NiFe2O4/Fe3O4纳米复合材料：在体外实验中展现出用于热疗应用的巨大潜力

《Materials Chemistry and Physics》：NiFe2O4/Fe3O4 Nanocomposites: Promising In-Vitro Performance for Hyperthermia Applications

　　

G. Nandhini | M.K. Shobana | P. Saravanan | Tiasha Dasgupta | M. Venkatraman

印度韦洛尔技术学院高级科学学院物理系，韦洛尔-632014

摘要

NiFe₂O₄/Fe₃O₄磁性铁氧体纳米复合材料（MFN）在用于A-549肺癌细胞磁热疗方面的潜力得到了验证。为此，通过共沉淀法制备的NiFe₂O₄和Fe₃O₄单颗粒与20%和40%的Fe₃O₄混合后进行了固态合成。所制备的NiFe₂O₄/Fe₃O₄ MFN在结构、形态、热性能、磁性能以及体外分析方面进行了表征。XRD分析显示形成了NiFe₂O₄和Fe₃O₄相，而HR-TEM分析揭示了平均粒径为19纳米的球形纳米颗粒的存在。VSM测量表明，由于MFN具有超顺磁性，其矫顽力和剩磁都非常低。含有20% Fe₃O₄的MFN达到了约41 emu/g的最大饱和值。在低于生物阈值的条件下，评估了在恒定幅度和频率下的感应加热效果（通过比吸收率SAR）。含有20% Fe₃O₄的MFN获得了最高的SAR值（414 W/g），这使其对A-549肺癌腺癌具有优异的抑制作用，选择性指数约为3.3。磁热疗和体外研究的结果证实了这种双相MFN在治疗此类罕见癌细胞方面的潜力。

引言

近年来，纳米医学领域取得了显著进展，磁性纳米颗粒（MNPs）作为各种生物医学应用中的强大工具而受到关注。这些纳米级磁性材料通常大小在1到100纳米之间，具有独特的磁性能，使其在诊断、药物输送和治疗干预中具有不可估量的价值。在众多应用中，MNPs在癌症治疗中的使用，特别是通过磁热疗，引起了研究人员和临床医生的广泛关注[1]。

磁热疗（MHT）是一种新兴的治疗方式，作为传统癌症疗法（如化疗和放疗）的替代或辅助手段显示出巨大潜力。该疗法涉及将MNPs注入肿瘤内部或周围。在交变磁场的作用下，这些MNPs因磁滞损耗而振荡并产生局部热量[2]，[3]。MNPs产生的热量可使肿瘤温度升高到引发细胞凋亡或坏死的程度，从而有效减小肿瘤体积并抑制癌细胞增殖。磁热疗相对于传统疗法的主要优势在于其能够更精确地靶向癌组织[4]。这种选择性有助于减少化疗和放疗常伴随的系统性副作用。此外，磁热疗还能增强这些治疗的效果，使其成为一种有前景的组合疗法[5]。

尽管已有大量关于使用MNPs进行磁热疗的研究[6]，但仍存在一些不足之处。理想的磁热疗用MNPs应具备以下特性：适合超顺磁性的尺寸、低矫顽力以实现高效加热、足够的饱和磁化强度以获得高SAR值，以及优异的热稳定性和胶体稳定性。它们的生物相容性对于减少副作用至关重要，而高加热效率则确保了有效的治疗效果[7]。通过精心设计和合成这些纳米颗粒（NPs），可以显著提升其治疗潜力，为利用磁热疗的癌症治疗开辟新的途径。通过持续的研究和创新将这些优化的MNPs应用于临床实践，可能会带来更有效、更具针对性的癌症治疗方法，减少副作用，从而改变肿瘤学领域的发展方向。

针对特定的纳米颗粒，镍铁氧体（NiFe₂O₄）和磁铁矿（Fe₃O₄）在磁热疗应用中具有独特优势。NiFe₂O₄纳米颗粒具有更高的饱和磁化强度和更低的矫顽力，这意味着在交变磁场下能产生更多的热量，使其在较低浓度下就能产生显著的热效应。另一方面，Fe₃O₄纳米颗粒因其生物相容性、易于表面修饰和已建立的安全性及良好的稳定性而受到青睐，适合体内应用[8]，[9]。这两种铁氧体都属于反尖晶石型结构（空间群：Fd-3m），其中阳离子位于四面体（A）位点的1/8和八面体（B）位点的1/2位置，而O^2?离子则呈立方体排列[10]。

八面体亚晶格中的阳离子通过磁超交换相互作用与四面体亚晶格中的阳离子发生铁磁耦合。八面体和四面体亚晶格之间的相互作用导致了铁磁性和反铁磁性。由于铁离子（Fe³⁺）的d轨道（3d₅）半填充且八面体位点的优先能（OSPE）为零，电子可以在尖晶石结构中的八面体和四面体空位上任意分布[11]。由于Ni²⁺离子有两个未配对的d电子（3d₈），它们更倾向于占据八面体位置，因此具有较高的OSPE。因此，研究纳米材料与3d₅和3d₈阳离子的磁交换过程之间的相互作用对于提升磁性能具有重要意义。因此，这些材料被有效用于磁热疗应用以改善散热效果。已有许多关于NiFe₂O₄和Fe₃O₄纳米颗粒的研究记录[12]。然而，这两种材料的双重作用至今尚未被充分报道。因此，本研究试图通过NiFe₂O₄和Fe₃O₄材料的协同效应来解决上述问题，以实现有效的磁热疗散热。表1总结了用于磁热疗的磁性铁氧体的文献综述。

鉴于生物相容性和细胞毒性是重要参数，本研究聚焦于最常见的肺癌亚型。肺癌的侵袭性以及晚期诊断和有限的有效治疗选择，凸显了创新治疗策略的迫切需求。目前的治疗方法（包括手术、化疗和放疗）往往因癌症的耐药性而效果不佳，这突显了磁热疗等替代方法的必要性。因此，还对A-549肺癌腺癌细胞和HEK肾正常细胞使用了所制备的纳米复合材料（NCs）进行了细胞毒性和活性分析，以比较细胞存活率和抗增殖特性。NiFe₂O₄/Fe₃O₄ NCs在靶向A-549肺癌细胞系方面的协同效应应用潜力强调了其重要性。

章节片段

材料与方法

美国Sigma-Aldrich公司提供了纯度为99.9%的氢氧化钠、99%的氯化铁和99%的氯化镍。所有使用的化学品均为分析级，无需额外纯化。纳米颗粒是通过化学共沉淀法单独合成的，使用氢氧化钠（NaOH ～ pH (11)）作为还原剂。

结构分析

利用XRD技术检测了合成的NC晶体结构。制备的纳米铁氧体的XRD衍射峰与标准峰（JCPDS卡片编号00-010-0325和01-080-6402）吻合良好，证实了立方尖晶石NiFe₂O₄和Fe₃O₄纳米结构的形成（空间群Fd-3m）[22]。较低的峰强度表示较低的结晶度，从而导致较小的晶粒尺寸（图2）。退火样品的XRD图案显示...

结论

合成的NiFe₂O₄/Fe₃O₄ NCs表现出立方尖晶石晶体结构，随着Fe₃O₄含量在NiFe₂O₄ NPs中的增加，晶粒尺寸也随之增大。HR-TEM成像显示了制备的纳米铁氧体的球形形态，而XPS分析确认了Ni²⁺和Fe³⁺离子的氧化状态，从而验证了纳米铁氧体的相形成和化学组成。通过XRD后的分析证明了制备的NCs的稳定性。

CRediT作者贡献声明

M. Venkatraman：研究工作。Tiasha Dasgupta：研究工作。M.K. Shobana：撰写 – 审稿与编辑、监督、研究工作。P. Saravanan：撰写 – 初稿。G. Nandhini：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿、研究工作。

未引用的参考文献

[45], [46]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Trichy的国家技术学院的R. Justin Joseyphus博士和J. Sriram先生提供的表征支持。