Heizwirkungsgrad von zylindrischen magnetischen Nanopartikeln mit dreifachem Vortexzustand

Einführung

Die Anwendungen für magnetische Nanopartikel (MNPs) wurden in biomedizinischen Bereichen umfassend erforscht, wie z. B. magnetomechanische Zellzerstörung [1,2,3,4], Magnetresonanztomographie [5,6,7], Wirkstoffabgabe [8,9 ,10] und magnetische Hyperthermie [11,12,13,14], um die Nachteile aktueller Diagnose- und Therapiemethoden auszugleichen. Der größte Vorteil von MNPs besteht darin, dass sie durch ein externes Magnetfeld ferngesteuert werden können. Die resultierende magnetische Reaktion kann in Form von Wärmeableitung oder magnetischem Drehmoment vorliegen, das von der angelegten Magnetfeldkonfiguration und der Magnetisierungsdynamik der MNPs abhängt [15].

Unterschiedliche biomedizinische Anwendungen erfordern jedoch spezifische Rotationsmechanismen in verschiedenen Magnetfeldkonfigurationen. Biosensoren für Krebs-Biomarker verwenden magnetische Spektroskopie der Brownschen Bewegung der MNPs, um den gebundenen Anteil und die Relaxationszeiten der MNPs innerhalb von Sekunden zu messen [16]. In der Magnetpartikel-Bildgebung zur Quantifizierung der MNP-Konzentrationen ist eine Néel-Relaxation der MNPs erforderlich, während die Brownsche Relaxation, die durch die Größenverteilungen der MNPs verursacht wird, minimiert werden sollte [17]. Die beiden Mechanismen, die für die MNP-Relaxationsverfahren existieren, sind die Néel- und die Brownsche Relaxation, die entweder zu einer Wärmeableitung oder einer räumlichen Rotation der MNPs führt. Die Néel-Relaxation korreliert mit der Neuorientierung des magnetischen Moments des MNP zum Magnetfeld, während die Brownsche Relaxation mit der räumlichen Drehung des MNP korreliert [18,19,20].

Néel (t _N ) und Brownian (t _B ) Entspannungszeit sind gegeben durch:

wo η ist der Viskositätskoeffizient, t ₀ ist die inverse Versuchshäufigkeit, K ist die magnetische Anisotropiekonstante, V ist das Volumen der MNPs, k _B ist die Boltzmann-Konstante und T ist die Temperatur. Im Prinzip dominiert der schnellere Mechanismus, jedoch können sowohl Néel- als auch Brownsche Mechanismen gleichzeitig auftreten, gekoppelt durch Wärmeableitung und magnetisches Drehmoment [21]. Die effektive Entspannungszeit (t _eff ) ist gegeben durch:

Bei kleineren MNPs ist der vorherrschende Mechanismus die Néel-Relaxation, bei größeren MNPs die Brownsche Relaxation. Bei der Néel-Relaxation ändert die MNP-Magnetisierung die Richtung aufgrund der Rekonfiguration ihres magnetischen Moments und ist abhängig von der MNP-Größe und der Temperatur. Während der Brownschen Relaxation durchlaufen die MNPs eine räumliche Rotation und sind von äußeren Bedingungen wie Viskosität und chemischer Bindung abhängig [22,23,24]. Daher ist es wichtig, die Beiträge dieser magnetischen Relaxationsmechanismen zu verstehen, um das Design der MNPs abzustimmen und anzupassen, um die optimale Wärmeerzeugung für die magnetische Hyperthermie oder das magnetische Drehmoment für den magnetoaktivierten Zelltod zu erhalten.

Magnetische Hyperthermie ist eine etablierte Krebsbehandlungstechnik, bei der die lokale Erwärmung durch MNPs unter einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld verwendet wird, um die Apoptose von Krebszellen und die Tumorregression zu induzieren [3, 25, 26, 27]. In einem magnetischen Wechselfeld entspricht die von den MNPs in einem Magnetfeldzyklus abgegebene Wärme der Fläche der Hystereseschleife A , gegeben von:

wo M ist die Magnetisierung von MNPs unter einem magnetischen Wechselfeld mit der Frequenz f und Amplitude μ ₀ H _max [28,29,30]. Um eine niedrige MNP-Dosis und eine kurze Behandlungsdauer bei magnetischer Hyperthermie aufrechtzuerhalten, muss die Heizeffizienz der MNPs maximiert werden. Die Messung der Heizleistung von MNPs wird als spezifische Absorptionsrate (SAR) bezeichnet, die durch die pro Masseneinheit der MNPs abgegebene Wärme (Wg ^− 1 ):

wo ρ ist die Dichte von MNPs.

Die Effizienz der Wärmeableitung von MNPs kann experimentell in Form von SAR gemessen werden, d. h. der pro Masseneinheit von MNPs dissipierten Energie (Wg ^− 1 ) und ist gegeben durch:

wobei C ist die spezifische Wärme des Mediums (C _Wasser = 4.18 Jg ^− 1 °C ^− 1 ), ΔT /Δt ist die anfängliche Steigung des Zeit-Temperatur-Diagramms und m _MNP ist die Masse der MNPs. Die SAR-Werte sind jedoch nicht vollständig repräsentativ für die Heizeffizienz von MNPs, da die Wärmeableitung auch von der Frequenz f . beeinflusst wird und magnetische Feldstärke H . Daher wird die effektive spezifische Absorptionsrate oder die intrinsische Verlustleistung (ILP) verwendet, um die Heizeffizienz der MNPs zu charakterisieren, gegeben durch:

In zylindrischen NiFe-MNPs entsteht ein Dreifachwirbelzustand, bei dem im Zentrum des MNP über einen dritten Wirbelkern rechts- und linksdrehende Wirbel verbunden sind, was zu einer dreidimensionalen Magnetisierungskonfiguration führt. Die theoretische Wärmeableitung von den MNPs für magnetische Hyperthermieanwendungen wurde aus den simulierten Hystereseschleifen und Magnetometermessungen mit vibrierenden Proben berechnet. Mittels zeitabhängiger kalorimetrischer Messungen wurden die spezifische Absorptionsrate und die intrinsische Verlustleistung der MNPs bestimmt und mit den numerischen Berechnungen verglichen.

Methoden

Herstellung magnetischer Nanopartikel

Die Schablonenunterstützte gepulste Elektroabscheidung mit differentiellem chemischem Ätzen ist ein einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren zur Herstellung von MNPs verschiedener Zusammensetzungen, Ni, Fe oder Co. Ni₈₀ Fe₂₀ , Permalloy, ist ein ferromagnetisches Material, das außergewöhnliche magnetische Eigenschaften wie hohe Permeabilität, niedrige Koerzitivfeldstärke und Magnetostriktion nahe Null aufweist. Die Herstellung von zylindrischen MNPs beginnt mit dem Züchten von zusammensetzungsmodulierten zylindrischen NiFe-Nanodrähten unter Verwendung von anodischem Aluminiumoxid (AAO) templatgestützter gepulster Elektrotauchlackierung in einem Elektrolytbad bestehend aus NiSO₄ , FeSO₄ , und H₃ BO₃ [31,32,33,34,35]. Anschließend wurden die Nanodrähte durch Auflösen des AAO-Templats in NaOH freigesetzt. Schließlich wurden die Fe-reichen Bereiche in den Nanodrähten durch Verdünnen von HNO₃ . chemisch geätzt die MNPs zu bilden. Der Durchmesser der MNPs wurde durch die Porengröße des AAO-Templats bestimmt, während die Länge durch den Hochpotentialpuls V . gesteuert wurde _H Dauer Zusätzliche Datei 1.

Zelllebensfähigkeit

HeLa-Zellen wurden in einer 12-Well-Mikrotiterplatte bei 8 × 10 ⁴ . ausgesät Zellen/Vertiefung und inkubiert in Dulbecco's Modified Eagle's Medium, ergänzt mit 4,5 µg/L Glucose, 2 µM L-Glutamin, 10 % fetales Rinderserum und 1 % Penicillin/Streptomycin in einer angefeuchteten Atmosphäre bei 37 °C und 5 % CO₂ . Die Zelllebensfähigkeit wurde mit PrestoBlue bestimmt, einem permeablen Resazurin-basierten Zelllebensfähigkeitsreagenz, das die Reduktionskraft lebensfähiger Zellen nutzt, um die Zellproliferation quantitativ zu messen. Mit 0,1 mg/ml MNPs behandelte HeLa-Zellen wurden mit dem PrestoBlue-Reagenz bei 37 °C und 5 % CO₂ . inkubiert für 2 h. Die Absorptionswerte bei 570 nm und 600 nm wurden mit dem Tecan Infinite M200 PRO Microplate Reader gemessen. Die Lebensfähigkeit der Zellen wurde als Prozentsatz relativ zu den Zellen ausgedrückt, die den MNPs nicht ausgesetzt waren. Jedes Experiment wurde in vierfachen Sätzen von experimentellen und Kontrollassays durchgeführt.

Statistische Analyse

Die Ergebnisse wurden als Mittelwert ± Standardabweichung (SD) dargestellt. Die statistische Signifikanz wurde unter Verwendung einer Einweg-Varianzanalyse (ANOVA) mit OriginPro, OriginLab, analysiert. Ein p Wert von < 0,05 wurde als statistisch signifikant angesehen.

Mikromagnetische Simulationen

Die Magnetisierungskonfigurationen der MNPs wurden mit einem GPU-beschleunigten mikromagnetischen Simulationsprogramm MuMax3 untersucht, um die Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)-Gleichung in drei Dimensionen zu lösen [36]. Diese mikromagnetischen Simulationen lieferten Einblicke in die Magnetisierungskonfigurationen des MNP auf mikroskopischer Ebene, die die Korrelation zwischen analytischen Modellen und Beobachtungen aus experimentellen Ergebnissen zeigten. Die Gesamtenergie eines Systems wird beschrieben durch:

wobei \({H}_{eff}=-\frac{1}{\mu_0}{\nabla}_ME\). Die Landau-Lifshitz-Gilbert-Gleichung (LLG) beschreibt die Präzession der Magnetisierung M in einem wirksamen Magnetfeld H _eff mit Dämpfung α .

wobei γM (r ) × H _eff (r ) ist die Präzession von M (r ) in einem lokalen Feld H _eff (r ) und \(\frac{\overline{\alpha}}{M_s}M(r)\times \left(M(r)\times {H}_{eff}(r)\right)\) ist das empirische dämpfender Begriff. Die Materialparameter für Permalloy Ni₈₀ Fe₂₀ verwendet wurden:Sättigungsmagnetisierung M _s von 860 × 10 ³ A/m, Austauschsteifigkeitskonstante A _ex von 1,3 × 10 ^− 11 J/m, null magnetokristalline Anisotropie k = 0, und Gilbert-Dämpfungskonstante α von 0,01. Für alle Simulationen wurde eine Zellgröße von 5 nm × 5 nm × 5 nm verwendet, was im Vergleich zur Austauschlänge ausreichend klein ist.

Experimenteller Aufbau für magnetische Hyperthermie

Die SAR wurde experimentell aus zeitabhängigen kalorimetrischen Messungen erhalten, indem die MNPs einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wurden, das von einer Hochfrequenz-Induktionsheizung erzeugt wurde. MNPs in wässriger Suspension mit Konzentrationen von 0,05–0,1 µg/ml wurden in ein mit Styropor isoliertes und von Induktionsspulen umgebenes Falkenröhrchen gegossen. Die Temperatur der Rohrschlangen wurde durch einen Wasserumlaufkühler auf 28,0 ± 0,5 °C gehalten. Die Anfangstemperatur der Suspension wurde 1 min lang bei 28,0 ± 0,5 °C gehalten, um jegliche Wärmebeiträge von den Induktionsspulen zu eliminieren. Ein magnetischer Wechselfeldbereich von 15,9 bis 47,8 kAm ^– 1 und eine feste Frequenz von 360 kHz wurden angewendet, innerhalb des Kriteriums für klinische magnetische Hyperthermie.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung magnetischer Nanopartikel

Die Zusammensetzung der hergestellten zylindrischen NiFe-MNPs wird durch V . bestimmt _H oder die Elektrolytzusammensetzung. Um den hohen Grad an Kontrolle in der MNP-Zusammensetzung zu zeigen, wurden verschiedene Zusammensetzungen von MNPs hergestellt (Ni₈₈ Fe₁₂ , Ni₇₆ Fe₂₄ , Ni₅₂ Fe₄₈ , und Ni₃₆ Fe₆₄ ) und durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) verifiziert. Abbildung 1 zeigt die normalisierte Hystereseschleife, die durch Vibrationsprobenmagnetometer (VSM)-Messungen für NiFe-MNPs mit verschiedenen Zusammensetzungen erhalten wurde. Das Magnetfeld wird auf einen Wert erhöht, der ausreicht, um die effektive magnetische Anisotropie zu überwinden, so dass die Magnetisierung in die Sättigung gelangt. Das Rechteckigkeitsverhältnis SQR ist ein grundlegendes Maß dafür, wie quadratisch die Hystereseschleife ist, gegeben durch:

Normalisierte Hystereseschleifen von NiFe-MNPs für Ni₈₈ Fe₁₂ , Ni₇₆ Fe₂₄ , Ni₅₂ Fe₄₈ , und Ni₃₆ Fe₆₄ in Richtungen in der Ebene und außerhalb der Ebene gemessen. Einschübe zeigen die Magnetisierungskonfigurationen des MNP bei verschiedenen Magnetfeldstärken

Die Werte der Koerzitivfeldstärke H _c und Rechteckigkeit SQR = M _r /M _s für in der Ebene und außerhalb der Ebene angelegte Magnetfelder sind in Tabelle 1 aufgeführt. Im Allgemeinen ist der Trend von H . in der Ebene _c ist höher als der außerhalb der Ebene liegende H _c für Ni-reiche MNPs (Ni₈₈ Fe₁₂ , Ni₇₆ Fe₂₄ , und Ni₅₂ Fe₄₈ ), aber umgekehrt für Fe-reiche MNPs (Ni₃₆ Fe₆₄ ), was mit früheren Studien zur anomalen Co-Deposition von NiFe-Nanodrähten übereinstimmt [37].

Biokompatible Oberflächenbeschichtung

NiFe-MNPs neigen aufgrund der Auswirkungen starker Dipolwechselwirkungen zwischen benachbarten MNPs zur Aggregation. Daher ist die Oberflächenmodifizierung der MNPs mit biokompatiblen und biologisch abbaubaren Polymeren [38, 39], wie Chitosan [40,41,42], Polyvinylalkohol [43,44,45], Ölsäure [46,47,48], Dextran [49, 50] und am häufigsten Polyethylenglykol (PEG) [51,52,53,54,55,56] wurde vorgeschlagen. PEG ist ein hydrophiles Polymer, das häufig zur Verbesserung der Durchblutung von Liposomen und MNPs verwendet wird [57,58,59,60]. Um die zylindrischen NiFe-MNPs in Wasser zu dispergieren, werden biokompatible 5000 g mol ^− 1 Als Stabilisator wurde PEG verwendet [61]. Das Rasterelektronenmikroskop (REM)-Bild zeigt die Bildung einer Oxidhülle um die MNPs, dargestellt in Abb. 2a. Diese Oxidhülle verhindert die Oxidation der magnetischen Materialien in den MNPs. Frühere Forschungsarbeiten zu FeCo-MNPs und Fe-MNPs haben eine starke Oxidation durch bloße Exposition gegenüber der Atmosphäre gezeigt [61, 62].

a REM-Aufnahme von NiFe-MNPs mit PEG-Beschichtung. b XRD-Muster für NiFe-MNPs mit PEG-Beschichtung. c EDX-Muster für NiFe-MNPs mit und ohne PEG-Beschichtung. d Zelllebensfähigkeit mit angezeigten Bildern von HeLa-Zellen nach Inkubation mit MNPs, über einen Zeitraum von 0–48 h

Der Peak des Röntgenbeugungsmusters (XRD) wurde hauptsächlich an den (111)-Kristallebenen indiziert, was der kubisch-flächenzentrierten (fcc) Struktur von massivem NiFe entspricht, wie in Fig. 2b gezeigt. Dies deutet darauf hin, dass die MNPs mit einer bevorzugten Orientierung von (111) galvanisch abgeschieden wurden, was auch bei NiFe-Nanodrähten ersichtlich ist, die durch galvanische Abscheidung oder Sputtern hergestellt wurden [63, 64]. Darüber hinaus fehlten Beugungspeaks entsprechend dem Spinelloxid ((NiFe)₃ O₄ ), die durch die Bildung von Oxidphasen aufgrund der hohen Fe-Konzentration entsteht [65]. Die hohe Kristallinität der NiFe-MNPs führte zu einem vernachlässigbaren Oberflächen-Spin-Canting und behielt somit die hohe Sättigungsmagnetisierung und die kleine Koerzitivfeldstärke der MNPs bei. Weitere Charakterisierungen der PEG-beschichteten NiFe-MNPs wurden mittels EDX-Messung durchgeführt. Wie in Abb. 2c gezeigt, wurden hauptsächlich Ni- und Fe-Elemente nachgewiesen, mit einem kleinen Prozentsatz von O-Elementen, ein Hinweis auf die um die MNPs gebildete Oxidhülle.

Aus Fig. 2d ist die Zelllebensfähigkeit der HeLa-Zellen, die unbeschichteten und PEG-beschichteten NiFe-MNPs nach 24 h ausgesetzt wurden, 82,2% bzw. 82,6%. Nach 48 Stunden verringerte sich die Zelllebensfähigkeit leicht auf 79,9 % und 82,1 %, was eine etwas höhere Biokompatibilität für PEG-beschichtete MNPs zeigt. NiFe-MNPs ohne Hüllen sind für Säugetierzellen toxisch und beeinträchtigen die Lebensfähigkeit der Zellen. Die PEG-Beschichtung war hoch biokompatibel und kann die Zytotoxizität und Internalisierung von MNPs in die Zellen durch Endozytose verringern [66, 67]. Die Zytotoxizität der zylindrischen NiFe-MNPs gegenüber HeLa-Zellen ist vergleichbar mit anderen kommerziell erhältlichen ferromagnetischen NPs, die in der magnetischen Hyperthermie-Forschung verwendet werden [68].

Magnetisierungsdynamik

Die Zusammensetzung der MNPs wurde bei Permalloy Ni₈₀ . gehalten Fe₂₀ , während die Länge (l ) und Durchmesser (d ) der MNPs variiert wurden. Die Beiträge der Austauschenergie, Entmagnetisierung oder dipolaren Energie und der Zeeman-Energie zur Gesamtenergie des MNP sind als Funktion des angelegten Magnetfelds H . aufgetragen entlang der MNP-Längsachse in Abb. 3a–d. Der MNP wurde zuerst durch ein starkes Magnetfeld parallel zu seiner Längsachse gesättigt. Bei großen Magnetfeldern überwiegt der Zeeman-Energiebeitrag und die Spins sind meist in Magnetfeldrichtung ausgerichtet. Diese parallele Anordnung der Spins zum Feld minimiert den Beitrag der Austauschenergie zur gesamten magnetischen Energie. Wenn das angelegte Magnetfeld verringert wird, kommt es an den Enden des MNP zu einer Wirbelnukleation im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn, die in Richtung des Zentrums des MNP fortschreitet, was zu einer allmählichen Verringerung der parallelen Magnetisierungskomponente führt, die einen Abfall der . verursacht Zeeman-Beitrag, während andere Beiträge zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die Magnetisierung des MNP versucht, das Streufeld zu minimieren und damit seine Entmagnetisierungsenergie zu reduzieren. Bei ausreichend niedrigen Magnetfeldern wird der Dreifachwirbelzustand gebildet, der eine stabile Magnetisierungskonfiguration mit minimaler Gesamtenergie darstellt. Wenn sich das Magnetfeld umkehrt, entspricht der starke Abfall der Austauschenergie der abrupten Aufspaltung der beiden Wirbel.

Die Handlung von (a ) Energie austauschen, (b ) dipolare Energie, (c ) Zeeman-Energie und (d ) Gesamtenergie gegen das angelegte Magnetfeld H

MNPs mit unterschiedlichen Längen (l ) wiesen signifikant unterschiedliche Magnetisierungskonfigurationen auf. Bei Längen l unterhalb von 100  nm wurde nur ein einzelner Wirbel nukleiert, der aufgrund der Wechselwirkung zwischen der magnetostatischen Energie und der Austauschenergie eine in der Ebene liegende und geschlossene Flussdomänenstruktur ist. Für l oberhalb von 100 nm wurde ein Paar von Wirbelkernen im Gegenuhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn an den Enden des MNP nukleiert – Doppelwirbelzustand. Wenn das Magnetfeld abnimmt, wird einer der Wirbel vernichtet und kollabiert in den Einzelwirbelzustand. Aber bei l oberhalb von 300 nm gibt es bei niedrigen Feldern keine Vernichtung des Wirbels, stattdessen wurde ein zusätzlicher dritter Wirbelkern auf der gekrümmten Oberfläche des MNP nukleiert – dreifacher Wirbelzustand.

kalorimetrische Messungen

Der Ni₈₀ Fe₂₀ MNPs, mit l = 500 nm und d = 350 nm, wurden einem magnetischen Wechselfeld von 15,9 bis 47,8 kAm ⁻¹ . ausgesetzt (200 bis 600 Oe) und die Temperatur-Zeit-Kurve ist in Abb. 4a dargestellt. Wie durch die SAR-Gleichung charakterisiert, wurden die SAR-Werte zu 427 Wg ^− 1 . berechnet , 1054 Wg ^− 1 , und 1742 Wg ^− 1 , für 15,9 kAm ^− 1 , 31,9 kAm ^− 1 , und 47,8 kAm ^− 1 , bzw. Wie vorhergesagt, je größer die Magnetfeldstärke, desto größer der SAR-Wert, d. h. der SAR-Wert war proportional zur Magnetfeldstärke. Daher wurde ILP erhalten, um eine bessere Bewertung der Heizeffizienz der MNPs für magnetische Hyperthermie zu geben. Wie durch die ILP-Gleichung charakterisiert, wurden die ILP-Werte mit 4,69 nHm ² . berechnet kg ^− 1 , 2,88 nHm ² kg ^− 1 , und 2,12 nHm ² kg ^− 1 , für 15,9 kAm ^− 1 , 31,9 kAm ^− 1 , und 47,8 kAm ^− 1 jeweils bei 360 kHz.

a Temperatur-Zeit-Kurven von NiFe-MNPs, mit l = 500 nm und d = 350 nm, zur Erhöhung der magnetischen Feldstärke von 15,9 auf 47,8 kAm ^− 1 (200 bis 600 Oe). b Temperatur-Zeit-Kurven von NiFe-MNPs mit d = 350 nm. Die magnetische Feldstärke von 47,8 kAm ^− 1 (600 Oe), während die MNP-Länge l von auf 500 nm erhöht. c Tabellarische SAR-Werte für NiFe-MNPs mit l = 100–500 nm und d = 350 nm bei einer magnetischen Feldstärke von 15,9 bis 47,8 kAm ^− 1 (200 bis 600 Oe). d Theoretische SAR-Werte für NiFe-MNPs mit l = 100–500 nm und d = 350 nm

Als nächstes NiFe-MNPs mit d = 350 nm und l = 100–500 nm, wurden einem magnetischen Wechselfeld von 47,8 kAm ^− 1 . ausgesetzt (600 Oe) und die Temperatur-Zeit-Kurve ist in Abb. 4b dargestellt. Wie durch die SAR-Gleichung charakterisiert, wurden die SAR-Werte zu 409 Wg ^− 1 . berechnet , 618 Wg ^− 1 , und 1742 Wg ^− 1 , für l = 100 nm, 200 nm und 500 nm bei 47,8 kAm ^− 1 bzw. 360 kHz. Wie durch die ILP-Gleichung charakterisiert, wurden die ILP-Werte zu 0,50 nHm ² . berechnet kg ^− 1 , 0,75 nHm ² kg ^− 1 , und 2,12 nHm ² kg ^− 1 für l = 100 nm, 200 nm und 500 nm bei 47,8 kAm ^− 1 bzw. 360 kHz.

MNPs mit l = 500 nm hatte eine weitaus höhere Heizeffizienz als MNPs mit l = 100 nm und 200 nm, was zu einem deutlicheren Temperaturanstieg führt. Der höchste SAR-Wert von MNPs mit l = 500 nm war 1742 Wg ^− 1 bei 47,8 kAm ^− 1 und 360 kHz. Zum Vergleich die SAR-Werte für das Magnetfeld von 15,9 bis 31,9 kAm ^− 1 (200 bis 400 Oe) und MNPs mit d = 350 nm und l = 100–500 nm wurden in Abb. 4c tabellarisch dargestellt. Unter den gleichen Bedingungen sind die SAR- und ILP-Werte von MNPs mit l = 500 nm waren viermal höher als diejenigen mit MNPs kleiner l . Aus mikromagnetischen Simulationen wurde beobachtet, dass als l auf> 300 nm ansteigt, änderte sich der Magnetisierungsumkehrprozess des MNP von einem Doppelwirbelzustand in einen Dreifachwirbelzustand. Bei l < 300 nm wurde nur ein Einzelwirbelzustand oder ein Doppelwirbelzustand beobachtet. Die remanente Magnetisierung M _r des MNP war im Dreifachwirbelzustand signifikant höher als im Einzel- oder Doppelwirbelzustand.

Für Single-Domain-MNPs wurde das theoretische Modell zur Berechnung der dynamischen Hystereseschleife von Carrey et al. [69] Für MNPs mit mehreren Domänen war die Verwendung mikromagnetischer Simulationen zur Berechnung einer statischen Hystereseschleife für MNPs mit großen Größen oberhalb der kritischen Größe für Superparamagnetismus sinnvoll, da die Schaltzeit der Magnetisierung in der Größenordnung von 10<. liegt sup> − 9 S. Da die Schaltzeit der magnetischen Hyperthermie in der Größenordnung von ~ 10 ^– 6 . liegt s können die großen MNPs mit dem magnetischen Wechselfeld mithalten. Der Bereich der Hystereseschleifen, der aus mikromagnetischen Simulationen von zylindrischen NiFe-MNPs und VSM-Messungen gewonnen wurde, wurde zur theoretischen Berechnung der SAR-Werte verwendet und in Abb. 4d tabellarisch dargestellt.

Die SAR-Werte von MNPs mit l = 100 nm und 200 nm zeigten einen kleinen SAR-Wert bei niedrigen Magnetfeldern unter H _c und stark erhöht, bis sie bei hohen Magnetfeldern eine Sättigung erreicht, was ein charakteristisches Merkmal des ferromagnetischen Regimes ist. Im Gegensatz dazu ist die Magnetfeldabhängigkeit des SAR-Wertes von l = 500 nm MNPs mit dem Dreifachwirbelzustand folgten einer nichtlinearen Beziehung mit ~ 6-mal größeren SAR-Werten. Die hohe remanente Magnetisierung M _r des Tripelwirbelzustands im l = 500 nm MNPs war in den von Null verschiedenen SAR-Werten bei niedrigen Magnetfeldern offensichtlich. Der Vergleich zwischen kalorimetrischen Messungen (Abb. 4c) und numerischen Berechnungen (Abb. 4d) zeigt eine qualitative und quantitative Übereinstimmung der Eigenschaften von MNPs im ferromagnetischen Bereich, die kleine SAR-Werte bei niedrigen Magnetfeldern und Sättigung bei hohen Magnetfeldern aufzeigen, was korreliert mit dem H _c der MNPs.

Die Wärmeableitung von NiFe-MNPs mit Dreifachwirbelzuständen wurde für d . verglichen = 150–350 nm, unter einem magnetischen Wechselfeld von 47,8 kAm ^− 1 (600 Oe) und die Temperatur-Zeit-Kurve ist in Abb. 5a dargestellt. Die SAR- und ILP-Werte wurden mit 1785 Wg ^− 1 . berechnet , 2073 Wg ^− 1 , und 2750 Wg ^− 1 und 2,17 nHm ² kg ^− 1 , 2,52 nHm ² kg ^− 1 , und 3,34 nHm ² kg ^− 1 , für d = 350 nm, 250 nm bzw. 150 nm. Die MNPs mit d = 150 nm und 250 nm konnten die optimale therapeutische Temperatur von 43 °C in 4,92 min und 7,45 min bei einer Konzentration von 0,1 mg/ml erreichen. Beim Vergleich von MNPs mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen wurde beobachtet, dass die Heizeffizienz von d = 150 nm MNPs waren 1,54 mal größer als d = 350 nm MNPs. Dies lag daran, dass MNPs mit d = 150 nm besaß die höchste Schwachfeldempfindlichkeit und M _r . Daher korrelierte der SAR-Wert eng mit dem Magnetisierungsumkehrprozess der MNPs mit beiden Variationen in l und d .

a Temperatur-Zeit-Kurven von NiFe-MNPs bei einer magnetischen Feldstärke von 47,8 kAm ^− 1 (600 Oe) und einer Frequenz von 360 kHz, während die MNP-Länge d von 150 auf 350 nm erhöht. b Theoretische SAR-Werte für NiFe-MNPs mit d = 150–350 nm und l = 500 nm

Aus mikromagnetischen Simulationen kann beobachtet werden, dass die Hysteresefläche A entwickelt sich deutlich mit dem Durchmesser (d ) des MNP. Daher ist der SAR-Wert des d = 150 nm MNPs steigen so schnell an und sättigen sich bei einem maximalen SAR-Wert von 6263 Wg ^− 1 . Die numerischen Berechnungen zeigten, dass die MNPs mit höheren Aspektverhältnissen höhere Hystereseverluste aufweisen, was zu höheren theoretischen SAR-Werten führt, wie in Abb. 5b gezeigt. Der Vergleich zwischen kalorimetrischen Messungen (Abb. 5a) und numerischen Berechnungen (Abb. 5b) stimmte qualitativ gut überein, jedoch gab es quantitative Unstimmigkeiten bei den Werten der Hystereseverluste. Die Diskrepanz zwischen den experimentellen und theoretischen Werten entstand dadurch, dass die NiFe-MNPs nicht superparamagnetisch waren und eine nicht zu vernachlässigende remanente Magnetisierung aufwiesen, was aufgrund starker magnetischer Dipolwechselwirkungen zwischen benachbarten MNPs zu einer unerwünschten Agglomeration führte [70, 71]. Da das hydrodynamische Volumen von MNPs eine die Brownsche Bewegung bestimmende Komponente ist, bestimmt das Ausmaß der Aggregation der MNPs den dominierenden Relaxationsmechanismus, d. h. Néel- oder Brownsche Relaxation. Daher unterscheidet sich eine aggregierte Gruppe von MNPs gegenüber einem einzelnen freien MNP stark in den SAR-Werten. Darüber hinaus kann ein magnetisches Wechselfeld die Bildung von Nanosäulen oder Nanoketten induzieren, die einen unterschiedlichen Brownschen Relaxationsmechanismus aufweisen und daher die Diskrepanz zwischen den experimentellen und theoretischen Werten erklären [72,73,74].

Schlussfolgerungen

Die hohen SAR-Werte der zylindrischen NiFe-MNPs, vergleichbar mit Eisenoxid-MNPs (IOMNPs) und superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (SPIONs) [28, 75], demonstrieren die Fähigkeit dieser MNPs zur Wärmeableitung unter einem magnetischen Wechselfeld. MNPs mit dem Dreifachwirbelzustand hatten eine weitaus höhere Heizeffizienz als MNPs mit Doppel- oder Einfachwirbelzustand, die einen viermal höheren SAR-Wert aufweisen, was auf das hohe M . zurückzuführen ist _r der MNPs im Tripelwirbelzustand. Beim Vergleich von MNPs mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen wurde beobachtet, dass die Heizeffizienz von d = 150 nm MNPs waren 1,54 mal größer als d = 350 nm MNPs aufgrund eines größeren M _r und Schwachfeldempfindlichkeit. Sowohl kalorimetrische Messungen als auch mikromagnetische Simulationen zeigten die Korrelation zwischen dem Magnetisierungsumkehrprozess und den höheren Hystereseverlusten von d = 150 nm MNPs, was zu höheren experimentellen und theoretischen SAR-Werten führt. Die einfache Kontrolle der Größe der MNPs und ihrer magnetischen Eigenschaften weisen auf ein großes Potenzial für In-vivo-Studien zur magnetischen Hyperthermie-Krebstherapie hin.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der laufenden Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

d :

Durchmesser magnetischer Nanopartikel

EDX:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

H _c :

Zwang

ILP:

Eigenverlustleistung

l :

Länge magnetischer Nanopartikel

MNPs:

Magnetische Nanopartikel

M _r :

Remanente Magnetisierung

PEG:

Polyethylenglykol

SAR:

Spezifische Absorptionsrate

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

SQR:

Rechteckigkeitsverhältnis

V _H :

Elektrotauchimpuls mit hohem Potential

VSM:

Vibrations-Probenmagnetometer

XRD:

Röntgenbeugungsspektroskopie