Verwarmingsefficiëntie van cilindrische magnetische nanodeeltjes met drievoudige vortextoestand

Genormaliseerde hysteresislussen van NiFe MNP's voor Ni₈₈ Fe₁₂ , Ni₇₆ Fe₂₄ , Ni₅₂ Fe₄₈ , en Ni₃₆ Fe₆₄ gemeten in de in-plane en out-of-plane richtingen. Inzetstukken tonen de magnetisatieconfiguraties van de MNP bij verschillende magnetische veldsterkten

De waarden van coërciviteit H _c en haaksheid SQR = M _r /M _s voor in-plane en out-of-plane toegepaste magnetische velden zijn in tabel 1 weergegeven. In het algemeen is de trend van in-plane H _c is hoger dan de out-of-plane H _c voor Ni-rijke MNP's (Ni₈₈ Fe₁₂ , Ni₇₆ Fe₂₄ , en Ni₅₂ Fe₄₈ ), maar omgekeerd voor Fe-rijke MNP's (Ni₃₆ Fe₆₄ ), wat in overeenstemming is met de eerdere studies over afwijkende co-depositie van NiFe-nanodraden [37].

Biocompatibele oppervlaktecoating

NiFe MNP's hebben de neiging om te aggregeren vanwege de effecten van sterke dipoolinteracties tussen naburige MNP's. Daarom is de oppervlaktemodificatie van de MNP's met behulp van biocompatibel en biologisch afbreekbaar polymeer [38, 39], zoals chitosan [40,41,42], polyvinylalcohol [43,44,45], oliezuur [46,47,48], dextraan [49, 50], en meestal polyethyleenglycol (PEG) [51,52,53,4,5,5,56], is voorgesteld. PEG is een hydrofiel polymeer dat op grote schaal is gebruikt voor het verbeteren van de bloedcirculatie van liposomen en MNP's [57,58,59,60]. Om de cilindrische NiFe MNP's in water te dispergeren, een biocompatibele 5000 g mol ^− 1 PEG werd gebruikt als stabilisator [61]. Het beeld van de scanning-elektronenmicroscopie (SEM) toont de vorming van een oxideschil rond de MNP's, weergegeven in figuur 2a. Deze oxideschil voorkomt oxidatie van de magnetische materialen in de MNP's. Eerdere onderzoeken naar FeCo MNP's en Fe MNP's hebben ernstige oxidatie aangetoond door blootstelling aan de atmosfeer [61, 62].

een SEM-beeld van NiFe MNP's met PEG-coating. b XRD-patroon voor NiFe MNP's met PEG-coating. c EDX-patroon voor NiFe MNP's met en zonder PEG-coating. d Levensvatbaarheid van de cellen met weergegeven afbeeldingen van HeLa-cellen na incubatie met MNP's, gedurende een periode van 0-48 h

De piek van het röntgendiffractiepatroon (XRD) werd voornamelijk geïndexeerd op de (111) kristalvlakken die overeenkomt met de vlakgecentreerde kubische (fcc) structuur van bulk NiFe, zoals weergegeven in figuur 2b. Dit geeft aan dat de MNP's elektrolytisch waren afgezet met een voorkeursoriëntatie van (111), wat ook duidelijk is in NiFe-nanodraden die zijn vervaardigd door elektrodepositie of sputteren [63, 64]. Bovendien waren er geen diffractiepieken die overeenkomen met spineloxide ((NiFe)₃ O₄ ), die het gevolg is van de vorming van oxidefasen door de hoge concentratie van Fe [65]. De hoge kristalliniteit van de NiFe MNP's leidde tot verwaarloosbare oppervlaktespinkanteling en behield dus de hoge verzadigingsmagnetisatie en kleine coërciviteit van de MNP's. Verdere karakteriseringen voor de PEG-gecoate NiFe MNP's werden uitgevoerd met behulp van EDX-meting. Zoals getoond in Fig. 2c, werden voornamelijk Ni- en Fe-elementen gedetecteerd, met de aanwezigheid van een klein percentage O-element, een indicatie van de oxideschil gevormd rond de MNP's.

Uit Fig. 2d is de levensvatbaarheid van de cellen van de HeLa-cellen die zijn blootgesteld aan ongecoate en PEG-gecoate NiFe MNP's na 24 h respectievelijk 82,2% en 82,6%. Na 48 h nam de levensvatbaarheid van de cellen licht af tot 79,9% en 82,1%, wat een iets hogere biocompatibiliteit voor PEG-gecoate MNP's vertoonde. NiFe MNP's zonder omhulsel zijn giftig voor zoogdiercellen en zullen de levensvatbaarheid van de cellen beïnvloeden. De PEG-coating was zeer biocompatibel en kan de cytotoxiciteit en internalisatie van MNP's in de cellen verminderen als gevolg van endocytose [66, 67]. De cytotoxiciteit van de cilindrische NiFe MNP's voor HeLa-cellen is vergelijkbaar met andere commercieel beschikbare ferromagnetische NP's die worden gebruikt in onderzoek naar magnetische hyperthermie [68].

Magnetisatiedynamiek

De samenstelling van de MNP's werd gehouden op Permalloy Ni₈₀ Fe₂₀ , terwijl de lengte (l ) en diameter (d ) van de MNP's waren gevarieerd. De uitwisselingsenergie, demagnetisatie of dipolaire energie en Zeeman-energiebijdragen aan de totale energie van de MNP worden uitgezet als een functie van het aangelegde magnetische veld H langs de MNP-lange as in respectievelijk Fig. 3a-d. De MNP werd eerst verzadigd door een sterk magnetisch veld evenwijdig aan zijn lange as. Bij grote magnetische velden overheerst de Zeeman energiebijdrage en zijn de spins meestal uitgelijnd in de magnetische veldrichting. Deze parallelle opstelling van de spins aan het veld minimaliseert de uitwisselingsenergiebijdrage aan de totale magnetische energie. Naarmate het aangelegde magnetische veld wordt verminderd, vindt een rechts- en een linksdraaiende vortexkiemvorming plaats aan de uiteinden van de MNP, die naar het midden van de MNP vorderen, wat leidt tot een geleidelijke vermindering van de parallelle magnetisatiecomponent die een daling van de Zeeman-bijdrage, terwijl andere bijdragen steeds belangrijker worden. De magnetisatie van de MNP probeert het strooiveld te minimaliseren en zo de demagnetisatie-energie te verminderen. Bij voldoende lage magnetische velden wordt de drievoudige vortextoestand gevormd, wat een stabiele magnetisatieconfiguratie is, waarbij de totale energie tot een minimum wordt beperkt. Terwijl het magnetische veld omkeert, komt de scherpe daling van de uitwisselingsenergie overeen met de abrupte splitsing van de twee wervels.

De plot van (a ) energie uitwisselen, (b ) dipolaire energie, (c ) Zeeman energie, en (d ) totale energie tegen aangelegd magnetisch veld H

MNP's met verschillende lengtes (l ) bleken significant verschillende magnetisatieconfiguraties te hebben. Eindelijk l onder 100 nm, werd slechts een enkele vortex genucleëerd, wat een in-plane en gesloten fluxdomeinstructuur is, vanwege de interactie tussen de magnetostatische energie en uitwisselingsenergie. Voor l boven 100 nm waren een paar vortexkernen tegen de klok in en met de klok mee aan de uiteinden van de MNP genucleëerd - dubbele vortex-toestand. Wanneer het magnetische veld afneemt, wordt een van de vortexen vernietigd en bezwijkt in de toestand van de enkele vortex. Echter, bij l boven 300 nm is er geen vernietiging van vortex bij lage velden, in plaats daarvan werd een extra derde vortexkern gevormd op het gebogen oppervlak van de MNP-drievoudige vortextoestand.

Calorimetrische metingen

De Ni₈₀ Fe₂₀ MNP's, met l = 500 nm en d = 350 nm, werden blootgesteld aan een wisselend magnetisch veld van 15,9 tot 47,8 kAm ⁻¹ (200 tot 600 Oe), en de temperatuur-tijdcurve wordt weergegeven in Fig. 4a. Zoals gekenmerkt door de SAR-vergelijking, werden de SAR-waarden berekend op 427 Wg ^− 1 , 1054 Wg ^− 1 , en 1742 Wg ^− 1 , voor 15,9 kAm ^− 1 , 31,9 kAm ^− 1 , en 47,8 kAm ^− 1 , respectievelijk. Zoals voorspeld, hoe groter de magnetische veldsterkte, hoe groter de SAR-waarde, d.w.z. de SAR-waarde was evenredig met de magnetische veldsterkte. Daarom werd ILP verkregen om een ​​betere evaluatie te geven van de verwarmingsefficiëntie van de MNP's voor magnetische hyperthermie. Zoals gekenmerkt door de ILP-vergelijking, werden de ILP-waarden berekend op 4,69 nHm ² kg ^− 1 , 2.88 nHm ² kg ^− 1 , en 2.12 nHm ² kg ^− 1 , voor 15,9 kAm ^− 1 , 31,9 kAm ^− 1 , en 47,8 kAm ^− 1 bij respectievelijk 360 kHz.

een Temperatuur-tijdcurves van NiFe MNP's, met l = 500 nm en d = 350 nm, voor het verhogen van de magnetische veldsterkte van 15,9 tot 47,8 kAm ^− 1 (200 tot 600 Oe). b Temperatuur-tijdcurves van NiFe MNP's, met d = 350 nm. De magnetische veldsterkte van 47,8 kAm ^− 1 (600 Oe), terwijl de MNP-lengte l verhoogd van naar 500 nm. c Getabelleerde SAR-waarden voor NiFe MNP's, met l = 100–500 nm en d = 350 nm bij een magnetische veldsterkte van 15,9 tot 47,8 kAm ^− 1 (200 tot 600 Oe). d Theoretische SAR-waarden voor NiFe MNP's, met l = 100–500 nm en d = 350 nm

Vervolgens NiFe MNP's, met d = 350 nm en l = 100–500 nm, werden blootgesteld aan een wisselend magnetisch veld van 47,8 kAm ^− 1 (600 Oe), en de temperatuur-tijdcurve wordt weergegeven in Fig. 4b. Zoals gekenmerkt door de SAR-vergelijking, werden de SAR-waarden berekend op 409 Wg ^− 1 , 618 Wg ^− 1 , en 1742 Wg ^− 1 , voor l = 100 nm, 200 nm en 500 nm bij 47,8 kAm ^− 1 en 360 kHz, respectievelijk. Zoals gekenmerkt door de ILP-vergelijking, werden de ILP-waarden berekend op 0,50 nHm ² kg ^− 1 , 0,75 nHm ² kg ^− 1 , en 2.12 nHm ² kg ^− 1 voor l = 100 nm, 200 nm en 500 nm bij 47,8 kAm ^− 1 en 360 kHz, respectievelijk.

MNP's met l = 500 nm had een veel grotere verwarmingsefficiëntie dan MNP's met l = 100 nm en 200 nm, wat leidt tot een grotere temperatuurstijging. De hoogste SAR-waarde van MNP's met l = 500 nm was 1742 Wg ^− 1 om 47,8 kAm ^− 1 en 360 kHz. Ter vergelijking:de SAR-waarden voor magnetisch veld van 15,9 tot 31,9 kAm ^− 1 (200 tot 400 Oe) en MNP's met d = 350 nm en l = 100-500 nm werden getabelleerd in figuur 4c. Onder dezelfde omstandigheden zijn de SAR- en ILP-waarden van MNP's met l = 500 nm waren vier keer hoger dan die met MNP's van kleinere l . Uit micromagnetische simulaties werd waargenomen dat als l stijgt tot>  300 nm, veranderde het magnetisatie-omkeringsproces van de MNP van een dubbele vortex-toestand naar een drievoudige vortex-toestand. Bij l < 300 nm, werd slechts een enkele vortex-toestand of dubbele vortex-toestand waargenomen. De remanente magnetisatie M _r van de MNP was significant hoger voor de drievoudige vortex-toestand in vergelijking met de enkele of dubbele vortex-toestand.

Voor MNP's met één domein is het theoretische model voor het berekenen van de dynamische hysteresislus voorgesteld door Carrey et al. [69] Voor multi-domein MNP's was het gebruik van micromagnetische simulaties om een ​​statische hysteresislus voor berekening te verkrijgen redelijk voor MNP's met grote afmetingen, boven de kritische grootte voor superparamagnetisme, aangezien de schakeltijd van de magnetisatie in de orde van 10 − 9 s. Aangezien de schakeltijd van magnetische hyperthermie in de orde is van ~ 10 ^− 6 s, kunnen de grote MNP's het wisselende magnetische veld bijhouden. Het gebied van hysteresislussen verkregen uit micromagnetische simulaties van cilindrische NiFe MNP's en VSM-metingen werd gebruikt om de SAR-waarden theoretisch te berekenen en in tabelvorm weergegeven in figuur 4d.

De SAR-waarden van MNP's met l = 100 nm en 200 nm vertoonden een kleine SAR-waarde bij lage magnetische velden onder H _c en sterk verhoogd totdat het een verzadiging bereikt bij hoge magnetische velden, wat een kenmerk is van het ferromagnetische regime. Daarentegen is de magnetische veldafhankelijkheid van de SAR-waarde van l = 500 nm MNP's, met de drievoudige vortextoestand, volgden een niet-lineaire relatie met SAR-waarden die ~ 6 keer groter waren. De hoge remanente magnetisatie M _r van de drievoudige vortextoestand in de l = 500 nm MNP's waren duidelijk in de niet-nul SAR-waarden bij lage magnetische velden. De vergelijking tussen calorimetrische metingen (Fig. 4c) en numerieke berekeningen (Fig. 4d) geeft een kwalitatieve en kwantitatieve overeenkomst aan over de kenmerken van MNP's in het ferromagnetische regime, met kleine SAR-waarden bij lage magnetische velden en verzadiging bij hoge magnetische velden die was gecorreleerd met de H _c van de MNP's.

De warmteafvoer van NiFe MNP's met drievoudige vortextoestanden werd vergeleken voor d = 150–350 nm, onder een magnetisch wisselend veld van 47,8 kAm ^− 1 (600 Oe), en de temperatuur-tijdcurve wordt weergegeven in Fig. 5a. De SAR- en ILP-waarden zijn berekend op 1785 Wg ^− 1 , 2073 Wg ^− 1 , en 2750 Wg ^− 1 en 2,17 nHm ² kg ^− 1 , 2,52 nHm ² kg ^− 1 , en 3,34 nHm ² kg ^− 1 , voor d =respectievelijk  350 nm, 250 nm en 150 nm. De MNP's met d = 150 nm en 250 nm waren in staat om de optimale therapeutische temperatuur van 43 °C te bereiken in 4,92 min en 7,45 min bij een concentratie van 0,1 mg/ml. Bij het vergelijken van MNP's met verschillende aspectverhoudingen, werd waargenomen dat de verwarmingsefficiëntie van d = 150 nm MNPs was 1,54 keer groter dan d = 350 nm MNP's. Dit was omdat MNP's met d = 150 nm had de hoogste gevoeligheid voor lage velden en M _r . Daarom was de SAR-waarde nauw gecorreleerd met het magnetisatie-omkeringsproces van de MNP's met beide variaties in l en d .

een Temperatuur-tijdkrommen van NiFe MNP's onder een magnetische veldsterkte van 47,8 kAm ^− 1 (600 Oe) en een frequentie van 360 kHz, terwijl de MNP-lengte d verhoogd van 150 naar 350 nm. b Theoretische SAR-waarden voor NiFe MNP's, met d = 150–350 nm en l = 500 nm

Uit micromagnetische simulaties kan worden waargenomen dat het gebied van hysterese A evolueert aanzienlijk met de diameter (d ) van het MNP. Daarom is de SAR-waarde van de d = 150 nm MNP's nemen zo snel toe en verzadigen bij een maximale SAR-waarde van 6263 Wg ^− 1 . De numerieke berekeningen toonden aan dat de MNP's met hogere aspectverhoudingen hogere hystereseverliezen hebben, wat resulteert in hogere theoretische SAR-waarden, zoals weergegeven in figuur 5b. De vergelijking tussen calorimetrische metingen (Fig. 5a) en numerieke berekeningen (Fig. 5b) kwam kwalitatief goed overeen, maar er waren kwantitatieve meningsverschillen in de waarden van hysteresisverliezen. De mismatch tussen de experimentele en theoretische waarden kwam voort uit het feit dat de NiFe MNP's niet-superparamagnetisch waren en niet-verwaarloosbare remanente magnetisatie bezaten, wat leidde tot ongewenste agglomeratie als gevolg van sterke magnetische dipoolinteracties tussen naburige MNP's [70, 71]. Aangezien het hydrodynamische volume van MNP's een component is die de Brownse beweging bepaalt, zal de mate van aggregatie van de MNP's het dominerende relaxatiemechanisme bepalen, d.w.z. Néel of Brownse relaxatie. Daarom zal een geaggregeerde groep MNP's versus een enkele vrije MNP sterk verschillen in SAR-waarden. Bovendien kan een wisselend magnetisch veld de vorming van nanokolommen of nanoketens induceren die een verschillend Browniaans relaxatiemechanisme vertonen en daarmee de discrepantie tussen de experimentele en theoretische waarden verklaren [72,73,74].