アモルファスナノ粒子フェロフルイド：磁気粘性挙動とハイパーサーミア性能

概要

磁性 Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B ナノ粒子を合成し、水に分散させて水性フェロフルイドを調製した。これらの粒子は平均粒子径 15 nm の均質なアモルファスナノ粒子で、規則的な形状を持つ。Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B アモルファスナノ粒子は超常磁性を示す。さらに、Fe-B と Fe-Ni-B アモルファスナノ粒子の飽和磁化はそれぞれ 75 emu/g と 51 emu/g で、Co-B ナノ粒子の約 2.8 倍と 1.9 倍に相当。アモルファスフェロフルイドの粘性は外部磁場に強く応答し、降伏応力は磁場増大とともに増加。アモルファスフェロフルイドのハイパーサーミア研究を初めて実施。実験結果は、出力電流 300 A で Fe-B フェロフルイドと Fe-Ni-B フェロフルイドの加熱温度がそれぞれ 750 秒と 960 秒で 42 °C に達し、Fe-B フェロフルイドでは 61.6 °C まで上昇することを示した。アモルファスフェロフルイドの加熱効率から、Fe-B と Fe-Ni-B フェロフルイドが医療応用で大きな可能性を有することを示唆する。

はじめに

フェロフルイド（FFs、磁性流体）は、有機溶媒や水などの流体キャリア中に磁性ナノ粒子をコロイド分散させたもの [1-5]。新タイプのスマート機能材料として、FFs は独自の物理的、化学的、生体適合性特性を提供 [6-9]。FFs は磁気共鳴画像（MRI）[10]、標的薬物送達 [11]、相分離 [12]、水質汚染除去 [13]、センシング [14] などで医療応用されている。

印加磁場による粘性増加は FF 応用に影響を与える。磁気粘性特性研究では、印加磁場下での時間、温度、せん断速度、その他因子の関数として FF 粘性変化を評価 [4, 15-20]。Rajnak [18] は変圧器油ベース FF の粘性を研究し、電場誘起粘性変化が磁気粘性効果と類似することを発見。Nowak [19] は羊血で希釈した FF の粘性変化を調べ、強い磁気粘性効果が磁場による微細構造の大きな変化を示唆することを発見。先行研究では、キャリア媒質と界面活性剤の相互作用を磁気的振る舞いの観点から考慮 [20]。FF の磁気粘性特性研究は焦点分野であり続けている。アモルファス合金は、アモルファス準安定原子構造と低コスト原料に関連する独自特性により、燃料電池電極 [21]、ナノ多孔質材料 [22]、生分解性材料 [23] などで将来性がある [24]。他の研究では、アモルファス軟磁性 Fe 基合金が結晶合金とは異なる独自磁気特性により、磁性機能流体調製に大きな可能性を持つこと示す [25]。Fe₇₃.₅Nb₃Cu₁Si₁₃.₅B₉ [26, 27] と Fe₇₈Si₉B₁₃ アモルファス合金粒子が磁気流変流体に応用されている。しかし、従来の機械的粉砕法で FF 用アモルファスナノ粒子を調製するのは困難。我々のグループは磁性 Co-Fe-Si-B [28] アモルファスナノ粒子と Fe-Co-B [29] アモルファスナノ粒子を合成・研究し、FF に応用。これらのデータはアモルファス FF が良好な安定性を示すことを示している。それでも、アモルファスナノ粒子ベース FF の磁気粘性特性にはほとんど注目されていない。

ハイパーサーミア療法はがん治療の焦点であり、磁性流体ハイパーサーミア（MFH、FF ハイパーサーミアとも呼ばれる）は治療手順の一つ。FF をがん細胞含有組織に注入し、交流磁場に曝露させ、温度を 42-45 °C まで上昇させて腫瘍細胞を破壊 [30-32]。重要的是、FF 中のナノ粒子が無毒であること。酸化鉄（Fe₃O₄）やコバルトフェライト（CoFe₂O₄）ナノ粒子は、簡易プロセス、低コスト、良好な生体適合性で MFH 用 FF 調製に広く選択 [33-38]。Lahiri [38] は水性 FF の交流磁場誘起加熱を赤外線サーモグラフィで研究。FF はテトラメチルアンモニウム水酸化物コート酸化鉄ナノ粒子を含む。結果は初期温度上昇率が高く、加熱期間末期の最大温度が低いことを示す。Zubarev [39] は単一ドメイン強磁性粒子間の磁気相互作用が、振動磁場下でのこれら粒子によるハイパーサーミア効果に及ぼす影響を報告。しかし、アモルファス磁性ナノ粒子 FF のハイパーサーミア研究報告は少ない。

本論文では、化学還元法で磁性 Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B アモルファスナノ粒子を合成。アモルファスナノ粒子の構造、形態、磁気特性を調査。対応する FF の磁気粘性特性とハイパーサーミア効果も研究。磁気特性と顕著な加熱効果を鑑み、アモルファス FF は医療応用での有望材料であるとともに、冷却応用、エネルギー変換デバイス、印刷エレクトロニクスなど新興分野での機会も提供する。

材料と方法

硫酸第二鉄（FeSO₄·7H₂O）、塩化コバルト（CoCl₂·6H₂O）、塩化ニッケル（NiCl₂·6H₂O）、ホウ化ナトリウム（NaBH₄）、水酸化ナトリウム（NaOH）、エチルアルコール、寒天、ポリエチレングリコール（PEG-400）を使用。全試薬は分析試薬（AR）級を無精製で使用。各実験前に全ガラス器具を希硝酸で洗浄し、脱イオン水で繰り返し洗浄。

アモルファス粒子は化学還元で調製。典型的プロセスでは、FeSO₄·7H₂O と NiCl₂·6H₂O を 200 mL の 50% エタノール溶液に溶解、機械攪拌と超音波分散。次に、0.8 M NaBH₄ 水溶液 50 mL を還元剤として、20 °C で三口フラスコ内、アルゴン保護雰囲気下、1.5 mL/min の速度で滴下添加。NaOH 溶液で NaBH₄ 溶液の pH を 10-12 に調整。超音波分散しながら 2.5 時間攪拌後、磁石で黒色沈殿を分離。粒子を脱イオン水で数回洗浄。その後、第一界面活性剤として 0.075 g 寒天、第二界面活性剤として 0.05 g PEG-400 を定温で Fe-Ni-B 粒子懸濁液に添加。定温で 1 時間攪拌。最終的に室温冷却後、安定な Fe-Ni-B アモルファス水性 FF を得た。

Fe-B アモルファス粒子は、NaBH₄ を水溶液中の還元剤として FeSO₄·7H₂O を還元する化学還元法で取得。Co-B アモルファス粒子は CoCl₂·6H₂O 溶液の還元で取得。対応する Fe-B 水性 FF と Co-B 水性 FF も同様に取得。

磁性 Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B アモルファスナノ粒子の構造とアモルファス状態は、Ni フィルタ Cu Kα 放射源を用いた X 線回折（XRD、D/max-Rb）で特性評価。熱特性は示差走査熱量計（Netzsch DSC 404 C、昇温速度 20 °C/min）で評価。アモルファスナノ粒子の磁気特性は室温で交流勾配力磁力計（AGM）で測定。アモルファスナノ粒子の形態は透過型電子顕微鏡（TEM）で同定。FF の磁気粘性特性は、外部制御磁場装置付きレオメーター（Anton Paar MCR301）で研究。アモルファス FF のハイパーサーミア効果は図 8a に示す装置で研究。電場誘起加熱実験は、高周波誘導加熱システム（AtecD、Bamac、中国）を使用。高周波発生装置と水冷電解銅コイルを備えたタンク回路で構成。実験は 90 kHz 固定周波数で実施、コイル電流を変えて磁場を変更。赤外線温度計（OSXL207、Omega、USA、精度 0.1 °C）で磁気加熱実験の温度記録。温度測定誤差は 1 °C 以内。実験試験は室温で実施。

結果と考察

図 1 に磁性 Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B 粒子の XRD パターンを示す。Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B 粒子は 2θ 範囲 40°~50° の広い単一ピークで構成され、結晶ピークは見られず、アモルファス構造の特徴（図 1）。結果は Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B 粒子が典型的なアモルファス構造を持つことを示す。

Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B 粒子の XRD パターン

Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B 粒子の示差走査熱量計（DSC）曲線を図 2 に示す。実験は 20 °C/min 昇温速度で実施。Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B 粒子は 2 つの発熱ピークを示し、二段階結晶化プロセスを示唆 [40]。2 つの発熱ピーク温度を図 2 に標記、後続作業でのアモルファス粒子アニール温度選定に有用。これらの結果は XRD データとよく対応。

Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B 粒子の DSC 曲線

調製 Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B 粒子の磁気特性を室温で AGM で特性評価。磁気ヒステリシス曲線を図 3 に示す。Fe-B 粒子と Fe-Ni-B 粒子の飽和磁化（Ms）はそれぞれ 75 emu/g と 51 emu/g。さらに、ヒステリシス曲線に保磁力と残留磁化が観測されず、F-B と Fe-Ni-B 粒子の超常磁性を確認。Co-B 粒子の Ms は 27 emu/g で、これも超常磁性挙動を示す。また、Fe-B と Fe-Ni-B 粒子の Ms は Co-B 粒子の約 2.8 倍と 1.9 倍。Fe-B 粒子の Ms は Fe₃O₄ 粒子と CoFe₂O₄ 粒子よりも高い [26]。異なる FF 試料の構造、サイズ、磁化、濃度は表 1 に示す。

Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B 粒子のヒステリシス曲線

FF 中のアモルファス粒子形態を TEM で調査（図 4）。FF を希釈し、超音波で 20 分分散。銅網に付着した支持膜を希釈 FF に浸漬。オーブンで 30 分乾燥後、試料調製完了。図 4 の TEM 像は、FF 中のアモルファス粒子がほぼ球形であることを示す。アモルファス粒子の平均平均直径は約 15 nm。

Fe-B FF (a)、Fe-Ni-B FF (b)、Co-B FF (c) の TEM 像

磁性粒子 1.8 wt% の 3 種類アモルファス FF（Fe-B FF、Fe-Ni-B FF、Co-B FF）の磁気粘性特性を、外部制御磁場装置付きレオメーターで調査。各試料の粘性を一定温度 25 °C で 2 回測定。毎回、せん断速度を 100 から 1000 1/s までラップアップ、次に 1000 から 100 1/s までラップダウンの 1 サイクル実施。同一せん断速度での粘性平均値を算出。対数スケールでの異なる外部磁場下のアモルファス FF 粘性-せん断速度曲線を図 5 に示す。全アモルファス FF（図 5a Fe-B FF、図 5b Fe-Ni-B FF、図 5c Co-B FF）が異なる磁場下でせん断光沢挙動を示す。粘性はせん断速度増加で低下。Fe-B FF が Fe-Ni-B FF と Co-B FF より大きな粘性を示す。これはアモルファス Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B ナノ粒子の Ms の違いによる。

Fe-B FF (a)、Fe-Ni-B FF (b)、Co-B FF (c) の粘性対せん断速度関係

磁場もアモルファス FF 粘性で重要な役割を果たす。磁場の関数としての粘性を図 6 に示す。結果は全アモルファス FF の粘性が外部磁場増大で増加することを示す。これは図 5 の結果とよく対応。FF 中の磁性アモルファスナノ粒子は磁場印加時に配向を再配列し、磁場方向に整列。ナノ粒子間の相互作用と配列が磁場強度増大で強くなり、流動抵抗が増加。先行報告 [15, 41-46] によると、磁場増大で鎖状・液滴状構造や凝集が FF 中に形成され、粘性が著しく増加。図 5 のせん断希薄化挙動は、せん断によるこれらの鎖や液滴の破壊で説明可能。印加せん断速度増加でナノ粒子がせん断方向に配向し始める。さらに、せん断速度増加で鎖状・液滴状凝集体が破壊されるため、FF 粘性が低下。

Fe-B FF (a)、Fe-Ni-B FF (b)、Co-B FF (c) の粘性対磁場関係

FF の降伏応力は線形外挿で取得可能、各フィッティング曲線の切片が対応磁場下の FF 降伏応力と見なされる [27]。したがって、異なる磁場下での 3 種類アモルファス FF 降伏応力を図 7 に取得。FF 降伏応力は磁場強度増大で増加、特にアモルファス Fe-B FF で顕著。これは印加磁場下で鎖状・液滴状構造と凝集体が形成されるため。アモルファスナノ粒子間の力は磁場強度増大で強くなる。先行研究 [47] でアモルファス FF の降伏応力は磁性アモルファスナノ粒子の磁化に起因することが示されている。

Fe-B FF、Fe-Ni-B FF、Co-B FF の降伏応力対磁場関係

FF ハイパーサーミアは安全性と患者への身体的・精神的負担の少なさで注目 [26, 48-50]。このハイパーサーミアは交流（AC）磁場での加熱効果で誘起。Fe 基アモルファスナノ粒子 FF、すなわち Fe-B FF と Fe-Ni-B FF のハイパーサーミア効果を研究。実験装置の概略図を図 8a に示す。精度 0.1 °C の IR サーモメータで磁気加熱実験の温度記録。温度測定誤差は 1 °C。試験は室温で実施。磁気加熱実験は、150-300 A の可変出力電流で実施。5 wt% の Fe-B FF と Fe-Ni-B FF 各 50 mL を研究。実験条件は先行文献 [26] に準拠。実験の誘導加熱装置作動周波数は 90 kHz。作動周波数 50-100 kHz は医療応用で安全 [51]。

磁気加熱実験の実験セットアップ概略図 (a)、アモルファス Fe-B FF の加熱曲線 (b)、アモルファス Fe-Ni-B FF の加熱曲線 (c)

磁気加熱結果を図 8b, c に示す。図 8b の Fe-B FF と図 8c の Fe-Ni-B FF の温度は時間とともに顕著に上昇。温度は電気出力電流増大で上昇。異なる出力電流下での FF 温度を 2000 秒時点で記録（表 2）。電気出力電流 150 A で、Fe-B FF が 32.5 °C、Fe-Ni-B FF が 32.6 °C まで上昇。出力電流 300 A で、最終安定温度は Fe-B FF 61.6 °C、Fe-Ni-B FF 51.2 °C。Fe-B FF のハイパーサーミア加熱効率は Fe-Ni-B FF より約 20.3% 高い（表 2）。ハイパーサーミア結果は、電気電流 300 A で Fe-B FF と Fe-Ni-B FF の温度がそれぞれ 750 秒と 960 秒で 42 °C に達することを示す。比吸収率（SAR）は電場支援加熱曲線から計算可能 [52, 53]。本論文では水の比熱容量と密度をそれぞれ 4.18 J g⁻¹ K⁻¹ と 1 g/cc と見なした。SAR 値は Fe-B FF 21.91 W/g、Fe-Ni-B FF 19.48 W/g。出力電流 300 A では Fe-B FF 76.15 W/g、Fe-Ni-B FF 69.97 W/g。加熱実験は、電気電流で誘起される交流磁場強度がアモルファス FF のハイパーサーミアに影響し、出力電流調整で加熱を効果的に制御可能ことを示す。

水性 FF の加熱効果は主にネール緩和（粒子内磁気双極子回転）とブラウン緩和機構（キャリア流体の流体抵抗に対する粒子回転）に起因 [54-56]。ドメイン理論に基づき、単一ドメインの臨界直径は Fe、Co、Ni ナノ粒子でそれぞれ 19.6 nm、19.2 nm、42.4 nm [57]。ここでは Fe-B アモルファスナノ粒子と Fe-Ni-B アモルファスナノ粒子が単一ドメイン構造を持つと仮定。外部場なしでは熱エネルギーで磁気スピンがランダムに配向。交流磁場印加で単一ドメインが磁化配向を交流磁場に応じて変化させ、磁気エネルギーが同時に熱エネルギーに変換。Fe-B アモルファス FF と Fe-Ni-B アモルファス FF が顕著な加熱効果を持つと結論し、ハイパーサーミア治療への有望な将来性を示唆。

結論

磁性 Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B アモルファスナノ粒子と対応するアモルファス FF を合成成功。ナノ粒子は均質なアモルファス構造。アモルファス粒子形状は規則的。Fe-B、Fe-Ni-B、Co-B アモルファスナノ粒子は超常磁性。Fe-B と Fe-Ni-B アモルファスナノ粒子の Ms は 75 emu/g と 51 emu/g で、Co-B の約 2.8 倍と 1.9 倍。アモルファス FF は外部磁場に強く応答。降伏応力は磁場増大で増加。ハイパーサーミア結果は、交流出力電流 300 A で Fe-B FF と Fe-Ni-B FF の温度がそれぞれ 750 秒と 960 秒で 42 °C に達し、Fe-B FF の最終安定温度は 62 °C。アモルファス FF の加熱効率から、Fe 基アモルファス FF が医療応用で大きな可能性を有することを示唆。実際、アモルファス FF の磁気粘性特性とハイパーサーミア効果機構は不明な点が多く、今後の研究を刺激する。

略語

AGM

交流勾配力磁力計

DSC

示差走査熱量計

FFs

フェロフルイド

MFH

磁性流体ハイパーサーミア

Ms

飽和磁化

SAR

比吸収率

TEM

透過型電子顕微鏡

XRD

X 線回折