnFe₂O₄及其组合。

在一些实施例中，磁性颗粒包含异质结构或由异质结构组成，该异质结构包含超顺磁性金属和/或超顺磁性金属氧化物，其可以指超顺磁性金属和/或超顺磁金属氧化物与非超顺磁性材料的杂化或复合材料。包含超顺磁性金属和/或超顺磁性金属氧化物的异质结构的实例可包括但不限于Au-Fe₂O₃、Ag-Fe₃O₄、量子点-Fe₂O₃纳米结构或其组合。

在各种实施例中，磁性颗粒具有芯-壳结构。术语“芯-壳”是指其中由第二材料形成的外层包裹第一材料的内芯，从而形成芯-壳结构的结构构造。例如，磁性颗粒的芯可以包括磁性材料如铁磁材料和/或超顺磁性材料。上文已提及铁磁材料和超顺磁性材料的实例。所述磁性材料的所述壳可以包含能够形成包围所述磁性颗粒的所述芯的所述壳的任何合适的材料，例如聚合物、二氧化硅、金属、包含由与有机分子配位以形成一维、二维或三维结构的金属离子或金属簇形成的化合物的金属-有机骨架，或其组合。

在各种实施例中，磁性颗粒的芯包含超顺磁性材料，且所述壳包含包围所述芯的聚合物。

如上所述，磁性颗粒的芯可以被所述壳包围，所述壳包含聚合物或其它材料如二氧化硅或金属。所述壳可以任选地包括在磁性颗粒中，并且对于需要保护磁芯免受恶劣环境的实施例，可以以磁芯上的涂层的形式施加。有利地，聚合物的壳可用作磁性颗粒的保护涂层。例如，所述壳，例如聚合物或二氧化硅壳，可以有助于在外部恶劣环境，如酸性环境中，使磁芯保持完整和稳定。在各种实施例中，所述聚合物选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯，酚醛树脂、其共聚物，及其组合。在具体实施例中，所述聚合物包含聚苯乙烯或由聚苯乙烯组成。

具有芯-壳结构的磁性颗粒可以使用细乳液聚合方法制备。例如，可以向包含分散在水性溶液中的磁性材料的颗粒的第一液体试剂中加入引发剂过氧化二硫酸钾(KPS)、偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰，并搅动使引发剂溶解于第一液体试剂中。可以向所得混合物中加入含有单体的第二液体试剂，由此单体进行聚合以形成作为包围所述颗粒的壳的聚合物，从而获得磁性芯-壳颗粒。

在具体实施例中，磁性颗粒具有芯-壳结构，所述芯包含Fe₃O₄，且所述壳包含包围所述芯的聚苯乙烯。

将所述多个磁性颗粒分散于包含基于多巴胺的材料的溶液中以形成反应混合物。将所述多个磁性颗粒分散在所述溶液中可以通过任何合适的搅拌方法如搅动、振荡、搅拌和/或涡旋进行。包含基于多巴胺的材料的溶液可以是水溶液。包含基于多巴胺的材料的溶液的pH可以为约7.1至约12。在各种实施例中，包含基于多巴胺的材料的溶液的有效pH为7.1至9.0。在优选的实施例中，包含基于多巴胺的材料的溶液的pH为约8.5。有利地，碱性条件可诱导或促进基于多巴胺的材料的自聚合。为了实现这一点，可以向包含基于多巴胺的材料的溶液加入液体试剂如TRIS缓冲液、N,N-二羟乙基甘氨酸(Bicine)缓冲液和/或氨溶液。

在具体实施例中，所述溶液还包含缓冲液，如Tris缓冲液。术语“Tris缓冲液”是指包含具有化学式(HOCH₂)₃CNH₂的三(羟甲基)-氨基甲烷的缓冲液。缓冲液可用于将所述溶液和/或反应混合物的pH保持在恒定水平。

该溶液包含基于多巴胺的材料。多巴胺是指具有下式的化合物：

本文所用的术语“基于多巴胺的材料”是指来源于或具有多巴胺作为其组分之一的材料。本文所用的术语“基于多巴胺的材料”还指多巴胺样分子或含有一个或多个邻苯二酚基团的分子。多巴胺样分子的实例包括但不限于去甲肾上腺素，L-3,4-二羟苯丙氨酸，多酚如单宁酸和/或5,6-二羟基-1H-苯并咪唑。在各种实施例中，多巴胺样分子能够在反应混合物中进行自聚合，以在对齐的磁性颗粒上形成聚合物层。

在各种实施例中，基于多巴胺的材料选自多巴胺；具有邻苯二酚基团的多巴胺样分子如去甲肾上腺素和L-3,4-二羟基苯丙氨酸，多酚如单宁酸，和其它分子如5,6-二羟基-1H-苯并咪唑，及其组合。

在具体实施例中，基于多巴胺的材料包含多巴胺或由多巴胺组成。

反应混合物中基于多巴胺的材料的浓度可以为约0.08mg/ml至约0.5mg/ml。如果反应混合物中基于多巴胺的材料的浓度太低，如小于0.08mg/ml或小于0.06mg/ml，则基于多巴胺的材料可能不能使磁性颗粒保持在适当的位置，如果太高，如大于0.5mg/ml或大于0.7mg/ml，则可能形成基于多巴胺的材料的聚合物颗粒和/或可能引起磁性颗粒的聚集。

另一方面，反应混合物中的磁性颗粒的量可以为约0.001wt％至约0.5wt％。取决于使用的磁性颗粒，可以在反应混合物中使用不同量的磁性颗粒。在本文所示的实施例中，反应混合物中的磁性颗粒的量为约0.005wt％。

本文公开的方法包括施加遍及反应混合物的磁场以使反应混合物中的磁性颗粒对齐。磁场可以是外部磁场，其涉及遍及反应混合物设置相反极性的成对磁极。本文所用的术语“对齐”是指将一物体排列在相对于另一物体的特定位置的动作。例如，使所述磁性颗粒对齐可以涉及将磁性颗粒定位成使得其形成链结构。在磁场的影响下，磁性颗粒可以在一单列中对齐并形成链结构。应注意，在此阶段，对齐的磁性颗粒可能不固定就位。这意味着在反应混合物上施加外力(例如搅拌)的情况下，可能破坏磁性颗粒的对齐。

可以在任何合适的时间段施加遍及反应混合物的磁场，以使磁性颗粒对齐。这可能，例如，取决于用作不同类型的磁性颗粒(其可具有不同的饱和磁化强度)的磁性颗粒，以及反应混合物的量。在各种实施例中，施加遍及反应混合物的磁场可以进行约4分钟至约15分钟。当时间段太短，如小于4分钟或小于3分钟时，可能无法获得链结构。如果时间段太长，例如超过15分钟或超过30分钟，则可能发生磁性颗粒的聚集。在具体实施例中，施加遍及反应混合物的磁场进行约15分钟。

在一些实施例中，施加遍及反应混合物的磁场包括在反应室中施加磁场，所述反应室包括宽度与磁链结构的长度对应的一个或多个通道或微通道。如上所述，在施加磁场后，反应混合物中的磁性颗粒可以在单列中对齐并形成链结构。所述反应室中的一个或多个通道可用于在对齐期间，形成磁链结构过程中限制磁性颗粒，使得磁链结构的长度可以与一个或多个通道的横截面宽度对应。有利地，通过设计通道使得通道的宽度与磁链结构的期望长度对应或等同，能够轻易控制和/或裁制磁链结构的长度。

本文公开的方法包括在对齐的磁性颗粒上聚合基于多巴胺的材料以获得磁链结构。这样做时，由于基于多巴胺的材料的聚合，通过所得到的聚合物的交联可以将对齐的磁性颗粒固定在适当的位置，从而获得磁链结构。

有利地，基于多巴胺的材料，例如多巴胺，可以在碱性条件下通过将邻苯二酚连续氧化成多巴胺醌和分子内环化作用，随后通过氧化物低聚反应和自组装形成高度交联的刚性的聚多巴胺，从而进行自聚合，由于活性表面基团如羟基(-OH)和胺(–NH₂)基团的存在，聚多巴胺能够强烈地粘附在几乎任何固体底物上。这不需要任何加工以修饰或功能化聚多巴胺的表面。

在对齐的磁性颗粒上聚合基于多巴胺的材料可以在能够在对齐的磁性颗粒上形成聚合物的任何合适的时间段进行。在各种实施例中，在对齐的磁性颗粒上聚合基于多巴胺的材料进行4小时或更长时间。如果在对齐的磁性颗粒上聚合基于多巴胺的材料的时间太短，例如2小时或1小时，则基于多巴胺的材料可能不完全聚合，这可能导致形成的聚合物的厚度较小。另一方面，在对齐的磁性颗粒上聚合基于多巴胺的材料的时间段较长对厚度可能没有显著的影响。

在对齐的磁性颗粒上聚合基于多巴胺的材料可能不在搅拌下进行。这意味着在发生聚合时可使反应混合物保持不受干扰。

有利地，根据本文公开的实施例的用于制备磁链结构的方法能够轻易裁制和/或控制磁链结构的物理属性如颗粒间距离、长度和宽度。

可以通过改变用于在磁性颗粒上聚合基于多巴胺的材料和施加遍及反应混合物的磁场的顺序来使反应混合物中的磁性颗粒对齐，从而控制磁链结构中的磁性颗粒的颗粒间距离。

通常，磁链结构中对齐的磁性颗粒的颗粒间距离为约3nm至约200nm。如上所述，磁链结构中对齐的磁性颗粒的颗粒间距离可以取决于在磁性颗粒上聚合基于多巴胺的材料以及施加遍及反应混合物的磁场以使反应混合物中的磁性颗粒对齐的顺序。例如，在施加遍及反应混合物的磁场以使反应混合物中的磁性颗粒对齐之前将基于多巴胺的材料聚合在磁性颗粒上的实施例中，磁链结构中对齐的磁性颗粒的颗粒间距离可以因在磁性颗粒之间存在聚合的基于多巴胺的材料而增加。

通常，磁性颗粒尺寸较大可能导致磁链结构中对齐的磁性颗粒的颗粒间距离较大，因为较大的颗粒在仍能够使反应混合物中的磁性颗粒进行对齐的同时可具有更大或更强的磁效应以迎合较大的颗粒间距离。

例如，可以使用尺寸为约2μm的较大的磁性颗粒来获得较大的颗粒间距离，如约200nm。在另一个实施例中，当使用尺寸为约80nm的磁性颗粒时，磁链结构中的对齐的磁性颗粒的颗粒间距离范围为约25nm至约80nm。然而，较大的颗粒间距离可能意味着链结构中存在较少的磁性部分，这可能导致所获得的磁链结构的磁性较差。鉴于上述情况，为了磁链结构的磁性保持最佳，可以将颗粒间距离规定为磁性颗粒的直径的20％或以下。

如上所述，通过在施加遍及反应混合物的磁场以使反应混合物中的磁性颗粒对齐之前在磁性颗粒上聚合基于多巴胺的材料，可以增加磁链结构中对齐的磁性颗粒的颗粒间距离。例如，在这样的实施例中，磁链结构中对齐的磁性颗粒的颗粒间距离可以为约3nm至约200nm。在各种实施例中，在施加遍及反应混合物的磁场以使反应混合物中的磁性颗粒对齐之前在磁性颗粒上聚合基于多巴胺的材料可以进行约5分钟至约1小时。

磁链结构的长度通常可以为约1μm至约50μm。在各种实施例中，可以在对齐的磁性颗粒上聚合基于多巴胺的材料之前通过搅拌包含对齐的磁性颗粒的反应混合物来控制或缩短磁链结构的长度。

例如，反应混合物的搅拌可以通过本领域已知的标准混合方法进行。可以使用任何合适的混合设备或搅拌设备。在各种实施例中，通过超声处理或搅动或振荡反应混合物进行搅拌。在一些实施例中，通过超声处理或振荡来进行反应混合物的搅拌。在使用超声处理作为搅拌方法的实施例中，可另外改变超声波发生器上的瓦数以达到特定的搅拌水平。在这样的实施例中，磁链结构的长度范围可以为约1μm至约5μm。

磁链结构的宽度可以取决于如下因素，如磁性颗粒的尺寸、反应混合物中使用的基于多巴胺的材料的浓度和类型，以及在对齐的磁性颗粒上聚合基于多巴胺的材料的时间。有利地，根据本文公开的实施例的方法能够在磁链结构上形成另外的聚合物层，这可以通过重复聚合步骤一次或多次进行。例如，本文公开的方法还可以包括将获得的磁链结构分散在包含基于多巴胺的第二材料的第二溶液中，并在磁链结构上聚合基于多巴胺的第二材料。另外的聚合物层可以为相同的或不同的，并且可以根据需要进行配置或定制。通常，每个循环可导致在对齐的磁性颗粒上形成的聚合物层的厚度增加约20nm。

在一些实施例中，该方法还包括清洁磁链结构。例如，可以用合适的试剂如水和/或乙醇冲洗或洗涤磁链结构一次，或多次以去除存在于链结构表面上的残留缓冲溶液。

如上所述，基于多巴胺的材料的聚合物如聚多巴胺可以具有活性表面基团，如羟基(-OH)和胺(–NH₂)基团，从而不需要任何处理以任何修饰聚多巴胺表面或使聚多巴胺表面功能化。此外，聚合物可以表现出多种化学反应性，其能够实现各种表面功能化策略：即由大量邻苯二酚基团提供的且准备通过迈克尔加成(Michael addition)和/或席夫碱反应(Schiff base reaction)连接醌基与亲核基团如硫醇和胺的还原活性，如图1所示。

这些导致本文公开的磁链结构的通用性，因为其通用的表面反应性可提供使具有附加功能的磁链结构适用于无数种化学和生物应用的机会。

在各种实施例中，该方法还包括将选自如下物质的部分连接至磁链结构：聚合物、金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒如ZnO纳米颗粒、生物分子、金属-有机骨架材料如沸石咪唑酸盐骨架ZIF-8及其组合。

在一些实施例中，聚合物包含聚(乙二醇)或由聚乙二醇组成。聚乙二醇可以是硫醇化的聚乙二醇，如图1所示，其可以通过迈克尔加成反应连接至所述磁链结构。有利地，所述聚合物可以在磁链结构周围形成保护层和/或可以使聚二乙醇化的纳米链易于分散在极性较低的溶剂如氯仿(CF)中，从而能够在不同溶剂环境中使用磁链结构。

在一些实施例中，所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒。有利地，聚合的基于多巴胺的材料可以携带一种或多种邻苯二酚基团，其在温和的碱性条件下是高反应性还原剂，从而提供通过局部还原在磁链结构上生长金属纳米颗粒的可能性。因而，可以不需要单独的还原剂。

例如，可以将金属盐形式的金属前体加入含有磁链结构的悬浮液中，使得聚合的基于多巴胺的材料上的邻苯二酚基团可将一价或二价金属离子还原成其零价态。这样做，金属离子可以以其金属形式在反应混合物中析出，作为金属纳米颗粒。金属纳米颗粒可以通过活性表面基团(如在聚合的基于多巴胺的材料上的羟基(-OH)和胺基(-NH₂)基团)保持在聚合的基于多巴胺的材料上的适当位置。

在使用金盐如HAuCl₄的实施例中，形成在磁链结构上的金属层可以包括金纳米颗粒或由金纳米颗粒组成。所述金纳米颗粒可以结合至聚合的基于多巴胺的材料上的活性表面基团，如羟基(-OH)和胺基(-NH₂)基团，其然后保持在适当位置以在磁链结构上形成金属层。

金纳米颗粒可以具有任何合适的尺寸和形状。为了说明的目的，金纳米颗粒的平均直径可以为约10nm至约20nm，如约10nm至约18nm，约10nm至约15nm，约12nm至约18nm nm，约10nm，约15nm或约20nm。

此外或除了上述之外，生物分子可以附着在磁链结构上。生物分子如含有亲核氨基和硫醇基团的蛋白质和核苷酸可以连接至聚合的基于多巴胺的材料上，这可以调节其与生物系统的相互作用。例如，与相应的未修饰的磁链结构相比，修饰后的磁链结构已经表明在试剂中(如，缓冲液和细胞培养基)的稳定性得以提高。

本文公开的各种实施例是指通过根据第一方面的方法制备的磁链结构。

当放置在旋转磁场中时，本文公开的磁链结构可以进行局部旋转，使得链结构可以用作微尺度或纳米级的马达/纳米电动机和搅拌棒，以促进在极小空间中的分子转运和混合，这对于在微反应器和超小型感测设备中的应用是非常理想的。

磁链结构也可以，例如以载有金属纳米催化剂的磁性纳米链的形式用于催化。

磁链结构也可以用于癌细胞的磁解疗法。本文已经证明，在癌细胞膜上过表达的特异性受体的适体配体的缀合导致靶向的纳米链与选择性癌细胞结合，随后暴露于旋转磁场，通过细胞膜的磁解引起明显的细胞死亡。

本文公开的磁链结构的其它潜在应用领域包括生物催化和医学诊断。

在下文中，参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式呈现，并且不应被解释为限于本文阐述的示例性实施例。相反，提供这些实施例使得本申请较为透彻和完整，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见，可放大层和区域的长度和尺寸。

本文示例性地描述的本发明可以适当地在不存在本文未特别公开的任何元件，限制的情况下实施。因此，例如，术语“包括”、“含有”、“包含”等应作扩大的理解且不受限制。此外，本文使用的术语和表达以说明而不是限制的方式使用，且并非意图使用这些术语和表达来排除展示的和描述的特征或其部分的任何等同物，并且应该认识到在所要求保护的本发明的范围内可能进行各种修改。因此，应当理解，尽管通过优选实施例和可选特征具体公开了本发明，但是本领域技术人员可以对本文呈现的本发明进行修改和变化，且这些修改和变化是被认为在本发明的范围内。

本文已经对本发明进行了广泛的和大致的描述。落入大致的公开内容内的每个较窄的物种和亚属组合也构成本发明的一部分。这包括对本发明的一般性描述，其中从所述属中删去了附带性或否定性的任何主题(不管本文中是否具体描述了这些被删去的材料)。

其它实施例在所附权利要求的范围内且为非限制性实施例。此外，在本发明的特征或方面根据马库什组进行描述的情况下，本领域技术人员将认识到本发明也根据马库什组的任何个体成员或亚组成员来描述。

实验部分

本文公开了一种建立在贻贝启发的聚多巴胺(PDA)的使用上，用于制备具有可轻易裁制的表面化学性质以在不同环境中应用的磁性纳米颗粒的牢固的多功能纳米链的新方法。

在各种实施例中，在通过磁性对齐的纳米颗粒上涂覆自聚合的聚多巴胺产生牢固的纳米链，并且所述纳米链具有聚多巴胺赋予的通用反应性，这能够开发可通过磁性回收的自混合的纳米催化剂和生物缀合型纳米链以进行癌细胞的靶向磁解。

新策略建立在贻贝启发的聚多巴胺的使用上，用于构建磁性纳米颗粒的多功能纳米链。一个关键的发现是PDA围绕通过磁性对齐的纳米颗粒进行自聚合提供了牢固的磁性纳米链，且所述磁性纳米链具有PDA赋予的通用反应性。特别地，本文已经证明，通过PDA的局部还原将金属纳米颗粒加载在纳米链上产生可通过磁性回收的自混合的纳米催化剂。

另一方面，与亲核基团的表面偶联能够轻易地进行靶向配体的生物缀合以进行癌细胞的特异性识别，这导致细胞在旋转磁场中磁解。PDA激活策略允许进行磁性构建块和后合成功能化的灵活选择，这对化学和生物医学的广泛应用来说是非常感兴趣的。

如图2所示，根据各种实施例，合成可以以在磁场中使磁性纳米颗粒对齐为开始，随后引入多巴胺以引发自聚合的保形PDA的膜沉积在线性排列的纳米颗粒上，从而永久锁定纳米链。发明人已经发现，当放置在旋转磁场中时，所得的磁性纳米链进行局部旋转，使得纳米链可以充当纳米马达和纳米级搅拌棒，以促进极小空间中的分子转运和混合，这对于在微反应器和超小型感测设备中的应用是非常理想的。

本文公开的PDA激活的方法是独特的并且不同于现有方法，因为PDA不仅与纳米颗粒交联以形成刚性磁性纳米链，其通用的表面反应性还为赋予纳米链以附加功能提供了新机会，这与磁驱动的搅拌性能结合，赋予纳米链更广泛的化学和生物医学应用。

例如，本文公开的结果已经证明，PDA中的邻苯二酚基团能够诱导金属前体如HAuCl₄的局部还原，产生载有金属纳米催化剂的磁性纳米链，其代表一类新的自混合的、可通过磁回收的纳米催化剂。

生物系统应用特别感兴趣的是，可以利用PDA的共价偶联和含有硫醇和氨基的功能部分的优势来轻易裁制磁性纳米链的表面性质。发明人已经展示，磁性纳米链的聚乙二醇化极大提高了其在生物培养基中的胶体稳定性。更有趣的是，在癌细胞膜上过表达的特异性受体的适配体配体的缀合产生与选择性癌细胞结合的靶向纳米链，随后暴露于旋转磁场，通过细胞膜的磁解引起明显的细胞死亡。

实施例1：材料和表征

多巴胺、六水合三氯化铁(FeCl₃·6H₂O)、氯化亚铁(FeCl₂·4H₂O)、氢氧化铵、油酸、十二烷基硫酸钠(SDS)、苯乙烯、十四烷、过氧二硫酸钾(KPS)、碘化丙啶(PI)、4-硝基苯酚(4-NPh)和硼氢化钠(NaBH₄)购自Sigma Aldrich。

三水合四氯金酸(III)(HAuCl₄·3H₂O)来自Alfa Aesar。三(羟甲基)氨基甲烷(TRIS)从J.T.Baker获得。甲氧基聚乙二醇硫醇(PEG-SH，2kDa)购自Laysan Bio Inc。

从生工生物工程(上海)股份有限公司(Shanghai Sangon BiotechnologyIncorporation，中国上海)获得SH-MUC1适体序列5’SH-TTTTTTTTTTGCAGTTGATCCTTTGGATACCCTGG-3’(35bp)和DNA对照序列：5’SH-TTTTTTTTTTATACCTGGGGGAGTATATAAT-3’(31bp)。

使用Sartorius AG arium系统纯化超纯水(18.2MΩ·cm)，并用于所有实验。

在场发射扫描电子显微镜(FESEM)(JSM-6700F，日本)上获取扫描电子显微镜(SEM)图像。

在Jeol JEM 2010电子显微镜上以300kV的加速电压进行透射电子显微镜(TEM)观察。

使用Shimadzu UV2501分光光度计记录UV-vis光谱。

使用磁性测量系统-振动样品磁强计(Magnetic Property Measurement System-Vibrating Sample Magnetometer，MPMS-VSM)获得室温磁化曲线。

在0.5％琼脂糖凝胶和运行缓冲液0.5×Tris/硼酸盐/EDTA(TBE)缓冲液8.3中进行电泳。运行模式恒定为100V且运行时间为20分钟。

在具有油浸暗视野冷凝器的Olympus71倒置显微镜中以40倍放大倍率进行活体细胞的暗视野成像，并且使用Photometrics CoolSNAP-cf冷却的电荷耦合器件(CCD)摄像机收集荧光图像。

将活细胞固定在聚赖氨酸修饰的玻璃盖玻片上用于成像实验。

实施例2：磁性纳米颗粒的合成

通过细乳液聚合来合成磁性纳米颗粒，该磁性纳米颗粒具有由聚苯乙烯壳包围的80nm的由成簇的Fe₃O₄纳米晶体制成的芯(图3a)，并且用作纳米链的构建块。

在实验中，在氮气(N₂)、80℃充分搅动下，将FeCl₃·6H₂O(2.4g)和FeCl₂·4H₂O(0.982g)溶解在10ml去离子(DI)水中。然后将5ml氢氧化铵迅速加入溶液中。溶液的颜色立即变为黑色。30分钟后，加入3ml油酸，将悬浮液保持在80℃，1.5小时。所得磁性纳米颗粒用水(H₂O)和甲醇洗涤直至pH变为中性。

将磁性纳米颗粒(0.5g)加入含有10mg SDS的12ml的水中，用超声波将冰水浴中的混合物处理10分钟，获得磁性纳米颗粒的微乳液。使用5ml苯乙烯、50mg SDS、40ml水和0.033ml十四烷制备苯乙烯乳液。将磁性纳米颗粒的微乳液和5mg KPS加入到三颈烧瓶中并在N₂气氛中以500rpm至600rpm搅动30分钟。

随后，将10ml苯乙烯乳液加入混合物中，并将烧瓶置于80℃水浴中且保持20小时以获得磁性纳米颗粒。用磁体收集制造的磁性纳米颗粒，并再分散于H₂O,中，在将磁性纳米颗粒分散在10ml H₂O备用之前，重复收集-再分散循环三次。

实施例3：聚多巴胺(PDA)涂覆的磁性纳米颗粒

将0.2ml磁性纳米颗粒分散在40ml TRIS缓冲液(pH8.5)中，随后加入10mg多巴胺。将反应溶液搅动4小时。通过离心和磁分离来纯化深棕色产物。

如透射电子显微镜(TEM)图像(图3(b))所示，将纳米颗粒分散在含有Tris缓冲液(pH8.5，10mM)的多巴胺溶液(0.15mg/mL)中并搅动4小时，使PDA保形层沉积在纳米颗粒上。

实施例4：纳米链

将0.05ml磁性纳米颗粒分散在10ml TRIS缓冲液(pH8.5)中，随后加入2.5mg多巴胺。为了制备纳米链，反应混合物首先暴露于磁场15分钟，然后在PDA形成期间保持4小时不受干扰。将反应溶液放置在磁体旁边15分钟，然后保持4小时不受干扰。

通过磁分离来纯化棕色纳米链并分散在1ml H₂O中。通过在反应溶液保持不受干扰以进行PDA涂覆之前对反应溶液进行超声处理可以获得不同长度的纳米链。通过在使纳米颗粒在磁场中对齐之前首先将PDA沉积在纳米颗粒上，可以实现较大的颗粒间距离。

通过磁场分离产物比纳米颗粒构建块更有效率，暗示形成较大的纳米颗粒集合。TEM观察(图3(c))确实揭示了互连纳米颗粒的纳米链，而不是单独的纳米颗粒。暴露于使超顺磁性纳米颗粒对齐的磁场(图4)和PDA沉积最终使纳米颗粒交联，从而产生纳米链。如扫描电子显微镜(SEM)图像(图3(d))所示，纳米链的均匀直径为105nm(图3(c))，平均长度为20μm。值得注意的是，如果在反应混合物保持不受打扰以进行PDA沉积之前，对反应混合物进行超声处理10秒或3秒，纳米链的平均长度分别降低至1.0和2.7μm(图3(e)，图5)。在通过PDA固定其结构之前，超声波最可能降低对齐的磁性纳米颗粒阵列的长度。

控制PDA沉积和磁对齐的时间顺序能够裁制纳米链的颗粒间距离。例如，如果首先混合纳米颗粒和多巴胺溶液以引发PDA生长且在1小时的间隔之后施加磁场，则颗粒间距离从3nm增加到25nm(图3(f)和(g))。此外，可以用纯化的纳米链进行重复的PDA沉积。通常，每个循环导致PDA厚度增加约20nm，从而提供控制纳米链宽度的手段(图6)。总的来说，在本文公开的基于PDA的合成中，可以系统地改变关键的结构参数，如长度、纵横比和颗粒间距离。

接着，发明人检查了纳米链的磁响应。当一滴纳米级分散体系自然干燥时，在SEM图像中观察到完全随机分布的纳米链(图7(a))。相比之下，在磁体存在下，所有的纳米链都沿磁场很好地对齐(图7(b))。纳米链在暗视野显微镜下表现出强烈的光散射，从而可以实时跟踪单独的纳米链的磁响应。图7(c)示出了纳米链最初随机排列，当施加磁场立即对齐并响应场方向的变化而转向。更有趣的是，在较高放大倍率下的仔细观察显示，纳米链明显地与旋转磁场进行一致的局部旋转，使得其非常适合用作纳米级搅拌棒。

发明人还发现，在旋转磁场中，纳米链分散体系同步闪烁，在磁性纳米颗粒中未见该现象(图7(d))。与各向同性球形纳米颗粒不同，各向异性纳米链的光散射效率在横向和纵向方向上大不相同。因此，闪烁应起因于旋转磁场中纳米链取向的周期性变化。作为高极性交联聚合物的PDA赋予纳米链在极性溶剂如水、醇和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中的优异的分散性，但不赋予纳米链在极性较小的溶剂如氯仿(CF)中的优异的分散性，极性较小的溶剂可能会限制纳米链的使用。

通过迈克尔加成反应在纳米链上连接硫醇化聚乙二醇(PEG)可以轻易地克服这个限制。聚乙二醇化的纳米链变得可轻易分散在CF中，使其能够在不同的溶剂环境中使用(图8)。值得注意的是，使纳米链保持稳定的搅动至少4小时而没有任何聚集和沉淀迹象，从结构和胶体的角度意味着纳米链的牢固性。

实施例5：载有纳米颗粒的纳米链

具有大表面体积比的金属纳米结构被积极用作广泛化学反应的新型催化剂。然而，其微小尺寸使反应后恢复非常困难和耗时，给其实际应用造成重大障碍。由磁性纳米链提供的快速分离和自混合能力的独特组合使其成为理想的胶体载体从而使金属纳米催化剂能够应对该挑战。

同样重要的是，携带丰富的邻苯二酚基团的自聚合的PDA(在温和的碱性条件下，为高反应性还原剂)通过局部还原提供在纳米链上生长金属纳米颗粒的可能性。

为了研究这一点，在充分搅动下，在85℃将0.2ml纳米链溶液注入50ml H₂O中。2分钟后，将4ml，0.1wt％的HAuCl₄注入溶液中。使反应溶液在85℃下保持搅拌15分钟。溶液的颜色先变成深褐色，最终变成红色。通过磁体纯化后，将所得的载有Au纳米颗粒的纳米链储存在2ml H₂O中。

所获得的结果(图9(a)至(c))已经显示，在85℃下将纳米链和HAuCl₄的混合物在水中加热20分钟，产生锚定在纳米链上的约15nm的高密度Au纳米颗粒(AuNP)。通过磁体分离载有AuNP的纳米链，留下不含游离AuNP的无色上清液，支持通过PDA进行局部还原(图10)。UV-vis光谱(图9(d))揭示纳米链中的PDA涂层在400nm至900nm的整个光谱范围内引起强吸收。在加载AuNP后，出现以550nm为中心的新峰。15nm的单独的AuNP的局域表面等离子体共振(LSPR)峰通常在520nm附近。

从所获得的结果可以证明，紧密排列的AuNP进行强偶联，这在LSPR中导致显著的红移和相关联的特征紫色(图9(d)的插图)。

实施例6：催化研究

发明人进一步使用模型反应，即将4-硝基苯酚还原为4-氨基苯酚，400nm处的4-硝基苯酚的吸收可以随之消失，从而测试载有纳米催化剂的纳米链的催化活性。

使用UV-vis光谱测定催化反应速率。为此目的，将4-硝基苯酚(22.5μl,0.2mM)与新鲜的NaBH₄溶液(22.5μL,15mM)混合。在室温下，将5μL载有金(Au)纳米颗粒的纳米链加入反应混合物中。为了引起搅动，将反应溶液置于磁力搅拌板(400rpm)上。记录280nm至550nm的光谱范围内的吸光度变化。

持续监测含有纳米链的反应混合物的液滴(50μL)。选择20μm长，125nm宽的纳米链以进行充分混合。如FIG.9(e)所示，旋转磁场的存在导致反应比率从0.132min^-1增加至0.208min^-1。从所获得的结果可以看出，纳米级搅拌棒的恒定旋转促进有效混合和质量传递，从而加速反应，这表明在微反应器应用中纳米链作为可通过磁性回收的自混合纳米催化剂的巨大潜力。

实施例7：纳米链的生物缀合

生物分子，如含有亲核氨基和硫醇基团的蛋白质和核苷酸，可以附着在PDA涂覆的纳米链上以调节其与生物系统的相互作用。

通常，在充分搅动下，将20μl纳米链分散于干净玻璃瓶中的TRIS缓冲液中，然后将适量的靶向DNA(SH-MUC1适体序列)小心地加入溶液中，然后使用PEG-SH进行聚二乙醇化。将NaCl溶液(1M)滴加到溶液中，并将盐浓度调节至50mM。孵育过夜后，通过磁分离纯化生物缀合型纳米链，并储存在4℃中备用。使用类似的方法来修饰杂乱DNA或PEG-SH(2kDa)。

本文中获得的结果(图11)显示，与形成聚集体并析出的制备的纳米链相比，在纳米链上的缀合的PEG和DNA分子大大提高DNA分子在缓冲液和细胞培养基中的稳定性。更重要的是，发明人已经发现，用乳腺癌细胞系MCF-7上过表达的MUC-1蛋白的DNA适体标记纳米链导致纳米链对细胞的特异性识别。

实施例8：细胞实验

在混有1.5g/L生物碳酸钠和10％胎牛血清(FBS)以及5％二氧化碳(CO₂)的Dulbecco'sModified Eagle Medium(DMEM)培养基中于37℃培养MCF-7细胞。

实施例8.1：暗视野成像

种植细胞并使其在聚-L-赖氨酸修饰的玻璃盖玻片上生长并孵育一天。将浓度为40μg/ml的1ml DMEM培养基中的适体修饰的纳米链与细胞孵育60分钟。然后，用磷酸盐缓冲盐水(PBS)洗涤细胞三次以除去游离的适体-NC。洗涤后，使用暗视野显微镜观察细胞载玻片。

实施例8.2：荧光成像

种植细胞并在24孔板中生长并孵育一天。将包含在400μL DMEM中浓度为40μg/ml的适体-NC与细胞孵育60分钟。随后，用PBS洗涤细胞三次以除去游离的适体-NC。洗涤后，向各孔中加入具有20μg/mL碘化丙啶(PI)的400μl的DMEM，且将该孔置于磁力搅拌器中60分钟，然后进行另一洗涤过程。将400μlPBS加入各孔中，且使用荧光显微镜观察平板。

荧光和暗视野叠合图像(图12(a)和(b))清楚地表明与携带长度相似的杂乱DNA的纳米链(sDNA-NC)相比，具有MCF-7细胞上的MUC-1适体标签的纳米链(Aptamer-NC)与在微管上稳定表达的绿色荧光蛋白优先结合。在旋转磁场中，预期与细胞结合的纳米链在细胞膜上发挥机械力。实际上，如图12(c)和(d)所示，在暴露于低频(150rpm)旋转磁场1小时后，大部分标记的细胞被膜不渗透性荧光染料、碘化丙啶(PI)染色。并且用适体-NC标记的细胞的染色更为明显。发明人认为施加的机械力破坏了细胞膜的完整性，导致细胞的磁解。

实施例8.3：细胞毒性分析

利用标准细胞计数试剂盒-8(Cell Counting Kit-8，CCK-8)，根据通用方案分析适体-NC的细胞毒性。简而言之，将MCF-7细胞接种在浓度为每个孔50000个细胞的96孔板中。在37℃中于培养箱孵育24小时后，将不同终浓度的纳米链与细胞孵育60分钟。然后，用PBS将每个孔洗涤三次以除去游离的适体-NC，然后分别搅动30分钟和60分钟。

此后，将10μl的CCK-8溶液加入96孔板的每个孔中，再孵育4小时。通过活细胞中脱氢酶还原WST-8(在CCK-8中的活性梯度)产生的橙色甲瓒染料的量与孔中活细胞数量成正比。因此，使用酶标仪通过测量每个孔450nm处的吸光度，可以通过计算实验孔的吸光度与对照细胞孔的吸光度的比率来确定细胞存活率。所有实验一式三份，且将结果平均化。

定量分析显示当仅用旋转磁场或携带PEG链或DNA的纳米链处理时，细胞维持超过82％的存活率，证实纳米链的生物相容性。然而，分别在处理0.5小时和1.0小时后，适体-NC和磁场的组合导致63％和76％的细胞死亡，而聚乙二醇化的纳米链和sDNA-NC导致少得多的(小于39％)细胞死亡。靶向适体-NC的磁解疗法显示从7％逐渐增至75％的细胞死亡率与纳米链浓度从10μg/mL增至80μg/mL一致(图12(f))，表明出剂量依赖性。

实施例9：用于使用磁性纳米链的微流体设备

实施例9.1：微室

微室可以由透明聚合物如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚氨酯(UV胶)制成。其透明度可以使得用肉眼能够识别比色反应导致的溶液的颜色变化。室的透明度也可有助于混合效率评估和磁性纳米链混合的优化。

实施例9.2：模块化单元芯片

每个室可以在模块化单元芯片上制造。可以重新组装和替换不同类型的室，以实现各种类型的生物化学分析。可将包含不同化学物质/颗粒或用于不同目的(混合、容纳、颜色读出等)的每种类型的模块化单元芯片设计成不同的形状以便于用户识别。每个芯片连同连接的管材都是损耗型的，这意味着其只能使用一次。

实施例9.3：微型阀

微型阀可以在芯片外构建，使得其可以重新使用以减少浪费和成本。微型阀可以是螺线管型或气动型，螺线管型或气动型可以被驱动以夹紧连接室的软管从而阻止流动。

实施例9.4：对照

为了证明观点，通过计算机(LabView系统)执行泵、微型阀和电磁板激活的控制。为了商业化目的，可以通过定制的控制单元来执行这些设备的控制。

实施例9.5：电磁板

电磁板充当附接有所有室的平台。在激活电磁板后，在注入和冲洗过程中磁性纳米链保留在所述室中，使得室之间不会发生交叉污染。当电磁板关闭时，磁性纳米链在室内自由旋转(由于下面的搅拌板的作用)，从而增强分析物/样品的混合。

实施例9.6：泵

为了证明观点，采用了外部泵(注射泵，蠕动泵等)。为了商业化目的，可以将微型泵集成于系统中。

实施例9.7：搅拌板

为了证明观点，采用实验室磁力搅拌板。为了商业化目的，可以集成磁力搅拌设备并将其直接构建在所述设备下方。

实施例10：微流体设备操作

图14描述的微流体设备放置在磁力搅拌板上。

将样品(血液、蛋白质混合物等)注入具有捕获型纳米链(抗体修饰的)的混合室1中。打开电磁板，使得注射过程中纳米链保留在所述室中。关闭混合室1周围的微型阀，且关闭电磁板。释放的磁性纳米链在腔1中旋转以增强样品的混合。

然后打开电磁板以在所述室的底部收集结合靶的纳米链。随后，通过废物出口1冲走废物。打开室间微型阀1，激活泵1从而将双功能纳米颗粒(BNP)递送至混合室1中。

BNP结合至捕获型纳米链上的靶后，再次打开电磁板以收集复合物。打开混合室1和2之间的阀，并打开泵2，将游离BNP注入含有催化性纳米链的混合室2中。给予一定的时间使BNP结合至催化链，然后注入催化剂底物以引发比色反应。关闭电磁板，使得旋转的纳米链能够增强混合过程。

打开混合室2和颜色读出室之间的阀。通过打开电磁板使纳米链保留在混合室2中。通过激活泵3将有色溶液递送至颜色读出室。

实施例11：DNA杂交

图16为使用DNA连接的QD磁性纳米金属链检测循环肿瘤细胞的示意图，图17为展示用于循环肿瘤细胞(CTC)捕获、释放和表型分析的微流体芯片系统的示意图。

在该设计中，具有用于循环肿瘤细胞(CTC)的抗体的量子点(QD)通过DNA杂交连接至磁性纳米链。磁性纳米链上的DNA具有立足区(Toehold Region)，如果加入具有完全互补序列的DNA链，则立足区允许QD从磁性纳米链释出。微流体芯片的设置与图15所示类似。

在CTC被纳米链捕获之后，冲走废物，然后注入置换型DNA以使QD标记的CTC从磁性纳米链释出。随后，通过介导电泳通道递送QD标记的细胞以将CTC与游离QD分离。使用荧光显微镜对检测室中积聚的CTC进行计数和成像。

已经发现磁性纳米结构在诊断和治疗应用上的广泛用途，包括用作磁共振成像的对比剂、磁介导热疗和磁分离。使细胞与磁性纳米结构相互作用为操纵细胞行为提供了一种远程控制的非侵入性手段。除了本文呈现的磁解疗法外，需要对纳米链结构和磁场进行精细优化以用于更广泛的应用，如机械转导。

实施例12：用于大规模合成纳米链的微流体设备

在磁性纳米链的质量控制及其在微流体设备内的操纵方面已经获得了进一步的进展。细节总结如下。通过优化纳米链和用于单独控制其旋转和收集的设备，这些部件可以在下一阶段组装在用于生物标志物和循环肿瘤细胞的检测平台中。

实施例12.1：用于大规模合成均匀的纳米链的连续流动反应器的设计

图18为展示连续流动反应器中以微通道控制纳米链长度的示意图。为了产生长度相似的纳米链，将反应室分成宽度等于所需的纳米链长度的一系列平行微通道。在激活电磁体后，顺磁纳米颗粒自组装成链并沿磁场对齐。由于受微通道壁限制，纳米链的长度与通道宽度一致。

图19为描述基于流动聚焦和磁电泳使不同长度的纳米链聚焦和分离的示意图。为了提高纳米链的长度均匀性，将来自流动反应器的产物引导至分离式微通道中。通过侧流流体动力学聚焦，使纳米链聚焦成一单列。将磁体放置在微通道的边缘处以引导纳米链朝通道壁进行磁泳。较长的链经受较强的磁力，且进一步远离通道的中部迁移。随后，可通过分叉的微通道分离并收集所需的纳米链。

实施例12.2：微流体设备中纳米链的操纵

纳米链的旋转-本文获得的结果表明，磁性纳米链在微流体室内进行局部旋转，这预期能改进所述室内的混合。

纳米链的收集-可以在冲洗过程中通过激活放置在微室底部的电磁体而将磁性纳米链保持在所述室中。图20为描述在凹进微室中在冲洗过程保持磁性纳米链的示意图。所述纳米链可被磁体捕获并停留在微室的凹进区中。此后，可以激活所述泵以冲走废物。在冲洗过程之后，可以停用电磁体以释放磁性纳米链。

可移动的永磁体-可以激活电磁体以保持磁性纳米链。然而，长时间使用电磁铁可能会产生热量，这可能会影响所述室中的流体的性质。捕获所述纳米链的可替换的方法可以是使用连接至小线性执行机构的永磁体。永磁体不产热且通常具有较强的磁场。

图21为描述线性执行机构驱动的永磁体的移动的示意图。在需要时，永磁铁可以移动至正确的位置(例如，室下方)，且在需要释放纳米链时，缩回至远离所述室的另一位置。线性执行机构可以用电信号来控制且可轻易地集成于控制系统中。

如各种实施例中所示，PDA在对齐的磁性纳米颗粒周围自聚合能够将纳米颗粒“聚合”成纳米链。高度交联的PDA壳不仅给予纳米链以结构牢固性，且其通用反应性还能够轻易地加载金属纳米催化剂并裁制表面功能。磁性纳米链为多功能平台，能够进行灵活的合成后功能化，且可用作可通过磁性回收的、自混合的纳米催化剂，并用于癌细胞的磁解疗法。异质磁性纳米晶体的胶体合成的最新进展为构造多功能磁性纳米链提供了新的构建块。类似地，一系列生物分子(如，酶)的引入为应用(如，生物催化和医学诊断)提供了新的可能性。

虽然已经结合本发明的示例性实施例具体展示并描述了本发明，但是本领域普通技术人员会理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种变化。

Claims (32)

1.一种用于制备磁链结构的方法，所述方法包括：

a)提供多个磁性颗粒；

b)将所述多个磁性颗粒分散在包含基于多巴胺的材料的溶液中以形成反应混合物；

c)施加遍及所述反应混合物的磁场以使反应混合物中的磁性颗粒对齐；和

d)使所述基于多巴胺的材料在对齐的磁性颗粒上聚合，以获得所述磁链结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁性颗粒具有芯-壳结构，所述芯包含磁性材料，所述壳包含围绕所述芯的，选自聚合物、二氧化硅、金属、金属-有机骨架及其组合的材料。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述磁性颗粒包含选自铁磁材料、超顺磁性材料及其组合的磁性材料。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述磁性颗粒包含超顺磁性材料或由超顺磁性材料组成。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述超顺磁材料选自超顺磁性金属、超顺磁性金属氧化物、包含超顺磁性金属和/或超顺磁性金属氧化物的异质结构、及其组合。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述超顺磁性金属选自Fe、Co、Ni、FeAu、FePt、FePd、CoPt、及其合金。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述超顺磁性金属氧化物选自Fe₂O₃、Fe₃O₄、CoO、NiO、CoFe₂O₄、MnFe₂O₄、及其组合。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，包含超顺磁性金属和/或超顺磁性金属氧化物的异质结构选自Au-Fe₂O₃、Ag-Fe₃O₄、量子点-Fe₂O₃纳米结构、及其组合。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述聚合物选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、酚醛树脂、其共聚物、及其组合。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述磁性颗粒具有芯-壳结构，所述芯包含Fe₃O₄，且所述壳包含包围所述芯的聚苯乙烯。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述磁性颗粒的直径为约20nm至约2μm。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述溶液的pH值为约7.1至约12。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述溶液还包含缓冲溶液。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述基于多巴胺的材料选自：多巴胺；具有邻苯二酚基团的多巴胺样分子，如去甲肾上腺素，或L-3,4-二羟基苯丙氨酸；多酚，如单宁酸；5,6-二羟基-1H-苯并咪唑；及其组合。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述基于多巴胺的材料包含多巴胺或由多巴胺组成。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，在所述反应混合物中基于多巴胺的材料的浓度为约0.08mg/ml至约0.5mg/ml。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其特征在于，在所述反应混合物中所述磁性颗粒的量为约0.001wt％至约0.5wt％。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其特征在于，施加遍及所述反应混合物的磁场的过程进行约4分钟至约15分钟。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其特征在于，施加遍及所述反应混合物的磁场的过程在反应室内进行，所述反应室包含宽度与所述磁链结构的长度对应的一个或多个通道。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其特征在于，使所述基于多巴胺的材料在对齐的磁性颗粒上聚合的过程进行4小时或更长时间。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其特征在于，使所述基于多巴胺的材料在对齐的磁性颗粒上聚合的过程不在搅拌下进行。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述磁链结构中对齐的磁性颗粒的颗粒间距离为约3nm至约200nm。

23.根据权利要求1至22中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在施加遍及反应混合物的磁场以使所述反应混合物中的所述磁性颗粒对齐之前，使所述基于多巴胺的材料在所述磁性颗粒上聚合。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，使所述基于多巴胺的材料在所述磁性颗粒上聚合的过程进行约5分钟至约1小时。

25.根据权利要求23或24所述的方法，其特征在于，所述磁链结构中对齐的磁性颗粒的颗粒间距离为约3nm至约200nm。

26.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其特征在于，所述磁链结构的长度为约1μm至约50μm。

27.根据权利要求1至26中任一项所述的方法，其特征在于，使基于多巴胺的材料在对齐的磁性颗粒上聚合之前，搅拌包含对齐的磁性颗粒的反应混合物。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，搅拌所述反应混合物通过超声处理或振荡进行。

29.根据权利要求27或28所述的方法，其特征在于，所述磁链结构的长度为约1μm至约5μm。

30.根据权利要求1至29中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将获得的磁链结构分散在包含基于多巴胺的第二材料的第二溶液中，并使所述基于多巴胺的第二材料在磁链结构上聚合。

31.根据权利要求1至30中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将选自以下各项的部分连接至所述磁链结构：聚合物，如聚乙二醇；金属纳米颗粒，如金纳米颗粒；金属氧化物纳米颗粒，如ZnO纳米颗粒；生物分子，如蛋白质或核苷酸；金属-有机骨架材料，如ZIF-8；及其组合。

32.一种用权利要求1至31中任一项所述的方法制备的磁链结构。