היכולת לשלוט במהלך הסינתזה של הננו-חלקיקים חשובה כדי להתאים את גודלם, הרכבם ופעילות פני שטחם.תכונות אלה יקנו לחלקיקים את יכולת המגנטיזציה ואת האפשרות לאבד אותה לאחר הסרת השדה החיצוני בהתאם לצורך לו הם נועדו. כמו כן, מאחר שלננו-חלקיקים מתכתיים ישנה אנרגיית פני שטח גבוהה, יש צורך בסנתוז של שכבת הגנה שתאפשר פסיבציה של פני השטח.
הננו-חלקיקים המגנטיים השכיחים ביותר כיום מורכבים בעיקר מברזל (Fe), זאת בזכות יכולת המגנטיזציה הגבוהה של מתכת זו והשימוש הנרחב בננו-חלקיקים אלה בתחומים רבים בתעשייה וברפואה.
רקע.
ננו-חלקיקים מגנטיים מתכתיים מקובלט זמינים כבר מזה 50 שנה. הם יוצרו בשיטת פירוק תרמי כדי להגיע לרמה מבוקרת של גודל החלקיקים וטווח גדלים מצוצמם. לעומת זאת, כ-30 שנים אחרי, לקראת 1980, הוצעה לראשונה האפשרות להשתמש בננו-חלקיקים מגנטיים לצורך הכוונת תרופות לתאים.
טווח הגדלים של ננו-חלקיקים מגנטיים יכול לנוע בין ננומטרים בודדים ועד לעשרות ננומטרים, כך שהם יכולים להיות בגודל של חלבון או אף גן ולהשפיע על פעילותם מקרוב. המאפיינים המגנטיים של ננו-חלקיקים תלויים בעיקר בגודלם ובצורתם בנוסף לתכונות המגנטיות שלהם כמו מומנט מגנטי וגביש מגנטי אנאיזוטרופי-magnetocrystalline anisotropy שהמגנוט שלהם מועדף בכיוון מסוים.
כיום יש מגוון רחב של ננו-חלקיקים מגנטיים המסונתזים במספר שיטות מקובלות. התכונות הפיזיקליות המיוחדות של הננו-חלקיקים המגנטיים מאפשרות להם להיות בשימוש נרחב בתחומים שונים כגון אחסון מידע, טיפול סרטני, הדמיות רפואיות, טיהור מים וכדומה.
סינתזת ננו-חלקיקים מגנטיים.
ישנן שיטות סינתזה רבות להכנת ננו-חלקיקים מגנטיים, חלקן פשוטות ובעלות שלב אחד וחלקן ארוכות ומורכבות יותר. מוצגות להלן מספר שיטות מקובלות להכנת החלקיקים:
תגובת שיקוע (פרסיפיטציה).
זוהי אחת השיטות הישנות יותר ליצירת ננו-חלקיקים בעלי תכונות מגנטיות בגודל של עד 5 ננומטר וללא מכשור מיוחד. השיטה מתבססת על שליטה ברמת החומציות (pH) של תמיסת יוני המתכת בה משתמשים להכנת החלקיקים. באופן זה נוצרים חלקיקים של תחמוצת המתכת בגדלים שיכולים להגיע ל-5 ננומטר. שיטה זו פשוטה ואינה דורשת מכשור מיוחד.
דרך נוספת ליצירת הננו-חלקיקים בשיקוע היא על ידי הוספת בסיס לתמיסת מלח של יוני המתכת על פי התגובה הבאה (עבור יוני ברזל):
formula_1
שליטה בגודל ובצורת החלקיקים תלויה בחומרי המוצא, ברמת החומציות, בטמפרטורה, ביחסי היונים ובחוזקם.
החסרונות בשיטה זו הם שמתקבל טווח גדלים רחב של החלקיקים, המורפולוגיה שלהם אינה אחידה וישנה תלות בpH כדי לשלוט בגודל החלקיקים המתקבלים. בנוסף, קשה לצפות את הננו-חלקיקים לאחר הסינתזה בשכבה נוספת עקב היווצרות צברים שלהם.
מנגנון מיצלה הפוכה.
יצירת מיצלה הפוכה מתבססת על ממס לא פולרי (שאינו מימי), כך שהראש ההידרופילי של המולקולה פונה כלפי ליבת המיצלה והקצוות ההידרופובים פונים כלפי חוץ. במצב זה המרכיבים האי-אורגניים (לדוגמה, ברזל כלורידי) של התגובה ימצאו במרכז המיצלה ושם ייווצרו הננו-חלקיקים.
שיטה זו מאפשרת שליטה טובה על גודל החלקיקים הנוצרים בתוך המיצלה, כך שמתקבלת אחידות בגודלם. כמו כן, ניתן להוסיף שכבת ציפוי מגנה לננו-חלקיקים אלה במהלך הסינתזה.
החיסרון בשיטה הוא שטווח הגדלים של החלקיקים מוגבל לגודל המיצלה ושלא ניתן להוסיף שכבה אורגנית על גבי החלקיקים מאחר שהחומר האורגני יישאר בפאזה של הממס האורגני מבחוץ.
בשיטה זו נוצרו ננו-חלקיקים מגנטיים מקובלט.
התעבות אדים כימית (CVC).
סינתזה של הננו-חלקיקים בעקבות התפרקות תרכובת מתכת נדיפה המחוממת בגז אינרטי (אדיש, שאינו משתתף בתגובה).
שיטה זו מאפשרת יצירת ננו-חלקיקים מגנטיים באיכות גבוהה ובכמות גדולה, אך דורשת מכשור מתאים ולעיתים שימוש בתרכובות רעילות מהם מייצרים את החלקיקים. בשיטה זו ייצרו ננו-חלקיקים מגנטיים מתכתיים מברזל. הם השתמשו ב formula_2 כקודמן כך שהוא עבר פירוק בכבשן מחומם ולאחר מכן עיבוי לקבלת הננו-חלקיקים על גבי משטח מקורר. הננו-חלקיקים שהתקבלו היו בטווח גדלים שבין 5 ל-13 ננומטר. ניתן לעשות חמצון נוסף לננו-חלקיקים כפי שבוצע במחקרים אחרים לקבלת ננו-חלקיקים מגנטיים בטווח גדלים של 3-20 ננומטר ו 4-16 ננומטר.
פירוק תרמי.
כאשר תחמוצת מלח מתכתית מחוממת לטמפרטורה מסוימת, היא מתפרקת לננו-חלקיקים של תחמוצת המתכת על פי התגובה הבאה (עבור ברזל):
formula_3
ניתן לעשות חיזור של אותם ננו-חלקיקים מתחמוצת הברזל לננו-חלקיקים של המתכת עצמה על ידי חימום בטמפרטורה מתאימה ותחת גז מחזר על פי התגובות הבאות:
formula_4
formula_5
שיטה זו שכיחה בעיקר בתעשייה.
סינתזת תרסיס להבה.
סינתזה באמצעות פירוליזה של תרסיס להבה מהווה את אחת השיטות היותר מבטיחות כיום ביצירת ננו-חלקיקים מגנטיים בזכות איכות החלקיקים וטווח גודלם המצומצם. שיטה זו מאפשרת הכנת ננו-חלקיקים מגנטיים שקשה או לא ניתן להכין בשיטות אחרות. מהלך הסינתזה כולל הזרקת חומר המוצא כגז או כנוזל וחימומו לטמפרטורה גבוהה הנעה בין 300 ל-500 מעלות צלזיוס, ללא נוכחות חמצן (או כל הלוגן אחר). תהליך זה הוא בלתי הפיך. במהלך התהליך, נוצרים מונומרים של הננו-חלקיקים המתנגשים זה בזה ליצירת אגרגטים לאורך הלהבה כמתואר באיור משמאל. הפרמטרים החשובים בסינתזה הם ריכוז חומר המוצא, זמן השהייה בלהבה והטמפרטורה.
תרסיס להבת הפירוליזה מוקף בצינור עם חורים ומוכנס למתקן עם אטמוספירה אינרטית. שליטה בקצב זרימת הגז מאפשרת תנאים מחזרים. תהליך זה מאפשר סינתזה של ננו-חלקיקים מגנטיים בשלב אחד. באיור מימין מופיעים תנאי סינתזה שונים והשפעתם על סוגי הננו-חלקיקים המתקבלים:
סוגי ננו-חלקיקים מגנטיים.
ישנם שלושה סוגי ננו-חלקיקים מגנטיים שמיוצרים כיום:
תחמוצת.
ננו-חלקיקים אלה עשויים מתחמוצת המתכת והם הננו-חלקיקים המגנטיים הנחקרים ביותר כיום. כאשר ננו-חלקיקים אלה קטנים מ-128 ננומטר הם בעלי פאראמגנטיות על, דבר המונע מהם להתאגד מאחר שהם מתמגנטים רק כאשר מושרה עליהם שדה מגנטי חיצוני. לאחר כיבוי השדה החיצוני, הם מאבדים את המגנטיות. ניתן להגביר את היציבות של ננו-חלקיקים אלה בתמיסות באמצעות התאמת פני שטחם על ידי חומרים פעילי שטח, תרכובות סיליקון וחומצה זרחתית.
דוגמאות לננו-חלקיקים נפוצים מסוג זה: formula_6, formula_7.
מתכתיים.
ננו-חלקיקים מגנטיים ממתכת בלבד הם הפחות מועדפים עקב חסרונותיהם הרבים. ננו-חלקיקים אלה פעילים מאוד ונוטים להגיב באופן ספונטני עם אוויר ומים, כמו כן הם מגיבים עם תחמוצות שונות. תכונה זו מקשה על האחסון, הטיפול והאחזקה של החלקיקים.
מתכתיים עם קליפה.
ננו-חלקיקים אלה בעלי ליבה מתכתית וקליפת הגנה המאפשרת פסיבציה של פני השטח של החלקיק. דוגמה לננו-חלקיקים עם ליבת קובלט ומעטפת של גרפן מובאת בתמונה.
היתרונות בהשוואה לסוגי הננו-חלקיקים המגנטים האחרים הם במגנטיזציה הגבוהה שלהם, ביציבות גבוהה בתמיסות שונות (חומציות, בסיסיות ואורגניות) ובכימיה של מעטפת הגרפן שמוכרת כבר. מחקרים אחרים עשו שימוש בזהב בתור קליפה לננו-חלקיקים.
יישומים.
במגוון רחב של תחומים משתמשים בננו-חלקיקים מגנטיים, להלן מספר דוגמאות לכך:
אבחון וטיפול רפואי.
ננו-חלקיקים מגנטיים יכולים לשמש בדימות תהודה מגנטית (MRI) לאבחון רפואי. תאים המסומנים בננו-חלקיקים מגנטיים הם בעלי זמן רלקסציה formula_8 קצר יותר מאשר תאים ללא החלקיקים, דבר המקנה ניגודיות טובה יותר בהדמיית MRI. בנוסף, ניתן לכוון את הננו-חלקיקים לתאי מטרה ספציפיים בגוף ואף לצמד להם תרופות שיעזרו בטיפול במידת הצורך. באופן זה, הטיפול הוא נקודתי וספציפי לתאי המטרה ולכן יעיל יותר מהטיפול התרופתי הניתן כיום.
במחקר מסוים ייצרו ננו-חלקיקים עם ליבה מתכתית מגנטית ששימשו לטיפול סרטני מוכוון על ידי העברת תרופה לתאים הסרטניים. בנוסף, אותם חלקיקים עזרו באיתור המיקום המדויק של התאים הסרטניים באמצעות דימות MRI כך שניתן לעקוב בזמן אמת אחר הטיפול. בדימות פלואורסצנטי לעומת דימות באמצעות MRI, נהוג להצמיד למעטפת הננו-חלקיקים קבוצות פונקציונליות בעלות יכולת פלואורסצנציה. למרות ששיטה זו שכיחה, הצימוד הפלואורסצנטי למעטפת משפיע על מסיסות החלקיקים ומוריד את מספר האתרים הפנויים לקשירת ליגדנים שהיו יכולים לעזור בהכוונה של אותם ננו-חלקיקים לאתרי המטרה. כמו כן ישנה אפשרות שהחומר המתכתי של הננו-חלקיק יגרום לדעיכת הפליטה הפלואורסצנטית במנגנון Quenching.
ננו-חלקיקים מגנטיים יכולים להיות מותאמים ביולוגית ומכוונים אל אתר המטרה באמצעות טיפול של פני השטח שלהם, כך שמחד לא יעוררו תגובה חיסונית בגוף ומאידך יכוונו אל תאי המטרה הסרטניים באמצעות קבוצות פונקציונליות על פני מעטפת החלקיק. אחד החומרים המקובלים כיום לציפוי הננו-חלקיקים הוא PEG שהוא פולימר אינרטי המונע את הראקטיביות של הננו-חלקיקים ובכך מאפשר להם לפעול בגוף ללא הפרעות. התרופה המיועדת לטיפול נמצאת בתוך מעטפת החלקיק ומופעלת בהגיעה לתא המטרה. הליבה המתכתית מאפשרת לעקוב אחר החלקיקים מרגע כניסתם לגוף ועד הגעתם לגידול באמצעות הדמיית MRI. בנוסף, החלקיקים עשויים מחומרים מתכלים כך שבסוף התהליך הם יתפרקו בגוף ויסולקו ממנו.