高单分散磁性纳米材料氧化铁在新型磁共振成像对比剂/**磁热**/磁力生物调控等应用方向发展

   自实现高单分散纳米氧化铁的可控制备以来，基于高生物学安全性的纳米氧化铁或者掺杂纳米铁氧体磁性材料的生物医学应用研究出现了爆发式增长，成为目前纳米生物学和纳米医学领域前沿热点之一，特别是其独特的磁学性质，使得磁性纳米材料能够介导外磁场产生纳米尺度的物理效应，并作用于微纳尺度的生物靶点。通过多学科交叉研究，有望建立基于磁性纳米材料的可控、组织可穿透、安全和**的疾病诊断和**新模式，提高疾病的**疗效并改善预后。文章综述了近年来氧化铁颗粒在生物医学应用中的一些较新进展，主要集中讨论了磁性纳米材料在新型磁共振成像对比剂、**磁热**和磁力生物调控等应用方向的机遇与发展。

   近年来，随着纳米科学与技术的快速发展以及其与生命科学、医学工程学等学科的交叉融合，产生了如纳米医学、纳米生物学等许多新兴学科和领域。这些交叉领域的研究有望为解决当前重大疾病诊疗领域的技术挑战提供新思路和新方法。在诸多生物医学纳米材料中，磁性纳米生物材料因其独特的磁学性质在临床诊断和生物医学研究中获得了广泛应用，如**影像诊断和磁热疗、磁分离和即时检验、干细胞与再生医学\脑部神经刺激和可控**递释等(图1)。

图1 氧化铁纳米颗粒的生物医学应用

除了利用纳米材料化学组成、结构相关的生物学效应以外，磁性纳米材料生物医学应用的主要范式是：利用纳米材料小尺寸特点将其递送到特定的生物靶点，通过施加安全且无组织穿透深度限制的外磁场刺激，促使磁性纳米材料产生磁、热、力等物理效应并作用于生物靶点，继而引发多种生物学效应实现诊断或**功能。由此可见，磁性纳米材料是实现磁诊疗功能的介质，而其性能在很大程度上取决于纳米材料磁学特性与外部磁场之间的耦合效率以及磁场诱导物理效应对生物学效应的激活效能。该领域科学研究的较终目标是在活体内实现可远程磁操控的医疗纳米机器人，能够进行疾病预警并遵循医生指示执行相关**功能。为更好地实现这个远景目标，需要材料化学、纳米磁学、生物学、医学以及工程学等多个学科知识深度融合，并在不断的发展过程中逐渐形成“纳米磁医学工程”等新的交叉学科和方向。

安全并**是医疗技术临床应用的要求，磁性氧化铁颗粒是当前**被批准用于临床的无机材料纳米**，具有**的安全性。而磁场相关医疗技术往往具有非侵入式、可实时调控、无辐射危害等优势。因此，以临床医学应用的角度，开展磁场作用下氧化铁纳米材料生物效应的跨学科、创新性的科学研究有望为生物医学领域带来变革性的医疗技术，改善当前疾病**效果，满足我国人民对健康和美好生活的期盼。

磁场诱导的物理效应

磁学性质是磁性纳米材料生物医学应用的关键，通过材料设计可以**的调控纳米材料的磁学特性，从而提升应用性能。一般来说，其磁学性能参数主要包括：饱和磁化强度(Ms)、磁各向异性(K)、剩磁(Mr)和矫顽力(Hc)等。磁化强度是描述宏观磁介质磁性强弱程度的物理量。对于铁磁有序的纳米氧化铁材料，其随外磁场不断增强能够达到的较大磁化强度即饱和磁化强度，该参数与纳米材料的尺寸、组分和形貌等相关。例如，饱和磁化强度在阈值内随颗粒尺寸的增加成比例地增大，超过阈值后趋于恒定并且接近体相材料的磁化强度[5]。磁各向异性是指在不同方向磁化难易程度不同，包括磁晶各向异性、表面各向异性及交换各向异性。磁晶各向异性受晶胞结构影响，如氧化铁纳米颗粒中Fe2+完全被Co2+替代时，磁各向异性比原来颗粒增加了20 倍[6]。表面各向异性及交换各向异性受颗粒形貌影响，一般比表面积大的纳米颗粒对表面各向异性贡献更**，核壳结构也会影响交换各向异性[5， 7]。矫顽力能体现材料抵抗退磁的能力，受颗粒尺寸变化的影响较为**。纳米材料晶粒尺寸小于单畴尺寸时，其矫顽力随粒径的增大而增大。由此可见，铁磁性纳米材料表现出尺寸依赖的磁学特性，当尺寸小于某一临界值，其磁晶各向异性能(KV)小于室温热能(KT)时，其矫顽力与剩磁趋向于零，呈现超顺磁性质。

磁性纳米材料响应外磁场可以产生多种物理学效应，不同的应用对材料磁学性能的要求不同。因此，设计高应用性能磁性纳米介质时，需要综合多方面因素考虑(图2)。磁性纳米材料在外磁场作用下，可产生局域的诱导磁场。该局域磁场能够影响被射频脉冲激发的氢质子弛豫过程，**缩短弛豫时间，从而增强该区域的磁共振信号。纳米氧化铁作为**的T2磁共振增强对比剂，其弛豫效能与饱和磁化强度的平方成正比。在梯度磁场或者旋转磁场下，磁化的纳米材料可以产生纳米尺度的力学效应，其磁力大小与饱和磁化强度与外磁场梯度的积成正比。在外加中频交变磁场(100—500 kHz)中，磁性纳米材料可通过磁滞损耗将磁场的能量转化为热能[8]。对于超顺磁纳米颗粒，其产热机制可以简化为布朗和尼尔弛豫损耗之和。当颗粒尺寸大于单畴尺寸时，其布朗弛豫对产热有较大的贡献；而小于单畴尺寸的颗粒主要以尼尔弛豫贡献为主，与磁各向异性能成正比[9]。磁性纳米材料磁热效率可以用比吸热速率(SAR)或固有损耗功率(ILP)来评价，产热效率与磁场的频率和强度以及颗粒的饱和磁化强度有关。比吸收速率没有考虑磁场参数的影响，不能将不同磁场参数下的实验结果进行比较，而固有损耗功率与磁场参数无关，可以用来衡量不同外场下材料的磁热转换性能。

图2 纳米氧化铁尺寸依赖的磁学特性与医学应用基础(a)尺寸依赖的磁滞回线；(b)磁性纳米材料对氢质子磁共振弛豫的影响；(c)磁场诱导的磁力效应；(d)磁感应热机制中的布朗和尼尔弛豫损耗。

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T2型造影剂-超顺磁性四氧化三铁颗粒（USPIO/SPIO）

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