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扫描电镜揭开市面常用磁珠的神秘面纱

2023-10-28 23:04:16点击:


磁珠,又被称之为超顺磁性微球,或者磁性微球,是继胶体金、聚苯乙烯微球之后,微纳米材料及微纳米技术应用于生物医学领域的杰出“代表”。磁性微球广泛应用于生物医学领域,药物载体、蛋白纯化、细胞分离、以及化学发光。


特别是化学发光,可以说,磁性微球是实现全自动化学发光检测的基石,是全自动化学发光检测试剂必不可少的原料,也是化学发光检测试剂的主要成本之一。


图源:the best guide for the useof magnetic beads in CLIA.


那么,什么是超顺磁性微球呢?你们“见过”磁性微球吗?本期我们一起来解开磁性微球的神秘“面纱”,看看各厂家磁性微球到底长什么样?(文末有高清图)


超顺磁性微球


超顺磁性是一种纳米效应,当铁磁性材料尺寸足够小,被外磁场磁化后的磁取向力无法抵抗热扰动的干扰而失去磁性。简单来说,就是当有外界磁场时,磁性微球被磁化而具有磁性,外磁场消失后,磁性微球则没有磁性。这种特性使得磁性微球具有能够在磁场环境下聚集,去掉磁场后,又重新分散的能力,是一种接近完美的生物分离载体。


△基于磁性微球的化学发光检测示意图/Sysmex


超顺磁性微球的粒径一般在500nm-5μm之间的聚合物微球。实际上磁性微球一般是由尺寸更小的磁性纳米颗粒(10nm左右)聚集而成,因为只有达到纳米级别,材料才会表现出超顺磁性,而粒径只有在200nm以上,才会有足够的磁场作用力,实现生物分离。


磁性微球的种类是多种多样的,按照粒径分,有几百纳米的亚微米磁性微球,几微米的微米微球;按照结构可分为核壳结构微球,多层核壳结构微球等;按照表面官能团,又可分为羧基磁珠,氨基磁珠,硅羟基磁珠,甲苯磺酰基微球等。


化学发光常用的磁性微球粒径多在1μm到5μm之间,表面官能团为羧基,氨基,甲苯磺酰基等,磁性物质含量在20%到60%之间。


Dynabeads

作为微球界当之无愧的霸主,可以说Dynabeads引领了整个磁性微球的发展,其系列微球,M-270,M-280,以及Myone是磁性微球的标杆。1976年,挪威科学家John Ugelstad首次合成出统一粒径的标准聚苯乙烯微球——此前只有NASA在太空无重力条件下才能实现。Dynal公司进一步将工艺优化,减小了批次间差异,并且实现了量产。随后在此基础上,开发出粒径均一的磁性微球。



Dynabeads的制备过程,首先制备出多孔的聚苯乙烯微球,随后将8-10nm的氧化铁纳米颗粒封存在聚苯乙烯微球内部以及表面,随后用聚合物进行表面封装,防止氧化铁纳米颗粒泄露,最后进行表面功能化修饰,修饰基团包括羧基、氨基、环氧基以及甲苯磺酰基等。

目前,Dynabeads常规尺寸为4.5μm,2.8μm,1μm,分别命名为M-450,M-280/M270,Myone。其中M-450常用于细胞分离,M-280/M270和Myone系列被更多地用于体外诊断。


△Dynabeads三种规格磁珠基本性质

从表中我们可以看到,Dynabeads的粒径分布极为均一。

罗氏诊断的Elecsys® 电化学发光系统用的所有磁性微球都由Dynabeads提供。他们的合作在1996年,Elecsys平台刚开始建立的时候就已经开始了。根据一份2015年披露的文件,罗氏诊断在2014年的电化学发光全球测试数量约为16亿次,粗略估计需要60kg的Dynabeads。并且双方合作进一步加深,罗氏诊断准备在其德国的生产基地彭茨贝格投资建立Dynabeads生产线,预计在2017年开始直接在彭茨贝格生产磁性微球。


包括罗氏诊断在内,2013年,基于Dynabeads的免疫检测次数超过25亿次,预计为体外诊断行业提供超过100kg的Dynabeads磁珠,采用Dynabeads磁珠的TOP5厂家占据57%的全球体外诊断市场(2013年数据),TOP5厂家包括罗氏诊断,贝克曼库尔特,以及DiaSorin。


JSRMagnosphere磁珠系列

JSR全称Japan Synthetic Rubber,日本合成橡胶集团,成立于1957年,合成橡胶也是公司地第一项业务。发展至今,JSR基团的主要业务包括合成橡胶,塑料业务,数字解决方案业务,以及生命科学业务。JSRMagnosphere磁珠就属于生命科学业务旗下的一款明星产品。JSR在1981年推出IMMUTEX胶乳微球产品,开始涉足生命科学领域。


△JSR Magnosphere系列磁珠


MerckEstapor磁珠

作为德国Merck公司的一个品牌,Estapor磁珠也是化学发光领域的另外一位佼佼者。实际上Estapor磁珠的生产基地以及实验室坐落在法国里昂。Estapor磁珠种类较多,主要生产羧基和氨基磁珠,磁性物质含量从10%-60%不等。

△Estapor-M系列功能化超顺磁性微球列表


此外Estapor还有EM封装系列磁性微球,即EncapsulatedMicrospheres。这种磁珠采用核壳结构,表面用聚合物涂层将超顺磁性氧化铁纳米颗粒封装在内部,避免泄露以及和表面修饰物发生反应。EM系列具有低非特异性吸附,好的溶液稳定性,磁分离速度快等特点。和M系列磁珠一样,EM系列主要也是羧基以及氨基表面修饰。



Merck的Estapor磁珠的缺点是粒径分布比较宽,一个批次的磁珠会存在非常小的颗粒,而且批次之间的批间差也难以控制,好在Estapor磁珠的单批次产量可以按需求进行定制,因此可以避免一部分批次间差异的问题。


国内磁珠厂家

鉴于磁性微球在化学发光检测当中的重要性,以及其广阔的应用前景,依托一些高校的技术,国内也已经出现了一部分磁性微球厂家。如南京东纳生物科技有限公司,厦门普睿迈格生物,上海英芮诚,苏州为度,苏州纳微等。同时也有一部分化学发光厂家拥有自己的磁珠技术,如南京基蛋,深圳新产业等。


但是国内磁珠的产业化基本处于起步阶段,相对于抗体、抗原等原料在国内已经有一批优秀的企业,国内还没有形成具有规模的磁性微球厂家,其主要原因在于材料的制备需要时间技术的积累。在实验室小批量生产时能够得到粒径均一,性能优越的磁性微球,但是无法实现批量化生产,做到精细的批间控制。同时,化学发光的检测封闭性也在一定程度上,加大了磁珠国产替换的难度。


根据一份罗氏诊断2015年的报告,其曾经尝试过13种不同厂家的磁珠,尝试替代Dynabeads,应用于Elecsys检测系统,但是能够勉强替代的只有一种磁珠,而且一旦替换,所有的包被工艺,试剂配方,仪器参数都要随之调整,光重新提交FDA注册资料就需要花费5年,耗费250万美元。因此,磁珠的替换显得更为艰巨。但是,磁珠占据了化学发光试剂的一大部分成本,而在医保控费的大前提下,如果能够实现一定程度的国产替换,将会使国产化学发光产品更具竞争力,并且更具话语权。


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最后一起来欣赏一下各个厂家的磁性微球大片:


首先登场的是Dynabeads的Myone1μm羧基磁珠(扫描电镜图片)。经过小编粗略的统计,其粒径约为980nm,并且粒径分布极为均一,只能说不愧是业界标杆。


另一个进口厂家磁珠的扫描电镜图片,图片上看到会有大大小小的颗粒,并且有点像月球表面,但是也不能阻碍它成为一款优秀的磁珠。


一款国产磁珠扫描电镜图片,粒径较为均一。


另一款国产磁珠扫描电镜图片,粒径较为均一。


最后出场的是一款优秀的国产磁珠,来自于厦门普睿迈格生物科技有限公司的1μm羧基磁性微球。从扫描电镜图上看,该磁珠同Dynabeads一样具有尺寸均一的特点,但该磁珠表面更为光滑。购买生物磁珠请点击:http://www.purimagbead.com/Product/

最后希望国内企业能够支持国内磁珠,使国内磁珠在使用过程中不断迭代,最终实现稳定优质的工艺。