Optimierung der Wärmeentwicklung in dreifach-Vortex-zylindrischen magnetischen Nanopartikeln für Krebs-Hyperthermie

Einleitung

Die Anwendungen magnetischer Nanopartikel (MNPs) wurden in biomedizinischen Bereichen umfangreich erforscht, wie magneto-mechanische Zellzerstörung [1–4], Magnetresonanztomographie [5–7], Drug Delivery [8–10] und magnetische Hyperthermie [11–14], um die Nachteile aktueller Diagnose- und Therapiemethoden auszugleichen. Der größte Vorteil von MNPs ist, dass sie durch ein externes Magnetfeld ferngesteuert werden können. Die resultierende magnetische Antwort kann in Form von Wärmeabgabe oder magnetischem Drehmoment erfolgen, abhängig von der angewendeten Magnetfeldkonfiguration und der Magnetisierungsdynamik der MNPs [15].

Verschiedene biomedizinische Anwendungen erfordern jedoch spezifische Rotationsmechanismen in verschiedenen Magnetfeldkonfigurationen. Biosensoren für Krebs-Biomarker nutzen die magnetische Spektroskopie der Brownschen Bewegung der MNPs, um den gebundenen Anteil und die Relaxationszeiten der MNPs innerhalb von Sekunden zu messen [16]. In der magnetischen Partikelbildgebung zur Quantifizierung von MNP-Konzentrationen wird die Néel-Relaxation der MNPs benötigt, während die Brownsche Relaxation, verursacht durch MNP-Größenverteilungen, minimiert werden sollte [17]. Die zwei Mechanismen, die für die MNP-Relaxationsprozesse existieren, sind Néel- und Brownsche Relaxation, die entweder Wärmeabgabe oder räumliche Rotation der MNPs ergeben. Néel-Relaxation korreliert mit der Neuorientierung des MNP-Magnetischen Moments zum Magnetfeld, während Brownsche Relaxation mit der räumlichen Rotation des MNP korreliert [18–20].

Néel (t_N) und Brownsche (t_B) Relaxationszeiten sind gegeben durch:

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

wobei η der Viskositätskoeffizient, t₀ die inverse Versuchsrate, K die magnetische Anisotropiekonstante, V das Volumen der MNPs, k_B die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur ist. Prinzipiell dominiert der schnellere Mechanismus, aber sowohl Néel- als auch Brownsche Mechanismen können gleichzeitig auftreten, gekoppelt durch Wärmeabgabe und magnetisches Drehmoment [21]. Die effektive Relaxationszeit (t_eff) ist gegeben durch:

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

In kleineren MNPs ist der dominierende Mechanismus die Néel-Relaxation, während er bei größeren MNPs die Brownsche Relaxation ist. Bei der Néel-Relaxation ändert die MNP-Magnetisierung ihre Richtung aufgrund der Neukonfiguration ihres magnetischen Moments und ist abhängig von der MNP-Größe und der Temperatur. Bei der Brownschen Relaxation durchlaufen die MNPs eine räumliche Rotation und sind von externen Bedingungen wie Viskosität und chemischer Bindung abhängig [22–24]. Daher ist es wichtig, die Beiträge dieser magnetischen Relaxationsmechanismen zu verstehen, um das Design der MNPs anzupassen und anzupassen, um die optimale Wärmeentwicklung für magnetische Hyperthermie oder magnetisches Drehmoment für magneto-aktuierten Zelltod zu erhalten.

Magnetische Hyperthermie ist eine etablierte Krebstherapie-Technik, die lokale Erwärmung durch MNPs unter einem hochfrequenten Wechselmagnetfeld einsetzt, um Krebszell-Apoptose und Tumor-Rückbildung zu induzieren [3, 25–27]. In einem Wechselmagnetfeld entspricht die von den MNPs in einem Magnetfeldzyklus dissipierte Wärme der Fläche der Hysterese-Schleife A, gegeben durch:

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

wobei M die Magnetisierung der MNPs unter einem Wechselmagnetfeld mit Frequenz f und Amplitude μ₀H_max ist [28–30]. Um eine niedrige MNP-Dosis und kurze Behandlungsdauer in der magnetischen Hyperthermie aufrechtzuerhalten, muss die Heizeffizienz der MNPs maximiert werden. Die Messung der Heisleistung der MNPs wird als spezifische Absorptionsrate (SAR) bezeichnet, die durch die dissipierte Wärme pro Einheit Masse der MNPs (W g⁻¹) gegeben ist:

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

wobei ρ die Dichte der MNPs ist.

Die Effizienz der Wärmeabgabe von MNPs kann experimentell in Bezug auf SAR gemessen werden, was die pro Einheit Masse der MNPs dissipierte Energie (W g⁻¹) ist, und gegeben ist durch:

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

wobei C die spezifische Wärme des Mediums ist (C_Wasser = 4,18 J g⁻¹ °C⁻¹), ΔT/Δt die initiale Steigung des Temperatur-Zeit-Graphen, und m_MNP die Masse der MNPs ist. SAR-Werte sind jedoch nicht vollständig repräsentativ für die Heizeffizienz von MNPs, da die Wärmeabgabe auch von Frequenz f und Magnetfeldstärke H beeinflusst wird. Daher wird die effektive spezifische Absorptionsrate oder der intrinsische Verlustleistung (ILP) verwendet, um die Heizeffizienz der MNPs zu charakterisieren, gegeben durch:

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

In zylindrischen NiFe-MNPs wird ein dreifacher Vortex-Zustand gebildet, in dem im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn rotierende Wirbel im Zentrum des MNP über einen dritten Wirbelkern verbunden sind, was zu einer dreidimensionalen Magnetisierungskonfiguration führt. Die theoretische Wärmeabgabe der MNPs für magnetische Hyperthermie-Anwendungen wurde aus simulierten Hysterese-Schleifen und Vibrationsprobenmagnetometer-Messungen berechnet. Mittels zeitabhängiger kalorimetrischer Messungen wurden die spezifische Absorptionsrate und der intrinsische Verlustleistung der MNPs bestimmt und mit den numerischen Berechnungen verglichen.

Methoden

Herstellung magnetischer Nanopartikel

Template-assistierte gepulste Elektrodeposition mit differentieller chemischer Ätzung ist eine einfache und kostengünstige Herstellungsmethode, um MNPs verschiedener Zusammensetzungen (Ni, Fe oder Co) zu produzieren. Ni₈₀Fe₂₀, Permalloy, ist ein ferromagnetisches Material, das außergewöhnliche magnetische Eigenschaften wie hohe Permeabilität, niedrige Koerzitivität und nahezu null Magnetostriktion aufweist. Die Herstellung zylindrischer MNPs beginnt mit dem Wachsen kompositionsmodulierter zylindrischer NiFe-Nanodrähte mittels anodischer Aluminiumoxid (AAO) template-assistierter gepulster Elektrodeposition in einem Elektrolytbad bestehend aus NiSO₄, FeSO₄ und H₃BO₃ [31–35]. Anschließend wurden die Nanodrähte durch Auflösen der AAO-Vorlage in NaOH freigesetzt. Schließlich wurden die Fe-reichen Bereiche in den Nanodrähten durch Verdünnen von HNO₃ chemisch geätzt, um die MNPs zu bilden. Der Durchmesser der MNPs wurde durch die Porengröße der AAO-Vorlage bestimmt, während die Länge durch die Dauer des Hochpotenzial-Pulses V_H gesteuert wurde (Additional file 1).

Zellviabilität

HeLa-Zellen wurden in 12-Well-Mikrotiterplatten mit 8 × 10⁴ Zellen/Well ausgesät und in Dulbecco's Modified Eagle's Medium mit 4,5 g/L Glucose, 2 mM L-Glutamin, 10% fötalem Kälberserum und 1% Penicillin/Streptomycin in einer befeuchteten Atmosphäre bei 37 °C und 5% CO₂ inkubiert. Die Zellviabilität wurde mit PrestoBlue bestimmt, einem permeablen Resazurin-basierten Zellviabilitätsreagenz, das die reduzierende Kraft lebensfähiger Zellen nutzt, um die Zellproliferation quantitativ zu messen. HeLa-Zellen, behandelt mit 0,1 mg/ml MNPs, wurden mit dem PrestoBlue-Reagenz bei 37 °C und 5% CO₂ für 2 h inkubiert. Die Absorptionswerte bei 570 nm und 600 nm wurden mit einem Tecan Infinite M200 PRO Mikroplattenleser gemessen. Die Zellviabilität wurde als Prozentsatz relativ zu den den MNPs nicht ausgesetzten Zellen ausgedrückt. Jedes Experiment wurde in vierfacher Ausführung für experimentelle und Kontrollassays durchgeführt.

Statistische Analyse

Die Ergebnisse wurden als Mittelwert ± Standardabweichung (SD) dargestellt. Die statistische Signifikanz wurde mit einseitiger 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 der MNPs auf mikroskopischer Ebene, die die Korrelation zwischen analytischen Modellen und Beobachtungen aus experimentellen Ergebnissen zeigten. Die Gesamtenergie eines Systems wird beschrieben durch:

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

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

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

wobei γM(r) × H_eff(r) die Präzession von M(r) in einem lokalen Feld H_eff(r) ist und \( \frac{\overline{\alpha}}{M_s}M(r)\times \left(M(r)\times {H}_{eff}(r)\right) \) der empirische Dämpfungsterm ist. Die Materialparameter für Permalloy Ni₈₀Fe₂₀ wurden verwendet: Sättigungsmagnetisierung M_s von 860 × 10³ A/m, Austauschsteifigkeitskonstante A_ex von 1,3 × 10⁻¹¹ J/m, null magneto-kristalline Anisotropie k = 0, und Gilbert-Dämpfungskonstante α von 0,01. Eine Zellengröße von 5 nm × 5 nm × 5 nm wurde für alle Simulationen verwendet, was im Vergleich zur Austauschlänge ausreichend klein ist.

Experimenteller Aufbau für magnetische Hyperthermie

SAR wurde experimentell aus zeitabhängigen kalorimetrischen Messungen gewonnen, indem die MNPs einem Wechselmagnetfeld ausgesetzt wurden, das von einem Hochfrequenz-Induktionsheizer erzeugt wurde. MNPs in wässriger Suspension mit Konzentrationen von 0,05–0,1 mg/ml wurden in ein Falkonröhrchen gegossen, das durch Styropor isoliert und von Induktionsspulen umgeben war. Die Temperatur der Spulen wurde bei 28,0 ± 0,5 °C durch einen Wasserrücklaufkühler gehalten. Die initiale Temperatur der Suspension wurde für 1 min bei 28,0 ± 0,5 °C gehalten, um etwaige Wärmebeiträge von den Induktionsspulen zu eliminieren. Ein Wechselmagnetfeldbereich von 15,9 bis 47,8 kA m⁻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_H oder die Elektrolytzusammensetzung bestimmt. Um den großen Grad an Kontrolle in der MNP-Zusammensetzung zu zeigen, wurden verschiedene Zusammensetzungen von MNPs hergestellt (Ni₈₈Fe₁₂, Ni₇₆Fe₂₄, Ni₅₂Fe₄₈ und Ni₃₆Fe₆₄) und durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) verifiziert. Abbildung 1 zeigt die normierte Hysterese-Schleife, erhalten durch Vibrationsprobenmagnetometer (VSM) Messungen für die NiFe-MNPs mit verschiedenen Zusammensetzungen. Das Magnetfeld wird auf einen Wert erhöht, der ausreicht, um die effektive magnetische Anisotropie zu überwinden, sodass die Magnetisierung Sättigung erreicht. Das Quadratverhältnis SQR ist eine grundlegende Messung dafür, wie quadratisch die Hysterese-Schleife ist, gegeben durch:

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

Die Werte der Koerzitivität H_c und des Quadratverhältnisses SQR = M_r/M_s für In-Plane- und Out-of-Plane angewendete Magnetfelder sind in Tabelle 1 tabelliert. Im Allgemeinen ist der Trend der In-Plane H_c höher als der Out-of-Plane H_c für Ni-reiche MNPs (Ni₈₈Fe₁₂, Ni₇₆Fe₂₄ und Ni₅₂Fe₄₈), aber umgekehrt für Fe-reiche MNPs (Ni₃₆Fe₆₄), was mit früheren Studien zur anomalen Co-Abscheidung von NiFe-Nanodrähten übereinstimmt [37].

Biokompatible Oberflächenbeschichtung

NiFe-MNPs neigen aufgrund der Effekte starker Dipol-Wechselwirkungen zwischen benachbarten MNPs zur Aggregation. Daher wurde die Oberflächenmodifikation der MNPs mit biokompatiblen und biologisch abbaubaren Polymeren [38, 39], wie Chitosan [40–42], Polyvinylalkohol [43–45], Ölsäure [46–48], Dextran [49, 50] und am häufigsten Polyethylenglykol (PEG) [51–56], vorgeschlagen. PEG ist ein hydrophiles Polymer, das weit verbreitet zur Verbesserung der Blutzirkulation von Liposomen und MNPs [57–60] eingesetzt wird. Um die zylindrischen NiFe-MNPs in Wasser zu dispergieren, wurde ein biokompatibles 5000 g mol⁻¹ PEG als Stabilisator verwendet [61]. Das Rasterelektronenmikroskopie (REM) Bild zeigt die Bildung einer Oxidschale um die MNPs, gezeigt in Abb. 2a. Diese Oxidschale verhindert die Oxidation der magnetischen Materialien in den MNPs. Frühere Forschungsarbeiten an FeCo-MNPs und Fe-MNPs zeigten schwere Oxidation durch bloße Exposition gegenüber der Atmosphäre [61, 62].

Das Röntgenbeugungsmuster (XRD) Peak wurde hauptsächlich an den (111) Kristallebenen indexiert, was der flächenzentriert kubischen (fcc) Struktur von bulk NiFe entspricht, wie in Abb. 2b gezeigt. Dies deutet darauf hin, dass die MNPs mit einer bevorzugten Orientierung von (111) elektrodeponiert wurden, was auch in NiFe-Nanodrähten, hergestellt durch Elektrodeposition oder Sputtern, evident ist [63, 64]. Zudem fehlten Beugungspeaks, die dem Spinelloxid ((NiFe)₃O₄) entsprechen, das durch die Bildung von Oxidphasen aufgrund der hohen Fe-Konzentration resultiert [65]. Die hohe Kristallinität der NiFe-MNPs führte zu vernachlässigbarer Oberflächen-Spin-Kantung und bewahrte somit die hohe Sättigungsmagnetisierung und geringe Koerzitivität der MNPs. Weitere Charakterisierungen der PEG-beschichteten NiFe-MNPs wurden mit EDX-Messung durchgeführt. Wie in Abb. 2c gezeigt, wurden hauptsächlich Ni- und Fe-Elemente detektiert, mit dem Vorhandensein eines kleinen Anteils an O-Element, ein Hinweis auf die um die MNPs gebildete Oxidschale.

Aus Abb. 2d beträgt die Zellviabilität von HeLa-Zellen, exponiert gegenüber unbeschichteten und PEG-beschichteten NiFe-MNPs nach 24 h, 82,2% bzw. 82,6%. Nach 48 h sanken die Zellviabilitäten leicht auf 79,9% und 82,1%, was eine leicht höhere Biokompatibilität für PEG-beschichtete MNPs anzeigt. NiFe-MNPs ohne Schalen sind toxisch für Säugetierzellen und beeinflussen die Zellviabilität. Die PEG-Beschichtung war hoch biokompatibel und kann die Zytotoxizität und Internalisierung von MNPs in Zellen durch Endozytose verringern [66, 67]. Die Zytotoxizität der zylindrischen NiFe-MNPs auf HeLa-Zellen ist vergleichbar mit anderen kommerziell verfügbaren ferromagnetischen NPs, die in der magnetischen Hyperthermie-Forschung verwendet werden [68].

Magnetisierungsdynamik

Die Zusammensetzung der MNPs wurde bei Permalloy Ni₈₀Fe₂₀ beibehalten, während die Länge (l) und der Durchmesser (d) der MNPs variiert wurden. Die Austauschenergie, Demagnetisierungs- oder Dipolenergie und Zeeman-Energiebeiträge zur Gesamtenergie des MNP sind als Funktion des angewendeten Magnetfeldes H entlang der MNP-Längsachse in Abb. 3a–d dargestellt. Der MNP wurde zunächst durch ein starkes Magnetfeld parallel zu seiner Längsachse gesättigt. Bei großen Magnetfeldern dominiert der Zeeman-Energiebeitrag und die Spins sindmostly in Magnetfeldrichtung ausgerichtet. Diese parallele Anordnung der Spins zum Feld minimiert den Austauschenergiebeitrag zur gesamten magnetischen Energie. Wenn das angewendete Magnetfeld reduziert wird, erfolgt eine Uhrzeigersinn- und eine Gegen-Uhrzeigersinn-Wirbel-Nukleation an den Enden des MNP, die sich zum Zentrum des MNP hinbewegen, was zu einer allmählichen Reduktion der parallelen Magnetisierungskomponente führt, die einen Abfall des Zeeman-Beitrags verursacht, während andere Beiträge zunehmend signifikant werden. Die Magnetisierung des MNP versucht, das Streufeld zu minimieren, und reduziert somit seine Demagnetisierungsenergie. Bei ausreichend niedrigen Magnetfeldern wird der dreifache Vortex-Zustand gebildet, der eine stabile Magnetisierungskonfiguration mit minimaler Gesamtenergie ist. Wenn das Magnetfeld umgekehrt wird, entspricht der scharfe Abfall der Austauschenergie dem abrupten Aufspalten der beiden Wirbel.

MNPs mit unterschiedlichen Längen (l) wiesen signifikant unterschiedliche Magnetisierungskonfigurationen auf. Bei Längen l unter 100 nm wurde nur ein einzelner Wirbel nukleiert, was eine In-Plane- und geschlossene Fluss-Domänenstruktur ist, aufgrund der Wechselwirkung zwischen magnetostatischer Energie und Austauschenergie. Für l über 100 nm wurden ein Paar gegen-Uhrzeigersinn- und Uhrzeigersinn-Wirbelkerne an den Enden des MNP nukleiert – Doppel-Vortex-Zustand. Wenn das Magnetfeld abnimmt, wird einer der Wirbel vernichtet, kollabierend in den Einzel-Vortex-Zustand. Allerdings bei l über 300 nm gibt es keine Vernichtung von Wirbeln bei niedrigen Feldern, stattdessen wurde ein zusätzlicher dritter Wirbelkern an der gekrümmten Oberfläche des MNP nukleiert – dreifacher Vortex-Zustand.

Kalorimetrische Messungen

Die Ni₈₀Fe₂₀ MNPs mit l = 500 nm und d = 350 nm wurden einem Wechselmagnetfeld von 15,9 bis 47,8 kA m⁻¹ (200 bis 600 Oe) ausgesetzt, und die Temperatur-Zeit-Kurve ist in Abb. 4a dargestellt. Wie durch die SAR-Gleichung charakterisiert, wurden die SAR-Werte auf 427 W g⁻¹, 1054 W g⁻¹ und 1742 W g⁻¹ für 15,9 kA m⁻¹, 31,9 kA m⁻¹ und 47,8 kA m⁻¹ berechnet. Wie vorhergesagt, desto größer die Magnetfeldstärke, desto größer der SAR-Wert, d. h., der SAR-Wert war proportional zur Magnetfeldstärke. Daher wurde ILP ermittelt, um eine bessere Bewertung der Heizeffizienz der MNPs für magnetische Hyperthermie zu geben. Wie durch die ILP-Gleichung charakterisiert, wurden die ILP-Werte auf 4,69 nH m² kg⁻¹, 2,88 nH m² kg⁻¹ und 2,12 nH m² kg⁻¹ für 15,9 kA m⁻¹, 31,9 kA m⁻¹ und 47,8 kA m⁻¹ bei 360 kHz berechnet.

Als Nächstes wurden NiFe-MNPs mit d = 350 nm und l = 100–500 nm einem Wechselmagnetfeld von 47,8 kA m⁻¹ (600 Oe) ausgesetzt, und die Temperatur-Zeit-Kurve ist in Abb. 4b dargestellt. Wie durch die SAR-Gleichung charakterisiert, wurden die SAR-Werte auf 409 W g⁻¹, 618 W g⁻¹ und 1742 W g⁻¹ für l = 100 nm, 200 nm und 500 nm bei 47,8 kA m⁻¹ und 360 kHz berechnet. Wie durch die ILP-Gleichung charakterisiert, wurden die ILP-Werte auf 0,50 nH m² kg⁻¹, 0,75 nH m² kg⁻¹ und 2,12 nH m² kg⁻¹ für l = 100 nm, 200 nm und 500 nm bei 47,8 kA m⁻¹ und 360 kHz berechnet.

MNPs mit l = 500 nm hatten eine weitaus größere Heizeffizienz als MNPs mit l = 100 nm und 200 nm, was zu einem signifikanteren Temperaturanstieg führte. Der höchste SAR-Wert von MNPs mit l = 500 nm betrug 1742 W g⁻¹ bei 47,8 kA m⁻¹ und 360 kHz. Zum Vergleich wurden die SAR-Werte für Magnetfelder von 15,9 bis 31,9 kA m⁻¹ (200 bis 400 Oe) und MNPs mit d = 350 nm und l = 100–500 nm in Abb. 4c tabelliert. Unter gleichen Bedingungen waren die SAR- und ILP-Werte von MNPs mit l = 500 nm viermal höher als die von MNPs mit kleineren l. Aus mikromagnetischen Simulationen wurde beobachtet, dass mit zunehmendem l auf > 300 nm der Magnetisierungs-Umkehrprozess des MNP vom Doppel-Vortex-Zustand zum dreifachen Vortex-Zustand wechselte. Bei l < 300 nm wurden nur Einzel- oder Doppel-Vortex-Zustände beobachtet. Die Remanenzmagnetisierung M_r des MNP war für den dreifachen Vortex-Zustand signifikant höher im Vergleich zum Einzel- oder Doppel-Vortex-Zustand.

Für Einzel-Domänen-MNPs wurde ein theoretisches Modell zur Berechnung der dynamischen Hysterese-Schleife von Carrey et al. [69] vorgeschlagen. Für Mehr-Domänen-MNPs war die Verwendung mikromagnetischer Simulationen zur Erhaltung statischer Hysterese-Schleifen für die Berechnung vernünftig für MNPs mit großen Größen, über der kritischen Größe für Superparamagnetismus, da die Schaltzeit der Magnetisierung in der Größenordnung von 10⁻⁹ s liegt. Da die Schaltzeit der magnetischen Hyperthermie in der Größenordnung ~ 10⁻⁶ s liegt, können die großen MNPs mit dem Wechselmagnetfeld mithalten. Die Fläche der Hysterese-Schleifen, erhalten aus mikromagnetischen Simulationen zylindrischer NiFe-MNPs und VSM-Messungen, wurde verwendet, um die SAR-Werte theoretisch zu berechnen und in Abb. 4d tabelliert.

Die SAR-Werte von MNPs mit l = 100 nm und 200 nm zeigten kleine SAR-Werte bei niedrigen Magnetfeldern unter H_c und stiegen scharf an, bis sie bei hohen Magnetfeldern sättigten, was ein Merkmal des ferromagnetischen Regimes ist. Im Gegensatz dazu folgte die Magnetfeldabhängigkeit des SAR-Werts von l = 500 nm MNPs mit dem dreifachen Vortex-Zustand einer nicht-linearen Beziehung mit SAR-Werten, die ~6-mal größer waren. Die hohe Remanenzmagnetisierung M_r des dreifachen Vortex-Zustands in den l = 500 nm MNPs war in den nicht-null SAR-Werten bei niedrigen Magnetfeldern evident. Der Vergleich zwischen kalorimetrischen Messungen (Abb. 4c) und numerischen Berechnungen (Abb. 4d) zeigt eine qualitative und quantitative Übereinstimmung in den Merkmalen der MNPs im ferromagnetischen Regime, wobei kleine SAR-Werte bei niedrigen Magnetfeldern und Sättigung bei hohen Magnetfeldern angezeigt werden, was mit dem H_c der MNPs korreliert.

Die Wärmeabgabe von NiFe-MNPs mit dreifachen Vortex-Zuständen wurde für d = 150–350 nm unter einem Wechselmagnetfeld von 47,8 kA m⁻¹ (600 Oe) verglichen, und die Temperatur-Zeit-Kurve ist in Abb. 5a dargestellt. Die SAR- und ILP-Werte wurden auf 1785 W g⁻¹, 2073 W g⁻¹ und 2750 W g⁻¹ sowie 2,17 nH m² kg⁻¹, 2,52 nH m² kg⁻¹ und 3,34 nH m² kg⁻¹ für d = 350 nm, 250 nm und 150 nm berechnet. 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 1,54-mal größer war als die von d = 350 nm MNPs. Dies lag daran, dass MNPs mit d = 150 nm die höchste Tieffeld-Suszeptibilität und M_r besaßen. Daher war der SAR-Wert eng mit dem Magnetisierungs-Umkehrprozess der MNPs bei Variationen sowohl in l als auch in d korreliert.

Aus mikromagnetischen Simulationen kann beobachtet werden, dass die Fläche der Hysterese A sich signifikant mit dem Durchmesser (d) des MNP entwickelt. Daher steigt der SAR-Wert der d = 150 nm MNPs so schnell an und sättigt bei einem maximalen SAR-Wert von 6263 W g⁻¹. Die numerischen Berechnungen zeigten, dass MNPs mit höheren Aspektverhältnissen höhere Hystereserverluste haben, was zu höheren theoretischen SAR-Werten führt, wie in Abb. 5b gezeigt. Der Vergleich zwischen kalorimetrischen Messungen (Abb. 5a) und numerischen Berechnungen (Abb. 5b) war in guter qualitativer Übereinstimmung, aber es gab quantitative Unterschiede in den Werten der Hystereserverluste. Die Diskrepanz zwischen experimentellen und theoretischen Werten entstand durch die NiFe-MNPs, die nicht superparamagnetisch waren und eine nicht vernachlässigbare Remanenzmagnetisierung besaßen, was zu unerwünschter Agglomeration aufgrund starker magnetischer Dipol-Wechselwirkungen zwischen benachbarten MNPs führte [70, 71]. Da das hydrodynamische Volumen der MNPs eine Komponente ist, die die Brownsche Bewegung regelt, wird der Grad der Aggregation der MNPs den dominierenden Relaxationsmechanismus bestimmen, d. h., Néel- oder Brownsche Relaxation. Daher wird eine aggregierte Gruppe von MNPs versus ein einzelnes freies MNP stark in SAR-Werten differieren. Darüber hinaus kann ein Wechselmagnetfeld die Bildung von Nano-Säulen oder Nano-Ketten induzieren, die unterschiedliche Brownsche Relaxationsmechanismen aufweisen und daher für die Diskrepanz zwischen experimentellen und theoretischen Werten verantwortlich sind [72–74].

Schlussfolgerungen

Die hohen SAR-Werte, die von den zylindrischen NiFe-MNPs gezeigt werden, vergleichbar mit Eisenoxid-MNPs (IOMNPs) und superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (SPIONs) [28, 75], demonstrieren die Fähigkeit dieser MNPs zur Wärmeabgabe unter einem Wechselmagnetfeld. MNPs mit dem dreifachen Vortex-Zustand hatten eine weitaus größere Heizeffizienz als MNPs mit Doppel- oder Einzel-Vortex-Zustand, was einem SAR-Wert entspricht, der viermal größer ist, zugeschrieben der hohen M_r der MNPs im dreifachen Vortex-Zustand. Beim Vergleich von MNPs mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen wurde beobachtet, dass die Heizeffizienz von d = 150 nm MNPs 1,54-mal größer war als die von d = 350 nm MNPs aufgrund einer größeren M_r und Tieffeld-Suszeptibilität. Sowohl kalorimetrische Messungen als auch mikromagnetische Simulationen zeigten die Korrelation zwischen dem Magnetisierungs-Umkehrprozess und den höheren Hystereserverlusten von d = 150 nm MNPs, was zu höheren experimentellen und theoretischen SAR-Werten führte. Die einfache Kontrolle der Größen der MNPs und ihrer magnetischen Eigenschaften zeigt großes Potenzial für In-vivo-Magnetische-Hyperthermie-Krebs-Therapie-Versuche.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

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

Abkürzungen

d:

Durchmesser magnetischer Nanopartikel

EDX:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

H_c:

Koerzitivität

ILP:

Intrinsischer Verlustleistung

l:

Länge magnetischer Nanopartikel

MNPs:

Magnetische Nanopartikel

M_r:

Remanenzmagnetisierung

PEG:

Polyethylenglykol

SAR:

Spezifische Absorptionsrate

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

SQR:

Quadratverhältnis

V_H:

Hochpotenzial-Elektrodepositions-Puls

VSM:

Vibrationsprobenmagnetometer

XRD:

Röntgenbeugungsspektroskopie