1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 10, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 10, стр. 1416-1422

Гипертермический эффект магнитных наночастиц кубической формы

Т. Л. Нгуен 1, *, Т. Р. Низамов 1, М. А. Абакумов 1, 3, И. В. Щетинин 1, А. Г. Мажуга 1, 2, 4, А. Г. Савченко 1

1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС”
Москва, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова”, химический факультет
Москва, Россия

3 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова” Министерства здравоохранения Российской Федерации
Москва, Россия

4 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева
Москва, Россия

* E-mail: nguen_luan@mail.ru

Поступила в редакцию 10.01.2019
После доработки 13.05.2019
Принята к публикации 27.06.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Описаны методики получения магнитных наночастиц кубической формы со средними размерами 16.1 ± 2.2, 22.3 ± 3.5, 37.4 ± 5.2 нм. Для полученных образцов исследованы магнитные свойства, проведены рентгеноструктурный анализ, выявлены закономерности изменения коэффициента удельного поглощения (УКП) от частоты и индукции переменного магнитного поля.

ВВЕДЕНИЕ

Перспектива использования магнитных наночастиц (МНЧ) в биомедицине для лечения раковых заболеваний подтверждается многими научными коллективами. В настоящее время проводятся интенсивные исследования по применению МНЧ в качестве транспортных средств для доставки лекарства в раковую опухоль, МРТ контрастных агентов и т.д. [1–3]. Особое внимание уделяется исследованию МНЧ в локальной гипертермии [4]. В настоящее время магнитная гипертермия опухолей перешла из стадии экспериментальной терапии в клиническую, и ее уже применяют для лечения опухолевых заболеваний в Китае, Японии и Германии [5–7]. Однако магнитные наночастицы, которые применяются для этих целей, имеют целый ряд недостатков. Например, низкие значения удельной намагниченности и коэрцитивной силы предопределяют их низкую нагревательную способность [8], которая характеризуется величиной удельного коэффициента поглощения (УКП). Есть несколько путей решения этой проблемы. Например, в работе [9] сообщается о существенном повышении УКП в результате повышения намагниченности насыщения и коэрцитивной силы МНЧ. В работе [10] было показано, что у кубических наночастиц со средним размером 19 нм значение УКП намного выше, чем у сферических наночастиц того же объема (т.е. увеличение анизотропности наночастиц приводит к возрастанию гипертермического эффекта). Повысить гипертермический эффект можно также путем оптимизации размеров наночастиц [11]. В то же время, зависимость УКП от размера несферических МНЧ, а также от параметров переменного магнитного поля до сих пор не установлена. В этой связи актуальной задачей является исследование влияния структуры и размеров кубических МНЧ на соответствующие значения УКП, а также установление зависимости УКП от частоты и напряженности переменного магнитного поля. Эти данные безусловно будут полезны в будущем при выборе наиболее оптимальных режимов лечения опухолевых заболеваний путем локальной гипертермии в результате подбора для этой процедуры МНЧ нужных размеров, с нужными магнитными свойствами, структурой и морфологией.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Общие сведения

Средний размер и морфологию наночастиц определяли на просвечивающем электронном микроскопе JEOL JEM-2100F/Cs/GIF (200 кВ, 0.8 А). Структурно-фазовый анализ проводили на дифрактометре Rigaku Ultima IV с использованием CoKα излучения и графитового монохроматора. Измерение гипертермического эффекта МНЧ проводили на генераторе переменного магнитного поля TOR ULTRA HT, разработанном компанией NanoMaterials (Россия, г. Тамбов).

Химические реактивы

Олеиновая кислота (90%), 1-октадецен (90%), триоктиламин (90%), олеат натрия (95%), хлорид железа (III) (97%) приобретены у компании “Sigma-Aldrich”; изопропанол (99.8%), соляная кислота (Х. Ч.), гексан (98%) – у компании “Компонент-реактив”.

Синтез олеата железа(III)

Для получения прекурсора, из которого затем получали наночастицы, синтез проводился по методике, описанной в работе [12]. Синтез кубических МНЧ (все наночастицы были получены путем термического разложения олеата железа(III)) со средним размером 16.1 ± 2.2 нм (образец C16) (рис. 1а) получали по методике, описанной в работе [13]. Кубические МНЧ со средним размером 22.3 ± 3.5 нм (образец C22) (рис. 1б) получали по следующей схеме: смесь олеиновой кислоты (2.5 мл) и триоктиламина (2.5 мл), содержащую 50 мг олеата натрия, нагрели до температуры 350°С в 3-горловой колбе с обратным холодильником в атмосфере аргона, после чего в течение 3 ч со скоростью 3 мл/ч покапельно ввели 0.07 мМ раствора олеата железа(III) в 1-октадецене. МНЧ со средним размером 37.4 ± 5.2 нм (образец С37) (рис. 1в) получали путем покапельного введения в течение 3 ч со скоростью 3 мл/ч 0.07 мМ раствора олеата железа(III) в 1-октадецене в нагретую до температуры 360°С олеиновую кислоту (10 мл).

Рис. 1.

ПЭМ-микрофотографии наночастиц С16 (а), С22 (б) и С37 (в).

Просвечивающая электронная микроскопия

Для исследования синтезированных порошков методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на микроскопе JEOL JEM-2100F/ Cs/GIF (200 кВ, 0.8 А) были приготовлены коллоидные растворы наночастиц в воде. Раствор был предварительно обработан ультразвуком для избавления от конгломератов. Затем с помощью пипетки 2 мкл раствора наночастиц наносили на медную сетку, покрытую формваром диаметром 3.05 мм (для анализа ПЭМ). Сетку с образцом сушили на воздухе.

Рентгеноструктурный анализ (РСА)

Рентгеновские дифракционные спектры образцов кубических МНЧ получали при следующем режиме съемки: приемная щель на окружности гониометра – 1 мм, приемная щель счетчика – 1 мм; монохроматор – графитовый; изменения дифракционных углов 2θ от 20° до 120° с шагом съемки 0.1°; экспозиция на точку съемки – 3 с. Для съемки использовали специальные кюветы, в которые насыпали исследуемый порошок и уплотняли его с добавлением спирта, что позволяло исключить появление дополнительных линий (от связующего вещества) и снизить уровень фона.

Магнитные измерения

Гистерезисные свойства порошков измеряли на вибрационном магнитометре VSM-250 в магнитном поле напряженностью до 2 Тл при комнатной температуре. Погрешность определения удельной намагниченности не превышала 0.003 А · м2/кг, коэрцитивной силы – 0.005 кА/м.

Измерение гипертермического эффекта

Образцы для исследований гипертермического эффекта с помощью генератора переменного магнитного поля TOR ULTRA HT представляли собой кюветы с растворами МНЧ объемом 100 мкл с концентрациями 20 мг/мл по железу, помещенные в плашку. Измерение проводили при частотах переменного магнитного поля 144.6, 181.7, 219.1, 261.4, 393.1 кГц и индукциях магнитного поля 10, 15, 20, 25 мТл. Температуру раствора определяли с помощью инфракрасной камеры. Эффективность нагрева (УКП) рассчитывали по формуле:

$null$
где Cp(OA) = 2.1 Дж · моль/К – теплоемкость олеиновой кислоты, mр – масса раствора, mнч – масса наночастиц, ΔT – изменение температуры, Δt – промежуток времени.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Морфология, фазовый состав и структура синтезированных порошков

На рис. 1 приведены микрофотографии магнитных наночастиц С16 (а), С22 (б) и С37 (в), полученные с помощь просвечивающего электронного микроскопа. Как видно, наночастицы всех синтезированных образцов имеют кубическую форму, характеризуются довольно узкими распределениями по размерам: С16 – 16.1 ± 2.2 нм, С22 – 22.3 ± 3.5 нм и С37 – 37.4 ± 5.2 нм, и практически не обнаруживают склонности к агломерации.

Рентгеновские дифракционные спектры нанопорошков С16, С22 и С37 приведены на рис. 2. Их анализ (табл. 1) показывает, что образец С16 является однофазным, при этом присутствующая в нем фаза имеет структуру шпинели с параметром решетки чуть меньшим, чем значение параметра решетки массивного магнетита (Fe3O4) (а = = 0.8397 нм [14, 15]) и превосходит период решетки маггемита (γ-Fe2O3) (a = 0.83565 нм) [16]. Можно предположить, что фаза образца С16 является нестехиометрическим магнетитом. Размер областей когерентного рассеяния (ОКР), как это видно из полученных результатов, практически совпадает со средним размером наночастиц, что указывает на то, что наночастицы образца С16 являются монокристаллическими.

Рис. 2.

Дифрактограммы образцов магнитных наночастиц порошков С16, С22 и С37.

Таблица 1.  

Результаты электронно-микроскопических и рентгеновских дифракционных исследований магнитных наночастиц порошков С16, С22 и С37

Образец Средний размер частиц, нм Фаза Формула Объемное процентное соотношение фаз, % Период решетки, нм Размер ОКР, нм
С16 16.1 ± 2.2 Магнетит Fe3O4 100 0.8373 12.1
C22 22.3 ± 3.5 Магнетит Fe3O4 99 0.8399 8.6
Железо Fe 1 0.2823 17.8
С37 37.4 ± 5.2 Вюстит FeO 56.7 0.4313 15.4
Железо Fe 7.3 0.2878 13.5
Маггемит γ-Fe2O3 36 0.8475 7.2

Рентгеновский фазовый анализ дифрактограмм порошков С37 показывает, что они состоят из 3-х фаз: железа (Fe), вюстита (FeO) и маггемита (γ-Fe2O3). Объемное содержание указанных фаз приведено в табл. 1. Размеры ОКР подтверждают поликристаллическое строение соответствующих наночастиц. Основываясь на результатах электронно-микроскопических исследований и рентгеновского фазового анализа, можно предположить, что в процессе синтеза в олеиновой кислоте образуются наночастицы, имеющие структуру матрешки, где ядром является железо, затем идет слой вюстита и, наконец, слой маггемита (если судить по величине параметра решетки и рыжей окраске раствора наночастиц в олеиновой кислоте). Возможно, такая структура получилась благодаря тому, что большое количество олеиновой кислоты препятствует диффузии кислорода в решетку железа на начальном этапе формирования наночастицы. Однако по мере роста наночастицы кислороду становится легче проникнуть в решетку железа, в результате образуется слой FeO, а, в завершение, и γ-Fe2O3.

Порошки образца С22 также является поликристаллическими. Если же судить по дифрактограмме (рис. 2), то они, предположительно, имеют структуру типа “ядро–оболочка”, где ядром является кластер железа, а оболочка представлена фазой магнетита (Fe3O4) (если судить по соответствующему значению периода решетки, который близок к справочному значению для периода решетки магнетита, и по черной окраске раствора полученных наночастиц).

Гистерезисные свойства полученных порошков МНЧ

Петли гистерезиса порошков С16, С22 и С37 приведены на рис. 3 и, как это следует из их вида, свидетельствуют о том, что нанопорошки, полученные термическим разложением, являются магнитомягкими, с низкими значениями коэрцитивной силы (табл. 2). Тем не менее, изменения коэрцитивной силы в зависимости от размеров МНЧ вполне закономерны, – она увеличивается по мере увеличения среднего размера наночастиц, стремясь к максимальному значению, соответствующему критическому размеру однодоменного состояния.

Рис. 3.

Петли гистерезиса магнитных нанопорошков С16, С22 и С37.

Таблица 2.  

Гистерезисные свойства магнитных наночастиц порошков С16, С22 и С37

Образец Коэрцитивная сила Hc, кА/м Удельная намагниченность в поле 1.8 МА/м σ1.8, А · м2/кг Удельная остаточная намагниченность σr, А · м2/кг
С16 2.6 59.1 2.6
С22 7.3 74 11.1
С37 17.6 34.8 4.7

Наибольшие значения удельной намагниченности в поле 1.8 МА/м (σ1.8) и удельной остаточной намагниченности (σr) наблюдаются у образца С22, наименьшие – у образца С37. Это закономерно, посколько порошки С22 на 99% состоят из фазы магнетита, обладающей высоким значением намагниченности при таких размерах наночастиц [17], тогда как больше половины объема порошков С37 (почти 57%) занимает немагнитная фаза FeO11 c низким значением намагниченности [18]. В пересчете на магнитные фазы σ1.8(С37) ≈ 80 А · м2/кг, т.е. даже больше, чем экспериментально полученное значение σ1.8(С22). Сравнительно низкое значение σ1.8 порошков С16 (≈59.1 А · м2/кг) можно объяснить нестехиометричностью фазы магнетита и присутствием наночастиц, размеры которых меньше критического размера перехода в суперпарамагнитное состояние.

Гипертермический эффект магнитных наночастиц

Зависимости УКП от частоты f и индукции B внешнего магнитного поля для нанопорошков С16, С22 и С37 приведены на рис. 4 и 5, соответственно. Как видно, во всех случаях эти зависимости имеют квадратичный характер, что хорошо согласуется с теорией, изложенной в [19], а также с результатами теоретических расчетов [20], согласно которым на малых частотах зависимости УКП от частоты описывается квадратичной функцией, хотя в работе [10] говорится, что эта зависимость – линейная. С другой стороны, по мере уменьшения размеров наночастиц, отклонения от линейной зависимости УКП даже от произведения f  2B2 (рис. 6) становятся все более выраженными, т.е. зависимости УКП от частоты более сложная, чем это предполагается в работах [10, 20], а результирующую величину УКП определяют не менее двух, разных по своей физической природе, механизмов диссипации.

Рис. 4.

Зависимости УКП от частоты внешнего магнитного поля для нанопорошков C37, C22 и C16.

Рис. 5.

Зависимости УКП от индукции внешнего переменного магнитного поля для нанопорошков C37, C22 и C16.

Рис. 6.

Зависимости УКП от f2 · B2 для нанопорошков C37, C22 и C16.

На рис. 7 хорошо видно, что эффективнее всего нагреваются наночастицы со средним размером 16 нм, что согласуется с результатами работы [17]. Однако нельзя исключать и того, что одной из причин низких значений УКП у этих образцов по сравнению с С16 является нестабильность соответствующих растворов [18]: при проведении экспериментов по гипертермии растворы нанопорошков С37 и С22 в олеиновой кислоте были нестабильными (выпадали в осадок), тогда как взвесь нанопорошков C16 оставалась стабильной.

Рис. 7.

Зависимости УКП от частоты и индукции внешнего переменного магнитного поля для нанопорошков C37, C22 и C16.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований влияния фазового состава, структуры и размеров кубических МНЧ на соответствующие значения УКП в зависимости от частоты и напряженности переменного магнитного поля установлено, что:

1. Размеры и фазовый состав наночастиц оказывают определяющее влияние на их физико-химические свойства.

2. Наибольший гипертермический эффект наблюдается для наименьших из исследованных кубических МНЧ (в диапазоне средних размеров от 16 до 37 нм.

3. Функции УКП(f) и УКП(B) являются квадратичными, однако обнаруживают отклонения от линейной зависимости УКП(f  2B2) по мере уменьшения размеров наночастиц.

Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 17-53-560025).

Список литературы

  1. Pankhurst Q.A. Connolly J., Jones S.K., Dobson J. // J. Phys. D. 2003. V. 36. № 13. P. R167.

  2. Karkan S.F., Mohammadhosseini M., Panahi Y. et al. // Artific. Cell. Nanomed. Biotechnol. 2017. V. 45. № 1. P. 1.

  3. Fenton O.S., Olafson K.N., Pillai P.S. et al. // Adv. Mater. 2018. V. 30. № 29. Art. № 1705328.

  4. Kumar C.S.S.R., Mohammad F. // Adv. Drug Deliv. Rev. 2011. V. 63. № 9. P. 789.

  5. Luo S. Wang L.F., Ding W.J. et al. // OA Cancer. 2014. V. 2. № 1. P. 2.

  6. Kobayashi T. // Biotechnol. J. 2011. V. 6. P. 1342.

  7. Zhao L.-Y. // Chin. Phys. B. 2013. V. 22. № 10. Art. № 108104.

  8. Mehdaoui B., Meffre A., Lacroix L.-M. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 2010. V. 322. № 19. P. L49.

  9. Simeonidis K., Martinez-Boubeta C., Balcells Ll. et al. // J. Appl. Phys. 2013. V. 114. № 10. Art. № 103904.

  10. Guardia P., Di Corato R., Lartigue L. et al. // ACS Nano. 2012. V. 6. № 4. P. 3080.

  11. Nemati Z. // J. Phys. Chem. C. 2018. V. 122. № 4. P. 2367.

  12. Park J., An K., Hwang Y. et al. // Nat. Mater. 2004. V. 3. № 12. P. 891.

  13. Hai H.T., Yang H.T., Kura H. et al. // J. Colloid Interface Sci. 2010. V. 346. № 1. P. 37.

  14. Teja A.S., Koh P.Y. // Progr. Cryst. Growth Charact. Mater. 2009. V. 55. № 1-2. P. 22.

  15. Салихов С.В., Савченко А.Г., Гребенников И.С., Юртов Е.В. // Изв. РАН. Сер. физ. 2015. Т. 79. № 9. С. 1251; Salikhov S.V., Savchenko A.G., Grebennikov I.S., Yurtov E.V. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2015. V. 79. № 9. P. 1106.

  16. Guivar J.A.R., Martínez A.I., Anaya A.O. et al. // Adv. Nanopart. 2014. V. 3. P. 114.

  17. Mehdaoui B., Meffre A., Carrey J. et al. // Adv. Funct. Mater. 2011. V. 21. № 23. P. 4573.

  18. Cabrera D., Camarero J., Ortega D., Teran F.J. et al. // J. Nanopart. Res. 2015. V. 17. № 3. P. 121.

  19. Rosensweig R.E. // J. Magn. Magn. Mater. 2002. V. 252. P. 370.

  20. Абубакр A.Ф.Г. Математическое моделирование динамики магнитной частицы во внешнем поле. Дисс. … канд. физ.-мат. наук. Екатеринбург: УрФУ, 2016.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал