一种用于磁共振成像（MRI）中的双模对比剂的平台：壳聚糖包覆的掺钆钴铁氧体纳米颗粒（CoFe??xGdxO?）的系统性合成与性质研究

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：A platform for dual-modal contrast agent in magnetic resonance imaging (MRI): Systematic synthesis and properties investigation of chitosan-coated gadolinium-doped cobalt ferrite nanoparticles (CoFe 2-xGd xO 4)

钴铁氧体纳米颗粒通过钆掺杂与壳聚糖涂层制备，实现MRI双模态对比增强。研究证实Gd掺杂量X=0.10时磁性能最优，粒径分布（XRD证实晶型稳定），动物实验显示其作为T1/T2双模态对比剂有效提升成像分辨率。

　　

哈米德·侯赛因扎德（Hamid Hosseinzadeh）| 哈米德·奥韦西（Hamid Oveisi）

材料工程系，哈基姆·萨布泽瓦里大学（Hakim Sabzevari University），萨布泽瓦尔（Sabzevar），邮编9617976487，伊朗

摘要

本研究重点开发了掺钆的钴铁氧体纳米颗粒（CoFe_2-xGd_xO₄），并在外层涂覆壳聚糖（chitosan），作为磁共振成像（MRI）的双模态造影剂。对这些纳米颗粒进行了设计、合成和全面表征，以评估钆掺杂对其物理和磁性质的影响。研究结果表明，随着钆掺杂浓度（X）的增加，磁饱和度（Ms）显著降低，同时纳米颗粒的形态从半球形转变为棒状。值得注意的是，在掺杂浓度X = 0.10时，矫顽力（Hc）和剩磁（Mr）达到最低值，这表明结构和磁性能达到了最佳平衡。为了评估其作为MRI造影剂的性能，将壳聚糖涂层的CoFe_1.9Gd_0.1O₄纳米颗粒通过静脉和皮下注射方式注入健康雄性大鼠体内。成像结果显示，正负对比度均有显著提升，进一步证明了这些纳米颗粒作为高效且多功能MRI造影剂的潜力。

引言

近年来，纳米颗粒已被广泛应用于医学领域[1]、[2]、[3]、[4]。作为一类广泛的纳米材料，磁性纳米颗粒在生物医学应用中发挥了重要作用，如靶向药物输送[5]、选择性蛋白质分离[6]、癌症治疗中的热疗[7]、磁共振成像（MRI）中的造影剂[8]以及细胞标记[9]。这些纳米颗粒的固有磁性、生物相容性以及热稳定性和化学稳定性对于生物医学应用至关重要[10]、[11]、[12]、[13]。具有高磁饱和度（M_S）、低矫顽力（H_C）和高剩磁（Mr）值的超顺磁纳米颗粒推动了医学诊断和治疗的重大进展。有许多成像技术可用于医学诊断，其中磁共振成像（MRI）是一种强大且无创的技术[14]。磁共振成像基于磁共振原理，其核心是人体内氢原子核周围的电子自旋运动。MRI造影剂含有顺磁或超顺磁金属离子，能够增强组织的MRI信号特性，从而提高检测和表征各种病理状况和病理过程的灵敏度。高磁性质的造影剂可用于提高成像的灵敏度、对比度、质量和分辨率[15]、[16]。造影剂通常分为正对比剂（T₁-加权）和负对比剂（T₂-加权）。

临床上用于MRI成像的替代造影剂包括超顺磁钆和氧化铁纳米颗粒。这些造影剂可用于肝脏、淋巴结、心血管系统和肠道的成像。钆螯合物常作为T₁-加权造影剂使用，而氧化铁纳米颗粒则作为T₂-加权造影剂。基于钆的复合物是最常用的T₁-加权造影剂，但其使用存在一定的风险，如中毒和在人脑中的沉积[17]、[18]。另一方面，基于铁的纳米颗粒是最常用的负T₂-加权造影剂。这些纳米颗粒的特点是具有超顺磁行为、狭窄的尺寸分布、良好的生物相容性和无毒性[19]、[20]。这些造影剂由纳米级金属氧化物晶体核心和有机外壳组成。其他元素氧化物（如钴、锌、锰和镍的氧化物）也用于磁共振成像，每种氧化物对图像的对比度都有特定影响[21]、[22]、[23]、[24]。这些造影剂的独特性质及其对弛豫时间（T₁（自旋-晶格弛豫）和T₂（自旋-自旋弛豫）的影响推动了双模探针的研究[25]、[26]、[27]。

本研究旨在探讨钆掺杂对钴铁氧体纳米颗粒物理和磁性质的影响，并评估这些纳米颗粒作为MRI双模态造影剂在提高图像质量和促进更高效医学诊断方面的应用潜力。

材料

用于合成和表面涂层的CoFe_2-xGd_xO₄纳米颗粒的原材料如下：纯度为98%的FeCl₃.9H₂O、纯度超过99%的CoCl₂.6H₂O、37%（重量）的盐酸、纯醋酸、span-60（C₂₄H₁₆O₆）、壳聚糖（C₆H₁₁NO₄）、25%（H₂O）浓度的戊二醛溶液、液体石蜡、甘油以及超纯NaOH（作为碱性沉淀剂），均购自默克公司（Merck Company），无需进一步纯化即可使用。纯钆元素（Gd）作为掺杂源。

CoFe_2-XGd_XO₄纳米颗粒的相结构和形态鉴定

根据图1中的X射线衍射图谱，当掺杂量X = 0.00时，样品的相结构完全由钴铁氧体组成，晶格参数为0.83 nm，接近其理论值（≈0.8402 nm），符合JCPDS卡片编号02–1045的参考数据。随着掺杂量增加到X = 0.10，峰强度增加，并出现一个位于30.9度的峰，该峰与氧化钆（Gd₂O₃）相关。

结论

成功合成了超顺磁CoFe_1.90Gd_0.10O₄纳米颗粒，并研究了掺杂剂钆含量对其微观结构和磁性质的影响。观察到随着掺杂量的增加，纳米颗粒的形态从近似球形变为棒状。这种变化的原因是晶格发生强烈畸变以及生长方向的改变。

CRediT作者贡献声明

哈米德·侯赛因扎德（Hamid Hosseinzadeh）：负责撰写初稿和实验研究。哈米德·奥韦西（Hamid Oveisi）：负责审稿与编辑、研究监督、方法论设计及概念构思。

伦理批准

作者声明本研究未违反任何伦理规范，所有工作均严格遵循相关伦理标准进行。此外，本文尚未接受其他机构的审稿或发表。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢哈基姆·萨布泽瓦里大学的纳米技术研究中心对本项目提供的技术支持。

作者贡献

哈米德·侯赛因扎德（Hamid Hosseinzadeh）负责实验工作并参与了初稿的撰写。哈米德·奥韦西（Hamid Oveisi）负责项目的构思与设计、实验监督以及手稿的修订和最终提交。