Nanočástice oxidu železa a kompozitní materiály na jejich bázi pro magnetickou hypertermii

Ilona Sergeevna SMOLKOVÁ

Doctoral thesis

Iron Oxide Nanoparticles and Polymer Composites on Thereof for Magnetic Hyperthermia

Abstract:

Magnetická hypertermie je progresivní metoda neinvazivní léčby nádorů, která prokázala svoji užitečnost v in-vitro a in-vivo studiích; nicméně pro klinické aplikace jsou z důvodu biologických limitů amplitudy (<=15 kA m-1) a frekvence (100 kHz - 1 MHz) střídavého magnetického pole vyžadovány magnetické materiály s vysokými hodnotami specifického ztrátového výkonu, aby bylo možno dosáhnout teplot 42 - 45 °C. Pro klinické aplikace je také třeba vyřešit problém rovnoměrné distribuce a udržení magnetického materiálu v nádoru. Tato disertační práce se zabývá přípravou nanočástic oxidu železa a polymerních kompozitů na jejich bázi, kombinujících magnetické a reologické vlastnosti a schopnost absorpce energie magnetického pole, pro aplikace v magnetické hypertermii, zejména pro arteriálně-embolizační hypertermii. Magnetické nanočástice oxidu železa byly připraveny metodou koprecipitace za podmínek zajišťujících kontrolovanou nukleaci a růst částic, vedoucích ke vzniku uniformních a vysoce krystalických nanočástic a reprodukovatelnosti magneto-strukturních vlastností. Získaný materiál je směsí jednofázových nanočástic magnetitu a maghemitu s téměř kulovitý tvarem. Přestože rozměr nanočástic odpovídá jedno-doménovému stavu v superparamagnetickém režimu, materiál vykazuje feromagnetické chování vzhledem k silným magnetickým mezičásticovým interakcím. Nanočástice byly žíhány ve vzduchu při 300 °C, aby byla zajištěna stabilita magnetických vlastností v čase. Žíhání nezmění velikost ani tvar částic, způsobuje ale k transformaci magnetitu na maghemit. Disperze takto připravených a žíhaných nanočástic ve viskózním glycerolu vykazuje vysokou rychlost ohřevu ve střídavých magnetických polích při nízkých amplitudách, kdy se teplota zvýší z 37 °C na 45 °C za deset sekund. Hodnota měrného ztrátového výkonu je 10 - 30 W.g-1. Generování tepla nanočásticemi je způsobeno kombinovaným vlivem magnetických mezičásticových interakcí a vlastnostmi nosného média. Feromagnetické chování materiálu je odpovědné za vysokou energetickou bariéru relaxace magnetického momentu, vedoucí k vysokým energetickým ztrátám. Nízká měrná tepelná kapacita glycerolu současně přispívá k přenosu tepla v magnetické disperzi. Vysoká viskozita glycerolu ale zároveň omezuje měrný ztrátový výkon, protože je zde Brownův relaxační mechanismus pro absorpci střídavé magnetické energie téměř potlačen. V této práci je navrženo řešení problematiky dopravy magnetických nanočástic do nádoru a jejich rovnoměrné distribuce a udržení v daném místě za pomoci bi-funkčního polymerního magnetického kompozitu, kombinujícího schopnost embolizace a vysokou efektivitu ohřevu ve střídavých magnetických polích. Za tímto účelem byl vyvinut kompozit na silikonové bázi, obsahující nanočástice maghemitu. Výchozí složky kompozitu byly zvoleny tak, aby materiál zůstal tekutý po dobu 20 minut, umožňující dopravu a naplnění vaskulárního systému nádoru pomocí katetru. Po indukční periodě rapidně vzroste viskozita a vytvoří se měkký embolus, který způsobí okluzi nádorových cév. Rentgen-kontrastních vlastností kompozitu požadovaných pro monitoring jeho depozice je dosaženo přídavkem jodidu draselného. Magnetické nanočástice rovnoměrně distribuované v kompozitu způsobují jeho rychlý ohřev při expozici střídavému magnetickému poli. Hodnota měrného ztrátového výkonu nezávisí na koncentraci nanočástic, protože tepelné ztráty v kompozitu jsou způsobeny výhradně Néelovou relaxací magnetického momentu. Dosažené hodnoty měrného ztrátového výkonu tak patří mezi nejvyšší pro daný typ materiálu.

Abstract:

Magnetic hyperthermia is a progressive method of non-surgical tumour treatment which demonstrated it's relevance in in-vitro and in-vivo studies; however, due to biological constraints on the amplitude (<= 15 kA m-1) and frequency (100 kHz - 1 MHz) of AC magnetic field, magnetic materials with high value of specific loss power are required for clinical application in order to reach temperatures of 42 - 45 °C. Moreover the problem of uniform distribution and retention of magnetic material in the tumor has to be solved. The present doctoral thesis deals with preparation of iron oxide nanoparticles and polymer composites on thereof with a complex of magnetic, AC magnetic field energy absorption and rheological properties for the application in magnetic hyperthermia, particularly for the arterial embolization hyperthermia. Magnetic iron oxide nanoparticles were obtained by coprecipitation method in a controlled growth process leading to the formation of uniform and highly crystalline nanoparticles with repeatable magneto-structural properties. The material obtained represents a mixture of single-phase nanoparticles of magnetite and maghemite with nearly spherical shape. Though the size of nanoparticles corresponds to the single-domain state in the superparamagnetic regime, the material demonstrates ferromagnetic behavior due to strong magnetic interparticle interactions. Nanoparticles were annealed at 300 °C in air in order to ensure the stability of magnetic properties over time. The annealing of the particles does not change their size and shape, but transforms magnetite to maghemite. The dispersion of as-prepared and annealed nanoparticles in viscous glycerol medium shows the high heating rate in alternating magnetic field at moderate field amplitudes, the temperature increases from 37 °C to 45 °C in tens of seconds. The value of specific loss power is of 10 - 30 W.g-1 depending on nanoparticles concentration and field parameters. The feature of heat output is explained by the combined effect of magnetic interparticle interactions and the properties of the carrier medium. Ferromagnetic behavior of material accounts for the higher energy barrier for magnetization reversal leading to high magnetic losses. At the same time, low specific heat capacity of glycerol intensifies heat transfer in the magnetic dispersion. However, high viscosity of glycerol limits the specific loss power, since the Brown relaxation mechanism of AC magnetic field energy absorption is almost suppressed in this system. In the current doctoral thesis the problem of magnetic nanoparticles delivery, uniform distribution and retention in the tumor is suggested to be solved by using a bi-functional polymer magnetic composite, combining the embolization ability and high heating efficiency in AC magnetic fields. To this end, maghemite nanoparticles based silicone composite was developed. The initial components of the composite are selected so that the material stays liquid during 20 minutes, providing the opportunity for transcatheter transportation and filling of the tumor vascular system. After the induction period the viscosity increases rapidly and soft embolus is formed causing the occlusion of the tumour's blood vessels. The radiopaque property of composite required for the monitoring of its deposition is achieved by the addition of potassium iodide. Magnetic nanoparticles uniformly distributed in the composite provide its rapid heating under exposure to the AC magnetic field. The SLP value does not depend on nanoparticles concentration as solely Néel relaxation of magnetization accounts for heat losses in composite. The achieved value of specific loss power belongs to the highest possible for such type of material.

Keywords

Polymerní kompozity, nanočástice oxidu železa, nanomagnetism, magnetická hypertermie.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 6. 2014

Accessible from:: 11. 6. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 18. 7. 2014

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds