Fe3C/Fe Magnetic nanohybrids: Structural, magnetic features &amp; biomedical applicability
Creators: name: Τσομπάνογλου, Μίλαν Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Μαγνητικά
Νανοϋβρίδια
Βιοϊατρική
Magnetic
Nanohybrids
Biomedical

description: Magnetic nanoparticles (MNPs) have captured the interest of the scientific community thanks to their diverse applications in various areas like technology, agricultural and environmental applications or in medicine and theranostics. Great advances have been made in the last decades in the biomedical area by introducing novel applications like drug delivery, MRI MNPs as contrast agents, magnetic separation, biosensing and magnetic particle hyperthermia, or by improving their efficiency. In this work, Fe/Fe3C magnetic nanohybrid particles are employed to be evaluated as potential magnetic particle hyperthermia carriers. Fe/Fe3C magnetic nanohybrids were synthesized with solid-phase pyrolysis of iron(III)-phthalocyanine, an organometallic compound of Fe, N, C and H. The synthesis parameters altered to produce a series of nanohybrids with distinct magnetic and structural properties were the pyrolysis temperature and duration. Nine samples were obtained with synthesis temperature ranging from 700 oC to 1100 oC and pyrolysis duration of either 5 or 15 minutes. Characterization of each sample followed. Initially, x-ray diffraction technique was implemented to assert the structure of such nanohybrids regarding their crystallinity, crystallite size and wt% content of each of the constituent phases. For this, Rietveld method was used, and flame atomic absorption spectroscopy confirmed the results. The magnetic characterization of samples was followed by measuring their magnetic properties via vibrating sample magnetometry technique for a range of field from -1 to 1 T in ambient temperature, reaching saturation. Structural and magnetic features were linked to outline the potential conduct of Fe/Fe3C nanohybrids in MPH. The nanohybrids’ eligibility for their application to magnetic particle hyperthermia (MPH) technique was carried out by dispersing them in an aqueous environment of 1 mL volume introducing them to an AC magnetic field. Samples temperature elevated while under the influence of the AC field, with their temperature shift vs time recorded by an optical fiber connected to a thermometer. Heating curves were formed outlining the heating efficacy of each sample. The heating stage lasted 200 s followed by a cooling stage of the same duration. The heating efficacy of each sample was evaluated by the specific loss power index where an adiabatic correction was implemented for greater accuracy. Various values of SLP were estimated for the samples, highlighting the effect the control over the synthesis parameters offers. By tuning the synthesis parameters, the heating efficacy of Fe/Fe3C nanohybrids can further increase optimizing their heating efficacy and potentially rendering them suitable as magnetic particle hyperthermia agents.
description: Τα μαγνητικά νανοσωματίδια έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας χάρη στις ποικίλες εφαρμογές τους σε διάφορους τομείς όπως η τεχνολογία, οι γεωργικές και περιβαλλοντικές εφαρμογές ή στην ιατρική με επίκεντρο τη διάγνωση και θεραπεία. Σπουδαία πρόοδος έχει γίνει τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα της βιοϊατρικής με την εισαγωγή νέων εφαρμογών και την διαρκή βελτίωση της αποτελεσματικότητάς τους. Στην παρούσα εργασία συντέθηκαν μαγνητικά νανοϋβρίδια Fe/Fe3C ώστε να αξιολογηθούν ως πιθανοί φορείς υπερθερμίας μαγνητικών σωματιδίων. Η σύνθεση των σωματιδίων πραγματοποιήθηκε με την πυρόλυση στερεάς φάσης της φθαλοκυανίνης σιδήρου, μιας οργανομεταλλικής ένωσης Fe, N, C και H. Οι παράμετροι σύνθεσης που μεταβλήθηκαν προκειμένου να συντεθεί μια σειρά από δείγματα νανοϋβριδίων με διακριτές μαγνητικές και δομικές ιδιότητες, ήταν η θερμοκρασία πυρόλυσης και η διάρκειά της. Συντέθηκαν εννέα δείγματα με θερμοκρασία σύνθεσης που κυμαίνεται από 700 oC έως 1100 oC και διάρκεια πυρόλυσης είτε 5 είτε 15 λεπτών. Ακολούθησε ο δομικός χαρακτηρισμός κάθε δείγματος όπου αρχικά, εφαρμόστηκε η τεχνική περίθλασης ακτίνων-Χ για να επιβεβαιωθεί η δομή των νανοϋβριδίων όσον αφορά την κρυσταλλικότητα, το μέγεθος των κρυσταλλιτών και την περιεκτικότητά τους κατά βάρος σε κάθε μία από τις συστατικές φάσεις. Στο πλαίσιο αυτό, εφαρμόστηκε η μέθοδος Rietveld, και η φασματοσκοπία ατομικής απορρόφησης επιβεβαίωσε τα αποτελέσματα. Ακολούθησε ο μαγνητικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων με τη μέτρηση των μαγνητικών τους ιδιοτήτων μέσω της τεχνικής μαγνητομετρίας δονούμενου δείγματος για ένα εύρος πεδίου από -1 έως 1 Τ σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Τα δομικά και μαγνητικά χαρακτηριστικά συσχετίστηκαν ώστε να σκιαγραφήσουν την συμπεριφορά των νανοϋβριδίων Fe/Fe3C στην τεχνική της μαγνητικής υπερθερμίας νανοσωματιδίων. Η καταλληλότητα των νανοϋβριδίων για την εφαρμογή τους στην τεχνική της μαγνητικής υπερθερμίας πραγματοποιήθηκε με τη διασπορά τους σε ένα υδατικό περιβάλλον όγκου 1 mL, εισάγοντάς τα σε ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Η θερμοκρασία των δειγμάτων αυξανόταν όσο βρίσκονταν υπό την επίδραση του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίο, και η μεταβολή της θερμοκρασίας έναντι του χρόνου καταγραφόταν από μια οπτική ίνα συνδεδεμένη με ψηφιακό θερμόμετρο. Έτσι, σχηματίστηκαν καμπύλες θερμοκρασίας που περιγράφουν την αποτελεσματικότητα θέρμανσης του κάθε δείγματος. Το στάδιο θέρμανσης διήρκεσε 200 δευτερόλεπτα και ακολούθησε ένα ισόχρονο στάδιο ψύξης. Η θερμική αποτελεσματικότητα κάθε δείγματος αξιολογήθηκε με τον δείκτη ειδικών απωλειών SLP. Υπολογίστηκαν διάφορες τιμές SLP, τονίζοντας την επίδραση που προσφέρει ο έλεγχος στις παραμέτρους και συνθήκες σύνθεσης. Ρυθμίζοντάς τις, η αποτελεσματικότητα θέρμανσης των νανοϋβριδίων Fe/Fe3C δύναται να αυξηθεί, βελτιστοποιώντας την αποτελεσματικότητά τους στην απόδοση θερμότητας και ενδεχομένως καθιστώντας τα κατάλληλα και αξιοποιήσιμα ως φορείς μαγνητικής υπερθερμίας νανοσωματιδίων.