Nanočástice oxidu železa a kompozitní materiály na jejich bázi pro magnetickou hypertermii

Abstract

Magnetická hypertermie je progresivní metoda neinvazivní léčby nádorů, která prokázala svoji užitečnost v in-vitro a in-vivo studiích; nicméně pro klinické aplikace jsou z důvodu biologických limitů amplitudy (<=15 kA m-1) a frekvence (100 kHz - 1 MHz) střídavého magnetického pole vyžadovány magnetické materiály s vysokými hodnotami specifického ztrátového výkonu, aby bylo možno dosáhnout teplot 42 - 45 °C. Pro klinické aplikace je také třeba vyřešit problém rovnoměrné distribuce a udržení magnetického materiálu v nádoru. Tato disertační práce se zabývá přípravou nanočástic oxidu železa a polymerních kompozitů na jejich bázi, kombinujících magnetické a reologické vlastnosti a schopnost absorpce energie magnetického pole, pro aplikace v magnetické hypertermii, zejména pro arteriálně-embolizační hypertermii. Magnetické nanočástice oxidu železa byly připraveny metodou koprecipitace za podmínek zajišťujících kontrolovanou nukleaci a růst částic, vedoucích ke vzniku uniformních a vysoce krystalických nanočástic a reprodukovatelnosti magneto-strukturních vlastností. Získaný materiál je směsí jednofázových nanočástic magnetitu a maghemitu s téměř kulovitý tvarem. Přestože rozměr nanočástic odpovídá jedno-doménovému stavu v superparamagnetickém režimu, materiál vykazuje feromagnetické chování vzhledem k silným magnetickým mezičásticovým interakcím. Nanočástice byly žíhány ve vzduchu při 300 °C, aby byla zajištěna stabilita magnetických vlastností v čase. Žíhání nezmění velikost ani tvar částic, způsobuje ale k transformaci magnetitu na maghemit. Disperze takto připravených a žíhaných nanočástic ve viskózním glycerolu vykazuje vysokou rychlost ohřevu ve střídavých magnetických polích při nízkých amplitudách, kdy se teplota zvýší z 37 °C na 45 °C za deset sekund. Hodnota měrného ztrátového výkonu je 10 - 30 W.g-1. Generování tepla nanočásticemi je způsobeno kombinovaným vlivem magnetických mezičásticových interakcí a vlastnostmi nosného média. Feromagnetické chování materiálu je odpovědné za vysokou energetickou bariéru relaxace magnetického momentu, vedoucí k vysokým energetickým ztrátám. Nízká měrná tepelná kapacita glycerolu současně přispívá k přenosu tepla v magnetické disperzi. Vysoká viskozita glycerolu ale zároveň omezuje měrný ztrátový výkon, protože je zde Brownův relaxační mechanismus pro absorpci střídavé magnetické energie téměř potlačen. V této práci je navrženo řešení problematiky dopravy magnetických nanočástic do nádoru a jejich rovnoměrné distribuce a udržení v daném místě za pomoci bi-funkčního polymerního magnetického kompozitu, kombinujícího schopnost embolizace a vysokou efektivitu ohřevu ve střídavých magnetických polích. Za tímto účelem byl vyvinut kompozit na silikonové bázi, obsahující nanočástice maghemitu. Výchozí složky kompozitu byly zvoleny tak, aby materiál zůstal tekutý po dobu 20 minut, umožňující dopravu a naplnění vaskulárního systému nádoru pomocí katetru. Po indukční periodě rapidně vzroste viskozita a vytvoří se měkký embolus, který způsobí okluzi nádorových cév. Rentgen-kontrastních vlastností kompozitu požadovaných pro monitoring jeho depozice je dosaženo přídavkem jodidu draselného. Magnetické nanočástice rovnoměrně distribuované v kompozitu způsobují jeho rychlý ohřev při expozici střídavému magnetickému poli. Hodnota měrného ztrátového výkonu nezávisí na koncentraci nanočástic, protože tepelné ztráty v kompozitu jsou způsobeny výhradně Néelovou relaxací magnetického momentu. Dosažené hodnoty měrného ztrátového výkonu tak patří mezi nejvyšší pro daný typ materiálu.