【화학】 23-1강. 산화철 나노입자와 응용

산화철 나노입자와 응용^]

 

추천글 : 【화학】 23강. 나노화학 

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1. 자성나노입자 [본문]

2. 응용 1. 자기적 약물전달 [본문]

3. 응용 2. MRI 조영제 [본문]

4. 응용 3. 자기적 발열요법 [본문]

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1. 자성나노입자 [목차]

⑴ 개요

① 이동 조작 가능성 : 외부 자기장을 이용하면 나노약물을 암 조직으로 유도할 수 있음 

② 자기적 발열 요법 : 외부 AC 자기장에 의해 자성나노입자에 열이 발생함

③ 영상 추적 가능성 : MRI의 조영제로 사용할 수 있음

⑵ 자성체와 자화율 

 

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Figure. 1. 자성체의 분류^]

 

① 반자성체 : 초전도체를 제외하고는 χ의 값이 매우 작고 음수

○ 원인 : 모든 물질은 핵을 둘러싸는 전자의 운동 때문에 약한 반자성을 띰

○ 자기장 하에서 약한 척력을 발생

② 상자성체 : χ가 작고 양수

○ MO theory에서 홀전자를 가지고 있는 분자들에서 나타남

○ 외부의 자기장에 의해 일렬로 정렬되어 약한 인력 형성

③ 강자성체 : χ가 매우 크고 양수

○ 강자성체를 ferro-magnetic, ferri-magnetic, antiferro-magnetic 등으로 세분화하기도 함

○ 금속성 물질에서 주로 발견

○ 자기이력현상(magnetic hysterisis) : 강자성 물질 특유의 현상

○ 1^st. 강자성 물질 내부는 자구(magnetic domain)로 나뉘어져 있음 

○ 2^nd. 초기 강자성 물질 내 자구의 모멘트 방향이 무작위적이기 때문에 알짜 자화도가 0인 것처럼 보임

○ 3^rd. 강자성 물질에 외부 자기장을 걸어주면 일부 자구들의 자기모멘트 방향이 자기장 방향으로 정렬

○ 4^th. 물질의 자화 : 자구벽(domain wall)의 움직임으로 자기장 방향으로 정렬하는 자구의 체적이 증가함 

○ 5^th. 자기장 방향으로 정렬하는 자구의 체적이 최대가 되는 외부 자기장에서 포화자화를 보임

○ 6^th. 자기이력현상 : 외부 자기장을 제거한 경우 그 방향으로 정렬된 자기모멘트가 어느 정도 남아 있음

○ 7^th. 보자력(coercive force) Hc 인가 : 이 자화도를 없애기 위해 반대 방향으로 외부 자기장을 인가해야 함

○ 강자성체는 반자성체, 상자성체와 달리 MRI에 심각한 artifact를 일으킴

○ 종류 1. 단일한 금속 나노입자 : 철, 니켈, 코발트 등 

○ 종류 2. 합금 금속 나노입자 : FePt, CoPt, FeCu, FeAu

○ 종류 3. 페라이트(ferrite) : MFe₂O₄로 표현됨

○ 산화물 금속 나노입자. 가장 널리 응용되고 있음

○ XRD 패턴 : 2θ = 31.1°

○ 결정구조 상 페라이트의 자기모멘트는 M²⁺의 자기모멘트임

○ 예 1. 산화철 페라이트(Fe₃O₄)

○ 산화철 페라이트의 자기모멘트는 Fe²⁺의 자기모멘트임 

○ Fe²⁺의 최외각 전자는 3d⁶ 

○ 저스핀인 것으로 추정됨 : Fe²⁺에서 홀전자가 4개 존재함 

○ 이론상 홀전자가 4개이므로 4μ_B의 자기모멘트를 줌 : 실험값은 4.1 μ_B임 

○ 예 2. MnFe₂O₄ : 자기모멘트는 5 μ_B, 실험값은 4.6 μ_B 

○ 예 3. CoFe₂O₄ : 자기모멘트는 3 μ_B, 실험값은 3.7 μ_B 

○ 예 4. NiFe₂O₄ : 자기모멘트는 2 μ_B, 실험값은 2.3 μ_B

⑶ 산화철 제법 (ref)

① 방법 1. 화학적 방법 (90%)

○ coprecipitation (28%) 

○ 보통 강염기를 처리하여 aggregation을 하는 방식 

○ 예 1. CoFe₂O₄의 제법 (ref) 

○ 1^st. 4g Co(NO₃)₂ + 50 ml H₂O at 80 ℃, 120 rpm stirring, 15 min 

○ 2^nd. 20.6 g Fe(NO₃)₃ + 50 ml H₂O at 80 ℃, 120 rpm stirring, 15 min 

○ 3^rd. Co(NO₃)₂ solution + Fe(NO₃)₃ solution at 80 ℃, 120 rpm stirring, 30 min 

○ 4^th. 10 g NaOH + 0.25 L H₂O를 3rd의 solution mixture에 첨가 

○ 5^th. 4 ~ 5 방울의 oleic acid를 첨가 : oleic acid는 coating agent로 기능 

○ 6^th. 침전물 분리 후 H₂O와 ethyl ether로 세척 

○ 7^th. 100 ℃에서 12 시간 건조  

○ 8^th. 샘플을 각각 600 ℃, 800 ℃, 900 ℃, 1,000 ℃에서 12시간 건조 

○ hydrothermal (26%)

○ 음전하 물질로 코팅하여 정전기적 척력으로 ultrasmall iron oxide를 만들 때 많이 사용

○ 예 1. ultrasmall Fe₃O₄의 제법 (ref1, ref2, ref3)

○ 1^st. FeCl₃·6H₂O (270.25 mg) was dissolved in 10 ml of ethylene glycol under vigorous stirring (1,000 rpm).

○ 2^nd. Na₃Cit·2H₂O (117.75 mg) was added to the above solution and the mixture was heated to 80 ℃ in water bath for 2h.

○ 3^rd. After that, anhydrous sodium acetate (328 mg) was added into the above mixture solution under stirring to form a clear solution. 

○ 4^th. The reaction kettle was heated to 193 ℃ for 4h. (cf. boiling point of ethylene glycol is 197 ℃)

○ 5^th. After the reaction mixture was cooled down to RT, black product was collected by centrifugation. (8,500 rpm, 15 min)

○ 6^th. The product was washed with anhydrous ethanol for 4 times.

○ 예 2. Fe₃O₄-PEG NP 제법

○ 1^st. Fe₃O₄ NP (58 mg, in 8 mL water)를 EDC·HCl와 NHS (87 mg, 1 mL water)로 3시간 동안 activation

○ 2^nd. NH₂-PEG-Mal (12 mg, in 1 mL water)를 그 용액에 첨가

○ 3^rd. 그 혼합물을 3일 동안 상온에서 stirring

○ 4^th. 그 뒤 생성물을 PBS (3번, 2 L)와 water (6번, 2L)로 3일간 dialysis를 통해 정화함

○ 5^th. dialysis membrane (MWCO = 8,000)을 통해 excess reactants와 byproduct를 제거

○ 6^th. 그 뒤 Fe₃O₄-PEG-Mal NPs를 동결건조

○ microemulsion (20%)

○ sonochemical (14%)

○ thermal decomposition (9%)

○ electrochemical decomposition (3%)

② 방법 2. 물리적 방법 (8%)

○ aerosol (37%)

○ gas phase decomposition (19%)

○ pulsed laser ablation (15%)

○ laser-induced pyrolysis (14%)

○ power ball milling (12%)

○ electron beam lithography (3%)

③ 방법 3. 생물학적 방법 (2%)

○ protein mediated (66%)

○ bacteria mediated (21%)

○ fungi mediated (11%)

○ plant mediated (2%)

 

 

2. 응용 1. 자기적 약물전달(magnetic drug delivery) [목차]

⑴ 원리

① 균일한 자기장을 걸어주면 자기쌍극자에 토크만 주기 때문에 쌍극자는 회전하기만 함

② 자성 나노입자의 병진운동을 위해서는 자기장의 경사를 만들어 주어야 함

③ 문제점 : 아주 센 자기장의 경사를 만들어야 함

○ 이유 1. 동맥 혈류 10 cm/s, 모세혈관 혈류 0.05 cm/s를 이겨야 함

○ 이유 2. 자기장의 세기는 인체 내부에서 급격히 감소함

○ 이유 3. 자성나노입자의 축적에 따른 혈관 폐색

 

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Figure. 2. 자기장에 따른 나노입자의 운동

 

관련 수식 (출처 : 이미지 클릭)

관련 수식 (출처 : 이미지 클릭)

 

⑵ 장치 설계

① uniform magnetic field를 만들 때 쓰이는 것 : Helmholtz coil, UMC, UBC

② gradient magnetic field를 만들 때 쓰이는 것 : Maxwell coil, GMC

③ 장치 스펙

 

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Table. 1. 자기적 약물 전달 장치 스펙

 

⑶ 연구 사례 (ref)

① 개의 다리 혈관에 철 마이크로 입자 용액을 투여한 후 자석을 이용하여 표적 위치로 유도하는 실험 (1963)^{]② 산화철 입자를 이용한 자기적 약물전달② 산화철 입자를 이용한 자기적 약물전달② 산화철 입자를 이용한 자기적 약물전달② 산화철 입자를 이용한 자기적 약물전달② 산화철 입자를 이용한 자기적 약물전달}

○ 산화철 입자를 이용한 자기적 약물전달

○ 동물실험에서 도관을 혈관 속으로 집어 넣음으로써 작은 자기장으로 큰 자기장의 기울기를 만들어 산화철 입자를 표적 위치로 집중

○ ⁹⁰Y를 산화철 입자를 붙여서 자기적으로 표적 위치로 유도하는 시도

② 나노 크기인 산화철 나노입자를 이용한 자기적 약물전달에 대한 동물실험 (1997)

○ 4-epidoxorubcin이 부착된 산화철 나노입자를 14명의 암 환자에게 투여하여 자기적으로 약물이 암 조직에 전달되는 것 확인

 

 

3. 응용 2. MRI 조영제 [목차]

 

 

4. 응용 3. 자기적 발열요법(magnetic hyperthermia) [목차]

⑴ 원리

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Figure. 3. Néel relaxation과  Brownian relaxation

^]

 

① 원리 1. Néel relaxation : 시간에 따라 변하는 자기장 속에 있는 초상자성 나노입자에서 발생하는 자기모멘트의 반전에 의해 자기에너지가 열로 방출되는 것

② 원리 2. Brown relaxation : 유체 속에서 나노입자의 물리적 회전에 의한 마찰열이 발생하는 것

③ 자화율

 

 

④ relaxation time : 각속도의 합의 관계식으로부터 유도됨

 

 

○ τ : effective relaxation

○ τ₀ : characteristic flipping

○ K_u : magnetic anisotropy constant

○ V_M : volume of the nanoparticle

○ k : Boltzmann constant

○ T : temperature

○ η : viscosity of the fluid

○ V_H : hydrodynamic volume of nanoparticle

⑤ 발생한 열량

 

 

○ P : values of heat dissipation

○ μ₀ : 자기투자율

○ χ" : magnetic susceptibility 

○ f : 자기장의 주파수

○ H : 자계의 세기

⑥ SAR 파라미터의 정의

 

 

○ C : the specific heat capacity of the solvent

○ dT/dt : initial slope of the time-dependent heating curve

○ m_s : mass of the solvent

○ m_m : mass of magnetic nanoparticle  

⑦ ILP(intrinsic loss power)

 

 

⑵ 큐리 온도(Curie temperature) 이상에서 자성나노입자는 발열 기능을 상실함

① 나노입자 물질의 종류와 크기에 따라 큐리 온도를 조절할 수 있음

② 큐리 온도를 42 ℃로 조절하여 자성나노입자에서 발생하는 열에 의해 세포의 온도가 42 ℃ 이상 증가하지 않을 수 있음

③ 그로 인해 정상세포를 보호할 수 있음

⑶ 장치 스펙^]

① heating power : 5.0-12.0 kW, 150-450 kHz

② magnetic power intensity : 350-1400 gauss

③ round heating coil : 40-130 mm

④ hand-portable planar magnetic amplifier : 35-55 mm tissue depth penetration

⑷ 실험 조건 예시

① 장치 스펙 : 1.5 cm 직경의 원형도선을 10회전, 3 cm 높이 (안 중요함), 1.2 A, 135 kHz 

② 1분간 강자성 나노입자에 인가함 : flux density는 magnetometer로 측정함

③ 발열 테스트를 하려면 30 mg iron salts / ml의 농도로 농축시켜야 함

④ 결과 : 온도가 높을수록 Fe²⁺가 많아져서 입자 크기가 커짐

 

제법 조건	파티클 사이즈	도달 온도
600 ℃	18 nm	51.7 ℃
800 ℃	25 nm	48.58 ℃
900 ℃	60 nm	46.9 ℃
1000 ℃	95 nm	44.78 ℃

Table. 2. 자기적 발열 요법 실험 결과

 

입력: 2020.02.09 23:25