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磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)作为先进的分子影像技术，具有无放射性、高分辨率等优点，已经广泛用于临床疾病诊断。为了提高病灶与健康组织之间成像对比度，MRI造影剂在临床诊断应用中变得不可或缺。磁性Fe3O4纳米粒子是一种具有良好的生物相容性的高效MRI造影剂，其可将活体内的靶细胞可视化，获得细胞在活体内的生物学分布并可示踪其迁徙、运输。用于MRI造影剂的磁性纳米粒子必须满足较高的磁弛豫率以及较高的细胞摄取率。研究表明，Fe3O4纳米粒子形成聚集体可以显著提高其磁共振弛豫率，基于此，我们通过分子设计、合成了三种不同的磁性纳米材料体系:葡聚糖修饰的Fe3O4磁性纳米粒子修饰到二维纳米材料氧化石墨烯(Graphene oxide，GO)上，形成磁性纳米粒子聚集体，以改善生物成像效果;Fe3O4纳米粒子共价连接到PEG修饰的GO上，然后通过非共价相互作用负载化疗药物，构建生物成像和药物递送一体化纳米平台;我们将VP4共价修饰到Fe3O4纳米粒子表面，以促进其被细胞吞噬，从而提高细胞成像的灵敏度，并探索其在药物输运以及作为诊疗一体化纳米平台（Theranostic nanoplatform）方面的应用。
本博士学位论文主要包括以下三个方面的工作:
1.Fe3O4磁性纳米粒子-氧化石墨烯复合材料的设计、制各及其用于细胞MRI成像的研究。
在这一部分，作者首先利用高温分解法获得粒径和单分散性可控的Fe3O4磁性纳米粒子，并进行羧基化修饰。然后利用氨基化的葡聚糖对其进一步修饰，以改善其生理稳定性和生物相容性。最后再将葡聚糖修饰的Fe3O4磁性纳米粒子与GO共价交联，得到具有良好生物相容性的Fe3O4-GO复合纳米材料。本研究表明，与分散的Fe3O4纳米粒子相比，该Fe3O4-GO复合材料的MRIT2弛豫率提高了3.1倍。其对细胞标记率高达100％，从而有效改善了细胞的MRI成像效果。
2.基于Fe3O4磁性纳米粒子-氧化石墨烯复合材料的诊疗一体化平台的构建。
在上述工作基础上，本论文设计、制备了集MRI成像和药物输运为一体的Fe3O4纳米粒子-氧化石墨烯多功能纳米体系。在该体系中，GO作为纳米载体，用于可控装载抗肿瘤药物阿霉素(DOX)，实现药物的输送。同时，将磁性纳米粒子引入GO，使复合材料具有细胞MRI成像功能。当Fe3O4-PEG-GO/DOX体系中的Fe与DOX的浓度比控制在20∶1时，其对肿瘤细胞具有一定的杀伤能力，同时可以进行活细胞成像。
3.轮状病毒外壳蛋白VP4修饰Fe3O4磁性纳米粒子用于生物成像及药物输运的研究。
VP4是病毒外层突刺状的蛋白，其在病毒的生命周期中扮演重要角色，包括与细胞相应受体结合，使病毒进入细胞。本部分工作首先将VP4通过大肠杆菌表达、纯化以及复性，然后通过EDC化学将其共价修饰到羧基化的Fe3O4磁性纳米粒子上，最后再将抗癌药物DOX共价偶联到VP4-Fe3O4磁性纳米粒子上。普鲁士蓝染色以及磁共振成像实验结果表明，与葡聚糖以及白蛋白修饰的Fe3O4磁性纳米粒子相比，VP4-Fe3O4纳米粒子可以更有效的进入MA104和HepG2细胞中，具有较好的细胞标记能力。本研究表明，分别与正常细胞MA104和癌细胞HepG2共孵育后，VP4-Fe3O4/DOX磁性给药体系能有效识别并选择性杀死HepG2肿瘤细胞。其原因尚不清楚，但可能与VP4与癌细胞膜上的整合素表达有关。
集多模态生物MRI与治疗于一体的多功能纳米药物载体，有利于提高临床诊疗效果以及用于个性化医疗，是纳米生物医学研究的一个新的发展方向。本博士论文研究了构建基于Fe3O4磁性纳米粒子的诊疗一体化纳米平台及其用于细胞成像和药物递送等，取得了一些初步成果。本博士论文为进一步构建高效、安全的纳米生物成像、载药体系提供了新的思路。