Nanopartículas magnéticas - Magnetic nanoparticles

Nanopartículas magnéticas são uma classe de nanopartículas que podem ser manipuladas usando campos magnéticos . Essas partículas geralmente consistem em dois componentes, um material magnético, geralmente ferro , níquel e cobalto , e um componente químico que tem funcionalidade. Enquanto as nanopartículas são menores do que 1 micrômetro de diâmetro (normalmente 1–100 nanômetros), as microesferas maiores têm 0,5–500 micrômetro de diâmetro. Os aglomerados de nanopartículas magnéticas que são compostos por várias nanopartículas magnéticas individuais são conhecidos como nanopartículas magnéticas com um diâmetro de 50–200 nanômetros. Os aglomerados de nanopartículas magnéticas são uma base para sua posterior montagem magnética em nanochains magnéticos . As nanopartículas magnéticas têm sido o foco de muitas pesquisas recentemente porque possuem propriedades atraentes que podem ver o uso potencial em catálise, incluindo catalisadores baseados em nanomateriais , biomedicina e direcionamento específico de tecido, cristais fotônicos coloidais magneticamente ajustáveis , microfluídica , imagem por ressonância magnética , imagem por partícula magnética , armazenamento de dados , remediação ambiental , nanofluidos , filtros ópticos, sensor de defeito, resfriamento magnético e sensores de cátions.

Propriedades

As propriedades físicas e químicas das nanopartículas magnéticas dependem em grande parte do método de síntese e da estrutura química. Na maioria dos casos, as partículas variam de 1 a 100 nm em tamanho e podem exibir superparamagnetismo .

Tipos de nanopartículas magnéticas

Óxidos: ferritas

Nanopartículas de ferrita ou nanopartículas de óxido de ferro ( óxidos de ferro na estrutura cristalina da maghemita ou magnetita ) são as nanopartículas magnéticas mais exploradas até hoje. Uma vez que as partículas de ferrite se tornam menores que 128 nm, elas se tornam superparamagnéticas, o que evita a autoaglomeração, uma vez que exibem seu comportamento magnético apenas quando um campo magnético externo é aplicado. O momento magnético das nanopartículas de ferrita pode ser bastante aumentado pelo agrupamento controlado de um número de nanopartículas superparamagnéticas individuais em aglomerados de nanopartículas superparamagnéticas, ou seja, nanopérolas magnéticas . Com o campo magnético externo desligado, a remanência volta a zero. Assim como as nanopartículas de óxido não magnético, a superfície das nanopartículas de ferrita é frequentemente modificada por surfactantes , sílica , silicones ou derivados do ácido fosfórico para aumentar sua estabilidade em solução.

Ferrites com casca

Imagem TEM de um aglomerado de nanopartículas magnéticas de maghemita com casca de sílica.

A superfície de uma nanopartícula magnética de maghemita ou magnetita é relativamente inerte e geralmente não permite ligações covalentes fortes com moléculas de funcionalização. No entanto, a reatividade das nanopartículas magnéticas pode ser melhorada revestindo uma camada de sílica em sua superfície. A casca de sílica pode ser facilmente modificada com vários grupos funcionais de superfície por meio de ligações covalentes entre as moléculas de organo-silano e a casca de sílica. Além disso, algumas moléculas de corante fluorescente podem ser ligadas covalentemente à concha de sílica funcionalizada .

Aglomerados de nanopartículas de ferrita com distribuição de tamanho estreita consistindo em nanopartículas de óxido superparamagnético (~ 80 nanopartículas superparamagnéticas de maghemita por grânulo) revestidas com uma casca de sílica têm várias vantagens sobre as nanopartículas metálicas:

• Maior estabilidade química (crucial para aplicações biomédicas)
• Distribuição de tamanho estreita (crucial para aplicações biomédicas)
• Maior estabilidade coloidal, uma vez que eles não se aglomeram magneticamente
• O momento magnético pode ser ajustado com o tamanho do cluster de nanopartículas
• Propriedades superparamagnéticas retidas (independente do tamanho do agrupamento de nanopartículas)
• A superfície de sílica permite funcionalização covalente direta

Metálico

Nanopartículas metálicas podem ser benéficas para algumas aplicações técnicas devido ao seu maior momento magnético, enquanto óxidos ( maghemita , magnetita ) seriam benéficos para aplicações biomédicas. Isso também implica que, no mesmo momento, as nanopartículas metálicas podem ser feitas menores do que suas contrapartes de óxido. Por outro lado, as nanopartículas metálicas têm a grande desvantagem de serem pirofóricas e reativas a agentes oxidantes em vários graus. Isso torna seu manuseio difícil e permite reações colaterais indesejadas, o que os torna menos apropriados para aplicações biomédicas. A formação de colóides para partículas metálicas também é muito mais desafiadora.

Metálico com uma concha

Nanopartícula de cobalto com casca de grafeno (nota: as camadas individuais de grafeno são visíveis)

O núcleo metálico das nanopartículas magnéticas pode ser passivado por oxidação suave, surfactantes, polímeros e metais preciosos. Em um ambiente de oxigênio, as nanopartículas de Co formam uma camada de CoO anti-ferromagnética na superfície da nanopartícula de Co. Recentemente, o trabalho tem explorado o efeito de polarização de síntese e troca nessas nanopartículas de casca de CoO de núcleo de Co com uma casca externa de ouro. Nanopartículas com um núcleo magnético consistindo de ferro elementar ou cobalto com uma casca não reativa feita de grafeno foram sintetizadas recentemente. As vantagens em comparação com ferrite ou nanopartículas elementares são:

• Maior magnetização
• Maior estabilidade em solução ácida e básica , bem como em solventes orgânicos
• Química na superfície do grafeno por meio de métodos já conhecidos para nanotubos de carbono

Síntese

Existem vários métodos para preparar nanopartículas magnéticas .

Co-precipitação

A co-precipitação é uma maneira fácil e conveniente de sintetizar óxidos de ferro (Fe ₃ O ₄ ou γ-Fe ₂ O ₃ ) a partir de soluções aquosas de sal Fe ²⁺ / Fe ³⁺ pela adição de uma base sob atmosfera inerte à temperatura ambiente ou em temperatura elevada. O tamanho, forma e composição das nanopartículas magnéticas depende muito do tipo de sais usados ​​(por exemplo, cloretos, sulfatos, nitratos), a razão Fe ²⁺ / Fe ³⁺ , a temperatura da reação , o valor de pH e a força iônica do meio, e a taxa de mistura com a solução de base usada para provocar a precipitação. A abordagem de co-precipitação tem sido usada extensivamente para produzir nanopartículas de ferrita de tamanhos e propriedades magnéticas controlados. Uma variedade de arranjos experimentais foi relatada para facilitar a co-precipitação contínua e em grande escala de partículas magnéticas por mistura rápida. Recentemente, a taxa de crescimento das nanopartículas magnéticas foi medida em tempo real durante a precipitação das nanopartículas de magnetita por um suscetômetro magnético AC integrado dentro da zona de mistura dos reagentes.

Decomposição termal

Nanocristais magnéticos com tamanho menor podem ser sintetizados essencialmente através da decomposição térmica de compostos organometálicos alcalinos em solventes orgânicos de alto ponto de ebulição contendo surfactantes estabilizantes.

Microemulsão

Usando a técnica de microemulsão, cobalto metálico, ligas de cobalto / platina e nanopartículas de cobalto / platina revestidas com ouro foram sintetizadas em micelas reversas de brometo de cetiltrimetilamônio, usando 1-butanol como co-tensoativo e octano como fase oleosa.,

Síntese de spray de chama

Usando pirólise por spray de chama e variando as condições de reação, óxidos, nanopartículas revestidas de metal ou carbono são produzidos a uma taxa de> 30 g / h.

Várias condições de spray de chama e seu impacto nas nanopartículas resultantes

Diferenças de layout operacional entre síntese convencional e redução de spray de chama

Aplicações potenciais

Uma grande variedade de aplicações potenciais foi considerada. Como as nanopartículas magnéticas são caras de se produzir, há interesse em sua reciclagem ou em aplicações altamente especializadas.

O potencial e a versatilidade da química magnética surgem da separação rápida e fácil das nanopartículas magnéticas, eliminando processos de separação tediosos e caros normalmente aplicados em química. Além disso, as nanopartículas magnéticas podem ser guiadas por meio de um campo magnético para o local desejado, o que poderia, por exemplo, permitir uma precisão exata no combate ao câncer.

Diagnósticos e tratamentos médicos

Nanopartículas magnéticas foram examinadas para uso em um tratamento experimental de câncer chamado hipertermia magnética, no qual um campo magnético alternado (AMF) é usado para aquecer as nanopartículas. Para atingir o aquecimento de nanopartículas magnéticas suficiente, o AMF normalmente tem uma frequência entre 100-500 kHz, embora pesquisas significativas tenham sido feitas em frequências mais baixas, bem como frequências tão altas quanto 10 MHz, com a amplitude do campo geralmente entre 8-16 kAm ^{- 1} .

Ligantes de afinidade, como fator de crescimento epidérmico ( EGF ), ácido fólico , aptâmeros , lectinas , etc., podem ser ligados à superfície das nanopartículas magnéticas com o uso de vários produtos químicos. Isso permite o direcionamento de nanopartículas magnéticas a tecidos ou células específicos. Esta estratégia é usada na pesquisa do câncer para direcionar e tratar tumores em combinação com hipertermia magnética ou medicamentos contra o câncer administrados por nanopartículas . Apesar dos esforços de pesquisa, no entanto, o acúmulo de nanopartículas dentro de tumores cancerígenos de todos os tipos é subótimo, mesmo com ligantes de afinidade. Willhelm et al. conduziram uma ampla análise da entrega de nanopartículas a tumores e concluíram que a quantidade média de dose injetada que atinge um tumor sólido é de apenas 0,7%. O desafio de acumular grandes quantidades de nanopartículas dentro dos tumores é sem dúvida o maior obstáculo que a nanomedicina enfrenta em geral. Embora a injeção direta seja usada em alguns casos, a injeção intravenosa é mais frequentemente preferida para obter uma boa distribuição de partículas por todo o tumor. As nanopartículas magnéticas têm uma vantagem distinta de que podem se acumular nas regiões desejadas por meio de distribuição guiada magneticamente, embora essa técnica ainda precise de mais desenvolvimento para atingir a distribuição ideal para tumores sólidos.

Outro potencial tratamento do câncer inclui anexar nanopartículas magnéticas a células cancerosas flutuantes, permitindo que sejam capturadas e transportadas para fora do corpo. O tratamento foi testado em laboratório em ratos e será analisado em estudos de sobrevivência.

Nanopartículas magnéticas podem ser usadas para a detecção de câncer. O sangue pode ser inserido em um chip microfluídico com nanopartículas magnéticas. Essas nanopartículas magnéticas ficam presas em seu interior devido a um campo magnético aplicado externamente, pois o sangue fica livre para fluir. As nanopartículas magnéticas são revestidas com anticorpos que visam células ou proteínas cancerosas. As nanopartículas magnéticas podem ser recuperadas e as moléculas associadas ao câncer podem ser testadas para verificar sua existência.

Nanopartículas magnéticas podem ser conjugadas com carboidratos e usadas para detecção de bactérias. Partículas de óxido de ferro têm sido utilizadas para a detecção de bactérias Gram negativas como Escherichia coli e para detecção de bactérias Gram positivas como Streptococcus suis

Outros usos diagnósticos podem ser alcançados pela conjugação das nanopartículas com oligonucleotídeos que podem ser complementares a uma sequência de DNA ou RNA de interesse para detectá-los, como DNA patogênico ou produtos de reações de amplificação de DNA na presença de DNA patogênico, ou um aptâmero reconhecer uma molécula de interesse. Isso pode levar à detecção de patógenos como vírus ou bactérias em humanos ou produtos químicos perigosos ou outras substâncias no corpo.

Imunoensaio magnético

O imunoensaio magnético (MIA) é um novo tipo de imunoensaio de diagnóstico que utiliza nanopérolas magnéticas como marcadores em vez de convencionais, enzimas, radioisótopos ou porções fluorescentes. Este ensaio envolve a ligação específica de um anticorpo ao seu antígeno, onde um marcador magnético é conjugado a um elemento do par. A presença de nanopérolas magnéticas é então detectada por um leitor magnético (magnetômetro), que mede a mudança do campo magnético induzida pelos grânulos. O sinal medido pelo magnetômetro é proporcional à quantidade do analito (vírus, toxina, bactéria, marcador cardíaco, etc.) na amostra inicial.

Tratamento de água poluída

Graças à fácil separação pela aplicação de um campo magnético e à grande proporção entre superfície e volume , as nanopartículas magnéticas têm potencial para o tratamento de água contaminada. Neste método, a fixação de quelantes do tipo EDTA a nanoímãs de metal revestidos com carbono resulta em um reagente magnético para a rápida remoção de metais pesados ​​de soluções ou água contaminada em três ordens de magnitude para concentrações tão baixas quanto microgramas por litro. Nanopérolas magnéticas ou aglomerados de nanopartículas compostas por nanopartículas superparamagnéticas de óxido aprovadas pela FDA (por exemplo , maghemita , magnetita ) possuem muito potencial para tratamento de águas residuais, uma vez que expressam excelente biocompatibilidade que, em relação aos impactos ambientais do material, é uma vantagem em comparação com nanopartículas metálicas.

Sensor Eletroquímico

Ensaios magnetoeletroquímicos são baseados no uso de nanopartículas magnéticas em detecção eletroquímica, tanto por serem distribuídas através de uma amostra onde podem coletar e pré-concentrar o analito e manipulado por um campo magnético, quanto pela modificação de uma superfície de eletrodo aumentando sua condutividade e a afinidade com o analito. As nanopartículas magnéticas revestidas têm um aspecto fundamental no sensoriamento eletroquímico, não apenas porque facilita a coleta do analito, mas também permite que os MNPs façam parte do mecanismo de transdução do sensor. Para a manipulação de MNPs em sensoriamento eletroquímico têm sido utilizados eixos de eletrodos magnéticos ou eletrodos serigrafados descartáveis ​​integrando ímãs permanentes ligados, com o objetivo de substituir suportes magnéticos ou qualquer campo magnético externo.

Enzimas e peptídeos suportados

Enzimas, proteínas e outras substâncias biologicamente e quimicamente ativas foram imobilizadas em nanopartículas magnéticas. A imobilização de enzimas em nanopartículas magnéticas de ferro (MNP) baratas, não tóxicas e facilmente sintetizadas tem se mostrado uma grande promessa devido a proteínas mais estáveis, melhor rendimento do produto, facilidade de purificação de proteínas e uso múltiplo como resultado de sua suscetibilidade magnética. Eles são de interesse como possíveis suportes para a síntese em fase sólida .

Esta tecnologia é potencialmente relevante para marcação celular / separação de células, desintoxicação de fluidos biológicos, reparo de tecidos, administração de drogas, imagem por ressonância magnética, hipertermia e magnetofecção.

Imobilização enzimática aleatória versus direcionada ao local

Enzimas imobilizadas em nanopartículas magnéticas (MNP) via fixação multiponto aleatória, resultam em uma população de proteínas heterogênea com atividade reduzida devido à restrição de acesso do substrato ao sítio ativo. Métodos baseados em modificações químicas estão agora disponíveis onde MNP pode ser ligado a uma molécula de proteína por meio de um único aminoácido específico (como terminais N ou C), evitando assim a redução na atividade devido ao livre acesso do substrato ao ativo local. Além disso, a imobilização dirigida ao local também evita a modificação de resíduos catalíticos. Um desses métodos comuns envolve o uso da química do Alkyne-Azide Click, pois ambos os grupos estão ausentes nas proteínas.

Suporte de catalisador

Nanopartículas magnéticas são de uso potencial como um catalisador ou suporte de catalisador . Em química, um suporte de catalisador é o material, geralmente um sólido com uma grande área de superfície, ao qual um catalisador é afixado. A reatividade de catalisadores heterogêneos ocorre nos átomos da superfície. Consequentemente, um grande esforço é feito para maximizar a área de superfície de um catalisador, distribuindo-o sobre o suporte. O suporte pode ser inerte ou participar das reações catalíticas. Os suportes típicos incluem vários tipos de carbono, alumina e sílica. A imobilização do centro catalítico no topo das nanopartículas com uma grande proporção entre superfície e volume resolve esse problema. No caso das nanopartículas magnéticas, adiciona a propriedade de uma separação fácil. Um exemplo antigo envolveu uma catálise de ródio ligada a nanopartículas magnéticas.

Em outro exemplo, o radical estável TEMPO foi ligado às nanopartículas de cobalto revestidas com grafeno por meio de uma reação de diazônio . O catalisador resultante foi então usado para a oxidação quimiosseletiva de álcoois primários e secundários.

A reação catalítica pode ser conduzida em um reator de fluxo contínuo em vez de um reator descontínuo sem nenhum resíduo do catalisador no produto final. Nanopartículas de cobalto revestidas com grafeno foram utilizadas para esse experimento, uma vez que exibem uma magnetização maior do que as nanopartículas de ferrita , o que é essencial para uma separação rápida e limpa via campo magnético externo.

Imagens biomédicas

Existem muitas aplicações para nanopartículas baseadas em óxido de ferro em conjunto com imagens de ressonância magnética . Nanopartículas magnéticas de CoPt estão sendo usadas como um agente de contraste de ressonância magnética para detecção de células-tronco neurais transplantadas .

Terapia do câncer

Na hipertermia de fluido magnético, nanopartículas de diferentes tipos, como óxido de ferro, magnetita, maghemita ou mesmo ouro, são injetadas no tumor e, em seguida, submetidas a um campo magnético de alta frequência. Essas nanopartículas produzem calor que normalmente aumenta a temperatura do tumor para 40-46 ° C, o que pode matar as células cancerosas. Outro grande potencial das nanopartículas magnéticas é a capacidade de combinar calor (hipertermia) e liberação de drogas para o tratamento do câncer. Numerosos estudos têm mostrado construções de partículas que podem ser carregadas com uma carga de droga e nanopartículas magnéticas. A construção mais prevalente é o "magnetolipossoma", que é um lipossoma com nanopartículas magnéticas tipicamente incorporadas na bicamada lipídica. Sob um campo magnético alternado, as nanopartículas magnéticas são aquecidas e esse calor permeabiliza a membrana. Isso causa a liberação da droga carregada. Esta opção de tratamento tem muito potencial, pois a combinação de hipertermia e liberação de medicamento provavelmente trata os tumores melhor do que qualquer uma das opções sozinhas, mas ainda está em desenvolvimento.

Armazenamento de informação

Um candidato promissor para armazenamento de alta densidade é a liga de FePt de fase tetragonal de face centrada. Os tamanhos dos grãos podem ser tão pequenos quanto 3 nanômetros. Se for possível modificar os MNPs nesta pequena escala, a densidade da informação que pode ser alcançada com esta mídia pode facilmente ultrapassar 1 Terabyte por polegada quadrada.

Engenharia genética

Nanopartículas magnéticas podem ser usadas para uma variedade de aplicações genéticas. Uma aplicação é o rápido isolamento de DNA e mRNA. Em uma aplicação, a conta magnética é fixada a uma cauda poli T. Quando misturada com o mRNA, a cauda poli A do mRNA se liga à cauda poli T da esfera e o isolamento ocorre simplesmente colocando um ímã na lateral do tubo e despejando o líquido. As contas magnéticas também foram usadas na montagem de plasmídeo. A rápida construção do circuito genético foi alcançada pela adição sequencial de genes em uma crescente cadeia genética, usando nano-esferas como âncora. Este método demonstrou ser muito mais rápido do que os métodos anteriores, levando menos de uma hora para criar construções multigênicas funcionais in vitro.

Modelagem física

Existem vários modelos matemáticos para descrever a dinâmica das rotações das nanopartículas magnéticas. Modelos simples incluem a função de Langevin e o modelo de Stoner-Wohlfarth que descreve a magnetização de uma nanopartícula em equilíbrio. O modelo Debye / Rosenszweig pode ser usado para oscilações de partículas de baixa amplitude ou alta frequência, que pressupõe uma resposta linear da magnetização a um campo magnético oscilante. Abordagens de não equilíbrio incluem o formalismo da equação de Langevin e o formalismo da equação de Fokker-Planck, e estes foram desenvolvidos extensivamente para modelar aplicações como hipertermia de nanopartículas magnéticas, imagem de nanopartículas magnéticas (MPI), espectroscopia magnética e biossensor, etc.

Veja também

• Nanopartículas de óxido de ferro

Referências

links externos

• FML - Laboratório de Materiais Funcionais da ETH Zürich
• Propriedades e uso de aglomerados de nanopartículas magnéticas (nanopérolas magnéticas)
• Nanopartículas magnéticas têm como alvo células cancerosas humanas
• Nanopartículas magnéticas removem células de câncer de ovário da cavidade abdominal
• Wiedwald, U. e Ziemann, P. (Ed.): Propriedades e aplicações de nanopartículas magnéticas , Thematic Series in the Open Access Beilstein Journal of Nanotechnology.
• Efeitos do surfactante nas propriedades estruturais e magnéticas de nanopartículas de NiFe2O4 sintetizadas hidrotermicamente

Bibliografia

• Catinon, M., Ayrault, S., Boudouma, O., Bordier, L., Agnello, G., Reynaud, S., & Tissut, M. (2014). Isolamento de partículas magnéticas tecnogênicas . Science of the Total Environment, 475, 39-47 ( resumo ).