γ射线辐照法合成聚合物稳定的氧化铁磁流体：一种用于磁热疗法材料设计的新方法

《Radiation Physics and Chemistry》：γ-irradiation Synthesis of Polymer stabilized Iron Oxide Ferrofluids: A Novel Approach to Magnetic Hyperthermia Material Design

　　伊万·伊拉科瓦茨|伊万·马里奇|尼科利娜·诺沃塞尔|戈兰·德拉日奇|安杰拉·普斯塔克|塔尼娅·尤尔金
克罗地亚萨格勒布市鲁杰尔·博什科维奇研究所辐射化学与剂量测定实验室，比耶尼奇卡街54号，邮编10 000

**摘要**
本研究提出了一种新的单步辐射分解法，用于合成高度稳定且浓度高的氧化铁磁流体，并探讨了其在磁共振热疗生物医学应用中的潜在价值。该合成方法基于Fe3+在辐射作用下的还原为Fe2+，以及铁离子在辐照过程中的水解与重结晶。研究考察了初始Fe3+浓度及聚合物稳定剂的选择等影响因素。为使所有样品的还原程度保持一致（约40%），选择了50或100 kGy的伽马射线辐照剂量。微观结构分析表明，根据实验条件不同，所得产物为尺寸在2至13纳米之间的氧化磁铁矿纳米颗粒。与葡聚糖和PVA相比，DEAE-葡聚糖有助于形成更大、更具晶态结构的颗粒（约13.3纳米）。含有天然葡聚糖的样品产生的颗粒最小，几乎呈非晶态，饱和磁化强度也很低；而含PVA的样品则具有最大的流体力学直径（111.8纳米）。这些差异显著影响了样品的磁加热效率。与其他聚合物相比，DEAE-葡聚糖样品的特定吸收率更高。在988.1 kHz的磁场频率下，含40% Fe/DEAE-葡聚糖的样品达到了最高的特定吸收率，为349.2 W g?1。如此高的效率得益于滞后损耗以及常规松弛机制的共同作用。最有效的样品能在1分钟内使温度迅速上升至70摄氏度，这表明该合成方法可为制备高性能、适合临床应用的热疗剂提供可靠平台。

**引言**
磁共振热疗是一种极具前景的抗癌疗法，在纳米粒子研究领域越来越受到重视。该方法可与放疗或化疗结合使用，用于治疗胶质母细胞瘤、黑色素瘤和前列腺癌等多种癌症（Johannsen等人，2005、2007；Wust等人，2006；Maier-Hauff等人，2007；Thiesen和Jordan，2008；Jimbow等人，2013；Kobayashi等人，2014；Grauer等人，2019；Pandhare等人，2025）。通常，将肿瘤组织温度从37摄氏度升高到42至46摄氏度，可通过破坏细胞器并引发细胞凋亡来诱导细胞死亡，因为癌细胞对热冲击的抵抗力低于正常细胞（Hildebrandt等人，2002；Liu等人，2016；Zhang和Lu，2024）。具体而言，磁共振热疗依靠被送入肿瘤并置于交变磁场中的磁性纳米粒子产生热量（Pankhurst等人，2003；Johannsen等人，2010）。处于交变磁场中的磁性纳米粒子所耗散的能量，可理解为磁场每周期所做的功（W），这一数值大致等于动态滞回环所围面积（忽略因涡流产生的焦耳热）（Pankhurst等人，2003；Ortega和Pankhurst，2012；Etemadi和Plieger，2020b）：其中μ0为真空磁导率，M为材料的磁化强度，H为外加磁场强度。主要的加热机制取决于粒子尺寸、磁各向异性、温度、外加磁场参数以及粒子间的相互作用。较大的铁磁性和亚铁磁性粒子为多畴结构，而当尺寸小于临界值时则变为单畴结构，进一步减小尺寸则会变成超顺磁性粒子（Lisjak和Mertelj，2018；Ma等人，2023）。在多畴粒子中，磁化方向的改变是通过畴壁运动实现的，在典型的热疗磁场强度下，这种作用对加热的贡献可以忽略不计（Hergt等人，2006）。相比之下，单畴粒子则通过磁化动力学来耗散热量。在阻塞状态下，能量损失源于与不可逆的磁场驱动切换相关的滞后损耗，这一现象可通过Stoner–Wohlfarth模型进行描述（Carrey等人，2011）。对于热激活型（超顺磁性）粒子，其加热过程通常可在线性响应理论框架内进行描述（Rosensweig，2002），此时能量耗散源于由奈尔弛豫（磁矩的内旋转）和布朗弛豫（粒子在黏性介质中的物理旋转）所决定的有限弛豫时间。然而，上述分析模型描述的是理想化的粒子系统，因此对于实际系统，必须采用数值模型来进行模拟（Maniotis等人，2025）。

能量耗散为热量的程度可用特定吸收率来表示，它定义为单位质量磁性材料所耗散的功率（Jordan A.等人，1993）。在典型的磁共振热疗实验中，纳米粒子会被分散在选定介质中，样品被放置在线圈内，并置于交变磁场中。随后会监测温度随时间的变化情况，由此即可计算出特定吸收率，其计算公式为：其中为纳米粒子悬浮液的密度，为分散介质的比热容，φ为粒子的质量浓度，为温度变化量，为温度变化发生的时间间隔。除了前述参数（决定磁性质的粒子尺寸、形状、晶体相以及外加磁场的频率和幅度）之外，介质的粘度以及纳米粒子的流体力学直径也在决定胶体悬浮液中的特定吸收率方面起着重要作用，因此对这些参数的控制和优化至关重要（Rosensweig，2002）。Nguyen等人的研究（Nguyen等人，2020）就体现了控制粒子尺寸的重要性。通过热分解法在230摄氏度至320摄氏度的范围内控制合成温度，可得到平均粒径在5至20纳米之间的球形磁铁矿纳米粒子，在频率为450 kHz、磁场强度为15.9 kA m?1的条件下，其特定吸收率分别介于30至123 W g?1之间。这些实验结果也与线性响应理论框架下的预测相符。另一个例子是Guardia等人的研究（Guardia等人，2012），他们研究了尺寸相似（立方体边长平均为19纳米）的类立方形磁铁矿粒子，在相同的实验条件下（频率为325 kHz、磁场强度为22 kA m?1），这些粒子的特定吸收率可高达1000 W g?1，这进一步说明了粒子形态的重要性。

此外，用于磁共振热疗的磁性纳米粒子还必须具备优异的胶体稳定性与生物相容性，同时还要具有成本效益、高产率以及环境友好性（Bekovi?等人，2023）。在磁共振热疗应用中，常用的磁性纳米粒子类型包括：i.氧化铁类（Noh等人，2012；Shah等人，2015；Kerroum等人，2020；Samakosh等人，2025），ii.尖晶石铁氧体类（Qu等人，2014；Nam等人，2018；Etemadi和Plieger，2020a；El-Boubbou等人，2024），iii.金属类（Kakavand和Sadrnezhaad，2020），iv.核壳结构类（M. Da Yang等人，2018；Martinez-Boubeta等人，2021），v.合金纳米粒子类（Ban等人，2011；Ferk等人，2014；Nain等人，2023）。通常，这类磁性纳米粒子是通过共沉淀、溶胶-凝胶法、水热法、微波合成法、多元醇法等多种方法制备的（Hedayatnasab等人，2017）。为了获得可靠的磁共振热疗测量结果，必须通过对粒子表面进行改性，使用表面活性剂或聚合物将其分散在空间上或静电上稳定的悬浮液中。对于以铁为基础的纳米粒子，这类稳定的悬浮液通常被称为磁流体。例如，Zélis等人（Zélis等人，2013）合成了掺锌的铁氧体纳米粒子，其在乙酸-壳聚糖悬浮液中的平均粒径为117纳米，特定吸收率为323 W g-1；在硫酸盐稳定的水悬浮液中的平均粒径为16纳米，特定吸收率为367 W g-1，这两组数据的测量条件均为频率260 kHz、磁场强度41 kA m-1。Duraisamy等人（Duraisamy等人，2024）报道了用油酸包覆的CoFe2O4纳米粒子，其平均粒径约为9纳米，在频率316 kHz、磁场强度45 kA m-1的条件下，其SLP值可达到300 W g-1。而Bhardwaj等人（Bhardwaj等人，2020）则得到了用月桂酸包覆的Mn0.9Zn0.1Fe2O3纳米粒子，其平均粒径约为11.3纳米，在频率330 kHz、磁场强度15.3 kA m-1的条件下，其特定吸收率可达约450 W g-1。其他常用的稳定剂还包括羧甲基纤维素（Leonel等人，2021）和聚乙二醇（PEG）（Yang等人，2018）。不过，磁共振热疗仍然面临诸多挑战，比如在临床安全磁场强度下加热效率较低，由于表面自旋无序和聚集现象导致特定吸收率下降，以及目前还缺乏同时具备高磁矩、生物相容性以及可在体内稳定发挥作用的纳米粒子设计（Etemadi和Plieger，2020b）。

在我们之前的研究中（Jurkin等人，2016a、2016b；Mari?等人，2019、2020a、2020b、2020c、2023、2025），我们采用了一种非传统的方法来合成氧化铁纳米粒子，即伽马射线辐照法。该方法的核心是对Fe(III)前驱体悬浮液进行伽马射线辐照。简而言之，对水基悬浮液进行辐照会引发水的放射分解，从而在整个反应体系中均匀生成氧化性物质（如羟基自由基•OH）和还原性物质（如水合电子eaq?、氢自由基•H以及分子氢H2）。这些放射分解产物能够氧化或还原前驱体纳米粒子中的金属原子或离子，因此无需使用那些往往价格昂贵或对环境不利的传统氧化剂或还原剂。通过添加适当的自由基捕获剂，还可以轻松调节反应条件。此外，这种方法也适用于大规模生产纳米粒子。伽马射线辐照的另一个优点是能够同时对样品进行灭菌，使得样品在合成后便可立即投入使用。

我们曾广泛运用放射分解法来制备各种氧化铁纳米粒子，并使用了多种聚合物和表面活性剂作为稳定剂（Jurkin等人，2016a、2016b；Mari?等人，2019、2020a、2020b、2020c、2023、2025）。具体而言，Jurkin等人（Jurkin等人，2016）在聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮以及十六烷基三甲基溴化铵的存在下，成功合成了赤铁矿（α-FeOOH）、磁铁矿（Fe3O4）以及针铁矿（δ-FeOOH）纳米粒子。值得注意的是，通过伽马射线辐照竟然生成了少量的δ-FeOOH，而这之前并未有研究报道过通过伽马射线辐照可以合成这种相。之后，我们采用了二乙氨基乙基-葡聚糖，因为它具有极强的能力，能够稳定水基悬浮液中的超细纳米粒子。借助这种方法，我们成功合成了纯度的δ-FeOOH，且其形态为非传统的纳米圆盘状。Mari?等人（Mari?等人，2020a）进一步阐明了这一过程的机制，他们发现，在DEAE-葡聚糖存在的情况下，通过放射分解生成的Fe(OH)2会经历拓扑结构转变，先形成绿锈，随后再发展成δ-FeOOH纳米圆盘。1,10-菲啰啉分光光度法分析结果证实了这一过程的效率，在DEAE-葡聚糖存在时，Fe3+可被完全（100%）放射分解为Fe2+（Mari?等人，2020c）。相反，当使用聚环氧乙烷等其他聚合物时，则无法实现完全还原。这些差异充分体现了稳定剂的物理化学性质在金属氧化物纳米粒子的放射分解合成过程中的关键作用。

在本研究中，我们将这种方法拓展到对初始铁(III)浓度较高的悬浮液进行辐照，旨在直接合成磁流体。我们系统地研究了初始Fe(III)浓度以及不同类型的聚合物（DEAE-葡聚糖、葡聚糖和聚乙烯醇PVA）对相组成、粒子尺寸、流体力学直径、形态以及磁性能的影响。鉴于这类磁流体在生物医学应用方面具有巨大潜力，我们通过评估其特定吸收率来判断它们是否适用于磁共振热疗。据我们所知，目前还没有关于磁流体的放射分解合成方法或其在该领域应用的相关报道，这也凸显了本研究的创新性。

**化学品**
所有化学品均为分析级纯度，按原样使用。在纳米粒子合成过程中，我们使用了以下试剂：六水合氯化铁(III)（FeCl3?6 H2O，纯度极高，符合欧洲药典标准，含量≥99%）、2-丙醇（CROMASOLV，用于高效液相色谱，纯度≥99.9%）以及氢氧化钠（NaOH，无水、流动性好、呈颗粒状，为ACS级试剂，纯度≥99%），这些试剂均由霍尼韦尔和默克公司提供；二乙氨基乙基-葡聚糖盐酸盐则是由平均分子量为500,000道尔的葡聚糖制成的。

**结果与讨论**
合成完成后，所有的磁流体样品都呈现出深棕色至黑色，且看起来具有良好的胶体稳定性。将它们置于强钕磁铁附近后，我们对它们的磁响应进行了定性检测，所有样品都显示出了明显的磁响应（见图1的插图）。在打开烧瓶并让经辐照的悬浮液接触氧气（空气）之前，所有样品的还原程度都大致相同，约为40%（见表1），这一数值是通过相关测试确定的。

**结论**
本研究证明，通过控制伽马射线辐照的还原程度，可以使用γ-辐照法合成稳定且浓度极高的磁铁矿/磁赤铁矿磁流体，所有样品的还原程度均控制在约40%。这是首次将这种方法用于一步合成磁流体。由于这些样品在辐照过程中经过了灭菌处理，这些研究结果充分证明了所合成的铁磁流体在磁性热疗的实际应用中具有巨大的潜力。

作者贡献说明：
伊万·马里奇：写作——审阅与编辑、验证、方法学、正式分析。
尼科琳娜·诺沃塞尔：资源准备、正式分析。
戈兰·德拉日奇：资源准备、正式分析。
安杰拉·普斯塔克：正式分析。
塔尼亚·尤尔金：写作——审阅与编辑、验证、监督、资源准备、项目管理、方法学、资金获取、正式分析、概念设计。
伊万·伊拉科瓦茨：写作——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、研究、正式分析。

未引用参考文献：杨等人，2018年。

利益冲突声明：作者声明不存在任何利益冲突。

利益冲突声明：? 作者声明自己没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢：这项工作得到了克罗地亚科学基金会在项目IP-2022-10-3687“用于癌细胞热疗的放射分解合成磁性纳米粒子”下的资助。此外，该研究还得到了克罗地亚政府以及欧盟通过2021-2026年国家恢复与韧性计划（NPOO）的资助。物理研究所的低温中心（KaCIF）则由克罗地亚政府共同资助。