نانومواد سوپرپارامغناطیس

سوپرپارامغناطیس چیست ؟ سوپرپارامغناطیس نوعی مغناطیس است که در نانوذرات فرومغناطیسی یا فری مغناطیسی کوچک ظاهر می شود. در نانوذرات به اندازه کافی کوچک، مغناطش می تواند به طور تصادفی تحت تأثیر دما جهت خود را تغییر دهد. زمان معمول بین دو تلنگر، زمان آرامش نیل نامیده می شود. در غیاب میدان مغناطیسی خارجی،وقتی که زمان مورد استفاده برای اندازه‌گیری مغناطیسی نانوذرات بسیار بیشتر از زمان شل شدن نیل است، میانگین مقدار مغناطیسی آنها صفر به نظر می‌رسد: گفته می‌شود که آنها در حالت سوپرپارامغناطیس هستند. در این حالت، یک میدان مغناطیسی خارجی مانند یک پارامغناطیس قادر است نانوذرات را مغناطیسی کند. با این حال، حساسیت مغناطیسی آنها بسیار بزرگتر از پارامغناطیس است. به طور معمول، هر ماده فرومغناطیسی یا فری مغناطیسی تحت یک انتقال به حالت پارامغناطیس بالاتر از دمای کوری قرار می گیرد.

سوپرپارامغناطیس با این انتقال استاندارد متفاوت است، زیرا زیر دمای کوری ماده رخ می دهد.

سوپرپارامغناطیس در نانوذراتی که تک دامنه هستند، یعنی از یک حوزه مغناطیسی تشکیل شده اند، رخ می دهد. این امر زمانی امکان پذیر است که قطر آنها بسته به مواد زیر 3 تا 50 نانومتر باشد. در این شرایط، در نظر گرفته می‌شود که مغناطیسی نانوذرات یک گشتاور مغناطیسی غول‌پیکر است، مجموع تمام گشتاورهای مغناطیسی منفرد که توسط اتم‌های نانوذره حمل می‌شود. مواد نانویی مغناطیسی برای منسوجات:سوپرپارامغناطیس یکی از خواص مفید وابسته به اندازه است که با معرفی ذرات نانومغناطیسی به وجود آمده است و کاربردهای امیدوارکننده‌ای مانند دارورسانی هدفمند، تصویربرداری تشدید مغناطیسی، هایپرترمی مغناطیسی و ترموآبلیشن، جداسازی زیستی، و سنجش زیستی دارد. اخیراً نشان داده شده است که ترکیب منسوجات با نانوذرات مغناطیسی ویژگی‌های جدیدی را ایجاد می‌کند که منسوجات هوشمند مناسب برای جداسازی زیستی، حسگرهای زیستی، چاپ مغناطیسی، صفحه‌های مغناطیسی و فیلترهای مغناطیسی را ایجاد می‌کند. پس از مروری کوتاه بر انواع مختلف مواد مغناطیسی، این فصل به مطالعات اخیر با تمرکز بر کاربرد نانوذرات مغناطیسی بر روی بسترهای نساجی می پردازد. بخشی نیز به روش های ارزیابی برای اندازه گیری خواص مغناطیسی اختصاص داده شده است. نانو مغناطیس مبانی و کاربردها:7 مشاهده رفتار سوپرپارامغناطیس سوپرپارامغناطیس در مجموعه‌های نانوذرات در سیستم‌های مختلفی مشاهده شده است، اما برخی از واضح‌ترین داده‌ها از نانوذرات خالص Fe و Co موجود در ماتریس‌های غیر مغناطیسی با استفاده از روش فاز گازی با خلاء فوق‌العاده بالا (UHV) به دست آمده‌اند. با استفاده از این تکنیک سنتز، کنترل مستقلی بر روی اندازه و کسر حجمی نانوذرات وجود دارد، بنابراین می‌توان مجموعه‌های رقیق نانوذراتی با اندازه کنترل‌شده تهیه کرد که در آن‌ها برهمکنش ناچیزی بین آنها وجود نداشته باشد تا بتوان رفتار تک ذره‌ای را مشاهده کرد. سپس افزایش کسر حجمی ساده است تا اصلاح رفتار ناشی از دوقطبی-دو قطبی و در کسرهای حجم بالا، برهمکنش های تبادلی را بتوان مطالعه کرد.

شکل 1.11A داده های مغناطیسی (نقاط) اندازه گیری شده از نانوذرات آهن با قطر 2 نانومتر را در ماتریس نقره با کسر حجمی 1% به عنوان تابعی از دما در محدوده 50 تا 300 کلوین نشان می دهد. دمای انسداد این نانوذرات در بخش تخمین زده شده است. 5 حدود 2 کلوین بود، بنابراین در محدوده دمایی مورد استفاده، مجموعه باید رفتار سوپرپارامغناطیس نشان دهد. خطوط ترسیم شده از طریق داده های شکل 1.11A، با استفاده از تابع Langevin (معادله 1.24) مطابقت دارند و توافق در هر مورد عالی است. از آنجایی که آرگومان در تابع Langevin m = μB/kBT است، رسم داده ها در برابر B/T باید منجر به این شود که تمام منحنی های مغناطیسی اندازه گیری شده در دماهای مختلف روی هم قرار گیرند و این در شکل 1.11B نشان داده شده است. یک تصویر STM درجا از نانوذرات Fe که در شرایط منبع یکسان تولید شده و در Si(111) در UHV7,8 رسوب شده است در شکل 1.11C نشان داده شده است. با داده های مغناطیسی کم نویز مانند آنچه در این آزمایش به دست آمده است، می توان بیش از یک تابع لانژوین را در هر منحنی جا داد و دامنه هر یک را به عنوان پارامتر برازش برای به دست آوردن توزیع اندازه و همچنین اندازه متوسط ​​در نظر گرفت. هیستوگرام به دست آمده با استفاده از این روش در شکل 1.11D رسم شده و بر روی توزیع اندازه به دست آمده از تصویر STM (نقطه/خط) قرار گرفته است. بدیهی است که با نمونه‌هایی که به خوبی مشخص شده‌اند، رفتار مغناطیسی یک مجموعه نانوذره بالاتر از دمای مسدودکننده دقیقاً همانطور که در بخش 5 پیش‌بینی شده است، است. کاربردها:1.حامل دارو  با وجود آنکه داروهای خوراکی بهترین انتخاب برای دارو رسانی است, ولی بسیاری از ترکیبات دارویی از جمله ضدسرطان ها با ساختار آروماتیک, محلولیت پایینی در آب و مایعات بیولوژیکی دارند, این امر موجب کاهش مقدار و سرعت جذب این مواد دارویی و در نهایت منجر به محدودیت استفاده از آن ها در درمان بیماری ها می شود. علم نانو با خصوصیات منحصر به فرد خود بسیاری از این محدودیت ها را کاهش داده است؛ به گونه ای که با کاربرد حامل های دارویی در مقیاس نانو, بسیاری از خواص دارویی مانند حلالیت و نیمه عمر ماده دارویی بهبود می یابد.در بین انواع نانوذرات مغناطیسی مورد بررسی, نانوذرات سوپر پارامغناطیس اکسیدآهن (SPION) به دلیل خصوصیات مغناطیسی عالی, زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری و قابلیت انتقال به محل های هدف یابی شده به کمک میدان مغناطیسی خارجی, توجه زیادی را به خود جلب نموده است. در این پژوهش از گرافن اکساید عامل دار شده با γ-سیکلودکسترین که از حلالیت آبی مناسبی برخوردار است, به عنوان حامل برای داروی SN38 و نانو ذرات مغناطیسی آهن استفاده گردید, که نتیجه حاصله نشان می دهد که اتصال دارو به صورت کووالانسی به پایه سیکلودکسترین-گرافن اکساید باعث افزایش انحلال آبی دارو شده و در اثر قرار گرفتن در برابر تشعشع لیزر با طول موج مشخص 808 نانومتر باعث افزایش دمای موضعی و بروز اثر هایپرترمیا گردید. 2.افزایش کنتراست در MRI ویژگی های مغناطیسی بیشتر مواد حاجب MRI یا ترکیبات با پایه ی گادولینیوم یا ذرات سوپرپارامغناطیس اکسید آهن هستند. مواد حاجب پارامغناطیس معمولا دارای یون های دیسپوزیوم، گادولینیوم و یا منگنز هستند که ویژگی های محلولیت پذیری در آب بالایی دارند. رایج ترین اتم مورد استفاده در مواد حاجب MRI یون گادولینیوم می باشد چرا که به صورت طبیعی دارای بیشترین تعداد الکترون جفت نشده و پایداری بالا می باشد. به دلیل وجود الکترون های جفت نشده در ساختار این یون ها، این مواد دارای ویژگی های پارامغناطیسی می باشند. مواد حاجب دارای Gd زمان آسایش T1 و T2 را کاهش می دهند. کاهش آسایش T1 در غلظت های پایین نیز اتفاق می افتد ولی کاهش زمان آسایش T2 هنگام استفاده از این مواد تنها در غلظت های بالا رخ می دهد به همین دلیل استفاده از Gd به منظور تصویربرداری T2 محدودیت بالینی می باشد. مواد حاجبی که دارای فلزات واسطه مانند منگنز یا اکسید آهن هستند اثر بیشتری بر تصاویر T2 دارند.

مواد حاجب پارامغناطیس موادحاجب با پایه ی گادولینیوم: این مواد در سه دسته ی: مواد حاجب خارج سلولی (ECF)، مواد حاجب شناور در خون (BPCAS) و مواد حاجب ویژه بافت.

مواد حاجب با پایه ی منگنز: کلات های منگنز یا مواد حاجب با پایه ی منگنز سیگنال T1 را افزایش می دهند و و برای تشخیص ضایعات کبدی مورد استفاده قرار می گیرند. در بدن انسان کلات به دو قسمت منگنز و DPDP تقسیم می شود. منگنز توسط سلول های کبدی جذب می شود و به وسیله ی صفرا دفع می گردد اما قسمت DPDP به وسیله ی کلیه ها دفع می گردد. منگنز از طریق کانال های کلسیم غشا سلولی وارد آن می شوند، بنابراین از این گروه می توان در تصویر برداری عملکردی مغز استفاده نمود.

مواد حاجب سوپرپارامغناطیس مواد حاجب اکسید آهن: دو نوع مواد حاجب اکسید آهن وجود دارد: اکسید آهن سوپرپارامغناطیس (SPIO) و اکسید آهن سوپرپارامغناطیس بسیار کوچک (USPIO). مواد حاجب سوپرپارامغناطیس محتوی کلویید نانوذرات معلق اکسید آهن می باشند. هنگامی که از این مواد برای تصویربرداری استفاده می کنیم، سیگنال T2 در بافت هایی که این مواد را جذب می کنند کاهش می یابد. مواد حاجب SPIO و USPIO خروجی های موفقیت آمیزی در تشخیص ضایعات کبدی نشان داده اند. اندازه ی نانومتری و شکل ذرات این مواد حاجب امکان استفاده از آن ها در موارد و کاربردهای مختلف فراهم می کند که در مواد حاجب دیگر دیده نمی شود.

مواد حاجب آهن- پلاتین: در مقایسه با نانوذرات اکسید آهن،ذرات سوپرپارامغناطیس آهن-پلاتین (SIPPS) به نظر می رسد که به شکل قابل توجهی ویژگی های آسایشی T2 را بهبود می دهند. این مواد توسط کپسولی از جنس فسفولیپید احاطه شده اند که به شکل ویژه توسط سولوهای سرطانی پروستات جذب می شوند. استفاده از این مواد هنوز در دست تحقیق است.

ساختار شیمیایی و وجود یا عدم وجود اتم فلزی در ساختار به منظور کاهش سمیت یون های فلزی مفهوم کلات کردن معرفی شده است. اثرات حاد و مزمن این سمیت با کلات شدن این مواد به شدت کاهش می یابد.

همان گونه که پیش از این بیان شد گادولینیوم به شکل یون گادولینیوم (III)‌ مورد استفاده قرار می گیرد. این یون بسیار ضعیف به پروتیین های سرم انسانی متصل می شود و ممکن است از آن ها جدا گردد. نمک های لانتانید ها در بدن هیدرولیز شده و تبدیل به هیدروکسیدها می شوند که توسط شبکه RES جذب شده و به ویژه در کبد، طحال و استخوان ها تجمع می یابند. روش استفاده مواد حاجب داخل وریدی یونی: اولین ماده حاجب داخل وریدی مورد استفاده از کلات های پارامغناطیس یون Gd و Cr در ترکیب با Ethylenediamin eteraacetic acid (EDTA) تشکیل شده بود. EDTA نسبتا ناپایدار بود و از خود اثراتی سمی برروی بدن حیوانات باقی می گذارد. Gd-DTPA به صورت موفقیت آمیزی مورد استفاده قرار گرفته است که این موضوع به دلیل پایداری بالای آن بود و این ماده اولین ماده ی حاجب داخل وریدی MRI بوده است که در بالین به کار گرفته شد. گادولینیوم دارای بردار مغناطیسی بزرگ است و حتی در غلظت های پایین دارای ویژگی پارامغناطیس بالا و سمیت پایین می باشد.پس از تزریق داخل وریدی، این ماده ابتدا داخل عروق و سپس در فضای بین سلولی پخش شده و سپس به سرعت از طریق ادرار دفع می شود.

مواد حاجب داخل وریدی غیر یونی این مواد حاجب همگام با مواد حاجب یونی mri توسعه یافته است. هنگام استفاده از این مواد حاجب برخی اثرات جانبی که زمان مربوط به اسمولاریته مواد حاجباست کمتر رخ میدهد. Gadodiamid یک ترکیب غیریونی است که اسمولالیته ی آن تنها ۵/٢ اسمولالیته ی Gd-DTPA می باشد. با توجه به میانگین دز کشنده ی 34 mmol/kg گادو دی آمید دارای ایمنی ٣-٢ برابر Gd-DOTA و ۴-٣ برابر ایمنی Gd-DTPA می باشد. تزریق گادو دی آمید سبب إیجاد اختلال در سطح بیلی روبین خون نمی شود. با این حال تحقیقی که برروی ٧٣ نفر انجام شد نشان داد که افزایش آهن خون یک نگرانی بالقوه با شیوع ٢/٨ ٪؜ حتی در زمان استفاده از گادو دی آمید میده می شود. Gadoteridol سومین ماده حاجب داخل وریدی غیریونی است که به صورت تجاری عرضه می شودو اسمولالیته ی آن مانند گادو دی آمید می باشد.

مواد حاجب خوراکی (OCAS) استفاده از این مواد برای تصویربردای mri از لوله و دستگاه گوارشی رایج است. آبمیوه های طبیعی تهیه شده مانند بلوبری و چای سبز به عنوان مواد حاجب خوراکی در mri سال ها مورد مطالعه قرار گرفته اند. مواد حاجب خوراکی مصنوعی بر پایه ی یون های فلزی سنگین مانند گادولینیوم، منگنز، مس و آهن می باشند. همچنین از هوا برای کاهش شدت سیگنال در تصاویر T2 مورد استفاده قرار میگیرد.

مواد با پایه ی Gd، SPIO، مواد حاوی منگنز و سوسپانسیون سولفات باریوم به عنوان مواد حاجب خوراکی مصنوعی مورد استفاده قرار میگیرند. یون دو ظرفیتی منگنز به شدت زمان آسایش T1 را کاهش می دهند. منگنز از طریق کانال های کلسیم، وارد سلول های تحریک پذیر مانند نورون ها و سلول های میوکارد می شود. بنابراین می توان از آن به عنوان یک نشانگر برای بررسی فعالیت کانال های کلسیمی استفاده نمود.