Estudo teórico da otimização da magneto-hipertermia induzida por nanopartículas e nanocompósitos magnéticos

Abstract

Nanopartículas magnéticas apresentam muitas propriedades fascinantes. Por exemplo, seu tamanho é controlável, variando de poucos nanômetros a dezenas, podem ser cobertas com materiais orgânicos ou inorgânicos como metais ou moléculas biológicas para fazê-las interagirou ligarem-se a uma entidade biológica, podem ser manipuladas por um gradientede campo externo e podem gerar calor em um campo magnítico alternado. Portanto, nanopartículas magnéticas oferecem atrativas aplicações em potencial na biomedicina, como tratamentos de hipertermia, separaçãoo magnética, entrega dirigida de drogas e agentes de contraste para imageamento por ressonância magnética (MRI). Neste trabalho, voltamos a nossa atenção para mecanismos de aquecimento e fatores que infuenciam as nanopartículas sujeitas a campos magnéticos alternados, a m de aumentar a eficiência da magneto-hipertermia. Muitos fatores, como a amplitude e frequência do campo magnético alternado, tamanho das nanopartículas magnéticas, forma e estados de dispersão, tratamento da superfície e concentração de nanopartículas magnéticas são parâmetros que influenciam a magneto-hipertermia. Afim de investigar propriedades de um conjunto de nanopartículas, como fimes finos de multicamadas, nanocompósitos e ferro uidos, desenvolvemos um código FORTRAN baseado no método Monte Carlo. O sucesso desse código foi verifiado pela comparação de nossos resultados numéricos com soluções analíticas para o modelo de Ising bi- e tridimensional. Aplicamos também o método Monte Carlo em sistemas magnéticos descritos pelo modelo de Stoner-Wolfarth para obter loops de histerese e sua dependência com a temperatura. Também derivamos expressões analíticas de fatores de demagnetização e campos demagnetizantes em corpos elipsoidais (esferas e elipsoides) e n~ao elipsoidais (cilindros e prismas retangulares), para estudar os efeitos da forma na magneto-hipertermia. Além disso, desenvolvemos um método versátil para obter os campos demagnetizantes de nanopartículas com estrutura core-shell, sendo apresentados os resultados correspondentes. Finalmente, a perda de energia por ciclo de um campo magn ético linearmente polarizado e a taxa de perda específica (SLP, Speci c Loss Power) de partículas esféricas e esferoidais foram estudadas por meio da equação de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) considerando a anisotropia de forma. Encontramos que a liberação de calor é fortemente dependente da forma das nanopartículas e da sua orientação em relação ao campo magnético aplicado. A SLP de nanopartículas de geometria esférica é maior que a de partículas esferoidais. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Magnetic nanoparticles (MNPs) present many fascinating properties. For instance, they have controllable sizes ranging from a few nanometres up to tens of nanometres, they can be coated with either organic or inorganic materials such as metals or biological molecules to make them interact with or bind to a biological entity, they can be manipulated by an external magnetic eld gradient and they can generate heat in an alternating magnetic eld. Therefore MNPs o er many attractive potential applications in biomedicine such as hyperthermia treatments, magnetic separation, drug delivery and magnetic resonance imaging (MRI) contrast enhancement. In this work, we focus our attention on the heating mechanism and in uencing factors of MNPs in alternating magnetic elds in order to improve the e ciency of magneto-hyperthermia. As known, many factors such as the amplitude and frequency of alternating magnetic eld, magnetic particle sizes, shape and dispersion state, surface treatment and the concentrations of MNPs in uence hyperthermia. With the investigation of magnetic properties of an assemble of MNPs in view, such as multi-layered thin lms, nanocomposites and ferro uids, we have developed a FORTRAN code based on Monte Carlo method. The success of this code has been veri ed by comparison of our computation results with analytical solutions of the bi- and tridimensional Ising models. We have applied the Monte Carlo method also to magnetic systems described by the Stoner-Wolfarth model to obtain the hysteresis loops and its dependence with the temperature. Also, we have derived the analytical expressions of demagnetizing factors and demagnetizing elds in ellipsoidal (spherical and ellipsoidal MNPs) and nonellipsoidal (cylinders and rectangular prisms) bodies. In addition, we have developed a versatile method to obtain demagnetizing factors and demagnetizing elds of MNPs with core/shell structures, and the corresponding results are presented. Finally, the energy loss per cycle of linearly polarized magnetic eld and speci c loss power (SLP) of spherical and spheroidal particles have also been studied by means of Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation taking into account the uniaxial and form anisotropies. We nd that the heat output is strongly dependent on the shape of MNPs and orientation of the particles in relation to the applied eld. The SLP of NMPs with spherical geometries is greater than that of the spheroidal particles.