Magnetilised süsiniknanostruktuurid

Magnetilised süsiniknanostruktuurid (inglise keeles magnetic carbon nanostructures; lühend MCNs) on hübriidmaterjalid, mis koosnevad magnetist ja süsiniku (peamiselt sp² hübridisatsiooniga) nanoallotropsetest komponentidest, mis on konjugeeritud erinevates konfiguratsioonides. Nende hübriidnanomaterjalide potentsiaalsed kasutamisvõimalused tuleviku meditsiinis leiavad kasutust ravimite suunatud manustamises, magnetosakeste või magnetvedelike poolt juhitud hüpertermia vähiravis ning magnetresonantstomogaafia piltdiagnostikas.

Süsinikuga kaetud magnetilised nanoosakesed (CEMNPs)

Süsinikuga kaetud magnetilised nanoosakesed on tuumraksed struktuurid, koosnedes magnetsüdamikust ning süsinikkestast. Üks põhiline eelis antud struktuuri puhul on see, et süsinikuga katmine väldib magneti korrosiooni ning võimalikud toksilised kõrvalnähud, mis võivad tekkida vabade magnetiliste nanoosakeste esinemisel bioloogilises keskkonnas. Neid heterostruktuure võib saada otse (nn in situ kapseldamisega), näiteks keemilise aur-sadestamisega, kuid ka kaudsel viisil, kasutades märgasid keemilisi tehnoloogiaid.
Äärmiselt tähtis on kontrollida sünteesi ajal kapseldatud materjalide kuju, suurust ja spetsiifilist kompositsiooni, kuna kõik need parameetrid mõjutavad lõpliku hübriidmaterjali magnetilisi omadusi. Lisaks ei võimalda sünteesi viimane etapp selektiivsust ega ka korratavust. 
Viimasel ajal sünteesitud süsiniknanokapslid koosnevad nanotorudest, fullereenidest või nanosibulatest, kuid ka vähem uuritud nanostruktuuridest nagu nanoteemantid või nanokolvid. 
Esmased piirangud magnetilise täidismaterjalide puhul on määratud nanohübriidi sünteesi meetodiga. Levinuimad magnetilised tuuma materjalid on raud, nikkel, koobalt ja nende sulamid, kuid edukalt on sünteesitud süsinikuga kaetud magnetilisi nanoosakesi ka haruldaste metallidega.

Magnetiliste nanoosakestega seotud süsiniknanostruktuurid

Magnetiliste nanoosakestega seotud nanosüsinikstruktuurid on esindatud laia valikuga eri dimensioonide süsinikstruktuuridega. Antud tüübi puhul pole magnetilised nanoosakesed enam kaitstud keskkonna eest süsinikkesta poolt, vaid nende hübriidmaterjalide süsinikstruktuurid käituvad pigem integreeriva kandjana magnetilistele nanoosakestele. See tähendab, et magnetiliste parnerite ulatus on vähenenud võrreldes süsinikuga kaetud magnetiliste nanoosakestega, välja arvatud juhul, kui edasine funktsionaliseerimine kindlustab neile olulise kaitse keskkonna kahjulike mõjude eest. Positiivse aspektina pole magnetiliste nanoosakeste jaotus piiratud süsinikkomponentide nanotühimikega.
Süsinikkomponentide dekoreerimise meetodites domineerivad samm-sammult strateegiad ning soovitud magnetilised omadused on omandatakse valdavalt mittemodifitseeritud süsiniknanostruktuuride funktsionaliseerimise käigus. Lõplike nanostruktuuride jäikus on oluline faktor, mida saab kontrollida süsinikkandjate ja magnetiliste nanoosakeste vahelisi interaktsioone valides. Kõige levinumad magnetilised komponendid on superparamagnetilised raudoksiidi nanoosakesed (SPIONs).

Magnetiline ravimi manustamise süsteem

Ravimi manustamise süsteem võimaldab ravimi suunatud liikumist sihtkohta ja seejärel ravimi kontrollitud vabastamist, optimeerides aktiivmolekulide kontsentratsiooni sihtkohas. Antud terapeutilise lähenemise peamisteks eelisteks on teraapias kasutatavate ravimite minimeeritud absoluutkogused, selle lokaliseerimine ja seega ravimi toime võimendamine. Need eelised tulevad kasuks eriti, kui tegemist on halvasti lahustuva ravimiga, samuti kiirelt in vivo laguneva või kõrge tsütotoksilisusega ravimiga (näiteks vähivastased ravimid). Sellistel juhtudel saab magnetilise ravimi manustamisega vältida ravimite negatiivseid toimeid tervetele kudedele.
Välise magnetvälja mõju all olevate magnetilise süsiniknanoosakeste magnetilist käitumist saab kasutada ravimite kontsentreerimiseks märklaudkoesse ning hoida neid seal seni, kuni ravimit on soovitud tasemel vabastatud. Kiire magnetvälja nõrgenemise tõttu kudedes töötab antud magnetiline ravimi manustamise süsteem ainult pindmiste kudede puhul. On palju lähenemisi ravimite manustamiseks magnetiliste süsiniknanoosakeste abil, kuna ravimite molekule võib pookida suurte süsinikpindade külge või kanda need õõnes nanokonteinerite sisemistesse vagudesse. Nende tehnoloogiate puhul puuduvad tõenäoliselt ka tehnilised takistused. Kui potentsiaalne ravimi kandja vastab fundamentaalsetele biosobivus- ja tsütotoksilisuse nõuetele, saab neid laadida lõpliku suurusega terapeutiliste reagentidega.

Magnetiline termoteraapia

Magnetiline termoteraapia on üks kõige huvitavamaid tuleviku meditsiini rakendusvaldkondi, mida magnetilised süsiniknanoosakesed võimaldavad. See baseerub kasvajarakkude võimendatud tundlikkusel kõrgendatud temperatuuridel. Vähirakkude kuumutamine üle 40 °C põhjustab suure tõenäosusega rakkude apoptoosi. Ajukasvajaga patsientidele on leitud kõige ohutumaks termoteraapia temperatuurivahemikuks 42–49°, mille puhul on täheldatud väga vähe kõrvalmõjusid patsiendile, kuid samal ajal surmavat mõju vähirakkudele.
Magnetiliste nanoosakeste kasvajakudedest läbitungimisele järgneb vahelduva välise magnetvälja esinemine, mis võimaldab märklaudkoe kontrollitud kuumutamist. Viimane põhjustab vähirakkude hukkumist. Üldiselt sõltub kuumutav efekt põhiliselt materjali magnetilisest käitumisest. Kuigi soojuse tootmise protsessi täpne kirjeldus hõlmab arvukaid faktoreid, siis soojendamisel ferromagnetiliste nanomaterjalidega esinevad lihtsustatult ainult hüstereesi kaod, kuid soojendamisel superparamagnetiliste üksikdomeeni osakestega ilmnevad lisaks termilised relaksatsiooni protsessid.
Parameeter, millega kõige enam võrreldakse erinevate materjalide kuumutamise efektiivsust, on spetsiifiline võimsuse kadu (inglise keeles SPL), mis väljendab massnormaliseeritud neelatud energia määra. Viimast mõõdetakse ühikutes W/g, kuid meditsiinialases kirjanduses nimetatakse spetsiifilist võimsuse kadu tihti spetsiifiliseks neeldumisääraks (inglise keeles SAR), mille ühikuks on W/kg. Spetsiifiline neeldumismäär sõltub erinevatest teguritest, mis on seotud nii materjali omadustega (kuju, suurus, kompositsioon) kui ka välise vahelduva magnetvälja parameetritega (sagedus, amplituud).
Termoteraapia edasiseks arenguks on multimodaalsete magnetiliste nanoosakeste loomine, mida saab kasutada nii ravimite suunatud manustamiseks, kuvamiseks kui ka lokaalseks termoteraapiaks.

Diagnostiline rakendus magnetresonantstomograafias

Magnetiliste süsiniknanostruktuurid leiavad diagnostilises meditsiinis rakendust magnetresonantstomograafia (MRT) uuringutel kontrastainena. MRT on üks hinnatumaid mitteinvasiivseid kuvamistehnoloogiaid tänapäevases diagnostilises meditsiinis. Et parandada diagnostika usaldusväärsust, kasutatakse kontrastaineid, mille olulisem ülesanne on vähendada vee prootonite relaksatsiooniaega. Sõltudes relaksatsiooniprotsessi omadustest, T₁ ja T₂ kontrastained vähendavad vastavalt spinn-võre ja spinn-spinn relaksatsiooni aega. Seetõttu on kõige levinum kontrastainet iseloomustav parameeter relaksiivsus (r₁, r₂), mis kirjeldab vee prootonite relaksatsiooni muutuse määra molaarse kontsentratsioonina antud kontrastaines. Tänaseni on kõige levinum T₁ kontrastaine kliinilises kasutuses tugev paramagnetiline Gd (III), mida tuleb enne kasutamis sekvestreerida oma toksilisuse tõttu. Laialdaselt kasutatakse T₁ kontrastainena superparamagnetilisi raudoksiidi nanoosakesi (SPIONs) ja üliväikeseid superparamagnetilisi raudoksiidi nanoosakesi (USPIONs).
Funktsionaliseeritud magnetilised nanoosakesed on konstrueeritud sihtima vähirakke, mida saab tuvastada MRT-uuringutel. Kasvajate standardvisualiseerimise korral võimaldavad magnetilised süsiniknanoosakesed kontrastainena MRT-s tuumorite tundlikumat kuvamist kui muud kontrastained.