Pro pokročilé medicínské a biologické aplikace již bylo navrženo mnoho fascinujících architektur využívajících magnetické nanočástice. Většinou tyto struktury cílí na slibné a atraktivní oblasti v medicíně, např. magneticky řízený transport léčiv, zlepšení kontrastu a vizualizace značených struktur v citlivých zobrazovacích metodách, jako jsou zobrazování pomocí magnetické rezonance (MRI) a magnetických částic (MPI), magnetická hypertermie a teplem řízené uvolňování léčiv nebo magnetická separace v diagnostice. Důležitým příkladem je vývoj magnetických nanočástic jako kontrastních látek pro neinvazivní a neionizující MRI. Účinnost kontrastní látky v MRI je popsána relaxivitou, jejíž závislost na různých vnějších i vnitřních faktorech je stále předmětem aktivního výzkumu.
Přestože již bylo v literatuře popsáno mnoho multifunkčních nanokompozitních struktur s nejrůznějšími obaly, je často nemožné takto komplexní systémy a jejich chování exaktně uchopit. V tomto příspěvku jsme proto pro studium relaxivity a teoretických modelů, které se ji snaží popsat, zvolili dobře definovaný systém magnetických nanočástic obalených amorfním oxidem křemičitým (silikou). Tento čistě anorganický a chemicky stabilní materiál s kovalentní strukturou představuje vynikající systém pro modelové studie a navíc zaručuje koloidní stabilitu nanočástic ve vodné suspenzi. Nicméně pro tuto studii jsme zvolili netradiční magnetický materiál, který je v magneticky blokovaném stavu za pokojové teploty a který dosud nebyl zkoumán pro medicínské aplikace - galiem dopovaný polymorf epsilon oxidu železitého.
Z pěti polymorfů oxidu železitého, které jsou stabilní za atmosférického tlaku při běžných teplotách, je ε-Fe2O3 nejzajímavější. Díky své obrovské magnetokrystalové anizotropii dosahuje jeho koercivní pole gigantické hodnoty 2,1 T za pokojové teploty. Ve své struktuře obsahuje čtyři neekvivalentní polohy Fe3+ (tři oktaedrické, jednu tetraedrickou), které za pokojové teploty vytváří čtyři antiparalelně uspořádané magnetické podmříže. Tím, že magnetický moment železa v tetraedrické poloze je o něco menší než ve zbylých polohách, má ε-Fe2O3 ferimagnetické uspořádání. Nicméně při chlazení ε-Fe2O3 prochází mezi 150 K a 80 K magnetickým spinově-reorientačním přechodem, při němž rapidně poklesne jeho magnetizace i koercivní pole.
Výjimečné magnetické vlastnosti epsilonu lze dále upravovat vhodnými substitucemi Fe3+ za podmínky, že dopant zachová stabilitu této fáze. Díky ferimagnetické struktuře je možné substitucí kationtů diamagnetického kovu do tetraedrické polohy železa zvýšit magnetizaci, která je pro mnoho aplikací zásadní. Z hlediska aplikací v medicíně a biologii pak dopace Ga3+, které tetraedrické polohy preferuje, představuje díky jeho zanedbatelné toxicitě bezpečnou a racionální volbu.
V této studii byly magnetické nanočástice ε-Fe1.76Ga0.24O3 připraveny žíháním mezoporézní siliky nasycené nitráty kovů. Zvolené množství dopujícího galia zvýšilo magnetizaci částic a potlačilo spinově-reorientační přechod typický pro čistý ε-Fe2O3. Navzdory tomu, že velikost částic dosahovala pouhých 11 nm, byly nanočástice v blokovaném stavu v celém studovaném oboru teplot, na rozdíl od standardních superparamagnetických kontrastních látek založených na jiných oxidech železa nebo feritech. Roli galia v lokálních magnetických vlastnostech, např. oslabení supervýměnných interakcí vlivem magnetického zředění, jsme ukázali pomocí 57Fe Mössbauerovy spektroskopie. Následně jsme částice obalili do amorfní siliky a studovali jejich účinnost v MRI pomocí relaxometrie a zobrazování ve vysokých magnetických polích.
Co je důležité, relaxivity dopovaného materiálu jsou vyšší než u čistého ε-Fe2O3, což je způsobeno vyšší magnetizací, a jsou srovnatelné s tradičními kontrastními látkami, které byly schváleny pro použití v klinické praxi. Kvůli distribuci velikostí částic jsme pozorovaný monotónní pokles relaxivity s rostoucí teplotou interpretovali v souladu se dvěma teoretickými modely relaxace jader 1H – režimu pohybového středování (motional averaging), který platí pro menší částice a obecně nižší magnetizaci, a režimu statického rozfázování (static dephasing) pro větší částice s větší magnetizací. Přestože režim statického rozfázování nabýval s rostoucím vnějším polem a tenčí vrstvou obalu na důležitosti, režim pohybového středování obecně dominoval a jednoznačně převládl při vyšších teplotách kvůli rychlejší difuzi molekul vody. Zvýšení T2-kontrastu v MRI, které souvisí s urychlením příčné relaxace, bylo pro studované vzorky srovnatelné s ferukarbotranem (komerční název -Resovist).