Optimalisatie van warmteopwekking in driedriehoekige cilindrische magnetische nanopartikelen voor kankerhyperthermie

Samenvatting

Een welbekende methode voor de behandeling van kankerachtige tumoren is magnetische hyperthermie, die plaatselijke warmte gebruikt gegenereerd door het relaxatiemechanisme van magnetische nanopartikelen (MNP's) in een hoogfrequent wisselend magneetveld. In dit werk onderzoeken we de verwarmings-efficiëntie van cilindrische NiFe MNP's, geproduceerd door sjabloon-geassisteerde gepulste electrodepositie gecombineerd met differentiële chemische etching. De cilindrische geometrie van de MNP maakt de vorming van de driedriehoekige toestand mogelijk, wat de warmteopwekkingsefficiëntie met vier keer verhoogt. Met behulp van tijdsafhankelijke calorimetrische metingen werd de specifieke absorptiesnelheid (SAR) van de MNP's bepaald en vergeleken met de numerieke berekeningen uit micromagnetische simulaties en trillende monster magnetometer metingen. De magnetisatieomkering van hoge aspect ratio MNP's toonde hogere remanente magnetisatie en lage-veld gevoeligheid leidend tot hogere hystereserverliezen, wat gereflecteerd werd in hogere experimentele en theoretische SAR-waarden. De SAR-afhankelijkheid van magnetische veldsterkte vertoonde kleine SAR-waarden bij lage magnetische velden en verzadigde bij hoge magnetische velden, wat gecorreleerd is met het coercitieve veld van de MNP's en een kenmerkend kenmerk van ferromagnetische MNP's. De optimalisatie van cilindrische NiFe MNP's zal een cruciale rol spelen bij het produceren van hoge verwarmingsprestaties en biocompatibele magnetische hyperthermie agenten.

Inleiding

De toepassingen voor magnetische nanopartikelen (MNP's) zijn uitgebreid onderzocht in biomedische velden, zoals magneto-mechanische celdestructie, magnetische resonantie imaging, medicijnafgifte en magnetische hyperthermie, om de nadelen van huidige diagnostische en therapeutische methoden te compenseren. Het grootste voordeel van MNP's is dat ze op afstand gecontroleerd kunnen worden door een extern magneetveld. De resulterende magnetische reactie kan in de vorm van warmtedissipatie of magnetisch moment zijn, wat afhankelijk is van de toegepaste magneetveldc configuratie en magnetisatiedynamica van de MNP's.

Echter, verschillende biomedische toepassingen vereisen specifieke rotatiemechanismen in diverse magneetveldc configuraties. Biosensoren voor kankerbiomarkers gebruiken magnetische spectroscopie van de Browniaanse beweging van MNP's om de gebonden fractie en relaxatietijden van de MNP's binnen seconden te meten. In magnetische deeltjesimaging voor het kwantificeren van MNP-concentraties, vereist het Néel-relaxatie van de MNP's, terwijl Browniaanse relaxatie, veroorzaakt door MNP-grootteverdelingen, geminimaliseerd moet worden. De twee mechanismen die bestaan voor de MNP-relaxatieprocessen zijn Néel- en Browniaanse relaxatie, wat resulteert in warmtedissipatie of ruimtelike rotatie van de MNP's. Néel-relaxatie gecorreleerd aan de heroriëntatie van het MNP-magnetische moment naar het magneetveld, terwijl Browniaanse relaxatie gecorreleerd is aan de ruimtelike rotatie van de MNP.

Néel (t_N) en Browniaanse (t_B) relaxatietijd worden gegeven door:

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

waarbij η de viscositeitscoëfficiënt is, t₀ de inverse pogingsfrequentie, K de magnetische anisotropieconstante, V het volume van MNP's, k_B de Boltzmannconstante, en T de temperatuur. In principe domineert het snelste mechanisme, maar zowel Néel- als Browniaanse mechanismen kunnen gelijktijdig optreden, gekoppeld door warmtedissipatie en magnetisch moment. De effectieve relaxatietijd (t_eff) wordt gegeven door:

$$ \frac{1}{t_{eff}}=\frac{1}{t_B}+\frac{1}{t_N} $$

In kleinere MNP's is het dominierende mechanisme Néel-relaxatie, terwijl voor grotere MNP's het Browniaanse relaxatie is. Bij Néel-relaxatie verandert de MNP-magnetisatie van richting door de herconfiguratie van zijn magnetisch moment en is afhankelijk van de MNP-grootte en de temperatuur. Terwijl bij Browniaanse relaxatie de MNP's een ruimtelike rotatie ondergaan en afhankelijk zijn van externe condities, zoals viscositeit en chemische binding. Daarom is het belangrijk om de bijdragen van deze magnetische relaxatiemechanismen te begrijpen om het ontwerp van de MNP's af te stemmen en aan te passen om de optimale warmteopwekking voor magnetische hyperthermie of magnetisch moment voor magneto-geactiveerde celdood te verkrijgen.

Magnetische hyperthermie is een welbekende kankerbehandelingstechniek die plaatselijke verwarming door MNP's onder een hoogfrequent wisselend magneetveld gebruikt, om kankercelapoptose en tumorregressie te induceren. In een wisselend magneetveld is de warmte gedissipeerd door de MNP's in één magneetveldc cyclus gelijk aan de oppervlakte van de hystereselus A, gegeven door:

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

waarbij M de magnetisatie van MNP's is, onder een wisselend magneetveld met frequentie f en amplitude μ₀H_max. Om een lage MNP-dosis en korte behandelingsduur in magnetische hyperthermie te handhaven, moet de MNP-verwarmingsefficiëntie gemaximaliseerd worden. De meting van MNP-verwarmingsprestaties wordt aangeduid als specifieke absorptiesnelheid (SAR), wat gegeven wordt door de warmte gedissipeerd per eenheid massa van MNP's (Wg⁻¹):

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

waarbij ρ de dichtheid van MNP's is.

De efficiëntie van warmtedissipatie van MNP's kan experimenteel gemeten worden in termen van SAR, wat de energie is gedissipeerd per eenheid massa van MNP's (Wg⁻¹), en gegeven wordt door:

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

waarbij C de specifieke warmte van het medium is (C_water = 4,18 Jg⁻¹ °C⁻¹), ΔT/Δt de initiële helling van de tijd-temperatuur grafiek is, en m_MNP de massa van de MNP's is. Echter, SAR-waarden zijn niet volledig representatief voor de verwarmingsefficiëntie van MNP's omdat warmtedissipatie ook beïnvloed wordt door frequentie f en magneetveldsterekte H. Daarom wordt effectieve specifieke absorptiesnelheid of intrinsieke verliesvermogen (ILP) gebruikt om de MNP-verwarmingsefficiëntie te karakteriseren, gegeven door:

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

In cilindrische NiFe MNP's wordt een driedriehoekige toestand gevormd, waarin kloksgewijze en tegen de klok in wentelende vortexen verbonden zijn in het centrum van de MNP via een derde vortexkern, wat resulteert in een driedimensionale magnetisatieconfiguratie. De theoretische warmtedissipatie van de MNP's voor magnetische hyperthermie toepassingen werd berekend uit de gesimuleerde hystereselussen en trillende monster magnetometer metingen. Met behulp van tijdsafhankelijke calorimetrische metingen werden de specifieke absorptiesnelheid en intrinsieke verliesvermogen van de MNP's bepaald en vergeleken met de numerieke berekeningen.

Methoden

Fabricatie van Magnetische Nanopartikelen

Sjabloon-geassisteerde gepulste electrodepositie met differentiële chemische etching is een eenvoudige en goedkope fabricatiemethode om MNP's van verschillende samenstellingen te produceren: Ni, Fe of Co. Ni₈₀Fe₂₀, Permalloy, is een ferromagnetisch materiaal dat uitzonderlijke magnetische eigenschappen vertoont zoals hoge permeabiliteit, lage coerciviteit en bijna nul magnetostrictie. De fabricatie van cilindrische MNP's begint met het laten groeien van compositioneel gemoduleerde cilindrische NiFe nanodraden met behulp van anodische aluminiumoxide (AAO) sjabloon-geassisteerde gepulste electrodepositie in een elektrolytbad bestaande uit NiSO₄, FeSO₄ en H₃BO₃. Vervolgens werden de nanodraden vrijgemaakt door het AAO-sjabloon op te lossen in NaOH. Ten slotte werden de Fe-rijke regio's in de nanodraden chemisch geëtst door verdunning van HNO₃ om de MNP's te vormen. De diameter van de MNP's werd bepaald door de AAO-sjabloon poriegrootte, terwijl de lengte gecontroleerd werd door de duur van de hoge-potentiaal puls V_H Additioneel bestand 1.

Celviabiliteit

HeLa cellen werden gezaaid in 12-put microtiterplaat bij 8 × 10⁴ cellen/put en geïnculeerd in Dulbecco's Modified Eagle's medium aangevuld met 4,5 g/L glucose, 2 mM L-glutamine, 10% foetaal bovin serum, en 1% penicilline/streptomycine in een vervoegde atmosfeer bij 37 °C en 5% CO₂. De celviabiliteit werd bepaald met behulp van PrestoBlue, een doorlaatbaar resazurine-gebaseerd celviabiliteitsreagens, dat de reducerende kracht van levensvatbare cellen gebruikt om celproliferatie kwantitatief te meten. HeLa cellen behandeld met 0,1 mg/ml MNP's werden geïnculeerd met het PrestoBlue reagent bij 37 °C en 5% CO₂ gedurende 2 uur. De absorbantiewaarden bij 570 nm en 600 nm werden gemeten met een Tecan Infinite M200 PRO Microplaatlezer. De celviabiliteit werd uitgedrukt als percentage ten opzichte van cellen niet blootgesteld aan de MNP's. Elk experiment werd in viervoudige sets van experimentele en controle analyses uitgevoerd.

Statistische Analyse

De resultaten werden voorgesteld als het gemiddelde ± standaarddeviatie (SD). Statistische significantie werd geanalyseerd met behulp van eénrichtings variantieanalyse (ANOVA) met OriginPro, OriginLab. Een p-waarde van < 0,05 werd als statistisch significant beschouwd.

Micromagnetische Simulaties

De magnetisatieconfiguraties van de MNP's werden onderzocht met behulp van een GPU-geaccelereerd micromagnetisch simulatiprogramma, MuMax3, om de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) vergelijking in drie dimensies op te lossen. Deze micromagnetische simulaties gaven inzicht in de magnetisatieconfiguraties van de MNP op microscopisch niveau, wat de correlatie tussen analytische modellen en observaties van experimentele resultaten toonde. De totale energie van een systeem wordt beschreven door:

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

waarbij \( {H}_{eff}=-\frac{1}{\mu_0}{\nabla}_ME \). De Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) vergelijking beschrijft de precessie van magnetisatie M in een effectief magneetveld H_eff met demping α.

$$ \frac{dM(r)}{dt}=-\gamma M(r)\times {H}_{eff}(r)-\frac{\overline{\alpha}}{M_s}M(r)\times \left(M(r)\times {H}_{eff}(r)\right) $$

waarbij γM(r) × H_eff(r) de precessie is van M(r) in een lokaal veld H_eff(r) en \( \frac{\overline{\alpha}}{M_s}M(r)\times \left(M(r)\times {H}_{eff}(r)\right) \) de empirische dempingsterm is. De materiaalparameters voor Permalloy Ni₈₀Fe₂₀ werden gebruikt: verzadigingsmagnetisatie M_s van 860 × 10³ A/m, uitwisselingsstijfheidsconstante A_ex van 1,3 × 10⁻¹¹ J/m, nul magneto-kristallijne anisotropie k = 0, en Gilbert dempingsconstante α van 0,01. Een celgrootte van 5 nm × 5 nm × 5 nm werd gebruikt voor alle simulaties, wat voldoende klein is vergeleken met de uitwisselingslengte.

Experimentele Opstelling voor Magnetische Hyperthermie

SAR werd experimenteel verkregen uit tijdsafhankelijke calorimetrische metingen door de MNP's te blootstellen aan een wisselend magneetveld gegenereerd door een hoogfrequente inductieverhitter. MNP's in waterige suspensie met concentraties van 0,05–0,1 mg/ml werden in een buis gegoten, geïsoleerd door styrofoom en omringd door de inductiespulen. De temperatuur van de spulen werd gehandhaafd bij 28,0 ± 0,5 °C door een waterrecirculerende chiller. De initiële temperatuur van de suspensie werd gehandhaafd bij 28,0 ± 0,5 °C gedurende 1 min om eventuele warmtebijdragen van de inductiespulen te elimineren. Een wisselend magneetveldbereik van 15,9 tot 47,8 kAm⁻¹ en vaste frequentie van 360 kHz werden toegepast, binnen het criterium voor klinische magnetische hyperthermie.

Resultaten en Discussie

Karakterisering van Magnetische Nanopartikelen

De samenstelling van de geproduceerde cilindrische NiFe MNP's wordt bepaald door V_H of de elektrolytsamenstelling. Om de grote mate van controle in de MNP-samenstelling te tonen, zijn verschillende samenstellingen van MNP's geproduceerd (Ni₈₈Fe₁₂, Ni₇₆Fe₂₄, Ni₅₂Fe₄₈ en Ni₃₆Fe₆₄) en geverifieerd door energie-dispersieve Röntgenspectroscopie (EDX). Figuur 1 toont de genormaliseerde hystereselus verkregen door trillende monster magnetometer (VSM) metingen voor de NiFe MNP's met verschillende samenstellingen. Het magneetveld wordt verhoogd tot een waarde die voldoende is om de effectieve magnetische anisotropie te overwinnen zodat de magnetisatie verzadiging bereikt. De vierkantsratio SQR is een basismaat voor hoe vierkant de hystereselus is, gegeven door:

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

De waarden van coerciviteit H_c en vierkantsratio SQR = M_r/M_s voor in-plane en out-of-plane toegepaste magneetvelden zijn getabuleerd in Tabel 1. In het algemeen is de trend van in-plane H_c hoger dan de out-of-plane H_c voor Ni-rijke MNP's (Ni₈₈Fe₁₂, Ni₇₆Fe₂₄ en Ni₅₂Fe₄₈), maar omgekeerd voor Fe-rijke MNP's (Ni₃₆Fe₆₄), wat in overeenstemming is met eerdere studies over anomale co-depositie van NiFe nanodraden.

Biocompatibele Oppervlaktecoating

NiFe MNP's neigen te aggregeren door de effecten van sterke dipoolinteracties tussen buren MNP's. Daarom is de oppervlaktemodificatie van de MNP's met behulp van biocompatibele en biologisch afbreekbare polymeren voorgesteld, zoals chitosaan, polyvinylalcohol, oleïnezuur, dextran, en het meest voorkomend polyethyleenglycol (PEG). PEG is een hydrofiel polymer dat breed gebruikt is voor het verbeteren van de bloedsomloop van liposomen en MNP's. Om de cilindrische NiFe MNP's in water te disperseren, werd een biocompatibele 5000 g mol⁻¹ PEG gebruikt als stabilisator. De scanning elektronenmicroscopie (SEM) afbeelding toont de vorming van een oxideschel rond de MNP's, getoond in Fig. 2a. Deze oxideschel voorkomt oxidatie van de magnetische materialen in de MNP's. Eerdere onderzoekswerken op FeCo MNP's en Fe MNP's hebben ernstige oxidatie getoond door alleen blootstelling aan de atmosfeer.

Het Röntgendiffractie (XRD) patroon piek werd hoofdzakelijk geïndexeerd op de (111) kristalvlakken wat correspondeert met de kubisch vlakke-gecentreerde (fcc) structuur van bulk NiFe, zoals getoond in Fig. 2b. Dit geeft aan dat de MNP's geëlectrodeposeerd werden met een voorkeursoriëntatie van (111), wat ook duidelijk is in NiFe nanodraden geproduceerd door electrodepositie of sputtering. Bovendien was er een afwezigheid van diffractiepieken corresponderend met spineloxide ((NiFe)₃O₄), wat resulteert uit de vorming van oxidefasen door de hoge concentratie Fe. De hoge kristallijnheid van de NiFe MNP's leidde tot verwaarloosbare oppervlakte spin kanteling en behield dus de hoge verzadigingsmagnetisatie en kleine coerciviteit van de MNP's. Verdere karakteriseringen voor de PEG-gecoate NiFe MNP's werden uitgevoerd met EDX-meting. Zoals getoond in Fig. 2c, werden hoofdzakelijk Ni en Fe elementen gedetecteerd, met de aanwezigheid van een klein percentage O element, een indicatie van de oxideschel gevormd rond de MNP's.

Uit Fig. 2b is de celviabiliteit van HeLa cellen blootgesteld aan ongecoate en PEG-gecoate NiFe MNP's na 24 uur 82,2% en 82,6%, respectievelijk. Na 48 uur daalden de celviabiliteiten licht naar 79,9% en 82,1%, wat iets hogere biocompatibiliteit voor PEG-gecoate MNP's toont. NiFe MNP's zonder enige schelpen zijn giftig voor zoogdiercellen en zullen de celviabiliteit beïnvloeden. De PEG-coating was hoog biocompatibel en kan de cytotoxiciteit en internalisatie van MNP's in de cellen door endocytose verminderen. De cytotoxiciteit van de cilindrische NiFe MNP's voor HeLa cellen is vergelijkbaar met andere commercieel beschikbare ferromagnetische NP's gebruikt in magnetische hyperthermie onderzoek.

Magnetisatiedynamica

De samenstelling van de MNP's werd bij Permalloy Ni₈₀Fe₂₀ gehouden, terwijl de lengte (l) en diameter (d) van de MNP's varieerden. De uitwisselingsenergie, demagnetisatie of dipoolenergie en Zeeman-energie bijdragen aan de totale energie van de MNP worden uitgezet als functie van toegepast magneetveld H langs de MNP lange as in Fig. 3a–d, respectievelijk. De MNP werd eerst verzadigd door een sterk magneetveld parallel aan de lange as. Bij grote magneetvelden domineert de Zeeman-energiebijdrage en zijn de spins meestal uitgelijnd in de magneetveldrichting. Deze parallelle rangschikking van de spins aan het veld minimaliseert de uitwisselingsenergiebijdrage aan de totale magnetische energie. Naarmate het toegepaste magneetveld vermindert, treedt een kloksgewijze en een tegen de klok in wentelende vortexnucleatie op aan de uiteinden van de MNP, wat voortschrijdt naar het centrum van de MNP, wat leidt tot een geleidelijke reductie van de parallelle magnetisatiecomponent die een daling in de Zeeman-bijdrage veroorzaakt, terwijl andere bijdragen steeds significanter worden. De magnetisatie van de MNP probeert het streuveld te minimaliseren, en daardoor de demagnetisatie-energie te verminderen. Bij voldoende lage magneetvelden wordt de driedriehoekige toestand gevormd, wat een stabiele magnetisatieconfiguratie is, met totale energie op een minimum gehouden. Als het magneetveld omkeert, correspondeert de scherpe daling in uitwisselingsenergie met de abrupte splitting van de twee vortexen.

MNP's met verschillende lengtes (l) bleken significant verschillende magnetisatieconfiguraties te hebben. Bij lengtes l onder 100 nm werd slechts een enkele vortex genucleerd, wat een in-plane en gesloten flux domeinstructuur is, als gevolg van de interactie tussen de magnetostatische energie en uitwisselingsenergie. Voor l boven 100 nm werd een paar tegen de klok in en kloksgewijze vortexkernen aan de uiteinden van de MNP genucleerd—dubbele vortextoestand. Wanneer het magneetveld daalt, wordt een van de vortexen geannihileerd, in de enkele vortextoestand instortend. Echter, bij l boven 300 nm is er geen annihilatie van vortex bij lage velden, in plaats daarvan werd een additionele derde vortexkern genucleerd op het gekromde oppervlak van de MNP—driedriehoekige toestand.

Calorimetrische Metingen

De Ni₈₀Fe₂₀ MNP's, met l = 500 nm en d = 350 nm, werden blootgesteld aan een wisselend magneetveld van 15,9 tot 47,8 kAm⁻¹ (200 tot 600 Oe), en de temperatuur-tijdcurve wordt getoond in Fig. 4a. Zoals gekarakteriseerd door de SAR-vergelijking, werden de SAR-waarden berekend als 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 magneetveldsterekte, hoe groter de SAR-waarde, d.w.z. de SAR-waarde was evenredig met de magneetveldsterekte. Daarom werd ILP verkregen om een betere evaluatie van de verwarmingsefficiëntie van de MNP's voor magnetische hyperthermie te geven. Zoals gekarakteriseerd door de ILP-vergelijking, werden de ILP-waarden berekend als 4,69 nHm²kg⁻¹, 2,88 nHm²kg⁻¹ en 2,12 nHm²kg⁻¹ voor 15,9 kAm⁻¹, 31,9 kAm⁻¹ en 47,8 kAm⁻¹ bij 360 kHz, respectievelijk.

Vervolgens werden NiFe MNP's, met d = 350 nm en l = 100–500 nm, blootgesteld aan een wisselend magneetveld van 47,8 kAm⁻¹ (600 Oe), en de temperatuur-tijdcurve wordt getoond in Fig. 4b. Zoals gekarakteriseerd door de SAR-vergelijking, werden de SAR-waarden berekend als 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 gekarakteriseerd door de ILP-vergelijking, werden de ILP-waarden berekend als 0,50 nHm²kg⁻¹, 0,75 nHm²kg⁻¹ en 2,12 nHm²kg⁻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 hadden een veel grotere verwarmingsefficiëntie dan MNP's met l = 100 nm en 200 nm, wat leidde tot een significantere temperatuurstijging. De hoogste SAR-waarde van MNP's met l = 500 nm was 1742 Wg⁻¹ bij 47,8 kAm⁻¹ en 360 kHz. Voor vergelijking, de SAR-waarden voor magneetveld 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 getabuleerd in Fig. 4c. Onder dezelfde voorwaarden waren de SAR- en ILP-waarden van MNP's met l = 500 nm vier keer hoger dan die van MNP's met kleinere l. Uit micromagnetische simulaties werd waargenomen dat naarmate l toeneemt tot > 300 nm, het magnetisatieomkeringsproces van de MNP veranderde van een dubbele vortextoestand naar driedriehoekige toestand. Bij l < 300 nm werd slechts een enkele vortextoestand of dubbele vortextoestand waargenomen. De remanente magnetisatie M_r van de MNP was significant hoger voor de driedriehoekige toestand vergeleken met de enkele of dubbele vortextoestand.

Voor enkelvoudige domein MNP's is het theoretische model om de dynamische hystereselus te berekenen voorgesteld door Carrey et al. Voor multi-domein MNP's was het gebruik van micromagnetische simulaties om statische hystereselus te verkrijgen voor berekening redelijk voor MNP's met grote groottes, boven de kritische grootte voor superparamagnetisme, aangezien de schakeltijd van de magnetisatie in de orde van 10⁻⁹ s is. Aangezien de schakeltijd van magnetische hyperthermie in de orde ~ 10⁻⁶ s is, kunnen de grote MNP's bijhouden met het wisselende magneetveld. De oppervlakte van hystereselussen verkregen uit micromagnetische simulaties van cilindrische NiFe MNP's en VSM-metingen werd gebruikt om de SAR-waarden theoretisch te berekenen en getabuleerd in Fig. 4d.

De SAR-waarden van MNP's met l = 100 nm en 200 nm vertoonden een kleine SAR-waarde bij lage magneetvelden onder H_c en steeg scherp tot het een verzadiging bereikte bij hoge magneetvelden, wat een kenmerk is van het ferromagnetische regime. In tegenstelling, de magneetveldafhankelijkheid van de SAR-waarde van l = 500 nm MNP's, met de driedriehoekige toestand, volgde een niet-lineaire relatie met SAR-waarden die ~ 6 keer groter waren. De hoge remanente magnetisatie M_r van de driedriehoekige toestand in de l = 500 nm MNP's was duidelijk in de niet-nul SAR-waarden bij lage magneetvelden. De vergelijking tussen calorimetrische metingen (Fig. 4c) en numerieke berekeningen (Fig. 4d) geeft een kwalitatieve en kwantitatieve overeenstemming op de kenmerken van MNP's in het ferromagnetische regime, met kleine SAR-waarden bij lage magneetvelden en verzadiging bij hoge magneetvelden wat gecorreleerd was met de H_c van de MNP's.

De warmtedissipatie van NiFe MNP's met driedriehoekige toestanden werd vergeleken voor d = 150–350 nm, onder een wisselend magneetveld van 47,8 kAm⁻¹ (600 Oe), en de temperatuur-tijdcurve wordt getoond in Fig. 5a. De SAR- en ILP-waarden werden berekend als 1785 Wg⁻¹, 2073 Wg⁻¹ en 2750 Wg⁻¹ en 2,17 nHm²kg⁻¹, 2,52 nHm²kg⁻¹ en 3,34 nHm²kg⁻¹ voor d = 350 nm, 250 nm en 150 nm, respectievelijk. 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. Vergelijking van MNP's met verschillende aspectverhoudingen toonde aan dat de verwarmingsefficiëntie van d = 150 nm MNP's 1,54 keer groter was dan d = 350 nm MNP's. Dit was omdat MNP's met d = 150 nm de hoogste lage-veld gevoeligheid en M_r bezaten. Daarom was de SAR-waarde nauw gecorreleerd met het magnetisatieomkeringsproces van de MNP's met zowel variaties in l als d.

Uit micromagnetische simulaties kan waargenomen worden dat de oppervlakte van hystereselus A significant evolueert met de diameter (d) van de MNP. Daarom neemt de SAR-waarde van de d = 150 nm MNP's zo snel toe en verzadigt bij een maximale SAR-waarde van 6263 Wg⁻¹. De numerieke berekeningen toonden aan dat MNP's met hogere aspectverhoudingen hogere hystereserverliezen hebben, wat resulteert in hogere theoretische SAR-waarden, zoals getoond in Fig. 5b. De vergelijking tussen calorimetrische metingen (Fig. 5a) en numerieke berekeningen (Fig. 5b) was in goede kwalitatieve overeenstemming, maar er waren kwantitatieve onovereenkomsten in de waarden van hystereserverliezen. De mismatch tussen de experimentele en theoretische waarden ontstond doordat de NiFe MNP's niet-superparamagnetisch waren en niet-verwaarloosbare remanente magnetisatie bezaten, wat leidde tot ongewilde agglomeratie door sterke magnetische dipoolinteracties tussen buren MNP's. Aangezien hydrodynamisch volume van MNP's een component is die de Browniaanse beweging regeert, zal de mate van aggregatie van de MNP's het dominierende relaxatiemechanisme bepalen, d.w.z. Néel- of Browniaanse relaxatie. Daarom zal een geaggregeerde groep MNP's versus een enkele vrije MNP sterk verschillen in SAR-waarden. Verder kan een wisselend magneetveld nano-kolommen of nano-kettingen vorming induceren die verschillende Browniaanse relaxatiemechanismen vertonen en dus de discrepantie tussen de experimentele en theoretische waarden verklaren.

Conclusies

De hoge SAR-waarden getoond door de cilindrische NiFe MNP's, vergelijkbaar met ijzeroxide MNP's (IOMNP's) en superparamagnetische ijzeroxide nanopartikelen (SPION's), tonen de capaciteit van deze MNP's in warmtedissipatie onder een wisselend magneetveld. MNP's met de driedriehoekige toestand hadden een veel grotere verwarmingsefficiëntie dan MNP's met dubbele of enkele vortextoestand, met een SAR-waarde van vier keer groter, toegeschreven aan de hoge M_r van de MNP's in de driedriehoekige toestand. Vergelijking van MNP's met verschillende aspectverhoudingen toonde aan dat de verwarmingsefficiëntie van d = 150 nm MNP's 1,54 keer groter was dan d = 350 nm MNP's door een grotere M_r en lage-veld gevoeligheid. Zowel calorimetrische metingen als micromagnetische simulaties toonden de correlatie tussen het magnetisatieomkeringsproces en de hogere hystereserverliezen van d = 150 nm MNP's, wat resulteerde in hogere experimentele en theoretische SAR-waarden. De gemakkelijke controle van de groottes van de MNP's en hun magnetische eigenschappen duiden op groot potentieel voor in vivo magnetische hyperthermie kankertherapie proeven.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

De datasets gegenereerd tijdens en/of geanalyseerd tijdens de huidige studie zijn beschikbaar bij de corresponderende auteur op redelijk verzoek.

Afkortingen

d:

Diameter van magnetische nanopartikelen

EDX:

Energie-dispersieve Röntgenspectroscopie

H_c:

Coerciviteit

ILP:

Intrinsieke verliesvermogen

l:

Lengte van magnetische nanopartikelen

MNP's:

Magnetische nanopartikelen

M_r:

Remanente magnetisatie

PEG:

Polyethyleenglycol

SAR:

Specifieke absorptiesnelheid

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie

SQR:

Vierkantsratio

V_H:

Hoge-potentiaal electrodepositie puls

VSM:

Trillende monster magnetometer

XRD:

Röntgendiffractiespectroscopie