Magnetická hypertermia v systéme magnetických nanočastíc Výročná konferencia 2016 Ústavu experimentálnej fyziky SAV v Košiciach Magnetická hypertermia v systéme magnetických nanočastíc Matúš Molčan

PRIHLÁSENÉ PUBLIKÁCIE 2016 [1] Skumiel A, Leszczyński B, Molcan M, Timko M. “The Comparison of Magnetic Circuits Used in Magnetic Hyperthermia.” Journal of Magnetism and Magnetic Materials 420 (2016): 177–84. 5 Year Impact Factor: 2.234 [2] Molcan M, Gojzewski H, Skumiel A, Dutz S, Kovac J, Kubovcikova M, Kopcansky P, Vekas L, Timko M. “Energy losses in mechanically modified bacterial magnetosomes.” Journal of Physics D: Applied Physics 49, no. 36 (2016): 365002. 5 Year Impact Factor: 2.760

1. JMMM: The comparison of magnetic circuits used in magnetic hyperthermia Motivácia charakterizovať/navrhnúť rôzne systémy ktoré môžu byť použité pri tzv. magnetickej hypertermii (MH). Princíp zariadení pre MH Generovanie AC mag. polí s vysokou amplitúdou => E je premenená na teplo v dôsledku relaxačných a/alebo hysteréznych procesov prebiehajúcich vo vzorke (koloid s mag. časticami). Hysterézne správanie MH: umelo vyvolané zvýšenie teploty (42 - 46 ˚C) v tkanive pri liečbe nádorových ochorení prostredníctvom tepla produkovaného mag. časticami.

3 obvody generujúce AC magnetické pole: Dvojvrstvový solenoid Helmholtzové cievky Solenoid s otvoreným feritovým jadrom Systém generujúci rotujúce magnetické pole Výskumné centrum PROMATECH Laboratórium hypertermie Košice, Watsonova 47 výhody/nevýhody jednotlivých systémov = kompromis: homogenita a amplitúda mag. poľa “kostrička” na cievky

Dvojvrstvový solenoid Helmholtzové cievky Dvojvrstvový solenoid Závislosť H vo vzduchovom otvore jadra Hg (lg) a v magnetickom materiály HFe (lg) od šírky otvoru lg Návrh systému pre generovanie rotujúceho magnetického poľa

Prínos práce kalkulácie distribúcie intenzity magnetického poľa pozdĺž osi cievok určená nehomogenita magnetických polí vytvorený konštrukčný návrh pre systém generujúci rotujúce magnetické pole pomôcka pre konštrukciu, resp. výpočet H a homogenity pre experimentálne systémy v oblasti MH

1. J. Phys. D: Appl. Phys.: Energy losses in mechanically modified bacterial magnetosomes magnetotaktická baktéria magnetozóm (detail) fosfolipidová dvojvrstva kryštál Fe3O4 magnetozómová retiazka Magnetospirillum magneticum AMB-1

Prednosti magnetozómov (MTS) v oblasti MH generujú vysoké energetické straty (teplo) v AC produkujú vo svojom okolí homogénny výdaj tepla potvrdená schopnosť ich penetrácie do rakovinových buniek a viazať sa na bunkové membrány (bunková deštrukcia) DȎLEŽITÝ VZŤAH: dĺžka retiazky vs. vlastnosti výhody resp. nevýhody ??? Homogenita výdaja tepla Alphandéry et al, Int. J. Pharm. 434, 2012 formovanie magnetozómových retiazok do slučiek po izolácii Motivácia: nájsť kompromis/rovnováhu medzi fyzikálnymi a geometrickými parametrami magnetozómov. IM – MTS “štandardnej” dĺžky SM – skrátené MTS (priamo po izolácii)

Proces skracovania; IM→SM: exp. odskúšaný (variácia výkonu a času sonifikácie) optimálne parametre: sonifikácia pri 20 kHz, 120 W, 3 h, (konšt. výkonový mód) 80 kHz , 180 W, 5h, (sweep výkonový mód) → disperzia v pufri (tlmivom roztoku) Analýza vzoriek: mikroskopia: TEM/HRTEM, SEM, AFM dynamický rozptyl svetla: DLS vyhodnocovanie EL z minoritných slučiek (DC) a kalorimetrických meraní (AC)

Analýza geometrie/rozmerovej distribúcie magnetozómov Dynamický rozptyl svetla Napriek skráteniu retiazok po sonifikácii, je obálka zachovaná.

Energetické straty počítané zo statických (DC) meraní: IM SM ANALÝZA HYSTERÉZNYCH MINORITNÝCH SLUČIEK (17 °C; DC sekvencia od 4 kA·m-1 (50 Oe) do 160 kA·m-1 (2000 Oe) EL počítané integráciou plôch minoritných slučiek, ktoré predstavujú disipovanú E na jeden merací cyklus. (a) Minoritná hysterézna slučka SM vzorky meraná pri 16 kA·m-1 a jej (b) horná a (c) dolná vetva. EL boli získané odčítaním strát integrovaných plôch S1 od S2.

Energetické straty (EL) vypočítané z minoritných hysteréznych slučiek na cyklus v závislosti od aplikovaného mag. poľa H. EL u SM sú výrazne nižšie v porovnaní s IM dôvod: nízka koercivita u SM v dôsledku existencie kratších retiazok Rovnaké dáta prezentované aj v log-log škále. Polynomiálny fit poukazuje na vzťah medzi EL a H SM: 0 – 40 kA/m ELH2 IM: od cca 16 kA/m ELH3  dynamika strát narastá  prítomnosť limitného parametra (dĺžka/počet magnetozómov v retiazke), kedy má systém MTS retiazok tendenciu generovať vyššie straty

Energetické straty v AC magnetickom poli. Kalorimetrické experimenty. Specific Absorption Rate vs. H Solenoid s otvoreným feritovým jadrom f = 508 kHz H = 0 - 4 kA /m (presnosť ±30 A/m)

Porovnanie DC a AC energetických strát DC EL pri 4 kA/m; IM: 0.057 μJ/g a SM: 0.035 μJ/g (vztiahnuté na objem vzorky) ρ - hustota vzorky (1 g/cm3), ρ - koncentrácia magnetitu (105μg/cm3) → prepočet na g magnetitu => IM: 0.543 mJ/g a SM: 0.333 mJ/g energia uvoľnená 1g Fe3O4 na jeden cyklus hysteréznej slučky Prepočet pre priblíženie s AC meraniami meraných pri 508 kHz SAR hodnoty na g magnetickej zložky získané DC a AC meraniami pri 4 kA.m−1 a AC f = 508 kHz. Vyššie hodnoty SAR v prípade DC ku AC možno zdôvodniť rozdielnou časovou škálou experimentu (vzorka je v prípade DC vystavená pôsobeniu poľa niekoľkonásobne dlhšie).

Záver: spracovaný prehľad rôznych experimentálnych systémov vhodných pre výskum v oblasti MH navrhnutý postup prípravy MTS s pozmenenou geometriou (optimálnou dĺžkou retiazok) charakterizácia/porovnanie MTS retiazok štandardnej dĺžky so skrátenými retiazkami určenie SAR hodnôt pre vzorky MTS z AC kalorimetrických meraní, ako aj z kvázi-statických DC meraní, pričom skrátené retiazky majú stále vysoké hodnoty SAR Ďakujem za pozornosť !!!