Эффективность нагрева цилиндрических магнитных наночастиц в состоянии тройного вихря

Введение

Применение магнитных наночастиц (МНЧ) широко исследовалось в биомедицинских областях, таких как магнитомеханическое разрушение клеток [1,2,3,4], магнитно-резонансная томография [5,6,7], доставка лекарств [8,9 , 10] и магнитной гипертермии [11,12,13,14], чтобы компенсировать недостатки современных методов диагностики и терапии. Самым большим преимуществом MNP является то, что ими можно управлять дистанционно с помощью внешнего магнитного поля. Результирующий магнитный отклик может быть в форме рассеивания тепла или магнитного момента, который зависит от конфигурации приложенного магнитного поля и динамики намагничивания MNP [15].

Однако для различных биомедицинских приложений требуются определенные механизмы вращения в различных конфигурациях магнитного поля. Биосенсоры для биомаркеров рака используют магнитную спектроскопию броуновского движения МНЧ для измерения связанной доли и времени релаксации МНЧ в течение секунд [16]. При визуализации магнитных частиц для количественной оценки концентраций МНЧ требуется релаксация МНЧ по Неелю, в то время как броуновская релаксация, вызванная распределением МНЧ по размерам, должна быть минимизирована [17]. Два механизма, которые существуют для процессов релаксации MNP, - это неелевская и броуновская релаксация, которая приводит либо к рассеянию тепла, либо к пространственному вращению MNP. Релаксация Нееля коррелирует с переориентацией магнитного момента МНЧ по отношению к магнитному полю, а броуновская релаксация коррелирует с пространственным вращением МНЧ [18,19,20].

Неэль ( т _N ) и броуновский ( t _B ) время релаксации определяется как:

где η - коэффициент вязкости, t ₀ - частота обратной попытки, K - константа магнитной анизотропии, V - объем MNP, k _B - постоянная Больцмана, а T это температура. В принципе, преобладает более быстрый механизм, но и неелевский, и броуновский механизмы могут возникать одновременно, связанные через рассеяние тепла и магнитный момент [21]. Эффективное время релаксации ( t _эфф ) определяется:

В меньших МНЧ доминирующим механизмом является релаксация Нееля, в то время как для больших МНЧ - броуновская релаксация. При релаксации Нееля намагниченность МНЧ меняет направление из-за реконфигурации своего магнитного момента и зависит от размера МНЧ и температуры. В то время как при броуновской релаксации MNPs подвергаются пространственному вращению и зависят от внешних условий, таких как вязкость и химическое связывание [22,23,24]. Следовательно, важно понимать вклад этих механизмов магнитной релаксации, чтобы настроить и адаптировать конструкцию MNP для получения оптимального тепловыделения для магнитной гипертермии или магнитного момента для магнитоактивной гибели клеток.

Магнитная гипертермия - это хорошо зарекомендовавший себя метод лечения рака, который использует локализованное нагревание MNP под высокочастотным переменным магнитным полем, чтобы вызвать апоптоз раковых клеток и регрессию опухоли [3, 25, 26, 27]. В переменном магнитном поле тепло, рассеиваемое МНЧ за один цикл магнитного поля, равно площади петли гистерезиса A , предоставленный:

где M - намагничивание MNP в переменном магнитном поле с частотой f и амплитуда μ ₀ H _макс [28,29,30]. Чтобы поддерживать низкую дозу МНЧ и короткую продолжительность лечения при магнитной гипертермии, эффективность нагрева МНЧ должна быть максимальной. Измерение эффективности нагрева MNP называется удельной скоростью поглощения (SAR), которая определяется количеством тепла, рассеиваемым на единицу массы MNP (Wg ^{- 1} ):

где ρ - плотность MNP.

Эффективность рассеивания тепла MNP может быть экспериментально измерена с помощью SAR, который представляет собой энергию, рассеиваемую на единицу массы MNP (Wg ^{- 1} ), и определяется выражением:

где C - удельная теплоемкость среды ( C _вода =4,18 Jg ^{- 1} ° C ^{- 1} ), ΔT / Δt - начальный наклон времени по графику температуры, а м _MNP - масса МНЧ. Однако значения SAR не в полной мере отражают эффективность нагрева MNP, поскольку на теплоотдачу также влияет частота f и напряженность магнитного поля H . Следовательно, эффективная удельная скорость поглощения или мощность собственных потерь (ILP) используется для характеристики эффективности нагрева MNP, определяемой следующим образом:

В цилиндрических NiFe MNP формируется состояние тройного вихря, в котором вихри по часовой стрелке и против часовой стрелки соединяются в центре MNP через третье ядро ​​вихря, что приводит к трехмерной конфигурации намагничивания. Теоретическое рассеяние тепла от MNP для приложений магнитной гипертермии было рассчитано на основе моделирования петель гистерезиса и измерений магнитометра с вибрирующим образцом. Используя зависящие от времени калориметрические измерения, были определены удельная скорость поглощения и мощность собственных потерь MNP, которые были сопоставлены с численными расчетами.

Методы

Изготовление магнитных наночастиц

Импульсное электроосаждение с использованием шаблона с дифференциальным химическим травлением - простой и недорогой метод изготовления МНЧ различного состава, Ni, Fe или Co. Ni ₈₀ Fe ₂₀ Пермаллой - это ферромагнитный материал, который демонстрирует исключительные магнитные свойства, такие как высокая проницаемость, низкая коэрцитивная сила и почти нулевая магнитострикция. Изготовление цилиндрических МНЧ начинается с выращивания цилиндрических нанопроволок NiFe с композиционной модуляцией с использованием импульсного электроосаждения с использованием шаблона из анодного оксида алюминия (AAO) в ванне электролита, состоящей из NiSO ₄ , FeSO ₄ , и H ₃ БО ₃ [31,32,33,34,35]. Впоследствии нанопроволоки были высвобождены путем растворения матрицы AAO в NaOH. Наконец, богатые Fe области в нанопроволоках были химически травлены путем разбавления HNO ₃ для формирования MNP. Диаметр MNPs определялся размером пор шаблона AAO, а длина контролировалась импульсом с высоким потенциалом V _H Продолжительность Дополнительный файл 1.

Жизнеспособность ячейки

Клетки HeLa высевали в 12-луночный микротитровальный планшет при 8 × 10 ⁴ клеток на лунку и инкубировали в среде Игла, модифицированной Дульбекко, с добавлением 4,5 г / л глюкозы, 2 мМ L-глутамина, 10% фетальной бычьей сыворотки и 1% пенициллина / стрептомицина в увлажненной атмосфере при 37 ° C и 5% CO ₂ . Жизнеспособность клеток определяли с помощью PrestoBlue, проницаемого реагента для определения жизнеспособности клеток на основе резазурина, который использует снижающую способность жизнеспособных клеток для количественного измерения пролиферации клеток. Клетки HeLa, обработанные 0,1 мг / мл МНЧ, инкубировали с реагентом PrestoBlue при 37 ° C и 5% CO ₂ за 2 ч. Значения оптической плотности при 570 нм и 600 нм измеряли с помощью считывающего устройства для микропланшетов Tecan Infinite M200 PRO. Жизнеспособность клеток выражали в процентах по отношению к клеткам, не подвергавшимся действию MNP. Каждый эксперимент проводился в четырех повторностях экспериментальных и контрольных анализов.

Статистический анализ

Результаты были представлены как среднее значение ± стандартное отклонение (SD). Статистическая значимость была проанализирована с использованием одностороннего дисперсионного анализа (ANOVA) с OriginPro, OriginLab. А п значение <0,05 считалось статистически значимым.

Микромагнитное моделирование

Конфигурации намагничивания MNP были исследованы с помощью программы микромагнитного моделирования с ускорением на GPU, MuMax3, для решения уравнения Ландау – Лифшица – Гильберта (LLG) в трех измерениях [36]. Эти микромагнитные симуляции позволили понять конфигурации намагниченности MNP на микроскопическом уровне, что показало корреляцию между аналитическими моделями и наблюдениями на основе экспериментальных результатов. Полная энергия системы описывается следующим образом:

где \ ({H} _ {eff} =- \ frac {1} {\ mu_0} {\ nabla} _ME \). Уравнение Ландау – Лифшица – Гильберта (ЛЛГ) описывает прецессию намагниченности M в эффективном магнитном поле H _эфф с демпфированием α .

где γM ( г ) × H _эфф ( г ) - прецессия M ( г ) в локальном поле H _эфф ( г ) и \ (\ frac {\ overline {\ alpha}} {M_s} M (r) \ times \ left (M (r) \ times {H} _ {eff} (r) \ right) \) является эмпирическим демпфирующий срок. Параметры материала для Permalloy Ni ₈₀ Fe ₂₀ были использованы:намагниченность насыщения M _s из 860 × 10 ³ А / м, константа обменной жесткости A _бывший из 1,3 × 10 ^{- 11} Дж / м, нулевая магнитокристаллическая анизотропия k =0, и постоянная затухания Гильберта α 0,01. Для всех моделей использовался размер ячейки 5 нм × 5 нм × 5 нм, что достаточно мало по сравнению с длиной обмена.

Экспериментальная установка для магнитной гипертермии

SAR был экспериментально получен из зависящих от времени калориметрических измерений путем воздействия на MNP переменного магнитного поля, создаваемого высокочастотным индукционным нагревателем. МНЧ в водной суспензии с концентрацией 0,05–0,1 мг / мл заливали в трубку Falcon, изолированную пенополистиролом и окруженную индукционными катушками. Температура змеевиков поддерживалась на уровне 28,0 ± 0,5 ° C с помощью водяного охладителя с рециркуляцией. Начальная температура суспензии поддерживалась на уровне 28,0 ± 0,5 ° C в течение 1 мин для устранения любых тепловых вкладов от индукционных катушек. Диапазон переменного магнитного поля от 15,9 до 47,8 кАм ^{- 1} и фиксированная частота 360 кГц в рамках критерия клинической магнитной гипертермии.

Результаты и обсуждение

Характеристика магнитных наночастиц

Состав изготовленных цилиндрических NiFe МНЧ определяется V _H или состав электролита. Чтобы продемонстрировать высокую степень контроля в составе МНЧ, были изготовлены различные композиции МНЧ (Ni ₈₈ Fe ₁₂ , Ни ₇₆ Fe ₂₄ , Ни ₅₂ Fe ₄₈ , и Ni ₃₆ Fe ₆₄ ) и подтверждено методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX). На рис. 1 показана нормированная петля гистерезиса, полученная при измерениях на магнитометре с вибрирующим образцом (VSM) для NiFe MNP различного состава. Магнитное поле увеличивается до значения, достаточного для преодоления эффективной магнитной анизотропии, так что намагниченность достигает насыщения. Коэффициент прямоугольности SQR - это базовое измерение прямоугольности петли гистерезиса, определяемое по формуле:

Нормированные петли гистерезиса МНЧ NiFe для Ni ₈₈ Fe ₁₂ , Ни ₇₆ Fe ₂₄ , Ни ₅₂ Fe ₄₈ , и Ni ₃₆ Fe ₆₄ измеряется в плоскости и вне плоскости. На вставках показаны конфигурации намагничивания MNP при различной напряженности магнитного поля

Значения коэрцитивности H _c и прямоугольность SQR = M _r / M _s для плоских и внеплоскостных приложенных магнитных полей приведены в таблице 1. В целом, тенденция плоского H _c выше, чем внеплоскостной H _c для Ni-богатых МНЧ (Ni ₈₈ Fe ₁₂ , Ни ₇₆ Fe ₂₄ , и Ni ₅₂ Fe ₄₈ ), но обратное для Fe-MNPs (Ni ₃₆ Fe ₆₄ ), что согласуется с предыдущими исследованиями аномального соосаждения нанопроволок NiFe [37].

Биосовместимое покрытие поверхности

NiFe MNP имеют тенденцию к агрегированию из-за эффектов сильных дипольных взаимодействий между соседними MNP. Следовательно, модификация поверхности МНЧ с использованием биосовместимого и биоразлагаемого полимера [38, 39], такого как хитозан [40,41,42], поливиниловый спирт [43,44,45], олеиновая кислота [46,47,48], был предложен декстран [49, 50] и чаще всего полиэтиленгликоль (ПЭГ) [51,52,53,54,55,56]. ПЭГ - гидрофильный полимер, который широко используется для улучшения кровообращения липосом и МНЧ [57,58,59,60]. Чтобы диспергировать цилиндрические МНЧ NiFe в воде, биосовместимый 5000 г моль ^{- 1} В качестве стабилизатора использовался ПЭГ [61]. Изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), показывает формирование оксидной оболочки вокруг МНЧ, показанной на рис. 2а. Эта оксидная оболочка предотвращает окисление магнитных материалов в МНЧ. Предыдущие исследования FeCo MNP и Fe MNP показали сильное окисление от простого воздействия атмосферы [61, 62].

а СЭМ-изображение NiFe MNP с покрытием PEG. б Картина XRD для NiFe MNP с покрытием PEG. c Схема EDX для NiFe MNP с покрытием PEG и без него. г Жизнеспособность клеток с отображаемыми изображениями клеток HeLa после инкубации с MNP в течение 0–48 часов

Пик рентгеновской дифракции (XRD) в основном проиндексирован на кристаллических плоскостях (111), что соответствует гранецентрированной кубической (ГЦК) структуре объемного NiFe, как показано на рис. 2b. Это указывает на то, что МНЧ были электроосаждены с предпочтительной ориентацией (111), что также проявляется в нанопроволоках NiFe, полученных электроосаждением или распылением [63, 64]. Кроме того, отсутствовали дифракционные пики, соответствующие оксиду шпинели ((NiFe) ₃ О ₄ ), что является результатом образования оксидных фаз из-за высокой концентрации Fe [65]. Высокая кристалличность МНЧ NiFe привела к незначительному перекосу поверхности и, следовательно, сохранила высокую намагниченность насыщения и небольшую коэрцитивную силу МНЧ. Дальнейшие характеристики МНЧ NiFe, покрытых ПЭГ, были проведены с использованием измерения EDX. Как показано на рис. 2c, в основном были обнаружены элементы Ni и Fe с присутствием небольшого процента элемента O, что указывает на оксидную оболочку, сформированную вокруг МНЧ.

Из рис. 2d, жизнеспособность клеток HeLa, подвергшихся воздействию непокрытых и покрытых ПЭГ МНЧ NiFe через 24 часа, составляет 82,2% и 82,6% соответственно. Через 48 часов жизнеспособность клеток немного снизилась до 79,9% и 82,1%, что свидетельствует о несколько более высокой биосовместимости для МНЧ, покрытых ПЭГ. NiFe MNP без каких-либо оболочек токсичны для клеток млекопитающих и влияют на их жизнеспособность. Покрытие из ПЭГ обладает высокой биосовместимостью и может снизить цитотоксичность и интернализацию МНЧ в клетки из-за эндоцитоза [66, 67]. Цитотоксичность цилиндрических МНЧ NiFe для клеток HeLa сравнима с другими коммерчески доступными ферромагнитными НЧ, используемыми в исследованиях магнитной гипертермии [68].

Динамика намагничивания

Состав МНП выдерживался на уровне Permalloy Ni ₈₀ . Fe ₂₀ , а длина ( l ) и диаметром ( d ) МНП варьировались. Вклады обменной энергии, размагничивания или дипольной энергии и энергии Зеемана в полную энергию MNP как функции приложенного магнитного поля H вдоль длинной оси МНЧ на рис. 3а – г соответственно. Сначала MNP был насыщен сильным магнитным полем, параллельным его длинной оси. В больших магнитных полях преобладает вклад зеемановской энергии, и спины в основном ориентированы в направлении магнитного поля. Такое параллельное расположение спинов по отношению к полю сводит к минимуму вклад обменной энергии в общую магнитную энергию. По мере уменьшения приложенного магнитного поля на концах MNP происходит зарождение вихрей по часовой стрелке и против часовой стрелки, которые продвигаются к центру MNP, что приводит к постепенному уменьшению параллельной составляющей намагниченности, вызывающей падение Вклад Зеемана, в то время как другие вклады становятся все более значительными. Намагничивание MNP пытается минимизировать поле рассеяния и, таким образом, уменьшить его энергию размагничивания. При достаточно низких магнитных полях формируется состояние тройного вихря, которое представляет собой стабильную конфигурацию намагничивания с минимальной полной энергией. При изменении направления магнитного поля резкое падение обменной энергии соответствует резкому расщеплению двух вихрей.

Сюжет ( a ) обменная энергия, ( b ) диполярная энергия, ( c ) Энергия Зеемана и ( d ) полная энергия против приложенного магнитного поля H

МНЧ разной длины ( l ) оказались существенно различающимися конфигурациями намагниченности. При длине l ниже 100 нм зародился только один вихрь, который представляет собой плоскую и замкнутую доменную структуру потока из-за взаимодействия между магнитостатической энергией и обменной энергией. Для l выше 100 нм зарождались пары ядер вихря против часовой стрелки и по часовой стрелке на концах МНЧ - состояние двойного вихря. Когда магнитное поле уменьшается, один из вихрей аннигилирует, коллапсируя в состояние одиночного вихря. Однако на l при длине волны более 300 нм аннигиляция вихря при низких полях отсутствует, вместо этого на изогнутой поверхности MNP зародилось дополнительное третье ядро ​​вихря - состояние тройного вихря.

Калориметрические измерения

Ni ₈₀ Fe ₂₀ MNP, с l =500 нм и d =350 нм, подвергались воздействию переменного магнитного поля от 15,9 до 47,8 кАм ⁻¹ (От 200 до 600 Э), а график зависимости температуры от времени показан на рис. 4а. Согласно уравнению SAR, значения SAR были рассчитаны как 427 Вт г ^{- 1} . , 1054 Вт. ^{- 1} , и 1742 Wg ^{- 1} , на 15,9 кАм ^{- 1} , 31,9 кАм ^{- 1} , и 47,8 кАм ^{- 1} , соответственно. Как и предполагалось, чем больше напряженность магнитного поля, тем больше значение SAR, то есть значение SAR было пропорционально напряженности магнитного поля. Таким образом, ILP был получен, чтобы дать лучшую оценку эффективности нагрева MNP для магнитной гипертермии. Согласно уравнению ILP, вычисленные значения ILP составили 4,69 нГм ² . кг ^{- 1} , 2,88 нГм ² кг ^{- 1} , и 2,12 нГм ² кг ^{- 1} , на 15,9 кАм ^{- 1} , 31,9 кАм ^{- 1} , и 47,8 кАм ^{- 1} на частоте 360 кГц соответственно.

а Температурно-временные характеристики NiFe MNP, с l =500 нм и d =350 нм, для увеличения напряженности магнитного поля с 15,9 до 47,8 кАм ^{- 1} (От 200 до 600 Э). б Температурно-временные кривые NiFe MNP, с d =350 нм. Напряженность магнитного поля 47,8 кАм ^{- 1} (600 Э), а длина МНП l увеличился с до 500 нм. c Табличные значения SAR для NiFe MNP с l =100–500 нм и d =350 нм при напряженности магнитного поля от 15,9 до 47,8 кАм ^{- 1} (От 200 до 600 Э). г Теоретические значения SAR для NiFe MNP с l =100–500 нм и d =350 нм

Далее, NiFe MNP с d =350 нм и l =100–500 нм, подвергались воздействию переменного магнитного поля 47,8 кАм ^{- 1} (600 Э), а график зависимости температуры от времени показан на рис. 4b. Согласно уравнению SAR, значения SAR были рассчитаны как 409 Вт ^{- 1} . , 618 Вт. ^{- 1} , и 1742 Wg ^{- 1} , для l =100 нм, 200 нм и 500 нм при 47,8 кАм ^{- 1} и 360 кГц соответственно. Согласно уравнению ILP, значения ILP были рассчитаны как 0,50 нГм ² . кг ^{- 1} , 0,75 нГм ² кг ^{- 1} , и 2,12 нГм ² кг ^{- 1} для l =100 нм, 200 нм и 500 нм при 47,8 кАм ^{- 1} и 360 кГц соответственно.

MNP с l =500 нм имели гораздо большую эффективность нагрева, чем MNP с l =100 нм и 200 нм, что приводит к более значительному повышению температуры. Наибольшее значение SAR для MNP с l =500 нм было 1742 Вт · г ^{- 1} при 47,8 кАм ^{- 1} и 360 кГц. Для сравнения значения SAR для магнитного поля от 15,9 до 31,9 кАм ^{- 1} (От 200 до 400 Э) и MNP с d =350 нм и l =100–500 нм приведены в таблице на рис. 4в. В тех же условиях значения SAR и ILP для MNP с l =500 нм были в четыре раза выше, чем у тех, у которых MNP меньше l . При микромагнитном моделировании было замечено, что как l увеличивается до> 300 нм, процесс перемагничивания МНЧ переходит из состояния двойного вихря в состояние тройного вихря. В l <300 нм наблюдалось только состояние одиночного или двойного вихря. Остаточная намагниченность M _r MNP была значительно выше для состояния тройного вихря по сравнению с состоянием одиночного или двойного вихря.

Для однодоменных МНЧ теоретическая модель для расчета петли динамического гистерезиса была предложена Carrey et al. [69] Для многодоменных МНЧ использование микромагнитного моделирования для получения статической петли гистерезиса для расчета было разумным для МНЧ с большими размерами, превышающими критический размер для суперпарамагнетизма, поскольку время переключения намагниченности составляет порядка 10 ^{- 9} с. Поскольку время переключения магнитной гипертермии составляет порядка ~ 10 ^{- 6} s, крупные МНЧ способны не отставать от переменного магнитного поля. Площадь петель гистерезиса, полученная в результате микромагнитного моделирования цилиндрических NiFe MNP и измерений VSM, была использована для теоретического расчета значений SAR и представлена ​​в таблице на рис. 4d.

Значения SAR для MNP с l =100 нм и 200 нм отображается небольшое значение SAR в слабых магнитных полях ниже H _c и резко возрастает, пока не достигает насыщения в сильных магнитных полях, что характерно для ферромагнитного режима. Напротив, зависимость SAR от магнитного поля l =500 нм МНЧ с состоянием тройного вихря следовали нелинейной зависимости со значениями SAR, которые были в ~ 6 раз больше. Высокая остаточная намагниченность M _r состояния тройного вихря в l =500 нм МНЧ были очевидны в ненулевых значениях SAR в слабых магнитных полях. Сравнение калориметрических измерений (рис. 4c) и численных расчетов (рис. 4d) указывает на качественное и количественное согласие характеристик MNP в ферромагнитном режиме, показывая небольшие значения SAR при низких магнитных полях и насыщение при высоких магнитных полях, что было соотносится с H _c МОП.

Тепловыделение МНЧ NiFe с тройными вихревыми состояниями сравнивалось для d =150–350 нм, в переменном магнитном поле 47,8 кАм ^{- 1} (600 Э), а график зависимости температуры от времени показан на рис. 5а. Расчетные значения SAR и ILP составили 1785 Вт г ^{- 1} . , 2073 Вт. ^{- 1} , и 2750 Вт. г ^{- 1} и 2,17 нГм ² кг ^{- 1} , 2,52 нГм ² кг ^{- 1} , и 3,34 нГм ² кг ^{- 1} , для d =350 нм, 250 нм и 150 нм соответственно. MNP с d =150 нм и 250 нм были способны достичь оптимальной терапевтической температуры 43 ° C за 4,92 мин и 7,45 мин при концентрации 0,1 мг / мл. Сравнивая MNP с разным соотношением сторон, было замечено, что эффективность нагрева d =150 нм МНЧ в 1,54 раза больше, чем d =350 нм МНЧ. Это произошло потому, что MNP с d =150 нм обладал самой высокой восприимчивостью в слабом поле и M _r . Следовательно, значение SAR тесно коррелировало с процессом перемагничивания MNP с обоими вариациями l и d .

а Температурно-временные характеристики МНЧ NiFe в магнитном поле 47,8 кАм ^{- 1} (600 Э) и частотой 360 кГц, при длине МНП d увеличился со 150 до 350 нм. б Теоретические значения SAR для NiFe MNP с d =150–350 нм и l =500 нм

Из микромагнитного моделирования видно, что область гистерезиса A значительно меняется с увеличением диаметра ( d ) МНП. Следовательно, значение SAR для d =150 нм MNP растут так быстро и насыщаются при максимальном значении SAR 6263 Wg ^{- 1} . Численные расчеты показали, что MNP с более высоким соотношением сторон имеют более высокие гистерезисные потери, что приводит к более высоким теоретическим значениям SAR, как показано на рис. 5b. Сравнение калориметрических измерений (рис. 5а) и численных расчетов (рис. 5б) находится в хорошем качественном согласии, но есть количественные расхождения в значениях гистерезисных потерь. Несоответствие между экспериментальными и теоретическими значениями возникло из-за того, что МНЧ NiFe не были суперпарамагнитными и обладали значимой остаточной намагниченностью, что приводило к нежелательной агломерации из-за сильных магнитных дипольных взаимодействий между соседними МНЧ [70, 71]. Поскольку гидродинамический объем МНЧ является компонентом, управляющим броуновским движением, степень агрегации МНЧ будет определять доминирующий механизм релаксации, то есть неелевскую или броуновскую релаксацию. Следовательно, агрегированная группа MNP по сравнению с одним свободным MNP будет сильно различаться по значениям SAR. Кроме того, переменное магнитное поле может вызывать образование наноколонок или наноцепей, которые проявляют несходный механизм броуновской релаксации и, следовательно, объясняют расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями [72,73,74].

Выводы

Высокие значения SAR цилиндрических NiFe MNP, сравнимые с MNP из оксида железа (IOMNP) и суперпарамагнитными наночастицами оксида железа (SPION) [28, 75], демонстрируют способность этих MNP рассеивать тепло в переменном магнитном поле. МНЧ с состоянием тройного вихря имели гораздо большую эффективность нагрева, чем МНЧ с состоянием двойного или одиночного вихря, у которых значение SAR в четыре раза больше, что объясняется высоким значением M _r МНЧ в состоянии тройного вихря. Сравнивая MNP с разным соотношением сторон, было замечено, что эффективность нагрева d =150 нм МНЧ в 1,54 раза больше, чем d =350 нм MNP из-за большего M _r и восприимчивость в слабом поле. И калориметрические измерения, и микромагнитное моделирование показали корреляцию между процессом перемагничивания и более высокими гистерезисными потерями от d =150 нм MNP, что приводит к более высоким экспериментальным и теоретическим значениям SAR. Легкость контроля размеров MNP и их магнитных свойств указывает на большой потенциал для испытаний терапии рака с помощью магнитной гипертермии in vivo.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, созданные во время и / или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны у соответствующего автора по разумному запросу.

Сокращения

d :

Диаметр магнитных наночастиц

EDX:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

H _c :

Принуждение

ILP:

Мощность с собственными потерями

l :

Длина магнитных наночастиц

MNP:

Магнитные наночастицы

M _r :

Остаточная намагниченность

PEG:

Полиэтиленгликоль

SAR:

Удельная скорость поглощения

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

SQR:

Коэффициент прямоугольности

V _H :

Импульс высокопотенциального электроосаждения

VSM:

Магнитометр с вибрационным образцом

XRD:

Рентгеновская дифракционная спектроскопия