Functionalized magnetic nanorods and nanowires for applications in hyperthermia therapy

Abstract

Magnetic hyperthermia has been the subject of intense research but mostly focused on spherical nanoparticles. It is expected that magnetic one-dimensional structures would be best suited for this application since they present shape anisotropy, which can increase the heat generated by hysteresis losses. The present work aimed at determining the heat efficiency of magnetite nanorods with different volume and aspect ratio, and also to establish a comparison with spherical nanoparticles. Nanorods were synthesized by the solvothermal method, and transferred to water by a method that relies on the oxidation of the organic capping. It was confirmed by XRD (X-rays diffraction) that all samples were composed of magnetite nanostructures and by VSM (Vibrating Sample Magnetometry) that nanorods were ferromagnetic. Mean diameter and length was determined by SEM (Scanning Electron Microscopy). It was also confirmed that nanoparticles obtained from INL were superparamagnetic. The heating profiles and SAR (Specific Absorption Rate) of the three samples were determined for a range of magnetic field strength, frequency and magnetite concentration. The sample of nanorods with larger volume and higher aspect ratio was the one that presented the highest SAR values (up to 138 W/gmagnetite). Nanorods where biofunctionalized with protein A. In order to do so, four different phase transfer methods were tested and it was concluded that encapsulation of the nanorods in polymer beads was the most suited for the biofunctionalization. Beads were functionalized with a protein-A-FITC conjugate, as confirmed by fluorescence microscopy. The NRs (nanorods) beads were compared to beads composed of spherical nanoparticles and it was shown that NRs beads showed higher fluorescence, meaning that a higher amount of protein was attached to their surface.

Hipertermia magnética tem sido um tema vastamente estudado, no entanto esses estudos têm-se maioritariamente centrado na utilização de nanopartículas esféricas. É espectável que estruturas magnéticas unidimensionais sejam mais adequadas para esta aplicação, uma vez que apresentam anisotropia relacionada com a sua forma, o que aumenta a quantidade de calor produzido por perdas de histerese. O principal objetivo deste trabalho foi determinar a eficiência de produção de calor para nanorods de magnetite com diferente volume e relação comprimento-diâmetro, comparando-a com a de nanopartículas esféricas. Os nanorods foram sintetizados recorrendo ao método solvotermal, sendo em seguida transferidos para a fase aquosa através de um método baseado na oxidação do revestimento orgânico. Através de DRX (Difração de Raios-X) foi confirmado que as amostras eram compostas por nanoestruturas de magnetite e por MAV (Magnetometria de Amostra Vibrante) foi confirmado que os nanorods eram ferromagnéticos. Os diâmetros e comprimentos médios foram determinados por MEV (Microscopia Eletrónica de Varrimento). Foi também confirmado que as nanopartículas fornecidas pelo INL eram superparamagnéticas. Os perfis de aquecimento e valores de SAR (Taxa de Absorção Específica) das três amostras foram determinados para um determinado intervalo de campo magnético, frequência e concentração. A amostra com nanorods de maior volume e relação comprimento-diâmetro apresentou os maiores valores de SAR (até 138 W/gmagnetite). Os nanorods foram biofuncionalizados com proteína A. Para esse efeito quatro métodos de transferência de fase foram testados, tendo-se concluído que o método de encapsulação dos nanorods numa matriz polimérica (beads) era mais adequado para a biofuncionalização. As beads foram funcionalizadas com um conjugado de proteína A-FITC com sucesso, como se confirmou por microscopia de fluorescência. As beads de nanorods foram comparadas com as compostas por nanopartículas esféricas e foi comprovado que as primeiras apresentavam mais fluorescência, o que significa que tinham uma maior quantidade de proteína ligada à sua superfície.