Ferrofluid Nanopartikel Amorf: Perilaku Magnetoviskos dan Performa Hipotermi
Abstrak
Nanopartikel magnetik Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B berhasil disintesis dan diperkenalkan ke dalam air untuk menyiapkan ferrofluid aqueous. Partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B adalah nanopartikel amorf homogen dengan ukuran partikel rata-rata 15 nm. Bentuk nanopartikel amorf adalah reguler. Nanopartikel amorf Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B adalah superparamagnetik. Selain itu, magnetisasi saturasi (Ms) nanopartikel amorf Fe-B dan Fe-Ni-B adalah 75 emu/g dan 51 emu/g. Ini sekitar 2,8 dan 1,9 kali lebih besar dari nanopartikel Co-B, masing-masing. Viskositas ferrofluid amorf memiliki respons yang kuat terhadap medan magnet eksternal. Tegangan leleh meningkat seiring bertambahnya medan magnet. Penelitian hipotermi ferrofluid amorf dilakukan untuk pertama kalinya. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa suhu pemanasan ferrofluid Fe-B dan Fe-Ni-B dapat meningkat ke 42 °C dalam 750 s dan 960 s, masing-masing, ketika arus output adalah 300 A. Suhu dapat mencapai 61,6 °C untuk ferrofluid Fe-B. Efisiensi pemanasan ferrofluid amorf menunjukkan bahwa ferrofluid Fe-B dan Fe-Ni-B mungkin memiliki potensi besar untuk aplikasi biomedis.
Pendahuluan
Ferrofluids (FF), juga disebut cairan magnetik, adalah larutan koloidal nanopartikel magnetik dalam pembawa cairan seperti pelarut organik, air. Sebagai jenis material fungsional cerdas baru, FF menawarkan properti fisik, kimia, dan kompatibel biologis yang unik. FF telah diterapkan dalam biomedis untuk citra resonansi magnetik (MRI) dan pengiriman obat yang ditargetkan, serta untuk pemisahan fase, penghapusan polutan air, dan sensing.
Peningkatan viskositas yang diinduksi oleh medan magnet yang diterapkan mempengaruhi aplikasi FF. Studi tentang properti magnetoviskos mengevaluasi variasi viskositas FF sebagai fungsi waktu, sujuhu, laju syer, atau faktor lainnya di bawah medan magnet yang diterapkan. Rajnak mempelajari viskositas FF berbasis minya trafo dan menemukan bahwa perubahan viskositas yang diinduksi oleh medan listrik analog dengan efek magnetoviskos. Nowak menyelidiki viskositas FF yang dicairkan dengan darah domba. Mereka menemukan bahwa efek magnetoviskos yang kuat mengarah pada asumsi perubahan besar dalam mikrostruktur karena medan magnet. Kerja sebelumnya menunjukkan interaksi yang signifikan antara medium pembawa dan surfaktan dengan pertimbangan perilaku magnetik FF. Penelitian tentang properti magnetoviskos FF tetap menjadi titik konsentrasi. Legering amorf memiliki masa depan yang menjanjikan untuk elektroda sel bahan bakar, material pori nano, material biodegradasi, dll. karena properti unik terkait struktur atom metastabil amorf dan bahan bahan yang berbiaya rendah. Studi lain menunjukkan bahwa logam lunak magnetik Fe-basis amorf memiliki potensi aplikasi yang besar dalam mempersiapkan cairan fungsional magnetik karena properti magnetik uniknya dibandingkan logam kristal. Partikel logam amorf Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9 dan Fe78Si9B13 telah diterapkan dalam cairan reologis magnet. Namun, sulit untuk menyiapkan nanopartikel amorf yang diterapkan dalam FF melalui metode milling mekanis konvensional. Grup kami telah menyintesis dan menyelidiki nanopartikel amorf magnetik Co-Fe-Si-B serta Fe-Co-B yang diterapkan pada FF. Data ini menunjukkan bahwa FF amorf menunjukkan stabilitas yang baik. Namun, sedikit perhatian yang diberikan pada properti magnetoviskos FF berdasarkan nanopartikel amorf.
Terapi hipotermi telah menjadi fokus dalam pengobatan kanker, dan hipotermi cairan magnetik (MFH juga disebut hipotermi FF) adalah prosedur terapeutik. FF diinjeksi ke dalam jaringan yang mengandung sel kanker dan kemudian diekspos ke dalam medan magnet bolak-balik frekuensi, menghasilkan kenaikan suhu hingga 42–45 °C untuk menghancurkan sel tumor. Penting, nanopartikel dalam FF tidak boleh toksik. Nanopartikel oksida besi (Fe3O4) atau oksida besi kobalt (CoFe2O4) populer dipilih untuk menyiapkan FF untuk hipotermi cairan magnetik karena pemrosesan sederhana, biaya rendah, dan kompatibilitas biologis yang baik. Lahiri mempelajari pemanasan yang diinduksi oleh medan magnet bolak-balik dari FF berbasis air menggunakan termografi inframerah. FF mengandung nanopartikel oksida besi yang dilapisi tetrametil amonium hidroksida. Hasilnya menunjukkan laju kenaikan suhu awal yang lebih tinggi dan suhu maksimum yang lebih rendah pada akhir periode pemanasan. Zubarev melaporkan efek interaksi magnetik antara partikel feromagnetik domain tunggal pada efek hipotermi yang dihasilkan oleh partikel-partikel ini di bawah aksi medan magnet osilasi. Namun, sedikit studi yang melaporkan penelitian hipotermi pada FF nanopartikel magnetik amorf.
Dalam makalah ini, nanopartikel amorf magnetik Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B berhasil disintesis melalui metode reduksi kimia. Struktur, morfologi, dan properti magnetik nanopartikel amorf diselidiki. Properti magnetoviskos dan efek hipotermi FF yang sesuai juga diselidiki. Dengan melihat properti magnetik dan efek pemanasan yang menonjol, FF amorf sebagai material yang menjanjikan dalam aplikasi medis juga dapat menawarkan peluang di bidang yang muncul seperti aplikasi pendingin, perangkat konversi energi, elektronika cetak, dll.
Bahan dan Metode
Sulfat ferrous (FeSO4•7H2O), klorida kobalt (CoCl2•6H2O), klorida nikel (NiCl2•6H2O), borohidrat natrium (NaBH4), hidroksida natrium (NaOH), alkohol etil, agar, dan polietilenglikol (PEG-400) digunakan. Semua bahan kimia adalah grade reagen analitik dan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Sebelum setiap eksperimen, semua kaca dibersihkan dengan asam nitrat cair dan berulang kali dicuci dengan air deion.
Partikel amorf disiapkan melalui reduksi kimia. Dalam proses tipikal, larutan diperoleh dengan mencairkan jumlah tertentu FeSO4•7H2O dan NiCl2•6H2O ke dalam 200 ml larutan etanol 50% dengan pengadukan mekanis dan dispersi ultrasonik. Kemudian, 50 ml larutan NaBH4 0,8 M ditambahkan secara tetesan sebagai agen pengurang dengan kecepatan 1,5 ml/min pada 20 °C dalam labu leher tiga di bawah lingkungan argonis pelindung. Di sini, larutan NaOH digunakan untuk menyesuaikan pH larutan NaBH4 ke 10–12. Setelah diaduk dengan dispersi ultrasonik selama 2,5 jam, endapan hitam dipisahkan menggunakan magnet. Partikel dicuci dengan air deion beberapa kali. Setelah itu, 0,075 g agar ditambahkan sebagai surfaktan pertama dan 0,05 g PEG-400 ditambahkan sebagai surfaktan kedua. Ini dimasukkan ke dalam suspersi partikel Fe-Ni-B pada suhu konstan. Campuran diaduk selama 1 jam pada suhu konstan. Akhirnya, ferrofluid aqueous Fe-Ni-B amorf stabil diperoleh setelah pendinginan ke suhu ruang.
Partikel amorf Fe-B diperoleh menggunakan metode reduksi kimia, yaitu dari reduksi FeSO4•7H2O menggunakan NaBH4 sebagai agen pengurang dalam larutan air. Partikel amorf Co-B diperoleh dari reduksi larutan CoCl2•6H2O. Ferrofluid aqueous Fe-B dan Co-B yang sesuai diperoleh dengan cara yang sama.
Struktur dan status amorf nanopartikel magnetik Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B dikarakterisasi dengan pengukuran difraksi X-ray (XRD) menggunakan D/max-Rb, dengan sumber radiasi Cu Kα difilter Ni. Properti termal dikarakterisasi dengan kalorimetri pemindaian diferensial (Netzsch DSC 404 C) pada laju pemanasan 20 °C/min. Properti magnetik nanopartikel amorf diukur dengan magnetometer gaya gradien bolak-balik (AGM) pada suhu ruang. Morfologi nanopartikel amorf diidentifikasi melalui mikroskopi elektron transmisi (TEM). Properti magnetoviskos FF diselidiki dengan reometer (Anton Paar MCR301) dilengkapi dengan medan magnet eksternal yang dapat dikontrol. Efek hipotermi FF amorf diselidiki menggunakan perangkat yang ditunjukkan dalam Gambar 8a. Eksperimen pemanasan medan dilakukan menggunakan sistem pemanasan induksi radio frekuensi (AtecD, Bamac, China) yang terdiri dari generator frekuensi tinggi dan rangkaian tangki dilengkapi dengan kumba tembaga elektrolitik pendingin air. Eksperimen dilakukan pada frekuensi tetap 90 kHz, dan medan magnet diubah dengan memvariasi arus kumba. Termometer inframerah (OSXL207, Omega, USA) dengan akurasi 0,1 °C digunakan untuk mencatat suhu dalam eksperimen pemanasan magnetik. Kesalahan dalam pengukuran suhu kami adalah 1 °C. Uji eksperimen dilakukan pada suhu ruang.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1 menunjukkan pola difraksi X-ray (XRD) partikel magnetik Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B, masing-masing. Partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B terdiri dari satu puncak lebar dalam rentang 2θ 40°~50° dan tidak ada puncak kristal yang terlihat, yang merupakan ciri struktur amorf (Gambar 1). Hasilnya 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 kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B ditunjukkan dalam Gambar 2. Eksperimen dilakukan pada laju pemanasan 20 °C/min. Partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B menunjukkan dua puncak eksotermik yang menunjukkan dua proses kristalisasi tahap. Suhu dari dua puncak eksotermik ditandai dalam Gambar 2, yang dapat membantu memilih suhu anil partikel amorf dalam kerja selanjutnya. Hasil ini selaras dengan data XRD.
Kurva DSC partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B
Properti magnetik partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B yang disiapkan dikarakterisasi dengan AGM pada suhu ruang. Kurva histeresis magnet ditunjukkan dalam Gambar 3. Magnetisasi saturasi (Ms) partikel Fe-B dan Fe-Ni-B adalah 75 emu/g dan 51 emu/g, masing-masing. Selain itu, tidak ada koersi dan remanensi yang diamati pada kurva histeresis, mengonfirmasi superparamagnetisme partikel F-B dan Fe-Ni-B. Ms partikel Co-B adalah 27 emu/g; partikel-partikel ini juga menunjukkan perilaku superparamagnetik. Selain itu, Ms partikel Fe-B dan Fe-Ni-B sekitar 2,8- dan 1,9 kali lebih besar dari partikel Co-B, masing-masing. Kita juga dapat melihat bahwa Ms partikel Fe-B lebih tinggi dari partikel Fe3O4 dan CoFe2O4 [26]. Struktur, ukuran, magnetisasi, dan konsentrasi berbagai sampel FF dapat dilihat dalam Tabel 1.
Kurva histeresis partikel Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B
Kemudian kami menyelidiki morfologi partikel amorf dalam FF dengan TEM (Gambar 4). FF dicairkan kemudian disperdi dalam ultrasonik selama 20 menit. Film pendukung yang menempel dengan jaring tembaga direndam dalam FF yang dicairkan. Specimen disiapkan dengan baik setelah mengeringkan sampel dalam oven selama 30 menit. Gambar TEM yang ditunjukkan dalam Gambar 4 menunjukkan bahwa partikel amorf dalam FF hampir berbentuk bola. Diameter rata-rata partikel amorf adalah ~15 nm.
Gambar TEM Fe-B FF (a), Fe-Ni-B FF (b), dan Co-B FF (c)
Properti magnetoviskos tiga FF amorf (Fe-B FF, Fe-Ni-B FF, dan Co-B FF) dengan 1,8 wt% partikel magnetik diselidiki oleh reometer dengan medan magnet eksternal yang dapat dikontrol. Viskositas setiap sampel diukur dua kali pada suhu konstan 25 °C. Setiap kali sampel melewati satu siklus pengayun laju syer naik dari 100 hingga 1000 1/s dan kemudian turun dari 1000 hingga 100 1/s. Nilai rata-rata diperoleh dengan menghitung viskositas pada laju syer yang sama. Kurva viskositas-laju syer FF amorf di bawah berbagai medan magnet eksternal pada skala logaritma ditunjukkan dalam Gambar 5. Semua FF amorf (Fe-B FF dalam Gambar 5a, Fe-Ni-B FF dalam Gambar 5b, dan Co-B FF dalam Gambar 5c) menunjukkan perilaku penurunan viskositas di bawah berbagai medan magnet. Viskositas menurun seiring bertambahnya laju syer. Fe-B FF memiliki viskositas yang lebih besar dari Fe-Ni-B FF dan Co-B FF. Ini karena Ms nanopartikel amorf Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B.
Viskositas sebagai fungsi laju syer 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 dalam Gambar 6. Hasilnya menunjukkan bahwa viskositas semua FF amorf meningkat seiring bertambahnya medan magnet eksternal. Ini selaras dengan hasil dalam Gambar 5. Nanopartikel magnetik amorf dalam FF menyusun ulang orientasinya ketika medan magnet diterapkan. Ia menyelaraskan dalam arah medan magnet. Interaksi dan susunan nanopartikel dalam FF menjadi lebih kuat seiring bertambahnya intensitas medan magnet, yang mengarah pada resistensi aliran yang meningkat. Sebagai tambahan, laporan sebelumnya menunjukkan bahwa dengan bertambahnya medan magnet, struktur rantai atau titik, dan agregasi dapat terbentuk dalam FF, yang mengarah pada peningkatan viskositas yang luar biasa. Perilaku penurunan viskositas yang diamati dalam Gambar 5 dapat dijelaskan dengan pemecahan rantai atau titik ini karena syer. Nanopartikel mulai menyusun ulang orientasinya dalam arah syer ketika laju syer yang diterapkan meningkat. Selain itu, peningkatan laju syer menghancurkan rantai atau agregasi berbentuk titik; 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 leleh FF dapat diperoleh melalui ekstrapolasi linier, dan tangkuk dari setiap kurva fitting dianggap sebagai tegangan leleh FF pada medan magnet yang sesuai [27]. Oleh karena itu, tegangan leleh tiga FF amorf di bawah berbagai medan magnet diperoleh dalam Gambar 7. Ini menunjukkan bahwa tegangan leleh FF meningkat seiring bertambahnya kekuatan medan magnet terutama untuk Fe-B FF amorf. Ini karena struktur rantai atau titik serta agregasi terbentuk di bawah medan magnet yang diterapkan. Gaya antara nanopartikel amorf menjadi lebih kuat seiring bertambahnya kekuatan medan magnet. Kerja sebelumnya menunjukkan bahwa tegangan leleh FF amorf adalah karena magnetisasi nanopartikel magnetik amorf.
Tegangan leleh sebagai fungsi medan magnet untuk Fe-B FF, Fe-Ni-B FF, dan Co-B FF
Hipotermi FF telah mendapat perhatian besar karena keamanannya dan beban fisik atau mental yang terbatas pada pasien. Hipotermi seperti ini diinduksi oleh efek pemanasan dalam medan magnet arus bolak-balik (AC). Kami mempelajari efek hipotermi FF dengan nanopartikel amorf berbasis Fe, yaitu Fe-B FF dan Fe-Ni-B FF. Peta skematis perangkat eksperimen ditunjukkan dalam Gambar 8a. Termometer inframerah dengan akurasi 0,1 °C mencatat suhu dalam eksperimen pemanasan magnetik. Kesalahan dalam pengukuran suhu kami adalah 1 °C. Uji dilakukan pada suhu ruang. Eksperimen pemanasan magnetik dilakukan dengan mengubah arus output yang bervariasi dari 150 hingga 300 A. Kemudian, 50 ml Fe-B FF dan Fe-Ni-B FF pada 5 wt% ditetapkan. Kondisi eksperimen seperti yang dijelaskan sebelumnya. Frekuensi kerja pemanas induksi dalam eksperimen kami adalah 90 kHz. Frekuensi kerja adalah 50–100 kHz, yang aman untuk aplikasi biomedis.
Peta skematis perangkat eksperimen 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 dalam Gambar 8b, c. Suhu dari Fe-B FF dalam Gambar 8b dan Fe-Ni-B FF dalam Gambar 8c meningkat secara signifikan seiring waktu. Suhu meningkat seiring bertambahnya arus output listrik. Suhu FF di bawah berbagai arus output dicatat pada 2000 s (dalam Tabel 2). Ketika arus output listrik dikontrol pada 150 A, suhu dapat naik ke 32,5 °C untuk Fe-B FF dan ke 32,6 °C untuk Fe-Ni-B FF. Ketika arus output adalah 300 A, suhu stabil akhir adalah 61,6 °C dan 51,2 °C untuk Fe-B FF dan Fe-Ni-B FF, masing-masing. Efisiensi pemanasan efek hipotermi Fe-B FF sekitar 20,3% lebih tinggi dari Fe-Ni-B FF (Tabel 2). Hasil hipotermi menunjukkan bahwa ketika arus listrik dikontrol pada 300 A, suhu Fe-B FF dan Fe-Ni-B FF dapat naik ke 42 °C dalam 750 s dan 960 s, masing-masing. Laju penyerapan spesifik (SAR) dapat dihitung dari kurva pemanasan yang didukung medan [52, 53]. Kapasitas panas spesifik dan densitas air dalam kami dianggap sebagai 4,18 J g⁻¹ K⁻¹ dan 1 g/cc, masing-masing. Nilai SAR adalah 21,91 W/g untuk Fe-B FF dan 19,48 W/g untuk Fe-Ni-B FF, masing-masing. Nilai SAR adalah 76,15 W/g dan 69,97 W/g untuk Fe-B FF dan Fe-Ni-B FF, masing-masing, ketika arus output adalah 300 A. Eksperimen pemanasan menunjukkan bahwa intensitas medan magnet bolak-balik yang diinduksi oleh arus listrik mempengaruhi hipotermi FF amorf. Pemanasan dapat dikontrol secara efektif dengan menyesuaikan arus output.
Efek pemanasan FF aqueous terutama berasal dari mekanisme relaksasi Neel (putaran dipol magnetik dalam partikel) dan relaksasi Brownian (putaran partikel terhadap resistensi hidrodinamik medium pembawa) [54,55,56]. Berdasarkan teori domain, diameter kritis domain tunggal adalah 19,6 nm, 19,2 nm, dan 42,4 nm untuk nanopartikel Fe, Co, dan Ni, masing-masing [57]. Di sini, kami asumsikan bahwa nanopartikel amorf Fe-B dan Fe-Ni-B harus memiliki struktur domain tunggal. Spins magnetik menyelaraskan secara acak di bawah tidak ada medan eksternal karena energi termal. Ketika medan AC diterapkan, domain tunggal mengubah orientasi magnetisasinya sebagai respons terhadap medan AC, dan energi magnetik secara simultan diubah menjadi energi termal. Kami menyimpulkan bahwa Fe-B FF amorf dan Fe-Ni-B FF amorf memiliki efek pemanasan yang signifikan yang menunjukkan bahwa Fe-B FF amorf dan Fe-Ni-B FF amorf memiliki masa depan yang menjanjikan untuk terapi hipotermi.
Kesimpulan
Nanopartikel amorf magnetik Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B serta FF amorf yang sesuai berhasil disintesis. Nanopartikel homogen dengan struktur amorf. Bentuk partikel amorf reguler. Nanopartikel amorf Fe-B, Fe-Ni-B, dan Co-B menunjukkan superparamagnetik. Ms nanopartikel amorf Fe-B dan Fe-Ni-B adalah 75 emu/g dan 51 emu/g. Ini sekitar 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 leleh meningkat seiring bertambahnya medan magnet. Hasil hipotermi menunjukkan bahwa ketika arus output listrik bolak-balik dikontrol pada 300 A, suhu Fe-B FF dan Fe-Ni-B FF dapat naik ke 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 properti magnetoviskos FF amorf dan mekanisme efek hipotermi untuk FF amorf masih tidak jelas dan akan merangsang kerja masa depan.
