Eficiência de aquecimento de nanopartículas magnéticas cilíndricas de estado de triplo vórtice

Resumo

Um método bem estabelecido para o tratamento de tumores cancerígenos é a hipertermia magnética, que usa calor localizado gerado pelo mecanismo de relaxamento de nanopartículas magnéticas (MNPs) em um campo magnético alternado de alta frequência. Neste trabalho, investigamos a eficiência de aquecimento de MNPs NiFe cilíndricos, fabricados por eletrodeposição pulsada assistida por gabarito combinada com corrosão química diferencial. A geometria cilíndrica do MNP permite a formação do estado de triplo vórtice, o que aumenta em quatro vezes a eficiência de geração de calor. Usando medições calorimétricas dependentes do tempo, a taxa de absorção específica (SAR) dos MNPs foi determinada e comparada com os cálculos numéricos de simulações micromagnéticas e medições de magnetômetro de amostra vibratória. A reversão da magnetização de MNPs de alta razão de aspecto mostrou maior magnetização remanente e baixa suscetibilidade de campo levando a maiores perdas de histerese, o que se refletiu em maiores valores de SAR experimentais e teóricos. A dependência do SAR na intensidade do campo magnético exibiu pequenos valores de SAR em campos magnéticos baixos e satura em campos magnéticos altos, o que está correlacionado ao campo coercitivo dos MNPs e uma característica dos MNPs ferromagnéticos. A otimização de NiFe MNPs cilíndricos terá um papel fundamental na produção de alto desempenho de aquecimento e agentes de hipertermia magnética biocompatíveis.

Introdução

As aplicações de nanopartículas magnéticas (MNPs) têm sido extensivamente pesquisadas em campos biomédicos, como destruição de células magneto-mecânicas [1,2,3,4], imagem por ressonância magnética [5,6,7], distribuição de drogas [8,9 , 10] e hipertermia magnética [11,12,13,14], para compensar as desvantagens dos métodos atuais de diagnóstico e terapia. A maior vantagem dos MNPs é que eles podem ser controlados remotamente por um campo magnético externo. A resposta magnética resultante pode ser na forma de dissipação de calor ou torque magnético, que é dependente da configuração do campo magnético aplicado e da dinâmica de magnetização dos MNPs [15].

No entanto, diferentes aplicações biomédicas requerem mecanismos de rotação específicos em diversas configurações de campo magnético. Biossensores para biomarcadores de câncer usam espectroscopia magnética do movimento browniano dos MNPs para medir a fração ligada e os tempos de relaxamento dos MNPs em segundos [16]. Em imagens de partículas magnéticas para quantificar as concentrações de MNP, ele requer relaxamento Néel dos MNPs, enquanto o relaxamento Browniano, causado por distribuições de tamanho de MNPs, deve ser minimizado [17]. Os dois mecanismos que existem para os processos de relaxamento dos MNPs são os relaxamentos Néel e Browniano, que resultam na dissipação de calor ou na rotação espacial dos MNPs. A relaxação de Néel está correlacionada à reorientação do momento magnético MNP para o campo magnético, enquanto a relaxação browniana está correlacionada à rotação espacial do MNP [18,19,20].

Néel ( t _N ) e browniano ( t _B ) o tempo de relaxamento é dado por:
$$ {t} _N ={t} _0 {e} ^ {\ frac {KV} {k_BT}} \; e \; {t} _B =\ frac {3 \ eta \; V} {k_BT} $$
onde η é o coeficiente de viscosidade, t ₀ é a frequência de tentativa inversa, K é a constante de anisotropia magnética, V é o volume de MNPs, k _B é a constante de Boltzmann, e T é a temperatura. Em princípio, o mecanismo mais rápido domina, mas tanto os mecanismos Néel quanto os brownianos podem ocorrer simultaneamente, acoplados por dissipação de calor e torque magnético [21]. O tempo de relaxamento efetivo ( t _eff ) É dado por:
$$ \ frac {1} {t_ {eff}} =\ frac {1} {t_B} + \ frac {1} {t_N} $$
Em MNPs menores, o mecanismo dominante é o relaxamento de Néel, enquanto para MNPs maiores é o relaxamento browniano. No relaxamento de Néel, a magnetização MNP muda de direção devido à reconfiguração de seu momento magnético e é dependente do tamanho do MNP e da temperatura. Enquanto em relaxamento browniano, os MNPs passam por uma rotação espacial e são dependentes de condições externas, como viscosidade e ligação química [22,23,24]. Portanto, é importante entender as contribuições desses mecanismos de relaxamento magnético, a fim de ajustar e adaptar o projeto dos MNPs para obter a geração ideal de calor para hipertermia magnética ou torque magnético para morte celular magneto-atuada.

A hipertermia magnética é uma técnica bem estabelecida de tratamento do câncer que emprega o uso de aquecimento localizado por MNPs sob um campo magnético alternado de alta frequência, para induzir a apoptose das células cancerosas e a regressão do tumor [3, 25,26,27]. Em um campo magnético alternado, o calor dissipado pelos MNPs em um ciclo de campo magnético é igual à área do ciclo de histerese A , dado por:
$$ A ={\ int} _ {- {H} _ {\ mathrm {max}}} ^ {+ {H} _ {\ mathrm {max}}} \; {\ mu} _0 \; M (H ) \; dH $$
onde M é a magnetização de MNPs, sob um campo magnético alternado com frequência f e amplitude μ ₀ H _max [28,29,30]. Para manter uma dose baixa de MNPs e uma curta duração do tratamento na hipertermia magnética, a eficiência de aquecimento dos MNPs deve ser maximizada. A medição do desempenho de aquecimento dos MNPs é conhecida como taxa de absorção específica (SAR), que é dada pelo calor dissipado por unidade de massa dos MNPs (Wg ^{- 1} ):
$$ \ mathrm {SAR} =\ frac {A \; f} {\ rho} $$
onde ρ é a densidade de MNPs.

A eficiência de dissipação de calor dos MNPs pode ser medida experimentalmente em termos de SAR, que é a energia dissipada por unidade de massa dos MNPs (Wg ^{- 1} ), e é fornecido por:
$$ \ mathrm {SAR} =C \ frac {\ varDelta T} {\ varDelta t} \ frac {1} {m _ {\ mathrm {MNP}}} $$
onde C é o calor específico do meio ( C _água =4,18 Jg ^{- 1} ° C ^{- 1} ), ΔT / Δt é a inclinação inicial do gráfico de tempo em relação à temperatura, e m _MNP é a massa dos MNPs. No entanto, os valores de SAR não são totalmente representativos da eficiência de aquecimento dos MNPs, pois a dissipação de calor também é influenciada pela frequência f e força do campo magnético H . Assim, a taxa de absorção específica efetiva ou potência de perda intrínseca (ILP) é usada para caracterizar a eficiência de aquecimento dos MNPs, dada por:
$$ \ mathrm {ILP} =\ frac {\ mathrm {SAR}} {H ^ 2f} $$
Em MNPs NiFe cilíndricos, um estado de vórtice triplo é formado, no qual vórtices no sentido horário e anti-horário são conectados no centro do MNP por meio de um terceiro núcleo de vórtice, resultando em uma configuração de magnetização tridimensional. A dissipação de calor teórica dos MNPs para aplicações de hipertermia magnética foi calculada a partir dos loops de histerese simulados e medições de magnetômetro de amostra vibrante. Usando medições calorimétricas dependentes do tempo, a taxa de absorção específica e o poder de perda intrínseca dos MNPs foram determinados e comparados com os cálculos numéricos.

Métodos

Fabricação de nanopartículas magnéticas

Eletrodeposição pulsada assistida por modelo com corrosão química diferencial é um método de fabricação simples e barato para produzir MNPs de várias composições, Ni, Fe ou Co. Ni ₈₀ Fe ₂₀ , Permalloy, é um material ferromagnético que exibe propriedades magnéticas excepcionais, como alta permeabilidade, baixa coercividade e magnetostrição quase nula. A fabricação de MNPs cilíndricos começa pelo crescimento de nanofios de NiFe cilíndricos modulados composicionalmente usando eletrodeposição pulsada assistida por modelo de óxido de alumínio anódico (AAO) em um banho de eletrólito consistindo de NiSO ₄ , FeSO ₄ , e H ₃ BO ₃ [31,32,33,34,35]. Posteriormente, os nanofios foram liberados pela dissolução do modelo AAO em NaOH. Finalmente, as regiões ricas em Fe nos nanofios foram quimicamente gravadas por diluição de HNO ₃ para formar os MNPs. O diâmetro dos MNPs foi determinado pelo tamanho do poro do modelo AAO, enquanto o comprimento foi controlado pelo pulso de alto potencial V _H duração Arquivo adicional 1.

Viabilidade celular

As células HeLa foram semeadas em placa de microtitulação de 12 poços em 8 × 10 ⁴ células / poço e incubadas em meio de Eagle modificado por Dulbecco suplementado com 4,5 g / L de glicose, 2 mM de L-glutamina, 10% de soro fetal bovino e 1% de penicilina / estreptomicina em uma atmosfera umidificada a 37 ° C e 5% de CO ₂ . A viabilidade celular foi determinada usando PrestoBlue, um reagente de viabilidade celular à base de resazurina permeável, que usa o poder redutor das células viáveis ​​para medir quantitativamente a proliferação celular. As células HeLa tratadas com 0,1 mg / ml de MNPs foram incubadas com o reagente PrestoBlue a 37 ° C e 5% de CO ₂ por 2 h. Os valores de absorvância a 570 nm e 600 nm foram medidos por Tecan Infinite M200 PRO Microplate Reader. A viabilidade celular foi expressa como uma porcentagem em relação às células não expostas aos MNPs. Cada experimento foi realizado em conjuntos quadruplicados de ensaios experimentais e de controle.

Análise estatística

Os resultados foram representados como média ± desvio padrão (DP). A significância estatística foi analisada usando uma análise de variância (ANOVA) com OriginPro, OriginLab. A p valor de <0,05 foi considerado estatisticamente significativo.

Simulações Micromagnéticas

As configurações de magnetização dos MNPs foram investigadas usando um programa de simulação micromagnética acelerada por GPU, MuMax3, para resolver a equação de Landau – Lifshitz – Gilbert (LLG) em três dimensões [36]. Essas simulações micromagnéticas forneceram insights sobre as configurações de magnetização do MNP em nível microscópico, que mostraram a correlação entre modelos analíticos e observações de resultados experimentais. A energia total de um sistema é descrita por:
$$ {E} _ {\ mathrm {Total}} ={E} _ {\ mathrm {Troca}} + {E} _ {\ mathrm {Anisotropia}} + {E} _ {\ mathrm {Zeeman}} + {E} _ {\ mathrm {Dipolar}} =- \ int {\ mu} _0 {H} _ {ef} (r) \ cdot M (r) {d} ^ 3r $$
onde \ ({H} _ {eff} =- \ frac {1} {\ mu_0} {\ nabla} _ME \). A equação de Landau – Lifshitz – Gilbert (LLG) descreve a precessão da magnetização M em um campo magnético efetivo H _eff com amortecimento α .
$$ \ frac {dM (r)} {dt} =- \ gamma M (r) \ times {H} _ {eff} (r) - \ frac {\ overline {\ alpha}} {M_s} M (r) ) \ times \ left (M (r) \ times {H} _ {eff} (r) \ right) $$
onde γM ( r ) × H _eff ( r ) é a precessão de M ( r ) em um campo local H _eff ( r ) e \ (\ frac {\ overline {\ alpha}} {M_s} M (r) \ times \ left (M (r) \ times {H} _ {eff} (r) \ right) \) é o empírico termo de amortecimento. Os parâmetros de material para Permalloy Ni ₈₀ Fe ₂₀ foram usados:magnetização de saturação M _s de 860 × 10 ³ A / m, constante de rigidez de câmbio A _ex de 1,3 × 10 ^{- 11} J / m, anisotropia magneto-cristalina zero k =0, e constante de amortecimento de Gilbert α de 0,01. Um tamanho de célula de 5 nm × 5 nm × 5 nm foi usado para todas as simulações, que é suficientemente pequeno em comparação com o comprimento de troca.

Configuração experimental para hipertermia magnética

O SAR foi obtido experimentalmente a partir de medições calorimétricas dependentes do tempo, expondo os MNPs a um campo magnético alternado gerado por um aquecedor de indução de alta frequência. Os MNPs em suspensão aquosa com concentrações de 0,05–0,1 mg / ml foram vertidos em um tubo falcon, que foi isolado por isopor e rodeado por bobinas de indução. A temperatura das serpentinas foi mantida a 28,0 ± 0,5 ° C por um resfriador de recirculação de água. A temperatura inicial da suspensão foi mantida a 28,0 ± 0,5 ° C por 1 min para eliminar quaisquer contribuições de calor das bobinas de indução. Um campo magnético alternado de 15,9 a 47,8 kAm ^{- 1} e frequência fixa de 360 ​​kHz foi aplicada, dentro do critério para hipertermia magnética clínica.

Resultados e discussão

Caracterização de nanopartículas magnéticas

A composição dos MNPs NiFe cilíndricos fabricados é determinada por V _H ou a composição do eletrólito. Para mostrar o grande grau de controle na composição de MNPs, várias composições de MNPs foram fabricadas (Ni ₈₈ Fe ₁₂ , Ni ₇₆ Fe ₂₄ , Ni ₅₂ Fe ₄₈ e Ni ₃₆ Fe ₆₄ ) e verificado por espectroscopia de raios-X de dispersão de energia (EDX). A Figura 1 mostra o loop de histerese normalizado obtido por medições de magnetômetro de amostra vibratória (VSM) para os MNPs de NiFe com várias composições. O campo magnético é aumentado para um valor que é suficiente para superar a anisotropia magnética efetiva de modo que a magnetização atinja a saturação. A razão de quadratura SQR é uma medida básica de quão quadrado é o loop de histerese, dado por:
$$ \ mathrm {SQR} =\ frac {M_r} {M_s} $$
Loops de histerese normalizados de NiFe MNPs para Ni ₈₈ Fe ₁₂ , Ni ₇₆ Fe ₂₄ , Ni ₅₂ Fe ₄₈ e Ni ₃₆ Fe ₆₄ medido nas direções no plano e fora do plano. As inserções mostram as configurações de magnetização do MNP em várias intensidades de campo magnético

Os valores da coercividade H _c e quadratura SQR = M _r / M _s para campos magnéticos aplicados no plano e fora do plano são tabulados na Tabela 1. Em geral, a tendência do plano H _c é mais alto do que fora do plano H _c para MNPs ricos em Ni (Ni ₈₈ Fe ₁₂ , Ni ₇₆ Fe ₂₄ e Ni ₅₂ Fe ₄₈ ), mas revertido para MNPs ricos em Fe (Ni ₃₆ Fe ₆₄ ), o que está de acordo com os estudos anteriores sobre co-deposição anômala de nanofios de NiFe [37].

Revestimento de superfície biocompatível

NiFe MNPs tendem a agregar devido aos efeitos de fortes interações dipolo entre MNPs vizinhos. Portanto, a modificação da superfície dos MNPs usando polímero biocompatível e biodegradável [38, 39], como quitosana [40,41,42], álcool polivinílico [43,44,45], ácido oleico [46,47,48], dextrano [49, 50], e mais comumente polietilenoglicol (PEG) [51,52,53,54,55,56], foi proposto. O PEG é um polímero hidrofílico que tem sido amplamente utilizado para melhorar a circulação sanguínea de lipossomas e MNPs [57,58,59,60]. Para dispersar os MNPs NiFe cilíndricos em água, um biocompatível 5000 g mol ^{- 1} PEG foi usado como um estabilizador [61]. A imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) mostra a formação de uma camada de óxido em torno dos MNPs, mostrado na Fig. 2a. Este invólucro de óxido evita a oxidação dos materiais magnéticos nos MNPs. Trabalhos de pesquisa anteriores sobre FeCo MNPs e Fe MNPs mostraram oxidação severa apenas pela exposição à atmosfera [61, 62].

a Imagem SEM de NiFe MNPs com revestimento PEG. b Padrão XRD para NiFe MNPs com revestimento PEG. c Padrão EDX para NiFe MNPs com e sem revestimento PEG. d Viabilidade celular com imagens exibidas de células HeLa após incubação com MNPs, por um período de 0-48 h

O pico do padrão de difração de raios-X (XRD) foi indexado principalmente nos (111) planos de cristal que correspondem à estrutura cúbica de face centrada (fcc) de NiFe em massa, como mostrado na Fig. 2b. Isso indica que os MNPs foram eletrodepositados com uma orientação preferencial de (111), o que também é evidente em nanofios de NiFe fabricados por eletrodeposição ou pulverização catódica [63, 64]. Além disso, houve uma ausência de picos de difração correspondentes ao óxido de espinélio ((NiFe) ₃ O ₄ ), que resulta da formação de fases óxidas devido à alta concentração de Fe [65]. A alta cristalinidade do NiFe MNPs levou a uma inclinação de rotação da superfície insignificante e, portanto, manteve a alta magnetização de saturação e pequena coercividade dos MNPs. Outras caracterizações para os NiFe MNPs revestidos com PEG foram conduzidas usando medição de EDX. Conforme mostrado na Fig. 2c, foram detectados principalmente elementos de Ni e Fe, com a presença de uma pequena porcentagem do elemento O, uma indicação da camada de óxido formada ao redor dos MNPs.

Na Fig. 2d, a viabilidade celular das células HeLa expostas a NiFe MNPs não revestidos e revestidos com PEG após 24 h é de 82,2% e 82,6%, respectivamente. Após 48 h, as viabilidades celulares diminuíram ligeiramente para 79,9% e 82,1%, exibindo biocompatibilidade ligeiramente maior para MNPs revestidos com PEG. NiFe MNPs sem nenhuma casca são tóxicos para células de mamíferos e afetarão a viabilidade celular. O revestimento de PEG foi altamente biocompatível e pode diminuir a citotoxicidade e internalização de MNPs nas células devido à endocitose [66, 67]. A citotoxicidade dos NiFe MNPs cilíndricos para células HeLa é comparável com outros NPs ferromagnéticos disponíveis comercialmente usados ​​na pesquisa de hipertermia magnética [68].

Dinâmica de magnetização

A composição dos MNPs foi mantida em Permalloy Ni ₈₀ Fe ₂₀ , enquanto o comprimento ( l ) e diâmetro ( d ) dos MNPs foram variados. A energia de troca, desmagnetização ou energia dipolar e contribuições de energia Zeeman para a energia total do MNP são representadas graficamente como uma função do campo magnético aplicado H ao longo do eixo longo MNP na Fig. 3a – d, respectivamente. O MNP foi primeiro saturado por um forte campo magnético paralelo ao seu longo eixo. Em grandes campos magnéticos, a contribuição de energia Zeeman predomina e os spins são alinhados principalmente na direção do campo magnético. Este arranjo paralelo dos spins para o campo minimiza a contribuição da energia de troca para a energia magnética total. Conforme o campo magnético aplicado é reduzido, uma nucleação de vórtice no sentido horário e anti-horário ocorre nas extremidades do MNP, que progride em direção ao centro do MNP, levando a uma redução gradual do componente de magnetização paralelo que causa uma queda no Contribuição Zeeman, enquanto outras contribuições tornam-se cada vez mais significativas. A magnetização do MNP tenta minimizar o campo parasita, reduzindo assim sua energia de desmagnetização. Em campos magnéticos suficientemente baixos, o estado de vórtice triplo é formado, que é uma configuração de magnetização estável, com energia total mantida no mínimo. À medida que o campo magnético se inverte, a queda brusca na energia de troca corresponde à divisão abrupta dos dois vórtices.

O enredo de ( a ) trocar energia, ( b ) energia dipolar, ( c ) Energia Zeeman e ( d ) energia total contra campo magnético aplicado H

MNPs com comprimentos diferentes ( l ) foram encontrados para ter configurações de magnetização significativamente diferentes. Em comprimentos l abaixo de 100 nm, apenas um único vórtice foi nucleado, que é uma estrutura no plano e de domínio de fluxo fechado, devido à interação entre a energia magnetostática e a energia de troca. Para l acima de 100 nm, um par de núcleos de vórtice anti-horário e horário nas extremidades do MNP foram nucleados - estado de vórtice duplo. Quando o campo magnético diminui, um dos vórtices é aniquilado, colapsando no estado de vórtice único. No entanto, em l acima de 300 nm, não há aniquilação de vórtice em campos baixos; em vez disso, um terceiro núcleo de vórtice adicional foi nucleado na superfície curva do MNP - estado de vórtice triplo.

Medições calorimétricas

The Ni ₈₀ Fe ₂₀ MNPs, com l =500 nm e d =350 nm, foram expostos a um campo magnético alternado de 15,9 a 47,8 kAm ⁻¹ (200 a 600 Oe), e a curva de temperatura-tempo é exibida na Fig. 4a. Conforme caracterizado pela equação SAR, os valores SAR foram calculados em 427 Wg ^{- 1} , 1054 Wg ^{- 1} e 1742 Wg ^{- 1} , por 15,9 kAm ^{- 1} , 31,9 kAm ^{- 1} e 47,8 kAm ^{- 1} , respectivamente. Conforme previsto, quanto maior for a força do campo magnético, maior será o valor SAR, ou seja, o valor SAR foi proporcional à força do campo magnético. Portanto, o ILP foi obtido para dar uma melhor avaliação da eficiência de aquecimento dos MNPs para hipertermia magnética. Conforme caracterizado pela equação de ILP, os valores de ILP foram calculados em 4,69 nHm ² kg ^{- 1} , 2,88 nHm ² kg ^{- 1} e 2,12 nHm ² kg ^{- 1} , por 15,9 kAm ^{- 1} , 31,9 kAm ^{- 1} e 47,8 kAm ^{- 1} em 360 kHz, respectivamente.

a Curvas de temperatura-tempo de NiFe MNPs, com l =500 nm e d =350 nm, para aumentar a força do campo magnético de 15,9 a 47,8 kAm ^{- 1} (200 a 600 Oe). b Curvas de temperatura-tempo de NiFe MNPs, com d =350 nm. A intensidade do campo magnético de 47,8 kAm ^{- 1} (600 Oe), enquanto o comprimento MNP l aumentado de para 500 nm. c Valores de SAR tabulados para NiFe MNPs, com l =100–500 nm e d =350 nm sob uma intensidade de campo magnético de 15,9 a 47,8 kAm ^{- 1} (200 a 600 Oe). d Valores teóricos de SAR para NiFe MNPs, com l =100–500 nm e d =350 nm

Em seguida, NiFe MNPs, com d =350 nm e l =100–500 nm, foram expostos a um campo magnético alternado de 47,8 kAm ^{- 1} (600 Oe), e a curva de temperatura-tempo é exibida na Fig. 4b. Conforme caracterizado pela equação SAR, os valores SAR foram calculados em 409 Wg ^{- 1} , 618 Wg ^{- 1} e 1742 Wg ^{- 1} , para l =100 nm, 200 nm e 500 nm a 47,8 kAm ^{- 1} e 360 ​​kHz, respectivamente. Conforme caracterizado pela equação de ILP, os valores de ILP foram calculados em 0,50 nHm ² kg ^{- 1} , 0,75 nHm ² kg ^{- 1} e 2,12 nHm ² kg ^{- 1} para l =100 nm, 200 nm e 500 nm a 47,8 kAm ^{- 1} e 360 ​​kHz, respectivamente.

MNPs com l =500 nm teve eficiência de aquecimento muito maior do que MNPs com l =100 nm e 200 nm, levando a um aumento de temperatura mais significativo. O maior valor de SAR de MNPs com l =500 nm era 1742 Wg ^{- 1} a 47,8 kAm ^{- 1} e 360 ​​kHz. Para comparação, os valores de SAR para o campo magnético de 15,9 a 31,9 kAm ^{- 1} (200 a 400 Oe) e MNPs com d =350 nm e l =100–500 nm foram tabulados na Fig. 4c. Nas mesmas condições, os valores SAR e ILP dos MNPs com l =500 nm foram quatro vezes maiores do que aqueles com MNPs menores l . A partir de simulações micromagnéticas, observou-se que como l aumenta para> 300 nm, o processo de reversão da magnetização do MNP mudou de um estado de vórtice duplo para um estado de vórtice triplo. Em l <300 nm, apenas um estado de vórtice único ou estado de vórtice duplo foi observado. A magnetização remanescente M _r do MNP foi significativamente maior para o estado de vórtice triplo em comparação com o estado de vórtice único ou duplo.

Para MNPs de domínio único, o modelo teórico para calcular o loop de histerese dinâmica foi proposto por Carrey et al. [69] Para MNPs de múltiplos domínios, o uso de simulações micromagnéticas para obter loop de histerese estática para cálculo foi razoável para MNPs com tamanhos grandes, acima do tamanho crítico para superparamagnetismo, já que o tempo de comutação da magnetização é da ordem de 10 ^{- 9} s. Uma vez que o tempo de comutação da hipertermia magnética é da ordem de ~ 10 ^{- 6} s, os grandes MNPs são capazes de acompanhar o campo magnético alternado. A área de loops de histerese obtida a partir de simulações micromagnéticas de NiFe cilíndricos MNPs e medidas de VSM foi usada para calcular teoricamente os valores de SAR e tabulados na Fig. 4d.

Os valores SAR de MNPs com l =100 nm e 200 nm exibiram um pequeno valor de SAR em campos magnéticos baixos abaixo de H _c e aumenta acentuadamente até atingir a saturação em campos magnéticos elevados, o que é uma característica do regime ferromagnético. Em contraste, a dependência do campo magnético do valor SAR de l =500 nm MNPs, com o estado de vórtice triplo, seguiram uma relação não linear com valores de SAR que eram ~ 6 vezes maiores. A alta magnetização remanescente M _r do estado de triplo vórtice no l =500 nm MNPs era evidente nos valores SAR diferentes de zero em campos magnéticos baixos. A comparação entre as medidas calorimétricas (Fig. 4c) e os cálculos numéricos (Fig. 4d) indica uma concordância qualitativa e quantitativa sobre as características dos MNPs no regime ferromagnético, exibindo pequenos valores de SAR em campos magnéticos baixos e saturação em campos magnéticos elevados que foi correlacionado ao H _c dos MNPs.

A dissipação de calor de NiFe MNPs com estados de vórtice triplo foi comparada para d =150–350 nm, sob um campo magnético alternado de 47,8 kAm ^{- 1} (600 Oe), e a curva de temperatura-tempo é exibida na Fig. 5a. Os valores SAR e ILP foram calculados em 1785 Wg ^{- 1} , 2073 Wg ^{- 1} e 2750 Wg ^{- 1} e 2,17 nHm ² kg ^{- 1} , 2,52 nHm ² kg ^{- 1} e 3,34 nHm ² kg ^{- 1} , para d =350 nm, 250 nm e 150 nm, respectivamente. Os MNPs com d =150 nm e 250 nm foram capazes de atingir a temperatura terapêutica ótima de 43 ° C em 4,92 min e 7,45 min na concentração de 0,1 mg / ml. Comparando MNPs com diferentes proporções de aspecto, observou-se que a eficiência de aquecimento de d =150 nm MNPs foi 1,54 vezes maior que d =350 nm MNPs. Isso acontecia porque MNPs com d =150 nm possuía a maior suscetibilidade de campo baixo e M _r . Portanto, o valor de SAR foi intimamente correlacionado ao processo de reversão de magnetização dos MNPs com ambas as variações em l e d .

a Curvas de temperatura-tempo de NiFe MNPs sob uma intensidade de campo magnético de 47,8 kAm ^{- 1} (600 Oe) e frequência de 360 ​​kHz, enquanto o comprimento MNP d aumentou de 150 para 350 nm. b Valores teóricos de SAR para NiFe MNPs, com d =150–350 nm e l =500 nm

A partir de simulações micromagnéticas, pode-se observar que a área de histerese A evolui significativamente com o diâmetro ( d ) do MNP. Portanto, o valor SAR do d =150 nm MNPs aumenta muito rapidamente e satura a um valor SAR máximo de 6263 Wg ^{- 1} . Os cálculos numéricos mostraram que os MNPs com maiores razões de aspecto apresentam maiores perdas de histerese, resultando em maiores valores teóricos de SAR, conforme mostrado na Fig. 5b. A comparação entre as medidas calorimétricas (Fig. 5a) e os cálculos numéricos (Fig. 5b) apresentou boa concordância qualitativa, mas houve discordâncias quantitativas nos valores das perdas por histerese. A incompatibilidade entre os valores experimentais e teóricos surgiu do NiFe MNPs sendo não superparamagnético e possuindo magnetização remanente não desprezível, levando à aglomeração indesejada devido a fortes interações dipolo magnéticas entre MNPs vizinhos [70, 71]. Uma vez que o volume hidrodinâmico de MNPs é um componente que rege o movimento browniano, a extensão da agregação dos MNPs determinará o mecanismo de relaxamento dominante, ou seja, relaxamento Néel ou Browniano. Conseqüentemente, um grupo agregado de MNPs versus um único MNP livre terá uma grande diferença nos valores de SAR. Além disso, um campo magnético alternado pode induzir a formação de nanocolunas ou nanocadeias que exibem mecanismo de relaxamento browniano diferente e, portanto, são responsáveis ​​pela discrepância entre os valores experimentais e teóricos [72,73,74].

Conclusões

Os altos valores de SAR exibidos pelos MNPs NiFe cilíndricos, comparáveis ​​aos MNPs de óxido de ferro (IOMNPs) e nanopartículas de óxido de ferro superparamagnético (SPIONs) [28, 75], demonstram a capacidade desses MNPs na dissipação de calor sob um campo magnético alternado. MNPs com estado de vórtice triplo tiveram eficiência de aquecimento muito maior do que MNPs com estado de vórtice duplo ou único, que têm um valor de SAR quatro vezes maior, atribuído ao alto M _r dos MNPs no estado de triplo vórtice. Comparando MNPs com diferentes proporções de aspecto, observou-se que a eficiência de aquecimento de d =150 nm MNPs foi 1,54 vezes maior que d =350 nm MNPs devido a um M maior _r e susceptibilidade de baixo campo. Tanto as medidas calorimétricas quanto as simulações micromagnéticas mostraram a correlação entre o processo de reversão da magnetização e as maiores perdas de histerese de d =150 nm MNPs, resultando em maiores valores de SAR experimentais e teóricos. O fácil controle dos tamanhos dos MNPs e de suas propriedades magnéticas indicam um grande potencial para ensaios de terapia de câncer de hipertermia magnética in vivo.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados gerados durante e / ou analisados ​​durante o estudo atual estão disponíveis junto ao autor correspondente mediante solicitação razoável.

Abreviações

d :

Diâmetro das nanopartículas magnéticas

EDX:

Espectroscopia de raios-X de dispersão de energia

H _c :

Coercivity

ILP:

Intrinsic loss power

l :

Length of magnetic nanoparticles

MNPs:

Magnetic nanoparticles

M _r :

Remanent magnetization

PEG:

Polyethylene glycol

SAR:

Specific absorption rate

SEM:

Microscopia eletrônica de varredura

SQR:

Squareness ratio

V _H :

High-potential electrodeposition pulse

VSM:

Vibrating sample magnetometer

XRD:

X-ray diffraction spectroscopy

Efeitos de proteção de pontos de carbono derivados de Phellodendri Chinensis Cortex Carbonisata contra Deinagkistrodon acutus Lesão renal aguda induzida por veneno Reduzindo armadilhas de interface com tratamento de hidrogênio de alta densidade para aumentar a eficiência da célula de contato traseira do emissor passivado