Журнал физической химии, 2019, T. 93, № 7, стр. 1048-1052

В последние годы активно развиваются различные методы лечения онкологических заболеваний. Одним из таких методов является метод магнитной гипертермии. В данном методе используется способность магнитных частиц разогреваться в переменном магнитном поле. Локализация магнитных частиц в области раковой опухоли и разогрев их магнитным полем позволит локально разрушать структуру раковых клеток.

В качестве магнитных частиц предлагается использовать магнитные наночастицы (МНЧ) на основе железа, среди которых, наиболее популярными являются: магнетит и маггемит (Fe₃O₄ и γ-Fe₂O₃ соответственно) [1–4], а так же ферриты (МFe₂O₄, где М = Co, Ni, Мn, Zn и др. двухвалентные металлы) [5, 6]. Приведенные МНЧ обладают высокой восприимчивостью к внешнему магнитному полю, и способны хорошо разогреваться в переменном магнитном поле.

Существует несколько методов получения наночастиц [7], которые можно разделить на два больших класса: химические и физические методы. К химическим относят методы: золь-гель [8], соосаждения [9, 10], метод микроимульсии [11] и др. К физическим: микроволновый [12, 13], метод шарового помола [14] и др. Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки, однако общей для всех проблемой является стабилизация уже готового продукта.

Нестабильность на воздухе (окисление) и быстрая агрегация в водной среде – это основные причины сложностей в работе с МНЧ. Решением проблем является создание защитной оболочки на поверхности частиц. Ставшие уже классическими покрытия олеиновой [15] и лимонной кислотами [16], углеродом [9, 17], оксидом кремния [17] и ПАВами [18], обеспечивают не только химическую инертность к окислению и стабилизацию от агрегации МНЧ, но и прививают биологическую совместимость к применению in vivo. Таким образом, открываются широкие возможности использования МНЧ в различных областях.

В частности, наночастицы магнетита и маггемита перспективны для применения в адресной доставке лекарств, магнитной записи, магнитно-резонансной терапии, магнитной гипертермии [1, 19, 20].

В настоящее время множество работ посвящено магнитной гипертермии с применением МНЧ [2, 15, 20]. Дисперсия частиц вводится в пораженную область организма, где под действием переменного магнитного поля происходит нагрев пораженной области до 44–46°С. При таких температурах раковые клетки отмирают.

Механизм нагрева магнитных частиц под внешним переменным магнитным полем состоит из нескольких составляющих: тепло, выделяемое при перемагничивании ферромагнетика с петлей гистерезиса (так называемый механизм петли гистерезиса), тепло, выделяемое за счет вращения внутреннего магнитного момента частицы (Неелевская релаксация) и за счет вращения самой частицы (Броуновская релаксация). В зависимости от природы и размера применяемых МНЧ, может преобладать тот или иной механизм. Частицы лежащие в диапазоне до 40–60 нм (пример для Fe₃O₄), как правило, являются суперпарамагнетиками и не имеют петли гистерезиса. Для таких частиц преобладающим является механизм Неелевской и Броуновской релаксаций. Более подробная математическая выкладка представлена в работе [21].

В работе [22] исследуются наночастицы золота с покрытием из смешанного оксида железа (Ag/Fe₃O₄). Полученные МНЧ лежат выше суперпарамагнитной границы и находятся в пределах оптимального размера для внедрения в клетку (>15 нм и <50 нм соответственно). Измерения гипертермического эффекта проводились при частоте магнитного поля 313 кГц. Другая группа ученых из Китая [23] использовало МНЧ Fe₃O₄/Хитозан в поле 80 кГц. При этом размеры частиц, как указывает автор, 10.5 нм. Результат измерения температурной зависимости от времени для дисперсии 30 мг/мл показал, что спустя 15 мин нагрев достигает нужных 45°С.

С другой стороны, к относительно крупным ферромагнетикам с петлей гистерезиса необходимо прикладывать поле с большей амплитудой, так как для таких частиц будет преобладать механизм перемагничивания по петле гистерезиса.

В совместной работе группы ученых из Греции и Испании [24] исследуется гипертермический эффект наночастиц железа, покрытых биосовместимым слоем оксида магния (частицы Fe/MgO). Полученные МНЧ имели средний диаметр 75 нм и намагниченность насыщения 210 А м²/кг с ненулевой коэрцитивной силой. Авторы делают акцент на преобладании механизма перемагничивания по петле гистерезиса в магнитном поле. Измерения проводились при постоянной частоте в 765 кГц, в то время как напряженность изменялась в диапазоне 8–29 кА/м. Исследование на цитотоксичность выявило оптимальную концентрацию в 2 ммоль/л. Расчет удельного коэффициента поглощения (УКП) находился в диапазоне 100–500 Вт/г порошка частиц в зависимости от приложенного магнитного поля, и подтверждает возможность применения в клинической гипертермии. В другой работе исследователей из Индии [25] получаются частицы Fe₂O₃/SiO₂ с размерами более 100 нм. Образцы обладают коэрцитивной силой и вклад в разогрев также вносит энергия выделяемая на перемагничивание петли гистерезиса. Частота поля при которой проводились измерения – 335 кГц.

В работе Кашевского [26] исследуется поведение наночастиц игольчатой формы γ-Fe₂O₃ в поле с частотой 430 Гц. В работе подробно изложена теоретическая база и изучено тепловыделение МНЧ в твердой и жидкой фазе. В последующей работе [27], группа Кашевского проводит опыт на мышах (привитых асцитной карциномой Эрлиха). В качестве стабилизатора суспензии игольчатого γ-Fe₂O₃ выступает биосовместимый полимер – поливинилпирролидон. Автор применяет низкочастотное поле (3700 Гц, с амплитудой ≤56 кА/м). Необходимая температура (44°С) достигалась за 20 минут. Результат показал рост уровня полного исцеления на 25–50% для чистой гипертермии и на 80% после комбинирования с химеотерапией (циклофосфамид, 50–200 мг/кг за неделю до гипертермии). Таким образом, развивается два направления в магнитной гипертермии – разогрев в высокочастотной области 100–700 кГц, и в низкочастотной до 10 кГц. Преимущество низкочастотной области заключается в более щадящем воздействии электромагнитного поля на весь живой организм. Тепловой эффект в низкочастотной области проявляется за счет перемагничивания частицы с повышенной коэрцитивной силой по петле гистерезиса.

Целью настоящей работы является проверка возможного применения маггемита игольчатой формы в магнитной гипертермии в низкочастотном магнитном поле частотой до 5 кГц.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для исследования применялся порошок игольчатого гамма-оксида железа (γ-Fe₂O₃), полученного по методике ранее [28], со средним размером 0.5 мкм и отношением длины к толщине частицы = 5 (рис. 1).

Рис. 1.

Микрофотография γ-Fe₂O₃.

Для прививки биосовместимости и стабильности, порошок покрывался олеиновой и лимонной кислотами (ОК и ЛК соответственно). Методика покрытия состояла в смешивании порошка маггемита с модификатором в пропиленгликоле (покрытие олеиновой кислотой, полученный образец: γ-Fe₂O₃/ОК) и в воде (для лимонной кислоты, полученный образец: и γ-Fe₂O₃/ЛК соответственно).

В качестве второго объекта исследования был выбран сферический наномагнетит (Fe₃O₄) и получен методом соосаждения, описанный ранее [29]. После синтеза наномагнетит так же поверхностно модифицировали олеиновой и лимонной кислотами в пропиленгликоле (ПГ) и воде (полученные образцы: Fe₃O₄/ОК и Fe₃O₄/ЛК соответственно).

Для измерения гипертермического эффекта готовилась 10%-ная дисперсия γ-Fe₂O₃/ОК в ПГ и 14.5%-ная дисперсия Fe₃O₄/ОК в ПГ. Далее навеску (3.63 г) образца 10%-ной дисперсии γ‑Fe₂O₃/ОК в ПГ помещали в пластиковую пробирку, куда погружалась термопара (рис. 2). Ячейка с термопарой в теплоизоляции помещалась в центр катушки. С помощью генератора задавалась частота (f) переменного тока, подаваемая на усилитель. Усилителем регулировалась магнитная индукция (В). Катушка индуктивности соединялась последовательно с конденсатором определенной емкости, создавая резонансную частоту, таким образом усиливая магнитное поле до нужного значения. Измерения проводились путем считывания показателей с термопары во времени и по начальному наклону кривой “температура–время” находилась скорость разогрева.

Рис. 2.

Схема прибора для измерения гипертермического эффекта дисперсий МНЧ.

Образцы подвергались низкочастотному полю (f = 1.0–5.2 кГц , при B – const) и индукции (B = = 8–31 мТл, при f – const).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Морфологию и размеры полученных продуктов исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), где была подтверждена игольчатая и сферическая форма для маггемита и магнетита, соответственно. Для образца Fe₃O₄ средний размер частицы составил 30 нм.

Намагниченность насыщения (M_S) для γ‑Fe₂O₃ составила 56 мА · м²/г а для Fe₃O₄ – 64 мА м²/г. Коэрцитивная сила для гамма-оксида составила 30 мТл (образец “магнитожесткий”), в то время как для наномагнетита – 1 мТл (образец “магнитомягкий”).

Рассмотрим результаты серии экспериментов с образцом γ-Fe₂O₃/ОК в пропиленгликоле. При частоте 1.0 кГц выявлено, что сила поля в 15.9 мТл и меньше не оказывает существенного влияния на дисперсию, а ощутимое нагревание начинается с 21 мТл (рис. 3). При 2 кГц в том же диапазоне полей, при 15.9 мТл нагревание достигает 8 градусов спустя 10 мин, а при 21.1 мТл за тот же период времени эта цифра увеличивается в 3 раза и составляет 24 градуса.

Рис. 3.

Тепловыделение образца γ-Fe₂O₃/OK при частоте 1.0 кГц, где: 1 – 15.9, 2 – 21.1, 3 – 26.4 , 4 – 31.7 мТл.

Аналогичные результаты наблюдались и при других частотах выбранного диапазона. В результате можно сделать вывод, что с ростом индукции поля, выделение тепла дисперсией увеличивается.

С увеличением частоты поля наблюдается такая же зависимость. На рис. 4 представлены графики тепловыделения частиц во времени, при постоянной индукции поля.

Рис. 4.

Влияние частоты на тепловыделение частиц при B = 10.9 мТл, где 1 – 3.1, 2 – 3.8, 3 – 4.5, 4 – 5.2 кГц.

Рассчитанные значения удельного коэффициента поглощения представлены в табл. 1. Скорость нагрева рассчитывали как отношение изменения температуры от времени для первых пяти минут эксперимента, т.е. за время в течение которого не наблюдаются теплопотери через теплоизоляцию пробирки. Расчет УКП выполнялся с использованием формулы:

(1)

${\text{У К П }} = \left( {\frac{{dT}}{{dt}}} \right)\left( {{{C}_{p}}\frac{{{{m}_{p}}}}{{{{m}_{м }}}}} \right),$

где m_р – масса магнитной суспензии (г), m_м – масса магнитного материала в суспензии (г), С_р – удельная теплоемкость раствора (2.3 Дж г^–1 K^–1), ∆Т – изменение температуры (начальный наклон кривой).

Таблица 1.  

Скорость нагрева образцов

F, кГц	H, мТл	УКП, Вт/г
1	15.5	0.7
	21.1	4.8
	26.4	18.7
	31.7	26.3
2	10.6	0.7
	15.5	7.3
	21.1	20.3
3	11.3	2.8
3.8	8.5	1.4
	10.6	3.8
	15.5	21.7
5.2	8.5	3.0
	9.7	17.1

На рис. 5 представлены кривые зависимости УКП от частоты (а) и индукции поля (б). Кривые имеют степенную зависимость на начальной стадии, что согласуется с теорией тепловыделения частиц.

Рис. 5.

Влияние величины удельного коэффициента поглощения (а) от частоты: 1 – 8.0, 2 – 9.0, 3 – 10.9 мТл и от индукции (б): 1 – 3.8 кГц, 2 – 2.0 кГц, 3 – 1.0 кГц.

Был проведен сравнительный анализ влияния дисперсионной среды на тепловыделение частиц (табл. 2). Получено, что в ПГ частицы выделяют тепла значительно меньше, чем в водной среде. Это может быть объяснимо с позиции вязкости, которая при данных условиях оказывает тормозящее влияние и Броуновская составляющая нагрева отсутствует либо несоизмеримо мала.

Таблица 2.  

Тепловыделение в различных дисперсных системах

f, кГц	B, мТл	Вода	ПГ
2	10.6	6.5 ± 0.8	0.7 ± 0.3
	15.5	11.2 ± 0.8	7.3 ± 0.6
	21.5	26 ± 2	20.3 ± 0.8
3.8	8.5	5.3 ± 0.5	1.4 ± 0.6
	10.6	11 ± 1	3.8 ± 0.2
	15.5	45 ± 4	22 ± 1

Аналогичные исследования были проведены для 10% дисперсии наномагнетита покрытого олеиновой кислотой. В заданном частотном диапазоне, дисперсия наномагнетита практически не разогревается. Как следует из общей теории и литературных данных, при очень малой петле гистерезиса, заметное тепловыделение наблюдается только при высоких частотах, порядка 500 кГц.

Таким образом, синтезированы и поверхностно модифицированы наночастицы магнетита и маггемита. Анализ намагниченности подтверждает суперпарамагнитные свойства наномагнетита и наличие петли гистерезиса у маггемита. Исследование влияния переменного магнитного поля на разогрев магнитных частиц в суспензии пропиленгликоля выявило несколько меньший тепловой эффект по сравнению с водной средой. Выявлено так же, что с ростом силы и частоты переменного магнитного поля скорость разогрева дисперсии гамма-оксида железа увеличивается. В то же время сферический магнетит в представленном диапазоне частот и полей практически не выделяет тепло.