Optimisation de la génération de chaleur dans les nanoparticules magnétiques cylindriques à triple vortex pour l'hyperthermie cancéreuse

Résumé

Introduction

Les applications des nanoparticules magnétiques (NPM) ont été largement recherchées dans les domaines biomédicaux, telles 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 actuelles de diagnostic et de thérapie. Le plus grand avantage des NPM est qu'elles peuvent être contrôlées à distance par un champ magnétique externe. La réponse magnétique résultante peut être sous forme de dissipation de chaleur ou de couple magnétique, ce qui dépend de la configuration du champ magnétique appliqué et de la dynamique d'aimantation des NPM [15].

Cependant, différentes applications biomédicales nécessitent des mécanismes de rotation spécifiques dans diverses configurations de champ magnétique. Les biosenseurs pour les biomarqueurs du cancer utilisent la spectroscopie magnétique du mouvement brownien des NPM pour mesurer la fraction liée et les temps de relaxation des NPM en quelques secondes [16]. Dans l'imagerie par particules magnétiques pour quantifier les concentrations de NPM, elle nécessite la relaxation de Néel des NPM, tandis que la relaxation brownienne, causée par les distributions de taille des NPM, devrait être minimisée [17]. Les deux mécanismes qui existent pour les processus de relaxation des NPM sont la relaxation de Néel et la relaxation brownienne, qui résultent soit en dissipation de chaleur, soit en rotation spatiale des NPM. La relaxation de Néel est corrélée à la réorientation du moment magnétique des NPM vers le champ magnétique, tandis que la relaxation brownienne est corrélée à la rotation spatiale des NPM [18,19,20].

Les temps de relaxation de Néel (t_N) et brownienne (t_B) sont donnés par :

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

où η est le coefficient de viscosité, t₀ est la fréquence de tentative inverse, K est la constante d'anisotropie magnétique, V est le volume des NPM, k_B est la constante de Boltzmann, et T est la température. En principe, le mécanisme le plus rapide domine, mais les mécanismes de Néel et brownien peuvent se produire simultanément, couplés par la dissipation de chaleur et le couple magnétique [21]. Le temps de relaxation effectif (t_eff) est donné par :

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

Dans les NPM plus petites, le mécanisme dominant est la relaxation de Néel, tandis que pour les NPM plus grandes, c'est la relaxation brownienne. Dans la relaxation de Néel, l'aimantation des NPM change de direction en raison de la reconfiguration de son moment magnétique et dépend de la taille des NPM et de la température. Alors que dans la relaxation brownienne, les NPM 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 d'ajuster et d'adapter la conception des NPM 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 emploie l'utilisation de chauffage localisé par les NPM sous un champ magnétique alternatif de 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 NPM en un cycle de champ magnétique équivaut à la surface de la boucle d'hystérésis A, donnée par :

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

où M est l'aimantation des NPM, sous un champ magnétique alternatif avec fréquence f et amplitude μ₀H_max [28,29,30]. Pour maintenir une faible dose de NPM et une courte durée de traitement en hyperthermie magnétique, l'efficacité de chauffage des NPM doit être maximisée. La mesure de la performance de chauffage des NPM est appelée taux d'absorption spécifique (TAS), qui est donnée par la chaleur dissipée par unité de masse de NPM (W g⁻¹) :

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

où ρ est la densité des NPM.

L'efficacité de dissipation de chaleur des NPM peut être mesurée expérimentalement en termes de TAS, qui est l'énergie dissipée par unité de masse de NPM (W g⁻¹), et est donnée par :

$$ \mathrm{TAS}=C\frac{\varDelta T}{\varDelta t}\frac{1}{m_{\mathrm{NPM}}} $$

où C est la chaleur spécifique du milieu (C_eau = 4,18 J g⁻¹ °C⁻¹), ΔT/Δt est la pente initiale du graphique température en fonction du temps, et m_NPM est la masse des NPM. Cependant, les valeurs de TAS ne sont pas pleinement représentatives de l'efficacité de chauffage des NPM car la dissipation de chaleur est également influencée par la fréquence f et la force du champ magnétique H. Donc, le taux d'absorption spécifique effectif ou la puissance de perte intrinsèque (PPI) est utilisé pour caractériser l'efficacité de chauffage des NPM, donnée par :

$$ \mathrm{PPI}=\frac{\mathrm{TAS}}{H^2f} $$

Dans les NPM cylindriques en NiFe, un état à triple vortex est formé, dans lequel des vortex horaires et anti-horaires sont connectés au centre de la NPM via un troisième noyau de vortex, résultant en une configuration d'aimantation tridimensionnelle. La dissipation de chaleur théorique des NPM pour les applications d'hyperthermie magnétique a été calculée à partir des boucles d'hystérésis simulées et des mesures de magnétomètre à échantillon vibrant. En utilisant des mesures calorimétriques dépendantes du temps, le taux d'absorption spécifique et la puissance de perte intrinsèque des NPM ont été déterminés et comparés aux calculs numériques.

Méthodes

Fabrication des nanoparticules magnétiques

L'électrodéposition pulsée assistée par modèle avec attaque chimique différentielle est une méthode de fabrication simple et peu coûteuse pour produire des NPM de diverses compositions, Ni, Fe ou Co. Le Ni₈₀Fe₂₀, Permalloy, est un matériau ferromagnétique qui affiche des propriétés magnétiques exceptionnelles telles que une perméabilité élevée, une coercivité faible et une magnetostriction proche de zéro. La fabrication des NPM cylindriques commence par la croissance de nanofils cylindriques NiFe à composition modulée en utilisant l'électrodéposition pulsée assistée par modèle d'alumine anodique (AAO) dans un bain d'électrolyte consistant en NiSO₄, FeSO₄ et H₃BO₃ [31,32,33,34,35]. Ensuite, les nanofils étaient libérés en dissolvant le modèle AAO dans du NaOH. Finalement, les régions riches en Fe dans les nanofils étaient attaquées chimiquement en diluant HNO₃ pour former les NPM. Le diamètre des NPM était déterminé par la taille des pores du modèle AAO, tandis que la longueur était contrôlée par la durée de l'impulsion de haut potentiel V_H Fichier additionnel 1.

Viabilité cellulaire

Des cellules HeLa étaient ensemencées dans une plaque à 12 puits à 8 × 10⁴ cellules/puits et incubées dans le milieu Dulbecco's Modified Eagle's Medium supplémenté avec 4,5 g/L glucose, 2 mM L-glutamine, 10% de sérum fœtal bovin, et 1% pénicilline/streptomycine dans une atmosphère humidifiée à 37 °C et 5% CO₂. La viabilité cellulaire était déterminée en utilisant PrestoBlue, un réactif de viabilité cellulaire à base de résazurine perméable, qui utilise le pouvoir réducteur des cellules viables pour mesurer quantitativement la prolifération cellulaire. Les cellules HeLa traitées avec 0,1 mg/ml de NPM étaient incubées avec le réactif PrestoBlue à 37 °C et 5% CO₂ pendant 2 h. Les valeurs d'absorbance à 570 nm et 600 nm étaient mesurées par un lecteur de microplaques Tecan Infinite M200 PRO. La viabilité cellulaire était exprimée en pourcentage par rapport aux cellules non exposées aux NPM. Chaque expérience était réalisée en quadruplicats d'essais expérimentaux et de contrôle.

Analyse statistique

Les résultats étaient représentés comme moyenne ± écart-type (ET). La significativité statistique était analysée en utilisant l'analyse de variance à un facteur (ANOVA) avec OriginPro, OriginLab. Une valeur p de < 0,05 était considérée comme statistiquement significative.

Simulations micromagnétiques

Les configurations d'aimantation des NPM étaient investiguées en utilisant 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 fournissaient des informations sur les configurations d'aimantation des NPM au niveau microscopique, ce qui montrait la corrélation entre les modèles analytiques et les observations des résultats expérimentaux. L'énergie totale d'un système est décrite par :

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

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.

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

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 le terme d'amortissement empirique. Les paramètres matériels pour le Permalloy Ni₈₀Fe₂₀ étaient utilisés : aimantation de saturation M_s de 860 × 10³ A/m, constante de raideur 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 était utilisée pour toutes les simulations, ce qui est suffisamment petit comparé à la longueur d'échange.

Configuration expérimentale pour l'hyperthermie magnétique

Le TAS était obtenu expérimentalement à partir de mesures calorimétriques dépendantes du temps en exposant les NPM à un champ magnétique alternatif généré par un chauffe-induction à haute fréquence. Les NPM en suspension aqueuse avec des concentrations de 0,05-0,1 mg/ml étaient versées dans un tube Falcon, qui était isolé par du polystyrène et entouré par les bobines d'induction. La température des bobines était maintenue à 28,0 ± 0,5 °C par un refroidisseur à recirculation d'eau. La température initiale de la suspension était maintenue à 28,0 ± 0,5 °C pendant 1 min pour éliminer toute contribution de chaleur des bobines d'induction. Une gamme de champ magnétique alternatif de 15,9 à 47,8 kA m⁻¹ et une fréquence fixe de 360 kHz étaient appliquées, dans le critère pour l'hyperthermie magnétique clinique.

Résultats et discussion

Caractérisation des nanoparticules magnétiques

La composition des NPM cylindriques en NiFe fabriquées est déterminée par V_H ou la composition de l'électrolyte. Pour montrer le grand degré de contrôle dans la composition des NPM, diverses compositions de NPM ont été fabriquées (Ni₈₈Fe₁₂, Ni₇₆Fe₂₄, Ni₅₂Fe₄₈ et Ni₃₆Fe₆₄) et vérifiées par spectroscopie à dispersion d'énergie des rayons X (EDS). La Figure 1 montre la boucle d'hystérésis normalisée obtenue par des mesures de magnétomètre à échantillon vibrant (MEV) pour les NPM NiFe avec diverses compositions. Le champ magnétique est augmenté à une valeur suffisante pour surmonter l'anisotropie magnétique effective telle que l'aimantation atteint la saturation. Le rapport de carrure SQR est une mesure de base de la carrure de la boucle d'hystérésis, donnée par :

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

Les valeurs de coercivité H_c et de carrure SQR = M_r/M_s pour les champs magnétiques appliqués dans le plan et hors plan sont tabulées dans le Tableau 1. En général, la tendance de H_c dans le plan est plus élevée que H_c hors plan pour les NPM riches en Ni (Ni₈₈Fe₁₂, Ni₇₆Fe₂₄ et Ni₅₂Fe₄₈), mais inversée pour les NPM riches en Fe (Ni₃₆Fe₆₄), ce qui est en accord avec les études précédentes sur la co-déposition anomale de nanofils NiFe [37].

Revêtement de surface biocompatible

Les NPM NiFe ont tendance à s'agréger en raison des effets des fortes interactions dipolaires entre les NPM voisines. Par conséquent, la modification de surface des NPM en utilisant un polymère biocompatible et biodégradable [38, 39], tel que le chitosane [40,41,42], l'alcool polyvinylique [43,44,45], l'acide oléique [46,47,48], le dextran [49, 50], et le plus couramment le polyéthylène glycol (PEG) [51,52,53,54,55,56], a été proposée. Le PEG est un polymère hydrophile qui a été largement utilisé pour améliorer la circulation sanguine des liposomes et des NPM [57,58,59,60]. Pour disperser les NPM cylindriques en NiFe dans l'eau, un PEG biocompatible de 5000 g mol⁻¹ a été utilisé comme stabilisant [61]. L'image de microscopie électronique à balayage (MEB) montre la formation d'une coquille d'oxyde autour des NPM, montrée dans la Fig. 2a. Cette coquille d'oxyde prévient l'oxydation des matériaux magnétiques dans les NPM. Les travaux de recherche précédents sur les NPM FeCo et Fe ont montré une oxydation sévère juste par l'exposition à l'atmosphère [61, 62].

Le pic du diagramme de diffraction des rayons X (DRX) était principalement indexé aux plans cristallins (111) qui correspondent à la structure cubique à faces centrées (cfc) du NiFe massif, comme montré dans la Fig. 2b. Cela indique que les NPM étaient électrodéposées 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 spinelle ((NiFe)₃O₄), qui résulte de la formation de phases d'oxyde dues à la haute concentration de Fe [65]. La haute cristallinité des NPM NiFe a mené à un cantonnement de spin de surface négligeable et a donc conservé l'aimantation de saturation élevée et la coercivité faible des NPM. D'autres caractérisations pour les NPM NiFe revêtues de PEG ont été conduites en utilisant la mesure EDS. Comme montré dans la Fig. 2c, principalement des éléments Ni et Fe étaient détectés, avec la présence d'un petit pourcentage d'élément O, une indication de la coquille d'oxyde formée autour des NPM.

D'après la Fig. 2d, la viabilité cellulaire des cellules HeLa exposées aux NPM NiFe non revêtues et revêtues de PEG après 24 h est de 82,2% et 82,6%, respectivement. Après 48 h, les viabilités cellulaires diminuaient légèrement à 79,9% et 82,1%, affichant une biocompatibilité légèrement plus élevée pour les NPM revêtues de PEG. Les NPM NiFe sans aucune coquille sont toxiques pour les cellules mammifères et affecteront la viabilité cellulaire. Le revêtement PEG était hautement biocompatible et peut diminuer la cytotoxicité et l'internalisation des NPM dans les cellules dues à l'endocytose [66, 67]. La cytotoxicité des NPM cylindriques en NiFe sur les cellules HeLa est comparable aux autres NPs ferromagnétiques disponibles commercialement utilisées dans la recherche sur l'hyperthermie magnétique [68].

Dynamique d'aimantation

La composition des NPM a été maintenue au Permalloy Ni₈₀Fe₂₀, tandis que la longueur (l) et le diamètre (d) des NPM étaient variés. L'énergie d'échange, la déaimantation, ou l'énergie dipolaire et les contributions d'énergie de Zeeman à l'énergie totale de la NPM sont tracées en fonction du champ magnétique appliqué H le long de l'axe long de la NPM dans la Fig. 3a-d, respectivement. La NPM était d'abord saturée par un fort champ magnétique parallèle à son axe long. Aux champs magnétiques élevés, la contribution d'énergie de Zeeman prédomine et les spins sont majoritairement alignés dans la direction du champ magnétique. Cet arrangement parallèle des spins au champ minimise la contribution d'énergie d'échange à l'énergie magnétique totale. À mesure que le champ magnétique appliqué est réduit, une nucléation de vortex horaire et anti-horaire se produit aux extrémités de la NPM, qui progressent vers le centre de la NPM, menant à une réduction graduelle de la composante d'aimantation parallèle qui cause une chute dans la contribution de Zeeman, tandis que les autres contributions deviennent de plus en plus significatives. L'aimantation de la NPM essaie de minimiser le champ parasite, et ainsi de réduire son énergie de déaimantation. À des champs magnétiques suffisamment faibles, l'état à triple vortex est formé, qui est une configuration d'aimantation stable, avec l'énergie totale maintenue au minimum. Comme le champ magnétique s'inverse, la chute abrupte dans l'énergie d'échange correspond à la séparation brutale des deux vortex.

Les NPM avec différentes longueurs (l) ont été trouvées avoir des configurations d'aimantation significativement différentes. À des longueurs l inférieures à 100 nm, seulement un vortex unique était nucléé, qui est une structure de domaine à flux fermé dans le plan, due à l'interaction entre l'énergie magnétostatique et l'énergie d'échange. Pour l supérieur à 100 nm, un couple de noyaux de vortex anti-horaire et horaire aux extrémités de la NPM étaient nucléés—état à double vortex. Lorsque le champ magnétique diminue, l'un des vortex est annihilé, s'effondrant dans l'état à vortex unique. Cependant, à l supérieur à 300 nm, il n'y a pas d'annihilation de vortex aux champs faibles, au lieu de cela un noyau de vortex additionnel tiers était nucléé sur la surface courbe de la NPM—état à triple vortex.

Mesures calorimétriques

Les NPM Ni₈₀Fe₂₀, avec l = 500 nm et d = 350 nm, étaient exposées à un champ magnétique alternatif de 15,9 à 47,8 kA m⁻¹ (200 à 600 Oe), et la courbe température-temps est affichée dans la Fig. 4a. Comme caractérisé par l'équation du TAS, les valeurs de TAS étaient calculées à 427 W g⁻¹, 1054 W g⁻¹ et 1742 W g⁻¹, pour 15,9 kA m⁻¹, 31,9 kA m⁻¹ et 47,8 kA m⁻¹, respectivement. Comme prédit, plus la force du champ magnétique est grande, plus la valeur de TAS est grande, c.-à-d., la valeur de TAS était proportionnelle à la force du champ magnétique. Par conséquent, la PPI était obtenue pour donner une meilleure évaluation de l'efficacité de chauffage des NPM pour l'hyperthermie magnétique. Comme caractérisé par l'équation de la PPI, les valeurs de PPI étaient calculées à 4,69 nH m² kg⁻¹, 2,88 nH m² kg⁻¹ et 2,12 nH m² kg⁻¹, pour 15,9 kA m⁻¹, 31,9 kA m⁻¹ et 47,8 kA m⁻¹ à 360 kHz, respectivement.

Ensuite, des NPM NiFe, avec d = 350 nm et l = 100-500 nm, étaient exposées à un champ magnétique alternatif de 47,8 kA m⁻¹ (600 Oe), et la courbe température-temps est affichée dans la Fig. 4b. Comme caractérisé par l'équation du TAS, les valeurs de TAS étaient calculées à 409 W g⁻¹, 618 W g⁻¹ et 1742 W g⁻¹, pour l = 100 nm, 200 nm et 500 nm à 47,8 kA m⁻¹ et 360 kHz, respectivement. Comme caractérisé par l'équation de la PPI, les valeurs de PPI étaient calculées à 0,50 nH m² kg⁻¹, 0,75 nH m² kg⁻¹ et 2,12 nH m² kg⁻¹ pour l = 100 nm, 200 nm et 500 nm à 47,8 kA m⁻¹ et 360 kHz, respectivement.

Les NPM avec l = 500 nm avaient une efficacité de chauffage bien plus grande que les NPM avec l = 100 nm et 200 nm, menant à une élévation de température plus significative. La valeur de TAS la plus élevée des NPM avec l = 500 nm était de 1742 W g⁻¹ à 47,8 kA m⁻¹ et 360 kHz. Pour comparaison, les valeurs de TAS pour un champ magnétique de 15,9 à 31,9 kA m⁻¹ (200 à 400 Oe) et NPM avec d = 350 nm et l = 100-500 nm étaient tabulées dans la Fig. 4c. Sous les mêmes conditions, les valeurs de TAS et PPI des NPM avec l = 500 nm étaient quatre fois plus élevées que celles avec des NPM de l plus petit. Des simulations micromagnétiques ont montré qu'à mesure que l augmente à > 300 nm, le processus d'inversion d'aimantation de la NPM changeait d'un état à double vortex à un état à triple vortex. À l < 300 nm, seulement un état à vortex unique ou double vortex était observé. L'aimantation rémanente M_r de la NPM était significativement plus élevée pour l'état à triple vortex comparé à l'état à vortex unique ou double.

Pour les NPM à domaine unique, le modèle théorique pour calculer la boucle d'hystérésis dynamique a été proposé par Carrey et al. [69] Pour les NPM multi-domaines, l'utilisation de simulations micromagnétiques pour obtenir une boucle d'hystérésis statique pour le calcul était raisonnable pour les NPM 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 grandes NPM sont capables de suivre le champ magnétique alternatif. La surface des boucles d'hystérésis obtenues des simulations micromagnétiques des NPM cylindriques en NiFe et des mesures MEV a été utilisée pour calculer théoriquement les valeurs de TAS et tabulées dans la Fig. 4d.

Les valeurs de TAS des NPM avec l = 100 nm et 200 nm affichaient une faible valeur de TAS aux champs magnétiques faibles en dessous de H_c et augmentaient brusquement jusqu'à atteindre une saturation aux champs magnétiques élevés, ce qui est une caractéristique du régime ferromagnétique. En contraste, la dépendance du champ magnétique de la valeur de TAS de l = 500 nm NPM, avec l'état à triple vortex, suivait une relation non-linéaire avec des valeurs de TAS ~ 6 fois plus grandes. L'aimantation rémanente M_r élevée de l'état à triple vortex dans les NPM l = 500 nm était évidente dans les valeurs de TAS non-nulles aux champs magnétiques faibles. La comparaison entre les mesures calorimétriques (Fig. 4c) et les calculs numériques (Fig. 4d) indique un accord qualitatif et quantitatif sur les caractéristiques des NPM dans le régime ferromagnétique, affichant de faibles valeurs de TAS aux champs magnétiques faibles et une saturation aux champs magnétiques élevés qui était corrélée au H_c des NPM.

La dissipation de chaleur des NPM NiFe avec états à triple vortex a été comparée pour d = 150-350 nm, sous un champ magnétique alternatif de 47,8 kA m⁻¹ (600 Oe), et la courbe température-temps est affichée dans la Fig. 5a. Les valeurs de TAS et PPI étaient calculées à 1785 W g⁻¹, 2073 W g⁻¹ et 2750 W g⁻¹ et 2,17 nH m² kg⁻¹, 2,52 nH m² kg⁻¹ et 3,34 nH m² kg⁻¹, pour d = 350 nm, 250 nm et 150 nm, respectivement. Les NPM avec d = 150 nm et 250 nm étaient capables d'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 NPM avec différents rapports d'aspect, il a été observé que l'efficacité de chauffage des NPM d = 150 nm était 1,54 fois plus grande que les NPM d = 350 nm. Cela était parce que les NPM d = 150 nm possédaient la susceptibilité à bas champ la plus élevée et M_r. Par conséquent, la valeur de TAS était étroitement corrélée au processus d'inversion d'aimantation des NPM avec les variations en l et d.

Des simulations micromagnétiques montrent que la surface de l'hystérésis A évolue significativement avec le diamètre (d) de la NPM. Par conséquent, la valeur de TAS des NPM d = 150 nm augmente si rapidement et sature à une valeur maximale de TAS de 6263 W g⁻¹. Les calculs numériques ont montré que les NPM avec des rapports d'aspect plus élevés ont des pertes d'hystérésis plus élevées, résultant en des valeurs de TAS théoriques plus élevées, comme montré dans la Fig. 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 d'hystérésis. Le décalage entre les valeurs expérimentales et théoriques provenait des NPM NiFe étant non-superparamagnétiques et possédant une aimantation rémanente non-négligeable, menant à une agglomération non-désirée due aux fortes interactions dipolaires magnétiques entre les NPM voisines [70, 71]. Puisque le volume hydrodynamique des NPM est un composant gouvernant le mouvement brownien, l'étendue de l'agrégation des NPM déterminera le mécanisme de relaxation dominant, c.-à-d., relaxation de Néel ou brownienne. Donc, un groupe agrégé de NPM versus une seule NPM libre différera grandement dans les valeurs de TAS. De plus, un champ magnétique alternatif peut induire la formation de nano-colonnes ou nano-chaînes qui exhibent un mécanisme de relaxation brownienne dissemblable et donc expliquent la discrépance entre les valeurs expérimentales et théoriques [72,73,74].

Conclusions

Les valeurs de TAS élevées affichées par les NPM cylindriques en NiFe, comparables aux NPM d'oxyde de fer (NPMO) et aux nanoparticules superparamagnétiques d'oxyde de fer (SPION) [28, 75], démontrent la capacité de ces NPM en dissipation de chaleur sous un champ magnétique alternatif. Les NPM avec l'état à triple vortex avaient une efficacité de chauffage bien plus grande que les NPM avec état à double ou simple vortex, qui ont une valeur de TAS quatre fois plus grande, attribuée à l'M_r élevée des NPM dans l'état à triple vortex. En comparant les NPM avec différents rapports d'aspect, il a été observé que l'efficacité de chauffage des NPM d = 150 nm était 1,54 fois plus grande que les NPM d = 350 nm en raison d'un M_r plus grand et d'une susceptibilité à bas champ. Les mesures calorimétriques et les simulations micromagnétiques ont montré la corrélation entre le processus d'inversion d'aimantation et les pertes d'hystérésis plus élevées des NPM d = 150 nm, résultant en des valeurs de TAS expérimentales et théoriques plus élevées. Le contrôle facile des tailles des NPM et de leurs propriétés magnétiques indique un grand potentiel pour les essais d'hyperthermie magnétique cancéreuse in vivo.

Disponibilité des données et matériaux

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

d :

Diamètre des nanoparticules magnétiques

EDS :

Spectroscopie à dispersion d'énergie des rayons X

H_c :

Coercivité

PPI :

Puissance de perte intrinsèque

l :

Longueur des nanoparticules magnétiques

NPM :

Nanoparticules magnétiques

M_r :

Magnétisation rémanente

PEG :

Polyéthylène glycol

TAS :

Taux d'absorption spécifique

MEB :

Microscopie électronique à balayage

SQR :

Rapport de carrure

V_H :

Impulsion d'électrodéposition à haut potentiel

MEV :

Magnétomètre à échantillon vibrant

DRX :

Diffraction des rayons X