第一作者：Yuehao Gan、Jia Zhang

通讯作者：Guilong Zhang、Zhengyan Wu

通讯单位：滨州医学院、中国科学院

研究内容： 

磁性氧化铁纳米颗粒(MIONs)广泛用于T₂加权磁共振成像(MRI)造影剂，主要包括单畴纳米晶体(SMIONs)和多畴纳米团簇(MMIONs)。多畴磁性氧化铁纳米团簇(MMIONs)作为磁共振成像(MRI)造影剂面临铁磁性强、T₂造影剂能力弱的问题。Gd离子的掺杂可能通过降低铁磁性和增强横向弛豫性(r₂)来解决这些问题，但掺杂在对比度调节中的确切作用尚不清楚。为解决这一问题，本文研究人员制备了一系列原子精确的Gd_xFe_3-xO₄纳米团簇，并系统地研究了Gd掺杂对其形貌、磁性能和r₂值的影响。 Gd离子掺杂后，Gd_xFe_3-xO₄纳米团簇的比表面积显著增加，同时，Gd_xFe_3-xO₄纳米团簇的磁性由铁磁性转变为超顺磁性，导致T₂对比度增强。具体来说，r₂值最高为488 mM^-1s^-1 (7.0 T) Gd_0.072Fe_2.928O₄纳米,高四倍比原始Fe₃O₄(110 mM^-1s^-1)。对于潜在的应用程序,我们的优秀的对比验证Gd_0.072Fe_2.928O₄纳米(r₂ = 481 mM^-1s^-1 7.0 T)诊断早期原位老鼠体内的癌细胞蔓延。这项工作为原子精确Gd掺杂MMIONs作为有效的T₂加权MRI造影剂的发展开辟了一条新途径。

示意图1：本文中的实验示意图。

要点一： 

本文系统地探讨了Gd掺杂对MMION T₂对比性能的影响，发现了一些具有代表性的规律。 结果表明，Gd的掺杂能有效地调控磁性能、晶体结构、尺寸和形貌。 Gd掺杂水平越高，Gd_xFe_3-xO₄纳米团簇的超顺磁性越好，比表面积越大。 Gd掺杂量与Gd_xFe_3-xO₄纳米团簇的尺寸、磁化率和结晶率成反比。 低磁化强度会减弱Gd_xFe_3-xO₄纳米团簇在内局部磁场的均匀性，但其超顺磁性和高比表面积会促进水分子在磁芯周围的接触效率和分布。 

要点二：

根据DFT计算，推测Gd的掺杂主要发生在低掺杂含量的八面体位上，而高掺杂含量的八面体位上这可以解释Gd_xFe_3-xO₄纳米团簇的物理化学性质和r₂值的变化。本文优化了Gd_xFe_3-xO₄纳米团簇的Gd掺杂比例，平衡了其磁化强度、比表面积和超顺磁性之间的关系，从而获得了最优的T₂对比性能。 此外，确定的Gd_xFe_3-xO₄纳米团簇在体内外均表现出良好的生物相容性，可有效用于癌症的准确诊断。 因此，本研究有助于我们站在通过掺杂行为优化造影剂性能的立场，为临床开发高性能MR造影剂奠定良好的基础。 

 图1： (a) Gd_xFe_3-xO₄的高倍率TEM图像(x为0 ~ 0.108);(b) Gd_xFe_3-xO₄ (x = 0.056)的高分辨率透射电镜;(c)暗场Gd_xFe_3-xO₄ (x = 0.108)的Fe(红色)、O(蓝色)、Gd(绿色)元素映射分析。

图2: Gd_xFe_3-xO₄的物理化学性质表征。(a) Gd_xFe_3-xO₄的实际粒径和(b)水动力粒径(x为0 ~ 0.108);(c)全XPS光谱，(d) Gd_xFe_3-xO₄的XPS Fe2p峰和(e) Gd4d峰(x = 0、0.018、0.056、0.091和0.108);(f) Gd_xFe_3-xO₄的红外光谱(x = 0、0.018、0.056、0.091和0.108);(g)和(h) Gd_xFe_3-xO₄的N₂吸附和解吸曲线(x为0 ~ 0.108);(i) Gd_xFe_3-xO₄的比表面积随Gd浓度的增加而变化(x从0到0.108)。

图3：(a)优化的晶体结构，(b) Gd掺杂Fe₃O₄纳米团簇四面体位置的电荷密度和(c) Gd掺杂Fe₃O₄纳米团簇的态密度，(d)优化的晶体结构，(e)电荷密度和(f) Gd掺杂Fe₃O₄纳米团簇八面体位置的态密度;(g)和(h) Gd_xFe_3-xO₄的XRD谱(x从0到0.108)。

图4： (a)外磁场作用下尖晶石结构中金属离子自旋排列示意图;(b)和(c) Gd_xFe_3-xO₄的M-H曲线(x从0到0.108);(d)随着Gd掺杂水平的增加，Gd_xFe_3-xO₄的最大磁化强度和(e)阻塞温度变化;(f)和(g) Gd_xFe_3-xO₄ (x从0到0.108)在−200 Oe到200 Oe范围内的放大磁滞回线;(h) Gd_xFe_3-xO₄的剩余物和(i)矫顽力随Gd掺杂水平的增加而变化。

图5：(a) HeLa细胞和(b) THLE 3细胞与Gd_xFe_3-xO₄共孵育24小时的细胞存活率;主要血常规包括(c)白细胞，(d)嗜碱性粒细胞，(e)嗜酸性粒细胞，(f)淋巴细胞，(g)单核细胞和(h)中性粒细胞,(i)大鼠的红细胞测定静脉注射Gd_xFe_3-xO₄ (x = 0和0.018)24 h。

参考文献

Y. Gan, J. Zhang, S. Lei, M. Yan, W. Xie, X. Qi, H. Wang, J. Xiao, S. Chen, S. Li, G. Tian, G. Zhang, Z. Wu, Atomically precise multi-domain Gd_xFe_3-xO₄ nanoclusters with modulated contrast properties for T₂-weighted magnetic resonance imaging of early orthotopic cancer, Chemical Engineering Journal, 429 (2022) 132255.