Sifat Magnetoviskos dan Efek Hipertermia dari Ferrofluida Berair Nanopartikel Amorf
Abstrak
Nanopartikel magnetik Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B berhasil disintesis dan dimasukkan ke dalam air untuk membuat ferrofluida berair. Partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B merupakan nanopartikel amorf homogen dengan ukuran partikel rata-rata 15 nm. Bentuk nanopartikel amorf adalah teratur. Nanopartikel amorf Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B adalah superparamagnetik. Selain itu, magnetisasi saturasi nanopartikel amorf Fe-B dan Fe-Ni-B adalah 75 emu/g dan 51 emu/g. Ini masing-masing sekitar 2,8 dan 1,9 kali lipat lebih besar dari nanopartikel Co-B. Viskositas ferofluida amorf memiliki respons yang kuat terhadap medan magnet eksternal. Tegangan luluh meningkat dengan meningkatnya medan magnet. Penelitian hipertermia ferofluida amorf pertama kali diselidiki. Hasil percobaan menunjukkan bahwa suhu pemanasan Fe-B ferrofluid dan Fe-Ni-B ferrofluid dapat meningkat menjadi 42 °C masing-masing dalam 750 detik dan 960 detik ketika arus keluaran 300 A. Suhu dapat mencapai 61,6 °C untuk ferofluida Fe-B. Efisiensi pemanasan dari ferrofluid amorf menunjukkan bahwa ferrofluid Fe-B dan Fe-Ni-B mungkin memiliki potensi besar untuk aplikasi biomedis.
Pengantar
Ferrofluids (FFs), juga disebut cairan magnetik, adalah larutan koloid nanopartikel magnetik dalam pembawa cairan seperti pelarut organik, air [1,2,3,4,5]. Sebagai jenis baru bahan fungsional cerdas, FF menawarkan sifat fisik, kimia, dan biokompatibel yang unik [6,7,8,9]. FF telah diterapkan dalam biomedis untuk pencitraan resonansi magnetik (MRI) [10] dan pengiriman obat target [11], serta untuk pemisahan fase [12], penghilangan polutan air [13], dan penginderaan [14].
Viskositas meningkat yang disebabkan oleh medan magnet yang diterapkan mempengaruhi aplikasi FF. Studi tentang sifat magnetoviscous mengevaluasi variasi viskositas dalam FF sebagai fungsi waktu, suhu, laju geser, atau faktor lain di bawah medan magnet yang diterapkan [4, 15,16,17,18,19,20]. Rajnak [18] mempelajari viskositas FF berbasis minyak transformator dan menemukan bahwa perubahan viskositas yang diinduksi medan listrik analog dengan efek magnetoviscous. Nowak [19] menyelidiki perubahan viskositas FF yang diencerkan dengan darah domba. Mereka menemukan bahwa efek magnetoviscous yang kuat mengarah pada asumsi perubahan besar dalam struktur mikro karena medan magnet. Pekerjaan sebelumnya menunjukkan interaksi yang signifikan dari media pembawa dan surfaktan dengan pertimbangan perilaku magnetik FF [20]. Penelitian tentang sifat magnetoviscous FF tetap menjadi titik fokus. Paduan amorf memiliki masa depan yang menjanjikan untuk elektroda sel bahan bakar [21], bahan berpori nano [22], bahan biodegradasi [23], dll. Karena sifatnya yang unik terkait dengan struktur atom metastabil amorf dan bahan baku berbiaya rendah [24] ]. Studi lain menunjukkan bahwa paduan berbasis Fe magnetik lunak amorf memiliki aplikasi potensial yang besar dalam mempersiapkan cairan fungsional magnetik karena sifat magnetiknya yang unik dibandingkan paduan kristalin [25]. Biaya73,5 Nb3 Cu1 Si13.5 B9 [26, 27] dan Fe78 Si9 B13 partikel paduan amorf telah diterapkan dalam cairan magnetorheological. Namun, sulit untuk menyiapkan nanopartikel amorf yang diterapkan dalam FF melalui metode penggilingan mekanis konvensional. Kelompok kami mensintesis dan menyelidiki nanopartikel amorf Co-Fe-Si-B [28] magnetik serta nanopartikel amorf Fe-Co-B [29] yang diterapkan pada FF. Data ini menunjukkan bahwa FF amorf menunjukkan stabilitas yang baik. Namun demikian, sedikit perhatian telah diberikan pada sifat magnetoviscous dari FF berdasarkan nanopartikel amorf.
Terapi hipertermia telah menjadi fokus pengobatan kanker, dan hipertermia cairan magnetik (MFH juga disebut hipertermia FF) adalah prosedur terapeutik. FF disuntikkan ke dalam jaringan yang mengandung sel kanker dan kemudian diekspos ke medan magnet bolak-balik frekuensi, menghasilkan kenaikan suhu hingga 42–45 °C untuk menghancurkan sel tumor [30,31,32]. Yang penting, nanopartikel dalam FF tidak boleh beracun. Oksida besi (Fe3 O4 ) atau oksida besi kobalt (CoFe2 O4 ) nanopartikel populer dipilih untuk mempersiapkan FF untuk hipertermia cairan magnetik karena pemrosesannya yang sederhana, biaya rendah, dan kompatibilitas biologis yang baik [33,34,35,36,37,38]. Lahiri [38] mempelajari pemanasan yang diinduksi medan magnet bolak-balik dari FF berbasis air menggunakan termografi inframerah. FF mengandung nanopartikel oksida besi berlapis tetrametil amonium hidroksida. Hasilnya menunjukkan tingkat kenaikan suhu awal yang lebih tinggi dan suhu maksimum yang lebih rendah pada akhir periode pemanasan. Zubarev [39] melaporkan efek interaksi magnetik antara partikel feromagnetik domain tunggal pada efek hipertermia yang dihasilkan oleh partikel-partikel ini di bawah aksi medan magnet berosilasi. Namun, beberapa penelitian telah melaporkan penelitian hipertermia pada FF nanopartikel magnetik amorf.
Dalam makalah ini, nanopartikel amorf Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B magnetik berhasil disintesis dengan metode reduksi kimia. Struktur, morfologi, dan sifat magnetik dari nanopartikel amorf diselidiki. Sifat magnetoviscous dan efek hipertermia dari FF yang sesuai juga dipelajari. Mengingat sifat magnetik dan efek pemanasan yang menonjol, FF amorf sebagai bahan yang menjanjikan dalam aplikasi medis juga dapat menawarkan peluang di bidang yang sedang berkembang seperti aplikasi pendinginan, perangkat konversi energi, elektronik cetak, dll.
Bahan dan Metode
Ferro sulfat (FeSO4 •7H2 O), kobalt klorida (CoCl2 •6H2 O), nikel klorida (NiCl2 •6H2 O), natrium borohidrida (NaBH4 ), natrium hidroksida (NaOH), etil alkohol, agar, dan polietilen glikol (PEG-400) digunakan. Semua bahan kimia adalah kelas reagen analitis (AR) dan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Sebelum setiap percobaan, semua peralatan gelas dibersihkan dengan nitrat encer dan dicuci berulang kali dengan air deionisasi.
Partikel amorf dibuat dengan reduksi kimia. Dalam proses yang khas, solusi diperoleh dengan melarutkan sejumlah FeSO4 •7H2 O dan NiCl2 •6H2 O ke dalam 200 ml larutan etanol 50% dengan pengadukan mekanis dan dispersi supersonik. Kemudian, 50 ml 0,8 M NaBH4 larutan berair ditambahkan tetes demi tetes sebagai zat pereduksi pada kecepatan 1,5 ml/menit pada 20 °C dalam labu leher tiga di bawah lingkungan argon pelindung. Disini digunakan larutan NaOH untuk mengatur pH NaBH4 solusi untuk 10-12. Setelah diaduk dengan dispersi supersonik selama 2,5 jam, endapan hitam dipisahkan menggunakan magnet. Partikel dicuci dengan air deionisasi beberapa kali. Setelah itu, 0,075 g agar yang sesuai ditambahkan sebagai surfaktan pertama dan 0,075 g PEG-400 ditambahkan sebagai surfaktan kedua. Ini dimasukkan ke dalam suspensi partikel Fe-Ni-B pada suhu konstan. Campuran diaduk selama 1 jam pada suhu konstan. Akhirnya, FF berair amorf Fe-Ni-B yang stabil diperoleh setelah pendinginan hingga suhu kamar.
Partikel amorf Fe-B diperoleh dengan metode reduksi kimia yaitu dari reduksi FeSO4 •7H2 O menggunakan NaBH4 sebagai zat pereduksi dalam larutan air. Partikel amorf Co-B diperoleh dari reduksi CoCl2 •6H2 solusi. FF berair Fe-B yang sesuai dan FF berair Co-B diperoleh dengan cara yang sama.
Struktur dan keadaan amorf dari nanopartikel amorf magnetik Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B dikarakterisasi dengan pengukuran difraksi sinar-X (XRD) menggunakan D/max-Rb, dengan radiasi Cu Kα terfilter Ni sumber. Sifat termal dikarakterisasi dengan kalorimeter pemindaian diferensial (Netzsch DSC 404 C) pada laju pemanasan 20°C/menit. Sifat magnetik nanopartikel amorf diukur dengan alternating gradient force magnetometer (AGM) pada suhu kamar. Morfologi nanopartikel amorf diidentifikasi melalui mikroskop elektron transmisi (TEM). Sifat magnetoviscous FF dipelajari dengan rheometer (Anton Paar MCR301) yang dilengkapi dengan medan magnet eksternal yang dapat dikontrol. Efek hipertermia dari FF amorf dipelajari menggunakan perangkat yang ditunjukkan pada Gambar. 8a. Eksperimen pemanasan yang diinduksi di lapangan dilakukan menggunakan sistem pemanas induksi frekuensi radio (AtecD, Bamac, China) yang terdiri dari generator frekuensi tinggi dan sirkuit tangki yang dilengkapi dengan kumparan tembaga elektrolitik berpendingin air. Eksperimen dilakukan pada frekuensi tetap 90 kHz, dan medan magnet diubah dengan memvariasikan arus koil. Termometer inframerah (OSXL207, Omega, USA) dengan akurasi 0,1 °C digunakan untuk merekam suhu dalam eksperimen pemanasan magnetik. Kesalahan dalam pengukuran suhu kami adalah dengan 1 °C. Tes eksperimental dilakukan pada suhu kamar.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1 menunjukkan pola difraksi sinar-X (XRD) masing-masing partikel magnetik Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B. Partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B terdiri dari puncak tunggal yang luas pada rentang 2θ 40°~50° dan tidak ada puncak kristal yang dapat dilihat, yang merupakan karakteristik struktur amorf (Gbr. 1 ). Hasil penelitian menunjukkan bahwa partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B memiliki struktur amorf yang khas.
Pola XRD partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B
Kurva differential scanning calorimeter (DSC) dari partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B ditunjukkan pada Gambar 2. Percobaan dilakukan pada laju pemanasan 20 °C/menit. Partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B menunjukkan dua puncak eksotermik yang menunjukkan proses kristalisasi dua tahap [40]. Suhu dari dua puncak eksotermik ditandai pada Gambar. 2, yang dapat membantu memilih suhu anil partikel amorf dalam pekerjaan selanjutnya. Hasil ini sesuai dengan data XRD.
Kurva DSC partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B
Sifat magnetik partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B yang telah disiapkan dikarakterisasi dengan AGM pada suhu kamar. Kurva histeresis magnetik ditunjukkan pada Gambar. 3. Magnetisasi saturasi (Ms) partikel Fe-B dan partikel Fe-Ni-B masing-masing adalah 75 emu/g dan 51 emu/g. Selain itu, tidak ada koersivitas dan remanen yang diamati pada kurva histeresis, yang mengkonfirmasi superparamagnetisme partikel FB dan Fe-Ni-B. Ms partikel Co-B adalah 27 emu/g; partikel-partikel ini juga menunjukkan perilaku superparamagnetik. Selain itu, partikel Ms Fe-B dan Fe-Ni-B masing-masing kira-kira 2,8- dan 1,9 kali lipat lebih besar daripada partikel Co-B. Juga kita dapat melihat bahwa Ms partikel Fe-B lebih tinggi daripada Fe3 O4 partikel dan CoFe2 O4 partikel [26]. Struktur, ukuran, magnetisasi, dan konsentrasi sampel FF yang berbeda dapat dilihat pada Tabel 1.
Kurva histeresis partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B
Kami selanjutnya menyelidiki morfologi partikel amorf dalam FF dengan TEM (Gbr. 4). FF diencerkan dan kemudian didispersikan dalam ultrasonik selama 20 menit. Film pendukung yang dilekatkan dengan jaring tembaga direndam dalam FF encer. Spesimen disiapkan dengan baik setelah mengeringkan sampel dalam oven selama 30 menit. Gambar TEM yang ditunjukkan pada Gambar. 4 menunjukkan bahwa partikel amorf di FF hampir bulat. Rata-rata diameter rata-rata partikel amorf adalah ~ 15 nm.
Gambar TEM dari Fe-B FF (a ), Fe-Ni-B FF (b ), dan Co-B FF (c )
Sifat magnetoviscous dari tiga FF amorf (Fe-B FF, Fe-Ni-B FF, dan Co-B FF) dengan 1,8 wt% partikel magnetik diselidiki oleh rheometer dengan medan magnet eksternal yang dapat dikontrol. Viskositas masing-masing sampel diukur dua kali pada suhu yang disetel konstan 25 °C. Setiap kali sampel melewati satu siklus sapuan laju geser naik dari 100 ke 1000 1/s dan kemudian turun dari 1000 ke 100 1/s. Nilai rata-rata diperoleh dengan menghitung viskositas pada laju geser yang sama. Kurva laju geser viskositas dari FF amorf di bawah medan magnet eksternal yang berbeda pada skala logaritmik ditunjukkan pada Gambar. 5. Semua FF amorf (Fe-B FF pada Gambar 5a, Fe-Ni-B FF pada Gambar 5b, dan Co-B FF pada Gambar 5c) menunjukkan perilaku bersinar geser di bawah medan magnet yang berbeda. Viskositas menurun dengan meningkatnya laju geser. Fe-B FF memiliki viskositas yang lebih besar dibandingkan Fe-Ni-B FF dan Co-B FF. Ini karena Ms dari nanopartikel Fe-B amorf, nanopartikel Fe-Ni-B, dan nanopartikel Co-B.
Viskositas sebagai fungsi laju geser untuk Fe-B FF (a ), Fe-Ni-B FF (b ), dan Co-B FF(c )
Medan magnet juga memainkan peran penting dalam viskositas FF amorf. Viskositas ditunjukkan sebagai fungsi medan magnet pada Gambar. 6. Hasilnya menunjukkan bahwa viskositas semua FF amorf meningkat dengan meningkatnya medan magnet eksternal. Ini sesuai dengan hasil pada Gambar. 5. Nanopartikel amorf magnetik di FF mengatur ulang orientasinya ketika medan magnet diterapkan. Itu sejajar dengan arah medan magnet. Interaksi dan susunan nanopartikel dalam FF menjadi lebih kuat dengan meningkatnya intensitas medan magnet, yang menyebabkan peningkatan hambatan aliran. Selain itu, laporan sebelumnya [15, 41,42,43,44,45,46] menunjukkan bahwa dengan meningkatnya medan magnet, struktur seperti rantai atau seperti jatuh, dan agregasi dapat terbentuk dalam FF, yang mengarah pada peningkatan viskositas yang luar biasa. . Perilaku penipisan geser yang diamati pada Gambar. 5 dapat dijelaskan dengan putusnya rantai ini atau jatuh karena geser. Nanopartikel mulai mengatur orientasinya dalam arah geser ketika laju geser yang diterapkan meningkat. Selain itu, peningkatan laju geser menghancurkan rantai atau agregat seperti jatuh; akibatnya, viskositas FF menurun.
Viskositas sebagai fungsi medan magnet untuk Fe-B FF (a ), Fe-Ni-B FF (b ), dan Co-B FF(c )
Tegangan luluh FF dapat diperoleh melalui ekstrapolasi linier, dan intersep setiap kurva pemasangan dianggap sebagai tegangan luluh FF di bawah medan magnet yang sesuai [27]. Oleh karena itu, tegangan luluh dari tiga FF amorf di bawah medan magnet yang berbeda diperoleh pada Gambar 7. Ini menunjukkan bahwa tegangan luluh FF meningkat dengan meningkatnya kekuatan magnet terutama untuk Fe-B FF amorf. Ini karena struktur seperti rantai atau seperti jatuh serta agregat terbentuk di bawah medan magnet yang diterapkan. Gaya antar nanopartikel amorf menjadi lebih kuat sekaligus meningkatkan kekuatan magnet. Pekerjaan sebelumnya [47] menunjukkan bahwa tegangan luluh FF amorf disebabkan oleh magnetisasi nanopartikel amorf magnetik.
Tegangan luluh sebagai fungsi medan magnet untuk Fe-B FF, Fe-Ni-B FF, dan Co-B FF
FF hipertermia sangat penting karena keamanannya dan ketegangan fisik atau mental yang terbatas pada pasien [26, 48,49,50]. Hipertermia tersebut disebabkan oleh efek pemanasan dalam medan magnet arus bolak-balik (AC). Kami mempelajari efek hipertermia FF dengan nanopartikel amorf berbasis Fe, yaitu Fe-B FF dan Fe-Ni-B FF. Sebuah peta skema perangkat eksperimental ditunjukkan pada Gambar. 8a. Termometer IR dengan akurasi 0,1 °C mencatat suhu dalam eksperimen pemanasan magnetik. Kesalahan dalam pengukuran suhu kami adalah 1 °C. Pengujian dilakukan pada suhu kamar. Eksperimen pemanasan magnetik dilakukan dengan mengubah arus keluaran variabel mulai dari 150 hingga 300 A. Kemudian, 50 ml Fe-B FF dan Fe-Ni-B FF pada 5% berat dipelajari. Kondisi eksperimental seperti yang dijelaskan sebelumnya [26]. Frekuensi kerja pemanas induksi dalam percobaan kami adalah 90 kHz. Frekuensi kerja adalah 50–100 kHz, yang aman untuk aplikasi biomedis [51].
Peta skema pengaturan eksperimental untuk eksperimen pemanasan magnetik (a ), kurva pemanasan Fe-B FF amorf (b ), dan kurva pemanasan Fe-Ni-B FF amorf (c )
Hasil pemanasan magnetik ditunjukkan pada Gambar. 8b, c. Temperatur Fe-B FF pada Gambar 8b dan Fe-Ni-B FF pada Gambar 8c meningkat tajam seiring waktu. Temperatur meningkat dengan meningkatnya arus keluaran listrik. Suhu FF di bawah arus keluaran yang berbeda dicatat pada 2000 s (dalam Tabel 2). Ketika arus keluaran listrik dikontrol pada 150 A, suhu dapat naik menjadi 32,5 °C untuk Fe-B FF dan 32,6 °C untuk Fe-Ni-B FF. Ketika arus keluaran adalah 300 A, suhu stabil akhir masing-masing adalah 61,6 °C dan 51,2 °C untuk Fe-B FF dan Fe-Ni-B FF. Efisiensi pemanasan dari efek hipertermia Fe-B FF adalah sekitar 20,3% lebih tinggi dari Fe-Ni-B FF (Tabel 2). Hasil hipertermia menunjukkan bahwa ketika arus listrik dikontrol pada 300 A, suhu Fe-B FF dan Fe-Ni-B FF dapat meningkat menjadi 42 °C dalam 750 detik dan 960 detik. Tingkat penyerapan spesifik (SAR) dapat dihitung dari kurva pemanasan yang dibantu lapangan [52, 53]. Kapasitas panas spesifik dan densitas air dalam makalah kami dianggap sebagai 4,18 J g
−1
K
−1
dan 1 g/cc, masing-masing. Nilai SAR masing-masing adalah 21,91 W/g untuk Fe-B FF dan 19,48 W/g untuk Fe-Ni-B FF. Nilai SAR masing-masing adalah 76,15 W/g dan 69,97 W/g untuk Fe-B FF dan Fe-Ni-B FF, ketika arus keluaran adalah 300 A. Eksperimen pemanasan menunjukkan bahwa intensitas medan magnet bolak-balik yang diinduksi oleh listrik arus mempengaruhi hipertermia dari FF amorf. Pemanasan dapat dikontrol secara efektif dengan menyesuaikan arus keluaran.
Efek pemanasan dari FF berair terutama dikaitkan dengan relaksasi Neel (putaran dipol magnetik di dalam partikel) dan mekanisme relaksasi Brown (rotasi partikel terhadap tahanan hidrodinamik dari cairan pembawa) [54,55,56]. Berdasarkan teori domain, diameter kritis domain tunggal masing-masing adalah 19,6 nm, 19,2 nm, dan 42,4 nm untuk Fe, Co, dan Ni nanopartikel [57]. Di sini, kami berasumsi bahwa nanopartikel amorf Fe-B dan nanopartikel amorf Fe-Ni-B harus memiliki struktur domain tunggal. Putaran magnet sejajar secara acak di bawah tidak ada medan eksternal karena energi panas. Ketika medan AC diterapkan, domain tunggal mengubah orientasi magnetisasinya sebagai respons terhadap medan AC, dan energi magnetik secara bersamaan diubah menjadi energi panas. Kami menyimpulkan bahwa FF amorf Fe-B dan FF amorf Fe-Ni-B memiliki efek pemanasan yang signifikan yang menunjukkan bahwa FF amorf Fe-B dan FF amorf Fe-Ni-B memiliki masa depan yang menjanjikan untuk pengobatan hipertermia.
Kesimpulan
Nanopartikel amorf Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B magnetik serta FF amorf yang sesuai berhasil disintesis. Nanopartikel homogen dengan struktur amorf. Bentuk partikel amorf adalah teratur. Nanopartikel amorf Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B menunjukkan sifat superparamagnetik. Nanopartikel amorf Fe-B dan Fe-Ni-B Ms adalah 75 emu/g dan 51 emu/g. Ini kira-kira 2,8 dan 1,9 kali lebih besar dari nanopartikel Co-B, masing-masing. FF amorf memiliki respons yang kuat terhadap medan magnet eksternal. Tegangan luluh meningkat dengan meningkatnya medan magnet. Hasil hipertermia menunjukkan bahwa ketika arus keluaran listrik bolak-balik dikontrol pada 300 A, suhu Fe-B FFs dan Fe-Ni-B FFs dapat naik menjadi 42 °C dalam 750 s dan 960 s, masing-masing. Suhu stabil akhir adalah 62 °C untuk Fe-B FF. Efisiensi pemanasan FF amorf menunjukkan bahwa FF amorf berbasis Fe memiliki potensi besar untuk aplikasi biomedis. Memang, studi tentang sifat magnetoviscous dari FF amorf dan mekanisme efek hipertermia untuk FF amorf masih belum jelas dan akan merangsang pekerjaan di masa depan.
