Paramanyetik Nanoparçacıklar

Nanoteknoloji, özellikle kanser tedavisi ve teşhisi gibi alanlarda kullanılan paramanyetik nanopartiküllerin gelişiminde önemli bir rol oynamaktadır. Bu teknoloji alanındaki ilerlemeler, bu tür malzemelerin ve ajanların sentez yöntemlerini geliştirerek performanslarını arttırmıştır.

Bu ilerlemeler, nanoteknoloji alanında daha etkili ve yenilikçi uygulamaların yolunu açmaktadır. Paramanyetik malzemelerin gelişmiş performansı ve sentez yöntemlerindeki ilerlemeler, bu alandaki potansiyeli daha da artırmaktadır. Nanoteknolojinin en son gelişmelerini ve nanomalzemelerin uygulama olanaklarını daha detaylı incelemek için, Nanografi'nin web sitesini ziyaret edin.

Giriş

Nanopartiküllerin tasarımı ve karakterizasyonunda, morfoloji, boyut, yüzey alanı ve yüzey kimyası gibi özellikler önemlidir. Bu faktörler, nanopartiküllerin davranışını, in vivo (canlı organizmada) vein vitro (deneysel ortamlarda) özelliklerini, terapötik etkinliklerini ve manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ile teşhisin doğruluğunu etkiler. Ayrıca, çeşitli nanopartiküllerin sentezi ve üretim süreçlerini de belirler. Paramanyetik nanopartiküller ise, özellikle nadir toprak metal oksitleri ve hidroksitlerinden oluşur. Bu nanopartiküller, demir oksit nanopartiküllerine potansiyel bir alternatif olarak kullanılabilirler.

Paramanyetizma Nedir?

Manyetizma, temel olarak temel parçacıkların spin manyetik momentleri ve elektrik akımlarından kaynaklanan bir fenomendir. Malzemelerin manyetik özellikleri, atomları çevreleyen elektronların manyetik momentlerine dayanır. Elektronların manyetik momentleri, atom çekirdeklerinin manyetik momentlerinden çok daha büyüktür, dolayısıyla çekirdeğin manyetizmaya katkısı oldukça sınırlıdır. Bununla birlikte, nükleer manyetik momentlerin özellikle nükleer manyetik rezonans (NMR) ve manyetik rezonans görüntüleme (MRI) gibi alanlarda önemli rolleri olduğu göz önünde bulundurulmalıdır.

Paramanyetizma, maddenin manyetik özelliklerinden biri olarak, atomlarda bulunan eşleşmemiş bir veya daha fazla elektronun dışarıdan uygulanan manyetik alana çekilmesiyle oluşan bir fenomendir. Manyetik alan uygulandığında, atomların manyetik momentleri heyecanlanır ve uygulanan alanın kaldırılmasıyla temel duruma geri dönüşleri, relaksasyon olarak adlandırılır. Manyetik relaksasyon kavramı, T1 ve T2 parametreleri aracılığıyla açıklanır. Burada T1, boyuna manyetizmanın dengeli duruma geri dönüşünü ifade ederken, T2 enine manyetizmanın dengeli duruma dönüşünü ifade eder. Sabit bir manyetik alan gücünde, T1 ve T2 relaksasyonları, farklı dokulara bağlı olarak değişir ve hastalıklı dokular, sağlıklı dokulara kıyasla farklı T1 ve T2 değerlerine sahiptir. Bu relaksasyonların kısmen paramanyetizmalarına bağlı olduğu bilinse de, paramanyetik parçacıkların relaksasyon özellikleri tam olarak açıklanmamıştır. Teknik olarak, paramanyetik parçacıkların relaksasyonunu incelemek için 1H ve 2H NMR relaksasyonları sonuçları, malzemeler ve yöntemler ile birlikte, elektronun paramanyetik rezonansı kullanılır.

Şekil 1: Paramanyetizmanın tanımı.

Paramanyetik Nanoparçacıkların Sınıflandırılması

Periyodik tablodaki lantanitler, özellikle gadolinyum gibi elementler, çok sayıda eşleşmemiş değerlik elektronlarına sahip oldukları için en yaygın ve tercih edilen paramanyetik malzemeler arasındadır. Bu elektron yapıları, lantanitleri mükemmel T1 kısaltıcı metaller yapar. Ancak, lantanitlerin serbest formda yüksek toksiteleri vardır. Lantanit metal iyonlarının şelatlanması, manyetik rezonans görüntülemede kontrast ajan olarak kullanılmalarını sağlarken toksitelerini azaltır. 

Bir diğer önemli nano ölçekli manyetik parçacık sınıfı, gadolinyum nanopartiküllerine alternatif olarak geliştirilen manganez nanopartikülleridir. Manganez, özellikle böbrek bozukluğu olan hastalar ve karaciğer nakli tedavisi görenler için gadolinyuma bir alternatif olarak öne çıkmaktadır.

Demir oksit nanopartikülleri, Fe2O3 ve Fe3O4, süperparamanyetik ajanlar olarak kabul edilir ve ayırma biliminden kanser terapisine, hücre etiketlemeye ve hipertermi ile tümör ablasyonuna kadar çeşitli alanlarda kullanılır. Bu nanopartiküllerin uygulamaları, manyetizma, yüzey kimyası, şekil ve boyut gibi özelliklere bağlıdır. Özellikle, demir oksit nanopartikülleri, MRI'da koyu kontrast oluşturan yaygın T2 kısaltıcı kontrast maddeleridir. Demir oksit nanopartiküllerinin T2 gevşeme kalitesi, onların morfolojisi ve yapısına bağlıdır. Örneğin, demir oksit nanokurtlar, küresel demir oksit nanopartiküllerine kıyasla MRI'da daha yüksek manyetik gevşemeye sahiptir; bu durum, çekirdeklerin artan yöneliminden kaynaklanır. Ayrıca, demir oksit nanopartiküllerinin kümelenmesi, T2 gevşemesini önemli ölçüde artırabilir, öyle ki, üç parçacıktan oluşan zincir benzeri yapılar, küresel şekilli tek bir parçacığa göre üç kat daha yüksek gevşeme sağlayabilir.

Paramanyetik Parçacıkların Dizayn Edilmesi

Paramanyetik nanopartiküllerin tasarımı ve üretimi için çeşitli yöntemler geliştirilmiş ve incelenmiştir. Genellikle, demir oksit nanopartikülleri, demir(II) ve demir(III) katyonları gibi metal iyonlarının bir arada çökeltilmesi yoluyla hazırlanır. Bu yöntem, endüstriyel ölçekte demir oksit nanopartiküllerini sentezlemek için en etkin ve basit teknik olarak kabul edilir. Nanopartiküllerin şekil ve boyutunu etkileyen faktörler arasında Fe²⁺ ve Fe³⁺ oranı, reaksiyon ortamının pH'ı, demir konsantrasyonu, sıcaklık ve iyonik kuvvet bulunur. Ancak, bir arada çökeltme yönteminin ana dezavantajı, elde edilen nanopartiküllerin boyutlarının homojen olmamasıdır.

Bu nedenle, bir alternatif olarak su içinde yağ mikroemülsiyon tekniği kullanılır. Bu yöntemde, nano boyutta su damlacıkları bir yağ fazında dağıtılır ve yüzey aktif madde molekülleri su ve yağ arayüzünde onları stabilize eder. Mikroemülsiyon yöntemiyle sentezlenen demir oksit nanopartikülleri, bir arada çöktürme yöntemine kıyasla daha dar bir boyut dağılımına sahiptir.

Yeni bir yöntem olan yüksek sıcaklıkta ayrıştırma ise, Fe(acac)₃, Fe(CO)₅ ve Fe(Cup)₃ gibi demir öncüllerinin sürfaktan içeren organik çözücülerde ayrıştırıldığı bir süreçtir. Bu yöntem, mükemmel monodispersiteye ve iyi boyut kontrolüne sahip demir oksit nanopartikülleri elde etmek için kullanışlıdır.

Demir Oksit Nanoparçacıklarının Kullanımı ve Uygulama Alanları

Manyetik nanopartiküller, biyolojik moleküllerin ayrılması ve saflaştırılması, protein tespiti, DNA dağıtımı ve hipertermi adı verilen yerel ısıtma yoluyla tümör baskılanması gibi geniş bir uygulama alanına sahiptir. Özellikle, demir oksit nanopartiküllerinin kanser tedavisindeki kullanımı, serbest radikaller ve oksijen radikalleri üretebilen yarı iletken malzemeler içeren reaksiyonlarda meydana gelen manyeto-spin fenomenine dayanır. Genel olarak, manyetik nanoterapi, elektromanyetik alanlar kullanılarak dışarıdan kontrol edilir ve bu süreçte reaktif oksijen türleri (ROS) ve reaktif nitrojen türleri (RNS) oluşur.

Demir oksit nanopartiküllerinin petrol ayrıştırılmasında kullanıldığını biliyor muydunuz? Öğrenmek için blog yazımızı okuyun.

Sonuç

Paramanyetizma, genellikle lantanit metallerinde ve demir, kobalt, nikel gibi geçiş metallerinde bulunan eşleşmemiş elektronlara sahip atomların bir özelliğidir. Lantanit metallerden biri olan gadolinyum, geniş bir uygulama yelpazesinde kullanılan sıcaklığa bağlı bir paramanyetik ajan olarak bilinir. Demir oksit nanopartiküller ise, özellikle biyomedikal alanlar ve kanser tedavisi gibi alanlarda, umut verici nano ölçekli paramanyetik ajanlar olarak öne çıkmaktadır.

Yüksek kalitesi ve yüksek performansıyla birçok projeye ve araştırmaya katkı sağlayan Nanografi'nin Demir Oksit ürünlerini şimdi keşfedin.

Kaynakça

Demir Oksit: Özellikleri, Üretimi ve Uygulamaları - Nanografi - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved January 18, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/demir-oksit-ozellikleri-uretimi-ve-uygulamalari-nanografi/

Demir Oksit Nanopartiküllerinin Petrol Endüstrisinde Kullanımı - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved January 18, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/demir-oksit-nanopartikullerinin-petrol-endustrisinde-kullanimi/

Heo, D. N. et al. Scale-Up Production of Theranostic Nanoparticles. Cancer Theranostics (Elsevier Inc., 2014). doi:10.1016/B978-0-12-407722-5.00024-4.

Paramagnetism: Definition and Examples. (n.d.). Retrieved January 16, 2024, from https://www.sciencefacts.net/paramagnetism.html

Toy, R. & Karathanasis, E. Nanomaterials in Pharmacology. (2016) doi:10.1007/978-1-4939-3121-7.

Vuong, Q. L. et al. Paramagnetic nanoparticles as potential MRI contrast agents: Characterization, NMR relaxation, simulations and theory. Magn. Reson. Mater. Physics, Biol. Med. 25, 467–478 (2012).