Nanopartícula de óxido de hierro

_Las nanopartículas de óxido de hierro son partículas de óxido de hierro con diámetros _comprendidos entre aproximadamente 1 y 100 nanómetros . Las dos formas principales están compuestas de magnetita ( Fe₃O₄ ) y su forma oxidada, _la maghemita (γ-Fe₂O₃ ) . Han _despertado un gran interés debido a sus propiedades superparamagnéticas y sus potenciales aplicaciones en numerosos campos (aunque el cobalto y el níquel también son materiales altamente magnéticos, son tóxicos y se oxidan fácilmente), incluyendo la imagen molecular . ^{[ 1 ]}

Las aplicaciones de las nanopartículas de óxido de hierro incluyen dispositivos de almacenamiento magnético de terabits , catálisis , sensores , relajometría superparamagnética , imágenes de resonancia magnética biomolecular de alta sensibilidad , imágenes de partículas magnéticas , hipertermia con fluidos magnéticos , separación de biomoléculas y administración dirigida de fármacos y genes para diagnóstico y terapia médica. Estas aplicaciones requieren el recubrimiento de las nanopartículas con agentes como ácidos grasos de cadena larga , aminas alquil-sustituidas y dioles . Se han utilizado en formulaciones para suplementación. ^{[ 2 ]}

La magnetita tiene una estructura de espinela inversa con oxígeno formando un sistema cristalino cúbico centrado en las caras . En la magnetita, todos los sitios tetraédricos están ocupados por Fe ^3+.y los sitios octaédricos están ocupados tanto por Fe ³⁺y Fe ²⁺La maghemita se diferencia de la magnetita en que todo o la mayor parte del hierro se encuentra en estado trivalente ( Fe ³⁺) y por la presencia de vacantes catiónicas en los sitios octaédricos. La maghemita tiene una celda unitaria cúbica en la que cada celda contiene 32 iones de oxígeno, 21 1/3 Fe ³⁺iones y 2 2 ⁄ 3 vacantes. Los cationes se distribuyen aleatoriamente sobre los 8 sitios tetraédricos y 16 sitios octaédricos. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Debido a sus 4 electrones desapareados en la capa 3d , un átomo de hierro tiene un fuerte momento magnético . Iones Fe ²⁺También tienen 4 electrones desapareados en la capa 3d y Fe ^3+.tienen 5 electrones desapareados en la capa 3d. Por lo tanto, cuando se forman cristales a partir de átomos o iones de hierro Fe ²⁺y Fe ³⁺Pueden encontrarse en estados ferromagnéticos , antiferromagnéticos o ferrimagnéticos .

En el estado paramagnético , los momentos magnéticos atómicos individuales están orientados aleatoriamente, y la sustancia tiene un momento magnético neto nulo si no hay campo magnético . Estos materiales tienen una permeabilidad magnética relativa mayor que uno y son atraídos por los campos magnéticos. El momento magnético se reduce a cero cuando se retira el campo aplicado. Pero en un material ferromagnético, todos los momentos atómicos están alineados incluso sin un campo externo. Un material ferrimagnético es similar a un ferromagneto, pero tiene dos tipos diferentes de átomos con momentos magnéticos opuestos. El material tiene un momento magnético porque los momentos opuestos tienen diferentes intensidades. Si tienen la misma magnitud, el cristal es antiferromagnético y no posee momento magnético neto. ^{[ 5 ]}

Cuando se aplica un campo magnético externo a un material ferromagnético, la magnetización ( M ) aumenta con la intensidad del campo magnético ( H ) hasta alcanzar la saturación . En un cierto rango de campos, la magnetización presenta histéresis debido a que existe más de un estado magnético estable para cada campo. Por lo tanto, persistirá una magnetización remanente incluso después de eliminar el campo magnético externo. ^{[ 5 ]}

Un material magnético de dominio único (por ejemplo, nanopartículas magnéticas) que no presenta bucle de histéresis se denomina superparamagnético . El ordenamiento de los momentos magnéticos en materiales ferromagnéticos, antiferromagnéticos y ferrimagnéticos disminuye al aumentar la temperatura. Los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos se desordenan y pierden su magnetización más allá de la temperatura de Curie.${\displaystyle T_{C}}$y los materiales antiferromagnéticos pierden su magnetización más allá de la temperatura de Néel.${\displaystyle T_{N}}$La magnetita es ferrimagnética a temperatura ambiente y tiene una temperatura de Curie de 850 K. La maghemita es ferrimagnética a temperatura ambiente, inestable a altas temperaturas y pierde su susceptibilidad con el tiempo. (Su temperatura de Curie es difícil de determinar). Tanto las nanopartículas de magnetita como las de maghemita son superparamagnéticas a temperatura ambiente. ^{[ 5 ]} Este comportamiento superparamagnético de las nanopartículas de óxido de hierro puede atribuirse a su tamaño. Cuando el tamaño se reduce lo suficiente (<10  nm), las fluctuaciones térmicas pueden cambiar la dirección de magnetización de todo el cristal. Un material con muchos de estos cristales se comporta como un paramagneto , excepto que los momentos de cristales enteros fluctúan en lugar de los átomos individuales. ^{[ 5 ]}

Además, el comportamiento superparamagnético único de las nanopartículas de óxido de hierro permite manipularlas magnéticamente a distancia. En las secciones posteriores, se analizará la manipulación externa en relación con las aplicaciones biomédicas de las nanopartículas de óxido de hierro. Se requieren fuerzas para manipular la trayectoria de las partículas de óxido de hierro. Un campo magnético espacialmente uniforme puede generar un par de torsión sobre la partícula magnética, pero no puede provocar su traslación; por lo tanto, el campo magnético debe ser un gradiente para causar movimiento de traslación. La fuerza sobre un momento dipolar magnético puntual m debido a un campo magnético B viene dada por la ecuación:

${\displaystyle \mathbf {F} _{m}=\mathbf {\nabla } \left(\mathbf {m} \cdot \mathbf {B} \right)}$

En aplicaciones biológicas, las nanopartículas de óxido de hierro se trasladarán a través de algún tipo de fluido, posiblemente fluido corporal, ^{[ 6 ]} en cuyo caso la ecuación antes mencionada se puede modificar a: ^{[ 7 ]}

${\displaystyle \mathbf {F} _{m}={\begin{cases}{\frac {V\chi }{2\mu _{0}}}\mathbf {\nabla } \left|\mathbf {B} \right|^{2}&\qquad {\text{en un campo magnético débil}}\\{\frac {1}{2}}\mathbf {\nabla } \left(\mathbf {m} _{sat}\cdot \mathbf {B} \right)&\qquad {\text{en un campo magnético fuerte}}\end{cases}}}$

Según estas ecuaciones, la mayor fuerza actuará en la dirección de la mayor pendiente positiva del campo escalar de densidad de energía.

Otro aspecto importante a considerar es la fuerza que actúa en contra de la fuerza magnética. A medida que las nanopartículas de óxido de hierro se desplazan hacia la fuente del campo magnético, experimentan la fuerza de arrastre de Stokes en la dirección opuesta. Esta fuerza de arrastre se expresa a continuación.

${\displaystyle \mathbf {F} _ {d}=6\pi \,\eta \,R\,v\,}$

En esta ecuación, η es la viscosidad del fluido, R es el radio hidrodinámico de la partícula y 𝑣 es la velocidad de la partícula. ^{[ 8 ]}

El método de preparación influye considerablemente en la forma, la distribución del tamaño y la química superficial de las partículas. También determina en gran medida la distribución y el tipo de defectos estructurales o impurezas presentes en ellas. Todos estos factores afectan al comportamiento magnético. Recientemente, se han realizado numerosos intentos para desarrollar procesos y técnicas que permitan obtener coloides monodispersos , compuestos por nanopartículas de tamaño y forma uniformes.

La magnetita y la maghemita son las preferidas en biomedicina porque son biocompatibles y potencialmente no tóxicas para los humanos . El óxido de hierro es fácilmente degradable y, por lo tanto, útil para aplicaciones in vivo . Los resultados de la exposición de una línea celular de mesotelio humano y una línea celular de fibroblastos murinos a siete nanopartículas de importancia industrial mostraron un mecanismo citotóxico específico de nanopartículas para el óxido de hierro sin recubrimiento. ^{[ 12 ]} Se encontró que la solubilidad influye fuertemente en la respuesta citotóxica. El marcaje de células (por ejemplo, células madre , células dendríticas ) con nanopartículas de óxido de hierro es una nueva herramienta interesante para monitorear dichas células marcadas en tiempo real mediante tomografía por resonancia magnética . ^{[ 13 ] [ 14 ]} Se ha encontrado que algunas formas de nanopartículas de óxido de hierro son tóxicas y causan reprogramación transcripcional. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Las nanopartículas de óxido de hierro se utilizan en la nanoterapia magnética del cáncer, que se basa en los efectos magnetoespín en reacciones de radicales libres y la capacidad del material semiconductor para generar radicales de oxígeno , además de controlar el estrés oxidativo en medios biológicos bajo radiación electromagnética no homogénea . La nanoterapia magnética se controla remotamente mediante un campo electromagnético externo, lo que reduce la toxicidad local mediada por especies reactivas de oxígeno (ROS) y especies reactivas de nitrógeno (RNS) en el tumor durante la quimioterapia con un complejo magnético antitumoral y minimiza los efectos secundarios en los tejidos normales. Los complejos magnéticos con memoria magnética, que consisten en nanopartículas de óxido de hierro cargadas con fármacos antitumorales, presentan ventajas adicionales sobre los fármacos antitumorales convencionales debido a su capacidad de control remoto mientras se dirigen con un campo magnético constante y a la mayor potenciación de su actividad antitumoral mediante hipertermia inductiva moderada (por debajo de 40 °C). La influencia combinada de campos magnéticos y electromagnéticos constantes no homogéneos durante la nanoterapia ha iniciado la división de los niveles de energía de los electrones en el complejo magnético y la transferencia de electrones desapareados desde las nanopartículas de óxido de hierro al fármaco anticancerígeno y a las células tumorales . En particular, el antibiótico antitumoral antraciclínico doxorrubicina, cuyo estado nativo es diamagnético , adquiere las propiedades magnéticas de las sustancias paramagnéticas. La radiación electromagnética a la frecuencia de desdoblamiento hiperfino puede aumentar el tiempo que los pares de radicales están en el estado triplete y, por lo tanto, la probabilidad de disociación y, por consiguiente, la concentración de radicales libres . Los radicales libres en las células cancerosas inducen cambios en la heterogeneidad mecanoquímica del tumor al modificar los enlaces que influyen en la disposición espacial de las moléculas en las estructuras celulares. La traducción de la fuerza magnética ejercida sobre el tumor y su microambiente por las nanopartículas magnéticas en vías de señalización bioquímica se conoce como efecto magnetomecanoquímico. Esto conduce a la formación de regiones con diferentes propiedades biomecánicas y bioquímicas dentro del tumor. La reactividad de las partículas magnéticas depende de su estado de espín . Se recibieron datos experimentales sobre la correlación entre la frecuencia de la radiación del campo electromagnético con las propiedades magnéticas y la cantidad de centros paramagnéticos del complejo. Es posible controlar la cinética. de tumor maligno. Las células cancerosas son entonces particularmente vulnerables a un ataque oxidativo y a la inducción de altos niveles de estrés oxidativo localmente en el tejido tumoral, lo que tiene el potencial de destruir o detener el crecimiento de las células cancerosas y puede considerarse una estrategia terapéutica contra el cáncer. Los complejos magnéticos multifuncionales con memoria magnética pueden combinar la nanoterapia magnética del cáncer, la focalización tumoral y las funcionalidades de imágenes médicas en un enfoque teranóstico para la medicina oncológica personalizada. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

Sin embargo, el uso de campos magnéticos estacionarios no homogéneos para dirigir nanopartículas magnéticas de óxido de hierro puede resultar en un mayor crecimiento tumoral. La transmisión de fuerza magnética a través de las nanopartículas magnéticas hacia el tumor, debido a la acción del campo magnético estacionario no homogéneo, refleja estímulos mecánicos que convierten la generación de especies reactivas de oxígeno inducida por el hierro en la modulación de señales bioquímicas. ^{[ 22 ]}

Las nanopartículas de óxido de hierro también pueden utilizarse en la hipertermia magnética como método de tratamiento del cáncer . En este método, el ferrofluido que contiene óxido de hierro se inyecta en el tumor y luego se calienta mediante un campo magnético alterno de alta frecuencia. La distribución de temperatura producida por esta generación de calor puede ayudar a destruir las células cancerosas dentro del tumor. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

El óxido de hierro superparamagnético (SPIO) también puede utilizarse como trazador en la biopsia del ganglio centinela en lugar de un radioisótopo. ^{[ 26 ]}

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