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磁性納米粒子因其生物相容性、可調節的表面化學性質和使用外加磁場的驅動而在生物醫學應用中受到關注。
磁性納米粒子通過實體粒子旋轉或内部偶極重新定向對時變磁場做出響應，這可以導緻信号産生或磁能轉化為熱量。
這種動态磁化響應使它們能夠用作磁性粒子成像(MPI)中的示蹤劑，這是一種新興的生物醫學成像模式，其中信号是示蹤劑品質的定量，并且沒有組織背景信号或信号衰減。
磁能到熱能的轉換推動了納米尺度熱癌症治療、藥物釋放的磁驅動以及冷凍儲存器官的快速複溫的使用。
本文介紹了磁性納米粒子對時變磁場響應的基本概念，并介紹了該領域的最新進展，重點介紹了MPI和磁能轉化為熱能。
磁性納米粒子是在已建立的和新興的生物醫學應用中感興趣的功能納米材料。
它們可以通過使用施加的恒定和動态磁場來操縱，并且它們對這些磁場的響應能夠實作廣泛的應用。
關于磁性納米粒子的生物醫學應用的幾篇綜述集中在它們作為磁共振(MR)成像的造影劑的用途，在組織修複的應用中。
以及對抗細菌和病毒感染在這篇綜述中，我們關注新興的生物醫學應用，這些應用依賴于磁性納米粒子對時變磁場的響應。
在磁性粒子成像(MPI)中，可以基于磁性納米粒子對交變磁場(AMF)和選擇磁場梯度通過使用更高振幅和頻率的AMF。
可以使磁性納米粒子将磁場能量轉化為熱量，該熱量被傳遞到它們的周圍這種現象使得諸如納米級熱癌症治療，藥物輸送的遠端啟動，以及冷凍儲存器官的快速體積複溫這些令人興奮的新興生物醫學應用将在下面進一步讨論。
磁性納米粒子的一個吸引人的特征是它們從實驗室到臨床的轉化記錄。
美國美國食品藥品監督管理局準許氧化鐵磁性納米顆粒用于治療成人缺鐵性貧血)并被臨床醫生用作标示外MR成像造影劑歐洲藥品管理局準許使用氧化鐵磁性納米顆粒作為MR造影劑磁性納米顆粒在歐洲也被準許用于膠質母細胞瘤的熱治療，并且在美國正在研究用于間質性前列腺癌的治療。
氧化鐵磁性納米粒子的臨床應用為目前尋求利用這些材料獨特磁性的生物醫學研究鋪平了道路。
磁性納米粒子可以由各種具有可調尺寸和形态的材料和成分制成，這反過來決定了它們與應用相關的實體和磁性能。
然而，對于需要與細胞或組織長期接觸的生物醫學應用，毒性和生物相容性是首要考慮的這通常将組合物限制為氧化鐵形式的磁鐵礦(Fe3O4)和磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)。
以及替代鐵氧體納米顆粒的子集，公式為Mx（英國）繼續教育3−xO4，那裡的金屬M沒有明顯的毒性。
例如錳、鎳或鋅錳鐵氧體在臨床前研究中顯示出生物相容性，而鎳和鋅鐵氧體在體外低劑量時無毒。
超順磁性納米粒子可以通過使用生物相容性聚合物進行表面改性而分散到水溶液中，進而産生适用于生物醫學應用的鐵磁流體。
在配制用于生物醫學應用的磁性納米粒子時，避免由于範德華力和磁力可以對磁性納米粒子進行表面改性，以提高表面活性、增強實體化學性質和改善生物相容性生物相容性表面塗層可以由聚合材料[例如。
聚乙二醇(PEG)、葡聚糖、聚乳酸表示“聯合的”乙醇酸)和殼聚糖]和非聚合材料(例如，表面活性劑和脂肪酸、二氧化矽、金)。
顯示了磁性納米粒子的典型配置，包括單核磁性納米粒子、聚合物納米複合材料、磁性脂質體和磁性膠束。
這些塗層可以通過使用用于主動靶向的靶向配體/蛋白質(例如乳鐵蛋白、轉鐵蛋白、白蛋白和TAT肽)來功能化這些納米顆粒還可以與熒光團結合用于光學成像，并裝載治療藥物以增加體内循環并減少副作用。
其他綜合評論解釋了無機納米粒子的生物功能化和表面化學，蛋白質電暈形成對生物命運的影響，以及納米粒子塗層對納米生物互相作用的影響
在這篇綜述中，我們基于磁性納米粒子對磁場的響應來讨論其新興的生物醫學應用。
具體來說，我們涵蓋(a)信号生成和(b)散熱通過磁性納米粒子響應時變磁場，以及它們在生物醫學中的相關應用。
我們簡要讨論了每一類氧化鐵磁性納米粒子的行為，以及這些特定的磁響應如何用于新興的生物醫學應用。
磁性納米粒子具有重要的實際意義，因為它們對磁場有所謂的超順磁性響應，這種響應源于納米尺度磁疇内的磁性有序化。
在足夠小的尺寸下，諸如磁鐵礦和其他鐵氧化物的磁性材料表現為單疇磁體，由此各個磁性原子的磁偶極矩一緻作用，磁矩比各個原子的磁矩大幾個數量級。
這就産生了術語超順磁性。
通常，磁矩相對于晶軸(所謂的易磁化軸)有優選的取向。
為了改變磁矩的方向，必須克服能壘(即磁各向異性)，這可能是由于晶體性質(即磁晶各向異性)、形狀和表面效應而産生的。
簡而言之，磁性納米粒子對外加磁場的響應取決于磁場能量、熱能和磁各向異性之間的平衡。
超順磁性對應于一種狀态，其中納米粒子晶體中偶極矩旋轉的能壘遠小于熱能，允許單疇粒子的磁偶極子快速轉換方向。
由于磁偶極子的快速随機重新定向，超順磁性納米粒子在沒有磁場的情況下顯示零磁化，但是在相對小的磁場下容易被磁化。
這導緻沒有磁滞現象的可逆磁化行為(零剩磁和矯頑力)在低磁場下，磁化強度随磁場線性增加，磁化率比典型的順磁性材料大幾個數量級。
随着磁場的增強，磁化最終飽和，産生所謂的飽和磁化。
磁鐵礦和磁赤鐵礦在納米尺度上表現出超順磁性和92 Am的高飽和磁化強度2/kg和76 Am2293 K時的/kg分别為。
當單疇磁性納米粒子受到時變磁場時，粒子磁矩可以通過兩種不同的機制響應，内爾弛豫或布朗弛豫。
在内爾弛豫中，磁矩将在粒子晶體結構内旋轉。
相比之下，在布朗弛豫中，磁偶極子在晶體結構内是固定的，整個粒子将響應AMF了解布朗弛豫和内爾弛豫對磁場的相對貢獻對于獲得針對每種應用的優化設計的納米粒子是重要的超順磁性氧化鐵(SPIO)納米粒子由于其穩定的生理條件、可忽略的毒性和高磁矩。
MPI是一種新興的無創斷層成像技術，可以直接檢測SPIO納米粒子示蹤劑。
飛利浦研究實驗室在2001年發明了磁共振成像；格利希-韋澤内克公司2005年報道了第一套系統；Bruker BioSpin和Magnetic Insight分别從2013年和2016年開始提供商業掃描器。
臨床掃描器正在緊張開發中，2019年報告了第一個原型迄今為止，MPI的大部分研究都集中在硬體和軟體開發上，而功能掃描器原型和商用臨床前掃描器的開發為最近在廣泛的生物醫學應用中利用MPI的工作鋪平了道路。
下面我們回顧一下MPI的最新應用。
在MPI中，頻率通常為20–45 kHz、振幅為10–16 mT的均勻AMF與選擇磁場梯度疊加，産生快速掃過視場(FOV)的無場區(FFR)FR處的選擇磁場梯度很強(3–7t/m)。
是以，選擇磁場梯度的大小可以使FFR之外的SPIOs磁飽和。
由于FFR中的SPIOs通過偶極重新定向對AMF産生響應，進而産生由FOV周圍的拾波線圈測量的信号，是以産生了磁性納米粒子分布的圖像。
相比之下，FFR之外的SPIOs處于飽和狀态，對AMF沒有明顯反應。
由于AMF和拾波線圈之間的直接耦合，SPIO磁化響應的基頻不能被可靠地測量。
是以，MPI依賴于納米粒子的非線性磁化響應，産生更高次的諧波。
因為拾取線圈中産生的信号與FFR中spio的品質成比例，是以所建構的圖像提供了FOV中spio分布的定量圖像因為正常組織缺少在AMF的頻率和振幅下具有必需的非線性磁化響應的超順磁成分。
是以在MPI中沒有組織背景信号此外，AMF的組織衰減和由此産生的SPIO磁化可以忽略不計。
是以，MPI不會受到組織衰減的影響。
重要的是要強調MPI中的信号生成機制不同于MR成像中SPIOs的對比度生成機制。
MR使用均勻的外部磁場(0.2–7T)來排列組織中質子的磁矩。
組織質子弛豫對磁場和無線電波的差異被用于生成詳細的解剖圖像。
SPIOs通過在組織質子經曆的磁場中引入局部不均勻性而在MR成像中産生對比度。
其結果是在SPIOs聚集的區域産生低強度或負的對比信号。
這些特征使得使用MR成像來可靠地量化SPIO濃度變得困難。
此外，因為其他解剖特征可以導緻類似于SPIOs的低強度信号，是以可靠地識别樣本中SPIOs的位置需要預先知道所讨論組織的MR信号。
最後，MR成像和MPI中信号産生的不同實體機制表明，針對MR成像優化的spio不一定适合MPI，這強調了針對MPI靈敏度和分辨率定制的新spio的需求。
盡管依賴于相同的基本硬體和實體原理，但是在MPI中使用了兩種主要的圖像重建方法。
在諧波空間中，MPI使用通過計算示蹤劑時間相關磁化的傅立葉變換獲得的諧波振幅。
以生成具有FOV内示蹤劑位置的光譜響應的系統矩陣，随後使用矩陣求逆技術諧波空間MPI的SPIO示蹤劑性能的特征在于在類似于用于采集MPI圖像的條件下獲得示蹤劑諧波譜在x空間MPI中。