无配体铱纳米颗粒：简单水相合成与体外生物相容性验证

摘要

高密度无机纳米颗粒正成为放射医学中的强效剂，从X射线成像到放疗剂量增强。本文报道一种可扩展水相合成，通过偏硼酸还原氯化铱(III)制得2-3 nm铱纳米颗粒（IrNPs）。值得注意的是，该方法无需表面活性剂或稳定剂即可获得均匀单分散、无配体颗粒。透射电镜和X射线衍射确认颗粒晶态铱核心，体外肝细胞和巨噬细胞系实验显示耐受高达10 µM IrNPs和10 µM氯化铱(III)。溶血研究显示100 µM浓度下无显著红细胞损伤。这些发现凸显IrNPs未来体内应用前景。

研究背景

贵金属纳米颗粒凭借独特光学、电子和催化性质成为纳米医学核心。金和银纳米颗粒在传感、治疗、抗菌方面研究深入，但铂族金属在生物医学领域鲜少开发。铱因其卓越密度（22.56 g cm⁻³）、化学惰性和已知生物相容性，成为放射增强应用中金的有力替代。现有高Z纳米颗粒研究聚焦金、铋、铪；铱虽具优良理化性质，尚未在此方面探索。

铱的高密度支撑其辐射物理应用——¹⁹²Ir作为常用近距离放疗同位素，展示高密度元素如何释放强伽马射线。然而，尚无系统报道适合生物用途的无配体铱纳米颗粒合成。本工作为填补空白，提供简单可扩展水相协议及全面体外生物相容性评估。

实验方法

IrNPs合成

所有反应在无氧、18 MΩ去离子水中室温进行。20 mM IrCl₃（Acros Organics）超声搅拌20 min澄清。1.0 M硼烷-吗啉溶液（Alfa Aesar）同样超声。500 mL规模下，混合25 mL 1.0 mM IrCl₃与5 mL 10 mM硼烷-吗啉剧烈搅拌。混合液30 min内由褐变黑，指示纳米颗粒形成。再搅拌60 min后，用10 kDa MWCO离心过滤器（Amicon Ultra-4）4000×g浓缩胶体，水洗，0.22 µm针头过滤器（Millex-MP）过滤后保存。

纳米颗粒表征

高分辨TEM（FEI Tecnai F-20, 200 kV）在空心碳膜网格成像。ImageJ分析衍射图谱确认金属铱特征0.22 nm晶格间距。X射线衍射（Rigaku Ultima IV, Cu Kα, 20-80° 2θ, 0.1° min⁻¹）匹配PDF卡9008470元素铱。动态光散射（Malvern Nano ZSP）报告流体动力学直径~5 nm。UV-Vis光谱（Tecan M200 Pro）确认IrNPs宽无特征吸收对比IrCl₃尖峰。X射线光电子能谱（PHI Versaprobe II）显示主导Ir(0)表面伴随~20%表面氧化。电感耦合等离子体质谱（Agilent 7900）王水消解后ppb量级定量铱浓度。

细胞毒性分析

HepG2（人肝细胞癌）和J774A.1（小鼠巨噬细胞）以2×10⁵ cells/well接种96孔板（DMEM+10% FBS）培养24 h。IrNPs、IrCl₃、水或DMSO加至终体积110 µL（10% v/v）。Alamar Blue（10% v/v）荧光读数（ex 530 nm/em 590 nm）评估24或48 h活力。所有实验四重复孔，不同日重复。溶血评估：红细胞在PBS中与IrNPs孵育37°C 1 h，测血红蛋白释放。

结果

铱纳米颗粒合成与表征

水中用10倍摩尔过量硼烷-吗啉还原IrCl₃，30 min内得单分散2-3 nm IrNPs。TEM图像（图1a）和XRD图谱（图1c）确认高结晶铱核心。颗粒水中胶体稳定数月（图1d）。碱性介质中纳米颗粒转化为氧化铱呈蓝色；酸性条件诱导絮凝但不破坏晶体结构。XPS指示以元素表面为主伴随~20%表面氧化物（图3）。合成中尝试用巯基表面活性剂抑制颗粒形成，凸显该方法需无配体环境必要性。

铱细胞毒性

HepG2细胞中，IrCl₃ 24 h代谢活性升至115%，但500 µM下48 h降至90%。IrNPs 50 µM下48 h活力降至78%。巨噬细胞（J774A.1）50 µM IrNPs下24 h暂时性代谢增强（122%），48 h回~98%。500 µM下IrNPs 24 h中性活力但48 h降低，提示剂量依赖效应。溶血实验显示100 µM IrNPs无显著红细胞溶解。

讨论

传统铱纳米材料合成——氢化物还原、UV/γ辐照、聚醇法——针对催化剂载体集成，不适合生物应用。我们的水相无配体法规避这些限制，产出可进一步功能化颗粒。体外IrNPs表现低急性毒性，肝细胞耐受浓度达50 µM，溶血活性极低。巨噬细胞刺激提示潜在免疫调节作用，值得进一步机制研究。

鉴于铱高密度，这些纳米颗粒预期增强辐射衰减，类似¹⁹²Ir近距离放疗表现。未来工作将研究体内生物分布、肾清除及结合X射线或γ照射的治疗功效。

结论

我们证明铱(0)纳米晶可通过简单水相偏硼酸还原IrCl₃合成，得2-3 nm、高结晶、无配体IrNPs，流体动力学直径~5 nm。急性暴露下，这些颗粒肝细胞无毒至50 µM，暂时刺激巨噬细胞代谢，生理相关浓度下不诱导溶血。其无配体核心为面向生物医学应用的表面修饰提供多功能平台，特别是作为高密度射线造影或放疗增敏剂。

缩略语

AuNP

金纳米颗粒

DLS

动态光散射

ICP-MS

电感耦合等离子体质谱

IrNP

铱纳米颗粒

PDF

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UV

紫外

XPS

X射线光电子能谱

XRD

X射线衍射