Наночастица оксида железа
Часть серии статей о |
Наноматериалы |
---|
![]() |
Углеродные нанотрубки |
Фуллерес |
Другие наночастицы |
Наноструктурированные материалы |
Наночастицы оксида железа представляют собой частицы оксида железа с диаметрами от около 1 и 100 нанометров . Две основные формы состоят из магнетита ( Fe 3 O 4 ) и его окисленная форма магемита (γ- Fe 2 O 3 ). Они вызвали обширный интерес благодаря своим суперпарамагнитным свойствам и их потенциальным применениям во многих областях (хотя кобальт и никель также являются высоко магнитными материалами, они токсичны и легко окислены), включая молекулярную визуализацию . [ 1 ]
Применение наночастиц оксида железа включает в себя терабит- хранения магнитные устройства , катализ , датчики , суперпарамагнитную релупелуометрию , биомолекулярную магнитно-резонансную томографию с высокой чувствительностью , магнитную визуализацию , гипертермию магнитной жидкости , разделение биомолекул, а также целевые лекарственные средства и поставку гена для медицинской диагностики и терапевтов. Эти приложения требуют покрытия наночастиц такими агентами, как длинноцепочечные жирные кислоты , алкилзамещенные амины и диолы . [ Цитация необходима ] Они использовались в составах для добавок. [ 2 ]
Структура
[ редактировать ]Магнетит имеет обратную шпинельную структуру с кислородом, образующим фокусированную лицевую кубическую кристаллическую систему . В магнетите все тетраэдрические участки заняты Fe 3+
и октаэдрические места заняты обоими Fe 3+
и fe 2+
Полем Maghemite отличается от магнетита тем, что все или большая часть железа находится в тревортном состоянии ( Fe 3+
) и наличием катионных вакансий в октаэдрических участках. Maghemite имеет кубическую единичную клетку , в которой каждая клетка содержит 32 ионы кислорода, 21 1 ⁄ 3 Fe 3+
ионы и 2 2 ~ 3 вакансии. Катионы распределены случайным образом по 8 тетраэдрическим и 16 октаэдрическим участкам. [ 3 ] [ 4 ]
Магнитные свойства
[ редактировать ]Из -за 4 непарных электронов в 3D -оболочке , атом железа имеет сильный магнитный момент . Ионы Fe 2+
также 4 непарные электроны в 3D Shell и Fe 3+
иметь 5 непарных электронов в 3D Shell. Следовательно, когда кристаллы образуются из атомов железа или ионов 2+
и fe 3+
Они могут быть в ферромагнитных , антиферромагнитных или ферримагнитных состояниях.
В парамагнитном состоянии индивидуальные атомные магнитные моменты являются случайным образом ориентированы, а вещество имеет нулевый чистый магнитный момент, если нет магнитного поля . Эти материалы имеют относительную магнитную проницаемость, превышающую один и притягиваются к магнитным полям. Магнитный момент падает до нуля при удалении приложенного поля. Но в ферромагнитном материале все атомные моменты выровнены даже без внешнего поля. Феррамагнитный материал похож на ферромагнет, но имеет два разных типа атомов с противоположными магнитными моментами. Материал имеет магнитный момент, потому что противоположные моменты имеют разные сильные стороны. Если они имеют одинаковую величину, кристалл является антиферромагнитным и не обладает чистым магнитным моментом. [ 5 ]
Когда внешнее магнитное поле применяется к ферромагнитному материалу, намагниченность ( M ) увеличивается с прочностью магнитного поля ( H ), пока оно не приблизится к насыщению . В некотором диапазоне полей намагниченность имеет гистерезис , потому что для каждого поля существует более одного стабильного магнитного состояния. Следовательно, остаточная намагниченность будет присутствовать даже после удаления внешнего магнитного поля. [ 5 ]
Говорят, что единый домен -магнитный материал (например, магнитные наночастицы), который не имеет петли гистерезиса, является суперпарамагнитным . Упорядочение магнитных моментов в ферромагнитных, антиферромагнитных и ферримагнитных материалах уменьшается с повышением температуры. Ферромагнитные и ферримагнитные материалы становятся беспорядочными и теряют их намагничность за пределы температуры Кюри и антиферромагнитные материалы теряют свою намагниченность за пределы температуры Néel Полем Магнетит имеет температуру CURIE 850 К. является ферримагнитным при комнатной температуре и Maghemite является ферримагнитным при комнатной температуре, нестабилен при высоких температурах и теряет свою восприимчивость со временем. (Его температура Кюри трудно определить). Наночастицы магнетита и магмита суперпарамагнитны при комнатной температуре. [ 5 ] Это суперпарамагнитное поведение наночастиц оксида железа может быть связано с их размером. Когда размер становится достаточно малым (<10 нм), тепловые колебания могут изменить направление намагниченности всего кристалла. Материал со многими такими кристаллами ведет себя как парамагнет , за исключением того, что моменты целых кристаллов колеблются вместо отдельных атомов. [ 5 ]
Кроме того, уникальное суперпарамагнитное поведение наночастиц оксида железа позволяет магнически манипулировать им на расстоянии. В последних разделах будут обсуждаться внешние манипуляции в отношении биомедицинских наночастиц оксида железа. Силы необходимы для манипулирования пути частиц оксида железа. Пространственно однородное магнитное поле может привести к крутящему моменту на магнитной частице, но не может вызвать трансляцию частиц; Следовательно, магнитное поле должно быть градиентом, чтобы вызвать трансляционное движение. Сила на точечном магнитном дипольном моменте M из-за магнитного поля B определяется уравнением:
В биологических применениях наночастицы оксида железа будут транслироваться через какую -то жидкость, возможно, жидкость для организма, [ 6 ] В этом случае вышеупомянутое уравнение может быть изменено на: [ 7 ]
Основываясь на этих уравнениях, в направлении наибольшего положительного наклона скалярного поля плотности энергии будет наибольшая сила.
Другим важным соображением является сила, действующая против магнитной силы. По мере того, как наночастицы оксида железа транслируются к источнику магнитного поля, они испытывают силу сопротивления Стокса в противоположном направлении. Сила сопротивления выражена ниже.
В этом уравнении η является вязкостью жидкости, r - гидродинамический радиус частицы, а 𝑣 - скорость частицы. [ 8 ]
Синтез
[ редактировать ]Метод подготовки оказывает большое влияние на форму, распределение по размерам и химию поверхности частиц. Он также в значительной степени определяет распределение и тип структурных дефектов или примесей в частицах. Все эти факторы влияют на магнитное поведение. Недавно было предпринято много попыток разработки процессов и методов, которые дадут « монодисперсные коллоиды », состоящие из наночастиц, равномерных по размеру и форме.
Копретификация
[ редактировать ]Безусловно, наиболее используемым методом является копритация . Этот метод может быть дополнительно разделен на два типа. Во -первых, железа гидроксида суспензии частично окисляются различными окислительными агентами. Например, сферические частицы магнетита распределения узких размеров со средними диаметрами от 30 до 100 нм могут быть получены из соли Fe (II) , основания и мягкого окислителя ( нитратных ионов). [ 9 ] Другой метод состоит в стареющих стехиометрических смесях железа и гидроксидов железа в водной среде, что дает сферические частицы магнетита, однородные по размеру. [ 10 ] Во втором типе возникает следующая химическая реакция:
- 2 -й 3+ + Fe 2+ + 8 Ох − → Fe 3 O 4 ↓ + 4 H 2 O
Оптимальные условия для этой реакции - pH от 8 до 14, Fe 3+
/ Fe 2+
Соотношение 2: 1 и не окисляющая среда. Очень восприимчиво к окислению, магнетиту ( Fe 3 O 4 ) трансформируется в Maghemite (γ Fe 2 O 3 ) В присутствии кислорода: [ 3 ]
- 2 Fe 3 O 4 + O 2 → 2 γfe 2 O 3
Размер и форму наночастиц можно контролировать путем регулировки рН, ионной прочности , температуры, природы солей ( перхлоратов , хлоридов , сульфатов и нитратов) или соотношения концентрации Fe (II) / Fe (III) . [ 3 ]
Микроэмульсии
[ редактировать ]Микроэмульсия жидкостей, состоящих из наноразмерных представляет собой стабильную изотропную дисперсию 2 несмешивающихся доменов одного или обеих жидкостей в другой, стабилизированной межфазной пленкой поверхностных молекул. Микроэмульсии могут быть далее классифицированы как нефть в воде (O/W) или вода-в-масло (без), в зависимости от дисперсных и непрерывных фаз. [ 4 ] Вода-масла более популярна для синтеза многих видов наночастиц. Вода и масло смешивают с амфифильным поверхностно -активным веществом . Поверхностно -активное вещество снижает поверхностное натяжение между водой и маслом, что делает раствор прозрачным. Нанороплетки воды действуют как нанореакторы для синтеза наночастиц. Форма водяного бассейна сферическая. Размер наночастиц будет в значительной степени зависеть от размера бассейна воды. Таким образом, размер сферических наночастиц может быть адаптирован и настроен путем изменения размера бассейна воды. [ 11 ]
Высокотемпературное разложение органических предшественников
[ редактировать ]Разложение предшественников железа в присутствии горячих органических поверхностно-активных веществ приводит к образцам с хорошим контролем размера, узким распределением по размерам (5-12 нм) и хорошей кристалличности ; и наночастицы легко рассеиваются. Для биомедицинских применений, таких как магнитно -резонансная томография, разделение магнитных клеток или магниторелаксометрия, где размер частиц играет решающую роль, магнитные наночастицы, полученные этим методом, очень полезны. Жизнеспособные предшественники железа включают Fe ( чашка )
3 , FA (C)
5 или Fe ( ACAC )
3 в органических растворителях с молекулами поверхностно -активного вещества. Комбинация ксилена и додецилбензолфоната натрия в качестве поверхностно -активного вещества используется для создания нанореакторов, для которых хорошо дисперсные соли железа (II) и железа (III) могут реагировать. [ 3 ]
Биомедицинские применения
[ редактировать ]Магнетит и магмит предпочтительны в биомедицине, потому что они биосовместимы и потенциально нетоксичны для людей [ Цитация необходима ] Полем Оксид железа легко разлагается и, следовательно, полезен для применений in vivo [ Цитация необходима ] Полем Результаты воздействия на мезотелия клеточную линию человека и мыши клеточную линию фибробластов механизм наночастиц до семи промышленно важных наночастиц показали специфический цитотоксический для оксида железа непокрытой. [ 12 ] Было обнаружено, что растворимость сильно влияет на цитотоксический ответ. Маркирующие клетки (например, стволовые клетки , дендритные клетки ) с наночастицами оксида железа являются интересным новым инструментом для мониторинга таких меченных клеток в реальном времени с помощью магнитно -резонансной томографии . [ 13 ] [ 14 ] Было обнаружено, что некоторые формы наночастиц оксида железа являются токсичными и вызывают перепрограммирование транскрипции. [ 15 ] [ 16 ]

Наночастицы оксида железа используются в раковой магнитной нанотерапии, которая основана на эффектах магнито-спин в свободных реакциях и способности полупроводникового материала генерировать кислородные радикалы , кроме того, контролирует окислительный стресс в биологических средах при неогнутом электромагнотическом радиации . Магнитная нанотерапия дистанционно контролируется внешним электромагнитным полевым активным активным распространением кислорода (АФК) и реактивными видами азота (RNS), опосредованной локальной токсичностью в опухоли во время химиотерапии с противоопухолевым магнитным комплексом и меньшими побочными эффектами в нормальных тканях. Магнитные комплексы с магнитной памятью, которые состоят из наночастиц оксида железа, нагруженных противоопухолевым препаратом, имеют дополнительные преимущества по сравнению с обычными противоопухолевыми препаратами из -за их способности дистанционно контролировать при нацеливании постоянным магнитным с поле 40 ° C). Комбинированное влияние неоднородных постоянных магнитных и электромагнитных полей во время нанотерапии инициировано Расщепление уровней энергии электронов в магнитном комплексе и непарной переносе электронов от наночастиц оксида железа на противораковые препараты и опухолевые клетки . В частности, антрациклин противоопухолевый антибиотики доксорубицина, нативное состояние которого является диамагнитным , получает магнитные свойства парамагнитных веществ. Электромагнитное излучение на частоте расщепления гиперфийнов может увеличить время, когда радикальные пары находятся в триплетном состоянии , и, следовательно, вероятность диссоциации и, следовательно, концентрация свободных радикалов . Реакционная способность магнитных частиц зависит от их спинового состояния . Были получены экспериментальные данные о корреляции между частотой излучения электромагнитного поля с магнитными свойствами и количественными парамагнитными центрами комплекса. Можно контролировать кинетику злокачественной опухоли. Затем раковые клетки особенно уязвимы к окислительному нападению и индукции высоких уровней окислительного стресса локально в опухолевой ткани, что может разрушить или остановить рост раковых клеток и может рассматриваться как терапевтическая стратегия против рака. Многофункциональные магнитные комплексы с магнитной памятью могут сочетать раковую магнитную нанотерапию, нацеливание опухоли и Медицинская функциональность визуализации в тераностике подходит для персонализированного лекарства от рака. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
Тем не менее, использование неоднородных стационарных магнитных полей для нацеливания на наночастиц оксида железа может привести к увеличению роста опухоли. Передача магнитной силы с помощью магнитных наночастиц к опухоли из-за действия неоднородного стационарного магнитного поля отражает механические стимулы, преобразующие индуцированные железоми, генерирующими активные формы кислорода в модуляцию биохимических сигналов. [ 21 ]
оксида железа Наночастицы также могут использоваться в магнитной гипертермии в качестве метода лечения рака . В этом методе феррофлюид , который содержит оксид железа, вводится в опухоль и затем нагревается чередующимся высокочастотным магнитным полем. Распределение температуры, вырабатываемое этой тепловой генерацией, может помочь разрушить раковые клетки внутри опухоли. [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]
Использование суперпарамагнитного оксида железа (SPIO) также может использоваться в качестве индикатора при биопсии сентинельного узла вместо радиоизотопа. [ 25 ]
Смотрите также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Коломбо М., Каррегал-Римано С., Касула М.Ф., Гутирес Л., Моралес М.П., Бум И.Б., Хеверхаген Дж.Т., Проспери Д., Парак В.Дж. (2012). «Биологические применения магнитной наночастики». Chem Soc Rev. 41 (11): 4306–4334. Doi : 10.1039/c2cs15337h . PMID 22481569 .
- ^ Pai AB (2019). «Глава 6. Составы наночастиц оксида железа для добавок». В Sigel A, Freisinger E, Sigel RK, Carver PL (Eds.). Основные металлы в медицине: терапевтическое использование и токсичность ионов металлов в клинике . Металлические ионы в науках о жизни. Тол. 19. Берлин: De Gruyter Gmbh. С. 157–180. doi : 10.1515/9783110527872-012 . ISBN 978-3-11-052691-2 Полем PMID 30855107 . S2CID 216683956 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Laurent S, Forge D, Port M, Roch A, Robic C, Vander Elst L, Muller RN (июнь 2008 г.). «Наночастицы оксида магнитного железа: синтез, стабилизация, векторизация, физико -химические характеристики и биологические применения». Химические обзоры . 108 (6): 2064–2110. doi : 10.1021/cr068445e . PMID 18543879 .
- ^ Jump up to: а беременный Buschow KH, ed. (2006). Ручная книга магнитных материалов . Elsevier.
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Teja AS, Koh Py (2009). «Синтез, свойства и применение наночастиц оксида магнитного железа». Прогресс в росте кристаллов и характеристики материалов . 55 (1–2): 22–45. doi : 10.1016/j.pcrysgrow.2008.08.003 .
- ^ Benz M (2012). «Суперпарамагнетизм: теория и приложения». Обсуждение двух статей о магнитных наночастицах : 27.
- ^ Магнитные пинцетки
- ^ Панкхерст Ка, Коннолли Дж., Джонс С.К., Добсон Дж. (2003). «Применение магнитных наночастиц в биомедицине». Журнал физики D: прикладная физика . 36 (13): R167 - R181. doi : 10.1088/0022-3727/36/13/2 . S2CID 250870659 .
- ^ Sugimoto T (1980). «Образование однородных сферических частиц магнетита путем кристаллизации из железо гидроксида». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 74 (1): 227–243. Bibcode : 1980jcis ... 74..227s . doi : 10.1016/0021-9797 (80) 90187-3 .
- ^ Massart R, Cabuil V (1987). «Монодисперсные магнитные наночастицы: подготовка и дисперсия в воде и маслах». J. Chem. Физический 84 : 967–973.
- ^ Laughlin R (1976). «Специальный метод определения границ фазы растворимости в системах поверхностно -активного вещества». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 55 (1): 239–241. Bibcode : 1976JCIS ... 55..239L . doi : 10.1016/0021-9797 (76) 90030-8 .
- ^ Brunner TJ, Wick P, Manser P, Spohn P, Grass RN, Limbach LK, et al. (Июль 2006 г.). «Цитотоксичность in vitro наночастиц оксид: сравнение с асбестом, кремнеземом и эффектом растворимости частиц». Экологическая наука и технология . 40 (14): 4374–4381. Bibcode : 2006enst ... 40.4374b . doi : 10.1021/es052069i . PMID 16903273 .
- ^ Bulte JW, Kraitchman DL (ноябрь 2004 г.). «Контрастные агенты MR -оксида железа для молекулярной и клеточной визуализации». ЯМР в биомедицине . 17 (7): 484–499. doi : 10.1002/nbm.924 . PMID 15526347 . S2CID 19434047 .
- ^ Джеральдес CF, Delville MH (2021). «Глава 9. Наночастицы оксида железа для биологического изображения». Ионы металлов в методах биомагниции . Спрингер. С. 271–297. doi : 10.1515/9783110685701-015 . S2CID 233704325 .
- ^ Kodali V, Littke MH, Tilton SC, Teeguarden JG, Shi L, Frevert CW, et al. (Август 2013). «Нарушение регуляции профилей активации макрофагов с помощью инженерных наночастиц» . ACS Nano . 7 (8): 6997–7010. doi : 10.1021/nn402145t . PMC 3756554 . PMID 23808590 .
- ^ Шарма Г., Кодали В., Гаффри М., Ван В., Минард К.Р., Карин Н.Дж. и др. (Сентябрь 2014). «Агломерация наночастиц оксида железа влияет на скорость дозы и модулирует профили доза-ответа, опосредованные окислительным стрессом in vitro» . Нанотоксикология . 8 (6): 663–675. doi : 10.3109/17435390.2013.822115 . PMC 5587777 . PMID 23837572 .
- ^ Orel VE, Tsepi M, Mitrelias T, Rykhalskyi A, Romanov A, Orel VB, et al. (Июнь 2018 г.). «Наномагнитная модуляция окислительно -восстановительного состояния опухоли». Наномедицина . 14 (4): 1249–1256. doi : 10.1016/j.nano.2018.03.002 . PMID 29597047 . S2CID 4931512 .
- ^ Orel VE, Tsepi M, Mitrelias T, Shevchenko AD, Rykhalskiy Oy, Golovko TS, et al. (2018). «Магнитно -резонансная нанотераностика». Полем Всемирный конгресс по медицинской физике и биомедицинской инженерии . Сингапур: Спрингер. С. 651–654.
- ^ Orel V, Shevchenko A, Romanov A, Tselepi M, Mitrelias T, Barnes CH, et al. (Январь 2015). «Магнитные свойства и противоопухолевый эффект нанокомплексов оксида железа и доксорубицина». Наномедицина . 11 (1): 47–55. doi : 10.1016/j.nano.2014.07.007 . PMID 25101880 .
- ^ Orel V, Mitrelias T, Tselepi M, Golovko T, Dynnyk O, Nikolov N, et al. (2014). «Визуализация карциномы Guerin во время магнитной нанотерапии» . Журнал нанофармацевтики и доставки наркотиков . 2 : 58–68. doi : 10.1166/jnd.2014.1044 .
- ^ Orel Ve, Dasyukevich O, Rykhalskyi O, Orel VB, Burlaka A, Virko S (ноябрь 2021 г.). «Магнитомеханическое влияние наночастиц магнетита на гетерогенность канцеросарки Уокера-256, окислительно-восстановительное состояние и рост, модулируемый неоднородным стационарным магнитным полем». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 538 : 168314. Bibcode : 2021jmmm..53868314O . doi : 10.1016/j.jmmm.2021.168314 .
- ^ Javidi M, Heydari M, Attar MM, Haghpanahi M, Karimi A, Navidbakhsh M, Amanpour S (февраль 2015 г.). «Цилиндрический агаровый гель с потоком жидкости, подвергаемый чередующемуся магнитному полю во время гипертермии» . Международный журнал гипертермии . 31 (1): 33–39. doi : 10.3109/02656736.2014.988661 . PMID 25523967 . S2CID 881157 .
- ^ Javidi M, Heydari M, Karimi A, Haghpanahi M, Navidbakhsh M, Razmkon A (декабрь 2014 г.). «Оценка влияния скорости инъекции и различных концентраций геля на наночастицы на терапию гипертермии» . Журнал биомедицинской физики и инженерии . 4 (4): 151–162. PMC 4289522 . PMID 25599061 .
- ^ Heydari M, Javidi M, Attar MM, Karimi A, Navidbakhsh M, Haghpanahi M, Amanpour S (2015). «Гипертермия магнитной жидкости в цилиндрическом геле содержит поток воды». Журнал механиков в области медицины и биологии . 15 (5): 1550088. DOI : 10.1142/S0219519415500888 .
- ^ Karakatsanis A, Daskalakis K, Stålberg P, Olofsson H, Andersson Y, Eriksson S, et al. (Ноябрь 2017). «Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа в качестве единственного метода для обнаружения биопсии узлов договорного узла у пациентов с раком молочной железы». Британский журнал хирургии . 104 (12): 1675–1685. doi : 10.1002/bjs.10606 . PMID 28877348 . S2CID 28479096 .
Внешние ссылки
[ редактировать ] СМИ, связанные с наночастицами магнетита в Wikimedia Commons