Наночастица оксида железа
Часть серии статей о |
Наноматериалы |
---|
Углеродные нанотрубки |
Фуллерены |
Другие наночастицы |
Наноструктурированные материалы |
Наночастицы оксида железа представляют собой частицы оксида железа диаметром от 1 до 100 нанометров . Две основные формы состоят из магнетита ( Fe 3 O 4 ) и его окисленная форма маггемит (γ- Fe 2 O 3 ). Они вызвали широкий интерес благодаря своим суперпарамагнитным свойствам и потенциальному применению во многих областях (хотя кобальт и никель также являются высокомагнитными материалами, они токсичны и легко окисляются), включая молекулярную визуализацию . [1]
Применение наночастиц оксида железа включает в себя терабитные магнитные запоминающие устройства, катализ , сенсоры , суперпарамагнитную релаксометрию , высокочувствительную биомолекулярную магнитно-резонансную томографию , визуализацию магнитных частиц , гипертермию магнитной жидкости , разделение биомолекул, а также целевую доставку лекарств и генов для медицинской диагностики и терапии. Эти применения требуют покрытия наночастиц такими агентами, как длинноцепочечные жирные кислоты , алкилзамещенные амины и диолы . [ нужна ссылка ] Они использовались в составах пищевых добавок. [2]
Структура
[ редактировать ]Магнетит имеет структуру инверсной шпинели , где кислород образует гранецентрированную кубическую кристаллическую систему . В магнетите все тетраэдрические позиции заняты Fe. 3+
а октаэдрические позиции заняты как Fe 3+
и Fe 2+
. Маггемит отличается от магнетита тем, что все или большая часть железа находится в трехвалентном состоянии ( Fe 3+
) и наличием катионных вакансий в октаэдрических позициях. Маггемит имеет кубическую элементарную ячейку , в которой каждая ячейка содержит 32 иона кислорода, 21 1 ⁄ 3 Fe 3+
ионы и 2 2⁄3 свободных места . Катионы распределены случайным образом по 8 тетраэдрическим и 16 октаэдрическим позициям. [3] [4]
Магнитные свойства
[ редактировать ]Благодаря четырем неспаренным электронам в 3d-оболочке атом железа обладает сильным магнитным моментом . Ионы Fe 2+
также имеют 4 неспаренных электрона в 3d-оболочке и Fe 3+
имеют 5 неспаренных электронов в 3d-оболочке. Поэтому при образовании кристаллов из атомов железа или ионов Fe 2+
и Fe 3+
они могут находиться в ферромагнитном , антиферромагнитном или ферримагнитном состояниях.
В парамагнитном состоянии отдельные атомные магнитные моменты ориентированы случайным образом, и вещество имеет нулевой суммарный магнитный момент, если нет магнитного поля . Эти материалы имеют относительную магнитную проницаемость больше единицы и притягиваются к магнитным полям. Магнитный момент падает до нуля, когда приложенное поле удаляется. Но в ферромагнетике все атомные моменты ориентированы даже без внешнего поля. Ферримагнетик похож на ферромагнетик, но содержит два разных типа атомов с противоположными магнитными моментами. Материал обладает магнитным моментом, поскольку противоположные моменты имеют разную силу. Если они имеют одинаковую величину, кристалл антиферромагнитен и не обладает суммарным магнитным моментом. [5]
Когда внешнее магнитное поле прикладывается к ферромагнитному материалу, намагниченность ( M ) увеличивается с силой магнитного поля ( H ), пока не достигнет насыщения . В некотором диапазоне полей намагниченность имеет гистерезис , поскольку для каждого поля существует более одного стабильного магнитного состояния. Следовательно, остаточная намагниченность будет присутствовать даже после снятия внешнего магнитного поля. [5]
Однодоменный магнитный материал (например, магнитные наночастицы), не имеющий петли гистерезиса , называется суперпарамагнитным . Упорядочение магнитных моментов в ферромагнетиках, антиферромагнетиках и ферримагнетиках уменьшается с ростом температуры. Ферромагнетики и ферримагнетики становятся неупорядоченными и теряют намагниченность за пределами температуры Кюри. а антиферромагнетики теряют намагниченность за пределами температуры Нееля. . Магнетит ферримагнитен при комнатной температуре и имеет температуру Кюри К. 850 Маггемит ферримагнитен при комнатной температуре, нестабилен при высоких температурах и теряет восприимчивость со временем . (Его температуру Кюри определить трудно). Наночастицы как магнетита, так и маггемита являются суперпарамагнитными при комнатной температуре. [5] Такое суперпарамагнитное поведение наночастиц оксида железа можно объяснить их размером. Когда размер становится достаточно малым (<10 нм), тепловые флуктуации могут изменить направление намагничивания всего кристалла. Материал с множеством таких кристаллов ведет себя как парамагнетик , за исключением того, что колеблются моменты целых кристаллов, а не отдельных атомов. [5]
Кроме того, уникальное суперпарамагнитное поведение наночастиц оксида железа позволяет манипулировать ими с помощью магнита на расстоянии. В последних разделах будут обсуждаться внешние манипуляции в отношении биомедицинского применения наночастиц оксида железа. Для управления траекторией частиц оксида железа необходимы силы. Пространственно однородное магнитное поле может вызвать крутящий момент магнитной частицы, но не может вызвать перемещение частицы; следовательно, магнитное поле должно быть градиентным, чтобы вызывать поступательное движение. Сила, действующая на точечный магнитный дипольный момент m, вызванная магнитным полем B, определяется уравнением:
В биологических приложениях наночастицы оксида железа будут перемещаться через какую-либо жидкость, возможно, жидкость организма. [6] в этом случае вышеупомянутое уравнение можно изменить следующим образом: [7]
Согласно этим уравнениям, наибольшая сила будет действовать в направлении наибольшего положительного наклона скалярного поля плотности энергии.
Другим важным фактором является сила, действующая против магнитной силы. Когда наночастицы оксида железа движутся к источнику магнитного поля, они испытывают силу сопротивления Стокса в противоположном направлении. Сила сопротивления выражена ниже.
В этом уравнении η — вязкость жидкости, R — гидродинамический радиус частицы, а 𝑣 — скорость частицы. [8]
Синтез
[ редактировать ]Способ получения оказывает большое влияние на форму, распределение по размерам и химию поверхности частиц. Он также во многом определяет распределение и тип структурных дефектов или примесей в частицах. Все эти факторы влияют на магнитное поведение. В последнее время было предпринято множество попыток разработать процессы и методы, позволяющие получать « монодисперсные коллоиды », состоящие из наночастиц, однородных по размеру и форме.
Соосаждение
[ редактировать ]Безусловно, наиболее применяемым методом является соосаждение . Этот метод можно разделить еще на два типа.В первом гидроксидов железа суспензии частично окисляются различными окислителями. Например, сферические частицы магнетита с узким распределением по размерам со средним диаметром от 30 до 100 нм можно получить из соли Fe(II) , основания и мягкого окислителя ( нитрат -ионов). [9] Другой метод заключается в выдержке стехиометрических смесей гидроксидов железа и трехвалентного железа в водных средах с получением однородных по размеру сферических частиц магнетита. [10] При втором типе происходит следующая химическая реакция:
- 2 Фе 3+ + Фе 2+ + 8 ОН − → Fe 3 O 4 ↓ + 4 H 2 O
Оптимальные условия для этой реакции: pH от 8 до 14, Fe 3+
/ Фе 2+
соотношение 2:1 и неокисляющая среда. Будучи очень восприимчивым к окислению, магнетит ( Fe 3 O 4 ) превращается в маггемит (γ Fe 2 O 3 ) в присутствии кислорода: [3]
- 2Fe 3 O 4 + O 2 → 2 γFe 2 O 3
Размер и форму наночастиц можно контролировать, регулируя pH, ионную силу , температуру, природу солей ( перхлораты , хлориды , сульфаты и нитраты) или соотношение концентраций Fe(II) / Fe(III) . [3]
Микроэмульсии
[ редактировать ]Микроэмульсия межфазной представляет собой стабильную изотропную дисперсию двух несмешивающихся жидкостей, состоящую из наноразмерных доменов одной или обеих жидкостей в другой, стабилизированных пленкой поверхностно-активных молекул. Микроэмульсии можно разделить на категории «масло в воде» (м/в) или «вода в масле» (м/м), в зависимости от дисперсной и непрерывной фаз. [4] Вода в масле более популярна для синтеза многих видов наночастиц. Вода и масло смешиваются с амфифильным поверхностно-активным веществом . ПАВ снижает поверхностное натяжение между водой и маслом, делая раствор прозрачным. Нанокапли воды действуют как нанореакторы для синтеза наночастиц. Форма водного бассейна сферическая. Размер наночастиц будет во многом зависеть от размера водного бассейна. Таким образом, размер сферических наночастиц можно адаптировать и регулировать, изменяя размер водного бассейна. [11]
Высокотемпературное разложение органических предшественников
[ редактировать ]Разложение предшественников железа в присутствии горячих органических поверхностно-активных веществ приводит к получению образцов с хорошим контролем размера, узким распределением по размерам (5-12 нм) и хорошей кристалличностью ; и наночастицы легко диспергируются. Для биомедицинских применений, таких как магнитно-резонансная томография, магнитное разделение клеток или магниторелаксометрия, где размер частиц играет решающую роль, магнитные наночастицы, полученные этим методом, очень полезны. Жизнеспособные предшественники железа включают Fe ( Cup ).
3 , Fe(CO)
5 , или Fe( acac )
3 в органических растворителях с молекулами ПАВ. Комбинация ксилолов и додецилбенезолсульфоната натрия в качестве поверхностно-активного вещества используется для создания нанореакторов, в которых могут реагировать хорошо диспергированные соли железа(II) и железа(III). [3]
Биомедицинские приложения
[ редактировать ]Магнетит и маггемит предпочтительны в биомедицине, поскольку они биосовместимы и потенциально нетоксичны для человека. [ нужна ссылка ] . Оксид железа легко разлагается и поэтому полезен для применения in vivo. [ нужна ссылка ] . Результаты воздействия на мезотелия линию клеток человека и мыши линию клеток фибробластов семи промышленно важных наночастиц показали специфичный для наночастиц цитотоксический механизм для непокрытого оксида железа. [12] Было обнаружено, что растворимость сильно влияет на цитотоксический ответ.Мечение клеток (например, стволовых клеток , дендритных клеток ) наночастицами оксида железа является интересным новым инструментом для мониторинга таких меченых клеток в реальном времени с помощью магнитно-резонансной томографии . [13] [14] Было обнаружено, что некоторые формы наночастиц оксида железа токсичны и вызывают перепрограммирование транскрипции. [15] [16]
Наночастицы оксида железа используются в магнитной нанотерапии рака, которая основана на магнитоспиновых эффектах в свободнорадикальных реакциях и способности полупроводникового материала генерировать кислородные радикалы , а также контролировать окислительный стресс в биологических средах под воздействием неоднородного электромагнитного излучения . Магнитная нанотерапия дистанционно контролируется внешним электромагнитным полем, активных форм кислорода (АФК) и активных форм азота (РНС) опосредованным локальной токсичностью в опухоли во время химиотерапии с противоопухолевым магнитным комплексом и меньшими побочными эффектами в нормальных тканях. Магнитные комплексы с магнитной памятью, состоящие из наночастиц оксида железа, нагруженных противоопухолевым препаратом, имеют дополнительные преимущества перед традиционными противоопухолевыми препаратами за счет возможности дистанционного управления при нацеливании постоянным магнитным полем и дальнейшего усиления их противоопухолевой активности за счет умеренной индуктивной гипертермии (ниже). 40 °С). Совместное воздействие неоднородных постоянных магнитных и электромагнитных полей при нанотерапии положило начало расщепление энергетических уровней электронов в магнитном комплексе и перенос неспаренных электронов от наночастиц оксида железа к противораковым препаратам и опухолевым клеткам . В частности, антрациклиновый противоопухолевый антибиотик доксорубицин, нативное состояние которого является диамагнетиком , приобретает магнитные свойства парамагнетиков. Электромагнитное излучение на частоте сверхтонкого расщепления может увеличить время нахождения радикальных пар в триплетном состоянии и, следовательно, вероятность диссоциации и, следовательно, концентрацию свободных радикалов . Реакционная способность магнитных частиц зависит от их спинового состояния . Получены экспериментальные данные о корреляции частоты излучения электромагнитного поля с магнитными свойствами и количеством парамагнитных центров комплекса. Можно контролировать кинетику злокачественной опухоли. Раковые клетки тогда особенно уязвимы к окислительному воздействию и индукции высокого уровня окислительного стресса локально в опухолевой ткани, что потенциально может разрушить или остановить рост раковых клеток и может рассматриваться как терапевтическая стратегия против рака. Многофункциональные магнитные комплексы с магнитной памятью могут сочетать в себе магнитную нанотерапию рака, таргетирование опухолей и Функциональные возможности медицинской визуализации в тераностическом подходе для персонализированной медицины рака. [17] [18] [19] [20]
Тем не менее, использование неоднородных стационарных магнитных полей для воздействия на магнитные наночастицы оксида железа может привести к усилению роста опухоли. Передача магнитной силы через магнитные наночастицы к опухоли за счет действия неоднородного стационарного магнитного поля отражает механические стимулы, преобразующие индуцированную железом генерацию активных форм кислорода в модуляцию биохимических сигналов. [21]
оксида железа Наночастицы также могут быть использованы при магнитной гипертермии в качестве метода лечения рака . В этом методе феррожидкость , содержащая оксид железа, вводится в опухоль, а затем нагревается переменным высокочастотным магнитным полем. Распределение температуры, создаваемое этим выделением тепла, может помочь уничтожить раковые клетки внутри опухоли. [22] [23] [24]
Использование суперпарамагнитного оксида железа (SPIO) также можно использовать в качестве индикатора при биопсии сторожевого узла вместо радиоизотопа. [25]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Коломбо М., Каррегал-Ромеро С., Касула М.Ф., Гутьеррес Л., Моралес М.П., Бём И.Б., Хеверхаген Дж.Т., Проспери Д., Парак В.Дж. (2012). «Биологическое применение магнитных наночастиц». Chem Soc преп. 41 (11): 4306–4334. дои : 10.1039/c2cs15337h . ПМИД 22481569 .
- ^ Пай АБ (2019). «Глава 6. Составы наночастиц оксида железа для пищевых добавок». В Sigel A, Freisinger E, Sigel RK, Carver PL (ред.). Незаменимые металлы в медицине: терапевтическое использование и токсичность ионов металлов в клинике . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 19. Берлин: де Грюйтер ГмбХ. стр. 157–180. дои : 10.1515/9783110527872-012 . ISBN 978-3-11-052691-2 . ПМИД 30855107 . S2CID 216683956 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Лоран С., Фордж Д., Порт М., Роч А., Робик С., Вандер Элст Л., Мюллер Р.Н. (июнь 2008 г.). «Магнитные наночастицы оксида железа: синтез, стабилизация, векторизация, физико-химические характеристики и биологические применения». Химические обзоры . 108 (6): 2064–2110. дои : 10.1021/cr068445e . ПМИД 18543879 .
- ^ Перейти обратно: а б Бушоу К.Х., изд. (2006). Справочник по магнитным материалам . Эльзевир.
- ^ Перейти обратно: а б с д Теджа А.С., Ко П.Ю. (2009). «Синтез, свойства и применение магнитных наночастиц оксида железа». Прогресс в выращивании кристаллов и характеристике материалов . 55 (1–2): 22–45. дои : 10.1016/j.pcrysgrow.2008.08.003 .
- ^ Бенц М (2012). «Суперпарамагнетизм: теория и приложения». Обсуждение двух статей о магнитных наночастицах : 27.
- ^ Магнитные пинцеты
- ^ Панкхерст QA, Коннолли Дж., Джонс С.К., Добсон Дж. (2003). «Применение магнитных наночастиц в биомедицине». Журнал физики D: Прикладная физика . 36 (13): Р167–Р181. дои : 10.1088/0022-3727/36/13/201 . S2CID 250870659 .
- ^ Сугимото Т. (1980). «Образование однородных сферических частиц магнетита путем кристаллизации из гелей гидроксидов железа». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 74 (1): 227–243. Бибкод : 1980JCIS...74..227S . дои : 10.1016/0021-9797(80)90187-3 .
- ^ Массарт Р., Кабюй В. (1987). «Монодисперсные магнитные наночастицы: получение и диспергирование в воде и маслах». Дж. Хим. Физ . 84 : 967–973.
- ^ Лафлин Р. (1976). «Целый метод определения фазовых границ растворимости в системах ПАВ – вода». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 55 (1): 239–241. Бибкод : 1976JCIS...55..239L . дои : 10.1016/0021-9797(76)90030-8 .
- ^ Бруннер Т.Дж., Вик П., Мансер П., Спон П., Грасс Р.Н., Лимбах Л.К. и др. (июль 2006 г.). «Цитотоксичность оксидных наночастиц in vitro: сравнение с асбестом, кремнеземом и влияние растворимости частиц». Экологические науки и технологии . 40 (14): 4374–4381. Бибкод : 2006EnST...40.4374B . дои : 10.1021/es052069i . ПМИД 16903273 .
- ^ Булте Дж.В., Крайчман Д.Л. (ноябрь 2004 г.). «МРТ-контрастные вещества на основе оксида железа для молекулярной и клеточной визуализации». ЯМР в биомедицине . 17 (7): 484–499. дои : 10.1002/nbm.924 . ПМИД 15526347 . S2CID 19434047 .
- ^ Джеральдес CF, Делвиль МХ (2021). «Глава 9. Наночастицы оксида железа для биовизуализации». Ионы металлов в методах биовизуализации . Спрингер. стр. 271–297. дои : 10.1515/9783110685701-015 . S2CID 233704325 .
- ^ Кодали В., Литтке М.Х., Тилтон С.С., Тигарден Дж.Г., Ши Л., Фреверт К.В. и др. (август 2013 г.). «Нарушение регуляции профилей активации макрофагов с помощью сконструированных наночастиц» . АСУ Нано . 7 (8): 6997–7010. дои : 10.1021/nn402145t . ПМЦ 3756554 . ПМИД 23808590 .
- ^ Шарма Г., Кодали В., Гаффри М., Ван В., Минард К.Р., Карин Н.Дж. и др. (сентябрь 2014 г.). «Агломерация наночастиц оксида железа влияет на мощность дозы и модулирует профили реакции на дозу, опосредованные окислительным стрессом, in vitro» . Нанотоксикология . 8 (6): 663–675. дои : 10.3109/17435390.2013.822115 . ПМЦ 5587777 . ПМИД 23837572 .
- ^ Орел В.Е., Целепи М., Митрелиас Т., Рыхальский А., Романов А., Орел В.Б. и др. (июнь 2018 г.). «Наномагнитная модуляция окислительно-восстановительного состояния опухоли». Наномедицина . 14 (4): 1249–1256. дои : 10.1016/j.nano.2018.03.002 . ПМИД 29597047 . S2CID 4931512 .
- ^ Орел В.Е., Целепи М., Митрелиас Т., Шевченко А.Д., Рыхальский О.Ю., Головко Т.С. и др. (2018). «Магнитно-резонансная нанотераностика рака». . Всемирный конгресс по медицинской физике и биомедицинской инженерии . Сингапур: Спрингер. стр. 651–654.
- ^ Орел В., Шевченко А., Романов А., Целепи М., Митрелиас Т., Барнс С.Х. и др. (январь 2015 г.). «Магнитные свойства и противоопухолевое действие нанокомплексов оксида железа и доксорубицина». Наномедицина . 11 (1): 47–55. дои : 10.1016/j.nano.2014.07.007 . ПМИД 25101880 .
- ^ Орел В., Митрелиас Т., Целепи М., Головко Т., Дынник О., Николов Н. и др. (2014). «Визуализация карциномы Герена во время магнитной нанотерапии» . Журнал нанофармацевтики и доставки лекарств . 2 : 58–68. дои : 10.1166/jnd.2014.1044 .
- ^ Орел В.Е., Дасюкевич О., Рыхальский О., Орел В.Б., Бурлака А., Вирко С. (ноябрь 2021 г.). «Магнитомеханическое воздействие наночастиц магнетита на гетерогенность карциносаркомы Уокера-256, окислительно-восстановительное состояние и рост, модулированный неоднородным стационарным магнитным полем». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 538 : 168314. Бибкод : 2021JMMM..53868314O . дои : 10.1016/j.jmmm.2021.168314 .
- ^ Джавиди М., Хейдари М., Аттар М.М., Ахпанахи М., Карими А., Навидбахш М., Аманпур С. (февраль 2015 г.). «Цилиндрический агаровый гель с потоком жидкости, подвергнутый воздействию переменного магнитного поля во время гипертермии» . Международный журнал гипертермии . 31 (1): 33–39. дои : 10.3109/02656736.2014.988661 . ПМИД 25523967 . S2CID 881157 .
- ^ Джавиди М., Гейдари М., Карими А., Ахпанахи М., Навидбахш М., Размкон А. (декабрь 2014 г.). «Оценка влияния скорости инъекции и различных концентраций геля на наночастицы при гипертермической терапии» . Журнал биомедицинской физики и инженерии . 4 (4): 151–162. ПМК 4289522 . ПМИД 25599061 .
- ^ Хейдари М., Джавиди М., Аттар М.М., Карими А., Навидбахш М., Хагпанахи М., Аманпур С. (2015). «Гипертермия магнитной жидкости в цилиндрическом геле, содержащем поток воды». Журнал механики в медицине и биологии . 15 (5): 1550088. doi : 10.1142/S0219519415500888 .
- ^ Каракацанис А., Даскалакис К., Столберг П., Олофссон Х., Андерссон Ю., Эрикссон С. и др. (ноябрь 2017 г.). «Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа как единственный метод обнаружения биопсии сторожевого узла у пациентов с раком молочной железы». Британский журнал хирургии . 104 (12): 1675–1685. дои : 10.1002/bjs.10606 . ПМИД 28877348 . S2CID 28479096 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]СМИ, связанные с наночастицами магнетита, на Викискладе?