钼掺杂La0.7Sr0.3MnO3纳米颗粒：调控磁性与热效应以实现自限式磁热疗

《RSC Advances》：Molybdenum-doped La 0.7Sr 0.3MnO 3 nanoparticles: tuning magnetic and heating properties for magnetic hyperthermia

本研究针对传统磁热疗材料缺乏精准温控易导致组织过热损伤的问题，开展了钼（Mo）掺杂La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)纳米颗粒的合成与性能研究。通过甘氨酸-硝酸盐自燃烧法成功制备了不同掺杂量（x = 0.10, 0.15, 0.20）的纳米颗粒，系统分析了其结构、磁性和交流磁热效应。结果表明，Mo掺杂可有效调控居里温度（TC）在290-350 K范围，并赋予材料显著的自限式加热行为，在交变磁场下加热曲线呈现先快速升温后趋于平台的特征。特定吸收率（SAR）值在中度掺杂时达到最佳（~16 W g-1）。该研究为开发安全高效的自调控磁热疗剂提供了新策略。

　　

在癌症治疗领域，磁热疗作为一种局部热疗技术，展现出独特的应用前景。其基本原理是将磁性纳米颗粒靶向递送至肿瘤组织，随后在交变磁场作用下，纳米颗粒通过磁滞损耗等机制产生热量，选择性杀伤癌细胞。然而，该技术的临床转化面临一个关键挑战：常规磁性材料如四氧化三铁（Fe₃O₄）的居里温度（Curie temperature, T_C）极高（约823 K），在治疗过程中无法实现温度的自我限制。一旦纳米颗粒在肿瘤内分布不均，极易导致局部过热，对周围健康组织造成不可逆损伤。因此，开发具有适宜T_C（理想范围为42-46°C，即315-319 K）的“智能”磁性材料，使其在达到治疗温度后自动失去磁性并停止产热，是实现安全有效磁热疗的核心难题。

钙钛矿型锰氧化物La_1-xA_xMnO₃（A = Sr, Ba, Ca）因其可调的T_C和增强的磁各向异性而受到广泛关注。其中，La_0.7Sr_0.3MnO₃(LSMO) 尤为突出，通过调节掺杂水平，可将其T_C精确设定在治疗窗口内。与超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）相比，LSMO纳米颗粒在交变磁场（Alternating Magnetic Field, AMF）下能高效产热，并具备固有的自限式加热行为，即温度接近T_C时，材料从铁磁态转变为顺磁态，产热能力急剧下降，从而防止过热。此前的研究多集中于钛（Ti）、锆（Zr）或钆（Gd）等掺杂元素，而钼（Mo）掺杂因其独特的混合价态（Mo⁴⁺/Mo⁶⁺）和其对锰（Mn）位点双交换作用（Double Exchange）的显著影响，为更精确、连续地调控T_C和自限加热行为提供了新途径。在此背景下，由Jihed Makni、Kalthoum Riahi、Mayssa Yengui和Wissem Cheikhrou-Koubaa组成的研究团队在《RSC Advances》上发表了他们的最新研究成果，系统探讨了Mo掺杂对LSMO纳米颗粒的结构、磁性及磁热性能的影响。

为开展此项研究，作者主要应用了几项关键技术方法：采用甘氨酸-硝酸盐自燃烧法（Glycine-Nitrate Process, GNP）合成La_0.7Sr_0.3Mn_1-xMo_xO₃(x = 0.10, 0.15, 0.20)纳米颗粒；利用X射线衍射（XRD）及Rietveld精修进行物相和晶体结构分析；通过扫描电子显微镜（SEM）观察颗粒形貌与尺寸分布；采用振动样品磁强计（VSM）进行静态磁学测量（包括磁化强度-温度曲线和磁滞回线）；最后，使用商用磁流体热疗测量系统在特定场强（30 mT）和频率（119, 203, 313 kHz）下测量交流磁热效应，并通过Box-Lucas模型拟合加热曲线计算特定吸收率（Specific Absorption Rate, SAR）和本征损耗功率（Intrinsic Loss Power, ILP）。

结构表征

X射线衍射图谱确认所有样品的主晶相均为菱方钙钛矿结构（空间群R3?c），但随着Mo含量增加，副相La₂Mo₃O₁₂和SrCO₃的比例上升，主相比例从x=0.1时的88%降至x=0.2时的62%，表明Mo在LSMO晶格中的固溶度存在上限。Rietveld精修显示晶格参数和晶胞体积随掺杂量增加略有变化，戈尔德施密特容忍因子（t）从0.9619（x=0.1）减小至0.9453（x=0.2），反映了Mo⁶⁺取代Mn⁴⁺引起的晶格畸变。扫描电镜分析表明，平均颗粒尺寸随Mo含量增加而显著减小，从x=0.1时的~226 nm降至x=0.2时的~105 nm，这归因于Mo引入的晶格应变抑制了晶粒生长。

磁性表征

磁学测量显示所有样品均表现出铁磁-顺磁转变。居里温度T_C随Mo含量增加呈现非单调变化：x=0.1时T_C为340 K，x=0.15时略微升高至350 K，而x=0.2时则显著降低至290 K。饱和磁化强度（M_sat）随Mo含量增加而降低，从x=0.1时的29.44 emu g^-1急剧下降至x=0.2时的2.43 emu g^-1，这主要是由于非磁性的Mo⁶⁺离子稀释了Mn³⁺-O-Mn⁴⁺双交换作用通路。矫顽力（H_c）在所有组分中保持相对恒定（~0.064 T），表明Mo掺杂主要影响磁化强度而非磁各向异性。Arrott图分析证实了所有样品的磁相变均为二级相变。

交流磁热疗

在交变磁场（30 mT）下的加热实验表明，所有样品均表现出自限式加热行为：温度初始快速上升，随后在接近其各自T_C时达到平台期。特定吸收率（SAR）值表现出对Mo含量和磁场频率的依赖性。在313 kHz频率下，x=0.10和x=0.15的样品表现出较高的SAR值（分别为~14 W g^-1和~16 W g^-1），而x=0.20样品的SAR值较低（~7 W g^-1）。本征损耗功率（ILP）的变化趋势与SAR一致。值得注意的是，当前系列样品的T_C（290-350 K）均高于理想治疗窗口（315-319 K），因此它们表现出的是“自限式”加热（加热在T_C附近受限），而非“自调控”加热（T_C精确位于治疗窗口内）。

结论与讨论

本研究成功通过甘氨酸-硝酸盐法合成了系列Mo掺杂LSMO纳米颗粒，并系统阐明了Mo掺杂对其结构、微观结构、磁性和磁热性能的调控规律。研究表明，Mo的引入能有效降低颗粒尺寸，并通过破坏Mn³⁺-O-Mn⁴⁺双交换作用和改变Mn³⁺/Mn⁴⁺比例，实现T_C从350 K至290 K的连续调控。所有样品在交变磁场下均表现出固有的自限式加热特性，其中中等掺杂水平（x=0.10, 0.15）的样品在保持可观SAR值的同时，具备了温度自限制能力，显示出作为磁热疗剂的潜力。然而，要实现真正意义上的自调控加热（即T_C落在41-46°C治疗窗内），仍需对Mo掺杂量、颗粒尺寸和表面性质进行更精细的优化。该工作不仅证实了Mo掺杂LSMO纳米颗粒在磁热疗应用中的可行性，也为后续开发更安全、更智能的热疗材料提供了重要的理论依据和实验基础。未来的研究可聚焦于进一步将T_C精确调控至治疗窗口，并探索其在生物体内的相容性与热疗效能。