Influence of interparticle magnetic interactions on heat dissipation in magnetic nanoparticles and magnetomicelles

Abstract

Magnetically actuated nanovectors are prepared through the combination of magnetic nanoparticles and thermoresponsive materials that facilitate the release of the drug when heated at a temperature slightly above the normal body temperature. When the nanovectors are subjected to an AC magnetic field the magnetic nanoparticles dissipate heat which increases the local temperature thus inducing the desired response from the thermoresponsive material. Several magnetically actuated nanovectors have been proposed but challenges such as leakage before the magnetic stimulus is applied, poor stability, and toxicity still exist. Additionally, the effect that the state of aggregation of the nanoparticles within these nanovectors has on heat dissipation has not been considered in their design. Magnetomicelles have been proposed as magnetically actuated nanovectors. Here the preparation of biocompatible magnetomicelles is presented and the effect of the molecular weight of the core-forming polymer block on the magnetic properties was studied. The magnetomicelles were magnetically characterized in liquid suspensions and embedded in a polymer matrix. The results show that as the molecular weight of the core-forming polymer block increases, both the interparticle magnetic interactions and specific absorption rate decrease. This is probably due to mixing between the polymer and the magnetic nanoparticles which increases the interparticle distance. Additionally, the effect of interparticle magnetic interactions on heat dissipation was studied for two types of magnetic nanoparticles: iron oxide and cobalt ferrite. These particles relax by different processes when subjected to an AC magnetic field. Thorough magnetic characterization was done to measure the characteristic parameters of each type of nanoparticle so that comparison could be made between experimentally measured and theoretically calculated heat dissipation. Each type of nanoparticle was synthesized in two manners: coprecipitation of precursor salts and thermal decomposition of a precursor oleate. The former produced aggregated nanoparticles while the latter produced dispersed non-interacting particles. The theoretical results agreed with experimentally measured heat dissipation of the non-interacting iron oxide nanoparticles but underestimated the heat dissipated by aggregated nanoparticles.

Nanovectores activados magnéticamente son producidos mediante la combinación de nanopartículas magnéticas y materiales termoresponsivos que facilitan la liberación del medicamento cuando son calentados a temperaturas ligeramente por encima de la temperatura corporal normal. Cuando los nanovectores son expuestos a un campo magnético AC las partículas magnéticas disipan calor, el cual aumenta la temperatura local así induciendo la respuesta deseada del material termoresponsivo. Se han sugerido varios nanovectores activados magnéticamente pero aún existen retos como liberación antes de la aplicación del estímulo magnético, estabilidad pobre y toxicidad. Además, el efecto que tiene el estado de agregación de las nanopartículas dentro del nanovector sobre la disipación de calor no ha sido considerado en su diseño. Las magnetomicelas se han propuesto como nanovectores activados magnéticamente. Aquí se presenta la preparación de magnetomicelas biocompatibles y se estudia el efecto del peso molecular del bloque polimérico que forma el centro de la micela. Las magnetomicelas se caracterizaron magnéticamente en suspensiones líquidas y fijas en una matriz polimérica. Los resultados muestran que conforme el peso molecular del bloque polimérico que forma el centro se incrementa, tanto las interacciones magnéticas interpartículas como la tasa de absorción específica decaen. Esto se debe probablemente a la mezcla del polímero con las nanopartículas magnéticas, lo cual incrementa la distancia entre partículas. Adicionalmente, el efecto de las interacciones magnéticas interpartículas sobre la disipación de calor se estudió para dos tipos de nanopartículas magnéticas: óxido de hierro y ferrita de cobalto. Estas partículas se relajan mediante procesos diferentes cuando son expuestas a un campo magnético AC. Se realizó una caracterización magnética exhaustiva para medir los parámetros característicos de cada tipo de nanopartícula para poder hacer comparaciones entre la disipación de calor medida experimentalmente y la calculada teóricamente. Cada tipo de nanopartícula se sintetizó de dos maneras: coprecipitación de sales precursoras y descomposición térmica de un oleato precursor. La primera produjo nanopartículas agregadas mientras que la segunda produjo nanopartículas dispersas sin interacciones. Los resultados teóricos estuvieron de acuerdo con el calor disipado por las partículas sin interacciones de óxido de hierro pero subestimó el calor disipado por las nanopartículas agregadas.