Magnetische Nanopartikel – Aufbau, Eigenschaften und Anwendungen

Was sind magnetische Nanopartikel?

Magnetische Nanopartikel sind Teilchen mit Abmessungen im Nanometerbereich (grob 1 bis 100 nm), die auf ein äußeres Magnetfeld reagieren. Der Begriff „Nanopartikel“ selbst ist im Artikel Nanopartikel erklärt; hier geht es um die magnetische Variante.

Fast immer haben solche Partikel zwei Teile. Der Kern trägt die magnetischen Eigenschaften. Die Hülle schützt ihn, hält die Partikel in Flüssigkeit getrennt und bietet Andockstellen für weitere Moleküle. Ein Eisenoxidkern mit einer Schicht aus Polymer oder Silica ist das Standardbild; es wird als Kern-Schale-Struktur bezeichnet.

Wer in der Literatur von „funktionalisierten magnetischen Nanopartikeln“ liest, meint genau diese Kombination: einen magnetischen Kern, dessen Oberfläche so verändert wurde, dass er in einer bestimmten Umgebung stabil bleibt oder eine bestimmte Aufgabe erfüllt. Wie das chemisch geschieht, behandelt der Artikel Funktionalisierung.

Kernmaterialien: Eisenoxide, Metalle, Ferrite

Für magnetische Nanopartikel kommen drei Gruppen von Kernmaterialien infrage. Eine Übersichtsarbeit zur Nanomedizin (Preprint 2018) nennt reine Metalle (Fe, Co, Ni), Legierungen (etwa FeCo) und Oxide (Fe₃O₄, γ-Fe₂O₃, CoFe₂O₄), jeweils mit hoher Sättigungsmagnetisierung.

Eisenoxide dominieren die Forschung. Es sind insgesamt acht Eisenoxide bekannt; als besonders vielversprechend gelten Hämatit (α-Fe₂O₃), Magnetit (Fe₃O₄) und Maghemit (γ-Fe₂O₃). Magnetit ist ein Ferrimagnet mit einem kubischen Spinellgitter; seine Curie-Temperatur liegt nach Literaturwerten bei etwa 858 K (rund 585 °C) und damit weit oberhalb der Raumtemperatur. Mehr dazu auf der Seite Eisenoxid-Nanopartikel.

„Eisen-Nanopartikel“ im engeren Sinn bestehen aus metallischem Eisen. Sie sind magnetisch stärker, aber ohne Schutz anfällig: Der Schutz vor Korrosion zählt nach einer Übersichtsarbeit in Angewandte Chemie (2007) zu den größten Herausforderungen und wird durch Hüllen aus Tensiden oder Polymeren, durch Silica oder Kohlenstoff oder durch Einbetten in eine Matrix gelöst.

Hüllen und Funktionalisierung

Die Hülle erfüllt mehrere Aufgaben zugleich. Sie verhindert Verklumpung und Ausfällung, schützt vor Korrosion und macht die Partikel in Wasser dispergierbar. Eisenoxidpartikel aus der thermischen Zersetzung metallorganischer Vorstufen sind zunächst hydrophob und brauchen dafür eine Oberflächenmodifikation, etwa einen Ligandenaustausch.

Häufig genutzte Hüllmaterialien sind Polyethylenglykol (PEG), Dextran, Chitosan, Lipide oder Proteine sowie anorganische Schichten wie Silica. Silica ist biokompatibel, liefert stabile Suspensionen und erlaubt anschließend die Anbindung weiterer Gruppen über Alkoxysilane. Ein Beispiel aus der Literatur sind 9 nm große Fe₃O₄-Partikel, deren Oleat-Hülle gegen dopaminterminiertes Polyethylenglykol ausgetauscht wurde; sie verklumpten in Wasser und in physiologischer Umgebung nicht. Auch Mehrkernpartikel sind üblich: Cluster aus kleinen Kernen von etwa 10 nm, eingebettet in eine Polymermatrix, mit Gesamtgrößen von 20 bis 100 nm.

Wichtige Eigenschaften

Die Eigenschaften magnetischer Nanopartikel hängen stark von Größe, Form und Oberfläche ab.

Magnetisches Moment. Es ist das Produkt aus Magnetisierung und Kernvolumen. Je größer der Kern, desto größer das Moment, und desto stärker sind Signal und Kraft in Anwendungen.

Oberflächeneffekte. In der Oberflächenschicht ist die Spinordnung gestört. Bei Nanopartikeln führt das dazu, dass die Sättigungsmagnetisierung kleiner und die Anisotropie größer ausfällt als beim kompakten Material.

Superparamagnetismus. Unterhalb einer kritischen Größe klappt die Magnetisierung eines Partikels durch thermische Energie ständig um. Ohne Feld ergibt sich im Mittel null; im Feld richten sich die Momente aus. Für Eisenoxid nennt eine Übersicht aus dem Jahr 2015 eine Größe unter etwa 15 nm bei Raumtemperatur; andere Arbeiten nennen für isometrische Magnetit-Partikel rund 30 nm. Die Grenze hängt von Material, Form und Messbedingungen ab. Das ist wichtig, weil solche Partikel ohne Feld nicht zusammenhaften. Das Phänomen erklärt der Artikel Superparamagnetismus.

Größenverteilung. Reale Proben enthalten Partikel unterschiedlicher Größe; die Verteilung beeinflusst Magnetisierung, Relaxation und Heizleistung.

Wie steuert ein Magnet die Partikel?

Ein Magnetfeld kann auf drei Arten wirken, und die Unterschiede sind wichtig.

1. Ausrichten. Ein homogenes Feld ordnet die magnetischen Momente. Es zieht die Partikel aber nicht in eine Richtung.
2. Anziehen. Eine Translationskraft entsteht nur in einem Feldgradienten. So lassen sich Partikel an einem Magneten sammeln, etwa bei der Abtrennung von Zellen oder Biomolekülen. Wie gut das gelingt, hängt von den magnetischen Eigenschaften der Partikel, von Feldstärke und Gradient und, im Körper, vom Blutfluss ab.
3. Erwärmen. Im magnetischen Wechselfeld erzeugen die Partikel Wärme, durch Néel- und Brown-Relaxation und, bei größeren Partikeln, durch Hystereseverluste. Bei superparamagnetischen Partikeln ohne Restmagnetisierung tragen vor allem die beiden Relaxationsprozesse zur Wärme bei.

Hinzu kommt der Einfluss auf Kernspinsignale: Magnetische Nanopartikel verkürzen die transversale Relaxationszeit des Wassers in ihrer Umgebung und werden deshalb als T₂-Kontrastmittel untersucht.

Anwendungen im Überblick

Die folgende Tabelle ordnet die Forschungsfelder, die auf dieser Website einzeln beschrieben sind. Sie beschreibt Prinzipien, keine Wirksamkeit oder Zulassung. In der Spalte „Stand“ steht nur, was sich allgemein sagen lässt; den geprüften Entwicklungsstand nennt jeweils die verlinkte Seite.

Grenzen und offene Fragen

Magnetische Nanopartikel sind kein Allheilmittel, und die Grenzen sind gut dokumentiert.

• Verklumpung. Größere Partikel mit Restmagnetisierung agglomerieren auch mit Polymerhülle ohne Feld. Erreichen die Agglomerate die Größe roter Blutkörperchen (rund 6 µm), besteht nach der Übersicht zur Nanomedizin das Risiko, dass sie Blutgefäße verlegen. Deshalb werden Mehrkernpartikel und superparamagnetische Partikel bevorzugt.
• Stabilität. Reine Metalle oxidieren; Hüllen können sich ablösen oder verändern.
• Reichweite. Die Kraft eines externen Magneten fällt mit dem Abstand; für Anwendungen tief im Körper bleibt die Zielführung eine Herausforderung.
• Reproduzierbarkeit. Größenverteilung und Oberfläche müssen messbar und kontrollierbar sein. Siehe Charakterisierung.
• Sicherheit. Die Verträglichkeit hängt von Material, Hülle, Dosis und Anwendung ab und wird im Artikel Sicherheit von Nanopartikeln behandelt.

Bezug zu MAG(NET)ICFUN

Das EU-Forschungsnetzwerk MAG(NET)ICFUN (Förderkennzeichen 290248, Laufzeit Oktober 2012 bis Januar 2017) trug den Titel „Funktionalisierte magnetische Nanopartikel und ihre Anwendung in Chemie und Biomedizin“. Nach dem Eintrag in der CORDIS-Datenbank war das Ziel, funktionalisierte magnetische Nanopartikel als Plattformen für Katalyse, Umweltchemie und Biomedizin zu entwickeln. Dazu gehörte die Synthese beschichteter Partikel mit Metall- und Metalloxidkernen und Hüllen aus Graphen, Silica oder Polymer sowie die kovalente und nichtkovalente Funktionalisierung.

Im Abschlussbericht, den das Netzwerk selbst verfasst hat, werden als Anwendungen unter anderem die Entfernung von Quecksilber aus Wasser, DNA-basierte Nano-Markierungen, die nanomagnetische Gentransfektion und Nanowürfel für die CO-Oxidation genannt. Die Forschungsfelder dieser Website bilden diese Bandbreite ab. Weitere Fakten zum Projekt stehen im Projektarchiv.

Wie es weitergeht

Der nächste Schritt ist das Phänomen, das viele Anwendungen erst ermöglicht: Warum verlieren sehr kleine magnetische Partikel ihre Magnetisierung, sobald das Feld verschwindet? Die Antwort gibt der Artikel Superparamagnetismus.