Optimisasi Pembangkitan Panas pada Nanopartikel Magnetik Silinder Triple-Vortex untuk Hipertermia Kanker

Abstrak

Metode yang sudah terbukti untuk mengobati tumor kanker adalah hipertermia magnetik, yang menggunakan panas lokal yang dihasilkan oleh mekanisme relaksasi partikel magnetik (MNP) dalam medan magnet bolak-balik frekuensi tinggi. Dalam karya ini, kami menyelidiki efisiensi pemanasan silinder NiFe MNP, yang diproduksi dengan elektrodepositasi pulse assisted templat digabungkan dengan ets kimia diferensial. Geometri silinder MNP memungkinkan pembentukan status triple vortex, yang meningkatkan efisiensi pembangkitan panas hingga empat kali lipat. Menggunakan pengukuran kalorimetri time-dependent, laju penyerapan spesifik (SAR) dari MNP ditentukan dan dibandingkan dengan perhitungan numerik dari simulasi mikromagnet dan pengukuran magnetometer sampel getar. Pembalikkan magnetisasi MNP dengan aspek rasio tinggi menunjukkan remanensi magnetisasi yang lebih tinggi dan kerendahan medan rendah yang mengarah pada histeresis loss yang lebih tinggi, yang tercermin dalam nilai SAR eksperimental dan teoretis yang lebih tinggi. Ketergantungan SAR pada kekuatan medan magnet menunjukkan nilai SAR kecil pada medan magnet rendah dan memenuhi pada medan magnet tinggi, yang berkorelasi dengan medan koersif MNP dan ciri khas MNP ferromagnet. Optimisasi silinder NiFe MNP akan memainkan peran penting dalam menghasilkan agen hipertermia magnetik berperforma pemanasan tinggi dan biokompatibel.

Pendahuluan

Aplikasi partikel magnetik (MNP) telah diteliti secara luas dalam bidang biomedis, seperti destruksi sel magneto-mekanis [1,2,3,4], citrasi resonansi magnetik [5,6,7], pengiriman obat [8,9,10], dan hipertermia magnetik [11,12,13,14], untuk mengkompensasi kekurangan metode diagnosis dan terapi saat ini. Keuntungan terbesar MNP adalah mereka dapat dikontrol secara jarak jauh oleh medan magnet eksternal. Respons magnetik yang dihasilkan dapat berupa dissipasi panas atau torsi magnetik, yang bergantung pada konfigurasi medan magnet yang diterapkan dan dinamika magnetisasi MNP [15].

Namun, aplikasi biomedis yang berbeda memerlukan mekanisme rotasi spesifik dalam konfigurasi medan magnet yang beragam. Bio-sensor untuk bio-marker kanker menggunakan spektroskopi magnetik gerakan Brownian MNP untuk mengukur fraksi yang terikat dan waktu relaksasi MNP dalam hitungan detik [16]. Dalam citrasi partikel magnetik untuk kuantifikasi konsentrasi MNP, diperlukan relaksasi Néel MNP, sementara relaksasi Brownian, yang disebabkan oleh distribusi ukuran MNP, harus dikurangi [17]. Dua mekanisme yang ada untuk proses relaksasi MNP adalah relaksasi Néel dan Brownian, yang menghasilkan dissipasi panas atau rotasi spasial MNP. Relaksasi Néel berkaitan dengan reorientasi momen magnetik MNP ke medan magnet, sementara relaksasi Brownian berkaitan dengan rotasi spasial MNP [18,19,20].

Waktu relaksasi Néel (t_N) dan Brownian (t_B) diberikan oleh:

$$ t_N = t_0 e^{\frac{KV}{k_BT}} \quad \text{dan} \quad t_B = \frac{3\eta V}{k_BT} $$

di mana η adalah koefisien viskositas, t_0 adalah frekuensi upaya invers, K adalah konstanta anisotropi magnetik, V adalah volume MNP, k_B adalah konstanta Boltzmann, dan T adalah suhu. Dalam prinsipnya, mekanisme yang lebih cepat mendominasi, tetapi baik mekanisme Néel maupun Brownian dapat terjadi secara bersamaan, terkopel melalui dissipasi panas dan torsi magnetik [21]. Waktu relaksasi efektif (t_eff) diberikan oleh:

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

Dalam MNP yang lebih kecil, mekanisme dominan adalah relaksasi Néel, sementara untuk MNP yang lebih besar adalah relaksasi Brownian. Dalam relaksasi Néel, magnetisasi MNP berubah arah karena rekonfigurasi momen magnetiknya dan bergantung pada ukuran MNP dan suhu. Sementara dalam relaksasi Brownian, MNP mengalami rotasi spasial dan bergantung pada kondisi eksternal, seperti viskositas dan ikatan kimia [22,23,24]. Oleh karena itu, penting untuk memahami kontribusi mekanisme relaksasi magnetik ini untuk menyesuaikan dan menyesuaikan desain MNP guna mendapatkan pembangkitan panas optimal untuk hipertermia magnetik atau torsi magnetik untuk kematian sel yang diattu magneto.

Hipertermia magnetik adalah teknik pengobatan kanker yang sudah terbukti yang menggunakan pemanasan lokal oleh MNP di bawah medan magnet bolak-balik frekuensi tinggi, untuk menginduksi apoptosis sel kanker dan regresi tumor [3, 25,26,27]. Dalam medan magnet bolak-balik, panas yang dissiptasi oleh MNP dalam satu siklus medan magnet sama dengan luas loop histeresis A, diberikan oleh:

$$ A = \int_{-H_{\max}}^{+H_{\max}} \mu_0 M(H) \, dH $$

di mana M adalah magnetisasi MNP, di bawah medan magnet bolak-balik dengan frekuensi f dan amplitudo μ_0 H_max [28,29,30]. Untuk mempertahankan dosis MNP yang rendah dan durasi perawatan yang pendek dalam hipertermia magnetik, efisiensi pemanasan MNP harus dipersempit. Pengukuran performa pemanasan MNP disebut laju penyerapan spesifik (SAR), yang diberikan oleh panas yang dissiptasi per satuan massa MNP (Wg⁻¹):

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

di mana ρ adalah densitas MNP.

Efisiensi dissipasi panas MNP dapat diukur secara eksperimental dalam bentuk SAR, yaitu energi yang dissiptasi per satuan massa MNP (Wg⁻¹), dan diberikan oleh:

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

di mana C adalah kalor spesifik medium (C_water = 4,18 Jg⁻¹ °C⁻¹), ΔT/Δt adalah kemiringan awal dari grafik waktu terhadap suhu, dan m_MNP adalah massa MNP. Namun, nilai SAR tidak sepenuhnya mewakili efisiensi pemanasan MNP karena dissipasi panas juga dipengaruhi oleh frekuensi f dan kekuatan medan magnet H. Oleh karena itu, laju penyerapan spesifik efektif atau intrinsic loss power (ILP) digunakan untuk mengkarakterisasi efisiensi pemanasan MNP, diberikan oleh:

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

Dalam silinder NiFe MNP, status triple vortex terbentuk, di mana vortex searah jarum jam dan berlawanan jarum jam terhubung di tengah MNP melalui inti vortex ketiga, resulting in konfigurasi magnetisasi tiga dimensi. Dissipasi panas teoretis dari MNP untuk aplikasi hipertermia magnetik dihitung dari loop histeresis simulasi dan pengukuran magnetometer sampel getar. Menggunakan pengukuran kalorimetri time-dependent, SAR dan ILP MNP ditentukan dan dibandingkan dengan perhitungan numerik.

Metode

Fabrikasi Nanopartikel Magnetik

Elektrodepositasi pulse assisted templat dengan ets kimia diferensial adalah metode fabrikasi yang sederhana dan murah untuk menghasilkan MNP dengan komposisi yang berbeda, Ni, Fe, atau Co. Ni₈₀Fe₂₀, Permalloy, adalah materi ferromagnet yang menunjukkan properti magnetik luar biasa seperti permeabilitas tinggi, koersivitas rendah, dan magnetostriksian hampir nol. Fabrikasi silinder MNP dimulai dengan pertumbuhan nanowai NiFe silinder yang terkomposisi secara ter modula menggunakan templat anodis aluminium oksida (AAO) assisted elektrodepositasi pulse dalam elektrolit yang terdiri dari NiSO₄, FeSO₄, dan H₃BO₃ [31,32,33,34,35]. Selanjutnya, nanowai dilepaskan dengan melarutkan templat AAO dalam NaOH. Terakhir, wilayah kaya Fe dalam nanowai di-etst secara kimia dengan pencairan HNO₃ untuk membentuk MNP. Diameter MNP ditentukan oleh ukuran pori templat AAO, sementara panjang dikontrol oleh durasi pulsa potensi tinggi V_H File Tambahan 1.

Keberadaan Sel

Sel HeLa ditanam dalam kultur 12-lubang pada 8 × 10⁴ sel/lubang dan diinkubasi dalam medium Dulbecco’s Modified Eagle’s yang dilengkapi dengan 4,5 g/L glukosa, 2 mM L-glutamine, 10% serum bayi sapi, dan 1% penicilin/streptomycin dalam atmosfer lembab pada 37 °C dan 5% CO₂. Keberadaan sel ditentukan menggunakan PrestoBlue, reagennya keberadaan sel berbasis resazurin yang permeabel, yang menggunakan kekuatan pengurangan sel hidup untuk mengukur kuantitatif proliferasi sel. Sel HeLa yang diobati 0,1 mg/ml MNP diinkubasi dengan reagennya PrestoBlue pada 37 °C dan 5% CO₂ selama 2 jam. Nilai absorbansi pada 570 nm dan 600 nm diukur oleh Tecan Infinite M200 PRO Microplate Reader. Keberadaan sel diekspresikan sebagai persentase relatif terhadap sel yang tidak terpapar MNP. Setiap eksperimen dilakukan dalam empat set eksperimental dan kontrol.

Analisis Statistik

Hasil ditampilkan sebagai mean ± standar deviasi (SD). Signifikansi statistik dianalisis menggunakan one-way analysis of variance (ANOVA) dengan OriginPro, OriginLab. Nilai p < 0,05 dianggap secara statistik signifikan.

Simulasi Mikromagnet

Konfigurasi magnetisasi MNP diselidiki menggunakan program simulasi mikromagnet yang dipercepat GPU, MuMax3, untuk menyelesaikan persamaan Landau–Lifshitz–Gilbert (LLG) dalam tiga dimensi [36]. Simulasi mikromagnet ini memberikan wawasan tentang konfigurasi magnetisasi MNP pada level mikroskopik, yang menunjukkan korelasi antara model analitis dan observasi dari hasil eksperimental. Energi total sistem dijelaskan oleh:

$$ E_{\mathrm{Total}} = E_{\mathrm{Exchange}} + E_{\mathrm{Anisotropy}} + E_{\mathrm{Zeeman}} + E_{\mathrm{Dipolar}} = -\int \mu_0 H_{\mathrm{eff}}(r) \cdot M(r) \, d^3r $$

di mana \( H_{\mathrm{eff}} = -\frac{1}{\mu_0} \nabla_M E \). Persamaan Landau–Lifshitz–Gilbert (LLG) menggambarkan precesi magnetisasi M dalam medan magnet efektif H_eff dengan damping α.

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

di mana \( \gamma M(r) \times H_{\mathrm{eff}}(r) \) adalah precesi M(r) dalam medan lokal H_eff(r) dan \( \frac{\overline{\alpha}}{M_s} M(r) \times \left( M(r) \times H_{\mathrm{eff}}(r) \right) \) adalah istilah damping empiris. Parameter materi untuk Permalloy Ni₈₀Fe₂₀ digunakan: saturasi magnetisasi M_s sebesar 860 × 10³ A/m, konstanta kekakuan pertukaran A_ex sebesar 1,3 × 10⁻¹¹ J/m, anisotropi kristal nol k = 0, dan konstanta damping Gilbert α sebesar 0,01. Ukuran sel 5 nm × 5 nm × 5 nm digunakan untuk semua simulasi, yang cukup kecil dibandingkan dengan panjang pertukaran.

Setup Eksperimental untuk Hipertermia Magnetik

SAR diperoleh secara eksperimental dari pengukuran kalorimetri time-dependent dengan mengekspos MNP pada medan magnet bolak-balik yang dihasilkan oleh pemanas induksi frekuensi tinggi. MNP dalam suspensi air dengan konsentrasi 0,05–0,1 mg/ml dicampur dalam tabung falcon, yang diisolasi dengan styrofoam dan dikelilingi oleh coil induksi. Suhu coil dipertahankan pada 28,0 ± 0,5 °C oleh pendingin air beredar. Suhu awal suspensi dipertahankan pada 28,0 ± 0,5 °C selama 1 menit untuk menghilangkan kontribusi panas dari coil induksi. Rentang medan magnet bolak-balik 15,9 hingga 47,8 kAm⁻¹ dan frekuensi tetap 360 kHz diterapkan, dalam kriteria untuk hipertermia magnetik klinis.

Hasil dan Pembahasan

Karakterisasi Nanopartikel Magnetik

Komposisi silinder NiFe MNP yang diproduksi ditentukan oleh V_H atau komposisi elektrolit. Untuk menunjukkan tingkat kontrol yang besar atas komposisi MNP, berbagai komposisi MNP telah diproduksi (Ni₈₈Fe₁₂, Ni₇₆Fe₂₄, Ni₅₂Fe₄₈, dan Ni₃₆Fe₆₄) dan diverifikasi oleh spektroskopi sinar-X dispersi energi (EDX). Gambar 1 menunjukkan loop histeresis yang dinormalisasi yang diperoleh oleh pengukuran magnetometer sampel getar (VSM) untuk NiFe MNP dengan berbagai komposisi. Medan magnet ditingkatkan ke nilai yang cukup untuk mengatasi anisotropi magnetik efektif sehingga magnetisasi mencapai saturasi. Rasio kuadrat SQR adalah pengukuran dasar seberapa kuadrat loop histeresis, diberikan oleh:

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

Nilai koersivitas H_c dan SQR = M_r/M_s untuk medan magnet applied in-plane dan out-of-plane ditabalkan dalam Tabel 1. Secara umum, tren H_c in-plane lebih tinggi dari H_c out-of-plane untuk MNP Ni-rich (Ni₈₈Fe₁₂, Ni₇₆Fe₂₄, dan Ni₅₂Fe₄₈), tetapi terbalik untuk MNP Fe-rich (Ni₃₆Fe₆₄), yang sesuai dengan studi sebelumnya tentang co-deposisi anomali nanowai NiFe [37].

Coating Permukaan Biokompatibel

NiFe MNP cenderung mengagregasi karena efek interaksi dipol kuat antara MNP tetangga. Oleh karena itu, modifikasi permukaan MNP menggunakan polimer biokompatibel dan biodegradable [38, 39], seperti chitosan [40,41,42], polyvinyl alcohol [43,44,45], asam oleat [46,47,48], dekstran [49, 50], dan yang paling umum polyethylene glycol (PEG) [51,52,53,54,55,56], telah diusulkan. PEG adalah polimer hidrofilik yang telah banyak digunakan untuk meningkatkan sirkulasi darah liposom dan MNP [57,58,59,60]. Untuk mendispergi silinder NiFe MNP ke dalam air, PEG 5000 g mol⁻¹ biokompatibel digunakan sebagai stabilizer [61]. Citra SEM menunjukkan pembentukan cangkang oksida di sekitar MNP, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2a. Cangkang oksida ini mencegah oksidasi materi magnetik dalam MNP. Penelitian sebelumnya pada MNP FeCo dan Fe telah menunjukkan oksidasi parah hanya karena paparan ke atmosfer [61, 62].

Pola difraksi sinar-X (XRF) terutama diindeks pada bidang kristal (111) yang sesuai dengan struktur face-centered cubic (fcc) NiFe bulk, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b. Ini mengindikasikan bahwa MNP di-elektrodepositasi dengan orientasi yang diinginkan (111), yang juga jelas dalam nanowai NiFe yang diproduksi oleh elektrodepositasi atau sputtering [63, 64]. Selain itu, tidak ada puncak difraksi yang sesuai dengan oksida spinel ((NiFe)₃O₄), yang timbul dari pembentukan fasa oksida karena konsentrasi Fe yang tinggi [65]. Kristalinitas tinggi NiFe MNP mengarah pada spin canting permukaan yang tidak signifikan dan oleh karena itu mempertahankan saturasi magnetisasi tinggi dan koersivitas kecil MNP. Karakterisasi lebih lanjut untuk NiFe MNP yang dilapisi PEG dilakukan menggunakan pengukuran EDX. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2c, terutama elemen Ni dan Fe terdeteksi, dengan kehadiran persentase kecil elemen O, indikasi pembentukan cangkang oksida di sekitar MNP.

Dari Gambar 2d, keberadaan sel HeLa yang terpapar MNP NiFe tanpa lapisan dan yang dilapisi PEG setelah 24 jam adalah 82,2% dan 82,6%, masing-masing. Setelah 48 jam, keberadaan sel sedikit berkurang menjadi 79,9% dan 82,1%, menampilkan biokompatibilitas yang sedikit lebih tinggi untuk MNP yang dilapisi PEG. MNP NiFe tanpa cangkang apapun beracun pada sel mamalia dan akan mempengaruhi keberadaan sel. Lapisan PEG sangat biokompatibel dan dapat mengurangi sitotoksisitas dan internalisasi MNP ke dalam sel melalui endositosis [66, 67]. Sitotoksisitas silinder NiFe MNP pada sel HeLa dapat dibandingkan dengan NP ferromagnetis komersial lainnya yang digunakan dalam penelitian hipertermia magnetik [68].

Dinamika Magnetisasi

Komposisi MNP dipertahankan pada Permalloy Ni₈₀Fe₂₀, sementara panjang (l) dan diameter (d) MNP bervariasi. Kontribusi energi pertukaran, energi demagnetisasi, atau energi dipolar, dan energi Zeeman terhadap energi total MNP diplot sebagai fungsi dari medan magnet applied H sepanjang sumbu panjang MNP dalam Gambar 3a–d, masing-masing. MNP pertama kali disaturasi oleh medan magnet kuat sejajar dengan sumbu panjangnya. Pada medan magnet besar, kontribusi energi Zeeman mendominasi dan spin sebagian besar sejajar dengan arah medan. Susunan paralel spin terhadap medan ini meminimalkan kontribusi energi pertukaran terhadap energi magnet total. Ketika medan magnet applied dikurangi, nuksleasi vortex searah jarum jam dan berlawanan jarum jam terjadi di ujung MNP, yang progresif menuju tengah MNP, resulting in penurunan gradien dari komponen magnetisasi paralel yang menyebabkan penurunan kontribusi Zeeman, sementara kontribusi lainnya semakin signifikan. Magnetisasi MNP mencoba meminimalkan medan samar, dan dengan demikian mengurangi energi demagnetisasi. Pada medan magnet yang cukup rendah, status triple vortex terbentuk, yang merupakan konfigurasi magnetisasi stabil, dengan energi total dijaga pada minimum. Ketika medan magnet terbalik, penurunan tajam energi pertukaran sesuai dengan pemisahan tiba-tiba dari dua vortex.

MNP dengan berbagai panjang (l) ditemukan memiliki konfigurasi magnetisasi yang sangat berbeda. Pada panjang l di bawah 100 nm, hanya satu vortex yang ternukleasi, yang merupakan struktur domain flux tertutup in-plane, akibat interaksi antara energi magnetostatik dan energi pertukaran. Untuk l di atas 100 nm, pasang inti vortex berlawanan jarum jam dan searah jarum jam di ujung MNP ternukleasi—status double vortex. Ketika medan magnet menurun, salah satu vortex dimusnahkan, runtuh menjadi status single vortex. Namun, pada l di atas 300 nm, tidak ada pemusnahan vortex pada medan rendah, sebagai gantinya inti vortex ketiga ternukleasi pada permukaan lengkung MNP—status triple vortex.

Pengukuran Kalorimetri

MNP Ni₈₀Fe₂₀, dengan l = 500 nm dan d = 350 nm, diekspos pada medan magnet bolak-balik 15,9 hingga 47,8 kAm⁻¹ (200 hingga 600 Oe), dan kurva waktu-suhu ditampilkan dalam Gambar 4a. Seperti yang ditentukan oleh persamaan SAR, nilai SAR dihitung menjadi 427 Wg⁻¹, 1054 Wg⁻¹, dan 1742 Wg⁻¹, untuk 15,9 kAm⁻¹, 31,9 kAm⁻¹, dan 47,8 kAm⁻¹, masing-masing. Seperti yang diprediksi, semakin besar kekuatan medan magnet, semakin besar nilai SAR, yaitu, nilai SAR proporsional terhadap kekuatan medan magnet. Oleh karena itu, ILP diperoleh untuk memberikan evaluasi yang lebih baik atas efisiensi pemanasan MNP untuk hipertermia magnetik. Seperti yang ditentukan oleh persamaan ILP, nilai ILP dihitung menjadi 4,69 nHm²kg⁻¹, 2,88 nHm²kg⁻¹, dan 2,12 nHm²kg⁻¹, untuk 15,9 kAm⁻¹, 31,9 kAm⁻¹, dan 47,8 kAm⁻¹ pada 360 kHz, masing-masing.

Selanjutnya, MNP NiFe, dengan d = 350 nm dan l = 100–500 nm, diekspos pada medan magnet bolak-balik 47,8 kAm⁻¹ (600 Oe), dan kurva waktu-suhu ditampilkan dalam Gambar 4b. Seperti yang ditentukan oleh persamaan SAR, nilai SAR dihitung menjadi 409 Wg⁻¹, 618 Wg⁻¹, dan 1742 Wg⁻¹, untuk l = 100 nm, 200 nm, dan 500 nm pada 47,8 kAm⁻¹ dan 360 kHz, masing-masing. Seperti yang ditentukan oleh persamaan ILP, nilai ILP dihitung menjadi 0,50 nHm²kg⁻¹, 0,75 nHm²kg⁻¹, dan 2,12 nHm²kg⁻¹ untuk l = 100 nm, 200 nm, dan 500 nm pada 47,8 kAm⁻¹ dan 360 kHz, masing-masing.

MNP dengan l = 500 nm memiliki efisiensi pemanasan yang jauh lebih besar dibandingkan MNP dengan l = 100 nm dan 200 nm, resulting in kenaikan suhu yang lebih signifikan. Nilai SAR tertinggi dari MNP dengan l = 500 nm adalah 1742 Wg⁻¹ pada 47,8 kAm⁻¹ dan 360 kHz. Untuk perbandingan, nilai SAR untuk medan magnet 15,9 hingga 31,9 kAm⁻¹ (200 hingga 400 Oe) dan MNP dengan d = 350 nm dan l = 100–500 nm ditabalkan dalam Gambar 4c. Dalam kondisi yang sama, nilai SAR dan ILP MNP dengan l = 500 nm empat kali lipat lebih tinggi dibandingkan MNP dengan l yang lebih kecil. Dari simulasi mikromagnet, diamati bahwa seiring meningkatnya l ke > 300 nm, proses pembalikkan magnetisasi MNP berubah dari status double vortex ke triple vortex. Pada l < 300 nm, hanya status single vortex atau double vortex yang diamati. Remanensi magnetisasi M_r MNP jauh lebih tinggi untuk status triple vortex dibandingkan status single atau double vortex.

Untuk MNP single domain, model teoretis untuk menghitung loop histeresis dinamis telah diajukan oleh Carrey et al. [69] Untuk MNP multi-domain, penggunaan simulasi mikromagnet untuk memperoleh loop histeresis statis untuk perhitungan adalah wajar untuk MNP dengan ukuran besar, di atas ukuran kritis untuk superparamagnetism, karena waktu switching magnetisasi adalah urutan 10⁻⁹ s. Karena waktu switching hipertermia magnetik adalah urutan ~ 10⁻⁶ s, MNP besar mampu mengikuti medan magnet bolak-balik. Luas loop histeresis yang diperoleh dari simulasi mikromagnet silinder NiFe MNP dan pengukuran VSM digunakan untuk menghitung nilai SAR secara teoretis dan ditabalkan dalam Gambar 4d.

Nilai SAR MNP dengan l = 100 nm dan 200 nm menampilkan nilai SAR kecil pada medan magnet rendah di bawah H_c dan meningkat tajam hingga mencapai memenuhi pada medan magnet tinggi, yang merupakan ciri dari regime ferromagnet. Sebaliknya, ketergantungan medan magnet dari nilai SAR MNP l = 500 nm, dengan status triple vortex, mengikuti hubungan non-linear dengan nilai SAR yang ~ 6 kali lebih besar. Remanensi magnetisasi M_r tinggi dari status triple vortex dalam MNP l = 500 nm jelas dari nilai SAR non-nol pada medan magnet rendah. Perbandingan antara pengukuran kalorimetri (Gambar 4c) dan perhitungan numerik (Gambar 4d) menunjukkan kualitatif dan kuantitatif persetujuan pada fitur MNP dalam regime ferromagnet, menampilkan nilai SAR kecil pada medan magnet rendah dan memenuhi pada medan magnet tinggi yang berkorelasi dengan H_c MNP.

Dissipasi panas MNP NiFe dengan status triple vortex dibandingkan untuk d = 150–350 nm, di bawah medan magnet bolak-balik 47,8 kAm⁻¹ (600 Oe), dan kurva waktu-suhu ditampilkan dalam Gambar 5a. Nilai SAR dan ILP dihitung menjadi 1785 Wg⁻¹, 2073 Wg⁻¹, dan 2750 Wg⁻¹ dan 2,17 nHm²kg⁻¹, 2,52 nHm²kg⁻¹, dan 3,34 nHm²kg⁻¹, untuk d = 350 nm, 250 nm, dan 150 nm, masing-masing. MNP dengan d = 150 nm dan 250 nm mampu mencapai suhu terapeutik optimal 43 °C dalam 4,92 menit dan 7,45 menit pada konsentrasi 0,1 mg/ml. Membandingkan MNP dengan aspek rasio yang berbeda, diamati bahwa efisiensi pemanasan MNP d = 150 nm adalah 1,54 kali lebih besar dari MNP d = 350 nm. Ini karena MNP dengan d = 150 nm memiliki kerendahan medan tertinggi dan M_r. Oleh karena itu, nilai SAR erat kaitannya dengan proses pembalikkan magnetisasi MNP dengan variasi baik l maupun d.

Dari simulasi mikromagnet, dapat diamati bahwa luas histeresis A berkembang secara signifikan dengan diameter (d) MNP. Oleh karena itu, nilai SAR MNP d = 150 nm meningkat sangat cepat dan memenuhi pada nilai SAR maksimum 6263 Wg⁻¹. Perhitungan numerik menunjukkan bahwa MNP dengan aspek rasio lebih tinggi memiliki histeresis loss yang lebih tinggi, resulting in nilai SAR teoretis yang lebih tinggi, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5b. Perbandingan antara pengukuran kalorimetri (Gambar 5a) dan perhitungan numerik (Gambar 5b) dalam persetujuan kualitatif yang baik, tetapi terdapat ketidaksepakatan kuantitatif dalam nilai histeresis loss. Ketidakcocokan antara nilai eksperimental dan teoretis timbul karena MNP NiFe non-superparamagnetik dan memiliki remanensi magnetisasi yang tidak bisa diabaikan, resulting in aglomerasi yang tidak diinginkan karena interaksi dipol magnetik kuat antara MNP tetangga [70, 71]. Karena volume hidrodinamis MNP adalah komponen yang mengatur gerakan Brownian, tingkat aglomerasi MNP akan menentukan mekanisme relaksasi yang mendominasi, yaitu, relaksasi Néel atau Brownian. Oleh karena itu, grup MNP yang teragregasi versus MNP tunggal yang bebas akan sangat berbeda dalam nilai SAR. Selanjutnya, medan magnet bolak-balik dapat menginduksikan pembentukan nano-kolom atau nano-rantai yang menunjukkan mekanisme relaksasi Brownian yang berbeda dan oleh karena itu menyebabkannya ketidakcocokan antara nilai eksperimental dan teoretis [72,73,74].

Kesimpulan

Nilai SAR tinggi yang ditampilkan oleh silinder NiFe MNP, dapat dibandingkan dengan MNP oksida besi (IOMNPs) dan nanoparticle oksida besi superparamagnetik (SPIONs) [28, 75], menunjukkan kemampuan MNP ini dalam dissipasi panas di bawah medan magnet bolak-balik. MNP dengan status triple vortex memiliki efisiensi pemanasan yang jauh lebih besar dibandingkan MNP dengan status double atau single vortex, yang memiliki nilai SAR empat kali lipat lebih besar, diatribusikan pada M_r tinggi MNP dalam status triple vortex. Membandingkan MNP dengan aspek rasio yang berbeda, diamati bahwa efisiensi pemanasan MNP d = 150 nm adalah 1,54 kali lebih besar dari MNP d = 350 nm karena M_r yang lebih besar dan kerendahan medan rendah. Baik pengukuran kalorimetri maupun simulasi mikromagnet menunjukkan korelasi antara proses pembalikkan magnetisasi dan histeresis loss yang lebih tinggi dari MNP d = 150 nm, resulting in nilai SAR eksperimental dan teoretis yang lebih tinggi. Kontrol yang mudah atas ukuran MNP dan properti magnetik mereka menunjukkan potensi besar untuk uji klinis hipertermia magnetik kanker in vivo.

Ketersediaan Data dan Bahan

Dataset yang dihasilkan selama dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis yang bersesuaian atas permintaan yang wajar.

Singkatan

d:

Diameter magnetic nanoparticles

EDX:

Energy-dispersive X-ray spectroscopy

H_c:

Coercivity

ILP:

Intrinsic loss power

l:

Length of magnetic nanoparticles

MNPs:

Magnetic nanoparticles

M_r:

Remanent magnetization

PEG:

Polyethylene glycol

SAR:

Specific absorption rate

SEM:

Scanning electron microscopy

SQR:

Squareness ratio

V_H:

High-potential electrodeposition pulse

VSM:

Vibrating sample magnetometer

XRD:

X-ray diffraction spectroscopy