جسيمات أكسيد الحديد النانوية

جسيمات أكسيد الحديد النانوية هي جسيمات من أكسيد الحديد يتراوح قطرها بين 1 و100 نانومتر تقريبًا . يتكون الشكلان الرئيسيان منها من _{الماغنيتيت} ( Fe₃O₄ ) وشكله المؤكسد الماغيميت (γ- _Fe₂O₃ ) _. وقد حظيت هذه الجسيمات باهتمام واسع النطاق نظرًا لخصائصها المغناطيسية الفائقة وتطبيقاتها المحتملة في العديد من المجالات (على الرغم من أن الكوبالت والنيكل أيضًا مواد مغناطيسية عالية، إلا أنها سامة وتتأكسد بسهولة)، بما في _ذلك التصوير الجزيئي . ^{[ 1 ]}

تشمل تطبيقات جسيمات أكسيد الحديد النانوية أجهزة التخزين المغناطيسي فائقة السرعة (تيرابت) ، والحفز ، وأجهزة الاستشعار ، وقياس الاسترخاء المغناطيسي الفائق ، والتصوير بالرنين المغناطيسي الجزيئي الحيوي عالي الحساسية ، والتصوير بالجسيمات المغناطيسية ، والعلاج الحراري بالسوائل المغناطيسية ، وفصل الجزيئات الحيوية، وتوصيل الأدوية والجينات الموجهة لأغراض التشخيص والعلاج الطبي. تتطلب هذه التطبيقات تغليف الجسيمات النانوية بمواد مثل الأحماض الدهنية طويلة السلسلة ، والأمينات المستبدلة بالألكيل ، والديولات . وقد استُخدمت هذه الجسيمات في تركيبات المكملات الغذائية. ^{[ 2 ]}

يتميز الماغنيتيت ببنية الإسبينيل المعكوسة ، حيث يشكل الأكسجين نظامًا بلوريًا مكعبًا مركزيًا الوجوه . في الماغنيتيت، تشغل أيونات الحديد الثلاثي (Fe³⁺ ^{) جميع المواقع رباعية الأوجه.}وتشغل أيونات الحديد الثلاثي (Fe ^{3+) المواقع الثمانية السطوح}و Fe ²⁺يختلف الماغيميت عن الماغنيتيت في أن كل أو معظم الحديد فيه يكون في حالة التكافؤ الثلاثي ( Fe ^{3+) .}وذلك من خلال وجود فراغات كاتيونية في المواقع ثمانية السطوح. يمتلك الماغيميت خلية وحدة مكعبة تحتوي كل خلية فيها على 32 أيون أكسجين، و21 1/3 أيون حديد ثلاثي التكافؤ ( Fe³⁺ ^).أيونات و2 2/3 فراغات . تتوزع الكاتيونات عشوائيًا على المواقع الثمانية رباعية الأوجه والمواقع الستة عشر ثمانية الأوجه . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

بسبب وجود أربعة إلكترونات غير مزدوجة في غلافها 3d ، تمتلك ذرة الحديد عزمًا مغناطيسيًا قويًا . ^أيونات Fe²⁺يحتوي أيضًا على 4 إلكترونات غير مزدوجة في الغلاف 3d و Fe ^{3+تحتوي على 5 إلكترونات غير مزدوجة في غلافها 3d. لذلك} ، عندما تتشكل البلورات من ذرات أو أيونات الحديد Fe²⁺و Fe ³⁺يمكن أن تكون في حالات مغناطيسية حديدية ، أو مغناطيسية مضادة للحديد ، أو مغناطيسية حديدية .

في الحالة البارامغناطيسية ، تكون العزوم المغناطيسية الذرية الفردية عشوائية التوجيه، ويكون للمادة عزم مغناطيسي صافٍ يساوي صفرًا في غياب المجال المغناطيسي . تتميز هذه المواد بنفاذية مغناطيسية نسبية أكبر من واحد، وتنجذب إلى المجالات المغناطيسية. وينخفض ​​العزم المغناطيسي إلى الصفر عند إزالة المجال المطبق. أما في المادة الفيرومغناطيسية، فتكون جميع العزوم الذرية متراصفة حتى في غياب مجال خارجي. تشبه المادة الفيرومغناطيسية المادة الفيرومغناطيسية، ولكنها تحتوي على نوعين مختلفين من الذرات ذات عزوم مغناطيسية متعاكسة. تمتلك المادة عزمًا مغناطيسيًا لأن العزوم المتعاكسة لها قوى مختلفة. إذا كانت متساوية في المقدار، فإن البلورة تكون مضادة للفيرومغناطيسية ولا تمتلك عزمًا مغناطيسيًا صافيًا. ^{[ 5 ]}

عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي على مادة مغناطيسية حديدية، تزداد المغنطة ( M ) مع شدة المجال المغناطيسي ( H ) حتى تقترب من التشبع . وفي نطاق معين من المجالات، تُظهر المغنطة ظاهرة التخلف المغناطيسي لوجود أكثر من حالة مغناطيسية مستقرة لكل مجال. لذا، تبقى المغنطة المتبقية حتى بعد إزالة المجال المغناطيسي الخارجي. ^{[ 5 ]}

تُسمى المادة المغناطيسية أحادية المجال (مثل الجسيمات النانوية المغناطيسية) التي لا تحتوي على حلقة تخلف مغناطيسي بالمادة فائقة المغناطيسية . يقل انتظام العزوم المغناطيسية في المواد المغناطيسية الحديدية، والمغناطيسية المضادة للحديد، والمغناطيسية الحديدية المضادة مع ارتفاع درجة الحرارة. تصبح المواد المغناطيسية الحديدية والمغناطيسية الحديدية المضادة غير منتظمة وتفقد مغناطيسيتها عند تجاوز درجة حرارة كوري.${\displaystyle T_{C}}$وتفقد المواد المضادة للمغناطيسية مغناطيسيتها عند تجاوز درجة حرارة نيل.${\displaystyle T_{N}}$الماغنيتيت مادة مغناطيسية حديدية عند درجة حرارة الغرفة، وتبلغ درجة حرارة كوري الخاصة به 850 كلفن . أما الماغيميت فهو أيضاً مادة مغناطيسية حديدية عند درجة حرارة الغرفة، ولكنه غير مستقر عند درجات الحرارة العالية، ويفقد قابليته المغناطيسية مع مرور الوقت (ويصعب تحديد درجة حرارة كوري الخاصة به). تتميز جسيمات الماغنيتيت والماغيميت النانوية بخاصية المغناطيسية الفائقة عند درجة حرارة الغرفة. ^{[ 5 ]} يُعزى هذا السلوك المغناطيسي الفائق لجسيمات أكسيد الحديد النانوية إلى حجمها. فعندما يصغر حجمها إلى حد كبير (أقل من 10  نانومتر)، يمكن للتقلبات الحرارية أن تغير اتجاه مغنطة البلورة بأكملها. تتصرف المادة التي تحتوي على العديد من هذه البلورات كمادة مغناطيسية مسايرة ، إلا أن عزم البلورات بأكملها هو الذي يتذبذب بدلاً من ذراتها الفردية. ^{[ 5 ]}

علاوة على ذلك، يسمح السلوك المغناطيسي الفائق الفريد لجزيئات أكسيد الحديد النانوية بالتحكم بها مغناطيسيًا عن بُعد. في الأقسام اللاحقة، ستتم مناقشة التحكم الخارجي فيما يتعلق بالتطبيقات الطبية الحيوية لجزيئات أكسيد الحديد النانوية. تتطلب عملية التحكم في مسار جزيئات أكسيد الحديد وجود قوى. يمكن لمجال مغناطيسي منتظم مكانيًا أن يُحدث عزم دوران على الجزيء المغناطيسي، ولكنه لا يُسبب انتقاله؛ لذلك، يجب أن يكون المجال المغناطيسي متدرجًا لإحداث حركة انتقالية. تُعطى القوة المؤثرة على عزم ثنائي قطب مغناطيسي نقطي m نتيجةً لمجال مغناطيسي B بالمعادلة التالية:

${\displaystyle \mathbf {F} _{m}=\mathbf {\nabla } \left(\mathbf {m} \cdot \mathbf {B} \right)}$

في التطبيقات البيولوجية، ستنتقل جزيئات أكسيد الحديد النانوية عبر نوع من السوائل، ربما سوائل الجسم، ^{[ 6 ]} وفي هذه الحالة يمكن تعديل المعادلة المذكورة أعلاه إلى: ^{[ 7 ]}

${\displaystyle \mathbf {F} _{m}={\begin{cases}{\frac {V\chi }{2\mu _{0}}}\mathbf {\nabla } \left|\mathbf {B} \right|^{2}&\qquad {\text{في مجال مغناطيسي ضعيف}}\\{\frac {1}{2}}\mathbf {\nabla } \left(\mathbf {m} _{sat}\cdot \mathbf {B} \right)&\qquad {\text{في مجال مغناطيسي قوي}}\end{الحالات}}}$

وبناءً على هذه المعادلات، ستكون هناك أكبر قوة في اتجاه أكبر ميل موجب لحقل كثافة الطاقة القياسي.

ومن الاعتبارات المهمة الأخرى القوة المعاكسة للقوة المغناطيسية. فعندما تتحرك جسيمات أكسيد الحديد النانوية باتجاه مصدر المجال المغناطيسي، فإنها تتعرض لقوة سحب ستوكس في الاتجاه المعاكس. وتُعبر عن قوة السحب أدناه.

${\displaystyle \mathbf {F} _{d}=6\pi \,\eta \,R\,v\,}$

في هذه المعادلة، η هي لزوجة السائل، وR هو نصف القطر الهيدروديناميكي للجسيم، و𝑣 هي سرعة الجسيم. ^{[ 8 ]}

تؤثر طريقة التحضير بشكل كبير على شكل الجسيمات وتوزيع أحجامها وتركيبها الكيميائي السطحي . كما أنها تحدد إلى حد كبير توزيع ونوع العيوب البنيوية أو الشوائب الموجودة في الجسيمات. وتؤثر جميع هذه العوامل على السلوك المغناطيسي. وقد بُذلت مؤخرًا محاولات عديدة لتطوير عمليات وتقنيات تُنتج " غرويات أحادية التشتت " تتكون من جسيمات نانوية متجانسة في الحجم والشكل.

يُفضّل استخدام الماغنيتيت والماغيميت في الطب الحيوي لتوافقهما الحيوي واحتمالية عدم سميتهما للإنسان . يتميز أكسيد الحديد بسهولة تحلله، مما يجعله مفيدًا للتطبيقات الحيوية . أظهرت نتائج تعريض خط خلوي من خلايا الظهارة المتوسطة البشرية وخط خلوي من خلايا الأرومة الليفية الفأرية لسبعة جسيمات نانوية ذات أهمية صناعية، آلية سمية خلوية خاصة بالجسيمات النانوية لأكسيد الحديد غير المغلف. ^{[ 12 ]} وُجد أن الذوبانية تؤثر بشكل كبير على الاستجابة السامة للخلايا. يُعدّ وسم الخلايا (مثل الخلايا الجذعية والخلايا المتغصنة ) بجسيمات أكسيد الحديد النانوية أداة جديدة مثيرة للاهتمام لمراقبة هذه الخلايا الموسومة في الوقت الحقيقي باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي . ^{[ 13 ] [ 14 ]} وُجد أن بعض أنواع جسيمات أكسيد الحديد النانوية سامة وتسبب إعادة برمجة جينية. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

تُستخدم جسيمات أكسيد الحديد النانوية في العلاج النانوي المغناطيسي للسرطان، والذي يعتمد على تأثيرات الدوران المغناطيسي في تفاعلات الجذور الحرة وقدرة مواد أشباه الموصلات على توليد جذور الأكسجين ، بالإضافة إلى التحكم في الإجهاد التأكسدي في الأوساط البيولوجية تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي غير المتجانس . يتم التحكم في العلاج النانوي المغناطيسي عن بُعد بواسطة مجال كهرومغناطيسي خارجي، حيث تُسبب أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) وأنواع النيتروجين التفاعلية (RNS) سمية موضعية في الورم أثناء العلاج الكيميائي باستخدام مُركب مغناطيسي مضاد للأورام، مع آثار جانبية أقل في الأنسجة السليمة. تتميز المُركبات المغناطيسية ذات الذاكرة المغناطيسية، والمكونة من جسيمات أكسيد الحديد النانوية المحملة بدواء مضاد للأورام، بمزايا إضافية مقارنةً بالأدوية التقليدية المضادة للأورام، وذلك لقدرتها على التحكم عن بُعد أثناء الاستهداف باستخدام مجال مغناطيسي ثابت، وتعزيز نشاطها المضاد للأورام بشكل أكبر عن طريق فرط الحرارة الاستقرائي المعتدل (أقل من 40  درجة مئوية). أدى التأثير المشترك للحقول المغناطيسية والكهرومغناطيسية الثابتة غير المتجانسة أثناء العلاج النانوي إلى انقسام مستويات طاقة الإلكترون في المركب المغناطيسي وانتقال الإلكترونات غير المزدوجة من جسيمات أكسيد الحديد النانوية إلى دواء مضاد للسرطان وخلايا الورم . وعلى وجه الخصوص، يكتسب المضاد الحيوي دوكسوروبيسين، وهو من فئة الأنثراسيكلينات المضادة للأورام، والذي يكون في حالته الأصلية غير مغناطيسي ، الخصائص المغناطيسية للمواد البارامغناطيسية. ويمكن للإشعاع الكهرومغناطيسي بتردد الانقسام فائق الدقة أن يزيد من مدة بقاء أزواج الجذور الحرة في الحالة الثلاثية ، وبالتالي يزيد من احتمالية تفككها، ومن ثم تركيز الجذور الحرة . وتُحدث الجذور الحرة في الخلايا السرطانية تغييرات في عدم تجانس الورم الميكانيكي الكيميائي عن طريق تعديل الروابط التي تؤثر على الترتيب المكاني للجزيئات في هياكل الخلية. ويُعرف تحويل القوة المغناطيسية التي تُمارسها الجسيمات النانوية المغناطيسية على الورم وبيئته الدقيقة إلى مسارات الإشارات الكيميائية الحيوية بالتأثير المغناطيسي الميكانيكي الكيميائي. يؤدي هذا إلى تكوين مناطق ذات خصائص بيوميكانيكية وبيوكيميائية مختلفة داخل الورم. وتعتمد فعالية الجسيمات المغناطيسية على حالتها الدورانية . وقد تم الحصول على بيانات تجريبية حول وجود علاقة بين تردد إشعاع المجال الكهرومغناطيسي والخصائص المغناطيسية وعدد المراكز البارامغناطيسية للمركب. ومن الممكن التحكم في حركية التفاعل.في الأورام الخبيثة، تصبح الخلايا السرطانية عرضةً بشكل خاص للهجوم التأكسدي وتحفيز مستويات عالية من الإجهاد التأكسدي موضعيًا في نسيج الورم، مما قد يؤدي إلى تدمير الخلايا السرطانية أو إيقاف نموها، ويمكن اعتبار ذلك استراتيجية علاجية فعّالة ضد السرطان. ويمكن للمركبات المغناطيسية متعددة الوظائف ذات الذاكرة المغناطيسية أن تجمع بين العلاج النانوي المغناطيسي للسرطان، واستهداف الورم، ووظائف التصوير الطبي في نهج التشخيص والعلاج المتكامل للطب الشخصي للسرطان. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

ومع ذلك، فإن استخدام المجالات المغناطيسية الثابتة غير المتجانسة لاستهداف جسيمات أكسيد الحديد النانوية المغناطيسية قد يؤدي إلى زيادة نمو الورم. ويعكس انتقال القوة المغناطيسية عبر الجسيمات النانوية المغناطيسية إلى الورم، نتيجةً لتأثير المجال المغناطيسي الثابت غير المتجانس، التحفيز الميكانيكي الذي يحول توليد أنواع الأكسجين التفاعلية الناتجة عن الحديد إلى تعديل الإشارات البيوكيميائية. ^{[ 22 ]}

يمكن أيضًا استخدام جسيمات أكسيد الحديد النانوية في العلاج الحراري المغناطيسي كطريقة لعلاج السرطان . في هذه الطريقة، يُحقن سائل مغناطيسي يحتوي على أكسيد الحديد في الورم، ثم يُسخّن بواسطة مجال مغناطيسي متناوب عالي التردد. قد يُساعد توزيع درجة الحرارة الناتج عن توليد هذه الحرارة على تدمير الخلايا السرطانية داخل الورم. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

يمكن أيضًا استخدام أكسيد الحديد فائق المغناطيسية (SPIO) كمتتبع في خزعة العقدة الليمفاوية الحارسة بدلاً من النظائر المشعة. ^{[ 26 ]}

• تجديد الأعصاب
• الطب التجديدي

وسائط متعلقة بجزيئات الماغنيتيت النانوية على ويكيميديا ​​كومنز