Die innere Struktur von Eisenoxid-Nanopartikeln

Eisenoxid-Nanopartikel werden oft in der Medizintechnik eingesetzt – als Kontrastmittel für Magnetresonanztomographen oder als Transportmittel für Medikamente in der Blutbahn, zum Beispiel in der Tumortherapie. Sie müssen biokompatibel sowie superparamagnetisch sein. Dazu müssen die Partikel im Magnetfeld stark magnetisierbar sein und ohne Magnetfeld ihre Magnetisierung verlieren. Wie man die besonderen magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel durch Mikrostrukturdesign weiter verbessern kann, hat ein Team der TU Bergakademie Freiberg mit analytischer hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie untersucht.

Das Wissen um die genaue Struktur der Eisenoxid-Nanopartikel hilft dabei, ihren Herstellungsprozess gezielt zu optimieren und ihre magnetischen Eigenschaften zu verbessern. Wie stark sich die zwischen 20 und 30 Nanometer großen Partikel magnetisieren lassen, hängt davon ab, wie ihre einzelnen Kerne zueinander orientiert sind. Ein Partikel besteht dabei aus mindestens zwei nanokristallinen Kernen mit einer Hülle, die nicht zu den magnetischen Eigenschaften beiträgt.

Wie gut sind die Kerne zueinander ausgerichtet?
„Der aktuelle Stand der Forschung ging bisher davon aus, dass eine starke Ausrichtung magnetischer Momente in mehrkernigen Eisenoxid-Nanopartikeln durch die gleiche kristallografische Orientierung einzelner Kerne ermöglicht wird. Die Analysen zeigten nun aber, dass das nicht der Fall ist“, sagt Stefan Neumann, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Bergakademie Freiberg und Erstautor der Veröffentlichung. „Auch andere spezifische kristallografische Orientierungsbeziehungen können die magnetische Wechselwirkung fördern. Zufällig ausgerichtete Kerne sorgen jedoch dafür, dass die magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel schlechter sind“, erklärt Stefan Neumann weiter.

„Um Eisenoxid-Nanopartikel für künftige Anwendungen in der Medizin gezielt herstellen zu können, brauchen wir das Wissen um ihre innere Struktur“, sagt Co-Autor Prof. David Rafaja, Leiter des Instituts für Werkstoffwissenschaft der TU Bergakademie Freiberg. „Während der Herstellung bilden sich zuerst einzelne Kerne. Plant man dabei mehr Zeit für die optimale Ausrichtung der Kerne zueinander ein, können die magnetischen Eigenschaften noch weiter verbessert werden.“

DFG-Schwerpunktprogramm untersucht Feinstpartikel
Die Ergebnisse wurden im von der DFG geförderten Schwerpunktprogramm „MehrDimPart – Hochspezifische mehrdimensionale Fraktionierung von technischen Feinstpartikelsystemen“ gewonnen. Ziel der Forschungen ist es, technologische Ansätze zu entwickeln, die es ermöglichen, hochspezifische und technologisch relevante Partikelsysteme mit gewünschten Eigenschaften kontrolliert erzeugen zu können.

An der aktuellen Publikation sind neben dem Team der TU Bergakademie Freiberg auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie beteiligt. Bei den durchgeführten Untersuchungen handelt es sich um Grundlagenforschung zur Struktur der Nanopartikel, deren Ergebnisse zur optimierten Herstellung der Teilchen verwendet werden können. Eine toxikologische Bewertung der Teilchen für den potenziellen Einsatz in der Medizin wurde im Rahmen dieser Studie nicht durchgeführt.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Scientific Reports.
Originalpublikation: Neumann, S., Kuger, L., Arlt, CR. et al. Influence of the hierarchical architecture of multi-core iron oxide nanoflowers on their magnetic properties. Sci Rep 13, 5673 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31294-4