Otimização da Geração de Calor em Nanopartículas Magnéticas Cilíndricas de Triplo Vórtice para Hipertermia do Câncer

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 cilíndricas de NiFe, fabricadas por eletrodeposição pulsada assistida por molde combinada com gravação química diferencial. A geometria cilíndrica das MNPs permite a formação do estado de triplo vórtice, que aumenta a eficiência de geração de calor em quatro vezes. Usando medições calorimétricas dependentes do tempo, a taxa de absorção específica (SAR) das MNPs foi determinada e comparada com os cálculos numéricos de simulações micromagnéticas e medições de magnetômetro de amostra vibratória. A reversão de magnetização de MNPs com altas razões de aspecto mostrou maior magnetização remanescente e suscetibilidade de baixo campo, levando a maiores perdas por histerese, o que se refletiu em maiores valores de SAR experimentais e teóricos. A dependência do SAR na intensidade do campo magnético exibiu valores pequenos de SAR em campos magnéticos baixos e saturação em campos magnéticos altos, o que está correlacionado ao campo coercitivo das MNPs e é uma característica de MNPs ferromagnéticas. A otimização de MNPs cilíndricas de NiFe desempenhará um papel fundamental na produção de agentes de hipertermia magnética biocompatíveis e de alto desempenho de aquecimento.

Introdução

As aplicações para nanopartículas magnéticas (MNPs) têm sido extensivamente pesquisadas em campos biomédicos, como destruição magneto-mecânica de células [1-4], imagem por ressonância magnética [5-7], liberação de fármacos [8-10] e hipertermia magnética [11-14], para compensar as desvantagens dos métodos atuais de diagnóstico e terapia. A maior vantagem das MNPs é que elas podem ser controladas remotamente por um campo magnético externo. A resposta magnética resultante pode ser na forma de dissipação de calor ou torque magnético, o que depende da configuração do campo magnético aplicado e da dinâmica de magnetização das MNPs [15].

No entanto, diferentes aplicações biomédicas requerem mecanismos de rotação específicos em configurações diversas de campo magnético. Biossensores para biomarcadores de câncer usam espectroscopia magnética do movimento browniano das MNPs para medir a fração ligada e tempos de relaxamento das MNPs em segundos [16]. Na imagem de partículas magnéticas para quantificar concentrações de MNPs, requer-se relaxamento Néel das MNPs, enquanto o relaxamento browniano, causado por distribuições de tamanho das MNPs, deve ser minimizado [17]. Os dois mecanismos que existem para os processos de relaxamento das MNPs são relaxamento Néel e browniano, que resultam em dissipação de calor ou rotação espacial das MNPs. O relaxamento Néel está correlacionado à reorientação do momento magnético da MNP para o campo magnético, enquanto o relaxamento browniano está correlacionado à rotação espacial da MNP [18-20].

Os tempos de relaxamento Néel (t_N) e browniano (t_B) são dados por:

$$ {t}_N={t}_0{e}^{\frac{KV}{k_BT}}\; and\;{t}_B=\frac{3\eta\;V}{k_BT} $$

onde η é o coeficiente de viscosidade, t₀ é a frequência de tentativa inversa, K é a constante de anisotropia magnética, V é o volume das MNPs, k_B é a constante de Boltzmann, e T é a temperatura. Em princípio, o mecanismo mais rápido domina, mas ambos os mecanismos Néel e browniano podem ocorrer concomitantemente, acoplados através de 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 Néel, enquanto para MNPs maiores é o relaxamento browniano. No relaxamento Néel, a magnetização da MNP muda de direção devido à reconfiguração de seu momento magnético e depende do tamanho da MNP e da temperatura. Enquanto no relaxamento browniano, as MNPs sofrem uma rotação espacial e dependem de condições externas, como viscosidade e ligação química [22-24]. Portanto, é importante entender as contribuições desses mecanismos de relaxamento magnético para ajustar e adaptar o design das MNPs a fim de obter a geração de calor ideal para hipertermia magnética ou torque magnético para morte celular magneto-atuada.

A hipertermia magnética é uma técnica de tratamento de câncer bem estabelecida que emprega o uso de aquecimento localizado por MNPs sob um campo magnético alternado de alta frequência, para induzir apoptose de células cancerígenas e regressão tumoral [3, 25-27]. Em um campo magnético alternado, o calor dissipado pelas MNPs em um ciclo de campo magnético é igual à área do laço de histerese A, dado por:

$$ A={\int}_{-{H}_{\mathrm{max}}}^{+{H}_{\mathrm{max}}}\;{\mu}_0\;M(H)\; dH $$

onde M é a magnetização das MNPs, sob um campo magnético alternado com frequência f e amplitude μ₀H_max [28-30]. Para manter uma dose baixa de MNPs e curta duração de tratamento na hipertermia magnética, a eficiência de aquecimento das MNPs deve ser maximizada. A medição do desempenho de aquecimento das MNPs é referida como taxa de absorção específica (SAR), que é dada pelo calor dissipado por unidade de massa de MNPs (W g⁻¹):

$$ \mathrm{SAR}=\frac{A\;f}{\rho } $$

onde ρ é a densidade das MNPs.

A eficiência de dissipação de calor das MNPs pode ser medida experimentalmente em termos de SAR, que é a energia dissipada por unidade de massa de MNPs (W g⁻¹), e é dada por:

$$ \mathrm{SAR}=C\frac{\varDelta T}{\varDelta t}\frac{1}{m_{\mathrm{MNP}}} $$

onde C é o calor específico do meio (C_water = 4,18 J g⁻¹ °C⁻¹), ΔT/Δt é a inclinação inicial do gráfico de temperatura versus tempo, e m_MNP é a massa das MNPs. No entanto, os valores de SAR não são totalmente representativos da eficiência de aquecimento das MNPs, pois a dissipação de calor também é influenciada pela frequência f e pela intensidade do campo magnético H. Portanto, a taxa de absorção específica efetiva ou potência de perda intrínseca (ILP) é usada para caracterizar a eficiência de aquecimento das MNPs, dada por:

$$ \mathrm{ILP}=\frac{\mathrm{SAR}}{H^2f} $$

Em MNPs cilíndricas de NiFe, um estado de triplo vórtice é formado, no qual vórtices horário e anti-horário são conectados no centro da MNP através de um terceiro núcleo de vórtice, resultando em uma configuração de magnetização tridimensional. A dissipação de calor teórica das MNPs para aplicações de hipertermia magnética foi calculada a partir dos laços de histerese simulados e medições de magnetômetro de amostra vibratória. Usando medições calorimétricas dependentes do tempo, a taxa de absorção específica e a potência de perda intrínseca das MNPs foram determinadas e comparadas com os cálculos numéricos.

Métodos

Fabricação de Nanopartículas Magnéticas

A eletrodeposição pulsada assistida por molde com gravação química diferencial é um método de fabricação simples e barato para produzir MNPs de várias composições, Ni, Fe ou Co. Ni₈₀Fe₂₀, Permalloy, é um material ferromagnético que exibe propriedades magnéticas excepcionais, como alta permeabilidade, baixa coercividade e magnetostrição próxima de zero. A fabricação de MNPs cilíndricas começa com o crescimento de nanofios cilíndricos de NiFe modulados composicionalmente usando eletrodeposição pulsada assistida por molde de óxido de alumínio anódico (AAO) em um banho eletrolítico consistindo de NiSO₄, FeSO₄ e H₃BO₃ [31-35]. Subsequentemente, os nanofios foram liberados dissolvendo o molde AAO em NaOH. Finalmente, as regiões ricas em Fe nos nanofios foram quimicamente gravadas diluindo HNO₃ para formar as MNPs. O diâmetro das MNPs foi determinado pelo tamanho do poro do molde AAO, enquanto o comprimento foi controlado pela duração do pulso de alto potencial V_H (Arquivo Adicional 1).

Viabilidade Celular

Células HeLa foram semeadas em placas de microtitulação de 12 poços a 8 × 10⁴ células/poço e incubadas em meio Dulbecco's Modified Eagle's Medium suplementado com 4,5 g/L glicose, 2 mM L-glutamina, 10% soro fetal bovino e 1% penicilina/estreptomicina em atmosfera umidificada a 37 °C e 5% CO₂. A viabilidade celular foi determinada usando PrestoBlue, um reagente de viabilidade celular baseado em resazurina permeável, que usa o poder redutor de células viáveis para medir quantitativamente a proliferação celular. Células HeLa tratadas com 0,1 mg/mL de MNPs foram incubadas com o reagente PrestoBlue a 37 °C e 5% CO₂ por 2 h. Os valores de absorbância a 570 nm e 600 nm foram medidos por um Leitor de Microplacas Tecan Infinite M200 PRO. A viabilidade celular foi expressa como porcentagem relativa às células não expostas às MNPs. Cada experimento foi realizado em conjuntos quádruplos de ensaios experimentais e de controle.

Análise Estatística

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

Simulações Micromagnéticas

As configurações de magnetização das MNPs foram investigadas usando um programa de simulação micromagnética acelerado 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 da MNP no nível microscópico, que mostraram a correlação entre modelos analíticos e observações de resultados experimentais. A energia total de um sistema é descrita por:

$$ {E}_{\mathrm{Total}}={E}_{\mathrm{Exchange}}+{E}_{\mathrm{Anisotropy}}+{E}_{\mathrm{Zeeman}}+{E}_{\mathrm{Dipolar}}=-\int {\mu}_0{H}_{eff}(r)\cdot M(r){d}^3r $$

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 termo de amortecimento empírico. Os parâmetros de material para Permalloy Ni₈₀Fe₂₀ foram usados: magnetização de saturação M_s de 860 × 10³ A/m, constante de rigidez de troca 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 comparado ao comprimento de troca.

Configuração Experimental para Hipertermia Magnética

O SAR foi obtido experimentalmente a partir de medições calorimétricas dependentes do tempo expor as MNPs a um campo magnético alternado gerado por um aquecedor de indução de alta frequência. MNPs em suspensão aquosa com concentrações de 0,05-0,1 mg/mL foram colocadas em um tubo Falcon, que foi isolado por isopor e cercado por bobinas de indução. A temperatura das bobinas 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. Uma faixa de campo magnético alternado de 15,9 a 47,8 kA m⁻¹ e frequência fixa de 360 kHz foram aplicados, dentro do critério para hipertermia magnética clínica.

Resultados e Discussão

Caracterização de Nanopartículas Magnéticas

A composição das MNPs cilíndricas de NiFe fabricadas é determinada por V_H ou pela composição do eletrólito. Para mostrar o grande grau de controle na composição das MNPs, várias composições de MNPs foram fabricadas (Ni₈₈Fe₁₂, Ni₇₆Fe₂₄, Ni₅₂Fe₄₈ e Ni₃₆Fe₆₄) e verificadas por espectroscopia de raios X dispersiva em energia (EDX). A Figura 1 mostra o laço de histerese normalizado obtido por medições de magnetômetro de amostra vibratório (VSM) para as MNPs de NiFe com várias composições. O campo magnético é aumentado a um valor 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 o laço de histerese é, dada por:

$$ \mathrm{SQR}=\frac{M_r}{M_s} $$

Os valores de coercividade H_c e quadratura SQR = M_r/M_s para campos magnéticos aplicados in-plane e out-of-plane são tabulados na Tabela 1. Em geral, a tendência de H_c in-plane é maior que a de H_c out-of-plane para MNPs ricas em Ni (Ni₈₈Fe₁₂, Ni₇₆Fe₂₄ e Ni₅₂Fe₄₈), mas invertida para MNPs ricas em Fe (Ni₃₆Fe₆₄), o que está de acordo com estudos anteriores sobre co-deposição anômala de nanofios de NiFe [37].

Revestimento de Superfície Biocompatível

As MNPs de NiFe tendem a agregar devido aos efeitos de fortes interações dipolares entre MNPs vizinhas. Portanto, a modificação de superfície das MNPs usando polímero biocompatível e biodegradável [38, 39], como quitosana [40-42], álcool polivinílico [43-45], ácido oleico [46-48], dextrana [49, 50] e, mais comumente, polietileno glicol (PEG) [51-56], foi proposta. O PEG é um polímero hidrofílico que tem sido amplamente usado para melhorar a circulação sanguínea de lipossomos e MNPs [57-60]. Para dispersar as MNPs cilíndricas de NiFe em água, um PEG biocompatível de 5000 g mol⁻¹ foi usado como estabilizador [61]. A imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) mostra a formação de uma casca de óxido ao redor das MNPs, mostrada na Fig. 2a. Esta casca de óxido previne a oxidação dos materiais magnéticos nas MNPs. Trabalhos de pesquisa anteriores em MNPs de FeCo e Fe mostraram oxidação severa apenas pela exposição à atmosfera [61, 62].

O padrão de difração de raios X (XRD) teve pico principal indexado nos planos de cristal (111), que corresponde à estrutura cúbica de face centrada (fcc) do NiFe em massa, como mostrado na Fig. 2b. Isso indica que as MNPs foram eletrodepositadas com uma orientação preferencial de (111), que também é evidente em nanofios de NiFe fabricados por eletrodeposição ou sputtering [63, 64]. Além disso, houve ausência de picos de difração correspondentes a óxido espinélio ((NiFe)₃O₄), que resulta da formação de fases de óxido devido à alta concentração de Fe [65]. A alta cristalinidade das MNPs de NiFe levou a um encurvamento de spin de superfície negligenciável e, portanto, reteve a alta magnetização de saturação e pequena coercividade das MNPs. Caracterizações adicionais para as MNPs de NiFe revestidas com PEG foram conduzidas usando medição EDX. Como mostrado na Fig. 2c, principalmente elementos Ni e Fe foram detectados, com a presença de uma pequena porcentagem de elemento O, uma indicação da casca de óxido formada ao redor das MNPs.

Da Fig. 2d, a viabilidade celular das células HeLa expostas a MNPs de NiFe não revestidas e revestidas com PEG após 24 h é 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 revestidas com PEG. MNPs de NiFe sem cascas são tóxicas para células de mamíferos e afetarão a viabilidade celular. O revestimento PEG foi altamente biocompatível e pode diminuir a citotoxicidade e a internalização de MNPs nas células devido à endocitose [66, 67]. A citotoxicidade das MNPs cilíndricas de NiFe para células HeLa é comparável a outras NPs ferromagnéticas comercialmente disponíveis usadas em pesquisa de hipertermia magnética [68].

Dinâmica de Magnetização

A composição das MNPs foi mantida em Permalloy Ni₈₀Fe₂₀, enquanto o comprimento (l) e o diâmetro (d) das MNPs foram variados. A energia de troca, desmagnetização ou energia dipolar e contribuições de energia de Zeeman para a energia total da MNP são plotadas como função do campo magnético aplicado H ao longo do eixo longo da MNP na Fig. 3a-d, respectivamente. A MNP foi primeiro saturada por um forte campo magnético paralelo ao seu eixo longo. Em campos magnéticos grandes, a contribuição de energia de Zeeman predomina e os spins estão principalmente alinhados na direção do campo magnético. Este arranjo paralelo dos spins para o campo minimiza a contribuição de energia de troca para a energia magnética total. À medida que o campo magnético aplicado é reduzido, uma nucleação de vórtice horário e um anti-horário ocorrem nas extremidades da MNP, que progridem em direção ao centro da MNP, levando a uma redução gradual do componente de magnetização paralela que causa uma queda na contribuição de Zeeman, enquanto outras contribuições se tornam cada vez mais significativas. A magnetização da MNP tenta minimizar o campo disperso, reduzindo assim sua energia de desmagnetização. Em campos magnéticos suficientemente baixos, o estado de triplo vórtice é formado, que é uma configuração de magnetização estável, com energia total mantida em um mínimo. À medida que o campo magnético inverte, a queda abrupta na energia de troca corresponde à divisão abrupta dos dois vórtices.

MNPs com diferentes comprimentos (l) foram encontradas com configurações de magnetização significativamente diferentes. Em comprimentos l abaixo de 100 nm, apenas um único vórtice foi nucleado, que é uma estrutura de domínio de fluxo fechado in-plane, 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 da MNP foram nucleados — estado de duplo vórtice. 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 da MNP — estado de triplo vórtice.

Medições Calorimétricas

As MNPs Ni₈₀Fe₂₀, com l = 500 nm e d = 350 nm, foram expostas a um campo magnético alternado de 15,9 a 47,8 kA m⁻¹ (200 a 600 Oe), e a curva temperatura-tempo é exibida na Fig. 4a. Como caracterizado pela equação SAR, os valores de SAR foram calculados como 427 W g⁻¹, 1054 W g⁻¹ e 1742 W g⁻¹, para 15,9 kA m⁻¹, 31,9 kA m⁻¹ e 47,8 kA m⁻¹, respectivamente. Como previsto, quanto maior a intensidade do campo magnético, maior o valor de SAR, ou seja, o valor de SAR foi proporcional à intensidade do campo magnético. Portanto, o ILP foi obtido para dar uma melhor avaliação da eficiência de aquecimento das MNPs para hipertermia magnética. Como caracterizado pela equação ILP, os valores de ILP foram calculados como 4,69 nH m² kg⁻¹, 2,88 nH m² kg⁻¹ e 2,12 nH m² kg⁻¹, para 15,9 kA m⁻¹, 31,9 kA m⁻¹ e 47,8 kA m⁻¹ a 360 kHz, respectivamente.

Em seguida, MNPs de NiFe, com d = 350 nm e l = 100-500 nm, foram expostas a um campo magnético alternado de 47,8 kA m⁻¹ (600 Oe), e a curva temperatura-tempo é exibida na Fig. 4b. Como caracterizado pela equação SAR, os valores de SAR foram calculados como 409 W g⁻¹, 618 W g⁻¹ e 1742 W g⁻¹, para l = 100 nm, 200 nm e 500 nm a 47,8 kA m⁻¹ e 360 kHz, respectivamente. Como caracterizado pela equação ILP, os valores de ILP foram calculados como 0,50 nH m² kg⁻¹, 0,75 nH m² kg⁻¹ e 2,12 nH m² kg⁻¹ para l = 100 nm, 200 nm e 500 nm a 47,8 kA m⁻¹ e 360 kHz, respectivamente.

MNPs com l = 500 nm tiveram eficiência de aquecimento muito maior 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 foi 1742 W g⁻¹ a 47,8 kA m⁻¹ e 360 kHz. Para comparação, os valores de SAR para campo magnético de 15,9 a 31,9 kA m⁻¹ (200 a 400 Oe) e MNPs com d = 350 nm e l = 100-500 nm foram tabulados na Fig. 4c. Sob as mesmas condições, os valores de SAR e ILP de MNPs com l = 500 nm foram quatro vezes maiores que os de MNPs com l menor. De simulações micromagnéticas, observou-se que à medida que l aumenta para > 300 nm, o processo de reversão de magnetização da MNP mudou de estado de duplo vórtice para estado de triplo vórtice. Em l < 300 nm, apenas estado de vórtice único ou duplo vórtice foi observado. A magnetização remanescente M_r da MNP foi significativamente maior para o estado de triplo vórtice em comparação com o estado de vórtice único ou duplo.

Para MNPs de domínio único, o modelo teórico para calcular o laço de histerese dinâmico foi proposto por Carrey et al. [69] Para MNPs multi-domínio, o uso de simulações micromagnéticas para obter laço de histerese estático para cálculo foi razoável para MNPs com tamanhos grandes, acima do tamanho crítico para superparamagnetismo, pois o tempo de comutação da magnetização está na ordem de 10⁻⁹ s. Como o tempo de comutação da hipertermia magnética está na ordem ~ 10⁻⁶ s, as MNPs grandes são capazes de acompanhar o campo magnético alternado. A área dos laços de histerese obtidos de simulações micromagnéticas de MNPs cilíndricas de NiFe e medições de VSM foi usada para calcular teoricamente os valores de SAR e tabulada na Fig. 4d.

Os valores de SAR de MNPs com l = 100 nm e 200 nm exibiram um valor pequeno de SAR em campos magnéticos baixos abaixo de H_c e aumentaram abruptamente até atingir uma saturação em campos magnéticos altos, que é uma característica do regime ferromagnético. Em contraste, a dependência do campo magnético do valor de SAR de l = 500 nm MNPs, com o estado de triplo vórtice, seguiu uma relação não linear com valores de SAR que foram ~ 6 vezes maiores. A alta magnetização remanescente M_r do estado de triplo vórtice nas MNPs de l = 500 nm foi evidente nos valores de SAR não nulos em campos magnéticos baixos. A comparação entre medições calorimétricas (Fig. 4c) e cálculos numéricos (Fig. 4d) indica concordância qualitativa e quantitativa nas características das MNPs no regime ferromagnético, exibindo valores pequenos de SAR em campos magnéticos baixos e saturação em campos magnéticos altos, o que estava correlacionado ao H_c das MNPs.

A dissipação de calor de MNPs de NiFe com estados de triplo vórtice foi comparada para d = 150-350 nm, sob um campo magnético alternado de 47,8 kA m⁻¹ (600 Oe), e a curva temperatura-tempo é exibida na Fig. 5a. Os valores de SAR e ILP foram calculados como 1785 W g⁻¹, 2073 W g⁻¹ e 2750 W g⁻¹ e 2,17 nH m² kg⁻¹, 2,52 nH m² kg⁻¹ e 3,34 nH m² kg⁻¹, para d = 350 nm, 250 nm e 150 nm, respectivamente. As MNPs com d = 150 nm e 250 nm foram capazes de atingir a temperatura terapêutica ideal de 43 °C em 4,92 min e 7,45 min na concentração de 0,1 mg/mL. Comparando MNPs com diferentes razões 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 foi porque MNPs com d = 150 nm possuíam a maior suscetibilidade de baixo campo e M_r. Portanto, o valor de SAR estava intimamente correlacionado ao processo de reversão de magnetização das MNPs com ambas as variações em l e d.

De simulações micromagnéticas, pode-se observar que a área do laço de histerese A evolui significativamente com o diâmetro (d) da MNP. Portanto, o valor de SAR das MNPs de d = 150 nm aumenta tão rapidamente e satura em um valor máximo de SAR de 6263 W g⁻¹. Os cálculos numéricos mostraram que as MNPs com razões de aspecto mais altas têm maiores perdas por histerese, resultando em maiores valores teóricos de SAR, como mostrado na Fig. 5b. A comparação entre medições calorimétricas (Fig. 5a) e cálculos numéricos (Fig. 5b) estava em boa concordância qualitativa, mas houve discordâncias quantitativas nos valores de perdas por histerese. A discrepância entre os valores experimentais e teóricos surgiu das MNPs de NiFe serem não-superparamagnéticas e possuírem magnetização remanescente não negligenciável, levando a aglomeração indesejada devido a fortes interações dipolares magnéticas entre MNPs vizinhas [70, 71]. Como o volume hidrodinâmico das MNPs é um componente que governa o movimento browniano, a extensão de agregação das MNPs determinará o mecanismo de relaxamento dominante, ou seja, relaxamento Néel ou browniano. Portanto, um grupo agregado de MNPs versus uma única MNP livre diferirá muito em valores de SAR. Além disso, um campo magnético alternado pode induzir formação de nanocolunas ou nanocadeias que exibem mecanismo de relaxamento browniano dissimilar e, portanto, explicaram a discrepância entre os valores experimentais e teóricos [72-74].

Conclusões

Os altos valores de SAR exibidos pelas MNPs cilíndricas de NiFe, comparáveis com MNPs de óxido de ferro (IOMNPs) e nanopartículas superparamagnéticas de óxido de ferro (SPIONs) [28, 75], demonstram a capacidade dessas MNPs em dissipação de calor sob um campo magnético alternado. MNPs com o estado de triplo vórtice tiveram eficiência de aquecimento muito maior que MNPs com estado de duplo ou vórtice único, que têm um valor de SAR quatro vezes maior, atribuído ao alto M_r das MNPs no estado de triplo vórtice. Comparando MNPs com diferentes razões 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_r maior e suscetibilidade de baixo campo. Tanto medições calorimétricas quanto simulações micromagnéticas mostraram a correlação entre o processo de reversão de magnetização e as maiores perdas por histerese de d = 150 nm MNPs, resultando em maiores valores de SAR experimentais e teóricos. O fácil controle dos tamanhos das MNPs e suas propriedades magnéticas indicam grande potencial para ensaios de terapia de hipertermia magnética de câncer in vivo.

Disponibilidade de Dados e Materiais

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

Abreviações

d:

Diâmetro de nanopartículas magnéticas

EDX:

Espectroscopia de raios X dispersiva em energia

H_c:

Coercividade

ILP:

Potência de perda intrínseca

l:

Comprimento de nanopartículas magnéticas

MNPs:

Nanopartículas magnéticas

M_r:

Magnetização remanescente

PEG:

Polietileno glicol

SAR:

Taxa de absorção específica

SEM:

Microscopia eletrônica de varredura

SQR:

Razão de quadratura

V_H:

Pulso de eletrodeposição de alto potencial

VSM:

Magnetômetro de amostra vibratório

XRD:

Espectroscopia de difração de raios X