Efficacité de chauffage des nanoparticules magnétiques cylindriques à triple état de vortex

Introduction

Les applications des nanoparticules magnétiques (MNP) ont fait l'objet de nombreuses recherches dans les domaines biomédicaux, tels que la destruction magnéto-mécanique des cellules [1,2,3,4], l'imagerie par résonance magnétique [5,6,7], l'administration de médicaments [8,9 ,10], et l'hyperthermie magnétique [11,12,13,14], pour compenser les inconvénients des méthodes diagnostiques et thérapeutiques actuelles. Le plus grand avantage des MNP est qu'ils peuvent être contrôlés à distance par un champ magnétique externe. La réponse magnétique résultante peut prendre la forme d'une dissipation thermique ou d'un couple magnétique, qui dépend de la configuration du champ magnétique appliqué et de la dynamique de magnétisation des MNP [15].

Cependant, différentes applications biomédicales nécessitent des mécanismes de rotation spécifiques dans diverses configurations de champ magnétique. Les biocapteurs pour les biomarqueurs du cancer utilisent la spectroscopie magnétique du mouvement brownien des MNP pour mesurer la fraction liée et les temps de relaxation des MNP en quelques secondes [16]. En imagerie par particules magnétiques pour quantifier les concentrations de MNP, cela nécessite une relaxation de Néel des MNP, tandis que la relaxation brownienne, causée par les distributions de taille des MNP, doit être minimisée [17]. Les deux mécanismes qui existent pour les processus de relaxation des MNP sont la relaxation de Néel et la relaxation brownienne, qui entraînent soit une dissipation de chaleur, soit une rotation spatiale des MNP. La relaxation de Néel est corrélée à la réorientation du moment magnétique du MNP par rapport au champ magnétique, tandis que la relaxation brownienne est corrélée à la rotation spatiale du MNP [18,19,20].

Néel (t _N ) et brownien (t _B ) les temps de relaxation sont donnés par :

où η est le coefficient de viscosité, t ₀ est la fréquence de tentative inverse, K est la constante d'anisotropie magnétique, V est le volume de MNP, k _B est la constante de Boltzmann, et T est la température. En principe, le mécanisme le plus rapide domine, mais les mécanismes néel et brownien peuvent se produire simultanément, couplés par dissipation thermique et couple magnétique [21]. Le temps de relaxation effectif (t _eff ) est donné par :

Dans les petits MNP, le mécanisme dominant est la relaxation de Néel, tandis que pour les plus grands MNP, c'est la relaxation brownienne. Dans la relaxation de Néel, l'aimantation du MNP change de direction en raison de la reconfiguration de son moment magnétique et dépend de la taille du MNP et de la température. Pendant la relaxation brownienne, les MNP subissent une rotation spatiale et dépendent de conditions externes, telles que la viscosité et la liaison chimique [22,23,24]. Par conséquent, il est important de comprendre les contributions de ces mécanismes de relaxation magnétique afin de régler et d'adapter la conception des MNP pour obtenir la génération de chaleur optimale pour l'hyperthermie magnétique ou le couple magnétique pour la mort cellulaire magnéto-actionnée.

L'hyperthermie magnétique est une technique de traitement du cancer bien établie qui utilise l'utilisation d'un chauffage localisé par des MNP sous un champ magnétique alternatif à haute fréquence, pour induire l'apoptose des cellules cancéreuses et la régression tumorale [3, 25, 26, 27]. Dans un champ magnétique alternatif, la chaleur dissipée par les MNP dans un cycle de champ magnétique est égale à la surface de la boucle d'hystérésis A , donnée par :

où M est l'aimantation des MNP, sous un champ magnétique alternatif de fréquence f et amplitude μ ₀ H _max [28,29,30]. Pour maintenir une faible dose de MNP et une courte durée de traitement en hyperthermie magnétique, l'efficacité de chauffage des MNP doit être maximisée. La mesure des performances de chauffage des MNP est appelée taux d'absorption spécifique (DAS), qui est donné par la chaleur dissipée par unité de masse de MNP (Wg ^− 1 ):

où ρ est la densité de MNP.

L'efficacité de dissipation thermique des MNP peut être mesurée expérimentalement en termes de DAS, qui est l'énergie dissipée par unité de masse de MNP (Wg ^− 1 ), et est donnée par :

où C est la chaleur spécifique du milieu (C _eau = 4.18 Jg ^− 1 °C ^− 1 ), ΔT /Δt est la pente initiale du temps par rapport au graphique de température, et m _MNP est la masse des MNP. Cependant, les valeurs SAR ne sont pas entièrement représentatives de l'efficacité de chauffage des MNP, car la dissipation thermique est également influencée par la fréquence f et l'intensité du champ magnétique H . Par conséquent, le taux d'absorption spécifique efficace ou la puissance de perte intrinsèque (ILP) est utilisé pour caractériser l'efficacité de chauffage des MNP, donnée par :

Dans les MNP cylindriques NiFe, un triple état de vortex est formé, dans lequel des tourbillons dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre sont connectés au centre du MNP via un troisième noyau de vortex, résultant en une configuration de magnétisation tridimensionnelle. La dissipation thermique théorique des MNP pour les applications d'hyperthermie magnétique a été calculée à partir des boucles d'hystérésis simulées et des mesures du magnétomètre d'échantillons vibrants. À l'aide de mesures calorimétriques dépendantes du temps, le taux d'absorption spécifique et la puissance de perte intrinsèque des MNP ont été déterminés et comparés aux calculs numériques.

Méthodes

Fabrication de nanoparticules magnétiques

L'électrodéposition pulsée assistée par gabarit avec gravure chimique différentielle est une méthode de fabrication simple et peu coûteuse pour produire des MNP de diverses compositions, Ni, Fe ou Co. Ni₈₀ Fe₂₀ , Permalloy, est un matériau ferromagnétique qui présente des propriétés magnétiques exceptionnelles telles qu'une perméabilité élevée, une faible coercivité et une magnétostriction proche de zéro. La fabrication de MNP cylindriques commence par la croissance de nanofils NiFe cylindriques modulés en composition à l'aide d'une électrodéposition pulsée assistée par modèle d'oxyde d'aluminium anodique (AAO) dans un bain d'électrolyte composé de NiSO₄ , FeSO₄ , et H₃ BO₃ [31,32,33,34,35]. Par la suite, les nanofils ont été libérés en dissolvant le modèle AAO dans NaOH. Enfin, les régions riches en Fe des nanofils ont été gravées chimiquement en diluant du HNO₃ pour former les MNP. Le diamètre des MNP a été déterminé par la taille des pores du modèle AAO, tandis que la longueur était contrôlée par l'impulsion à haut potentiel V _H durée Fichier supplémentaire 1.

Viabilité de la cellule

Les cellules HeLa ont été ensemencées dans une plaque de microtitrage à 12 puits à 8 × 10 ⁴ cellules/puits et incubés dans du milieu Eagle modifié de Dulbecco additionné de 4,5 g/L de glucose, 2  mM L-glutamine, 10 % de sérum de veau fœtal et 1 % de pénicilline/streptomycine dans une atmosphère humidifiée à 37 °C et 5 % de CO₂ . La viabilité cellulaire a été déterminée à l'aide de PrestoBlue, un réactif de viabilité cellulaire perméable à base de résazurine, qui utilise le pouvoir réducteur des cellules viables pour mesurer quantitativement la prolifération cellulaire. Les cellules HeLa traitées avec 0,1 mg/ml de MNPs ont été incubées avec le réactif PrestoBlue à 37 °C et 5% CO₂ pendant 2 h. Les valeurs d'absorbance à 570 nm et 600 nm ont été mesurées par le lecteur de microplaques Tecan Infinite M200 PRO. La viabilité cellulaire a été exprimée en pourcentage par rapport aux cellules non exposées aux MNP. Chaque expérience a été réalisée en quatre exemplaires d'essais expérimentaux et de contrôle.

Analyse statistique

Les résultats ont été représentés par la moyenne ± écart type (SD). La signification statistique a été analysée à l'aide d'une analyse de variance à un facteur (ANOVA) avec OriginPro, OriginLab. Un p une valeur de < 0,05 a été considérée comme statistiquement significative.

Simulations micromagnétiques

Les configurations de magnétisation des MNP ont été étudiées à l'aide d'un programme de simulation micromagnétique accéléré par GPU, MuMax3, pour résoudre l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) en trois dimensions [36]. Ces simulations micromagnétiques ont fourni des informations sur les configurations de magnétisation du MNP au niveau microscopique, qui ont montré la corrélation entre les modèles analytiques et les observations à partir des résultats expérimentaux. L'énergie totale d'un système est décrite par :

où \( {H}_{eff}=-\frac{1}{\mu_0}{\nabla}_ME \). L'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) décrit la précession de l'aimantation M dans un champ magnétique effectif H _eff avec amortissement α .

où γM (r ) × H _eff (r ) est la précession de M (r ) dans un champ local H _eff (r ) et \( \frac{\overline{\alpha}}{M_s}M(r)\times \left(M(r)\times {H}_{eff}(r)\right) \) est la terme d'amortissement. Les paramètres matériaux pour Permalloy Ni₈₀ Fe₂₀ ont été utilisées :aimantation à saturation M _s de 860 × 10 ³ A/m, constante de rigidité d'échange A _ex de 1,3 × 10 ^− 11 J/m, anisotropie magnéto-cristalline nulle k = 0, et constante d'amortissement de Gilbert α de 0,01. Une taille de cellule de 5 nm × 5 nm × 5 nm a été utilisée pour toutes les simulations, ce qui est suffisamment petit par rapport à la longueur d'échange.

Configuration expérimentale pour l'hyperthermie magnétique

Le SAR a été obtenu expérimentalement à partir de mesures calorimétriques dépendantes du temps en exposant les MNP à un champ magnétique alternatif généré par un appareil de chauffage par induction à haute fréquence. Les MNP en suspension aqueuse avec des concentrations de 0,05 à 0,1  mg/ml ont été versés dans un tube Falcon, qui était isolé par du polystyrène et entouré par les bobines d'induction. La température des serpentins a été maintenue à 28,0 ± 0,5 °C par un refroidisseur à recirculation d'eau. La température initiale de la suspension a été maintenue à 28,0 ± 0,5 °C pendant 1 min pour éliminer toute contribution de chaleur des bobines d'induction. Une plage de champ magnétique alternatif de 15,9 à 47,8 kAm ^− 1 et une fréquence fixe de 360 kHz ont été appliquées, dans les limites du critère d'hyperthermie magnétique clinique.

Résultats et discussion

Caractérisation de nanoparticules magnétiques

La composition des MNP cylindriques NiFe fabriqués est déterminée par V _H ou la composition électrolytique. Pour montrer le grand degré de contrôle dans la composition des MNP, diverses compositions de MNP ont été fabriquées (Ni₈₈ Fe₁₂ , Ni₇₆ Fe₂₄ , Ni₅₂ Fe₄₈ , et Ni₃₆ Fe₆₄ ) et vérifié par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX). La figure 1 montre la boucle d'hystérésis normalisée obtenue par des mesures de magnétomètre à échantillon vibrant (VSM) pour les MNP NiFe avec diverses compositions. Le champ magnétique est augmenté jusqu'à une valeur suffisante pour surmonter l'anisotropie magnétique effective de telle sorte que l'aimantation atteigne la saturation. Le rapport d'équerrage SQR est une mesure de base de l'équerrage de la boucle d'hystérésis, donnée par :

Boucles d'hystérésis normalisées des MNP NiFe pour Ni₈₈ Fe₁₂ , Ni₇₆ Fe₂₄ , Ni₅₂ Fe₄₈ , et Ni₃₆ Fe₆₄ mesurée dans les directions dans le plan et hors du plan. Les encarts montrent les configurations de magnétisation du MNP à différentes intensités de champ magnétique

Les valeurs de coercitivité H _c et l'équerrage SQR = M _r /M _s pour les champs magnétiques appliqués dans le plan et hors du plan sont présentés dans le tableau 1. En général, la tendance des H dans le plan _c est plus élevé que le H hors plan _c pour les MNP riches en Ni (Ni₈₈ Fe₁₂ , Ni₇₆ Fe₂₄ , et Ni₅₂ Fe₄₈ ), mais inversé pour les MNP riches en Fe (Ni₃₆ Fe₆₄ ), ce qui est en accord avec les études précédentes sur le co-dépôt anormal de nanofils NiFe [37].

Revêtement de surface biocompatible

Les MNP NiFe ont tendance à s'agréger en raison des effets de fortes interactions dipolaires entre les MNP voisins. Par conséquent, la modification de surface des MNP à l'aide de polymères biocompatibles et biodégradables [38, 39], tels que le chitosan [40,41,42], l'alcool polyvinylique [43,44,45], l'acide oléique [46,47,48], le dextrane [49, 50], et le plus souvent le polyéthylène glycol (PEG) [51,52,53,54,55,56], a été proposé. Le PEG est un polymère hydrophile qui a été largement utilisé pour améliorer la circulation sanguine des liposomes et des MNP [57,58,59,60]. Pour disperser les MNP NiFe cylindriques dans l'eau, un biocompatible 5000 g mol ^− 1 Le PEG a été utilisé comme stabilisant [61]. L'image de microscopie électronique à balayage (MEB) montre la formation d'une couche d'oxyde autour des MNP, illustrée à la figure 2a. Cette coquille d'oxyde empêche l'oxydation des matériaux magnétiques dans les MNP. Des travaux de recherche antérieurs sur les MNP FeCo et les MNP Fe ont montré une oxydation sévère due à une simple exposition à l'atmosphère [61, 62].

un Image SEM de NiFe MNP avec revêtement PEG. b Modèle XRD pour NiFe MNPs avec revêtement PEG. c Modèle EDX pour les MNP NiFe avec et sans revêtement PEG. d Viabilité cellulaire avec des images affichées de cellules HeLa après incubation avec des MNP, sur une période de 0 à 48 h

Le pic du motif de diffraction des rayons X (XRD) était principalement indexé au niveau des plans cristallins (111) qui correspond à la structure cubique à faces centrées (fcc) du NiFe en vrac, comme le montre la figure 2b. Cela indique que les MNP ont été électrodéposés avec une orientation préférée de (111), ce qui est également évident dans les nanofils NiFe fabriqués par électrodéposition ou pulvérisation [63, 64]. De plus, il y avait une absence de pics de diffraction correspondant à l'oxyde de spinelle ((NiFe)₃ O₄ ), qui résulte de la formation de phases oxydes dues à la forte concentration de Fe [65]. La cristallinité élevée des MNP de NiFe a conduit à une inclinaison de spin de surface négligeable et a donc conservé la magnétisation de saturation élevée et la faible coercivité des MNP. D'autres caractérisations pour les MNP NiFe revêtus de PEG ont été menées à l'aide de la mesure EDX. Comme le montre la figure 2c, principalement des éléments Ni et Fe ont été détectés, avec la présence d'un petit pourcentage d'élément O, une indication de la couche d'oxyde formée autour des MNP.

D'après la figure 2d, la viabilité cellulaire des cellules HeLa exposées à des MNP NiFe non enrobés et enrobés de PEG après 24 h est de 82,2 % et 82,6 %, respectivement. Après 48 h, les viabilités cellulaires ont légèrement diminué à 79,9 % et 82,1 %, affichant une biocompatibilité légèrement plus élevée pour les MNP recouverts de PEG. Les MNP NiFe sans coquille sont toxiques pour les cellules de mammifères et affecteront la viabilité cellulaire. Le revêtement PEG était hautement biocompatible et peut diminuer la cytotoxicité et l'internalisation des MNP dans les cellules en raison de l'endocytose [66, 67]. La cytotoxicité des MNP cylindriques NiFe pour les cellules HeLa est comparable à celle d'autres NP ferromagnétiques disponibles dans le commerce et utilisées dans la recherche sur l'hyperthermie magnétique [68].

Dynamique de magnétisation

La composition des MNP a été maintenue à Permalloy Ni₈₀ Fe₂₀ , tandis que la longueur (l ) et le diamètre (d ) des MNP étaient variées. L'énergie d'échange, la démagnétisation ou l'énergie dipolaire et les contributions énergétiques de Zeeman à l'énergie totale du MNP sont tracées en fonction du champ magnétique appliqué H le long du grand axe MNP sur les Fig. 3a–d, respectivement. Le MNP a d'abord été saturé par un fort champ magnétique parallèle à son grand axe. Aux grands champs magnétiques, la contribution énergétique de Zeeman prédomine et les spins sont pour la plupart alignés dans la direction du champ magnétique. Cette disposition parallèle des spins au champ minimise la contribution de l'énergie d'échange à l'énergie magnétique totale. Au fur et à mesure que le champ magnétique appliqué est réduit, une nucléation de vortex dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre se produit aux extrémités du MNP, qui progresse vers le centre du MNP, conduisant à une réduction progressive de la composante de magnétisation parallèle qui provoque une baisse de la contribution de Zeeman, tandis que d'autres contributions deviennent de plus en plus importantes. L'aimantation du MNP essaie de minimiser le champ parasite, et donc de réduire son énergie de démagnétisation. À des champs magnétiques suffisamment faibles, l'état de triple vortex se forme, ce qui est une configuration de magnétisation stable, avec une énergie totale maintenue au minimum. Au fur et à mesure que le champ magnétique s'inverse, la chute brutale de l'énergie d'échange correspond à la rupture brutale des deux vortex.

L'intrigue de (a ) échanger de l'énergie, (b ) énergie dipolaire, (c ) l'énergie Zeeman, et (d ) énergie totale par rapport au champ magnétique appliqué H

MNP de différentes longueurs (l ) se sont avérés avoir des configurations de magnétisation significativement différentes. Longuement l en dessous de 100  nm, un seul vortex a été nucléé, qui est une structure à domaine de flux fermé et plan, en raison de l'interaction entre l'énergie magnétostatique et l'énergie d'échange. Pour l au-dessus de 100  nm, une paire de noyaux de vortex dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et dans le sens des aiguilles d'une montre aux extrémités du MNP ont été nucléés - état de double vortex. Lorsque le champ magnétique diminue, l'un des vortex est annihilé, s'effondrant dans l'état de vortex unique. Cependant, à l au-dessus de 300  nm, il n'y a pas d'annihilation de vortex à faible champ, à la place un troisième noyau de vortex supplémentaire a été nucléé sur la surface incurvée de l'état MNP-triple vortex.

Mesures calorimétriques

Le Ni₈₀ Fe₂₀ MNPs, avec l = 500 nm et d = 350 nm, ont été exposés à un champ magnétique alternatif de 15,9 à 47,8 kAm ⁻¹ (200 à 600  Oe), et la courbe température-temps est affichée sur la figure 4a. Comme caractérisé par l'équation SAR, les valeurs SAR ont été calculées à 427 Wg ^− 1 , 1054 Wg ^− 1 , et 1742 Wg ^− 1 , pour 15,9 kAm ^− 1 , 31,9 kAm ^− 1 , et 47,8 kAm ^− 1 , respectivement. Comme prévu, plus l'intensité du champ magnétique est grande, plus la valeur SAR est élevée, c'est-à-dire que la valeur SAR est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique. Par conséquent, ILP a été obtenu pour donner une meilleure évaluation de l'efficacité de chauffage des MNP pour l'hyperthermie magnétique. Comme caractérisé par l'équation ILP, les valeurs ILP ont été calculées à 4,69 nHm ² kg ^− 1 , 2,88 nHm ² kg ^− 1 , et 2.12 nHm ² kg ^− 1 , pour 15,9 kAm ^− 1 , 31,9 kAm ^− 1 , et 47,8 kAm ^− 1 à 360 kHz, respectivement.

un Courbes température-temps des MNP NiFe, avec l = 500 nm et d = 350 nm, pour augmenter l'intensité du champ magnétique de 15,9 à 47,8 kAm ^− 1 (200 à 600 Oe). b Courbes température-temps des MNP NiFe, avec d = 350 nm. L'intensité du champ magnétique de 47,8 kAm ^− 1 (600 Oe), tandis que la longueur MNP l augmenté de 500 nm. c Valeurs SAR tabulées pour les MNP NiFe, avec l = 100–500 nm et d = 350 nm sous une intensité de champ magnétique de 15,9 à 47,8 kAm ^− 1 (200 à 600 Oe). d Valeurs SAR théoriques pour les MNP NiFe, avec l = 100–500 nm et d = 350 nm

Ensuite, les MNP NiFe, avec d = 350 nm et l = 100–500 nm, ont été exposés à un champ magnétique alternatif de 47,8 kAm ^− 1 (600 Oe), et la courbe température-temps est affichée sur la figure 4b. Comme caractérisé par l'équation SAR, les valeurs SAR ont été calculées à 409 Wg ^− 1 , 618 Wg ^− 1 , et 1742 Wg ^− 1 , pour l = 100 nm, 200 nm et 500 nm à 47,8 kAm ^− 1 et 360 kHz, respectivement. Comme caractérisé par l'équation ILP, les valeurs ILP ont été calculées à 0,50 nHm ² kg ^− 1 , 0,75 nHm ² kg ^− 1 , et 2.12 nHm ² kg ^− 1 pour l = 100 nm, 200 nm et 500 nm à 47,8 kAm ^− 1 et 360 kHz, respectivement.

MNP avec l = 500 nm avait une efficacité de chauffage bien supérieure à celle des MNP avec l = 100 nm et 200 nm, conduisant à une élévation de température plus importante. La valeur SAR la plus élevée des MNP avec l = 500 nm était 1742 Wg ^− 1 à 47,8 kAm ^− 1 et 360 kHz. À titre de comparaison, les valeurs DAS pour le champ magnétique de 15,9 à 31,9 kAm ^− 1 (200 à 400 Oe) et MNPs avec d = 350 nm et l = 100–500 nm ont été tabulés sur la figure 4c. Dans les mêmes conditions, les valeurs SAR et ILP des MNP avec l = 500 nm étaient quatre fois plus élevés que ceux avec des MNP plus petits l . A partir de simulations micromagnétiques, il a été observé que comme l augmente jusqu'à> 300 nm, le processus d'inversion de magnétisation du MNP est passé d'un état de double vortex à un état de triple vortex. À l < 300 nm, seul un seul état de vortex ou un état de double vortex a été observé. L'aimantation rémanente M _r du MNP était significativement plus élevé pour l'état triple vortex par rapport à l'état simple ou double vortex.

Pour les MNP à domaine unique, le modèle théorique pour calculer la boucle d'hystérésis dynamique a été proposé par Carrey et al. [69] Pour les MNP multi-domaines, l'utilisation de simulations micromagnétiques pour obtenir une boucle d'hystérésis statique pour le calcul était raisonnable pour les MNP de grandes tailles, au-dessus de la taille critique pour le superparamagnétisme, car le temps de commutation de l'aimantation est de l'ordre de 10 ^− 9 s. Puisque le temps de commutation de l'hyperthermie magnétique est de l'ordre ~ 10 ^− 6 s, les grands MNP sont capables de suivre le champ magnétique alternatif. La zone des boucles d'hystérésis obtenue à partir de simulations micromagnétiques de MNP NiFe cylindriques et de mesures VSM a été utilisée pour calculer théoriquement les valeurs SAR et tabulées sur la figure 4d.

Les valeurs SAR des MNP avec l = 100 nm et 200 nm affichent une petite valeur SAR à de faibles champs magnétiques en dessous de H _c et fortement augmenté jusqu'à ce qu'il atteigne une saturation à des champs magnétiques élevés, ce qui est une caractéristique du régime ferromagnétique. En revanche, la dépendance au champ magnétique de la valeur SAR de l = 500 nm Les MNP, avec l'état triple vortex, suivaient une relation non linéaire avec des valeurs SAR qui étaient ~ 6 fois supérieures. La magnétisation rémanente élevée M _r de l'état de triple vortex dans le l = 500 nm Les MNP étaient évidents dans les valeurs SAR non nulles à de faibles champs magnétiques. La comparaison entre les mesures calorimétriques (Fig. 4c) et les calculs numériques (Fig. 4d) indique un accord qualitatif et quantitatif sur les caractéristiques des MNP dans le régime ferromagnétique, affichant de petites valeurs SAR à faibles champs magnétiques et une saturation à des champs magnétiques élevés qui était corrélé au H _c des MNP.

La dissipation thermique des MNP NiFe avec des états de triple vortex a été comparée pour d = 150–350 nm, sous un champ magnétique alternatif de 47,8 kAm ^− 1 (600  Oe), et la courbe température-temps est affichée sur la figure 5a. Les valeurs SAR et ILP ont été calculées à 1785 Wg ^− 1 , 2073 Wg ^− 1 , et 2750 Wg ^− 1 et 2,17 nHm ² kg ^− 1 , 2,52 nHm ² kg ^− 1 , et 3,34 nHm ² kg ^− 1 , pour d = 350 nm, 250 nm et 150 nm, respectivement. Les MNP avec d = 150 nm et 250 nm ont pu atteindre la température thérapeutique optimale de 43 °C en 4,92 min et 7,45 min à une concentration de 0,1 mg/ml. En comparant les MNP avec différents rapports d'aspect, il a été observé que l'efficacité de chauffage de d = 150 nm MNPs était 1,54 fois supérieur à d = 350 nm MNPs. C'était parce que les MNP avec d = 150 nm possédait la plus haute sensibilité aux champs faibles et M _r . Par conséquent, la valeur SAR était étroitement corrélée au processus d'inversion de magnétisation des MNP avec les deux variations de l et d .

un Courbes température-temps des MNP NiFe sous une intensité de champ magnétique de 47,8 kAm ^− 1 (600 Oe) et fréquence de 360 kHz, tandis que la longueur MNP d augmenté de 150 à 350  nm. b Valeurs SAR théoriques pour les MNP NiFe, avec d = 150–350 nm et l = 500 nm

A partir de simulations micromagnétiques, on peut observer que la zone d'hystérésis A évolue significativement avec le diamètre (d ) du MNP. Par conséquent, la valeur SAR du d = 150 nm Les MNP augmentent si rapidement et saturent à une valeur SAR maximale de 6263 Wg ^− 1 . Les calculs numériques ont montré que les MNP avec des rapports d'aspect plus élevés ont des pertes d'hystérésis plus élevées, ce qui entraîne des valeurs SAR théoriques plus élevées, comme le montre la figure 5b. La comparaison entre les mesures calorimétriques (Fig. 5a) et les calculs numériques (Fig. 5b) était en bon accord qualitatif, mais il y avait des désaccords quantitatifs dans les valeurs des pertes par hystérésis. Le décalage entre les valeurs expérimentales et théoriques provient du fait que les MNP NiFe sont non superparamagnétiques et possèdent une magnétisation rémanente non négligeable, conduisant à une agglomération indésirable due à de fortes interactions dipolaires magnétiques entre les MNP voisins [70, 71]. Étant donné que le volume hydrodynamique des MNP est une composante régissant le mouvement brownien, l'étendue de l'agrégation des MNP déterminera le mécanisme de relaxation dominant, c'est-à-dire la relaxation de Néel ou brownienne. Par conséquent, un groupe agrégé de MNP par rapport à un seul MNP libre différera grandement dans les valeurs SAR. De plus, un champ magnétique alternatif peut induire la formation de nano-colonnes ou de nano-chaînes qui présentent un mécanisme de relaxation brownien différent et expliquent donc l'écart entre les valeurs expérimentales et théoriques [72, 73, 74].

Conclusions

Les valeurs SAR élevées affichées par les MNP NiFe cylindriques, comparables aux MNP d'oxyde de fer (IOMNP) et aux nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques (SPION) [28, 75], démontrent la capacité de ces MNP à dissiper la chaleur sous un champ magnétique alternatif. Les MNP à triple état de vortex avaient une efficacité de chauffage bien supérieure à celle des MNP à double ou simple état de vortex, qui ont une valeur DAS quatre fois supérieure, attribuée au M élevé _r des MNP à l'état de triple vortex. En comparant les MNP avec différents rapports d'aspect, il a été observé que l'efficacité de chauffage de d = 150 nm MNPs était 1,54 fois supérieur à d = 350 nm MNPs en raison d'un plus grand M _r et la susceptibilité à faible champ. Les mesures calorimétriques et les simulations micromagnétiques ont montré la corrélation entre le processus d'inversion de l'aimantation et les pertes d'hystérésis plus élevées de d = 150 nm MNPs, résultant en des valeurs SAR expérimentales et théoriques plus élevées. Le contrôle facile de la taille des MNP et de leurs propriétés magnétiques indique un grand potentiel pour les essais de thérapie contre le cancer par hyperthermie magnétique in vivo.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données générés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

d :

Diamètre des nanoparticules magnétiques

EDX :

Spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie

H _c :

Coercitivité

ILP :

Puissance de perte intrinsèque

l :

Longueur des nanoparticules magnétiques

MNP :

Nanoparticules magnétiques

M _r :

Aimantation rémanente

PEG :

Polyéthylène glycol

SAR :

Taux d'absorption spécifique

SEM :

Microscopie électronique à balayage

SQR :

Taux d'équerrage

V _H :

Impulsion d'électrodéposition à haut potentiel

VSM :

Magnétomètre à échantillon vibrant

XRD :

X-ray diffraction spectroscopy