삼중 소용돌이 원통형 자기 나노입자 열 발생 최적화로 암 온열요법 고도화

초록

암 종양 치료 확립된 방법인 자기 온열요법은 고주파 교번 자기장에서 자기 나노입자(MNP) 이완 메커니즘으로 생성된 국소 열을 이용한다. 본 연구에서는 템플릿 보조 펄스 전기도금과 차등 화학 식각으로 제조된 원통형 NiFe MNP 가열 효율 조사. 원통형 MNP 기하구조가 삼중 소용돌이 상태 형성 가능케 하여 열 발생 효율 4배 증가시킴. 시간 의존 열량 측정으로 MNP 비흡수율(SAR) 결정, 미세자기 시뮬레이션 수치 계산 및 진동 시료 자력계(VSM) 측정과 비교. 높은 종횡비 MNP 자화 반전서 더 높은 잔류 자화와 저자장 감수성 보이며 더 큰 히스테리시스 손실 유도, 이는 더 높은 실험적·이론적 SAR 값 반영. SAR 자기장 세기 의존성서 저자장 작은 SAR 값, 고자장 포화 현상 보이며 MNP 보자력과 연관된 강자성 MNP 특성적 특징. 원통형 NiFe MNP 최적화는 고성능 생체적합성 자기 온열요법 제제 생산에 중추적 역할 수행.

서론

자기 나노입자(MNP) 응용은 자기역학적 세포 파괴[1-4], 자기공명영상[5-7], 약물 전달[8-10], 자기 온열요법[11-14] 등 생물의학 분야 광범위 연구되어 현재 진단/치료 방법 단점 보완. MNP 최대 장점은 외부 자기장으로 원격 제어 가능. 결과적 자기 반응은 열 방산 또는 자기 토크 형태, 인가 자기장 구성과 MNP 자화 역학 의존[15].

그러나 다양한 생물의학 응용은 다양한 자기장 구성서 특정 회전 메커니즘 요구. 암 바이오마커 생체센서 MNP 브라운 운동 자기 분광법으로 MNP 결합 분율과 이완 시간 초단위 측정[16]. MNP 농도 정량 자기입자영상 MNP 네엘 이완 필요, MNP 크기 분포 기인 브라운 이완 최소화 필요[17]. MNP 이완 과정 두 메커니즘 네엘, 브라운 이완 존재, 열 방산 또는 MNP 공간 회전 결과. 네엘 이완 MNP 자기 모멘트 자기장 재배향 상관, 브라운 이완 MNP 공간 회전 상관[18-20].

네엘(t_N) 브라운(t_B) 이완 시간:

$$ {t}_N={t}_0{e}^{\frac{KV}{k_BT}}\; and\;{t}_B=\frac{3\eta\;V}{k_BT} $$

여기서 η 점성 계수, t₀ 시도 주파수 역수, K 자기 이방성 상수, V MNP 부피, k_B 볼츠만 상수, T 온도. 원칙적으로 빠른 메커니즘 지배, 두 네엘 브라운 메커니즘 열 방산과 자기 토크 통해 동시 발생 가능, 결합[21]. 유효 이완 시간(t_eff):

$$ \frac{1}{t_{eff}}=\frac{1}{t_B}+\frac{1}{t_N} $$

작은 MNP서 지배적 네엘 이완, 큰 MNP서 브라운 이완. 네엘 이완서 MNP 자화 방향 자기 모멘트 재구성으로 변화, MNP 크기, 온도 의존. 브라운 이완서 MNP 공간 회전, 점성, 화학 결합 등 외부 조건 의존[22-24]. 따라서 자기 온열요법 최적 열 발생 또는 자기작동 세포 사멸 자기 토크 위해 MNP 설계 조정 적응 위해 이완 메커니즘 기여 이해 중요.

자기 온열요법 고주파 교번 자기장 하 MNP 국소 가열로 암세포 아폽토시스, 종양 퇴행 유도 확립된 암 치료 기술[3, 25-27]. 교번 자기장서 MNP 한 자기장 주기 방산 열 히스테리시스 루프 면적 A와 동일:

$$ A={\int}_{-{H}_{\mathrm{max}}}^{+{H}_{\mathrm{max}}}\;{\mu}_0\;M(H)\; dH $$

여기서 M MNP 자화, 주파수 f, 진폭 μ₀H_max 교번 자기장[28-30]. 자기 온열요법서 낮은 MNP 용량, 짧은 치료 시간 유지 위해 MNP 가열 효율 최대화 필요. MNP 가열 성능 측정 비흡수율(SAR), MNP 단위 질량당 방산 열(Wg⁻¹):

$$ \mathrm{SAR}=\frac{A\;f}{\rho } $$

ρ MNP 밀도.

MNP 열 방산 효율 실험적 SAR 측정, 단위 질량당 방산 에너지(Wg⁻¹):

$$ \mathrm{SAR}=C\frac{\varDelta T}{\varDelta t}\frac{1}{m_{\mathrm{MNP}}} $$

C 매체 비열(C_water=4.18 Jg⁻¹°C⁻¹), ΔT/Δt 시간-온도 그래프 초기 기울기, m_MNP MNP 질량. 그러나 SAR 값 MNP 가열 효율 완전 대표 못함, 열 방산 주파수 f, 자기장 세기 H 영향도 받음. 따라서 유효 비흡수율 또는 고유 손실 전력(ILP) MNP 가열 효율 특성화 사용:

$$ \mathrm{ILP}=\frac{\mathrm{SAR}}{H^2f} $$

원통형 NiFe MNP서 삼중 소용돌이 상태 형성: 시계/반시계 소용돌이 MNP 중심서 제3 소용돌이 핵 연결, 3차원 자화 구성. 자기 온열요법 응용 MNP 이론적 열 방산 시뮬레이션 히스테리시스 루프, VSM 측정 계산. 시간 의존 열량 측정으로 MNP SAR, ILP 결정, 수치 계산 비교.

실험 방법

자기 나노입자 제조

템플릿 보조 펄스 전기도금과 차등 화학 식각은 다양한 조성(Ni, Fe, Co) MNP 생산 단순 저렴 제조법. Ni₈₀Fe₂₀, 퍼멀로이, 높은 투자율, 낮은 보자력, 근영 자왜율 뛰어난 자기 특성 나타내는 강자성 물질. 원통형 MNP 제조 시작: 양극 산화 알루미늄(AAO) 템플릿 보조 펄스 전기도금으로 조성 변조 원통형 NiFe 나노와이어 성장, 전해질욕 NiSO₄, FeSO₄, H₃BO₃ 구성[31-35]. 이후 NaOH서 AAO 템플릿 용해 나노와이어 방출. 최종 NaNO₃ 희석으로 나노와이어 Fe 풍부 영역 화학 식각 MNP 형성. MNP 직경 AAO 템플릿 기공 크기 결정, 길이 고전압 펄스 V_H 지속시간 제어 추가 파일 1.

세포 생존율

HeLa 세포 12웰 플레이트 웰당 8×10⁴ 세포 접종, 4.5 g/L 포도당, 2 mM L-글루타민, 10% 태아소혈청, 1% 페니실린/스트렙토마이신 함유 Dulbecco 변형 Eagle 배지, 37°C, 5% CO₂ 가습 분위기 배양. 세포 생존율 PrestoBlue, 투과성 레사주린 기반 세포 생존율 시약, 생존 세포 환원력으로 세포 증식 정량 측정 사용 결정. HeLa 세포 0.1 mg/mL MNP 처리 후 PrestoBlue 시약 37°C, 5% CO₂ 2시간 배양. 570 nm, 600 nm 흡광도 Tecan Infinite M200 PRO 마이크로플레이트 리더 측정. 세포 생존율 MNP 미노출 세포 대비 백분율 표현. 각 실험 실험군, 대조군 각 4중 세트 수행.

통계 분석

결과 평균 ± 표준편차(SD) 표현. 통계적 유의성 OriginPro, OriginLab 일원분산분석(ANOVA) 분석. p < 0.05 통계적 유의 간주.

미세자기 시뮬레이션

MNP 자화 구성 GPU 가속 미세자기 시뮬레이션 프로그램 MuMax3로 Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식 3차원 풀며 조사[36]. 미세자기 시뮬레이션 MNP 미시적 수준 자화 구성 통찰 제공, 해석 모델과 실험 결과 관찰 간 상관관계 보여줌. 시스템 총 에너지:

$$ {E}_{\mathrm{Total}}={E}_{\mathrm{Exchange}}+{E}_{\mathrm{Anisotropy}}+{E}_{\mathrm{Zeeman}}+{E}_{\mathrm{Dipolar}}=-\int {\mu}_0{H}_{eff}(r)\cdot M(r){d}^3r $$

여기서 H_eff=-(1/μ₀)∇_ME. Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식 감쇠 α 가진 유효 자기장 H_eff서 자화 M 세차 운동 기술:

$$ \frac{dM(r)}{dt}=-\gamma M(r)\times {H}_{eff}(r)-\frac{\overline{\alpha}}{M_s}M(r)\times \left(M(r)\times {H}_{eff}(r)\right) $$

γM(r)×H_eff(r) 국소장 H_eff(r)서 M(r) 세차 운동, ᾱ/M_sM(r)×(M(r)×H_eff(r)) 경험적 감쇠 항. 퍼멀로이 Ni₈₀Fe₂₀ 물질 파라미터: 포화 자화 M_s 860×10³ A/m, 교환 강성 상수 A_ex 1.3×10⁻¹¹ J/m, 영 자기결정 이방성 k=0, 길버트 감쇠 상수 α 0.01. 모든 시뮬레이션 5 nm×5 nm×5 nm 셀 크기 사용, 교환 길이 대비 충분히 작음.

자기 온열요법 실험 장치

SAR 시간 의존 열량 측정으로 고주파 유도 가열기 생성 교번 자기장 MNP 노출 실험적 획득. 0.05-0.1 mg/mL 농도 MNP 수용액 현탁액 팔콘 튜브 붓고, 스티로폼 단열, 유도 코일 둘러쌈. 코일 온도 물 순환 칠러 28.0±0.5°C 유지. 현탁액 초기 온도 28.0±0.5°C 1분 유지 유도 코일 열 기여 제거. 15.9-47.8 kAm⁻¹ 교번 자기장 범위, 고정 주파수 360 kHz 적용, 임상 자기 온열요법 기준 내.

결과 및 논의

자기 나노입자 특성 분석

제조 원통형 NiFe MNP 조성 V_H 또는 전해질 조성 결정. MNP 조성 큰 제어도 보이기 위해 다양한 조성 MNP 제조(Ni₈₈Fe₁₂, Ni₇₆Fe₂₄, Ni₅₂Fe₄₈, Ni₃₆Fe₆₄) 에너지 분산형 X선 분광법(EDX) 검증. 그림 1 진동 시료 자력계(VSM) 측정 NiFe MNP 다양한 조성 정규화 히스테리시스 루프. 자기장 유효 자기 이방성 극복 충분 값 증가 자화 포화 도달. 스퀘어니스 비율 SQR 히스테리시스 루프 사각 정도 기본 척도:

$$ \mathrm{SQR}=\frac{M_r}{M_s} $$

면내/면외 인가 자기장 보자력 H_c, 스퀘어니스 SQR=M_r/M_s 값 표 1 정리. 일반적으로 Ni 풍부 MNP(Ni₈₈Fe₁₂, Ni₇₆Fe₂₄, Ni₅₂Fe₄₈)서 면내 H_c 면외 H_c보다 높으나 Fe 풍부 MNP(Ni₃₆Fe₆₄)서 역전, NiFe 나노와이어 이상 공석착 선행 연구와 일치[37].

생체적합 표면 코팅

NiFe MNP 강한 쌍극자 상호작용 인접 MNP 간 효과로 응집 경향. 따라서 생체적합 생분해성 고분자[38, 39] 키토산[40-42], 폴리비닐알코올[43-45], 올레산[46-48], 덱스트란[49, 50], 가장 흔히 폴리에틸렌 글리콜(PEG)[51-56] 사용 표면 개질 제안. PEG 친수성 고분자 리포좀, MNP 혈액 순환 개선 널리 사용[57-60]. 원통형 NiFe MNP 물 분산 위해 생체적합 5000 g mol⁻¹ PEG 안정제 사용[61]. 주사전자현미경(SEM) 이미지 MNP 산화 껍질 형성 보임(그림 2a). 이 산화 껍질 MNP 자기 물질 산화 방지. FeCo MNP, Fe MNP 선행 연구 대기 노출만으로 심각한 산화 발생[61, 62].

X선 회절(XRD) 패턴 피크 주로 (111) 결정면 인덱싱, 벌크 NiFe 면심입방(fcc) 구조 대응(그림 2b). 이는 MNP 전기도금 시 (111) 우선 배향 성장 함 지시, 전기도금/스퍼터링 NiFe 나노와이어서도 명백[63, 64]. 또한 높은 Fe 농도 산화상 형성 결과 스피넬 산화물((NiFe)₃O₄) 회절 피크 부재. NiFe MNP 높은 결정성 무시할 표면 스핀 캔팅 유도, MNP 높은 포화 자화, 작은 보자력 유지. PEG 코팅 NiFe MNP 추가 특성 EDX 측정 수행. 그림 2c 주로 Ni, Fe 원소 검출, 소량 O 원소 존재, MNP 주변 산화 껍질 형성 지시.

그림 2d 비코팅, PEG 코팅 NiFe MNP 노출 HeLa 세포 24시간 후 세포 생존율 각 82.2%, 82.6%. 48시간 후 79.9%, 82.1% 약간 감소, PEG 코팅 MNP 약간 높은 생체적합성 표시. 껍질 없는 NiFe MNP 포유류 세포 독성, 세포 생존율 영향. PEG 코팅 고생체적합, 세포내포작용 통한 MNP 세포 내재화, 세포독성 감소[66, 67]. 원통형 NiFe MNP HeLa 세포 세포독성 자기 온열요법 연구 사용 타 상용 강자성 NP와 비교 가능[68].

자화 역학

MNP 조성 퍼멀로이 Ni₈₀Fe₂₀ 고정, 길이(l) 지름(d) 변화. MNP 총 에너지 교환 에너지, 비자화/쌍극자 에너지, 제만 에너지 기여 인가 자기장 H 함수 MNP 장축 따라 그림 3a-d 플롯. MNP 장축 평행 강한 자기장 포화. 큰 자기장서 제만 에너지 기여 우세, 스핀 대부분 자기장 방향 정렬. 이 스핀-자기장 평행 배열 총 자기 에너지 교환 에너지 기여 최소화. 인가 자기장 감소 시 MNP 양끝 시계/반시계 소용돌이 핵 생성, MNP 중심으로 진행, 평행 자화 성분 점진 감소 제만 기여 하락, 다른 기여 점점 중요. MNP 유도 자계 최소화 시도, 비자화 에너지 감소. 충분히 낮은 자기장서 삼중 소용돌이 상태 형성, 총 에너지 최소 유지 안정 자화 구성. 자기장 역전 시 교환 에너지 급격 하락 두 소용돌이 급격 분열 대응.

서로 다른 길이(l) MNP 유의하게 다른 자화 구성 가짐. 길이 l 100 nm 미만 단일 소용돌이만 핵생성, 자기정적 에너지와 교환 에너지 상호작용 기인 면내 폐쇄 플럭스 도메인 구조. l 100 nm 이상 MNP 양끝 반시계/시계 소용돌이 핵 쌍 생성-이중 소용돌이 상태. 자기장 감소 시 소용돌이 하나 소멸, 단일 소용돌이 상태 붕괴. 그러나 l 300 nm 이상 저자장서 소용돌이 소멸 없음, 대신 MNP 곡면 추가 제3 소용돌이 핵 생성-삼중 소용돌이 상태.

열량 측정

Ni₈₀Fe₂₀ MNP, l=500 nm, d=350 nm, 15.9-47.8 kAm⁻¹(200-600 Oe) 교번 자기장 노출, 온도-시간 곡선 그림 4a 표시. SAR 식 특성화 따라 SAR 값 15.9 kAm⁻¹ 427 Wg⁻¹, 31.9 kAm⁻¹ 1054 Wg⁻¹, 47.8 kAm⁻¹ 1742 Wg⁻¹ 계산. 예상대로 자기장 세기 클수록 SAR 값 커짐, SAR 값 자기장 세기 비례. 따라서 MNP 자기 온열요법 가열 효율 더 나은 평가 위해 ILP 산출. ILP 식 특성화 따라 360 kHz서 15.9 kAm⁻¹ 4.69 nHm²kg⁻¹, 31.9 kAm⁻¹ 2.88 nHm²kg⁻¹, 47.8 kAm⁻¹ 2.12 nHm²kg⁻¹ ILP 값 계산.

다음 d=350 nm, l=100-500 nm NiFe MNP 47.8 kAm⁻¹(600 Oe) 교번 자기장 노출, 온도-시간 곡선 그림 4b 표시. SAR 식 특성화 따라 47.8 kAm⁻¹, 360 kHz서 l=100 nm 409 Wg⁻¹, l=200 nm 618 Wg⁻¹, l=500 nm 1742 Wg⁻¹ SAR 값 계산. ILP 식 특성화 따라 동일 조건 l=100 nm 0.50 nHm²kg⁻¹, l=200 nm 0.75 nHm²kg⁻¹, l=500 nm 2.12 nHm²kg⁻¹ ILP 값 계산.

l=500 nm MNP l=100 nm, 200 nm MNP 대비 훨씬 큰 가열 효율, 더 유의미한 온도 상승 유도. 47.8 kAm⁻¹, 360 kHz서 l=500 nm MNP 최고 SAR 값 1742 Wg⁻¹. 비교 위해 15.9-31.9 kAm⁻¹(200-400 Oe) 자기장, d=350 nm, l=100-500 nm MNP SAR 값 그림 4c 표 정리. 동일 조건서 l=500 nm MNP SAR, ILP 값 더 작은 l MNP 대비 4배 높음. 미세자기 시뮬레이션서 l 300 nm 이상 증가 시 MNP 자화 반전 과정 이중 소용돌이 상태서 삼중 소용돌이 상태로 변화 관찰. l<300 nm서 단일/이중 소용돌이 상태만 관찰. 삼중 소용돌이 상태 MNP 잔류 자화 M_r 단일/이중 소용돌이 상태 대비 유의하게 높음.

단일 도메인 MNP 동적 히스테리시스 루프 계산 이론 모델 Carrey 등 제안[69]. 다중 도메인 MNP 초상자성 임계 크기 이상 큰 크기 MNP서 자화 스위칭 시간 ~10⁻⁹ s 차수, 자기 온열요법 스위칭 시간 ~10⁻⁶ s 차수이므로 큰 MNP 교번 자기장 따라잡기 가능하므로 미세자기 시뮬레이션 정적 히스테리시스 루프 얻어 계산 합리적. 원통형 NiFe MNP 미세자기 시뮬레이션, VSM 측정 히스테리시스 루프 면적 이론적 SAR 값 계산, 그림 4d 표 정리.

l=100 nm, 200 nm MNP SAR 값 보자력 H_c 미만 저자장 작은 SAR 값 보이다 고자장 급격 증가 포화, 강자성 영역 특성. 반면 삼중 소용돌이 상태 l=500 nm MNP 자기장 의존성 SAR 값 비선형 관계 따르며 ~6배 더 큰 SAR 값. 삼중 소용돌이 상태 l=500 nm MNP 높은 잔류 자화 M_r 저자장 0 아닌 SAR 값서 명백. 열량 측정(그림 4c) 수치 계산(그림 4d) 비교 강자성 영역 MNP 특성 질적 양적 일치: 저자장 작은 SAR 값, H_c 연관 고자장 포화.

삼중 소용돌이 상태 NiFe MNP 열 방산 d=150-350 nm 비교, 47.8 kAm⁻¹(600 Oe) 교번 자기장, 온도-시간 곡선 그림 5a 표시. SAR, ILP 값 d=350 nm 1785 Wg⁻¹, 2.17 nHm²kg⁻¹; d=250 nm 2073 Wg⁻¹, 2.52 nHm²kg⁻¹; d=150 nm 2750 Wg⁻¹, 3.34 nHm²kg⁻¹ 계산. d=150 nm, 250 nm MNP 0.1 mg/mL 농도서 4.92분, 7.45분 최적 치료 온도 43°C 도달. 종횡비 다른 MNP 비교시 d=150 nm MNP 가열 효율 d=350 nm MNP 대비 1.54배 더 큼. 이는 d=150 nm MNP 최고 저자장 감수성, M_r 소유 때문. 따라서 SAR 값 l, d 모두 변화 MNP 자화 반전 과정 밀접 연관.

미세자기 시뮬레이션서 히스테리시스 루프 면적 A MNP 지름(d) 따라 유의 진화 관찰. 따라서 d=150 nm MNP SAR 값 급격 증가 최대 SAR 값 6263 Wg⁻¹ 포화. 수치 계산서 높은 종횡비 MNP 더 큰 히스테리시스 손실, 더 높은 이론적 SAR 값 결과 그림 5b. 열량 측정(그림 5a) 수치 계산(그림 5b) 비교 좋은 질적 일치, 히스테리시스 손실 값 양적 불일치. 실험 이론 값 간 불일치 NiFe MNP 비초상자성, 무시 못 할 잔류 자화 가짐, 인접 MNP 간 강한 자기 쌍극자 상호작용 원치 않는 응집 유도[70, 71] 기인. 수동적 부피 MNP 브라운 운동 지배 구성요소이므로 MNP 응집 정도 지배적 이완 메커니즘(네엘/브라운) 결정. 응집 MNP 그룹 vs 단일 자유 MNP SAR 값 크게 차이. 또한 교번 자기장 나노기둥/나노체인 형성 유도, 상이 브라운 이완 메커니즘 나타내 실험 이론 값 간 차이 설명[72-74].

결론

원통형 NiFe MNP 나타낸 높은 SAR 값 산화철 MNP(IOMNP), 초상자성 산화철 나노입자(SPION)[28, 75] 비교 가능, 교번 자기장 하 열 방산 능력 입증. 삼중 소용돌이 상태 MNP 이중/단일 소용돌이 상태 MNP 대비 훨씬 큰 가열 효율, SAR 값 4배 더 큼, 삼중 소용돌이 상태 MNP 높은 M_r 기인. 종횡비 다른 MNP 비교시 d=150 nm MNP 가열 효율 d=350 nm MNP 대비 1.54배 더 큼, 더 큰 M_r, 저자장 감수성 때문. 열량 측정, 미세자기 시뮬레이션 모두 자화 반전 과정과 d=150 nm MNP 더 큰 히스테리시스 손실 상관관계 보임, 더 높은 실험적/이론적 SAR 값 결과. MNP 크기, 자기 특성 용이 제어 in vivo 자기 온열요법 암 치료 임상시험 큰 잠재력 지시.

데이터 및 재료 가용성

현재 연구 동안 생성/분석된 데이터셋 합리적 요청 시 교신저자 제공 가능.

약어

d:

자기 나노입자 지름 (Diameter of magnetic nanoparticles)

EDX:

에너지 분산형 X선 분광법 (Energy-dispersive X-ray spectroscopy)

H_c:

보자력 (Coercivity)

ILP:

고유 손실 전력 (Intrinsic loss power)

l:

자기 나노입자 길이 (Length of magnetic nanoparticles)

MNPs:

자기 나노입자 (Magnetic nanoparticles)

M_r:

잔류 자화 (Remanent magnetization)

PEG:

폴리에틸렌 글리콜 (Polyethylene glycol)

SAR:

비흡수율 (Specific absorption rate)

SEM:

주사전자현미경 (Scanning electron microscopy)

SQR:

스퀘어니스 비율 (Squareness ratio)

V_H:

고전압 전기도금 펄스 (High-potential electrodeposition pulse)

VSM:

진동 시료 자력계 (Vibrating sample magnetometer)

XRD:

X선 회절 분광법 (X-ray diffraction spectroscopy)