TYDEN.CZ, 2.10.2018.
Francouz Gérard Mourou, jeden ze tří...
Nanomateriály na bázi magnetických oxidů představují důležitou součást našeho výzkumu již téměř deset let. Velké úsilí je věnováno vývoji nových metod synthesy magnetických nanočástic s přesně řízenými magnetickými vlastnostmi a metod pro pokročilé modifikace povrchu nanočástic včetně organické funckionalizace. Současně probíhá detailní studium magnetismu a struktury nanočástic, jejichž odlišnosti oproti objemovým fázím jsou podrobně analyzovány s použitím SQUID magnetometrie, rentgenové a neutronové difrakce, Mössbauerovy spektroskopie, elektronové mikroskopie a stanovení kyslíkové stechiometrie. Stěžejní studie se zaměřily na nanokrystalické fáze manganitu La1-xSrxMnO3 ve feromagnetické oblasti a na monodispersní feritové částice.
Kromě základních fyzikálních otázek se zaměřujeme také na studium vlastností magnetických nanočástic důležitých pro jejich praktické využití. Nejvíce pozornosti jsme věnovali aplikacím magnetických nanočástic v medicíně a v biologickém výzkumu, přičemž v poslední době převládá směr druhý. Díky tomu se nám podařilo vyvinout účinné kontrastní a značkovací látky pro MRI (magnetická zobrazovací resonance) a duální zobrazování [1], magnetické nosiče pro magnetickou separaci [2] a aktivní činidla pro magneticky indukovanou hypertermii (terapeutické využití tepla produkovaného magnetickým materiálem ve střídavém magnetickém poli při léčbě rakoviny) [3]. Navíc jsme se začali věnovat i využití magnetických nanočástic pro specifické aplikace v analytické a bioanalytické chemii.
Zabýváme se především magnetickými nanočásticemi na bázi feritových a manganitových jader, tedy binárních nebo ternárních oxidů, jejichž magnetické vlastnosti se dají snadno upravovat změnou složení [4]. V tomto směru zmiňme dva příklady. Curieova teplota manganitu La1-xSrxMnO3 ve feromagnetické oblasti (0.2
Nicméně vývoj magnetických nanočástic pro biologické nebo i analytické aplikace vyžaduje vytvoření bariéry mezi magnetickým jádrem a okolním prostředím. Taková bariéra musí zabránit jakýmkoli nežádoucím chemickým účinkům jader na biologický systém, zajistit koloidní stabilitu nanočástic ve vodném prostředí a umožnit specifickou kovalentní funkcionalizaci pro pokročilé aplikace. Z těchto důvodů využíváme různých postupů enkapsulace magnetických nanočástic od vytvoření jednoduchých a odolných silikových povlaků až po synthesu složitých obalů sestávajících z několika vrstev. Tyto obaly jsou tvořeny silikou, organicky modifikovanou silikou včetně vrstev kovalentně modifikovaných fluorescentními molekulami, mPEG/PEG (methoxypoly(ethylenglykol)/poly(ethylenglykol)) řetězci, ale i zlatými nanovrstvami.
Obr. 1. Vybrané příklady neobalených a silikou obalených nanočástic Co-Zn feritu s různou velikostí jader, měřítko má 50 nm.
Podrobné fyzikální studie se například zaměřily na uspořádání Mn3+/Mn4+ v “polovičně dopovaných“ systémech Pr0,50Ca0,50MnO3 a La0,50Ca0,50MnO3 a ukázaly, že nábojové uspořádání je v nanočásticích potlačeno [5]. Studie nanokrystalických fází La1-xSrxMnO3 poukázala na zásadní roli povrchu nanočástic v určení skutečné kyslíkové stechiometrie těchto oxidů, která výrazně ovlivňuje jejich magnetismus a strukturu [6]. Nasycení povrchu kyslíkovými atomy vede k vyššímu oxidačnímu stavu manganu v několika povrchových vrstvách a způsobuje kompresní napětí. Podobné efekty byly rovněž pozorovány u manganitových nanočástic připravených v tavenině [7]. Nicméně v tomto případě se pravděpodobně také uplatnil i koncentrační gradient La/Sr v jednotlivých částicích. Feritové nanočástice byly předmětem základních studií dvojího typu. První typ studií se zaměřil na strukturu a magnetické chování nanočástic, zatímco druhý směr představoval studium kolektivního chování interagujících magnetických nanočástic. Konkrétně byla analyzována například distribuce kationtů v Co-Zn feritu a bylo prokázáno, že v nanočásticích je distribuce kationtů odlišná od rozdělení kationtů v objemových vzorcích [8]. Monodispersní magnetické nanočástice zinkem dopovaného magnetitu zase poskytly vhodný model pro analysu superspinového skelného přechodu [9].
Studie týkající se možného využití magnetických nanočástic jsou bohaté díky naší silné spolupráci s několika biologickými a biomedicinálními pracovištěmi a to jmenovitě s Přírodovědeckou fakultou UK v Praze (Katedra buněčné biologie), Institutem klinické a experimentální medicíny a Ústavem experimentální medicíny AV ČR. Naše společné studie se týkají především tří témat: transversální relaxivita nanočástic a jejich využití jako kontrastních a značkovacích látek pro MRI, topný výkon nanočástic ve střídavém magnetickém poli a případné využití v magneticky indukované hypertermii a konečně biologické vlastnosti magnetických nanočástic.
Obr. 2. Komplexní magnetické nanočástice a jejich interakce s buňkami: magnetická jádra La0,63Sr0,37MnO3 připravená v tavenině NaNO2 (a) a tatáž jádra obalená dvouvrstevnou silikovou vrstvou kovalentně značenou rhodaminem B (b), který se využívá ve fluorescenční mikroskopii (c). Poslední snímek ukazuje lidské kožní fibroblasty s internalizovanými nanočásticemi (červeně) lokalizovanými v lysosomech (zeleně) zcela mimo buněčná jádra (modře).