Μαγνητικά Νανοσωματίδια: Σύνθεση, ιδιότητες και βιοϊατρικές εφαρμογές

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής Μαγνητικά Νανοσωματίδια: Σύνθεση, ιδιότητες και βιοϊατρικές εφαρμογές Παπαμίχου Κλεοπάτρα Πτυχιακή Εργασία Θεσσαλονίκη Ιούνιος 2016

2 Περιεχόμενα Ευχαριστίες... 3 Περίληψη... 4 Abstract... 5 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή Νανοτεχνολογία Νανοσωματίδια Ιδιότητες Εφαρμογές Σκοπός της Εργασίας...26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Χαρακτηρισμός Μαγνητικών Νανοσωματιδίων Διαδικασία παρασκευής Δομικός Χαρακτηρισμός Μαγνητικός Χαρακτηρισμός Κεφάλαιο 3 ο Μαγνητική Υπερθερμία Εισαγωγή Μαγνητική Υπερθερμία με Νανοσωματίδια Θερμική Απόδοση και Μαγνητική Υπερθερμία Πειραματικά Αποτελέσματα Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

3 Ευχαριστίες Η πτυχιακή εργασία αυτή, αποτελεί μόνο τμήμα της ερευνητικής δουλειάς που γίνεται στο εργαστήριο της Μαγνητικής Υπερθερμίας του Τμήματος Φυσικής και δεν θα ήταν πραγματοποιήσιμη δίχως τη συμβολή των φοιτητών, καθηγητών και ερευνητών που απαρτίζουν την ομάδα. Για το λόγο αυτό, αισθάνομαι την ανάγκη να ευχαριστήσω και να τιμήσω τους ανθρώπους που συνέβαλαν στην ολοκλήρωση της εργασίας μου. Πρώτα πρώτα ευχαριστώ τον επιβλέποντα μου, αναπληρωτή καθηγητή, κ. Μ. Αγγελακέρη, ο οποίος και κόπο και με μεγάλη επιτυχία καταφέρνει να λειτουργήσει την ομάδα του εργαστηρίου και μου επέτρεψε να γίνω κι εγώ μέλος της. Ο συντονισμός, η στήριξη και η καθοδήγησή του υπήρξαν καθοριστικής σημασίας τόσο για την εκπόνηση της εργασίας όσο και για την ολοκλήρωση της. Στη συνέχεια, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους υποψήφιους διδάκτορες Ειρήνη Μυρόβαλη και Αντώνη Μακρίδη για τη συνεχή τους προσοχή και βοήθεια τόσο στο κομμάτι των μετρήσεων όσο και κατά τη συγγραφή και διόρθωση της εργασίας. Μαζί τους, ευχαριστώ όλα τα μέλη της ομάδας του εργαστηρίου, που μέσα από τις εβδομαδιαίες μας συναντήσεις μου μετέδωσαν γνώσεις, εμπειρία και συμβουλές. Τέλος, ευχαριστώ την οικογένειά μου και τους φίλους μου για την συνεχή στήριξη και αγάπη που μου παρέχουν. 3

4 Περίληψη Η μαγνητική υπερθερμία νανοσωματιδίων είναι μια εναλλακτική πρόταση θεραπείας του καρκίνου που αξιοποιεί τη θερμότητα που απελευθερώνεται από τα μαγνητικά νανοσωματίδια, όταν εκτίθενται σε ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο και μπορεί να οδηγήσει τα καρκινικά κύτταρα είτε σε ένα σοβαρό σοκ ή ακόμη και σε αποπτωτικό θάνατο. Η θερμική απόκριση του διαλύματος των μαγνητικών νανοσωματιδίων εξαρτάται από ένα μεγάλο αριθμό παραμέτρων, όπως τις εγγενείς ιδιότητες των νανοσωματιδίων (π.χ. μέγεθος, μαγνήτιση) και τα χαρακτηριστικά πεδίου (πλάτος, συχνότητα). Η πτυχιακή εργασία αυτή έχει σαν στόχο τη βελτιστοποίηση μιας μεθόδου καταπολέμησης του καρκίνου με όπλα την νανοτεχνολογία και την επιστήμη των υλικών. Η μέθοδος αυτή είναι πολλά υποσχόμενη και δύναται να χρησιμοποιηθεί συμπληρωματικά με τις ήδη υπάρχουσες μεθόδους, τη χημειοθεραπεία, την ραδιοθεραπεία και την χειρουργική. Η βασική αρχή της μαγνητικής υπερθερμίας είναι η καταστροφή των καρκινικών κυττάρων με τη χρήση μαγνητικών νανοσωματιδίων τα οποία παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου αναγκάζονται να κινηθούν και επάγουν θερμότητα. Καθοριστικός παράγοντας για την επιτυχία της μεθόδου φαίνεται να είναι η εύρεση των κατάλληλων υλικών κατασκευής των φορέων της μαγνητικής υπερθερμίας, τα μαγνητικά νανοσωματίδια. Οι φορείς αυτοί θα πρέπει να έχουν τη μέγιστη απόδοση θερμότητας και ταυτόχρονα να είναι βιοσυμβατά και μη τοξικά για τον ανθρώπινο οργανισμό. Η επιστημονική έρευνα που πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια εκπόνησης της πτυχιακής εργασίας αυτής είχε σαν στόχο την εύρεση μαγνητικών νανοσωματιδίων κατάλληλα για εφαρμογή στη μαγνητική υπερθερμία. Για το λόγο αυτό μελετήθηκαν 5 δείγματα, τα οποία παρασκευάσθηκαν με την μέθοδο της φυσικής ηλιακής εναπόθεσης ατμών το εργαστήριο Centre national De La Recherche Scientique (CNRS-Promes) στη Γαλλία. Για την μελέτη των δομικών και μαγνητικών ιδιοτήτων τους χρησιμοποιήθηκαν η περίθλαση ακτίνων Χ και η μαγνητομετρία δονούμενου δείγματος. Στη συνέχεια διεξήχθησαν μετρήσεις υπερθερμίας στις δυο πειραματικές διατάξεις (συχνότητες 375 και 765 khz, πλάτος 30, mt). Η καταλληλότητά τους για τη μαγνητική υπερθερμία κρίθηκε με μετρήσεις της θερμικής απόδοσης υδατικών διαλυμάτων τους υπό εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. 4

5 Abstract Thesis title: Magnetic nanoparticles: Synthesis, properties and biomedical applications Magnetic particle hyperthermia is a synergistic cancer treatment that takes advantage of heat released by magnetic nanoparticles (MNPs) when exposed in an alternating magnetic field and may lead cancer cells either to a severe shock or even to apoptotic death. The thermal response of MNPs solution depends on a large number of parameters, such as the intrinsic properties of nanoparticle (e.g. size, anisotropy, magnetization) and the field parameters (amplitude, frequency). The present thesis aims to optimize a method for fighting cancer using the benefits of nanotechnology and material s science. The method which is under study is called magnetic hyperthermia and is aν alternative, promising method than can be used additionally to other methods of fighting cancer, such as chemotherapy, radiotherapy and surgery. The basic principles of magnetic hyperthermia is the destruction of cancer cells using magnetic nanoparticles, which change their magnetization under an alternating magnetic field and therefore, produce heat. The key to magnetic hyperthermia is to find the most efficient material to construct the magnetic nanoparticles. Such a system should be both heat efficient and biocompatible. The research that has been conducted, aimed in finding magnetic nanoparticles suitable for magnetic hyperthermia method. To achieve that, 5 samples fabricated in Centre national De La Recherche Scientique (CNRS-Promes) in France have been tested. The synthesis method was solar vapor deposition, a facile route to collect big quantities of nanoparticles, yet without protective surfactants. Various systems were selectively examined such as combinations of Fe and Co with the respective oxides and with noble metals. All samples under study undergone X-ray diffraction experiments and corresponding analysis. Static magnetometry was conducted to show the magnetic features of samples such as saturation magnetization, coercivity, remanent magnetization, ingredients necessary for improving heating efficiency. Eventually, the magnetic particle hyperthermia was performed in solutions of varying concentration (1-10 mg/ml) and varying AC fields (frequencies: 375, 765 khz and amplitudes 30,-60 mt) and the relation of heating efficiency with respect to solution concentration and field parameters is discussed. 5

6 . ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο Εισαγωγή 1.1. Νανοτεχνολογία 1.2. Νανοσωματίδια 1.3. Ιδιότητες 1.4. Εφαρμογές 1.5. Σκοπός της ΕργασίαςError! Bookmark not defined. 6

7 Κεφάλαιο 1 ο - Εισαγωγή 1.1. Νανοτεχνολογία Η Νανοτεχνολογία είναι η ικανότητα χειρισμού της ύλης σε επίπεδο μορίων και ατόμων. Είναι ο όρος ο οποίος χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη δημιουργία και χρήση λειτουργικών δομών μεγέθους μεταξύ 1 και 100 νανομέτρων, της τάξεως δηλαδή του 10 9 μέτρων. Στην επιστήμη και την τεχνολογία, το πρόθεμα «νανο» (από την ελληνική λέξη νάνος) σημαίνει 10-9 =0, Ένα νανόµετρο (nm) ισούται µε ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου, είναι δηλαδή δεκάδες χιλιάδες φορές μικρότερο από το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας. Στο Σχήμα 1.1. φαίνεται η συγκριτική κλίμακα για τα μεγέθη της νανοτεχνολογίας. Ο όρος νανοτεχνολογία χρησιμοποιείται εδώ ως γενικός όρος που καλύπτει διαφορετικούς κλάδους νανοεπιστηµών. Συχνά συμβάλλει στην προσέγγιση διαφόρων πεδίων της επιστήμης και επωφελείται η ίδια από τη διεπιστημονική προσέγγιση, ενώ έχει ήδη οδηγήσει σε καινοτομίες που συμβάλουν στην αντιμετώπιση πολλών από τα προβλήματά µε τα οποία βρίσκεται σήμερα αντιμέτωπη η κοινωνία: Σχήμα 1.1: Συγκριτική κλίμακα μεγεθών από τη νανοκλίμακα ως το μακρόκοσμο. Ιατρικές εφαρμογές: π.χ. μικροσκοπικών διαγνωστικών μέσων που θα μπορούν να εμφυτεύονται για την έγκαιρη διάγνωση ασθενειών. Νανοτεχνολογικές επιστρώσεις θα μπορούν να βελτιώνουν τη διαδραστικότητα και βιοσυμβατότητα των εμφυτευμάτων. Τα ικριώματα που διαθέτουν την ικανότητα αυτοοργάνωσης ανοίγουν τον δρόμο για νέες γενιές 7

8 υλικών μηχανικής των ιστών και βιοµιµητικών υλικών, από τα οποία μακροπρόθεσμα θα μπορούν να κατασκευάζονται τεχνητά όργανα. Υπό ανάπτυξη βρίσκονται νεωτεριστικά συστήματα για στοχοθετηµένη χορήγηση φαρμάκων και χρήση νανοσωματιδίων για θεραπευτικούς σκοπούς σε καρκινικά κύτταρα μέσω της υπερθερμίας. Τεχνολογίες της πληροφορίας: Μέσων για την αποθήκευση δεδομένων µε πολύ μεγάλες πυκνότητες καταγραφής (π.χ. 1 Terabit/inch 2 ) και νέων τεχνολογιών απεικόνισης σε πολύ ευέλικτα πλαστικά υλικά. Μακροπρόθεσμα, η επίτευξη µοριακής ή βιοµοριακής νανοηλεκτρονικής, σπιντρονικής και κβαντικής τεχνολογίας ηλεκτρονικών υπολογιστών θα μπορούσαν να ανοίξουν νέους δρόμους πέρα από τη σημερινή τεχνολογία των υπολογιστών. Παραγωγή και αποθήκευση ενέργειας: Έχουν οφέλη από τις νέες κυψέλες καυσίμου ή από νανοδοµηµένα στερεά πολύ μικρού βάρους και υψηλού δυναμικού αποθήκευσης υδρογόνου. Υπό ανάπτυξη βρίσκονται επίσης αποτελεσματικοί και χαμηλού κόστους φωτοβολταϊκοί ηλιακοί συλλέκτες. Επισπεύδεται η εξοικονόμηση ενέργειας µέσω της ανάπτυξης νανοτεχνολογικών λύσεων που οδηγούν σε βελτίωση των μονώσεων, των μεταφορών και του φωτισμού. Επιστήμη των υλικών: Εφαρμογές μεγάλου εύρους αναμένεται να επηρεάσουν ουσιαστικά όλους τους τομείς. Νανοσωματίδια χρησιμοποιούνται ήδη για την ισχυροποίηση υλικών και για μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα των καλλυντικών. Με τη βοήθεια της νανοτεχνολογίας μπορούν να τροποποιούνται διάφορες επιφάνειες έτσι ώστε να µην χαράσσονται, να γίνονται αδιάβροχες, καθαρές ή αποστειρωμένες. Η επιλεκτική μεταμόσχευση οργανικών µορίων µέσω νανοδοµηµένων επιφανειών αναμένεται ότι θα επηρεάσει την παραγωγή βιοαισθητήρων και µοριακών ηλεκτρονικών συσκευών. Οι επιδόσεις των υλικών σε ακραίες συνθήκες μπορούν να βελτιωθούν σε σημαντικό βαθιό προς όφελος π.χ. της βιομηχανίας αεροναυτικής και διαστήματος. Η χρήση επιστημονικών οργάνων για τη μελέτη των ιδιοτήτων της ύλης σε επίπεδο νανοκλίμακας επηρεάζει ήδη σημαντικά τόσο άμεσα όσο και έμμεσα, και δίνει έτσι ώθηση για πρόοδο σε ευρύ φάσμα τομέων. Η εφεύρεση του Scanning Tunnelling Microscope υπήρξε 8

9 ορόσημο στην εξέλιξη της νανοτεχνολογίας. Τα επιστημονικά όργανα διαδραματίζουν επίσης ουσιαστικό ρόλο για την ανάπτυξη ανιουσών και κατιουσών διεργασιών παραγωγής. Η έρευνα µε αντικείμενο τα είδη διατροφής, τους υδάτινους πόρους και το περιβάλλον μπορεί να προχωρήσει µέσω των εξελίξεων της νανοτεχνολογίας, μεταξύ των οποίων συμπεριλαμβάνονται εργαλεία ανίχνευσης και εξουδετέρωσης της παρουσίας μικροοργανισμών και φυτοφαρμάκων. Η καταγωγή εισαγόμενων ειδών διατροφής μπορεί να ανιχνεύεται µε τη βοήθεια νανοσήµανσης σε ελάχιστη κλίμακα. Η ανάπτυξη διορθωτικών μεθόδων µε βάση τη νανοτεχνολογία (π.χ. φωτοκαταλυτικές τεχνικές) μπορεί να έχει θετικά αποτελέσματα για την αντιμετώπιση της επιβάρυνσης και ρύπανσης του περιβάλλοντος (π.χ. διείσδυση πετρελαίου στους υδάτινους πόρους και στο έδαφος). Η ασφάλεια αναμένεται να ενισχυθεί µε τη βοήθεια π.χ. νεωτεριστικών συστημάτων ανίχνευσης τα οποία εξασφαλίζουν έγκαιρη προειδοποίηση έναντι βιολογικών ή χημικών παραγόντων μέχρι το επίπεδο του µορίου. Βελτιωμένη προστασία της ιδιοκτησίας (π.χ. τραπεζογραµµατίων) θα μπορούσε να επιτευχθεί µε νανοετικέτες. Σε εξέλιξη βρίσκεται επίσης η ανάπτυξη νέων κρυπτογραφικών τεχνικών για την κοινοποίηση δεδομένων. Στην αγορά κυκλοφορούν ήδη αρκετά προϊόντα βασισμένα στη νανοτεχνολογία: ιατρικά προϊόντα (π.χ. επίδεσμοι, καρδιακές βαλβίδες κ.ά.), ηλεκτρονικά εξαρτήματα, βαφές που δεν χαράσσονται, αθλητικά είδη, υφάσματα που δεν τσαλακώνουν και δεν λεκιάζουν, αντιηλιακές κρέμες. Οι αναλυτές εκτιθούν ότι η αγορά αυτών των προϊόντων ανέρχεται σήμερα σε 2,5 δισεκατομμύρια ευρώ µε προοπτική να ανέλθει σε εκατοντάδες δισεκατομμύρια ευρώ μέχρι το 2010 και ένα τρισεκατομμύριο ευρώ αργότερα. Με την προοπτική επίτευξης βελτιωμένων επιδόσεων µε λιγότερες πρώτες ύλες, συγκεκριμένα µέσω της ανιούσας προσέγγισης στην παραγωγή, η νανοτεχνολογία περικλείει μια δυναμική για μείωση των αποβλήτων στη διάρκεια του κύκλου ζωής των προϊόντων.[1] Αν και τα τελευταία χρόνια η Νανοτεχνολογία έχει εξελιχθεί στον οδηγό των νέων τεχνολογιών, παρ όλα αυτά η χρήση νανοσωματιδίων είναι γνωστή από την αρχαιότητα. Αν και δεν γνώριζαν τότε τα φυσικά φαινόμενα για να το ερμηνεύσουν, χρησιμοποιούσαν ωστόσο νανοσωματίδια χρυσού ένθετα σε γυαλί για να αλλάξουν τις οπτικές ιδιότητες 9

10 υλικών, όπως για παράδειγμα σε ένα ποτήρι του 4ου π.χ. αιώνα που βρέθηκε και ανάλογα με τη γωνία που πέφτει το φως πάνω του αλλάζει το χρώμα του (Η κούπα του Λυκούργου, Σχήμα 1.1) Αντίστοιχες υαλοτεχνίες έγιναν την περίοδο του Μεσαίωνα από για τη δημιουργία των βιτρό. Σήμερα γνωρίζουμε ότι το μέγεθος των νανοσωματιδίων επηρεάζει τις οπτικές τους ιδιότητες (quantum size effects). Σχήμα 1.2: Σωματίδια χρυσού από ατομική μέχρι μεσοσκοπική διάσταση και η αλλαγή στα χρώματα. Το ποτήρι του Λυκούργου χρονολογημένο από τον 4ο π.χ. αιώνα. Η πρώτη επιστημονική αναφορά στη νανοτεχνολογία (χωρίς τη χρήση αυτού του ονόματος) έγινε σε μια ομιλία που έκανε ο Richard Feynman, το 1959, με τίτλο «There is plenty of room at the bottom». Ο όρος Νανοτεχνολογία αποδίδεται στον καθηγητή του Πανεπιστημίου Επιστημών του Τόκιο Norio Taniguchi το 1974 σε μία διατριβή του με τίτλο Σχετικά με τη βασική έννοια της Νανοτεχνολογίας για να περιγράψει την ακρίβεια κατασκευής υλικών με ανοχές νανόμετρου. Κατά την δεκαετία του 80 ο όρος επανήρθε στο προσκήνιο και ο προσδιορισμός της έννοιας του διευρύνθηκε από τον Eric Drexler, ιδιαίτερα στο βιβλίο του που εκδόθηκε το 1986 Μηχανές Δημιουργίας: Η επερχόμενη Εποχή της Νανοτεχνολογίας. Το 1990, η ΙΒΜ επιμελώς και με προσοχή τοποθέτησε 35 άτομα ξένου για τη συλλαβή τριών γραμμάτων της επιχείρησης που αποτέλεσε το μικρότερο logo εταιρείας στον κόσμο (Σχήμα 1.2). [2] 10

11 Σχήμα 1.3: Το λογότυπο της εταιρίας ΙΒΜ κατασκευασμένο από άτομα Ξένου με την μέθοδο της μικροσκοπίας ατομικών δυνάμεων (Atomic Force Microscopy AFM) Στην εποχή μας, η νανοτεχνολογία υπόσχεται να αλλάξει την επιστήμη της Ιατρική ριζικά, προσφέροντας την ελπίδα για τη θεραπεία ανίατων ως και σήμερα ασθενειών. Ο όρος «Nanotheranostics» έχει προταθεί από την επιστημονική κοινότητα για να περιγράψει όλες τις νέες τεχνολογικές εφαρμογές την νανοτεχνολογίας στις ιατρικές επιστήμες. Στο σχήμα 1.4 παρουσιάζονται διάφορες μορφολογίες και υλικά νανοδομών που χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες εφαρμογές νανοτεχνολογίας. Σχήμα 1.4: Μορφολογίες και υλικά νανοδομών που χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες εφαρμογές νανοτεχνολογίας. 11

12 Με τη χρήση νανορομπότ θα μπορούσαμε να χειριστούμε το γενετικό υλικό, επιφέρονται επιδιορθώσεις, αφαιρώντας περιττά γονίδια ή ακόμα και αντικαθιστώντας κάποια δυσλειτουργικά με νέα υγιή, επιτυγχάνοντας έτσι τη θεραπεία μη ιάσιμων -ως και σήμερα- γονιδιακών ασθενειών. Το 2004 στο πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης (ΝΥU) χημικοί κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα νανορομπότ από δύο τμήματα DNA με τη δυνατότητα να στέκεται στα δύο του «πόδια» και να κάνει βήματα εμπρός και πίσω. Το μήκος του κάθε «ποδιού» του ήταν 10nm. Αυτός ο «νανοπερπατητής» θα μπορούσε να είναι μια πρόδρομη μορφή νανορομπότ που στο μέλλον θα χρησιμοποιούνται για την τροποποίηση κυττάρων σε μοριακό επίπεδο. [3] Εκτός από τη γονιδιακή θεραπεία, η νανοτεχνολογία φαίνεται να παρέχει ελπίδα και για τη θεραπεία του καρκίνου όπως αναφέρθηκε από ομάδα του ΜΙΤ. Η ιατρική σχολή του πανεπιστημίου του Harvard, πρόσφατα ανέφεραν την κατασκευή «Νανορομπότ-Οριγκάμι» από DNA.[4] Το νανορομπότ αυτό επιτυχώς μετέφερε μόρια σε λεμφώματα και λευκά αιμοσφαίρια οδηγώντας τα κύτταρα αυτά σε αυτοκτονία και δίνοντας την ελπίδα για τη θεραπεία της λευχαιμίας. Οι δομές αυτές είχαν το σχήμα αστεριού και μετέφεραν το φάρμακο για την καταστροφή των καρκινικών κυττάρων απευθείας στο εσωτερικό τον κυττάρων χωρίς να έρθουν σε επαφή με το σώμα. Στο παρελθόν, το φάρμακο αυτό, οδηγούσε τους καρκινοπαθείς σε κατάρρευση πριν καν εισέλθει στα κύτταρα. Επιστήμονες του ΜΙΤ, έδειξαν πως αυτοσυναρμολογούμενες πρωτεΐνες μπορούν να μεταφέρουν φάρμακα απευθείας σε προβληματικές περιοχές. Μέχρι στιγμής, τα πειράματα επέτυχαν σε εργαστηριακούς ποντικούς, όπου νανοσωματίδια επιτυχώς μετέφεραν και απελευθέρωσαν μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη με την έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία. Η τεχνική αυτή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την καταπολέμηση μεταστατικών καρκίνων, την αιτία για το περίπου 90% όλων των θανάτων από την ανίατη-ως τώρανόσο.[5] Οι νανοΐνες, μια ακόμα καινοτομία της νανοτεχνολογίας, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως συστατικά τεχνιτών οργάνων ή ιστών, ως χειρουργικά νήματα. Επίσης, θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν στην ανακατασκευή οστών, μαλακών ιστών, νεύρων ακόμα 12

13 και εγκεφαλικού ιστού, μετά από τραύματα.[6] Όπως είναι εμφανές, η νανοτεχνολογία εξαπλώνεται σε όλους σχεδόν τους τομείς της ιατρικής όπως φαίνεται και από το σχήμα που ακολουθεί.[7] Σχήμα 1.5: Η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στη σύγχρονη βιοϊατρική. 13

14 1.2. Νανοσωματίδια Ως νανοσωματίδιο ορίζεται ένα μικροσκοπικό σωματίδιο του οποίου οι διαστάσεις είναι μικρότερες από 100 nm. Στην νανοτεχνολογία τα νανοσωματίδια θεωρούνται ότι συμπεριφέρονται σαν μονάδες, αυτόνομα, σύμφωνα με τις ιδιότητές τους. Η έρευνα στον τομέα αυτόν, παρουσιάζει τεράστιο επιστημονικό ενδιαφέρον λόγω του ότι τα νανοσωματίδια βρίσκουν πολλαπλές εφαρμογές στην βιοϊατρική, την οπτική και την ηλεκτρονική. Παρότι τα νανοσωματίδια θεωρούνται ανακάλυψη της σύγχρονης επιστήμης, φαίνεται ότι η ιστορία τους χάνεται βαθιά πίσω στο παρελθόν. Εξ ορισμού, μαγνητικά νανοσωματίδια είναι αυτά που αποτελούνται εξ ολοκλήρου από μαγνητικά στοιχεία (Fe, Ni, Co) ή περιέχουν κάποιες ποσότητες σε καθαρή μορφή ή σε μορφή ενώσεων με άλλα στοιχεία, και κυρίως οξείδια τους. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον σε ένα ευρύ επιστημονικό φάσμα. Βρίσκουν εφαρμογές σε τομείς της βιοτεχνολογίας, της μαγνητικής τομογραφίας, της βιομηχανικής κατάλυσης, της μαγνητικής εγγραφής, ακόμα και στον τομέα της προστασίας και αποκατάστασης του περιβαλλοντικού πλούτου. Ανάλογα με την εφαρμογή στην οποία θα χρησιμοποιηθούν τα μαγνητικά νανοσωματίδια, έχει αναπτυχθεί ένας μεγάλος αριθμός μεθόδων πάνω στη σύνθεση τους όπως φαίνεται και στα σχήματα 1.6 και 1.7. Στις περισσότερες από τις εφαρμογές τους, τα νανοσωματίδια αποδίδουν καλύτερα όταν το μέγεθός τους είναι κάτω από μια κρίσιμη τιμή, η οποία εξαρτάται μεν από το υλικό, αλλά κυμαίνεται γενικά μεταξύ 10-20nm. To σχήμα των νανοσωματιδίων ποικίλει και μπορεί να εμφανίσει διάφορες παραλλαγές, ανάλογα με τις συνθήκες παρασκευής.[2], [10] Η σημαντικότητα των νανοσωματιδίων έγκειται α) λόγω της παρουσίας μεγάλου ποσοστού επιφανειακών ατόμων, που στις περιπτώσεις μικρών μεγεθών (π.χ. < 20 nm) οδηγούν σε μοναδικές φυσικές και χημικές ιδιότητες, οι οποίες δεν παρατηρούνται στη συμπαγή μορφή των αντίστοιχων υλικών και β) λόγω του πολύ μικρού τους μεγέθους μπορούν να «παρεισφρήσουν» εύκολα σε βιολογικές δομές. 14

15 USPIOS < 10 nm SPIOS 10 nm < < 30 nm Σχήμα 1.6: Νανοσωματίδια Pd σε διάφορα σχήματα: a) Πολύεδρα τύπου Wolf, b) Ελαφρώς παραμορφωμένοι κύβοι, c) Κύβοι, d) Νανομπάρες, e )Νανοράβδοι και f) Οκτάεδρα Large > 30 nm Σχήμα 1.7: USPIOs (Ultra Small Iron-Oxide nanoparticles): νανοσωματίδια πολύ μικρού μεγέθους οξειδίων του σιδήρου (μαγνητίτης, μαγκεμίτης) που έχουν συντεθεί με (a) συγκαταβύθιση, (b) παρουσία πολυμερούς, (c) μικρογαλακτώματα και (d) με θερμική αποικοδόμηση. SPIOs (Small Iron Oxide nanoparticles): Μικρού μεγέθους μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου με διαφορετικές μορφολογίες (a) μαγνητικοί νανοκρύσταλλοι με τετράποδα σχήματα, (b) κύβοι με κενό στο εσωτερικό τους, (c) κύβοι και (d) ανισότροπου σχήματος σωματίδια: νανοράβδοι, νανοκόκκοι. Large: Μεγάλου μεγέθους μαγνητικά νανοσωματίδια: σύνθεση με (a) συγκαταβύθιση αλάτων Fe(II) (70 nm), (b) θερμική αποικόδομηση οργανομεταλλικών ενώσεων, (c) παρουσία πρωτεΐνης protein και (d) ηλεκτρο-οξείδωση. 15

16 Συνήθως στις βιοϊατρικές εφαρμογές, τα μαγνητικά νανοσωματίδια είναι σε μορφή μαγνητικών ρευστών που είναι κολλοειδή αιωρήματα αποτελούμενα από πολύ μικρά μαγνητικά σωματίδια της τάξεως των μερικών δεκάδων nm. Η σταθερότητα ενός τέτοιου ρευστού εξαρτάται από την ισορροπία των διαφόρων αλληλεπιδράσεων που εμφανίζονται μέσα σε αυτό. Η σταθερότητα του μαγνητικού κολλοειδούς εξαρτάται από τη θερμικές συνεισφορές (κίνηση Brown) ά καθώς και από τις διάφορες ελκτικές (Van der Waals, δίπολου δίπολου) ή απωθητικές (ηλεκτροστατικές) αλληλεπιδράσεις. Επομένως χρειάζεται προσεκτικός έλεγχος της διαδικασίας σύνθεσης των νανοσωματιδίων αλλά και ενδελεχής καταγραφή των ιδιοτήτων τους κυρίως των μαγνητικών τους χαρακτηριστικών ώστε να αποδίδουν τα μέγιστα με το ελάχιστα δυνατό εφαρμοζόμενο πεδίο Ιδιότητες Για να χρησιμοποιηθούν τα μαγνητικά νανοσωματίδια σε βιοϊατρικές εφαρμογές θα πρέπει να έχουν κάποια συγκεκριμένα χαρακτηριστικά ώστε να επιτυγχάνουν την καταστροφή των καρκινικών κυττάρων χωρίς ανεπιθύμητες παρενέργειες στον ανθρώπινο οργανισμό. Για το λόγο αυτό, η έρευνα επιστημόνων ανά τον κόσμο έχει επικεντρωθεί στην παρασκευή μαγνητικών νανοσωματιδίων μη τοξικά και με τις επιθυμητές μαγνητικές ιδιότητες. Παρακάτω θα γίνει εκτενής αναφορά στις ιδιότητες των μαγνητικών νανοσωματιδίων και τη βελτιστοποίηση τους με κύριο στόχο τη βιοϊατρική τους αξιοποίηση. Τα πιο αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά κάθε μαγνητικού υλικού που επηρεάζονται σημαντικά στη νανοκλίμακα είναι: Η θερμοκρασία Curie (ΤC) H κρίσιμη θερμοκρασία πάνω από την οποία η αυτόματη μαγνήτιση (Ms) ενός υλικού μηδενίζεται. Για θερμοκρασίες μικρότερες της TC η Ms είναι αντιστρεπτή. Η θερμοκρασία Curie των τριών σιδηρομαγνητικών μετάλλων είναι 1044Κ για το σίδηρο, 1388Κ για το κοβάλτιο και 628Κ για το νικέλιο. Ο μαγνητίτης έχει θερμοκρασία Curie 856Κ. Δεν υπάρχει γνωστό υλικό με θερμοκρασία Curie υψηλότερη του κοβαλτίου. 16

17 Το Συνεκτικό πεδίο (ΗC) Το αντίθετο πεδίο που απαιτείται για το μηδενισμό της μαγνήτισης. Το ουσιώδες, πρακτικό χαρακτηριστικό κάθε σιδηρομαγνητικού υλικού είναι η μη αντιστρεπτή, μη γραμμική απόκριση της μαγνήτισης (Μ) σε ένα επιβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο (Η). η επιτομή της απόκρισης αυτής είναι ο βρόχος υστέρησης (Σχήμα 1.8), ο οποίος κατέχει κεντρική θέση στο τεχνολογικό μαγνητισμό. Ο βρόχος συνδυάζει πληροφορία για μια ενδογενή μαγνητική ιδιότητα, την αυτόματη μαγνήτιση (ΜS) και δύο εξωγενείς ιδιότητες, την παραμένουσα μαγνήτιση (Mr) και το συνεκτικό πεδίο (HC). Σχήμα 1.8: Βρόχοι υστέρησης μαλακού (αριστερά) και σκληρού (δεξιά) σιδηρομαγνητικού υλικού. Όπως φαίνεται και από το σχήμα 1.8 τα μαλακά σιδηρομαγνητικά υλικά παρουσιάζουν στενό βρόχο υστέρησης και άρα χαμηλό συνεκτικό πεδίο και τα σκληρά σιδηρομαγνητικά υλικά φαρδύ τετραγωνικό βρόχο και υψηλότερο συνεκτικό πεδίο. Για το λόγο αυτό είναι πιο δύσκολο να απομαγνητίσουμε ένα σκληρό απ ότι ένα μαλακό σιδηρομαγνητικό υλικό. Η μαγνητική ανισοτροπία Η φυσική διεύθυνση της μαγνήτισης σε μια μικροσκοπική σιδηρομαγνητική περιοχή συνήθως εξαναγκάζεται να προσανατολιστεί κατά μήκος ενός ή περισσότερων εύκολων αξόνων. Καθόσον ο μαγνητισμός συνδέεται με κυκλοφορούνται ρεύματα ηλεκτρονίων, η συμμετρία αντιστροφής του χρόνου απαιτεί η κατάσταση μιας συγκεκριμένης κατανομής 17

18 μαγνήτισης Μ(r) να έχει την ίδια ενέργεια με την κατάσταση αντιστροφής μαγνήτισης κατά μήκος του ίδιου άξονα -Μ(r). Η τάση αυτή εκφράζεται από την ενέργεια ανισοτροπίας (Εα) Ε α = Κ α sin 2 θ Όπου (θ) η κύρια διεύθυνση της μαγνήτισης και Κα η σταθερά ανισοτροπίας σε μονάδες [J/m 3 ]. Η ανισοτροπία θέτει άνω όριο στο συνεκτικό πεδίο που είναι διαθέσιμο για σκληρούς μαγνήτες και οδηγεί σε ανεπιθύμητο συνεκτικό πεδίο στους μαλακούς μαγνήτες. Η ενέργεια ανισοτροπίας είναι μικρή σε σχέση με τη θερμοκρασία Curie, είναι όμως αποφασιστικής σημασίας για τον καθορισμό της υστέρησης. Η μαγνητική επιδεκτικότητα Η μαγνητική επιδεκτικότητα είναι αδιάστατο μέγεθος ορίζεται ως: [8] χ = Μ Η Όπου (Μ) η μαγνήτιση και (Η) το μαγνητικό πεδίο. Οι περιοχές Weiss Ο όρος μαγνητική περιοχή Weiss αναφέρεται σε έναν όγκο υλικού όπου όλες οι μαγνητικές ροπές είναι ευθυγραμμισμένες κατά έναν συγκεκριμένο άξονα, καθώς εφαρμόζεται εξωγενές μαγνητικό πεδίο. Η θεωρία αυτή των περιοχών διαχωρίζει τον σιδηρομαγνητισμό από τον παραμαγνητισμό. Η εσωτερική δομή ενός μαγνητικού υλικού καθορίζει την εξάρτηση του μεγέθους του από την μαγνητική του συμπεριφορά. Όταν το μέγεθος ενός σιδηρομαγνητικού υλικού μειώνεται κάτω από μια κρίσιμη τιμή, αυτό γίνεται σωματίδιο μονής περιοχής (single domain). Για τιμές μεγέθους μεγαλύτερες της κρίσιμης, το σωματίδιο αποκτά πολλές διαφορετικές περιοχές Weiss και για τιμές πολύ μικρότερες της κρίσιμης γίνεται υπερπαραμαγνητικό (το συνεκτικό πεδίο μηδενίζεται). Στο σχήμα 1.9 Φαίνεται σχηματική η παραπάνω πρόταση. Σύμφωνα με την παραπάνω θεώρηση, το κρίσιμο μέγεθος στο οποίο ένα σωματίδιο γίνεται μονής περιοχής επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως η τιμή της μαγνήτισης κόρου, τη μαγνητική ανισοτροπία και το σχήμα του σωματιδίου.[9] Ένα νανοσωματίδιο με μέγεθος μικρότερο από τα ~20nm, χαρακτηρίζεται από μία μαγνητική περιοχή με μια συγκεκριμένη κατεύθυνση μαγνήτισης. Μόλις αυτά τα 18

19 νανοσωματίδια τοποθετηθούν μέσα σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (H), οι κατευθύνσεις της μαγνήτισης τους ευθυγραμμίζονται με τη κατεύθυνση του πεδίου ώστε να φτάσουν σε κατάσταση μαγνητικού κόρου με συνολική μαγνήτιση MS. Σχήμα 1.9: Η εξάρτηση του συνεκτικού πεδίου των νανοσωματιδίων από το μέγεθός τους και η επίδραση στο βρόχο υστέρησης. Η ευκολία προσαρμογής ενός νανοσωματιδίου στο πεδίο μετριέται μέσω της επιδεκτικότητας του, όπως και για κάθε μαγνητικό υλικό. Με τη μείωση του μαγνητικού πεδίου, παρουσιάζεται και μείωση της μαγνήτισης. Τα νανοσωματίδια όμως τείνουν να διατηρήσουν τη κατεύθυνση της μαγνήτισης τους με αποτέλεσμα να εμφανίζεται μια συγκεκριμένη τιμή μαγνήτισης που είναι γνωστή ως παραμένουσα μαγνήτιση Mr όταν δεν εφαρμόζεται πλέον καθόλου εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Για να απομαγνητίσουμε αυτά τα νανοσωματίδια, το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο πρέπει να εφαρμοστεί προς την αντίθετη κατεύθυνση (συνεκτικό πεδίο Ηc). Όταν το μέγεθος ενός σιδηρομαγνητικού σωματιδίου μειωθεί τόσο ώστε η θερμική ενέργεια να είναι συγκρίσιμη με την ενέργεια της μαγνητικής ανισοτροπίας, το νανοσωματίδιο αυτό είναι μαγνητικά ασταθές και θεωρείται πλέον υπερπαραμαγνητικό. Μια ομάδα υπερπαραμαγνητικών νανοσωματιδίων μπορούν εύκολα να μαγνητιστούν (λόγω μεγάλης επιδεκτικότητας) ώστε να φτάσουν στην μαγνήτιση κόρου Ms, χωρίς όμως να εμφανίζουν παραμένουσα μαγνήτιση, με αποτέλεσμα να μην χρειάζεται να εφαρμοστεί εξωτερικό πεδίο μεγαλύτερο από το συνεκτικό πεδίο Ηc. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια στην 19

20 υπερπαραμαγνητική τους κατάσταση εμφανίζουν πολύ αδύναμες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μαγνητικών δίπολων τους και για αυτό δεν σταθεροποιούνται και διασκορπίζονται εύκολα μέσα σε κάποιο υγρό περιβάλλον Εφαρμογές Τα μαγνητικά νανοσωματίδια λόγω των αξιοσημείωτων ιδιοτήτων τους, μπορούν να βρουν εφαρμογές σε πολλούς τομείς της σύγχρονης τεχνολογίας. Από τη βιομηχανία ως και την ιατρική και την καταπολέμηση του καρκίνου, φαίνεται πως το μέλλον είναι λαμπρό για την νανοτεχνολογία. Μερικές από τις πιο σημαντικές εφαρμογές των μαγνητικών νανοσωματιδίων είναι οι εξής: Προστασία του περιβάλλοντος Μαγνητικά νανοσωματίδια έχουν χρησιμοποιηθεί για την απομάκρυνση οργανικών και ανόργανων ρύπων από τα απόβλητα εργοστασίων που καταλήγουν σε λίμνες ή ποταμούς. Κατάλυση Η μαγνητικώς οδηγούμενη κατάλυση με τη χρήση μαγνητικών νανοσωματιδίων φαίνεται να είναι πολύ πιο αποδοτική από την κλασική κατάλυση. Αποθήκευση πληροφορίας Ο καλύτερος υποψήφιος για την εφαρμογή αυτή είναι ένα κράμα FePt σε μορφή κόκκων μικρότερων των 3nm. Εάν επιτευχθεί η εφαρμογή αυτή, θα μπορούμε να έχουμε πυκνότητες αποθήκευσης δεδομένων μεγαλύτερες του 1ΤΒ/cm 2. [9] Βιοϊατρικές εφαρμογές Τα μαγνητικά νανοσωματίδια βρίσκουν πολυάριθμες εφαρμογές στον τομές της βιοϊατρικής. Από την θεραπεία του καρκίνου μέχρι τη στοχευμένη μεταφορά φαρμάκων και τη διάγνωση ασθενειών, τα μαγνητικά νανοσωματίδια υπόσχονται την ίαση ασθενειών και την επίτευξη ενός καλύτερου επιπέδου ζωής για τον άνθρωπο. Οι κυριότερες βιοϊατρικές εφαρμογές τους είναι οι εξής: Στοχευμένη μεταφορά φαρμάκων (drug delivery) Μαγνητική τομογραφία (NMRI) 20

21 Διαγνωστικές μέθοδοι (Theranostic magnetic nanoparticles) Στοχευμένη απεικόνιση με φθορισμό Γονιδιακή θεραπεία Στοχευμένη θανάτωση κυττάρων Μαγνητική υπερθερμία Σχήμα 1.10: Σχηματική απεικόνιση των κύριων βιοϊατρικών εφαρμογών των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Πιο συγκεκριμένα, για βιοϊατρικές εφαρμογές, έχουν χρησιμοποιηθεί νανοσωματίδια από ανόργανα και οργανικά υλικά, πολλές φορές φέροντας επικαλύψεις ώστε να είναι βιοσυμβατά και να εισέρχονται στον ανθρώπινο οργανισμό χωρίς να προκαλούν ανεπιθύμητες παρενέργειες. [10, 11] Τα χαρακτηριστικά που θα πρέπει να συγκεντρώνει ένα σύνολο μαγνητικών νανοσωματιδίων προκειμένου να αξιοποιηθεί βιοϊατρικά είναι τα εξής: Χαμηλή τοξικότητα Επιθυμητά καλή αντίδραση σε εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο, αναλόγως την εφαρμογή Σχεδόν μηδενική παραμένουσα μαγνήτιση ώστε να μην υπάρχουν αλληλεπιδράσεις με το ανθρώπινο σώμα μετά την απομάκρυνση του εξωτερικού πεδίου Χημική σταθερότητα ειδικά υπό συνθήκες οξειδοαναγωγής Εύκολη, γρήγορη και οικονομική παραγωγή [12] 21

22 Για την επίτευξη συνδυαστικών πρωτοκόλλων συχνά δεν είναι αρκετός ένας πυρήνας μαγνητικού υλικού. Πολλά φυσικά υλικά και συνθετικά πολυμερή δοκιμάζονται ως επικαλύψεις στην επιφάνεια των μαγνητικών νανοσωματιδίων ώστε να βελτιώσουν την κολλοειδή σταθερότητά τους καθιστώντας ταυτόχρονα τα νανοσωματίδια βιοσυμβατά αλλά και να τους δώσουν και επιπλέον λειτουργίες μέσω των κατάλληλων προσδέσεων Απαραίτητη είναι η επιλογή των σωστών υλικών που να συνδυάζουν τις μαγνητικές ιδιότητες που επιθυμούμε και την πλήρωση ορισμένων προϋποθέσεων περιορισμών που θέτουν οι εκάστοτε εφαρμογές τους. Για τις in vivo εφαρμογές απαραίτητη προϋπόθεση είναι η βιοσυμβατότητα. Για τις in vitro εφαρμογές η βιοσυμβατότητα δεν αποτελεί περιορισμό, αλλά για τις τεχνικές που εμπεριέχουν ζωντανά κύτταρα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η πιθανή επίδραση των υλικών στο δείγμα που μελετούμε κάθε φορά. Σχήμα 1.11: Πολυλειτουργικό νανοσωματίδιο Πολύ βασική είναι επίσης και η ικανότητα των μαγνητικών βιοϋλικών να καθίστανται λειτουργικά, συνδεόμενα με ένα ή περισσότερα μόρια. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια πρέπει επιπροσθέτως να διατηρούν τις μαγνητικές τους ιδιότητες για μια επαρκώς μεγάλη χρονική περίοδο εντός υδατικού διαλύματος μεταβαλλόμενου ph, πρέπει να παραμένουν στο κυκλοφορικό σύστημα για αρκετό χρόνο και πρέπει τέλος να σχηματίζουν ευσταθείς δομές που δεν ενώνονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας συσσωματώματα. Παρακάτω, θα αναφερθούμε στα χαρακτηριστικά που πρέπει να πληροί το νανοσωματίδιο για να μπορούμε 22

23 να το χρησιμοποιήσουμε σε εφαρμογές in vivo, ως διαγνωστικό ή θεραπευτικό μέσο. Στο σχήμα 1.11 φαίνονται οι δυνατότητες που έχει ένα πολυλειτουργικό νανοσωματίδιο. Για παράδειγμα, οι πολυσακχαρίτες, η πολυ(βινυλοπυρρολιδόνη) PVP, πολυ(αιθυλενογλυκόλη)-peg, οι πολυαιθέρες και άλλα πολυμερή έχει αποδειχθεί ότι δίνουν προστατευτικές ιδιότητες στα νανοσωματίδια: απωθούν συγκεκριμένες πρωτεΐνες του αίματος ή του ορού του αίματος των οποίων ο ρόλος είναι να σημαδεύουν ξένα σώματα με σκοπό αυτά να φαγωθούν από τα λευκά αιμοσφαίρια και να καταστραφούν. Με τον τρόπο αυτό τα νανοσωματίδια δεν ενεργοποιούν το ανοσοποιητικό σύστημα και κυκλοφορούν ελεύθερα στο ανθρώπινο σώμα μέχρι να φτάσουν στον στόχο τους. Αξίζει να ειπωθούν μερικά λόγια παραπάνω για την μαγνητική υπερθερμία, η οποία είναι και η εφαρμογή που θα μελετηθεί στην παρούσα εργασία. Η μαγνητική υπερθερμία είναι μια μέθοδος καταπολέμησης του καρκίνου. Στη μέθοδο αυτή αξιοποιούνται μαγνητικά νανοσωματίδια τα οποία έχουν επικαλύψεις οι οποίες τα καθιστούν βιοσυμβατά. Η μαγνητική υπερθερμία αξιοποιεί την μαγνητική υστέρηση και τους μηχανισμούς αφηρέμησης Néel και Brown, οι οποίοι θα εξηγηθούν αναλυτικά στο τρίτο κεφάλαιο της εργασίας. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια παρουσία εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου εξαναγκάζονται σε κίνηση η οποία αυξάνει τη θερμοκρασία στην περιοχή όπου βρίσκονται. Σε θερμοκρασίες ο C, τα καρκινικά κύτταρα καταστρέφονται ενώ τα υγιή παραμένουν άθικτα. Σημασία έχει να αναφερθεί πως η μαγνητική υπερθερμία είναι μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος θεραπείας του καρκίνου καθώς είναι απαλλαγμένη από παρενέργειες, σχετικά οικονομική και εύκολη στην εφαρμογή. [13, 14] Οι μόνοι περιορισμοί στην μαγνητική υπερθερμία είναι η χαμηλή θερμική απόδοση των περισσότερων τύπων μαγνητικών νανοσωματιδίων και το γεγονός ότι απαιτείται η έκχυση μεγάλης ποσότητας υλικού στον όγκο ώστε να επιτευχθεί το ζητούμενο αποτέλεσμα. Καταβάλλονται συντονισμένες ερευνητικές προσπάθειες ώστε να μεγιστοποιηθεί η θερμική απόδοση των μαγνητικών νανοσωματιδίων μεταβάλλοντας τις βασικές παραμέτρους τους όπως το μέγεθος, η μαγνητική ανισοτροπία και η μαγνήτιση κόρου.[15] Ένας τρόπος 23

24 αύξησης της θερμικής απόδοσης τους είναι η χρήση νανοσωματιδίων με διαφορετικά σχήματα και μεγέθη. Σχήμα 1.12 : α) Οι μηχανισμοί Brown & Neel στα μαγνητικά νανοσωματίδια για υπερθερμία. β) Πειραματική διάταξη υπερθερμίας. Ουσιαστικά, υπάρχουν δύο διαφορετικοί τρόποι εφαρμογής της μαγνητικής υπερθερμίας με νανοσωματίδια in vivo: 1. Με ενδοφλέβια εισαγωγή a. Με νανοσωματίδια μη ειδικευμένα b. Με ειδικευμένα νανοσωματίδια ενεργής στόχευσης Η μέθοδος αυτή καταφέρνει να εισάγει μικρές συγκεντρώσεις νανοσωματιδίων στο εσωτερικό του όγκου (ακόμα και με νανοσωματίδια ενεργής στόχευσης) μειώνοντας έτσι τις θερμικές αποδόσεις. [16] 2. Με απευθείας εντός του όγκου εισαγωγή Με μη ειδικευμένα νανοσωματίδια Η επιτυχία αυτής τη μεθόδου στηρίζεται στην μεγάλη δόση μαγνητικών νανοσωματιδίων που απαιτούνται και στον τμηματικό και προσωρινό έλεγχο τους. Σε συνδυασμό με άλλες θεραπευτικές μεθόδους όπως η ραδιοθεραπεία και η χημειοθεραπεία 24

25 αποφέρει ελπιδοφόρα αποτελέσματα. Δυστυχώς, η μέθοδος αυτή δεν μπορεί χρησιμοποιηθεί σε πρόωρους όγκους και σε μεταστάσεις.[16] να Σχήμα 1.13: Σχηματική απεικόνιση των διαφορετικών τεχνικών εφαρμογής της μαγνητικής υπερθερμίας in vivo. Στα αριστερά του σχήματος φαίνεται η εφαρμογή της μέσω ενδοφλέβιας έγχυσης των νανοσωματιδίων και στα δεξιά η εντός του όγκου έγχυση των νανοσωματιδίων. 25

26 1.5. Σκοπός της Εργασίας Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη μαγνητικών νανοσωματιδίων με την προοπτική της χρήσης τους στη μαγνητική υπερθερμία και την καταπολέμηση του καρκίνου. Ένα υλικό κατάλληλο τέτοια εφαρμογή θα πρέπει να έχει χαμηλή παραμένουσα μαγνήτιση, υψηλό συνεκτικό πεδίο και υψηλή μαγνητική ανισοτροπία. Για το λόγο αυτό μελετήθηκαν 5 δείγματα νανοσωματιδίων τα οποία παρασκευάσθηκαν με την μέθοδο της φυσικής εναπόθεσης ατμών (Solar physical evaporation) στο εργαστήριο Centre Νational De La Recherche Scientique (CNRS-Promes) στη Γαλλία. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή των δειγμάτων ήταν κοβάλτιο, σίδηρος και άργυρος. Τα δείγματα αυτά αποτελούσαν συνδυασμούς Fe ή Co με τα αντίστοιχα οξείδια ή ευγενή μέταλλα και στη συνέχεια μελετήθηκαν ως προς τις δομικές του ιδιότητες, δηλαδή τη σύσταση τους και το μέγεθος των νανοσωματιδίων με τη χρήση περίθλασης ακτίνων Χ και μελετήθηκε η μαγνητική τους συμπεριφορά με μαγνητομετρία δονούμενου δείγματος. Τέλος, έγιναν μετρήσεις μαγνητικής υπερθερμίας όπου υδατικά διαλύματα των νανοσωματιδίων τοποθετήθηκαν κάτω από εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο και καταγράφηκε η άνοδος της θερμοκρασίας που προκλήθηκε. Ως παράμετροι θεωρήθηκαν η συγκέντρωση του διαλύματος (1-10 mg/ml) και οι παράμετροι του πεδίου (συχνότητα: 375, 765 khz και πλάτος 30, 50, 60 mt). Στη συνέχεια ποσοτικοποιήθηκε η θερμική απόδοση των προς μελέτη συστημάτων μέσω του υπολογισμού του δείκτη ειδικών απωλειών (Specific Loss Power Index) και οι θερμικές επιδόσεις συσχετίστηκαν με τα μαγνητικά χαρακτηριστικά, τις παραμέτρους που μεταβάλλονταν (συγκέντρωση διαλύματος, συχνότητα και πλάτος πεδίου) αλλά και τους αντίστοιχους θεωρητικούς υπολογισμούς και τη διεθνή βιβλιογραφία. Στο τέλος αξιολογείται η καταλληλόλητα των μαγνητικών νανοσωματιδίων για χρήση στην μαγνητική υπερθερμία. 26

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Χαρακτηρισμός Μαγνητικών Νανοσωματιδίων 2.1 Παρασκευή Μαγνητικών Νανοσωματιδίων 2.2 Δομικός Χαρακτηρισμός Νανοσωματιδίων 2.3 Μαγνητικός Χαρακτηρισμός 27

28 Στο κεφάλαιο αυτό θα αναφερθούμε στην σύνθεση των μαγνητικών νανοσωματιδίων και θα γίνει περιγραφή της μεθόδου με την οποία δημιουργήθηκαν τα δείγματα και της χημικής σύστασης τους. Επομένως σε αυτό το κεφάλαιο της πτυχιακής εργασίας παρουσιάζονται η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός των δειγμάτων. Οι δυο αυτές διαδικασίες είναι αλληλένδετες καθώς τα αποτελέσματα του χαρακτηρισμού και άρα μέρους των αποτελεσμάτων εξαρτώνται ισχυρά από τα χαρακτηριστικά της σύνθεσης. Η μελέτη της δομής των μαγνητικών νανοσωματιδίων γίνεται με τη χρήση: Περίθλασης ακτίνων-χ (XRD Μέσω των μεθόδων αυτών, είναι δυνατόν να προσδιορισθεί η χημική σύσταση και το μέγεθος των νανοσωματιδίων. Στη συνέχεια θα γίνει η μελέτη των μαγνητικών χαρακτηριστικών του υλικού, μέσω μαγνητομετρίας δονούμενου δείγματος (VSM), απ όπου και θα προσδιορισθεί η καταλληλόλητα του κάθε δείγματος για εφαρμογή στη μαγνητική υπερθερμία. Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνονται επιγραμματικά οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν: (α) Δομικός Χαρακτηρισμός (β) Μαγνητικός Χαρακτηρισμός Περίθλαση Ακτίνων-Χ (XRD) Μαγνητομετρία Δονούμενου Δείγματος (VSM) Σχήμα 2.1: Οι τεχνικές χαρακτηρισμού. Στην Σχήμα 2.1.α. φαίνονται οι τεχνικές δομικού χαρακτηρισμού των νανοσωματιδίων (XRD, TEM) και στην Σχήμα 2.1.β. η τεχνική μαγνητικού χαρακτηρισμού (VSM). 28

29 2.1 Διαδικασία παρασκευής Τα τελευταία χρόνια, η παρασκευή μαγνητικών νανοσωματιδίων έχει απασχολήσει πολλούς ερευνητές ανά τον κόσμο, με αποτέλεσμα να έχουμε στη διάθεση μας πολλές και διαφορετικές μεθόδους για την σύνθεση κάθε πιθανού τύπου νανοσωματιδίου. Η επιλογή των νανοσωματιδίων γίνεται με βάση τις μαγνητικές τους ιδιότητες, την δομή τους (σχήμα και μέγεθος), τον αν εμφανίζονται σε μονοδιεσπαρμένη φάση ή όχι και συγκεκριμένα στις βιοϊατρικές εφαρμογές, η επιλογή γίνεται με βάση τη βιοσυμβατότητα. Οι μέθοδοι παρασκευής μαγνητικών νανοσωματιδίων μπορούν να διαχωριστούν σε δύο βασικές κατηγορίες: τις φυσικές και τις χημικές. Οι φυσικές μέθοδοι υστερούν σε σχέση με τις χημικές, καθώς δεν αποδίδουν μονοδιεσπαρμένα σωματίδια και καθιστούν δύσκολο, τον ακριβή έλεγχο του σχήματος και του μεγέθους των νανοσωματιδίων. Οι χημικές μέθοδοι, αντίθετα προσφέρουν εύκολο έλεγχο των παραπάνω δοκιμών ιδιοτήτων. Συγκεκριμένα στις βιοϊατρικές εφαρμογές, οι χημικές μέθοδοι αποδίδουν καλύτερης ποιότητας νανοσωματίδια, καθώς προσφέρουν ακριβή έλεγχο του μεγέθους και της διασποράς μεγέθους των νανοσωματιδίων, επίτευξη της επιθυμητής κρυσταλλικής δομής, έλεγχο του σχήματος και μονοδιεσπαρμένα νανοσωματίδια. Οι χημικές μέθοδοι, είναι απλές και βασίζονται κυρίως σε αντιδράσεις που συμβαίνουν σε κολλοειδή διαλύματα παρουσία οργανομεταλλικών ενώσεων. Είναι εύκολες, γρήγορες και επαναλήψιμες. Στον παρακάτω συγκεντρωτικό πίνακα (2.1) φαίνονται κάποιες από τις κυριότερες μεθόδους σύνθεσης. ΦΥΣΙΚΕΣ ΧΗΜΙΚΕΣ Εξάχνωση μετάλλων Άλεση σε σφαιρόμυλο Ηλεκτραπόθεση Sputtering Εναπόθεση με laser Κολλοειδή διαλύματα Συγκαταβύθιση Μικρογαλακτώματα Θερμόλυση Οργανομεταλλική Πίνακας 2.1: Οι κύριες τεχνικές παρασκευής μαγνητικών νανοσωματιδίων 29

30 Η παρασκευή των μαγνητικών νανοσωματιδίων, δεν είναι πάντα το τελικό στάδιο: συχνά τοποθετούνται επικαλύψεις οι οποίες σκοπό έχουν να προσδώσουν επιπλέον ιδιότητες στο νανοσωματίδιο. Στη βιοϊατρική τεχνολογία οι κύριοι λόγοι για τους οποίους τοποθετούνται επικαλύψεις είναι η αύξηση της βιοσυμβατότητας, η μείωση της τοξικότητας για τους ζώντες οργανισμούς και η μεταφορά φαρμάκων ή άλλων ουσιών σήμανσης. [17] Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή των νανοσωματιδίων για την παρούσα εργασία είναι η φυσική ηλιακή εναπόθεση ατμών (Solar Physical Evaporation). Είναι μια μέθοδος φυσικής παρασκευής νανοσωματιδίων. Η μέθοδος αυτή είναι εύκολη στην εφαρμογή της και φιλική προς το περιβάλλον, καθώς οι διατάξεις τροφοδοτούνται με ηλιακή ενέργεια. Το κυριότερο πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής σε σχέση με άλλες είναι πως τα δείγματα παρασκευάζονται σε μικρό χρόνο με την ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας, οπότε δεν επιβαρύνεται το περιβάλλον και μειώνεται το κόστος παραγωγής. Τα δείγματα μαγνητικών νανοσωματιδίων της εργασίας αυτής, κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο PROMES που βρίσκεται στη Γαλλία (Σχήμα 2.2. Σχήμα 2.2: το εργαστήριο PROMES στη Γαλλία όπου με τη συλλογή ηλιακής ακτινοβολίας με παραβολικά κάτοπτρα μπορούν να παρασκευαστούν συστήματα νανοσωματιδίων. H τεχνική παρασκευής ανόργανων νανοσωματιδίων βασίζεται σε μια διαδικασία συμπύκνωσης ατμού η οποία λαμβάνει χώρα σε αντιδραστήρια τροφοδοτούμενα με ηλιακή ενέργεια. Η σειρά ηλιακών αντιδραστήρων αποτελείται από γυάλινα δοχεία συνδεδεμένα με 30

31 αντλίες κενού. Ο στόχος περιέχει το υλικό σε μορφή συμπυκνωμένης σκόνης (χαπιού), πυροσυσσωματωμένης σκόνης ή τήγματος, και είναι τοποθετημένος στο εστιακό σημείο των ηλιακών κατόπτρων, ενώ ψύχεται με σύστημα νερού. Η διαδικασία πρέπει να γίνεται είτε σε κενό, είτε σε αδρανή ατμόσφαιρα ώστε να αποφευχθεί η οξείδωση του υλικού.[18] Σχήμα 2.3: Σχηματική απεικόνιση της Φυσικής Εναπόθεσης ατμών με ηλιακή ακτινοβολία. Οι ατμοί που δημιουργούνται από την εξάτμιση ή την εξάχνωση του στόχου (του υλικού) συλλέγονται, ανάλογα με την τάση των ατμών του υλικού, από ένα κεραμικό φίλτρο (νανοπορώδες υλικό), το οποίο βρίσκεται μέσα σε ένα γυάλινο δοχείο ή από έναν υδρόψυκτο σωλήνα από ορείχαλκο. Ο ρυθμός παραγωγής των νανοσωματιδίων κυμαίνεται μεταξύ 10 mg/day ως 20mg/h και εξαρτάται από την ένταση της ηλιακής δέσμης. Ο μέγιστος ρυθμός παραγωγής φτάνει το 1g/h, όταν η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας βρίσκεται στο μέγιστό της (1000W/m 2 ). Στο σχήμα 2.3 φαίνεται σχηματικά η διαδικασία. Το κάθε δείγμα 31

32 νανοσωματιδίων παρασκευάστηκε σε διαφορετικές συνθήκες και από διαφορετικά υλικά. Στον παρακάτω συγκεντρωτικό πίνακα (2.2) φαίνεται επιγραμματικά η διαδικασία που ακολουθήθηκε για κάθε δείγμα. Δείγμα Σύνθεση του Στόχου (Χάπι) Ατμόσφαιρα Αντιδραστήρα Ροή Ηλιακής Ακτινοβολίας (W/m 2 ) MCo1 Fe 3O 4/Co (1 pill) Ar 919 FZ1 Fe/ZnO (1 pill) Ar 1000 AG2 Ag on ceramic +( 1 pill) Fe/Fe 3O 4 Ar 880 ZN1 ZnO (1 pill) Ar M1 Fe 30 4 powder (not pressed) Ar 30 min 960 Air 20 min Πίνακας 2.2: Οι συνθήκες παρασκευής των δειγμάτων μαγνητικών νανοσωματιδίων που μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία. 2.2 Δομικός Χαρακτηρισμός Ο δομικός χαρακτηρισμός προσφέρει πληροφορίες για τη σύσταση των δειγμάτων, το μέγεθος και το σχήμα των νανοσωματιδίων. Στη παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της περιθλασιμετρίας ακτίνων Χ για τον δομικό χαρακτηρισμό των δειγμάτων. Η περιθλασιμετρία ακτίνων-χ χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της χημικής σύστασης και κατ επέκταση της κρυσταλλικής δομής των δειγμάτων. Η αποτελεσματικότητα της μεθόδου αυτής έγκειται στο γεγονός ότι το μήκος των αποστάσεων μεταξύ των ατόμων ενός κρυστάλλου είναι περίπου ίσο με το μήκος κύματος των ακτίνων-χ που χρησιμοποιούνται για την μέτρηση. Οι ακτίνες-χ παράγονται από μία λυχνία, η οποία ουσιαστικά περιέχει ένα στόχο στον οποίο προσκρούει μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής τάσης, οπότε και παράγονται οι ακτίνες-χ. Στη συνέχεια, οι ακτίνες-χ μέσα από ένα σύστημα διαφραγμάτων, κατευθύνονται στο δείγμα, το οποίο συνήθως βρίσκεται σε μορφή σκόνης, όπου και συμβαίνει η περίθλαση από το κρυσταλλικό πλέγμα. Οι σκεδαζόμενες ακτίνες περνάνε από ακόμα ένα σύστημα διαφραγμάτων και ένα φίλτρο που απομακρύνει τη δευτερεύουσα ακτινοβολία Κβ και τη λευκή ακτινοβολία κατευθύνοντας το δείγμα σε έναν ανιχνευτή ο οποίος έχει τη δυνατότητα 32

33 να κινείται σε ένα τόξο κύκλου. Το σήμα από τον ανιχνευτή μεταφράζεται σε ένα διάγραμμα έντασης ακτινοβολίας και γωνίας (2θ) το οποίο είναι μοναδικό για κάθε στοιχείο και χρησιμοποιείται για την ταυτοποίηση του. Μετρώντας τις γωνίες στις οποίες εμφανίζονται μέγιστα (κορυφές) στην ένταση της ακτινοβολίας και συγκρίνοντάς τα με πρότυπα, γίνεται ο δομικός και χημικός χαρακτηρισμός του υλικού. Στο Σχήμα 2.3 φαίνεται σχηματικά η περίθλαση της δέσμης των ακτίνων-χ από ένα κρυσταλλικό δισδιάστατο πλέγμα. Η μαθηματική περιγραφή του φαινομένου ανάγεται στον τύπο του Bragg. Αν (d) η απόσταση των ενδοατομικών επιπέδων Bragg, (θ) η γωνία σκέδασης της δέσμης των ακτίνων-χ, (λ) είναι το μήκος κύματος των ακτίνων-χ και (n) η τάξη του επιπέδου Bragg, ο νόμος διατυπώνεται μαθηματικά με τον εξής τρόπο: 2dsinθ = nλ (2.1) Σχήμα 2.3: Σχηματική απεικόνιση περίθλασης δέσμης ακτίνων-χ από κρυσταλλικό πλέγμα. Με βάση την παραπάνω διαδικασία λήφθηκαν τα διαγράμματα ακτίνων-χ και έγινε η ταυτοποίηση όλων των δειγμάτων που φαίνονται στον Πίνακα 2.2. Πιο συγκεκριμένα βρέθηκε ότι το δείγμα Μ1 είναι μαγνητίτης με βάση την καρτέλα PDF #802186# του προγράμματος Jade ωστόσο φαίνεται να υπάρχει και δεύτερο στοιχείο όπου σύμφωνα με την καρτέλα PDF #870597# είναι ο άργυρος. Το δείγμα ΖΝ1 βρέθηκε να αποτελείται από ψευδάργυρο σύμφωνα με την καρτέλα PDF #655973# και από οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO), το οποίο συμφωνεί με την καρτέλα PDF #361451#. Το δείγμα με κωδικό FZ1 φάνηκε να είναι το μοναδικό στου οποίου το διάγραμμα XRD ταυτοποιήθηκαν τρία στοιχεία, ο 33

34 σίδηρος μέσω της καρτέλας #06096#, ο ψευδάργυρος από την καρτέλα με αριθμό #655973# και το οξείδιο του ψευδαργύρου από την καρτέλα #361451#. Επίσης, το δείγμα Ag2 του οποίου το διάγραμμα XRD φαίνεται στην φαίνεται να περιέχει μόνο άργυρο, του οποίου η ταυτοποίηση έγινε μέσω της καρτέλας PDF #870720#. Τέλος, το δείγμα με κωδικό MCo1 βρέθηκε να αποτελείται από κοβάλτιο, του οποίου η ταυτοποίηση έγινε από την καρτέλα PDF #150806# και οξείδιο του κοβαλτίου (CoO) σύμφωνα με την καρτέλα #750533#. Σύμφωνα με τα παραπάνω δεδομένα των ακτίνων Χ δεν υπάρχει πλήρης ταύτιση σε όλα τα δείγματα. Πιο συγκεκριμένα στο δείγμα MCo1 βρεθηκάν μόνο οι ανακλασεις του κοβαλτίου και του οξειδίου του κοβαλτίου ενω δεν βρέθηκε καμία ανάκλαση που να σχετίζεται με το μαγνητίτη ο οποίος χρησιμοποιήθηκε αρχικά για τη παρασκευή του δείγματος. Το γεγονός αυτό μπορεί να αποδοθεί στις δαφορετικές τάσεις ατμών των υλικών και στις ενέργειες που απαιτούνται για το μετασχηματισμό φάσης από τη στερεά στην αέρια φάση, που οδηγεί σε εξάντληση κάποιων συστατικών στα αρχικά στάδια. Στο δείγμα Μ1 βρέθηκαν οι ανακλασεις του οξειδίου του σιδήρου και του αργύρου. Αυτό σημαίνει ότι παρά το γεγονός ότι αρχικά το δείγμα που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο μαγνητίτης, μετά τη διαδικασία της σύνθεσης φαίνεται ο μαγνητίτης οξειδώνεται. Τέλος για τα υπόλοιπα δείγματα FZ1, AG2 και ZN1 βλέπουμε ότι υπάρχει πλήρης συχέτιση των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν πριν και μετα την διαδικασία σύνθεσης. 34

35 M1 Fe 2 O 3 PDF#802186# Ag PDF#870597# (203) (220) (313) (111) (400) (200) (513) (440) (220) (311) (α) 250 I theta FZ1 ZnO PDF #361451# Zn PDF #655973# Fe PDF #06096# (100) (101) (110) (101) (103) (110) (211) (201) (β) I (101) (002) theta Σχήμα 2.4: (α) Διάγραμμα περίθλασης XRD ακτίνων-χ για το δείγμα Μ1 και (β) για το δείγμα Zn1 35

36 (111) (200) (220) (311) (222) ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ: ΣΥΝΘΕΣΗ, ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ AG2 Ag PDF #870720# (α) I theta ZN1 ZnO PDF #36141# Zn PDF #655973# (100) (002) (101) (002) (100) (101) (102) (102) (110) (103) (112) 2000 I (110) (112) (201) (β) theta Σχήμα 2.5: (α) Διάγραμμα περίθλασης XRD ακτίνων-χ για το δείγμα FZ1 και (β) για το δείγμα AG2 36

37 MCo1 CoO PDF #750533# Co PDF #150806# (111) (200) (111) (200) (230) (311) (220) (222) 1000 I theta Σχήμα 2.6: Διάγραμμα περίθλασης XRD ακτίνων-χ για το δείγμα ΜCo1 Ωστόσο από τα διαγράμματα των ακτίνων Χ αντλούμε πληροφορίες σχετικά με το μέγεθος των κρυταλλιτών των νανοσωματιδίων. Πιο συγκεκριμένα στη μέθοδο κόνεως (Debye- Scherrer) ο κρύσταλλος αλέθεται σε σκόνη, έτσι ώστε να αποτελείται από μικρούς (της τάξεως μερικών μm), κόκκους με τυχαίους προσανατολισμούς. Αυτό σημαίνει ότι για μονοχρωματική ακτινοβολία εδώ, κάθε κόκκος θα δώσει σύμφωνη σκέδαση συγκεκριμένες γωνίες. Θα συμπεριφέρεται δηλαδή σαν ανεξάρτητος κρύσταλλος. Όμως τυχαία θα υπάρχουν αρκετές ομάδες κόκκων με τον ίδιο πάντα προσανατολισμό. Στη μέθοδο αυτή όμως ως σημείο αναφοράς για τις γωνίες πρόσπτωσης θ λαμβάνεται η εξωτερική επιφάνεια του δείγματος. Έτσι όταν οι ακτίνες Χ προσπίπτουν στο δείγμα με συγκεκριμένη γωνία τότε μόνον οι κόκκοι οι οποίοι τυχαία συμβαίνει να έχουν παράλληλα με την επιφάνεια εκείνα τα επίπεδα ισαπόστασης d, ώστε για την γωνία πρόσπτωσης θ να επαληθεύεται η εξίσωση Bragg λ=2dsinθ θα δώσουν σήμα (ανάκλαση). Η ανάκλαση αυτή (για την συγκεκριμένη γωνία) θα προέρχεται μόνον από την ομάδα επιπέδων τα οποία είναι παράλληλα με την επιφάνεια του δείγματος. Καθώς το δείγμα θα περιστρέφεται θα έλθουν άλλες ομάδες επιπέδων (άλλοι κόκκοι) σε θέση ώστε τα νέα επίπεδα να δώσουν ανάκλαση. για 37

38 Έτσι θα έχουμε ανακλάσεις για πολλά επίπεδα πάντα βέβαια σε διαφορετικές γωνίες. Πόσα επίπεδα θα έχουμε εξαρτάται από το πλήθος των κόκκων στους οποίους έχει θρυμματισθεί κατά τη άλεση ο αρχικός κρύσταλλος. Αν είχαμε ενιαίο μονοκρύσταλλο και μονοχρωματική ακτινοβολία θα παίρναμε μία μόνον ανάκλαση εφόσον περιστρέφαμε τον κρύσταλλο μόνο κατά έναν άξονα. Γενικά όταν ένα υλικό είναι πολυκρυσταλλικό και οι κρυσταλλίτες του έχουν μέγεθος μικρότερο από 50 nm, παρουσιάζει μια διεύρυνση στο πλάτος των κορυφών που εμφανίζονται στο φάσμα περίθλασης ακτίνων-χ. Η διεύρυνση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον υπολογισμό του μέσου μεγέθους των κρυσταλλιτών αν θεωρήσουμε το υλικό ελεύθερο τάσεων. Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι εικόνες περίθλασης των ακτίνων Χ των δειγμάτων σφαιρικού σχήματος μαγνητίτη. Το μέγεθος που χαρακτηρίζει τη διεύρυνση της κορυφής είναι το b (FWHM: Full Width at Half Maximum). Προσεγγιστικά, η διάμετρος των κόκκων δίνεται από τη σχέση 2.2 του Scherrer: 0.9 D (2.2) bcos όπου λ το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που στην προκειμένη περίπτωση για την ακτινοβολία Κα1 του Cu είναι λ= Å, θ=17.8 ο (Το διάγραμμα είναι Ι(cps)-2θ(deg)) και b=(π/180)*deg σε ακτίνια το FWHM. Με βάση αυτή την μέθοδο βρέθηκε το τυπικό μέγεθος των κρυσταλλιτών για όλα τα δείγματα.συνοπτικά τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Πίνακα 2.3. Δείγμα Ισχυρότερη FWHM Μέγεθος κατά Ταυτοποίηση Ανάκλαση Scherrer δειγμάτων 2θ (μοίρες) Β (μοίρες) nm Υλικό MCo CoO και Co FZ ZnO, Zn και Fe AG Ag ZN ZnO και Zn M Fe 2O 3 και Ag Πίνακας 2.3: Εφαρμογή του τύπου Scherrer. Στην τελευταία στήλη φαίνονται οι πιθανές τιμές του μεγέθους των κρυσταλλιτών νανοσωματιδίων. 38

39 2.3 Μαγνητικός Χαρακτηρισμός Ο μαγνητικός χαρακτηρισμός έγινε με μαγνητομετρία δονούμενου δείγματος VSM (OXFORD 1.2 H/CF/HT). Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στη μέτρηση μεταβολών του μαγνητικού στατικού πεδίου που παράγει ένας ισχυρός ηλεκτρομαγνήτης από την ταλάντωση του δείγματος. Στην Σχήμα 2.4 φαίνεται σχηματικά ένα μαγνητόμετρο δονούμενου δείγματος και το μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί. Το δείγμα, σε μορφή σκόνης, τοποθετείται στο δειγματοφορέα ανάμεσα σε δύο ισχυρούς ηλεκτρομαγνήτες. Ένας ταλαντωτής που συνδέεται με τον δειγματοφορέα ταλαντώνει το δείγμα. Δύο πηνία μετρούν τις διαφορές στο μαγνητικό πεδίο που υπάρχει στο χώρο, το οποίο δημιουργείται από τους δύο ηλεκτρομαγνήτες. Για έχουμε ικανοποιητικό λόγο σήματος προς θόρυβο, η ποσότητα του δείγματος θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 10mg. Σχήμα 2.7: Σχηματική απεικόνιση ενός μαγνητόμετρου δονούμενου δείγματος (VSM) Οι βρόχοι υστέρησης για τον κάθε τύπο μαγνητικών νανοσωματιδίων καταγράφηκαν σε θερμοκρασία δωματίου φαίνονται στο Σχήμα 2.8. Από τους βρόχους υστέρησης εξάγονται οι πληροφορίες για τα μαγνητικά χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων: Μαγνήτιση Κόρου (MC): Η μέγιστη μαγνήτιση που μπορεί να επιτευχθεί αυξάνοντας το εξωτερικό πεδίο. Παραμένουσα Μαγνήτιση (MR) : Στο σημείο του άξονα της μαγνήτισης όπου το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο είναι ίσο με μηδέν. Είναι η μαγνήτιση που απομένει στο υλικό όταν αφαιρεθεί το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. 39

40 Συνεκτικό Πεδίο (HC) : Στο σημείο του άξονα του εξωτερικού πεδίου όπου η μαγνήτιση είναι ίση με μηδέν. Είναι το αντίθετο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο που πρέπει να εφαρμοστεί στο υλικό ώστε να μηδενιστεί η μαγνήτισή του AG2 m=10,8mg Μαγνήτιση (emu/g) (α) Πεδίο (Τ) 6 FZ1 m=12mg 4 Μαγνήτιση (emu/g) (β) -0,8-0,4 0,0 0,4 0,8 Πεδίο (Τ) Σχήμα 2.8: Μαγνητικοί βρόχοι υστέρησης σε θερμοκρασία δωματίου 300 Κ για τα δείγματα a)ag2 και β) FZ1. 40

41 40 M1 m=0,8mg 20 Μαγνήτιση (emu/g) (α) Πεδίο (Τ) 100 MCo1 m=9,8mg 50 Μαγνήτιση (emu/g) (β) Πεδίο (Τ) Σχήμα 2.9: Μαγνητικοί βρόχοι υστέρησης σε θερμοκρασία δωματίου 300 Κ για τα δείγματα α)μ1 και β)mco1 41

42 3 2 ZN1 m=6mg Μαγνήτιση (emu/g) Πεδίο (Τ) Σχήμα 2.10: Μαγνητικοί βρόχοι υστέρησης σε θερμοκρασία δωματίου 300 Κ του δείγματος ΖΝ1 Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι μαγνητικές ιδιότητες των πέντε δειγμάτων που εξετάσθηκαν στην παρούσα εργασία: Δείγμα Μάζα Μαγνήτιση Κόρου (Μ C) Παραμένουσα Μαγνήτιση (Μ R) Συνεκτικό Πεδίο (H C) (mg) (emu/g) (emu/g) (mt) MCo FZ AG ZN M Πίνακας 2.4: Τα μαγνητικά χαρακτηριστικά των δειγμάτων που μελετήθηκαν 42

43 Από τα παραπάνω αποτελέσματα φαίνεται πως το δείγμα νανοσωματιδίων με τις βέλτιστες μαγνητικές ιδιότητες είναι αυτό με κωδικό (MCo1), το οποίο περιέχει κοβάλτιο. Τα υπόλοιπα δείγματα νανοσωματιδίων δεν εμφανίζουν αξιοσημείωτες μαγνητικές ιδιότητες. Στο κεφάλαιο αυτό μελετήσαμε τις δομικές και μαγνητικές ιδιότητες των προς μελέτη δειγμάτων. Από το διάγραμμα XRD έγινε η ταυτοποίηση του δείγματος και από την κύρια ανάκλασή του, με την μέθοδο του Scherrer, υπολογίσαμε το μέγεθος των κρυσταλλιτών. Ως γενική διαπίστωση του μαγνητικού χαρακτηρισμού προκύπτει ότι το δείγμα ΜCo1 είναι σιδηρομαγνητικo σε θερμοκρασία δωματίου όπως αναμένεται και από το σχετικά μεγάλο τους μέγεθος με αποτέλεσμα να μαγνητίζονται έντονα όταν βρεθούν σε μαγνητικό πεδίο και διατηρούν το μαγνητισμό τους και μετά την απομάκρυνσή του πεδίου όπως φαίνεται από την παρουσία συνεκτικού πεδίου σε θερμοκρασία δωματίου. Πιο συγκεκριμένα το δείγμα αυτό περιέχει Κοβάλτιο (Co) και οξείδιο του Κοβαλτίου (CoO) και από το μαγνητικό χαρακτηρισμό φάνηκε συνεκτικό πεδίο της τάξης των 56mT. Η τιμή αυτή είναι σε καλή συμφωνία με τις αντίστοιχες που υπάρχουν στη βιβλιογραφία για φερρίτη κοβαλτίου (51 mt) [19] και για μεταλλικό κοβάλτιο (60 mt). [20] Το δείγμα αυτό επιλέχθηκε να αξιολογηθεί στη συνέχεια ως φορέας μαγνητικής υπερθερμίας και η μελέτη αυτή παρατίθεται στο 3 ο κεφάλαιο. 43

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Μαγνητική Υπερθερμία 3.1 Εισαγωγή 3.2 Μαγνητική υπερθερμία με νανοσωματίδια 3.3 Θερμική Απόδοση και Μαγνητική Υπερθερμία 3.4 Πειραματικά Αποτελέσματα 44

45 3.1 Εισαγωγή Η μαγνητική υπερθερμία είναι μια ευρέως αναγνωρισμένη μέθοδος καταπολέμησης του καρκίνου. Η φυσική αρχή που τη διέπει είναι η επιλεκτική καταστροφή των καρκινικών όγκων μέσω της τοπικής θέρμανσης. Η ιδέα της υπερθερμίας γεννήθηκε όταν ανακαλύφθηκε πριν από περίπου 150 χρόνια ότι τα καρκινικά κύτταρα πεθαίνουν σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 42 ο C ενώ τα υγιή κύτταρα δεν επηρεάζονται σε τέτοιες θερμοκρασίες. Πιο συγκεκριμένα, η μαγνητική υπερθερμία με νανοσωματίδια (Μagnetic Particle Hyperthermia-ΜΡΗ) επιτρέπει την απόλυτη τοπική θέρμανση του όγκου, ενσωματώνοντας την πηγή θέρμανσης (μαγνητικά νανοσωματίδια) στον όγκο και επιτυγχάνοντας την θέρμανση μέσω εξωτερικού εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. 3.2 Μαγνητική Υπερθερμία με Νανοσωματίδια Η πρώτη πειραματική δουλειά πάνω στην ΜΡΗ παρουσιάστηκε από τον Gilchrist περίπου 70 χρόνια πριν, και ήταν μια ex vivo εφαρμογή σε λεμφαδένες σκύλου. Στα επόμενα χρόνια έγιναν πολλές μελέτες πάνω στη ΜΡΗ με μεγάλη επιτυχία. Παρόλα αυτά, η μέθοδος αυτή απαιτεί ακόμη περισσότερη έρευνα ώστε να γίνει μια από τις δεδομένες μεθόδους καταπολέμησης του καρκίνου. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της μαγνητικής υπερθερμίας ως μια μέθοδος καταπολέμησης όγκων είναι η έλλειψη παρενεργειών, σε αντίθεση με τις μεθόδους που επικρατούν έως και σήμερα (ακτινοθεραπείες, χημειοθεραπείες, επεμβατικές μέθοδοι κ.α.). Οι δύο κύριες εργασίες που πρέπει να γίνουν ώστε να βελτιωθεί η μέθοδος αυτή και να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί ευρέως είναι οι εξής: α) Να προσδιοριστεί ένας ασφαλής, εύκολος και επαναλήψιμος τρόπος για την έκχυση των μαγνητικών νανοσωματιδίων στην περιοχή του καρκινικού όγκου και β) να βελτιωθεί η ειδική απώλεια ενέργειας (Specific Heating Power SHP) των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Η πιο σίγουρη μέθοδος για την τοποθέτηση των νανοσωματιδίων στο καρκίνωμα είναι με εντός του όγκου έκχυση (με ένεση) τους. Ερευνώνται εναλλακτικές μέθοδοι όπως η στόχευσης με αντισώματα και η 45

46 πρόσληψη από το κύτταρο με φυσικό τρόπο. Όσον αναφορά την ειδική απώλεια ενέργειας, η βελτίωση της ιδιότητας αυτής είναι απαραίτητη ώστε να μπορούν να επιτευχθούν και να διατηρηθούν οι επιθυμητές θεραπευτικές θερμοκρασίες μέσα στον όγκο με την ελάχιστη δυνατή ποσότητα μαγνητικού υλικού. [21] Σχήμα 3.1: Παράμετροι βελτιστοποίησης της θερμικής απόδοσης. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια (Magnetic Nanoparticles MNPs) που χρησιμοποιούνται για την μαγνητική υπερθερμία είναι συνήθως ένας μονός ή και πολλαπλός ανόργανος κρύσταλλος και συχνά του προστίθεται κάποια επικάλυψη με βιοσυμβατό υλικό (πολυμερές, χρυσός η πυρίτιο) ώστε να βελτιωθεί η βιοσυμβατότητά τους. Τα ΜΝΡs έχουν μελετηθεί σε βάθος όσο αναφορά τη βιοσυμβατότητά τους και είναι ευρέως γνωστό ότι δεν προκαλλούν προβλήματα στους ζώντες οργανισμούς. Αναφορικά, πέρα από τη μαγνητική υπερθερμία, τα μαγνητικά νανοσωματίδια έχουν και κάποιες άλλες βιοϊατρικές εφαρμογές: Μαγνητομηχανική επίδραση στην επιφάνεια κυττάρων Μαγνητική μεταφορά γονιδίων Μαγνητική μεταφορά φαρμάκων Για την καταπολέμηση του καρκίνου, είναι πολύ σημαντικό να γίνεται αύξηση της θερμοκρασίας τοπικά σε περιοχή μικρότερη από ένα όργανο ή αδένα. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγονται ανεπιθύμητες παρενέργειες στον οργανισμό. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια μπορούν να τροποποιηθούν ανάλογα ώστε να στοχεύουν συγκεκριμένα κύτταρα και να αποφεύγουν ανεπιθύμητες περιοχές. [22] 46

47 3.3 Θερμική Απόδοση και Μαγνητική Υπερθερμία Η καταστροφή όγκων μέσω της μαγνητικής υπερθερμίας βασίζεται στην θερμότητα που παράγεται από τα νανοσωματίδια στην περιοχή του καρκινικού ιστού. Για να παραχθεί αυτή η θερμότητα τα νανοσωματίδια πρέπει να υποβληθούν σε εξωτερικό εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο δημιουργείται από εξωτερικά πηνία που περιβάλλουν το σώμα του ασθενούς. Οι κύριοι τρόποι με τους οποίους παράγεται η θερμότητα από τα νανοσωματίδια είναι οι εξής: 1. Μαγνητική Υστέρηση (Απώλειες λόγω του φαινομένου της μαγνητικής υστέρησης) 2. Αφηρέμηση Néel ή Brown (Απώλειες λόγω δυνάμεων ιξώδους που δημιουργούνται από την περιστροφή και την ταλάντωση των μαγνητικών νανοσωματιδίων κατά την κίνησή τους) [2] Οι μέγιστες απώλειες θερμότητας λόγω υστέρησης για ένα ιδανικό σύστημα νανοσωματιδίων όπου όλοι οι άξονες τους είναι παράλληλοι με το εξωτερικό πεδίο και ο βρόχος υστέρησης είναι τετραγωνικός δίνονται από τον τύπο: Q = 4μ 0 M S H C [ J m 3 ] (3.1) O ειδικός ρυθμός απωλειών (Specific Loss Power) δίνεται από τον τύπο: SLP = Qf ρ [W g] (3.2) Όπου: f είναι η συχνότητα του εξωτερικού πεδίου και ρ η πυκνότητα μάζας. Είναι σημαντικό να αναφερθεί πως οι απώλειες λόγω υστέρησης υπάρχουν αν και μόνο αν η τιμή του εξωτερικού πεδίου ξεπερνά αυτή του συνεκτικού πεδίου του υλικού. Το Hc και η MR μειώνονται όσο μειώνεται το μέγεθος των νανοσωματιδίων. [21] Η μαγνητική υστέρηση είναι ένα φαινόμενο που δεν πραγματοποιείται σε κατάσταση ισορροπίας. Ως αποτέλεσμα, μετά την απομάκρυνση του εξωτερικού πεδίου η μακροσκοπική μαγνήτιση δεν εξαφανίζεται ακαριαία αλλά μέσα σε έναν χρόνο αφηρέμησης (τ). Ο χρόνος αφηρέμησης (τ) υπολογίζεται σ εκατομμύρια χρόνια για τα μαγνητικά ορυκτά και χρησιμοποιείται από τους παλαιομαγνητιστές για την κατασκευή μοντέλων της αναστροφής των μαγνητικών πόλων της Γης. Για τα μικρού μεγέθους μαγνητικά νανοσωματίδια, ο χρόνος αυτός ανέρχεται σε μερικά κλάσματα του δευτερολέπτου. 47

48 Η αποκατάσταση της μαγνήτισης γίνεται με δύο τρόπους: Μηχανισμός Néel: Περιστροφή της μαγνητικής ροπής στο εσωτερικό ενός νανοσωματιδίου. Η κινητήρια δύναμη για την περιστροφή των μαγνητικών ροπών μετά την εξαφάνιση της ευθυγράμμισης με το εξωτερικό πεδίο είναι ο θερμικός παράγοντας (kt) όπου το (k) αναπαριστά την σταθερά Boltzmann και το (Τ) την θερμοκρασία. Το ενεργειακό φράγμα για την αναστροφή της μαγνήτισης νανοσωματιδίων είναι ίσο με (ΚV) όπου το (Κ) αναπαριστά την μαγνητική ανισοτροπία και το (V) τον όγκο του νανοσωματιδίου. Άρα, ο χρόνος αφηρέμησης Néel, δηλαδή μέσος χρόνος ανάμεσα σε δύο αναστροφές της μαγνητικής ροπής του νανοσωματιδίου δίνεται από τη σχέση: Με τ sec τ Ν = τ 0 e KV kt [sec] (3.3) Ο μηχανισμός Néel είναι ο μόνος μηχανισμός αφηρέμησης που λαμβάνει χώρα σε καταστάσεις όπου τα νανοσωματίδια είναι ακίνητα (π.χ. στο εσωτερικό ενός καρκινικού όγκου). Μηχανισμός Brown: Περιστροφή ολόκληρου του νανοσωματίδιου μέσα σε υγρό. Διαλύματα μαγνητικών νανοσωματιδίων (τα ονομαζόμενα ferrofluids) παρέχουν τις κατάλληλες συνθήκες ώστε να επιτευχθεί επαναφορά της μακροσκοπικής μαγνήτισης μέσω της περιστροφής των νανοσωματίδίων. Στην περίπτωση αυτή οι απώλειες που εμφανίζονται οφείλονται στην τριβή των νανοσωματιδίων λόγω των δυνάμεων ιξώδους (η) που εμφανίζονται στο διάλυμα. Η σχέση που δίνει τον χρόνο αφηρέμησης Brown είναι η εξής: τ Β = τ 0 3ηV η kt [sec] (3.4) Όπου τ sec, (η) είναι ο συντελεστής ιξώδους του ρευστού, (Vη) είναι ο υδροδυναμικός όγκος των νανοσωματιδίων, (k) αναπαριστά την σταθερά Boltzmann και το (Τ) την θερμοκρασία. Τα νανοσωματίδια επιλέγουν τον πιο εύκολο ενεργειακά δρόμο για την αποκατάσταση της μαγνήτισης. Αυτό σημαίνει πως η αποκατάσταση γίνεται δια μέσου της οδού που θα έχει το μικρότερο δυνατό χρόνο αφηρέμησης. Οι χρόνοι αφηρέμησης 48

49 εξαρτώνται από το μέγεθος των νανοσωματιδίων. Υπάρχει μία κρίσιμη τιμή της διαμέτρου των σωματιδίων για την οποία οι δύο χρόνοι αφηρέμησης τν και τβ γίνονται ίσοι. O ενεργός χρόνος αφηρέμησης υπολογίζεται από τη συχνότητα αφηρέμησης (1/τ) και είναι ίσος με: τ eff = τ Ντ Β τ Ν + τ Β [sec] (3.5) Για διαμέτρους ναοσωματιδίων μικρότερες από την κρίσιμη τιμή ο χρόνος αφηρέμησης Néel είναι μικρότερος και έτσι ευνοείται ο μηχανισμός Néel. Για διαμέτρους μεγαλύτερες της κρίσιμης τιμής, ο χρόνος αφηρέμησης Brown είναι μικρότερος και άρα ευνοείται αντίστοιχα ο μηχανισμός Brown. [21] Σχήμα 3.2.: Σχηματική αναπαράσταση των μηχανισμών αφηρέμησης Neel και Brown. 49

50 3.4 Πειραματικά Αποτελέσματα Στην παρούσα εργασία, χρησιμοποιήθηκαν δύο συσκευές για την μέτρηση της απόδοσης των μαγνητικών νανοσωματιδίων στη μαγνητική υπερθερμία (375 khz: Ambrell Easyheat 1.2kW και 765 khz: Shuangping Ultrahigh Frequency Induction Heating Machine 4.5 kw). Το μαγνητικό πεδίο που εφαρμόστηκε ήταν 30 mt για τη συσκευή των 765kHz και 50, 60 mτ για τη συσκευή των 375kHz. H θερμοκρασία στο κέντρο του δείγματος καταγράφηκε με τη βοήθεια της οπτικής ίνας OpSens PicoM. Σχήμα 3.3: Σχηματική απεικόνιση διάταξης για τη μέτρηση της θερμικής απόδοσης μαγνητικών νανοσωματιδίων. Το δείγμα (διάλυμα μαγνητικών νανοσωματιδίων σε νερό, Σχήμα 3.4) τοποθετείται μέσα σε ένα γυάλινο μπουκάλι το οποίο στερεώνεται μέσα σε ένα επαγωγικό πηνίο το οποίο μέσω ενός τροφοδοτικού μηχανήματος παράγει εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Αποτέλεσμα της λειτουργίας της διάταξης αυτής είναι η θέρμανση του διαλύματος των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Στο κέντρο του δείγματος τοποθετείται οπτική ίνα μέσω της οποίας γίνεται η καταγραφή της θερμοκρασίας. Η θέρμανση του δείγματος μέσω του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου διαρκεί 600 δευτερόλεπτα. Έπειτα, η τροφοδοσία του επαγωγικού πηνίου διακόπτεται και το δείγμα αφήνεται να ψυχθεί για 600 δευτερόλεπτα. Η συγκεκριμένη οπτική ίνα που διαθέτει το εργαστήριο, έχει ανώτατο όριο μέτρησης τους 70 ο C. Από τη θερμοκρασία αυτή και πάνω η οπτική ίνα μπορεί να παρουσιάσει λειτουργικό πρόβλημα, οπότε για λόγους προστασίας της, οι μετρήσεις διακόπτονται. Στα συγκεκριμένα 50

51 δείγματα που μελετώνται στην παρούσα εργασία, η θερμοκρασία αυτή δεν επιτεύχθηκε, οπότε και όλες οι μετρήσεις έγιναν σύμφωνα με το παραπάνω πρωτόκολλο. Σχήμα 3.4: Διάλυμα μαγνητικών νανοσωματιδίων σε νερό. Το δείγμα στη φωτογραφία είναι τοποθετημένο μέσα στο γυάλινο μπουκαλάκι το οποίο θα εισέλθει στο επαγωγικό πηνίο για τη μέτρηση της υπερθερμίας. Από τη μέτρηση προκύπτουν καμπύλες της θερμοκρασίας του δείγματος συναρτήσει του χρόνου. Οι καμπύλες αυτές έχουν την μορφή της Σχήμας 3.6. και δείχνουν την θέρμανση και την ψύξη του δείγματος. Σχήμα 3.5: Τα διαλύματα μαγνητικών νανοσωματιδίων μέσα στο επαγωγικό πηνίο της διάταξης για την μέτρηση της υπερθερμίας. α) 765 khz: Shuangping Ultrahigh Frequency Induction Heating Machine 4.5 kw, b) 375 khz: Ambrell Easyheat 1.2kW. Στα σχήματα 3.6 και 3.7 παρουσιάζονται συγκεντρωμένες όλες οι πειραματικές καμπύλες υπερθερμίες για το δείγμα MCO1 σε συγκεντρώσεις 1, 2, 4, 6, 8 και 10 mg/ml μετρημένες σε συχνότητα 375 khz σε πεδίο 50, 60 mτ και σε συχνότητα 765kHz και πεδίο 30mT αντίστοιχα. 51