三重涡流态圆柱形磁性纳米粒子的加热效率

介绍

磁性纳米粒子 (MNP) 的应用已在生物医学领域得到广泛研究，例如磁机械细胞破坏 [1,2,3,4]、磁共振成像 [5,6,7]、药物递送 [8,9] ,10] 和磁热疗 [11,12,13,14]，以弥补当前诊断和治疗方法的缺点。 MNP 的最大优点是它们可以通过外部磁场进行远程控制。由此产生的磁响应可以是散热或磁扭矩的形式，这取决于所施加的磁场配置和 MNP 的磁化动力学 [15]。

然而，不同的生物医学应用需要不同磁场配置中的特定旋转机制。用于癌症生物标志物的生物传感器使用 MNP 布朗运动的磁光谱在几秒钟内测量 MNP 的结合分数和弛豫时间 [16]。在用于量化 MNP 浓度的磁粉成像中，它需要 MNP 的 Néel 弛豫，而应最小化由 MNP 尺寸分布引起的布朗弛豫 [17]。 MNPs 弛豫过程存在的两种机制是 Néel 和布朗弛豫，这导致 MNPs 的散热或空间旋转。 Néel弛豫与MNP磁矩对磁场的重新定向相关，而布朗弛豫与MNP的空间旋转相关[18,19,20]。

尼尔 (t N ) 和布朗 (t B ) 弛豫时间由下式给出：

其中 η 是粘度系数，t 0 是反向尝试频率，K 是磁各向异性常数，V 是 MNP 的体积，k B 是玻尔兹曼常数，T 是温度。原则上，更快的机制占主导地位，但 Néel 和布朗机制可以同时发生，通过散热和磁扭矩耦合 [21]。有效弛豫时间 (t 效果 ) 由：

在较小的 MNP 中，主要机制是 Néel 松弛，而对于较大的 MNP，主要机制是布朗松弛。在 Néel 弛豫中，MNP 磁化由于其磁矩的重新配置而改变方向，并且取决于 MNP 的大小和温度。在布朗弛豫中，MNP 进行空间旋转并取决于外部条件，例如粘度和化学结合 [22,23,24]。因此，了解这些磁弛豫机制的贡献对于调整和调整 MNP 的设计以获得磁热疗的最佳发热或磁致驱动细胞死亡的磁扭矩非常重要。

磁热疗是一种成熟的癌症治疗技术，它利用 MNP 在高频交变磁场下进行局部加热，以诱导癌细胞凋亡和肿瘤消退 [3, 25,26,27]。在交变磁场中，MNP在一个磁场周期内耗散的热量等于磁滞回线A的面积 , 给出：

其中 M 是 MNPs 的磁化强度，在频率为 f 的交变磁场下 和幅度μ 0 H 最大 [28,29,30]。为了在磁热疗中保持较低的 MNPs 剂量和较短的治疗持续时间，必须最大限度地提高 MNPs 的加热效率。 MNPs加热性能的测量被称为比吸收率（SAR），它由MNPs每单位质量散发的热量给出（Wg ^{− 1} ):

其中 ρ 是MNPs的密度。

MNPs 的散热效率可以通过 SAR 进行实验测量，SAR 是 MNPs 每单位质量耗散的能量 (Wg ^{− 1} )，并由以下给出：

其中 C 是介质的比热（C 水 =4.18 Jg ^{− 1} °C ^{− 1} ), ΔT /Δt 是时间对温度图的初始斜率，m MNP 是 MNP 的质量。然而，SAR 值并不能完全代表 MNP 的加热效率，因为散热也受频率 f 的影响 和磁场强度H .因此，有效比吸收率或固有损耗功率 (ILP) 被用来表征 MNPs 的加热效率，由下式给出：

在圆柱形 NiFe MNP 中，形成了三重涡旋状态，其中顺时针和逆时针涡旋通过第三个涡核在 MNP 的中心连接，从而形成三维磁化配置。用于磁热疗应用的 MNP 的理论散热是根据模拟磁滞回线和振动样品磁力计测量值计算得出的。使用随时间变化的量热法测定了MNPs的比吸收率和固有损耗功率，并与数值计算进行了比较。

方法

磁性纳米粒子的制造

具有差异化学蚀刻的模板辅助脉冲电沉积是一种简单且廉价的制造方法，可生产各种成分的 MNP，Ni、Fe 或 Co。 Ni80Fe20、坡莫合金是一种铁磁材料，具有优异的磁性能，例如高磁导率、低矫顽力和接近零的磁致伸缩。圆柱形 MNP 的制造开始于使用阳极氧化铝 (AAO) 模板辅助脉冲电沉积在由 NiSO4、FeSO4 和 H3BO3 组成的电解液中生长成分调制的圆柱形 NiFe 纳米线 [31,32,33,34,35]。随后，通过将 AAO 模板溶解在 NaOH 中来释放纳米线。最后，通过稀释 HNO3 化学蚀刻纳米线中的富铁区域以形成 MNP。 MNPs的直径由AAO模板孔径决定，而长度由高电位脉冲V控制 H 持续时间 附加文件 1.

细胞活力

HeLa细胞以8 × 10 ⁴ 接种于12孔微量滴定板 细胞/孔，并在补充有 4.5 g/L 葡萄糖、2 mM L-谷氨酰胺、10% 胎牛血清和 1% 青霉素/链霉素的 Dulbecco's Modified Eagle's 培养基中在 37°C 和 5% CO2 的湿润气氛中培养。使用 PrestoBlue 测定细胞活力，PrestoBlue 是一种基于刃天青的可渗透细胞活力试剂，利用活细胞的还原能力定量测量细胞增殖。用 0.1 mg/ml MNP 处理的 HeLa 细胞与 PrestoBlue 试剂在 37°C 和 5% CO2 下孵育 2 小时。 570 nm 和 600 nm 处的吸光度值由 Tecan Infinite M200 PRO 酶标仪测量。细胞活力表示为相对于未暴露于 MNP 的细胞的百分比。每个实验重复四组实验和对照实验。

统计分析

结果表示为平均值±标准偏差（SD）。使用 OriginPro、OriginLab 的单向方差分析 (ANOVA) 分析统计显着性。一个 p <0.05的值被认为具有统计学意义。

微磁模拟

使用 GPU 加速的微磁模拟程序 MuMax3 研究了 MNP 的磁化配置，以在三个维度上求解 Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) 方程 [36]。这些微磁模拟在微观层面上提供了对 MNP 磁化配置的见解，这显示了分析模型与实验结果观察之间的相关性。系统的总能量描述为：

其中 \( {H}_{eff}=-\frac{1}{\mu_0}{\nabla}_ME \)。 Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) 方程描述了磁化强度 M 在有效磁场 H 效果 带阻尼α .

其中 γM (r ) × H 效果 (r ) 是 M 的进动 (r ) 在本地字段 H 效果 (r ) 和 \( \frac{\overline{\alpha}}{M_s}M(r)\times \left(M(r)\times {H}_{eff}(r)\right) \) 是经验值阻尼项。采用坡莫合金 Ni80Fe20 的材料参数：饱和磁化强度 M s 860 × 10 ³ A/m，交换刚度常数A 前 1.3 × 10 ^{− 11} J/m，零磁晶各向异性 k =0，和吉尔伯特阻尼常数α 0.01。 5 nm × 5 nm × 5 nm的单元尺寸用于所有模拟，与交换长度相比足够小。

磁热疗实验设置

通过将 MNP 暴露于由高频感应加热器产生的交变磁场，从与时间相关的量热测量中通过实验获得 SAR。将浓度为 0.05-0.1 mg/ml 的水悬浮液中的 MNP 倒入一个用泡沫聚苯乙烯绝缘并被感应线圈包围的 falcon 管中。通过水循环冷却器将盘管的温度保持在28.0 ± 0.5 °C。悬浮液的初始温度保持在 28.0 ± 0.5 °C 1 分钟，以消除感应线圈的任何热量贡献。 15.9 至 47.8 kAm ^{− 1} 的交变磁场范围 应用360 kHz固定频率，符合临床磁热疗标准。

结果与讨论

磁性纳米粒子的表征

制造的圆柱形 NiFe MNPs 的成分由 V 决定 H 或电解质组合物。为了显示对 MNP 成分的高度控制，已经制造了各种 MNP 成分（Ni88Fe12、Ni76Fe24、Ni52Fe48 和 Ni36Fe64）并通过能量色散 X 射线光谱 (EDX) 进行验证。图 1 显示了通过对具有各种成分的 NiFe MNP 进行振动样品磁强计 (VSM) 测量获得的归一化磁滞回线。磁场增加到足以克服有效磁各向异性的值，使得磁化达到饱和。矩形比 SQR 是磁滞回线平方的基本度量，由下式给出：

在面内和面外方向测量的 Ni88Fe12、Ni76Fe24、Ni52Fe48 和 Ni36Fe64 的 NiFe MNP 的归一化磁滞回线。插图显示了不同磁场强度下 MNP 的磁化配置

矫顽力值H c 和平方SQR =M r /M s 表 1 列出了面内和面外施加的磁场。总的来说，面内 H 的趋势 c 高于面外 H c 对于富镍 MNPs（Ni88Fe12、Ni76Fe24 和 Ni52Fe48），但对于富铁 MNPs（Ni36Fe64）则相反，这与之前关于 NiFe 纳米线异常共沉积的研究一致 [37]。

生物相容性表面涂层

由于相邻 MNP 之间强偶极相互作用的影响，NiFe MNP 倾向于聚集。因此，使用生物相容性和生物可降解聚合物 [38, 39]，如壳聚糖 [40,41,42]、聚乙烯醇 [43,44,45]、油酸 [46,47,48]、葡聚糖 [49, 50] 和最常见的聚乙二醇 (PEG) [51,52,53,54,55,56] 已被提出。 PEG 是一种亲水性聚合物，已广泛用于改善脂质体和 MNP 的血液循环 [57,58,59,60]。为了将圆柱形 NiFe MNPs 分散到水中，生物相容性 5000 g mol ^{− 1} PEG 被用作稳定剂[61]。扫描电子显微镜 (SEM) 图像显示了 MNP 周围氧化物壳的形成，如图 2a 所示。这种氧化物壳可防止 MNP 中磁性材料的氧化。先前对 FeCo MNPs 和 Fe MNPs 的研究表明，仅仅暴露在大气中就会发生严重的氧化 [61, 62]。

一 具有 PE​​G 涂层的 NiFe MNP 的 SEM 图像。 b 具有 PE​​G 涂层的 NiFe MNP 的 XRD 图案。 c 带有和不带有 PEG 涂层的 NiFe MNP 的 EDX 图案。 d 在 0–48 h 的时间段内，与 MNP 孵育后 HeLa 细胞显示图像的细胞活力

X 射线衍射 (XRD) 图案峰主要在 (111) 晶面上标出，这对应于块状 NiFe 的面心立方 (fcc) 结构，如图 2b 所示。这表明 MNP 以 (111) 的优选取向电沉积，这在通过电沉积或溅射制造的 NiFe 纳米线中也很明显 [63, 64]。此外，没有与尖晶石氧化物 ((NiFe)3O4) 对应的衍射峰，这是由于高浓度 Fe 形成氧化物相的结果 [65]。 NiFe MNP 的高结晶度导致可忽略不计的表面自旋倾斜，因此保留了 MNP 的高饱和磁化强度和小矫顽力。使用 EDX 测量对 PEG 涂层的 NiFe MNP 进行了进一步表征。如图2c所示，主要检测到Ni和Fe元素，并存在少量O元素，表明MNP周围形成了氧化物壳。

从图 2d 可以看出，暴露于未包被和 PEG 包被的 NiFe MNPs 的 HeLa 细胞在 24 h 后的细胞活力分别为 82.2% 和 82.6%。 48 h 后，细胞活力略微下降至 79.9% 和 82.1%，显示 PEG 包被的 MNP 的生物相容性略高。没有任何壳的 NiFe MNPs 对哺乳动物细胞有毒，会影响细胞活力。 PEG 涂层具有高度的生物相容性，可以降低 MNP 由于内吞作用而进入细胞的细胞毒性和内化 [66, 67]。圆柱形NiFe MNPs对HeLa细胞的细胞毒性与用于磁热疗研究的其他市售铁磁NPs相当[68]。

磁化动力学

MNP 的组成保持在坡莫合金 Ni80Fe20，而长度 (l ) 和直径 (d ) 的 MNP 各不相同。将交换能量、退磁或偶极能量和塞曼能量对 MNP 总能量的贡献绘制为外加磁场 H 的函数 分别沿着图 3a-d 中的 MNP 长轴。 MNP 首先被平行于其长轴的强磁场饱和。在大磁场中，塞曼能量贡献占主导地位，自旋大多在磁场方向上对齐。自旋与磁场的这种平行排列使交换能对总磁能的贡献最小化。随着外加磁场的减小，在 MNP 的末端会发生顺时针和逆时针涡旋成核，并朝着 MNP 的中心前进，导致平行磁化分量逐渐减小，导致磁化率下降。塞曼贡献，而其他贡献变得越来越重要。 MNP 的磁化试图最小化杂散场，从而降低其退磁能。在足够低的磁场下，形成三重涡旋状态，这是一种稳定的磁化配置，总能量保持在最低水平。随着磁场反向，交换能的急剧下降对应于两个漩涡的突然分裂。

(a 的情节 ) 交换能量， (b ) 偶极能量, (c ) 塞曼能量，和 (d ) 外加磁场的总能量 H

不同长度的 MNPs (l ) 被发现具有显着不同的磁化配置。在长度 l 在100 nm以下，由于静磁能和交换能之间的相互作用，只有一个涡旋成核，这是一个面内和封闭的磁通域结构。对于 l 在100 nm以上，MNP末端的一对逆时针和顺时针涡核成核——双涡状态。当磁场减弱时，其中一个涡旋消失，坍缩成单涡旋状态。然而，在 l 在300 nm以上，在低场没有涡旋湮灭，而是在MNP的曲面上形成了额外的第三个涡核——三重涡旋态。

热量测量

Ni80Fe20 MNP，带有 l =500 nm 和 d =350 nm，暴露在 15.9 到 47.8 kAm ^-1 的交变磁场中 （200 到 600 Oe），温度-时间曲线如图 4a 所示。根据 SAR 方程的特征，计算得出的 SAR 值为 427 Wg ^{− 1} , 1054 Wg ^{− 1} , 和 1742 Wg ^{− 1} , 对于 15.9 kAm ^{− 1} , 31.9 kAm ^{− 1} , 和 47.8 kAm ^{− 1} ， 分别。正如预测的那样，磁场强度越大，SAR值越大，即SAR值与磁场强度成正比。因此，获得 ILP 以更好地评估 MNP 用于磁热疗的加热效率。根据 ILP 方程的特征，计算得出的 ILP 值为 4.69 nHm ² kg ^{− 1} , 2.88 nHm ² kg ^{− 1} , 和 2.12 nHm ² kg ^{− 1} , 对于 15.9 kAm ^{− 1} , 31.9 kAm ^{− 1} , 和 47.8 kAm ^{− 1} 分别为 360 kHz。

一 NiFe MNPs 的温度-时间曲线，含 l =500 nm 和 d =350 nm，用于将磁场强度从 15.9 增加到 47.8 kAm ^{− 1} (200 到 600 Oe)。 b NiFe MNPs 的温度-时间曲线，带有 d =350 nm。磁场强度为 47.8 kAm ^{− 1} (600 Oe)，而 MNP 长度 l 从增加到 500 nm。 c NiFe MNP 的列表 SAR 值，带有 l =100–500 nm 和 d =350 nm，磁场强度为 15.9 至 47.8 kAm ^{− 1} (200 到 600 Oe)。 d NiFe MNP 的理论 SAR 值，具有 l =100–500 nm 和 d =350 nm

接下来，NiFe MNP，带有 d =350 nm 和 l =100–500 nm，暴露在 47.8 kAm ^{− 1} 的交变磁场中 (600 Oe)，温度-时间曲线如图4b所示。根据 SAR 方程的特征，计算得出的 SAR 值为 409 Wg ^{− 1} , 618 Wg ^{− 1} , 和 1742 Wg ^{− 1} , 对于 l =100 nm、200 nm 和 500 nm 在 47.8 kAm ^{− 1} 和 360 kHz，分别。根据 ILP 方程的特征，计算得出的 ILP 值为 0.50 nHm ² kg ^{− 1} , 0.75 nHm ² kg ^{− 1} , 和 2.12 nHm ² kg ^{− 1} 对于 l =100 nm、200 nm 和 500 nm 在 47.8 kAm ^{− 1} 和 360 kHz。

带有 l 的 MNP =500 nm 的加热效率远高于具有 l 的 MNPs =100 nm 和 200 nm，导致更显着的温升。 l的MNPs的最高SAR值 =500 nm 为 1742 Wg ^{− 1} 在 47.8 kAm ^{− 1} 和 360 kHz。为了比较，15.9 到 31.9 kAm ^{− 1} 磁场的 SAR 值 (200 到 400 Oe) 和带有 d 的 MNP =350 nm 和 l =100–500 nm 列于图 4c 中。相同条件下，l的MNPs的SAR和ILP值 =500 nm 比具有较小 l 的 MNP 的那些高四倍 .从微磁模拟中，观察到随着 l 增加到> 300 nm，MNP的磁化反转过程从双涡旋状态变为三涡旋状态。在 l <300 nm，仅观察到单涡流状态或双涡流状态。剩磁M r 与单涡流或双涡流状态相比，三涡流状态的 MNP 显着更高。

对于单域 MNP，Carrey 等人提出了计算动态滞后环的理论模型。 [69] 对于多畴 MNP，使用微磁模拟获得静态磁滞回线进行计算对于大尺寸的 MNP 是合理的，高于超顺磁性的临界尺寸，因为磁化的切换时间约为 10 ^{− 9} s。由于磁热疗的切换时间为~ 10 ^{− 6} s，大型 MNP 能够跟上交变磁场。从圆柱形 NiFe MNP 的微磁模拟和 VSM 测量中获得的磁滞回线面积用于理论上计算 SAR 值，并在图 4d 中列出。

带有l的MNPs的SAR值 =100 nm和200 nm在H以下的低磁场下显示较小的SAR值 c 并急剧增加，直到在高磁场下达到饱和，这是铁磁区的一个特征。相比之下，l的SAR值的磁场依赖性 =500 nm MNP，具有三重涡旋状态，与 SAR 值呈非线性关系，约为 6 倍。高剩磁M r l 中的三重涡旋状态 =500 nm MNPs 在低磁场下的非零 SAR 值中很明显。量热测量（图 4c）和数值计算（图 4d）之间的比较表明，铁磁区中 MNPs 的特征在定性和定量上一致，在低磁场下显示较小的 SAR 值，在高磁场下显示饱和度。与 H 相关 c 的 MNP。

对比 d 三重涡旋态 NiFe MNPs 的散热情况 =150–350 nm，在 47.8 kAm ^{− 1} 交变磁场下 (600 Oe)，温度-时间曲线如图 5a 所示。 SAR 和 ILP 值计算为 1785 Wg ^{− 1} , 2073 Wg ^{− 1} , 和 2750 Wg ^{− 1} 和 2.17 nHm ² kg ^{− 1} , 2.52 nHm ² kg ^{− 1} , 和 3.34 nHm ² kg ^{− 1} , 对于 d =350 nm、250 nm和150 nm。带有 d 的 MNP =150 nm 和 250 nm 能够在 4.92 分钟和 7.45 分钟内达到 43 °C 的最佳治疗温度，浓度为 0.1 mg/ml。比较不同纵横比的 MNPs，观察到 d 的加热效率 =150 nm MNPs是d的1.54倍 =350 nm MNP。这是因为带有 d 的 MNP =150 nm 具有最高的低场磁化率和 M r .因此，SAR值与l的两种变化的MNPs的磁化反转过程密切相关。 和 d .

一 NiFe MNPs在47.8 kAm磁场强度下的温度-时间曲线 ^{− 1} (600 Oe) 和 360 kHz 的频率，而 MNP 长度 d 从 150 增加到 350 nm。 b NiFe MNP 的理论 SAR 值，具有 d =150–350 nm 和 l =500 nm

从微磁模拟可以看出，磁滞区域A 随着直径 (d ) 的 MNP。因此，d 的 SAR 值 =150 nm MNP 增加如此之快，并在 6263 Wg ^{− 1} 的最大 SAR 值下饱和 .数值计算表明，具有更高纵横比的 MNP 具有更高的滞后损耗，从而导致更高的理论 SAR 值，如图 5b 所示。量热测量（图 5a）和数值计算（图 5b）之间的比较具有良好的定性一致性，但在滞后损失值方面存在定量差异。实验值和理论值之间的不匹配源于 NiFe MNP 是非超顺磁性的并且具有不可忽略的剩磁，由于相邻 MNP 之间的强磁偶极相互作用导致不必要的团聚 [70, 71]。由于 MNP 的流体力学体积是控制布朗运动的一个组成部分，因此 MNP 的聚集程度将决定主要的松弛机制，即 Néel 或布朗松弛。因此，一组聚合的 MNP 与单个免费 MNP 的 SAR 值会有很大差异。此外，交变磁场可以诱导纳米柱或纳米链的形成，这些纳米柱或纳米链表现出不同的布朗弛豫机制，因此可以解释实验值与理论值之间的差异[72,73,74]。

结论

圆柱形 NiFe MNP 显示的高 SAR 值，可与氧化铁 MNP (IOMNP) 和超顺磁性氧化铁纳米粒子 (SPION) 相媲美 [28, 75]，证明了这些 MNP 在交变磁场下的散热能力。由于M的高M，三涡流状态的MNPs的加热效率远高于双涡流或单涡流状态的MNPs，后者的SAR值高出四倍 r 处于三重涡流状态的 MNP。比较不同纵横比的 MNPs，观察到 d 的加热效率 =150 nm MNPs是d的1.54倍 =350 nm MNPs 由于较大的 M r 和低场磁化率。量热测量和微磁模拟均表明磁化反转过程与 d 产生的较高磁滞损耗之间存在相关性 =150 nm MNP，导致更高的实验和理论 SAR 值。 MNPs的大小及其磁性的容易控制表明在体内磁热疗癌症治疗试验中具有巨大的潜力。

数据和材料的可用性

在当前研究期间生成和/或分析的数据集可根据合理要求从相应作者处获得。

缩写

d ：

磁性纳米粒子的直径

EDX：

能量色散X射线光谱

H c ：

矫顽力

ILP：

固有损耗功率

l ：

磁性纳米粒子的长度

MNP：

磁性纳米粒子

M r ：

剩磁

PEG：

聚乙二醇

SAR：

比吸收率

SEM：

扫描电镜

SQR：

矩形比

V H ：

高电位电沉积脉冲

VSM：

振动样品磁力计

XRD：

X射线衍射光谱