Magnetic nanoparticles Fe: Biomedicine evaluation with criteria structure, morphology, and their effect on collective magnetic behavior
Creators: name: Κασωτάκης, Εμμανουήλ Αγαθάγγελου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Μαγνητικά νανοσωματίδια
Χαρακτηρισμός υλικών
Μαγνητική υπερθερμία σωματιδίων
Magnetic nanoparticles
Materials characterization
Magnetic particle hyperthermia

description: Magnetic nanoparticles (MNPs) have garnered considerable attention across diverse scientific fields, including technology, agriculture, environmental science, medicine, and theranostics. Over recent decades, substantial advancements have occurred in the biomedical domain, ushering in novel applications such as drug and gene delivery, the use of MNPs as magnetic resonance imaging (MRI) contrast agents, magnetic particle imaging (MPI), biosensing, and magnetic particle hyperthermia. These developments have significantly enhanced the efficiency of MNPs. Cementite, a compound of iron and carbon (Fe/C), is a material known for its favorable mechanical properties, abundance, and cost-effectiveness. It exhibits ferromagnetic properties at temperatures below its Curie temperature. However, the exploration of its nanoscale attributes and potential biomedical applications remains relatively uncharted. The MaNaCa project, a collaborative European initiative focused on advanced nanohybrids for cancer treatment, is undertaking research to evaluate Fe/Fe3C magnetic nanohybrid particles as carriers for magnetic particle hyperthermia. These nanohybrids were synthesized in Ashtarak, Armenia, at the Institute for Physical Research through solid-state pyrolysis of ferrocene (Fe(C5H5)2), an organometallic compound comprising iron (Fe), carbon (C), and hydrogen (H). Ferrocene's molecule consists of two cyclopentadienyl rings bound to a central iron atom. The synthesis parameters, specifically pyrolysis temperature and duration, were varied to produce a series of nanohybrids with distinct magnetic and structural properties, yielding 24 different samples. Each sample underwent comprehensive characterization, starting with X-ray diffraction to determine structural properties, crystallinity, and the weight percentage of each constituent phase using Rietveld refinement. The nanohybrids exhibited an iron core structure encapsulated by crystalline cementite within an amorphous carbon matrix. Furthermore, phenomena like the decomposition of cementite into iron and graphite at specific temperatures were observed. The morphology and nanoparticle size were assessed by examining transmission electron microscopy (TEM) images to understand how variations in temperature and pyrolysis duration affected these characteristics. Vibrating sample magnetometry (VSM) at room temperature was used to assess the magnetic properties of the samples, and the results were correlated with structural characteristics to evaluate their suitability for magnetic particle hyperthermia (MPH). To assess their potential for MPH applications, the nanohybrids were dispersed in an aqueous solution and exposed to an AC magnetic field at a field/frequency combination of 60 mT/375 kHz. This exposure led to an increase in sample temperatures, generating heating curves to assess the efficiency of each sample in heating. The specific loss power (SLP) index was used to quantify heating efficiency, with an adiabatic correction applied for accuracy. This analysis revealed varying SLP values among the samples, indicating the possibility of enhancing heating efficiency by fine-tuning the synthesis parameters, making Fe/Fe3C nanohybrids promising candidates for MPH applications. The best-performing samples with the highest heating efficiency were further evaluated in MPH experiments using agarose solutions, mimicking tissue, and the observed differences were discussed in detail concerning structure, magnetism, and the surrounding environment.
description: Τα μαγνητικά νανοσωματίδια έχουν προσελκύσει τεράστιο ενδιαφέρον από την επιστημονική κοινότητα λόγω της πληθώρας εφαρμογών τους σε διάφορους τομείς της επιστήμης. Τις τελευταίες δεκαετίες, έχει επιτευχθεί σημαντική πρόοδος στον τομέα της ιατρικής, με την εισαγωγή νέων εφαρμογών όπως η μαγνητική μεταφορά φαρμάκων και γονιδίων (drug and gene delivery), η χρήση των μαγνητικών νανοσωματιδίων ως σκιαγραφικών παραγόντων στην εξέταση MRI, η μαγνητική απεικόνιση σωματιδίων (magnetic particle imaging), και η υπερθερμία μαγνητικών σωματιδίων (magnetic particle hyperthermia). Ο σεμεντίτης, μια ένωση σιδήρου και άνθρακα (Fe/C), είναι ένα υλικό με καθιερωμένες εφαρμογές, που χρησιμοποιείται ευρέως στη μεταλλουργία και τις κατασκευές λόγω των ευνοϊκών μηχανικών του ιδιοτήτων, της αφθονίας και της οικονομικής του απόδοσης. Παρουσιάζει σιδηρομαγνητικές ιδιότητες σε θερμοκρασίες κάτω από τη θερμοκρασία Curie, ωστόσο τα χαρακτηριστικά του στη νανοκλίμακα και οι πιθανές βιοϊατρικές του εφαρμογές που αξιοποιούν τη μαγνητική του φύση παραμένουν σχετικά ανεξερεύνητες. Στο πλαίσιο του ερευνητικού προγράμματος MaNaCa, η παρούσα εργασία εστιάζει στην αξιολόγηση των μαγνητικών νανοϋβριδίων Fe/Fe3C ως πιθανών φορέων για χρήση στην υπερθερμία μαγνητικών σωματιδίων. Τα μαγνητικά νανοϋβρίδια Fe/Fe3C συντέθηκαν στο Ashtarak της Αρμενίας στο Ινστιτούτο Φυσικής Έρευνας μέσω πυρόλυσης στερεάς κατάστασης του σιδηροκενίου (Fe(C5H5)2) που είναι μια οργανομεταλλική ένωση που αποτελείται από Fe, C και H. Παραλλαγές στις παραμέτρους σύνθεσης, συγκεκριμένα στη θερμοκρασία και στη διάρκεια της πυρόλυσης, χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία μιας σειράς νανοϋβριδίων, 24 στον αριθμό με διακριτές μαγνητικές και δομικές ιδιότητες. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε περίθλαση ακτινών Χ για τον προσδιορισμό των δομικών ιδιοτήτων των νανοϋβριδίων, συμπεριλαμβανομένης της κρυσταλλικότητας, και του ποσοστού βάρους κάθε φάσης από την οποία αποτελούνται. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε η ανάλυση Rietveld. Η μορφολογία αυτών των νανοϋβριδίων αποκάλυψε μια δομή πυρήνα σιδήρου εγκλωβισμένη από κρυσταλλικό σεμεντίτη μέσα σε μια άμορφη μήτρα άνθρακα. Η έρευνα εντόπισε επίσης φαινόμενα όπως η αποσύνθεση του σεμεντίτη σε σίδηρο και γραφίτη σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες, τα οποία τεκμηριώθηκαν από τα αποτελέσματα. Η μορφολογία και το μέγεθος των νανοσωματιδίων αξιολογήθηκαν περαιτέρω με την εξέταση εικόνων ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης. Αυτές οι εικόνες μας επέτρεψαν να εξερευνήσουμε πώς οι διακυμάνσεις στη θερμοκρασία και τη διάρκεια της πυρόλυσης επηρέασαν αυτά τα χαρακτηριστικά. Οι μαγνητικές ιδιότητες των δειγμάτων αξιολογήθηκαν χρησιμοποιώντας μαγνητομετρία δονούμενη δείγματος (VSM) σε θερμοκρασία δωματίου. Τα δομικά και μαγνητικά χαρακτηριστικά συσχετίστηκαν για να εξεταστεί η καταλληλότητα των νανοϋβριδίων Fe/Fe3C για υπερθερμία μαγνητικών σωματιδίων (MPH). Για να εκτιμηθεί η καταλληλότητα των δειγμάτων για εφαρμογές υπερθερμίας μαγνητικών σωματιδίων (MPH), αραιώθηκαν σε ομογενή υδατικά διαλύματα και εκτέθηκαν σε εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο 60 mT/375 kHz. Η θερμική απόδοση μετρήθηκε μέσω του ρυθμού ειδικών απωλειών (specific loss power), εφαρμόζοντας αδιαβατική διόρθωση. Οι δείκτες SLP διαφοροποιούνταν μεταξύ των δειγμάτων, υποδεικνύοντας τη δυνατότητα βελτίωσης με την προσαρμογή των παραμέτρων σύνθεσης. Αυτή η έρευνα καθιστά τα νανοϋβρίδια Fe/Fe3C υποψήφια για εφαρμογές MPH. Στη συνέχεια, τα δείγματα με την υψηλότερη απόδοση εξετάστηκαν σε πειράματα υπερθερμίας σε διάλυμα αγαρόζης, και μελετήθηκαν διεξοδικά οι διαφορές με τα υδατικά διαλύματα σε σχέση με τα δομικά, μαγνητικά χαρακτηριστικά και το περιβάλλον μέσο.