Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Наночастицы оксида железа являются оксид железа частицы с диаметром от примерно 1 до 100 нанометров . Двумя основными формами являются магнетит ( Fe 3 O 4 ) и его окисленная форма маггемита (γ- Fe 2 O 3 ). Они вызвали большой интерес благодаря своим суперпарамагнитным свойствам и их потенциальному применению во многих областях (хотя Co и Ni также являются очень магнитными материалами, они токсичны и легко окисляются).

Применения наночастиц оксида железа включают терабитные магнитные запоминающие устройства, катализ , датчики , суперпарамагнитную релаксометрию , высокочувствительную биомолекулярную магнитно-резонансную томографию , визуализацию магнитных частиц , гипертермию магнитной жидкости , разделение биомолекул и направленную доставку лекарств и генов для медицинской диагностики и терапии. Эти применения требуют покрытия наночастиц такими агентами, как длинноцепочечные жирные кислоты , алкилзамещенные амины и диолы . [ необходима цитата ]Они использовались в рецептурах для добавок. [1]

Структура [ править ]

Магнетит имеет обратную структуру шпинели с кислородом, образующим гранецентрированную кубическую кристаллическую систему . В магнетите все тетраэдрические позиции заняты Fe3+
и октаэдрические позиции заняты как Fe3+
и Fe2+
. Маггемит отличается от магнетита тем, что все или большая часть железа находится в трехвалентном состоянии ( Fe3+
) и наличием катионных вакансий в октаэдрических позициях. Маггемит имеет кубическую элементарную ячейку , в которой каждая ячейка содержит 32 вывода ионов, 21 1 / 3 Fe3+
ионы и 2 2 / 3 вакансий. Катионы случайным образом распределены по 8 тетраэдрическим и 16 октаэдрическим позициям. [2] [3]

Магнитные свойства [ править ]

Из-за 4 неспаренных электронов в 3d-оболочке атом железа обладает сильным магнитным моментом . Ионы Fe2+
также имеют 4 неспаренных электрона в 3d-оболочке и Fe3+
имеют 5 неспаренных электронов в 3D-оболочке. Следовательно, когда кристаллы образуются из атомов или ионов железа, Fe2+
и Fe3+
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. При снятии приложенного поля магнитный момент падает до нуля. Но в ферромагнетике все атомные моменты выровнены даже без внешнего поля. ферримагнитнаяМатериал похож на ферромагнетик, но имеет два разных типа атомов с противоположными магнитными моментами. Материал обладает магнитным моментом, потому что противоположные моменты имеют разную силу. Если они имеют одинаковую величину, кристалл антиферромагнитен и не обладает чистым магнитным моментом. [4]

Когда к ферромагнитному материалу прикладывают внешнее магнитное поле, намагниченность ( M ) увеличивается с увеличением силы магнитного поля ( H ), пока не приближается 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 снятия внешнего магнитного поля. [4]

Один домен магнитный материал (например , магнитные наночастицы) , что не имеет петли гистерезиса называется суперпарамагнитно . Упорядочение магнитных моментов в ферромагнетиках , антиферромагнетиках и ферримагнетиках уменьшается с повышением температуры. Ферромагнетики и ферримагнетики становятся неупорядоченными и теряют свою намагниченность за пределами температуры Кюри, а антиферромагнитные материалы теряют свою намагниченность за пределами температуры Нееля . Магнетит является ферримагнитным при комнатной температуре и имеет температуру Кюри 850 K . Маггемит ферримагнитен при комнатной температуре, нестабилен при высоких температурах и со временем теряет свою восприимчивость . (Его температуру Кюри определить сложно). Наночастицы магнетита и маггемита являются суперпарамагнитными при комнатной температуре. [4] Такое суперпарамагнитное поведение наночастиц оксида железа можно объяснить их размером. Когда размер становится достаточно маленьким (<10 нм), тепловые флуктуации могут изменить направление намагниченности всего кристалла. Материал с множеством таких кристаллов ведет себя как парамагнетик , за исключением того, что колеблются моменты целых кристаллов, а не отдельных атомов. [4]

Кроме того, уникальное суперпарамагнитное поведение наночастиц оксида железа позволяет управлять ими магнитно на расстоянии. В последних разделах будут обсуждаться внешние манипуляции в отношении биомедицинских применений наночастиц оксида железа. Требуются силы, чтобы управлять движением частиц оксида железа. Пространственно однородное магнитное поле может привести к возникновению крутящего момента на магнитной частице, но не может вызвать перемещение частицы; следовательно, магнитное поле должно быть градиентным, чтобы вызвать поступательное движение. Сила, действующая на точечный магнитный дипольный момент m из-за магнитного поля B , задается уравнением:

В биологических приложениях наночастицы оксида железа будут перемещаться через какую-то жидкость, возможно, через жидкость организма [5], и в этом случае вышеупомянутое уравнение можно изменить следующим образом: [6]

Согласно этим уравнениям, наибольшая сила будет действовать в направлении наибольшего положительного наклона скалярного поля плотности энергии.

Еще одно важное соображение - сила, действующая против магнитной силы. Когда наночастицы оксида железа перемещаются 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. [7]

Синтез [ править ]

Метод приготовления имеет большое влияние на форму, гранулометрический состав 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. В последнее время было предпринято множество попыток разработать процессы и методы, которые позволили бы получить « монодисперсные коллоиды », состоящие из наночастиц, однородных по размеру и форме.

Соосаждение [ править ]

Безусловно, наиболее распространенным методом является соосаждение . Этот метод можно разделить на два типа. В первом случае суспензии гидроксида двухвалентного железа частично окисляются различными окислителями. Например, сферические частицы магнетита с узким распределением по размерам со средним диаметром от 30 до 100 нм могут быть получены из соли Fe (II) , основания и мягкого окислителя ( нитрат- ионы). [8] Другой метод заключается в старении стехиометрических смесей гидроксидов железа и железа в водной среде с получением сферических частиц магнетита, однородных по размеру. [9] Во втором типе происходит следующая химическая реакция:

2 Fe3+
+ Fe2+
+ 8 OH - - → Fe 3 O 4 ↓ + 4 H 2О

Оптимальные условия для этой реакции: pH от 8 до 14, Fe3+
/ Fe2+
соотношение 2: 1 и неокисляющая среда. Поскольку магнетит ( Fe 3 O 4 ) очень подвержен окислению, он превращается в маггемит (γ Fe 2 O 3 ) в присутствии кислорода: [2]

2 Fe 3 O 4 + O 2 → 2γ Fe 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) . [2]

Микроэмульсии [ править ]

Микроэмульсии является стабильной изотропной дисперсии 2 несмешивающихся жидкостей , состоящих из наноразмерных областей одной или обеих жидкостей в другом стабилизированных межфазной пленки поверхностно-активных молекул. Микроэмульсии можно дополнительно разделить на категории «масло в воде» (мас. / Мас.) Или «вода в масле» (мас. / Мас.), В зависимости от дисперсной и непрерывной фаз. [3] Вода в масле более популярна для синтеза многих видов наночастиц. Вода и масло смешаны с амфифильным поверхностно-активным веществом.. Поверхностно-активное вещество 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 в значительной степени зависеть от размера водного бассейна. Таким образом, размер сферических наночастиц может быть адаптирован и настроен путем изменения размера водного бассейна. [10]

Высокотемпературное разложение органических прекурсоров [ править ]

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 приложений, 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 ( Cup ).
3, Fe (CO)
5, или Fe ( acac )
3в органических растворителях с молекулами ПАВ. Комбинация ксилолов и додецилбензенсульфоната натрия в качестве поверхностно-активного вещества используется для создания нанореакторов, в которых могут вступать в реакцию хорошо диспергированные соли железа (II) и железа (III). [2]

Биомедицинские приложения [ править ]

Магнетит и маггемит предпочтительны в биомедицине, потому что они биосовместимы и потенциально нетоксичны для человека [ необходима цитата ] . Оксид железа легко разлагается и поэтому полезен для приложений in vivo [ необходима ссылка ] . Результаты воздействия человеческой Мезотелия клеточной линии и мышиных фибробластов клеточной линии до семи промышленно важных наночастиц показал наночастиц специфический цитотоксический механизм без покрытия оксида железа. [11] Было обнаружено, что растворимость сильно влияет на цитотоксический ответ. Маркировка клеток (например, стволовых клеток, дендритные клетки ) с наночастицами оксида железа - новый интересный инструмент для мониторинга таких меченых клеток в реальном времени с помощью магнитно-резонансной томографии . [12]

Магнитно-механохимический синтез (1) сопровождается расщеплением уровней энергии электронов (SEEL) и переносом электрона в магнитном поле (2) от наночастиц Fe3O4 к доксорубицину. В магниточувствительном комплексе (МНК) повышена концентрация парамагнитных центров (свободных радикалов) (3). Локальное комбинированное действие постоянных магнитных и электромагнитных полей и MNC в опухоли (4) инициировало SEEL, свободные радикалы, что приводило к окислительному стрессу и нарушению регуляции транспорта электронов и протонов в митохондрии (5). Магнитная нанотерапия более эффективно подавляла синтез АТФ в митохондриях опухолевой клетки и вызывала гибель опухолевых клеток по сравнению с обычным доксорубицином.

Наночастицы оксида железа используются в магнитной нанотерапии рака, которая основана на магнитоспиновых эффектах в свободнорадикальных реакциях и способности полупроводникового материала генерировать радикалы кислорода , кроме того, контролировать окислительный стресс в биологических средах в условиях неоднородного электромагнитного излучения . Магнитная нанотерапия дистанционно контролируется с помощью внешнего электромагнитного поля, вызываемого реактивными формами кислорода (ROS) и реактивными формами азота (RNS), 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, наполненных противоопухолевым препаратом, имеют дополнительные преимущества перед обычными противоопухолевыми препаратами благодаря их способности дистанционно контролироваться при нацеливании постоянным магнитным полем и дальнейшему усилению их противоопухолевой активности за счет умеренной индуктивной гипертермии (ниже 40 ° С). Совместное воздействие неоднородных постоянных магнитных и электромагнитных полей во время нанотерапии инициировало расщепление энергетических уровней электронов в магнитном комплексе и неспаренный перенос электронов.от наночастиц оксида железа до противораковых препаратов и опухолевых клеток . В частности, антрациклиновый противоопухолевый антибиотик доксорубицин, нативное состояние которого является диамагнитным , приобретает магнитные свойства парамагнитных веществ. 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 между частотой излучения электромагнитного поля с магнитными свойствами и количеством парамагнитных центров комплекса. Можно контролировать кинетику из свободно-радикальных реакций , с помощью внешних магнитных полей и модулируют уровень окислительного стресса (локальная токсичность) в злокачественной опухоли . Раковые клеткитогда они особенно уязвимы для окислительного воздействия и индукции высоких уровней окислительного стресса локально в опухолевой ткани, что может разрушать или останавливать рост раковых клеток и может рассматриваться как терапевтическая стратегия против рака. Многофункциональные магнитные комплексы с магнитной памятью могут сочетать функции магнитной нанотерапии рака, нацеливания на опухоль и функции медицинской визуализации в подходе тераностики для персонализированной медицины рака. [13] [14] [15] [16]

Наночастицы оксида железа также можно использовать при магнитной гипертермии в качестве метода лечения рака . В этом методе феррожидкость, содержащая оксид железа, вводится в опухоль и затем нагревается переменным высокочастотным магнитным полем. Распределение температуры, вызванное выделением тепла, может помочь разрушить раковые клетки внутри опухоли. [17] [18] [19]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Пай, Эми Бартон (2019). «Глава 6. Составы наночастиц оксида железа для добавок». В Сигеле, Астрид; Фрайзингер, Ева; Сигель, Роланд КО; Карвер, Пегги Л. (приглашенный редактор) (ред.). Основные металлы в медицине: терапевтическое использование и токсичность ионов металлов в клинике . Ионы металлов в науках о жизни . 19 . Берлин: de Gruyter GmbH. С. 157–180. DOI : 10.1515 / 9783110527872-012 . ISBN 978-3-11-052691-2.
  2. ^ a b c d Лоран, Софи; Кузница, Дельфина; Порт, Марк; Рох, Ален; Робик, Кэролайн; Вандер Эльст, Люси; Мюллер, Роберт Н. (2008). «Магнитные наночастицы оксида железа: синтез, стабилизация, векторизация, физико-химические характеристики и биологические применения». Химические обзоры . 108 (6): 2064–110. DOI : 10.1021 / cr068445e . PMID 18543879 . 
  3. ^ a b Бушоу, KHG, изд. (2006). Справочник магнитных материалов . Эльзевир.
  4. ^ a b c d Teja, Amyn S .; Ко, Пей-Юн (2009). «Синтез, свойства и применение наночастиц магнитного оксида железа». Прогресс в выращивании кристаллов и изучении материалов . 55 (1–2): 22–45. DOI : 10.1016 / j.pcrysgrow.2008.08.003 .
  5. ^ Бенц, Мануэль (2012). «Суперпарамагнетизм: теория и приложения». Обсуждение двух статей о магнитных наночастицах : 27.
  6. ^ Магнитный пинцет
  7. ^ Панкхерст, QA; Connolly, J .; Джонс, СК; Добсон, Дж. (2003). «Применение магнитных наночастиц в биомедицине». Журнал физики D: Прикладная физика . 36 (13): R167 – R181. DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 36/13/201 .
  8. Перейти ↑ Sugimoto, T (1980). «Формирование однородных сферических частиц магнетита путем кристаллизации из гелей гидроксида железа». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 74 (1): 227–243. Bibcode : 1980JCIS ... 74..227S . DOI : 10.1016 / 0021-9797 (80) 90187-3 .
  9. ^ Massart, R .; Cabuil, VJChem.Phy, 1987, 84967.
  10. Перейти ↑ Laughlin, R (1976). «Удобная методика определения границ растворимости фаз в системах ПАВ – вода». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 55 (1): 239–241. Bibcode : 1976JCIS ... 55..239L . DOI : 10.1016 / 0021-9797 (76) 90030-8 .
  11. ^ Бруннер, Тобиас Дж .; Вик, Питер; Мансер, Пий; Спон, Филипп; Трава, Роберт Н .; Лимбах, Людвиг К .; Бруининк, Арье; Старк, Венделин Дж. (2006). «Цитотоксичность оксидных наночастиц in vitro: сравнение с асбестом, кремнеземом и влияние растворимости частиц». Наука об окружающей среде и технологии . 40 (14): 4374. Bibcode : 2006EnST ... 40.4374B . DOI : 10.1021 / es052069i .
  12. ^ Bulte, Джефф WM; Крайчман, Дара Л. (2004). «МР-контрастные вещества оксида железа для молекулярной и клеточной визуализации». ЯМР в биомедицине . 17 (7): 484–499. DOI : 10.1002 / nbm.924 . PMID 15526347 . 
  13. ^ Орел, Валерий Е .; Целепи, Марина; Митрелиас, Танос; Рыхальский, Александр; Романов, Андрей; Орел, Валерий Б .; Шевченко, Анатолий; Бурлака Анатолий; Лукин, Сергей (01.06.2018). «Наномагнитная модуляция окислительно-восстановительного состояния опухоли». Наномедицина: нанотехнологии, биология и медицина . 14 (4): 1249–1256. DOI : 10.1016 / j.nano.2018.03.002 . ISSN 1549-9634 . PMID 29597047 .  
  14. ^ "Магнитно-резонансная нанотераностика рака" . springerprofessional.de . Проверено 10 августа 2018 .
  15. ^ Орёл В .; Шевченко А .; Романов А .; Целепи М .; Mitrelias T .; Barnes CHW; Бурлака А .; Лукин С .; Щепотин И. (2015). «Магнитные свойства и противоопухолевое действие нанокомплексов оксида железа и доксорубицина» . J. Наномедицина, нанотехнологии, биология и медицина . 11 (1): 47–55. DOI : 10.1016 / j.nano.2014.07.007 . PMID 25101880 . 
  16. ^ Орёл В .; Mitrelias T .; Целепи М .; Головко Т .; Дынник О .; Николов Н .; Романов А .; Рыхальский А .; Barnes С .; Ярошенко О .; Орёл I .; Супрунюк Д .; Щепотин И. (2014). «Визуализация карциномы Герена во время магнитной нанотерапии» . J. Нанофармацевтика и доставка лекарств . 2 .
  17. ^ Джавиди, Мехрдад; Гейдари, Мортеза; Аттар, Мохаммад Махди; Хагпанахи, Мохаммад; Карими, Алиреза; Навидбахш, Махди; Аманпур, Саид (2015). «Цилиндрический агаровый гель с потоком жидкости, подвергнутой воздействию переменного магнитного поля во время гипертермии». Международный журнал гипертермии . 31 (1): 33–39. DOI : 10.3109 / 02656736.2014.988661 . PMID 25523967 . 
  18. ^ Джавиди, М; Гейдари, М; Карими, А; Haghpanahi, M; Навидбахш, М; Размкон, А (2014). «Оценка влияния скорости инъекции и различных концентраций геля на наночастицы при гипертермической терапии» . J Biomed Phys Eng . 4 (4): 151–62. PMC 4289522 . PMID 25599061 .  
  19. ^ Хейдари, Morteza; Джавиди, Мехрдад; Аттар, Мохаммад Махди; Карими, Алиреза; Навидбахш, Махди; Хагпанахи, Мохаммад; Аманпур, Саид (2015). «Гипертермия магнитной жидкости в цилиндрическом геле, содержащем поток воды». Журнал механики в медицине и биологии . 15 (5): 1550088. DOI : 10,1142 / S0219519415500888 .

Внешние ссылки [ править ]

СМИ, связанные с наночастицами магнетита, на Викискладе?