Figura 2.8 – Figura adaptada de Kim et al.[37]. Conceito de morte celular por dano magnetomecânico usando mi- crodiscos em estado de vórtice: Os microdiscos funcio- nalizados com anticorpo fixam-se à membrana celular. O campo magnético alternado faz os microdiscos oscilarem, o que compromete a integridade da membrana celular.
No capítulo anterior, mostramos que o pro- cesso de perda por susceptibilidade explorados pelos SPIONs não é único, nem o mais efici- ente processo para a liberação de calor. Des- tacamos também, que partículas em estado de vórtice magnético apresentariam uma eficiên- cia maior, pouco explorada, sem prejudicar ne- nhum dos pré-requisitos citados.
A proposta de utilizar o vórtice magné- tico foi primeiramente apresentado por Kim et al.[37, 93], que em seu trabalho sintetizaram mi- crodiscos de 1 a 5 µm de diâmetro feitos de per- maloy parcialmente recobertos com ouro e que apresentavam estado de vórtice magnético. Na
Fig. 2.8 temos uma representação destes microdiscos funcionalizados com um anticorpo MD-anti- IL13α2R e que permitiu às partículas se ligarem de forma seletiva à membrana de células do tipo glioblastoma multiforme (célula cancerígena do cérebro).
Figura 2.9 – Resultados obtidos no trabalho de Kim et al.[37]mostrando a taxa de morte celular como função da frequência do campo aplicado.
Este sistema de microdiscos mostrou-se muito eficiente, atingindo taxas de morte celu- lar de até 90%, como mostrado na Fig. 2.9. Po- rém, não foi registrado aquecimento do meio de cultura celular como um todo. Surpreendente- mente, além de não apresentar aquecimento, a taxa de morte celular não era constante. Essa taxa apresentava um valor ótimo para frequên- cias de 10 a 20 Hz, que depois caía considera- velmente para frequências maiores, tornando- se nula em 60 Hz. Este resultado é contrário ao
que se esperaria baseado no conceito de SAR e foi interpretado como um indício de que a morte celular observada não estava vinculada ao dano por aquecimento.
De fato, os autores mostraram que os microdiscos estressam as células em um processo me- cânico. Na Fig. 2.9, temos a comparação de duas populações de microdiscos: a população em vermelho representa os microdiscos funcionalizados com o anticorpo MD-anti-IL13α2R, desenha- dos com a finalidade de ligarem a membrana celular dos gliobastomas; já a população em verde representa os microdiscos usados como controle, que não tem afinidade com nenhuma proteína de membrana dos gliobastomas. Logo, é a adesão da partícula à membrana que, junto com o campo magnético, faz o gliobastoma optar pela apoptose.
2.4.1
Nanoanéis e Nanotubos para hipertermia magnética
O trabalho de Kim et al.[37, 93], de certa forma, inaugurou uma nova classe de partículas em estado de vórtice magnético. No entanto, apesar do pioneirismo, vários problemas inerentes à par- tícula proposta ainda precisam de solução. Dentre eles, Jon Dobson[93] destacou o tamanho da partícula, que faz com que ela seja facilmente reconhecida e atacada pelo sistema reticuloendote- lial∗ e removendo-as da circulação sanguínea antes mesmo de se fixarem às células alvo. Além disso, partículas deste tamanho seriam prontamente barradas pela barreira hematoencefálica†. Ou- tro problema apontado por Dobson, é a presença do níquel na composição dos microdiscos, que prejudica a biocompatibilidade.
Estes problemas nos motivaram a procurar por partículas dentro desta nova classe, mas que não apresentassem os problemas apontados por Dobson[93]. Em diversos trabalhos da literatura[32, 94–97], encontramos partículas de óxido de ferro, magnéticas e não magnéticas (Tabela 2.1), que vêm sendo exploradas nas mais diversas aplicações, como por exemplo fotocatálise, demonstrada no trabalho de Wender et al.[98], uma publicação feita durante este trabalho, que compartilha parte da síntese utilizada neste trabalho.
Retomando às partículas de óxido de ferro magnéticas. Este sistema de partículas se destaca por assumir o estado de vórtice magnético em partículas com algumas centenas de nanômetros, características estas, que miniminiza os problemas apontados.
∗É o sistema constituído por células dotadas de capacidade fagocitária.
Figura 2.10 – Resultado obtido no trabalho de Jia et al.[32] mostrando o ciclo de histerese de um conjunto de partícu- las.
No trabalho feito por Jia et al., os auto- res sintetizaram, dentre outras, partículas mo- nocristalinas de maghemita na forma de um na- noanel com 50 nm de altura, 160 nm de diâme- tro externo e 85 nm de diâmetro interno (os de- talhes da morfologia e cinética de crescimento serão mostrados mais adiante no Cap. 4). A medida de magnetometria feita em um conjunto de partículas aleatoriamente orientadas, repro- duzida na Fig. 2.10[32], mostrou que estas par- tículas apresentaram uma diminuição na coer-
cividade a campo nulo. E isto pôde ser interpretado como consequência do estado de vórtice magnético das partículas.
Figura 2.11 – Resultados obtidos no trabalho de Jia et al.[32]. (i) Holografia eletrônica deslocada do eixo ótico de um nanoanel com50 nm de espessura, 160 nm de diâmetro externo e 85 nm de diâmetro interno. ii Linhas de indução do fluxo magnético indicada pelas cores (vermelho = direita, amarelo = abaixo, verde = esquerda, azul = acima).
Corroborando esta medida, os autores apresentam a microscopia eletrônica mostrada na Fig. 2.11. Nela, uma holografia de elétrons mostrou que o fluxo magnético da partícula fica contido dentro desta, circulando pelo nanoanel.
Dando continuidade ao desenvolvimento destas partículas no trabalho de Fan et al.[95], os auto- res utilizaram partículas semelhantes às do trabalho de Jia et al.[32]como carregadores de partículas
fluorescentes (quantum dots), visando a criação de nanocompósitos para localização óptica e/ou separação magnética. Para tanto, eles agregaram diferentes tipos de quantum dots na superfície das partículas magnéticas e obtiveram nanocompósitos com fluorescência em diferentes comprimentos de onda e resposta magnética.
Figura 2.12 – Resultados obtidos no trabalho de Fan et al.[95]. Microscopia óptica (a) e de fluorescência (b) de células de câncer de pulmão marcadas com o partículas. A barra corresponde a10 µm.
A aplicação direta, mostrada na Fig. 2.12, destas partículas para marcação e posterior se- paração magnética de células de câncer de pul- mão, mostrou que o nanocompósito é eficiente no que concerne a resposta magnética e locali- zação óptica de células.
Sendo assim, fica evidente a potencialidade deste sistema de VIPs e a necessidade de, pela
primeira vez, explorar a viabilidade destas partículas para hipertermia magnética. Sendo assim, partiremos do trabalho de Jia et al.[32]para estudar a viabilidade das VIPs para a hipertermia mag- nética.
2.4.2
Hipertermia Magnética e Exchange Bias
Além de nunca ter sido explorado para hipertermia magnética, o estado de vórtice de uma partí- cula como a sintetizada por Jia et al.[32], permite uma abordagem ainda mais original e interessante. Traçando um paralelo ao trabalho feito por Noh et al.[30] (§ 2.3.3), podemos usar uma estratégia semelhante a feita por Sort et al.[34–36], que utiliza o fenômeno de Exchange Bias, para manipulação e controle da resposta histerética.
Em seus trabalhos, Sort et al. sintetizaram microdiscos com 1 µm de diâmetro e estrutura de multicamadas na forma Tântalo 5 nm/permalloy∗12 nm/ Irídio/Manganês 5 nm / Platina 2 nm. Com isto, Sort et al. criaram um acoplamento magnético entre o permalloy e o Irídio/Manganês, o que lhes permitiu modificar a histerese do sistema variando o processo de FC na preparação da amostra. Na Fig. 2.13, temos as curvas de histerese medidas por Sort et al.[36]
Nestas dimensões, os discos de permalloy apresentam o estado de vórtice, cuja histerese ao longo do plano (x, y) é mostrada pela Fig. 2.13(a). Pelas demais curvas de histerese, evidente, que Sort et al. foram capazes de explorar o Exchange Bias para manipular a histerese de um vórtice
∗Trata-se de uma liga metálica composta por Ni
Figura 2.13 – Resultados obtidos no trabalho de Sort[36]. Curvas de histeres medidas a temperatura am- biente de (a) discos depermaloy; (b-e) discos de permaloy depois de um resfriamento a partir de 550 K e medido ao longo de diversos ângulos com relação ao plano do disco (θm= 0 degree, 22 degree, 30 degree,
90 degree); e discos depois do ZFC a partir de 550 K.
magnético, em especial na curva mostrada na Fig. 2.13(f), onde ele reduz a remanência do estado original de vórtice a zero, aumentando a anisotropia do disco.
Logo, além de avaliar a viabilidade das VIPs para hipertermia magnética, propomos um es- tudo do efeito do acoplamento de Exchange Bias na partícula. Pretendemos com isso, aumentar a anisotropia magnética, e consequentemente o SAR da partícula.
3
Simulação micromagnética e o conceito
da Vortex Iron oxide Particle (VIP)
No Cap. 1, apresentamos os fundamentos teóricos usados para descrever a hipertermia magné- tica de partículas em suspensão. Discutimos algumas morfologias que fazem a configuração mag- nética de uma partícula transitar do estado de monodomínio magnético ao de vórtice magnético, e como isto se reflete no campo coercivo essencial para o pré-requisito II apresentado na Introdução. Destacamos a existência de três mecanismos para a perda de energia magnética pertinentes ao pré- requisito IV de alto SAR: perdas por susceptibilidade, para partículas superparamagnéticas dentro do regime do LTR; perdas histeréticas que, para partículas bloqueadas, pode ser aproximada pela histerese de SW, ou para partículas no estado de vórtice, que podem ser estudadas, por simulação micromagnética; e perdas por viscosidade, que englobam a fenomenologia turbulenta do fluido, mas que, para fins práticos, poderia ser desconsiderada.
Neste capítulo, iremos apresentar os estudos feitos a partir das simulações micromagnéticas desenvolvidas no trabalho, e que permitiram a compreensão da partícula no estado de vórtice mag- nético desenvolvidas nos diversos trabalhos[32, 94–97]apresentados no final do Cap. 2. Mais especifi- camente, iremos contextualizar o projeto de uma VIP do ponto de vista micromagnético, expondo principalmente os prerrequisitos morfológicos que culminam na formação do vórtice magnético e suas limitações. Estes experimentos foram feitos em paralelo com os experimentos de síntese e caracterização e, por isso, muitas das decisões tomadas no capítulo refletem os resultados que serão apresentados nos capítulos seguintes, porém, para fins de exposição, os resultados de síntese e caracterização e serão apresentados nos capítulos que seguem.