Eficiencia de calentamiento de nanopartículas magnéticas cilíndricas de estado de triple vórtice

Bucles de histéresis normalizados de NiFe MNP para Ni ₈₈ Fe ₁₂ , Ni ₇₆ Fe ₂₄ , Ni ₅₂ Fe ₄₈ y Ni ₃₆ Fe ₆₄ medido en las direcciones dentro y fuera del plano. Los recuadros muestran las configuraciones de magnetización del MNP en varias intensidades de campo magnético

Los valores de la coercitividad H _c y cuadratura SQR = M _r / M _s para los campos magnéticos aplicados en el plano y fuera del plano se tabulan en la Tabla 1. En general, la tendencia de H en el plano _c es más alto que el fuera del plano H _c para MNP ricas en Ni (Ni ₈₈ Fe ₁₂ , Ni ₇₆ Fe ₂₄ y Ni ₅₂ Fe ₄₈ ), pero se invierte para las MNP ricas en Fe (Ni ₃₆ Fe ₆₄ ), que está de acuerdo con los estudios previos sobre la codeposición anómala de nanocables de NiFe [37].

Recubrimiento de superficie biocompatible

Las MNP de NiFe tienden a agregarse debido a los efectos de fuertes interacciones dipolares entre las MNP vecinas. Por lo tanto, la modificación de la superficie de las MNP utilizando polímero biocompatible y biodegradable [38, 39], como quitosano [40,41,42], alcohol polivinílico [43,44,45], ácido oleico [46,47,48], Se ha propuesto dextrano [49, 50], y más comúnmente polietilenglicol (PEG) [51,52,53,54,55,56]. El PEG es un polímero hidrófilo que se ha utilizado ampliamente para mejorar la circulación sanguínea de los liposomas y las MNP [57,58,59,60]. Para dispersar los MNP de NiFe cilíndricos en agua, un mol biocompatible de 5000 g ^{- 1} Se utilizó PEG como estabilizador [61]. La imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) muestra la formación de una capa de óxido alrededor de las MNP, que se muestra en la Fig. 2a. Esta capa de óxido evita la oxidación de los materiales magnéticos en los MNP. Trabajos de investigación anteriores sobre FeCo MNP y Fe MNP han mostrado una oxidación severa por la simple exposición a la atmósfera [61, 62].

un Imagen SEM de MNP de NiFe con revestimiento de PEG. b Patrón XRD para MNP de NiFe con recubrimiento de PEG. c Patrón EDX para MNP de NiFe con y sin recubrimiento de PEG. d Viabilidad celular con imágenes mostradas de células HeLa después de la incubación con MNP, durante un período de 0 a 48 h

El pico del patrón de difracción de rayos X (XRD) se indexó principalmente en los planos cristalinos (111) que corresponden a la estructura cúbica centrada en la cara (fcc) de NiFe en masa, como se muestra en la Fig. 2b. Esto indica que los MNP se electrodepositaron con una orientación preferida de (111), lo que también es evidente en los nanocables de NiFe fabricados por electrodeposición o pulverización catódica [63, 64]. Además, hubo una ausencia de picos de difracción correspondientes al óxido de espinela ((NiFe) ₃ O ₄ ), que resulta de la formación de fases de óxido debido a la alta concentración de Fe [65]. La alta cristalinidad de las MNP de NiFe condujo a una inclinación de giro superficial insignificante y, por lo tanto, retuvo la magnetización de alta saturación y la pequeña coercitividad de las MNP. Se realizaron caracterizaciones adicionales para las MNP de NiFe recubiertas con PEG usando medición EDX. Como se muestra en la Fig. 2c, se detectaron principalmente elementos de Ni y Fe, con la presencia de un pequeño porcentaje de elemento O, una indicación de la capa de óxido formada alrededor de las MNP.

De la Fig. 2d, la viabilidad celular de las células HeLa expuestas a MNP de NiFe no recubiertas y recubiertas con PEG después de 24 h es 82,2% y 82,6%, respectivamente. Después de 48 h, la viabilidad celular disminuyó ligeramente a 79,9% y 82,1%, mostrando una biocompatibilidad ligeramente mayor para las MNP recubiertas de PEG. Las MNP de NiFe sin caparazón son tóxicas para las células de mamíferos y afectarán la viabilidad celular. El recubrimiento de PEG fue altamente biocompatible y puede disminuir la citotoxicidad y la internalización de las MNP en las células debido a la endocitosis [66, 67]. La citotoxicidad de las MNP de NiFe cilíndricas para las células HeLa es comparable con otras NP ferromagnéticas disponibles comercialmente que se utilizan en la investigación de la hipertermia magnética [68].

Dinámica de magnetización

La composición de los MNP se mantuvo en Permalloy Ni ₈₀ Fe ₂₀ , mientras que la longitud ( l ) y diámetro ( d ) de los MNP fueron variados. La energía de intercambio, la desmagnetización o la energía dipolar y las contribuciones de la energía de Zeeman a la energía total del MNP se grafican como una función del campo magnético aplicado H a lo largo del eje largo de MNP en la Fig. 3a – d, respectivamente. El MNP se saturó primero por un fuerte campo magnético paralelo a su eje largo. En campos magnéticos grandes, predomina la contribución de energía de Zeeman y los espines se alinean principalmente en la dirección del campo magnético. Esta disposición paralela de los espines al campo minimiza la contribución de la energía de intercambio a la energía magnética total. A medida que se reduce el campo magnético aplicado, se produce una nucleación de vórtice en sentido horario y antihorario en los extremos del MNP, que avanza hacia el centro del MNP, lo que conduce a una reducción gradual del componente de magnetización paralelo que provoca una caída en el La contribución de Zeeman, mientras que otras contribuciones se vuelven cada vez más significativas. La magnetización del MNP intenta minimizar el campo disperso y, por lo tanto, reducir su energía de desmagnetización. A campos magnéticos suficientemente bajos, se forma el estado de triple vórtice, que es una configuración de magnetización estable, con la energía total mantenida al mínimo. A medida que el campo magnético se invierte, la fuerte caída en la energía de intercambio corresponde a la abrupta división de los dos vórtices.

La trama de ( a ) intercambiar energía, ( b ) energía dipolar, ( c ) Zeeman energy y ( d ) energía total contra el campo magnético aplicado H

MNP con diferentes longitudes ( l ) se encontró que tenían configuraciones de magnetización significativamente diferentes. En longitudes l por debajo de 100 nm, solo se nucleó un vórtice, que es una estructura de dominio de flujo cerrado y en el plano, debido a la interacción entre la energía magnetostática y la energía de intercambio. Para l por encima de 100 nm, se nuclearon un par de núcleos de vórtice en sentido antihorario y en sentido horario en los extremos del MNP (estado de doble vórtice). Cuando el campo magnético disminuye, uno de los vórtices se aniquila, colapsando en el estado de vórtice único. Sin embargo, en l por encima de 300 nm, no hay aniquilación del vórtice en campos bajos, sino que se nucleó un tercer núcleo de vórtice adicional en la superficie curva del MNP:estado de triple vórtice.

Mediciones calorimétricas

El Ni ₈₀ Fe ₂₀ MNP, con l =500 nm y d =350 nm, fueron expuestos a un campo magnético alterno de 15.9 a 47.8 kAm ⁻¹ (200 a 600 Oe), y la curva de temperatura-tiempo se muestra en la Fig. 4a. Como se caracteriza por la ecuación de SAR, los valores de SAR se calcularon en 427 Wg ^{- 1} , 1054 Wg ^{- 1} y 1742 Wg ^{- 1} , para 15,9 kAm ^{- 1} , 31,9 kAm ^{- 1} y 47,8 kAm ^{- 1} , respectivamente. Como se predijo, cuanto mayor sea la intensidad del campo magnético, mayor será el valor de SAR, es decir, el valor de SAR fue proporcional a la intensidad del campo magnético. Por lo tanto, se obtuvo ILP para dar una mejor evaluación de la eficiencia de calentamiento de las MNP para la hipertermia magnética. Como se caracteriza por la ecuación de ILP, los valores de ILP se calcularon en 4,69 nHm ² kg ^{- 1} , 2,88 nHm ² kg ^{- 1} y 2,12 nHm ² kg ^{- 1} , para 15,9 kAm ^{- 1} , 31,9 kAm ^{- 1} y 47,8 kAm ^{- 1} a 360 kHz, respectivamente.

un Curvas de temperatura-tiempo de las MNP de NiFe, con l =500 nm y d =350 nm, para aumentar la intensidad del campo magnético de 15,9 a 47,8 kAm ^{- 1} (200 a 600 Oe). b Curvas de temperatura-tiempo de las MNP de NiFe, con d =350 nm. La fuerza del campo magnético de 47,8 kAm ^{- 1} (600 Oe), mientras que la longitud de MNP l aumentado de a 500 nm. c Valores de SAR tabulados para MNP de NiFe, con l =100–500 nm y d =350 nm con una intensidad de campo magnético de 15,9 a 47,8 kAm ^{- 1} (200 a 600 Oe). d Valores SAR teóricos para MNP de NiFe, con l =100–500 nm y d =350 millas náuticas

A continuación, NiFe MNP, con d =350 nm y l =100–500 nm, fueron expuestos a un campo magnético alterno de 47,8 kAm ^{- 1} (600 Oe), y la curva de temperatura-tiempo se muestra en la Fig. 4b. Como se caracteriza por la ecuación de SAR, los valores de SAR se calcularon en 409 Wg ^{- 1} , 618 Wg ^{- 1} y 1742 Wg ^{- 1} , para l =100 nm, 200 nm y 500 nm a 47,8 kAm ^{- 1} y 360 kHz, respectivamente. Como se caracteriza por la ecuación de ILP, los valores de ILP se calcularon en 0,50 nHm ² kg ^{- 1} , 0,75 nHm ² kg ^{- 1} y 2,12 nHm ² kg ^{- 1} para l =100 nm, 200 nm y 500 nm a 47,8 kAm ^{- 1} y 360 kHz, respectivamente.

MNP con l =500 nm tenían una eficiencia de calentamiento mucho mayor que las MNP con l =100 nm y 200 nm, lo que conduce a un aumento de temperatura más significativo. El valor de SAR más alto de MNP con l =500 nm era 1742 Wg ^{- 1} a 47,8 kAm ^{- 1} y 360 kHz. A modo de comparación, los valores de SAR para el campo magnético de 15,9 a 31,9 kAm ^{- 1} (200 a 400 Oe) y MNP con d =350 nm y l =100-500 nm se tabularon en la Fig. 4c. En las mismas condiciones, los valores de SAR e ILP de MNP con l =500 nm eran cuatro veces más altos que aquellos con MNP de l más pequeños . A partir de simulaciones micromagnéticas, se observó que como l aumenta a> 300 nm, el proceso de inversión de magnetización del MNP cambió de un estado de doble vórtice a un estado de triple vórtice. En l <300 nm, solo se observó un estado de vórtice simple o un estado de vórtice doble. La magnetización remanente M _r del MNP fue significativamente mayor para el estado de vórtice triple en comparación con el estado de vórtice simple o doble.

Para las MNP de dominio único, Carrey et al. [69] Para MNP de múltiples dominios, el uso de simulaciones micromagnéticas para obtener un bucle de histéresis estática para el cálculo fue razonable para MNP con tamaños grandes, por encima del tamaño crítico para el superparamagnetismo, ya que el tiempo de conmutación de la magnetización es del orden de 10 ^{- 9} s. Dado que el tiempo de conmutación de la hipertermia magnética es del orden ~ 10 ^{- 6} s, los grandes MNP pueden mantenerse al día con el campo magnético alterno. El área de bucles de histéresis obtenida a partir de simulaciones micromagnéticas de MNP de NiFe cilíndricas y mediciones de VSM se utilizó para calcular teóricamente los valores de SAR y se tabuló en la Fig. 4d.

Los valores de SAR de MNP con l =100 nm y 200 nm mostraron un valor de SAR pequeño en campos magnéticos bajos por debajo de H _c y aumenta bruscamente hasta alcanzar una saturación en campos magnéticos elevados, que es una característica del régimen ferromagnético. Por el contrario, la dependencia del campo magnético del valor de SAR de l =500 nm MNP, con el estado de triple vórtice, siguió una relación no lineal con valores de SAR que eran ~ 6 veces mayores. La alta magnetización remanente M _r del estado de triple vórtice en el l =500 nm MNPs fue evidente en los valores de SAR distintos de cero en campos magnéticos bajos. La comparación entre las mediciones calorimétricas (Fig. 4c) y los cálculos numéricos (Fig. 4d) indica un acuerdo cualitativo y cuantitativo sobre las características de las MNP en el régimen ferromagnético, mostrando pequeños valores de SAR en campos magnéticos bajos y saturación en campos magnéticos altos que fue correlacionado con el H _c de las MNP.

Se comparó la disipación de calor de las MNP de NiFe con estados de triple vórtice para d =150–350 nm, bajo un campo magnético alterno de 47,8 kAm ^{- 1} (600 Oe), y la curva de temperatura-tiempo se muestra en la Fig. 5a. Los valores de SAR e ILP se calcularon en 1785 Wg ^{- 1} , 2073 Wg ^{- 1} y 2750 Wg ^{- 1} y 2,17 nHm ² kg ^{- 1} , 2,52 nHm ² kg ^{- 1} y 3,34 nHm ² kg ^{- 1} , para d =350 nm, 250 nm y 150 nm, respectivamente. Los MNP con d =150 nm y 250 nm pudieron alcanzar la temperatura terapéutica óptima de 43 ° C en 4,92 min y 7,45 min a una concentración de 0,1 mg / ml. Al comparar los MNP con diferentes relaciones de aspecto, se observó que la eficiencia de calentamiento de d =El MNP de 150 nm fue 1,54 veces mayor que d =MNP de 350 nm. Esto se debió a que los MNP con d =150 nm poseían la mayor susceptibilidad de campo bajo y M _r . Por lo tanto, el valor de SAR se correlacionó estrechamente con el proceso de inversión de magnetización de los MNP con ambas variaciones en l y d .

un Curvas de temperatura-tiempo de las MNP de NiFe bajo una intensidad de campo magnético de 47,8 kAm ^{- 1} (600 Oe) y frecuencia de 360 ​​kHz, mientras que la longitud de MNP d aumentado de 150 a 350 nm. b Valores SAR teóricos para MNP de NiFe, con d =150–350 nm y l =500 millas náuticas

A partir de simulaciones micromagnéticas, se puede observar que el área de histéresis A evoluciona significativamente con el diámetro ( d ) del MNP. Por lo tanto, el valor de SAR del d =El MNP de 150 nm aumenta tan rápidamente y se satura a un valor máximo de SAR de 6263 Wg ^{- 1} . Los cálculos numéricos mostraron que los MNP con relaciones de aspecto más altas tienen pérdidas de histéresis más altas, lo que da como resultado valores de SAR teóricos más altos, como se muestra en la Fig. 5b. La comparación entre las mediciones calorimétricas (Fig. 5a) y los cálculos numéricos (Fig. 5b) tuvo un buen acuerdo cualitativo, pero hubo desacuerdos cuantitativos en los valores de las pérdidas por histéresis. El desajuste entre los valores experimentales y teóricos se debió a que las MNP de NiFe no eran superparamagnéticas y poseían una magnetización remanente no despreciable, lo que provocaba una aglomeración no deseada debido a fuertes interacciones de dipolos magnéticos entre las MNP vecinas [70, 71]. Dado que el volumen hidrodinámico de los MNP es un componente que gobierna el movimiento browniano, el grado de agregación de los MNP determinará el mecanismo de relajación dominante, es decir, la relajación Néel o browniana. Por lo tanto, un grupo agregado de MNP versus un único MNP libre diferirá enormemente en los valores de SAR. Además, un campo magnético alterno puede inducir la formación de nanocolumnas o nanocadenas que exhiben un mecanismo de relajación browniano diferente y, por lo tanto, explican la discrepancia entre los valores experimentales y teóricos [72,73,74].