【논문】 Giant Magnetic Heat Induction of Magnesium-Doped γ‐Fe2O3 Superparamagnetic Nanoparticles for Completely Killing Tumors

Jang, Jung‐tak, et al. "Giant Magnetic Heat Induction of Magnesium‐Doped γ‐Fe2O3 Superparamagnetic Nanoparticles for Completely Killing Tumors." Advanced Materials 30.6 (2018): 1704362.

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1. 배경이론

Figure. 1. Néel relaxation과  Brownian relaxation^[각주:1]

⑴ 원리 1. Néel relaxation : 시간에 따라 변하는 자기장 속에 있는 초상자성 나노입자에서 발생하는 자기모멘트의 반전에 의해 자기에너지가 열로 방출되는 것

⑵ 원리 2. Brown relaxation : 유체 속에서 나노입자의 물리적 회전에 의한 마찰열이 발생하는 것

⑶ 자화율

⑷ relaxation time : 각속도의 합의 관계식으로부터 유도됨

① τ : effective relaxation

② τ₀ : characteristic flipping

③ K_u : magnetic anisotropy constant

④ V_M : volume of the nanoparticle

⑤ k : Boltzmann constant

⑥ T : temperature

⑦ η : viscosity of the fluid

⑧ V_H : hydrodynamic volume of nanoparticle

⑸ 발생한 열량

① P : values of heat dissipation

② μ₀ : 자기투자율

③ χ" : magnetic susceptibility 

④ f : 자기장의 주파수

⑤ H : 자계의 세기

⑹ SAR 파라미터의 정의

① C : the specific heat capacity of the solvent

② dT/dt : initial slope of the time-dependent heating curve

③ m_s : mass of the solvent

④ m_m : mass of magnetic nanoparticle  

⑺ ILP(intrinsic loss power)

2. Mg_0.13-γFe₂O₃의 제법 

⑴ Fe vacancy site에 Mg를 넣는 방식

① bulk Mg-ferrite의 경우 열역학적으로 안정하기 때문에 vacancy site가 없는 inverse spinel 구조를 취함

② nanoscaled iron oxide SPNP(superparamagnetic nanoparticle)의 경우 열역학적으로 불안정하기 때문에 inverse spinel 구조와 oxidized spinel 구조를 번갈아 가면서 취함

○ inverse spinel 구조 : Fe₃O₄((Fe³⁺)₈[Fe³⁺Fe²⁺]₈O₃₂). Fe vacancy site가 없음

○ oxidized spinel 구조 : γ-Fe₂O₃ ((Fe³⁺)₈[Fe³⁺_5/3 □_1/3]₈ O₃₂. Fe vacancy site인 □가 있음

③ nanoscaled iron oxide SPNP의 oxidized spinel 내 Fe vancancy site에 Mg²⁺를 적당히 넣음으로써 Mg 농도를 조절할 수 있음

⑵ thermal decomposition method로 만듦

Figure. 2. thermal decomposition method (Figure 1-a)

① 1^st. 기존 방식과 다르게 Mg(acetate)₂와 Fe(acac)₃ 금속 전구체를 oleic acid와 유기 용매 하에 섞음

② 2^nd. bubbling O₂/Ar gas 혼합물 (1 : 4 부피비, 100 mL/min) 하에 가열

③ 3^rd. 초기 첨가한 Mg(acetate)₂와 Fe(acac)₃ 금속 전구체의 비율을 체계적으로 조절하여 Mg²⁺ 도핑 농도를 조절

④ 4^th. Mg_x-iron oxide에서 x = 0, 0.05, 0.13, 0.10, 0.15를 합성함

⑤ 3^rd 과정은 수많은 시행 착오를 요하는 듯 

3. γ-Fe₂O₃의 물성 분석 

⑴ TEM 이미지 : ~ 7 nm 코어

⑵ XRD(X-ray diffractometer) : 전자 회절 패턴(electron diffraction pattern)

Figure. 3. selected area electron diffraction patterns (Figure 1-b, 1-c)

⑶ XANE(X-ray absorption near edge structure) : 철의 산화수를 알 수 있음

Figure. 4. Fe K‐edge XANES spectra of Mg_0.13‐γFe₂O₃, MgFe₂O₄, and bulk (FeO, Fe₃O₄, and γ‐Fe₂O₃) (Figure 1-e)

4. γ-Fe₂O₃의 퍼포먼스 분석

⑴ AC hysteresis loop : Mg_0.13-γFe₂O₃가 내부 면적이 가장 큼

Figure. 5. AC hysteresis loop (Figure 2-a)

⑵ 최대 온도 : Mg_0.13-γFe₂O₃이 가장 큼

Figure. 6. 최대 온도 (Figure 2-b)

⑶ 자화율 χ"은 발생 열량과 관계가 있는데 이 값은 특정 Mg²⁺ 도핑 농도에서 피크를 보임

① anisotropy energy는 반비례하듯 정반대의 경향성을 보임

② χ"의 증가는 anisotropy energy의 감소, 즉 neel relaxation time의 감소와 관련 있는 듯

Figure. 7. 자화율 χ"과 anisotropy energy의 추이 (Figure 2-c, 2-d)

⑷ 용매에 따른 온도 추이는 크게 다르지 않음

Figure. 8. 용매에 따른 온도 (Figure 3-a)

⑸ ILP도 큼

Figure. 9. ILP (Figure 3-b)

⑹ in vitro : 온도를 많이 높여서 세포 사멸율이 큼 

Figure. 10. in vitro 실험 (Figure 4-e)

⑺ in vivo : tumor volume이 작음.

① Mg_0.13-γFe₂O₃를 직접 주입함

② hyperthermia를 하고 day 수를 잰 듯

Figure. 11. in vivo 실험 (Figure 5-g)

입력 : 2020.03.31 09:05

1. 출처 : Das, Pradip, Miriam Colombo, and Davide Prosperi. "Recent advances in magnetic fluid hyperthermia for cancer therapy." Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 174 (2019): 42-55. [본문으로]