Magnetické nanočástice v medicíně Kateřina Kluchová Výzkumné centrum nanomateriálů, Univerzita Palackého, Olomouc

částice u nichž alespoň jeden rozměr < 100 nm Nanočástice částice u nichž alespoň jeden rozměr < 100 nm buněčná membrána Typy nanomateriálů Fe3O4 nanoprášky nanovlákna a nanodráty povrchově modifikované nanočástice nanutrubičky nanokompozity nanofilmy a nanovrstvy „core-shell“ nanočástice koloidní částice FeO α-Fe

Proč uplatnění magnetických nanočástic v medicíně? ●nanočástice (1-100nm) < buňka (10-100 μm), virus (20-450 nm), protein (5-50 nm), gen (2nm široký/100nm dlouhý) ●obalení nanočástic biologickými molekulami interakce nebo navázání na buňky v těle adresování(doručování) do cílené oblasti ● magnetické nanočástice splňují Coulombův zákon můžeme s nimi manipulovat(navádět je) pomocí vnějšího magnetického pole Aplikace v biomedicíně ▫ Transport a/nebo imobilizace(ukotvení) magnetických nanočástic nebo magneticky vázaných bilogických látek do cílené oblasti doručení zásilky  ( protirakovinové látky) do oblasti nádoru ▫ přenos energie(tepla) z vnějšího magnetického pole na mg. nanočástici zahřátí hypertermie - tepelná destrukce nádorových buňek ▫ zvýšení kontrastu v metodě MRI (magnetic resonance imaging) a jiné……..

Magnetismus nanomateriálu makrosvět mikrosvět nanosvět 1. Původ magnetismu v materiálech a jeho obecný popis Magnetické vlastnosti materiálů se odvíjí od jeho magnetického stavu. Magne- tický stav materiálu má atomový původ a je především určen elektrony atomů. Z magnetického hlediska je atom charakterizován magnetickým momentem μ, který se skládá ze tří příspěvků: 1). Orbitální pohyb elektronů po dráze kolem jádra atomu; 2). Spin elektronů; 3). Vnější magnetické pole ovlivňující pohyb elektronů kolem jádra Magnetický moment je vektorová veličina, tj. má svoji velikost a svůj směr!!! - Vystavíme-li atom vnějšímu magnetickému poli o magnetické indukci B, jehož směr není totožný se směrem magnetického momentu, směr magnetického momentu se přikloní ke směru vnějšího pole, s nímž bude svírat úhel θ. Jelikož je magnetický moment určen i orbitálním příspěvkem (tj. orbitálním momentem), přítomnost magnetického pole způsobí, že směr magnetického momentu začne rotovat kolem směru magnetického pole. Frekvence rotace je označována jako Larmorova precesní frekvence. Magnetický materiál se skládá s velkého počtu atomu, jeho magnetický projev popisujeme magnetizací M, která je definována jako vektorový součet magnetických momentů všech přítomných atomů dělený objemem materiálu.

2. Dělení magnetických materiálů - Základními makroskopickými veličinami, které měříme, jsou magnetizace M a magnetická susceptibilita χ. Magnetická susceptibilita je definována poměrem M/H, kde H je intenzita magnetického pole, která indukuje magnetizaci M v materiálů. Na základě hodnot magnetické susceptibility dělíme magnetické materiály do tří hlavních skupin: 1). Diamagnetické látky → χ < 0; 2). Paramagnetické látky → χ > 0; 3). Feromagnetické, antiferomagnetické, ferimagnetické látky atd. → χ >> 0. 1). Diamagnetismus Využití: tekuté krystaly, supravodiče Vložíme-li diamagnetickou látku do vnějšího magnetického pole, v materiálu se indukuje magnetický moment, který je orientován proti směru vnějšího magnetického pole. Diamagnetická látka je tudíž z magnetického pole vypuzována. -Čistě diamagnetické látky vykazují nulový trvalý magnetický moment díky párovaným elektronům i ve vnějším magnetickém poli!!! -př.všechny vzácné plyny, polyatomické plyny jako H2, N2, skoro všechny organické sloučeniny

Interakce mezi magnetickými momenty v látce 2.) Paramagnetismus -Vnitřní magnetický moment atomu je dán přítomnosti nepárovaných elektronů. -Vnější magnetické pole způsobí jejich částečné uspořádání (a tím i indukci magnetizace), jehož míra závisí na intenzitě vnějšího magnetického pole. V případě atomů paramagnetických látek je jejich magnetický moment dán vektorovým součet orbitálního a spinového momentu. ● Pozn.-magnetické momenty spolu neinteragují - Př: aluminum, platinum, manganese. - Využití: adiabatická demagnetizace pro dosažení velmi nízkých teplot,elektronová spinová resonance, teoretické studium magnetismu. Efekt vnějšího pole na magnetické momenty Interakce mezi magnetickými momenty v látce Interakce mezi magnetickými momenty atomů a mezi magnetickými momenty a elektrickým potenciálem jejich okolí ●Takovéto materiály vykazují kritickou teplotu (tj. teplotu uspořádání), která je mírou síly magnetických interakcí

Nepřímá výměnná interakce Existuje několik druhů magnetických interakcí, jimiž magnetické momenty jednotlivých atomů mezi sebou komunikují: 1). Magnetická dipolární interakce (magnetické momenty interagují skrz prostor) 2). Přímá výměnná interakce (elektrony interagují skrz překrývající se elektronové orbitaly sousedních atomů) 3). Nepřímá výměnná interakce (nejvíce obvyklá, vyskytuje se v případě, kdy je vzdálenost dvou sousedních atomů natolik veliká, že k překrytí elektronových orbitalů nedochází. Interakce probíhá skrz orbitaly nemagnetického iontu, který se nachází mezi magnetickými ionty a je spjat kovalentní vazbou) Nepřímá výměnná interakce V uspořádaném stavu Magnetické momenty spolu komunikují → uspořádání na velkou vzdálenost (tzv. long-range order of magnetic moments)