Grootte en superparamagnetisme

Superparamagnetische ijzeroxide partikels vormen een klasse van contraststoffen voor MRI waarbij de grootte van de partikels kan variëren van een aantal nanometers tot verschillende micrometers (19). Volgens de toenemende diameter wordt er een onderscheid gemaakt tussen (4, 9, 14, 16, 19, 20, 28):

 ESION (extremely small iron-oxide nanoparticles) met een diameter van < 4 nm

Zoekterm Resultaten in Pubmed

"magnetic resonance imaging"[Majr] AND "basic principles"[All Fields]

197 en 151 na inschakelen van full text

“magnetic resonance imaging"[Majr] AND "contrast media"[Majr].

7891 en 698 na inschakelen van full text, review, English, French, German en Dutch

"magnetic resonance imaging"[Mesh] AND

"ferrosoferric oxide"[Mesh

2189 en 130 na inschakelen van full text, review, English, French, German en Dutch

"viscosity"[Mesh] AND "ferrosoferric oxide"[Mesh] 22 en 18 na inschakelen van full text

"cell Tracking"[Mesh] AND "ferrosoferric oxide"[Mesh]

129 en 126 na inschakelen van full text

18

 VSOP (very small iron-oxide particles) met een diameter van 3-4 nm

 MION (monocrystalline iron-oxide nanoparticles) met een diameter van 15-20 nm

 USPIO (ultrasmall superparamagnetic iron-oxide) met een diameter van 20-40 nm

 SSPIO (standard superparamagnetic iron-oxide) met een diameter van 40-150 nm

 MPIO (micron-sized particles of iron-oxide) met een diameter van 1-5 µm

Deze partikels zijn opgebouwd uit een kristallijne kern die eventueel nog omhuld wordt door een coating. De kern bestaat meestal uit magnetiet (Fe3O4) of maghemiet (Fe2O3) (13-15, 17, 19, 27-30). Aangezien de eigenschappen van deze twee ijzeroxiden zeer gelijkend zijn en maghemiet via oxidatie kan ontstaan uit magnetiet, is het vaak moeilijk om een onderscheid te maken tussen beiden (14).

De kristalstructuur van magnetiet is een inverse spinelstructuur waarin zowel Fe²⁺- als Fe³⁺- kationen voorkomen. De anionen zijn hier gerangschikt volgens een kubisch vlak-gecentreerd stelsel. Dit wil zeggen dat de zuurstof-anionen zich bevinden op de hoekpunten van de kubussen en in het midden van ieder vlak (9, 13, 14, 31). De kubische structuur die gevormd kan worden met 32 zuurstof-anionen wordt een eenheidscel genoemd. Binnen een dergelijke eenheidscel zijn er 8 tetraëdrische punten waar een kation omringd wordt door 4 zuurstof-anionen. Deze worden bij magnetiet allemaal ingenomen door Fe³⁺. Bovendien zijn er ook nog 16 octaëdrische punten waar het centraal kation omgeven is door 6 zuurstof-anionen. Deze octaëdrische sites in de kristalstructuur worden afwisselend ingenomen door Fe³⁺ en Fe²⁺ (9, 14, 31).

De magnetische spins van de ijzerionen op de tetraëdrische sites hebben allen dezelfde richting.

Deze richting is antiparellel aan die van de magnetische spins van de ijzerionen op octaëdrische

Figuur 9 (a) Deze figuur toont de inverse spinel structuur van magnetiet. De kleine groene sferen zijn zuurstof-anionen en de grote rode en gele sferen stellen respectievelijk de tetraëdrische en octaëdrische ijzerionen voor. (b) Ruimtelijke voorstelling van tetraëdrische sites (rood) waarbij een ijzerion omgeven wordt door 4 zuurstofanionen en octaëdrische sites (geel) waarbij een ijzerion omgeven wordt door 6 zuurstofanionen. (Friák, M. 2007) (31)

19

sites. Aangezien de 8 tetraëdrische sites en 8 van de 16 octaëdrische sites ingenomen zijn door Fe³⁺-ionen en deze magnetische spins elkaar neutraliseren, wordt het magnetisch moment van magnetiet bepaald door de aanwezigheid van ongecompenseerde Fe²⁺-ionen (9, 14, 31). De kristalstructuur van maghemiet is analoog aan deze van magnetiet, maar bij maghemiet worden de tetraëdrische sites ingenomen door Fe²⁺ en is het resulterend magnetisch moment afhankelijk van de ongecompenseerde Fe³⁺-ionen (14).

Ondanks deze kristalstructuur vertonen maghemiet en magnetiet doorgaans geen magnetisatie in de afwezigheid van een extern magneetveld. De verklaring hiervoor is te vinden in de aanwezigheid van domeinen of Weiss gebieden in grotere kristallen, zoals geïllustreerd is in figuur 10 (9, 14, 16). De grootte van deze Weiss gebieden kan variëren, maar is meestal in de grootteorde van 10-100 nanometer (9, 14). Binnen een dergelijk Weiss gebied verlopen de spins parallel, maar de richting van de spins is niet voor alle gebieden hetzelfde, waardoor ze elkaar neutraliseren en er in rust geen spontane magnetisatie is (9, 14, 16). Wanneer de kristallen in een extern magneetveld gebracht worden, richten alle spins zich volgens het magneetveld en zal er magnetisatie van het materiaal optreden. Bij het wegvallen van deze magnetische stimulus, zullen de spins in de verschillende Weiss gebieden echter opnieuw een andere oriëntatie aannemen en gaat de magnetisatie verloren. (9, 14). Deze opsplitsing van het kristal in domeinen is een spontaan proces om de magnetostatische energie die ontstaat ten gevolge van de niet-gecompenseerde ijzer-ionen te beperken in rust (9).

Partikels die kleiner zijn dan een Weiss gebied vertonen een collectieve spin van alle ionen. Die partikels kunnen in bepaalde omstandigheden een permanent magnetisch moment vertonen in de afwezigheid van een extern magneetveld (9, 13, 14, 27). Het al dan niet aanwezig zijn van permanente magnetisatie in deze deeltjes is afhankelijk van de balans tussen anisotrope en thermische energie (9, 14, 17, 27, 32).

Anisotrope energie zorgt ervoor dat het magnetisch moment van de deeltjes een welbepaalde voorkeursrichting aanneemt, de zogenaamde anisotrope as (32). De richting van deze as is

Figuur 10 In rust hebben de spins van de verschillende Weiss gebieden een andere oriëntatie. Bij een toenemende sterkte van het extern magneetveld, nemen de spins dezelfde oriëntatie aan en verdwijnen deze Weiss gebieden.

(https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_domain)

20

afhankelijk van de samenstelling en kristallografische structuur van het magnetisch materiaal.

Zo kunnen binnen eenzelfde kristal verschillende anisotrope assen bestaan (14). Er bestaat een recht evenredig verband tussen de partikelgrootte en de anisotrope energie die in het partikel schuilt. Kleine deeltjes zijn daarom minder onderhevig aan anisotrope energie (27).

Thermische energie geeft aanleiding tot fluctuaties in het magnetisch moment van een deeltje.

Als de thermische energie in een partikel voldoende hoog is, zal het magnetisch moment tussen de verschillende anisotrope assen schommelen en niet langer een statisch gegeven zijn (14). De energie die nodig is om het magnetisch moment uit evenwicht te brengen, wordt ook wel de blocking- of transitietemperatuur (TB) genoemd en wordt gegeven door de volgende formule:

𝐾 =^25𝑘_𝑉^𝐵𝑇𝐵 of 𝑇_𝐵= _25𝑘^𝐾𝑉

𝐵

In deze formule is TB de transitietemperatuur, K de magnetische anisotropie constante, V het volume van het partikel en kB de Boltzmannconstante die het verband aangeeft tussen energie en temperatuur (9, 17). Bij het bereiken van de transitietemperatuur TB krijgen de nanopartikels superparamagnetische eigenschappen (9, 13, 17, 32). Dit houdt in dat het magnetisch moment vanaf dan wisselt tussen de verschillende mogelijke anisotrope assen en er geen sprake meer is van permanent magnetisme. Wanneer dergelijke partikels in een extern magneetveld gebracht worden, vertonen ze een sterke magnetisatie. Bij het uitschakelen van het magneetveld, worden de partikels opnieuw volledig gedemagnetiseerd (9, 13, 15, 16, 30).

Kenmerken van de kernen van ijzeroxide partikels die aangewend worden bij MRI zijn dus erg verschillend van de kenmerken van grote kristallen magnetiet of maghemiet. De grootte van de deeltjes is dus bepalend voor hun (magnetische) eigenschappen en heeft bovendien ook een invloed op de klaring en de relaxiviteit van de deeltjes. Dit wordt hieronder besproken.