Jump to content

Наночастица оксида железа

(Перенаправлено из Спиона )

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 ]

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 ]

Магнитомехан-химический синтез (1) сопровождается расщеплением уровней энергии электронов (SEELS) и переносом электрона в магнитном поле (2) от наночастиц Fe3O4 до доксорубицина. Концентрация парамагнитных центров (свободные радикалы) увеличивается в магнито-чувствительном комплексе (MNC) (3). Локальное комбинированное действие постоянных магнитных и электромагнитных полей и MNC в опухоли (4), инициированных SEEL, свободных радикалов, что приводит к окислительному напряжению и электронному и протону-транспорту в митохондрионе (5). Магнитная нанотерапия более эффективно ингибировала синтез АТФ в митохондриях опухолевых клеток и индуцировала гибель опухолевых клеток по сравнению с обычным доксорубицином.

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 ]
  1. ^ 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 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ 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 .
  4. ^ Jump up to: а беременный Buschow KH, ed. (2006). Ручная книга магнитных материалов . Elsevier.
  5. ^ 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 .
  6. ^ Benz M (2012). «Суперпарамагнетизм: теория и приложения». Обсуждение двух статей о магнитных наночастицах : 27.
  7. ^ Магнитные пинцетки
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ Massart R, Cabuil V (1987). «Монодисперсные магнитные наночастицы: подготовка и дисперсия в воде и маслах». J. Chem. Физический 84 : 967–973.
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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.
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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 .
  21. ^ 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 .
  22. ^ 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 .
  23. ^ 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 .
  24. ^ 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 .
  25. ^ 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 .
[ редактировать ]

СМИ, связанные с наночастицами магнетита в Wikimedia Commons

Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 67f6704cdb64c1c08970952840af2174__1708418220
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/67/74/67f6704cdb64c1c08970952840af2174.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Iron oxide nanoparticle - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)