Ferrofluidos de Nanopartículas Amorfas: Comportamento Magnetoviscoso e Desempenho Hipertermia

Resumo

Nanopartículas magnéticas Fe-B, Fe-Ni-B e Co-B foram sintetizadas com sucesso e introduzidas em água para preparar ferrofluidos aquosos. Partículas Fe-B, Fe-Ni-B e Co-B são nanopartículas amorfas homogêneas com tamanho médio 15 nm. Forma nanopartículas amorfas é regular. Nanopartículas amorfas Fe-B, Fe-Ni-B e Co-B são superparamagnéticas. Além disso, magnetizações saturação Fe-B e Fe-Ni-B amorfas são 75 emu/g e 51 emu/g, aproximadamente 2,8 e 1,9 vezes maiores que nanopartículas Co-B, respectivamente. Viscosidade ferrofluidos amorfos tem forte resposta a campo magnético externo. Tensão escoamento aumenta com aumento campo magnético. Pesquisa hipertermia ferrofluidos amorfos investigada pela primeira vez. Resultados experimentais indicam temperatura aquecimento ferrofluido Fe-B e Fe-Ni-B pode aumentar a 42°C em 750 s e 960 s, respectivamente, quando corrente saída 300 A. Temperatura pode atingir 61,6°C para ferrofluido Fe-B. Eficiências aquecimento ferrofluidos amorfos demonstram que ferrofluidos Fe-B e Fe-Ni-B podem ter grande potencial aplicações biomédicas.

Introdução

Ferrofluidos (FFs), também chamados fluidos magnéticos, são soluções coloidais nanopartículas magnéticas em fluido veículo como solventes orgânicos, água. Como novo tipo materiais funcionais inteligentes, FFs oferecem propriedades físicas, químicas e biocompatíveis únicas. FFs aplicados biomedicina para ressonância magnética (RM) e entrega fármacos alvo, bem como separação fase, remoção poluentes água e sensoriamento.

Viscosidade aumentada induzida por campo magnético aplicado influencia aplicações FFs. Estudos propriedades magnetoviscosas avaliam variações viscosidade FFs função tempo, temperatura, taxa cisalhamento ou outros fatores sob campos magnéticos aplicados. Rajnak estudou viscosidade FF baseado óleo transformador e encontrou mudanças viscosidade induzidas campo elétrico análogas efeito magnetoviscoso. Nowak investigou mudança viscosidade FFs diluídos sangue ovelha. Encontraram forte efeito magnetoviscoso leva assumir grandes mudanças microestrutura devido campos magnéticos. Trabalho prévio demonstrou interação significativa meio veículo e surfactante com consideração comportamento magnético FFs. Pesquisa propriedades magnetoviscosas FFs permanece ponto focal. Ligas amorfas têm futuro promissor eletrodo célula combustível, materiais nano-porosos, materiais biodegradáveis, etc. devido propriedades únicas relacionadas estrutura atômica metaestável amorfa e matérias-primas baixo custo. Outros estudos mostraram ligas amorfas magnéticas moles Fe-base têm grande potencial aplicações preparação fluidos funcionais magnéticos devido propriedades magnéticas únicas versus ligas cristalinas. Fe₇₃.₅Nb₃Cu₁Si₁₃.₅B₉ e Fe₇₈Si₉B₁₃ partículas liga amorfa aplicadas fluidos magnetorreológicos. Porém, difícil preparar nanopartículas amorfas aplicadas FFs via moagem mecânica convencional. Nosso grupo sintetizou e investigou nanopartículas amorfas magnéticas Co-Fe-Si-B e Fe-Co-B aplicadas FFs. Estes dados mostram FFs amorfos exibem boa estabilidade. Contudo, pouca atenção dada propriedade magnetoviscosa FFs baseados nanopartículas amorfas.

Hipertermia terapia foco tratamento câncer, e hipertermia fluido magnético (MFH também chamada hipertermia FF) procedimento terapêutico. FFs injetados tecidos contendo células cancerosas e então expostos campo magnético alternado frequência, resultando elevação temperatura até 42–45°C destruir células tumor. Importante, nanopartículas FFs não devem ser tóxicas. Nanopartículas óxido ferro (Fe₃O₄) ou óxido cobalto ferro (CoFe₂O₄) popularmente selecionadas preparar FFs para hipertermia fluido magnético devido processamento simples, baixo custo e boa compatibilidade biológica. Lahiri estudou aquecimento induzido campo magnético alternado FF base água usando termografia infravermelho. FF continha nanopartículas óxido ferro revestidas hidróxido tetrametil amônio. Resultados indicam taxa inicial elevação temperatura maior e temperatura máxima menor final período aquecimento. Zubarev relatou efeito interações magnéticas entre partículas ferromagnéticas domínio único sobre efeito hipertermia produzido por estas partículas sob ação campo magnético oscilante. Porém, poucos estudos relataram pesquisa hipertermia FFs nanopartículas magnéticas amorfas.

Neste artigo, nanopartículas magnéticas Fe-B, Fe-Ni-B e Co-B amorfas sintetizadas com sucesso por método redução química. Estrutura, morfologia e propriedades magnéticas nanopartículas amorfas investigadas. Propriedades magnetoviscosas e efeito hipertermia FFs correspondentes também estudados. Em vista propriedades magnéticas e efeito aquecimento proeminente, FFs amorfos como materiais promissores aplicações médicas também poderiam oferecer oportunidades áreas emergentes como aplicações resfriamento, dispositivos conversão energia, eletrônica impressa, etc.

Materiais e Métodos

Sulfato ferroso (FeSO₄·7H₂O), cloreto cobalto (CoCl₂·6H₂O), cloreto níquel (NiCl₂·6H₂O), borohidreto sódio (NaBH₄), hidróxido sódio (NaOH), álcool etílico, agar, polietileno glicol (PEG-400) usados. Todos reagentes grau analítico (AR) usados sem purificação adicional. Antes cada experimento, vidrarias limpas ácido nítrico diluído e lavadas repetidamente água desionizada.

Partículas amorfas preparadas por redução química. Processo típico: solução obtida dissolvendo certa quantidade FeSO₄·7H₂O e NiCl₂·6H₂O em 200 ml solução 50% etanol com agitação mecânica e dispersão supersônica. Então, 50 ml solução 0,8 M NaBH₄ aquosa adicionada gota a gota como agente redutor velocidade 1,5 ml/min a 20°C em balão três-gargalos sob atmosfera argônio protetora. Aqui, solução NaOH usada ajustar pH solução NaBH₄ a 10–12. Após agitação com dispersão supersônica 2,5 h, precipitado preto separado usando ímã. Partículas lavadas água desionizada várias vezes. Após, apropriado 0,075 g agar adicionado primeiro surfactante e 0,05 g PEG-400 segundo surfactante. Colocados suspensão partículas Fe-Ni-B temperatura constante. Mistura agitada 1 h temperatura constante. Finalmente, FF aquoso Fe-Ni-B amorfo estável obtido após resfriamento temperatura ambiente.

Partículas amorfas Fe-B obtidas usando método redução química, i.e., redução FeSO₄·7H₂O usando NaBH₄ agente redutor solução aquosa. Partículas amorfas Co-B obtidas redução soluções CoCl₂·6H₂O. FFs aquosos Fe-B e Co-B correspondentes obtidos similarmente.

Estrutura e estado amorfo nanopartículas magnéticas Fe-B, Fe-Ni-B, Co-B caracterizadas por difração raios-X (XRD) usando D/max-Rb, fonte radiação Cu Kα filtrada Ni. Propriedades térmicas caracterizadas calorímetro varredura diferencial (Netzsch DSC 404 C) taxa aquecimento 20°C/min. Propriedades magnéticas nanopartículas amorfas medidas magnetômetro gradiente alternado (AGM) temperatura ambiente. Morfologias nanopartículas amorfas identificadas microscopia eletrônica transmissão (TEM). Propriedades magnetoviscosas FFs estudadas reômetro (Anton Paar MCR301) equipado campo magnético externo controlável. Efeitos hipertermia FFs amorfos estudados usando dispositivo mostrado Fig. 8a. Experimentos aquecimento induzido campo realizados usando sistema aquecimento indução radiofrequência (AtecD, Bamac, China) consistindo gerador alta frequência e circuito tanque equipado bobinas cobre eletrolítico refrigeradas água. Experimentos realizados frequência fixa 90 kHz, campo magnético variado variando corrente bobina. Termômetro infravermelho (OSXL207, Omega, EUA) precisão 0,1°C usado registrar temperatura experimento aquecimento magnético. Erro medição temperatura dentro 1°C. Testes experimentais realizados temperatura ambiente.

Resultados e Discussão

Figura 1 mostra padrões difração raios-X (XRD) partículas magnéticas Fe-B, Fe-Ni-B, Co-B, respectivamente. Partículas Fe-B, Fe-Ni-B, Co-B consistem pico largo único faixa 2θ 40°~50° e nenhum pico cristalino visto, característico estrutura amorfa. Resultados indicam partículas Fe-B, Fe-Ni-B, Co-B têm estrutura amorfa típica.

Curvas calorímetro varredura diferencial (DSC) partículas Fe-B, Fe-Ni-B, Co-B mostradas Fig. 2. Experimentos realizados taxa aquecimento 20°C/min. Partículas Fe-B, Fe-Ni-B, Co-B exibem dois picos exotérmicos demonstrando processos cristalização dois estágios. Temperaturas dois picos exotérmicos marcadas Fig. 2, poderiam ajudar selecionar temperatura recozimento partículas amorfas trabalhos subsequentes. Resultados correspondem bem dados XRD.

Propriedades magnéticas partículas Fe-B, Fe-Ni-B, Co-B preparadas caracterizadas AGM temperatura ambiente. Curvas histerese magnética mostradas Fig. 3. Magnetizações saturação (Ms) partículas Fe-B e Fe-Ni-B são 75 emu/g e 51 emu/g, respectivamente. Além disso, nenhuma coercividade e remanência observadas curvas histerese, confirmando superparamagnetismo partículas Fe-B e Fe-Ni-B. Ms partículas Co-B 27 emu/g; estas também exibem comportamento superparamagnético. Adicionalmente, Ms Fe-B e Fe-Ni-B aproximadamente 2,8 e 1,9 vezes maiores que partículas Co-B, respectivamente. Também vemos Ms partículas Fe-B maior que partículas Fe₃O₄ e CoFe₂O₄. Estrutura, tamanho, magnetização e concentração diferentes amostras FF visto Tabela 1.

Investigamos morfologias partículas amorfas FFs com TEM (Fig. 4). FFs diluídas e dispersas ultrassom 20 min. Filmes suporte aderidos rede cobre imersos FFs diluídos. Espécimes preparados bem após secagem amostra forno 30 min. Imagens TEM Fig. 4 demonstram partículas amorfas FFs quase esféricas. Diâmetros médios partículas amorfas ~15 nm.

Propriedades magnetoviscosas três FFs amorfos (Fe-B FF, Fe-Ni-B FF, Co-B FF) com 1,8% p/p partículas magnéticas investigadas reômetro com campo magnético externo controlável. Viscosidade cada amostra medida duas vezes temperatura constante 25°C. Cada vez amostra passou um ciclo varredura taxa cisalhamento subindo 100 a 1000 1/s e descendo 1000 a 100 1/s. Valor médio obtido calculando viscosidade mesma taxa cisalhamento. Curvas viscosidade-taxa cisalhamento FFs amorfos sob diferentes campos magnéticos externos escala logarítmica mostradas Fig. 5. Todos FFs amorfos (Fe-B FF Fig. 5a, Fe-Ni-B FF Fig. 5b, Co-B FF Fig. 5c) exibem comportamento afinamento cisalhamento sob diferentes campos magnéticos. Viscosidade diminui com aumento taxas cisalhamento. Fe-B FF tem maior viscosidade que Fe-Ni-B FF e Co-B FF. Isto porque Ms nanopartículas amorfas Fe-B, Fe-Ni-B, Co-B.

Campo magnético também papel importante viscosidade FFs amorfos. Viscosidade mostrada função campo magnético Fig. 6. Resultados demonstram viscosidade todos FFs amorfos aumenta com aumento campo magnético externo. Correspondem bem resultados Fig. 5. Nanopartículas magnéticas amorfas FFs reorganizaram orientação quando campo magnético aplicado. Alinhou direção campo magnético. Interação e arranjo nanopartículas FFs tornaram-se mais fortes com aumento intensidade campo magnético, levando resistência fluxo aumentada. Relatórios prévios mostram com aumento campo magnético, estruturas cadeia-gota ou gota-gota, e agregação poderiam formar FFs, levando aumento notável viscosidade. Comportamento afinamento cisalhamento observado Fig. 5 explicado quebra estas cadeias ou gotas devido cisalhamento. Nanopartículas começam arranjar orientação direção cisalhamento quando taxa cisalhamento aplicada aumenta. Além disso, taxa cisalhamento crescente destrói cadeias ou agregados gota-gota; consequentemente, viscosidade FF diminui.

Tensão escoamento FF obtida via extrapolação linear, intercepto cada curva ajuste considerado tensão escoamento FF sob campo magnético correspondente. Portanto, tensões escoamento três FFs amorfos sob diferentes campos magnéticos obtidas Fig. 7. Demonstra tensão escoamento FFs aumenta com aumento força magnética especialmente FF amorfo Fe-B. Isto porque estruturas cadeia-gota ou gota-gota bem como agregados formados sob campo magnético aplicado. Força entre nanopartículas amorfas torna-se mais forte aumentando força magnética. Trabalho prévio mostrou tensão escoamento FFs amorfos devida magnetização nanopartículas magnéticas amorfas.

Hipertermia FF recebeu muita importância devido segurança e tensão física ou mental limitada pacientes. Tal hipertermia induzida efeitos aquecimento campo magnético alternado (AC). Estudamos efeitos hipertermia FFs com nanopartículas amorfas Fe-base, i.e., Fe-B FF e Fe-Ni-B FF. Mapa esquemático dispositivo experimental mostrado Fig. 8a. Termômetro IR precisão 0,1°C registrou temperatura experimento aquecimento magnético. Erro medição temperatura 1°C. Testes realizados temperatura ambiente. Experimentos aquecimento magnético conduzidos variando correntes saída variáveis 150–300 A. Então, 50 ml Fe-B FF e Fe-Ni-B FF a 5% p/p estudados. Condições experimentais descritas anteriormente. Frequência trabalho aquecedor indução nosso experimento 90 kHz. Frequência trabalho 50–100 kHz, segura aplicações biomédicas.

Resultados aquecimento magnético mostrados Fig. 8b, c. Temperaturas ambos Fe-B FF Fig. 8b e Fe-Ni-B FF Fig. 8c aumentaram marcadamente com tempo. Temperatura aumentou com aumento correntes elétricas saída. Temperaturas FFs sob diferentes correntes saída registradas 2000 s (Tabela 2). Quando corrente elétrica saída controlada 150 A, temperatura subiu 32,5°C Fe-B FF e 32,6°C Fe-Ni-B FF. Quando corrente saída 300 A, temperatura final estável 61,6°C e 51,2°C Fe-B FF e Fe-Ni-B FF, respectivamente. Eficiência aquecimento efeito hipertermia Fe-B FF cerca 20,3% maior que Fe-Ni-B FF (Tabela 2). Resultados hipertermia indicam quando corrente elétrica controlada 300 A, temperatura Fe-B FF e Fe-Ni-B FF poderia subir 42°C em 750 s e 960 s, respectivamente. Taxas absorção específicas (SARs) calculadas curvas aquecimento assistido campo. Capacidade calorífica específica e densidade água nosso artigo consideradas 4,18 J g⁻¹ K⁻¹ e 1 g/cc, respectivamente. Valores SAR 21,91 W/g Fe-B FF e 19,48 W/g Fe-Ni-B FF, respectivamente. Valores SAR 76,15 W/g e 69,97 W/g Fe-B FF e Fe-Ni-B FF, respectivamente, quando corrente saída 300 A. Experimentos aquecimento demonstram intensidade campos magnéticos alternados induzidos correntes elétricas afetam hipertermia FFs amorfos. Aquecimento controlado efetivamente ajustando corrente saída.

Efeitos aquecimento FFs aquosos principalmente atribuídos relaxação Neel (dipolo magnético rota dentro partícula) e mecanismo relaxação Browniana (rotação partícula contra resistência hidrodinâmica fluido veículo). Baseado teoria domínio, diâmetros críticos domínio único 19,6 nm, 19,2 nm, 42,4 nm para nanopartículas Fe, Co, Ni, respectivamente. Aqui, assumimos nanopartículas amorfas Fe-B e Fe-Ni-B devem possuir estruturas domínio único. Espins magnéticos alinham aleatoriamente sem campos externos devido energia térmica. Quando campo AC aplicado, domínio único muda orientação magnetização resposta campos AC, e energia magnética simultaneamente convertida energia térmica. Concluímos FF amorfo Fe-B e Fe-Ni-B têm efeitos aquecimento significativos sugerindo Fe-B FF amorfo e Fe-Ni-B FF amorfo têm futuro promissor tratamento hipertermia.

Conclusões

Nanopartículas magnéticas Fe-B, Fe-Ni-B, Co-B amorfas bem como FFs amorfos correspondentes sintetizados com sucesso. Nanopartículas homogêneas com estruturas amorfas. Forma partículas amorfas regular. Nanopartículas amorfas Fe-B, Fe-Ni-B, Co-B mostram superparamagnéticas. Ms Fe-B e Fe-Ni-B amorfas 75 emu/g e 51 emu/g. Aproximadamente 2,8 e 1,9 vezes maiores que nanopartículas Co-B, respectivamente. FFs amorfos têm forte resposta campo magnético externo. Tensão escoamento aumenta com aumento campo magnético. Resultados hipertermia indicam quando corrente elétrica alternada controlada 300 A, temperatura Fe-B FFs e Fe-Ni-B FFs poderia subir 42°C em 750 s e 960 s, respectivamente. Temperatura final estável 62°C Fe-B FFs. Eficiências aquecimento FFs amorfos demonstram FFs amorfos base Fe têm grande potencial aplicações biomédicas. De fato, estudos propriedades magnetoviscosas FFs amorfos e mecanismo efeito hipertermia FFs amorfos permanece obscuro e estimulará trabalhos futuros.