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

2. 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):
5 Year Impact Factor: 2.760

3. 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 ( ˚C) v tkanive pri liečbe nádorových ochorení prostredníctvom tepla produkovaného mag. časticami.

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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)

9. 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)

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

11. 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.

12. 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: – 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

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

14. Porovnanie DC a AC energetických strát
DC EL pri 4 kA/m; IM: μJ/g a SM: μJ/g (vztiahnuté na objem vzorky)
ρ - hustota vzorky (1 g/cm3),
ρ - koncentrácia magnetitu (105μg/cm3)
→ prepočet na g magnetitu => IM: mJ/g a SM: 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).

15. 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 !!!