Магнитное нанокольцо

Магнитные нанокольца представляют собой форму магнитных наночастиц , обычно изготовленных из оксида железа в форме кольца. Они имеют множество применений в области медицины и компьютерной техники. В экспериментальных испытаниях они обеспечивают более локализованную форму лечения рака, воздействуя на отдельные клетки, а не на общую раковую область тела, а также дают более четкое изображение опухолей за счет повышения точности идентификации раковых клеток. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Они также позволяют использовать более эффективную и меньшую по размеру MRAM (память в компьютере), что помогает уменьшить размер технологии, в которой она находится. ^{[ 3 ]} Магнитные нанокольца могут быть изготовлены различного состава, формы и размера, используя гематитовые нанокольца в качестве базовой структуры. ^{[ 4 ]}

Приложения

Лечение рака

Экспериментально доказано, что магнитные нанокольца повышают точность лечения рака гипертермией и визуализации рака. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Лечение рака гипертермией

Многочисленные исследования показали, что магнитные нанокольца улучшают лечение рака с помощью магнитной гипертермии, воздействуя на раковые клетки и ограничивая количество нагревания окружающей среды, тем самым создавая более индивидуальное лечение. ^{[ 1 ]}

Магнитная гипертермия — это экспериментальный вариант лечения рака гипертермией, который использует уязвимость раковых клеток к высоким температурам, обычно 40–44 градуса Цельсия, чтобы инициировать гибель клеток. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Магнитная гипертермия использует нагревательные свойства магнитного гистерезиса путем инъекции магнитных наночастиц в раковую область, а затем применения переменного магнитного поля для проведения тепла. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Использование магнитных наночастиц особенно полезно, поскольку они могут достигать областей тела, недоступных при поверхностной обработке (например, микроволнами, ультразвуком и излучением), и могут оставаться в раковой области в течение длительного периода времени, что позволяет проводить несколько сеансов лечения. за одну инъекцию. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Кроме того, можно легко контролировать количество тепла в зависимости от размера и формы магнитной наночастицы, и она может временно связываться с антителами для эффективного воздействия на опухоль. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Хотя могут возникнуть опасения по поводу острой токсичности при использовании посторонних металлов, доза значительно ниже диапазона острой токсичности, и исследования показали, что он безопаснее, чем другие методы, из-за его точности и эффективности в более низком температурном диапазоне. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Исследования также показали, что лечение гипертермии на основе магнитных нанокольц можно использовать в сочетании с методами иммунной блокады контрольных точек, что является способом заставить иммунную систему организма атаковать раковую область. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} В частности, стимуляция реакции Фентона может более эффективно убивать раковые клетки и предотвращать рост новых. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Реакция Фентона, реакция с участием ионов железа, работает путем преобразования кислой раковой среды в негостеприимную основную среду для раковых клеток. Следовательно, железосодержащие магнитные нанокольца особенно полезны для лечения рака. ^{[ 7 ]}

В прошлых методах лечения рака магнитной гипертермией использовались суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (SPION) в форме сферы, которые неспецифически нагревали среду вокруг опухоли, убивая здоровые клетки. ^{[ 1 ]} Для сравнения, частицы оксида железа Vortex (VIP), магнитное нанокольцо, обеспечивают более контролируемую и точную внутриклеточную гипертермию. ^{[ 1 ]} Внутриклеточная гипертермия возникает, когда VIP входит в клетку и нагревается изнутри, что обеспечивает еще более конкретную форму гипертермии. ^{[ 1 ]} VIP также могут создавать магнитный вихрь, когда магнитные моменты (мера интенсивности и направления магнетизма) VIP возникают в закручивающемся направлении внутрь под переменным магнитным полем. ^{[ 1 ]} Направление магнитных моментов внутрь, вызывает выделение тепла только внутри вихря, что позволяет использовать более эффективную и менее вредную форму лечения. ^{[ 1 ]}

Визуализация рака

В экспериментах было показано, что магнитные нанокольца создают более четкие МРТ и фотоакустические изображения опухолей. ^{[ 2 ]} Эта форма магнитного нанокольца содержит золото и имеет форму венка. ^{[ 2 ]} Опять же, магнитное нанокольцо более эффективно идентифицирует раковые клетки, чем предыдущие методы, поскольку форма венка будет разбираться в ответ на магнитное поле и высокие уровни глутатиона, химического вещества, специально обнаруженного в раковых клетках, что позволяет получать более контрастные изображения. ^{[ 2 ]}

МРАМ

Магнитные нанокольца используются в MRAM (магнитной оперативной памяти) из-за их способности быстро переключать токи. ^{[ 3 ]} Магнитные нанокольца заменили частицы GMR (гигантского магнитосопротивления) в CIMS (переключение намагниченности, индуцированное током) MRAM, поскольку длинная овальная или прямоугольная форма GMR могла вызвать помехи с соседними GMR. ^{[ 3 ]}^{[ 8 ]} Эти помехи могут создать магнитный шум, тем самым снижая эффективность MRAM. ^{[ 3 ]}^{[ 8 ]} Для сравнения, симметричная структура магнитных наноколец уменьшает взаимодействие с соседними нанокольцами, создавая тем самым более последовательную и надежную MRAM. ^{[ 3 ]}^{[ 8 ]} Меньший размер наноколец также позволяет снизить энергопотребление и создать более компактную MRAM, что в конечном итоге уменьшает размер электроники. ^{[ 3 ]}

Синтез

Магнитные нанокольца создаются посредством гидротермального синтеза (реакция синтеза, происходящая при высоких температурах) с использованием микроволн, чтобы ускорить скорость реакции. ^{[ 9 ]}

${\ce {\alpha-Fe2O3}}$ (Гематит)

Практически все формы магнитных наноколец образуются путем модификации гематита( ${\ce {\alpha-Fe2O3}}$ ), который создается путем объединения водного хлорида железа (III) и водного дигидрофосфата аммония при температуре 220 градусов Цельсия. ^{[ 9 ]}^{[ 4 ]} Изменение количества реагентов контролирует форму и размер образующегося гематита. ^{[ 4 ]}

${\ce {FeCl3(aq) + NH4H2PO4(aq) -> \alpha-Fe2O3(s)}}$

${\ce {Fe3O4}}$ и ${\ce {\gamma-Fe3O4}}$

${\ce {Fe3O4}}$ производится путем соединения гематита с газообразным водородом при температуре 420 градусов Цельсия в течение 120 минут. ^{[ 4 ]}

${\ce {\alpha-Fe2O3(s) + H2(g) -> Fe3O4(s)}}$

${\ce {\gamma-Fe3O4}}$ производится путем охлаждения ${\ce {Fe3O4}}$ до 210 градусов Цельсия воздухом в течение 120 минут. ^{[ 4 ]}

${\ce {Fe3O4(s) + air -> \gamma-Fe3O4(s)}}$

${\ce {MFe2O4}}$

M представляет собой металл с зарядом 2+, такой как Co, Mn, Ni и Cu. ${\ce {MFe2O4}}$ производится путем смешивания ${\ce {\alpha-Fe2O3}}$ водным раствором с ионами металлов и ионами гидроксидов при 60 градусах Цельсия, затем гидроксидом металла( ${\ce {M(OH)2}}$ ) налет образуется поверх гематита. ^{[ 4 ]} Гематит с покрытием из гидроксида металла затем нагревают при 300 градусах Цельсия в течение 30 минут с газообразным водородом, а затем снова нагревают при 720 градусах Цельсия в течение 3 часов с воздухом для образования ${\ce {MFe2O4}}$ . ^{[ 4 ]}

${\ce {\alpha-Fe2O3(s) + M(OH)2(aq) -> \alpha-Fe2O3(s) + M(OH)2 (s)}}$

${\ce {\alpha-Fe2O3(s) + M(OH)2(s) -> MFe2O4 (s)}}$

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Дэйс, Чарльз С.Б.; Ганчук, Талита Д.М.; Вендер, Хебертон; Сигейоси, Виллиан Т.; Коберг, Джордж; Росси, Эндрю Л.; Танака, Марсело Н.; Кардозо, Мэтью Б.; Гарсия, Флавио (декабрь 2017 г.). «Магнитные нанокольца индивидуальной формы для внутриклеточной гипертермической терапии рака» . Научные отчеты 7 (1): 14843. Бибкод : 2017NatSR ...714843D . дои : 10.1038/ s41598-017-14633-0 ISSN 2045-2322 . ПМК 5665982 . ПМИД 29093500 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Лю, Ицзин; Ян, Чжэнь; Хуан, Сяолинь; Ю, Гокан; Ван, Шэн; Чжоу, Цзыцзянь; Шен, Чжэю; Фан, Вэньпей; Лю, Йи; Дэвиссон, Мэтью; Калиш, Хизер (28 августа 2018 г.). «Самосборная магнитная золотая нанолента, реагирующая на глутатион, для улучшенной визуализации опухолей и фототермической терапии под визуальным контролем» . АСУ Нано . 12 (8): 8129–8137. дои : 10.1021/acsnano.8b02980 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 30001110 . S2CID 51619099 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Хан, XF; Вэнь, ZC; Ван, Ю.; Лю, Х.Ф.; Вэй, HX; Лю, ДП (октябрь 2011 г.). «Наноэллиптический кольцевой магнитный туннельный переход и его применение в конструкции MRAM с коммутацией спин-поляризованного тока» . Транзакции IEEE по магнетизму . 47 (10): 2957–2961. Бибкод : 2011ITM....47.2957H . дои : 10.1109/TMAG.2011.2159370 . ISSN 0018-9464 . S2CID 32263360 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Фан, Хай-Мин; Йи, Цзя-Бао; Ян, Йи; Хо, Кианг-Вэй; Тан, Хуэй-Ру; Шен, Цзэ-Сян; Дин, Цзюнь; Сунь, Сяо-Вэй; Оливо, Малини Кэролин; Фэн, Юань-Пин (22 сентября 2009 г.). «Монокристаллические нанотрубки/нанокольца MFe 2 O 4, синтезированные методом термического преобразования для биологических применений» . АСУ Нано . 3 (9): 2798–2808. дои : 10.1021/nn9006797 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 19711908 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Периго, EA; Хемери, Г.; Сандре, О.; Ортега, Д.; Гарайо, Э.; Плазаола, Ф.; Теран, Ф.Дж. (декабрь 2015 г.). «Основы и достижения магнитной гипертермии ». Обзоры прикладной физики . 2 (4): 041302.arXiv : 1510.06383 . Бибкод : 2015АпПРв...2д1302П . дои : 10.1063/1.4935688 . ISSN 1931-9401 . S2CID 53355982 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Лю, Сяоли; Чжэн, Цзяньцзюнь; Сунь, Вэй; Чжао, Сяо; Ли, Яо; Гун, Нинцян; Ван, Яньюнь; Ма, Сяовэй; Чжан, Тинбинь; Чжао, Лин-Юнь; Хоу, Яи (22 июля 2019 г.). «Мягкая магнитная гипертермия, опосредованная ферримагнитным вихревым нанообразованием, оказывает мощный иммунологический эффект при лечении метастазов рака» . АСУ Нано . 13 (8): 8811–8825. дои : 10.1021/acsnano.9b01979 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 31328922 . S2CID 198132719 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Ранджи-Бурачалу, Хади; Гурр, Пол А.; Данстан, Дэйв Э.; Цяо, Грег Г. (26 декабря 2018 г.). «Лечение рака с помощью реакции Фентона с помощью наночастиц» . АСУ Нано . 12 (12): 11819–11837. дои : 10.1021/acsnano.8b07635 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 30457834 . S2CID 53779160 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Хан, XF; Вэнь, ZC; Вэй, HX (апрель 2008 г.). «Наноринг магнитного туннельного перехода и его применение в демонстрационных устройствах магнитной оперативной памяти с коммутацией спин-поляризованного тока (приглашен)» . Журнал прикладной физики . 103 (7): 07Э933. Бибкод : 2008JAP...103gE933H . дои : 10.1063/1.2839774 . ISSN 0021-8979 .
^ Jump up to: ^а ^б Ху, Х.; Ю, Джей Си; Гонг, Дж.; Ли, К.; Ли, Г. (03 сентября 2007 г.). «Нанокольца α-Fe2O3, полученные с помощью гидротермального процесса с использованием микроволнового излучения, и их сенсорные свойства» . Продвинутые материалы . 19 (17): 2324–2329. дои : 10.1002/adma.200602176 . S2CID 98346665 .

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Дэйс, Чарльз С.Б.; Ганчук, Талита Д.М.; Вендер, Хебертон; Сигейоси, Виллиан Т.; Коберг, Джордж; Росси, Эндрю Л.; Танака, Марсело Н.; Кардозо, Мэтью Б.; Гарсия, Флавио (декабрь 2017 г.). «Магнитные нанокольца индивидуальной формы для внутриклеточной гипертермической терапии рака» . Научные отчеты 7 (1): 14843. Бибкод : 2017NatSR ...714843D . дои : 10.1038/ s41598-017-14633-0 ISSN 2045-2322 . ПМК 5665982 . ПМИД 29093500 .

[:2-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Лю, Ицзин; Ян, Чжэнь; Хуан, Сяолинь; Ю, Гокан; Ван, Шэн; Чжоу, Цзыцзянь; Шен, Чжэю; Фан, Вэньпей; Лю, Йи; Дэвиссон, Мэтью; Калиш, Хизер (28 августа 2018 г.). «Самосборная магнитная золотая нанолента, реагирующая на глутатион, для улучшенной визуализации опухолей и фототермической терапии под визуальным контролем» . АСУ Нано . 12 (8): 8129–8137. дои : 10.1021/acsnano.8b02980 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 30001110 . S2CID 51619099 .

[:1-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Хан, XF; Вэнь, ZC; Ван, Ю.; Лю, Х.Ф.; Вэй, HX; Лю, ДП (октябрь 2011 г.). «Наноэллиптический кольцевой магнитный туннельный переход и его применение в конструкции MRAM с коммутацией спин-поляризованного тока» . Транзакции IEEE по магнетизму . 47 (10): 2957–2961. Бибкод : 2011ITM....47.2957H . дои : 10.1109/TMAG.2011.2159370 . ISSN 0018-9464 . S2CID 32263360 .

[:6-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Фан, Хай-Мин; Йи, Цзя-Бао; Ян, Йи; Хо, Кианг-Вэй; Тан, Хуэй-Ру; Шен, Цзэ-Сян; Дин, Цзюнь; Сунь, Сяо-Вэй; Оливо, Малини Кэролин; Фэн, Юань-Пин (22 сентября 2009 г.). «Монокристаллические нанотрубки/нанокольца MFe 2 O 4, синтезированные методом термического преобразования для биологических применений» . АСУ Нано . 3 (9): 2798–2808. дои : 10.1021/nn9006797 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 19711908 .

[:3-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Периго, EA; Хемери, Г.; Сандре, О.; Ортега, Д.; Гарайо, Э.; Плазаола, Ф.; Теран, Ф.Дж. (декабрь 2015 г.). «Основы и достижения магнитной гипертермии ». Обзоры прикладной физики . 2 (4): 041302.arXiv : 1510.06383 . Бибкод : 2015АпПРв...2д1302П . дои : 10.1063/1.4935688 . ISSN 1931-9401 . S2CID 53355982 .

[:4-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Лю, Сяоли; Чжэн, Цзяньцзюнь; Сунь, Вэй; Чжао, Сяо; Ли, Яо; Гун, Нинцян; Ван, Яньюнь; Ма, Сяовэй; Чжан, Тинбинь; Чжао, Лин-Юнь; Хоу, Яи (22 июля 2019 г.). «Мягкая магнитная гипертермия, опосредованная ферримагнитным вихревым нанообразованием, оказывает мощный иммунологический эффект при лечении метастазов рака» . АСУ Нано . 13 (8): 8811–8825. дои : 10.1021/acsnano.9b01979 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 31328922 . S2CID 198132719 .

[:5-7] Jump up to: ^а ^б ^с Ранджи-Бурачалу, Хади; Гурр, Пол А.; Данстан, Дэйв Э.; Цяо, Грег Г. (26 декабря 2018 г.). «Лечение рака с помощью реакции Фентона с помощью наночастиц» . АСУ Нано . 12 (12): 11819–11837. дои : 10.1021/acsnano.8b07635 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 30457834 . S2CID 53779160 .

[:8-8] Jump up to: ^а ^б ^с Хан, XF; Вэнь, ZC; Вэй, HX (апрель 2008 г.). «Наноринг магнитного туннельного перехода и его применение в демонстрационных устройствах магнитной оперативной памяти с коммутацией спин-поляризованного тока (приглашен)» . Журнал прикладной физики . 103 (7): 07Э933. Бибкод : 2008JAP...103gE933H . дои : 10.1063/1.2839774 . ISSN 0021-8979 .

[:7-9] Jump up to: ^а ^б Ху, Х.; Ю, Джей Си; Гонг, Дж.; Ли, К.; Ли, Г. (03 сентября 2007 г.). «Нанокольца α-Fe2O3, полученные с помощью гидротермального процесса с использованием микроволнового излучения, и их сенсорные свойства» . Продвинутые материалы . 19 (17): 2324–2329. дои : 10.1002/adma.200602176 . S2CID 98346665 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]