三重渦状円筒磁性ナノ粒子の発熱最適化によるがん磁気ハイパーサーミア応用

概要

がん腫瘍治療の確立手法である磁気ハイパーサーミアは、高周波交流磁場中で磁性ナノ粒子（MNP）の緩和機構により局所熱を発生させる手法です。本研究では、テンプレート支援パルス電析と差動化学エッチングで作製した円筒形NiFe MNPの加熱効率を調査しました。MNPの円筒形状により三重渦状態が形成され、発熱効率が4倍向上します。時間依存熱量測定でMNPの比吸収率（SAR）を決定し、微磁気シミュレーション数値計算と振動試料磁力計（VSM）測定と比較しました。高アスペクト比MNPの磁化反転は高残留磁化と低磁場磁化率を示し、大きなヒステリシス損失をもたらし、実験・理論両SAR値向上に反映。SARの磁場強度依存性は低磁場で小さいSAR値、高磁場で飽和する特性を示し、MNPの保磁力と相関し、強磁性MNPの特徴的特性です。円筒形NiFe MNP最適化は高発熱性能と生体適合性磁気ハイパーサーミア剤開発に極めて重要です。

はじめに

磁性ナノ粒子（MNP）応用は、磁気機械的細胞破壊[1-4]、磁気共鳴画像[5-7]、薬物送達[8-10]、磁気ハイパーサーミア[11-14]など医療分野で広く研究され、現在の診断・治療法欠点補完が期待されています。MNP最大利点は外部磁場で遠隔制御可能な点。結果磁気応答は熱放散または磁気トルク形態で、印加磁場構成とMNP磁化動力学依存[15]。

しかし、異なる医療応用には多様磁場構成での特定回転機構必要。がんバイオマーカー生体センサーではMNPブラウン運動磁気分光でMNP結合率と緩和時間測定[16]。磁気粒子イメージングでMNP濃度定量にはネール緩和必要、MNPサイズ分布起因ブラウン緩和最小化必要[17]。MNP緩和プロセスにはネール（t_N）とブラウン（t_B）2機構存在、熱放散または空間回転結果。ネール緩和はMNP磁気モーメント磁場再配向相関、ブラウン緩和はMNP空間回転相関[18-20]。

ネール（t_N）とブラウン（t_B）緩和時間：

$$ t_N = t_0 e^{\frac{KV}{k_B T}} \quad \text{and} \quad t_B = \frac{3\eta V}{k_B T} $$

η：粘性係数、t₀：逆試行周波数、K：磁気異方性定数、V：MNP体積、k_B：ボルツマン定数、T：温度。原理的に高速機構優位だが、両機構熱放散と磁気トルク通じて共存可能[21]。有効緩和時間（t_eff）：

$$ \frac{1}{t_{\mathrm{eff}}} = \frac{1}{t_B} + \frac{1}{t_N} $$

小MNPではネール緩和優位、大MNPではブラウン緩和優位。ネール緩和ではMNP磁化方向磁気モーメント再配置変化、MNPサイズと温度依存。ブラウン緩和ではMNP空間回転、粘性・化学結合など外部条件依存[22-24]。したがって、これら磁気緩和機構寄与理解し、MNP設計調整し磁気ハイパーサーミア最適発熱や磁気駆動細胞死磁気トルク獲得重要。

磁気ハイパーサーミアは確立したがん治療技術で、高周波交流磁場下MNP局所加熱でがん細胞アポトーシスと腫瘍退縮誘導[3, 25-27]。交流磁場中、MNP 1磁場サイクル熱放散はヒステリシスループ面積Aに等しい：

$$ A = \int_{-H_{\mathrm{max}}}^{+H_{\mathrm{max}}} \mu_0 M(H) dH $$

M：交流磁場下MNP磁化、周波数f、振幅μ₀H_max[28-30]。磁気ハイパーサーミアで低MNP投与量と短治療期間維持にはMNP加熱効率最大化必要。MNP加熱性能測定指標は比吸収率（SAR）、単位質量MNPあたり熱放散（W g⁻¹）：

$$ \mathrm{SAR} = \frac{A f}{\rho} $$

ρ：MNP密度。

MNP熱放散効率実験測定SAR、単位質量MNPあたり放散エネルギー（W g⁻¹）：

$$ \mathrm{SAR} = C \frac{\Delta T}{\Delta t} \frac{1}{m_{\mathrm{MNP}}} $$

C：媒質比熱（C_water=4.18 J g⁻¹ °C⁻¹）、ΔT/Δt：温度-時間グラフ初期傾き、m_MNP：MNP質量。しかしSAR値は加熱効率完全代表せず、熱放散は周波数fと磁場強度Hにも影響。したがって、実効比吸収率または固有損失パワー（ILP）でMNP加熱効率特性評価：

$$ \mathrm{ILP} = \frac{\mathrm{SAR}}{H^2 f} $$

円筒形NiFe MNPでは三重渦状態形成、時計回り・反時計回り渦がMNP中心で第3渦核経由接続、3次元磁化配置結果。MNP理論熱放散をシミュレーションヒステリシスループとVSM測定から計算。時間依存熱量測定でMNP SARとILP決定、数値計算と比較。

方法

磁性ナノ粒子作製

テンプレート支援パルス電析と差動化学エッチングは、Ni、Fe、Co様々組成MNP作製シンプル安価手法。Ni₈₀Fe₂₀パーマロイは高透磁率、低保磁力、近零磁歪など優れた磁気特性示す強磁性材料。円筒MNP作製は、陽極酸化アルミニウム（AAO）テンプレート支援パルス電析で電解浴（NiSO₄、FeSO₄、H₃BO₃）中組成変調円筒NiFeナノワイヤ成長開始[31-35]。その後、NaOHでAAOテンプレート溶解しナノワイヤ放出。最後に、ナノワイヤFe富領域を希硝酸化学エッチングしMNP形成。MNP直径はAAOテンプレート細孔径決定、長さは高電位パルスV_H持続時間制御（追加ファイル1）。

細胞生存率

HeLa細胞を12ウェルプレート8×10⁴ cells/well播種、4.5 g/Lグルコース、2 mM L-グルタミン、10%胎児牛血清、1%ペニシリン/ストレプトマイシン含有DMEM培地、37°C、5% CO₂湿潤雰囲気培養。細胞生存率をPrestoBlue（透過性レザルジンベース細胞生存率試薬、生存細胞還元力利用定量的細胞増殖測定）で判定。HeLa細胞を0.1 mg/mL MNP処理し、PrestoBlue試薬で37°C、5% CO₂、2時間インキュベート。570 nmと600 nm吸光度をTecan Infinite M200 PROマイクロプレートリーダー測定。細胞生存率をMNP非曝露細胞相対百分率表示。各実験実験群・対照群各4重セット実施。

統計解析

結果を平均±標準偏差（SD）表示。統計的有意性を一元配置分散分析（ANOVA）OriginPro、OriginLabで分析。p<0.05統計的有意判定。

微磁気シミュレーション

MNP磁化配置をGPU高速微磁気シミュレーションプログラムMuMax3用い、ランダウ・リフシッツ・ギルバート（LLG）方程式3次元解析[36]。微磁気シミュレーションでMNP微視的磁化配置洞察得、解析モデルと実験観察相関示唆。系全エネルギー：

$$ E_{\mathrm{Total}} = E_{\mathrm{Exchange}} + E_{\mathrm{Anisotropy}} + E_{\mathrm{Zeeman}} + E_{\mathrm{Dipolar}} = -\int \mu_0 H_{\mathrm{eff}}(\mathbf{r}) \cdot M(\mathbf{r}) d^3r $$

H_eff = -1/μ₀ ∇_ME。ランダウ・リフシッツ・ギルバート（LLG）方程式は減衰αで有効磁場H_eff中磁化M歳差運動記述：

$$ \frac{dM(\mathbf{r})}{dt} = -\gamma M(\mathbf{r}) \times H_{\mathrm{eff}}(\mathbf{r}) - \frac{\bar{\alpha}}{M_s} M(\mathbf{r}) \times \left( M(\mathbf{r}) \times H_{\mathrm{eff}}(\mathbf{r}) \right) $$

γM(r)×H_eff(r)：局所場H_eff(r)中M(r)歳差運動。2項：経験的減衰項。パーマロイNi₈₀Fe₂₀材料パラメータ：飽和磁化M_s=860×10³ A/m、交換剛性定数A_ex=1.3×10⁻¹¹ J/m、磁気結晶異方性k=0、ギルバート減衰定数α=0.01。全シミュレーションで5 nm×5 nm×5 nmセルサイズ使用、交換長比較十分小。

磁気ハイパーサーミア実験セットアップ

SARを高周波誘導加熱器発生交流磁場曝露MNP時間依存熱量測定で実験取得。MNP水懸濁液（濃度0.05-0.1 mg/mL）ファルコンチューブ注入、スチロール断熱、誘導コイル包囲。コイル温度28.0±0.5°C水循環チラー維持。懸濁液初期温度28.0±0.5°C、1分維持し誘導コイル熱寄与除去。臨床磁気ハイパーサーミア基準内で交流磁場範囲15.9-47.8 kA m⁻¹、固定周波数360 kHz印加。

結果と考察

磁性ナノ粒子特性評価

作製円筒NiFe MNP組成はV_Hまたは電解質組成決定。MNP組成制御大程度示すため、様々組成MNP作製（Ni₈₈Fe₁₂、Ni₇₆Fe₂₄、Ni₅₂Fe₄₈、Ni₃₆Fe₆₄）、エネルギー分散型X線分光（EDX）検証。図1は振動試料磁力計（VSM）測定正規化ヒステリシスループ、NiFe MNP各組成面内・面外方向。磁場を有効磁気異方性克服十分値まで増加、磁化飽和到達。スクエアネス比SQRはヒステリシスループ四角さ基本測度：

$$ \mathrm{SQR} = \frac{M_r}{M_s} $$

Ni₈₈Fe₁₂、Ni₇₆Fe₂₄、Ni₅₂Fe₄₈、Ni₃₆Fe₆₄ NiFe MNP面内・面外方向正規化ヒステリシスループ。インセット：様々磁場強度MNP磁化配置

面内・面外印加磁場強制力H_cとスクエアネスSQR=M_r/M_s値を表1まとめ。一般に、NiリッチMNP（Ni₈₈Fe₁₂、Ni₇₆Fe₂₄、Ni₅₂Fe₄₈）で面内H_c > 面外H_c傾向、FeリッチMNP（Ni₃₆Fe₆₄）で逆転、NiFeナノワイヤ異常共析先行研究と整合[37]。

生体適合性表面コーティング

NiFe MNPは強い双極子相互作用で凝集傾向。因此、キトサン[40-42]、ポリビニルアルコール[43-45]、オレイン酸[46-48]、デキストラン[49, 50]、最一般的ポリエチレングリコール（PEG）[51-56]等生体適合性生分解性ポリマー[38, 39]表面修飾提案。PEGはリポソーム・MNP血中循環改善広く用いられる親水性ポリマー[57-60]。円筒NiFe MNP水分散 위해、生体適合性5000 g mol⁻¹ PEG安定化剤使用[61]。走査型電子顕微鏡（SEM）像でMNP周り酸化物シェル形成確認（図2a）。酸化物シェルがMNP磁性材料酸化防止。FeCo MNPとFe MNP先行研究で大気曝露のみで深刻酸化報告[61, 62]。

a PEGコーティングNiFe MNP SEM像。b PEGコーティングNiFe MNP XRDパターン。c PEGコーティングあり/なしNiFe MNP EDXパターン。d HeLa細胞MNPインキュベート後0-48時間細胞生存率と表示画像

X線回折（XRD）パターンピーク主に(111)結晶面指数付け、バルクNiFe面心立方（fcc）構造対応（図2b）。MNPが(111)優先配向電析示唆、電析・スパッタNiFeナノワイヤでも明確[63, 64]。さらに、スピネル酸化物((NiFe)₃O₄)対応回折ピーク不在、高Fe濃度酸化物相形成起因[65]。NiFe MNP高結晶性で表面スピン傾斜無視でき、高飽和磁化と小保磁力保持。PEGコートNiFe MNPさらにEDS測定で特性評価。図2c示すように主にNiとFe元素検出、少量O元素存在、MNP周り酸化物シェル形成指示。

図2d、HeLa細胞非コート・PEGコートNiFe MNP曝露24時間後細胞生存率各82.2%、82.6%。48時間後わずか低下79.9%、82.1%、PEGコートMNPわずか高生体適合性示唆。シェルなしNiFe MNPは哺乳類細胞毒性、細胞生存率影響。PEGコート高生体適合性、エンドサイトーシスによるMNP細胞内取り込み減少で細胞毒性・内在化低減[66, 67]。円筒NiFe MNP HeLa細胞細胞毒性、磁気ハイパーサーミア研究用市販強磁性NPと同等[68]。

磁化動力学

MNP組成パーマロイNi₈₀Fe₂₀固定、長さ(l)と直径(d)変化。交換エネルギー、反磁化・双極子エネルギー、ゼーマンエネルギー寄与をMNP長軸方向印加磁場H関数プロット（図3a-d）。MNP長軸平行強磁場で初期飽和。大磁場でゼーマン寄与優位、スピンほぼ磁場方向配向。スピン磁場平行配列で交換エネルギー寄与最小化。印加磁場減少時、MNP両端で時計回り・反時計回り渦核生成、MNP中心へ進行、平行磁化成分徐々減少でゼーマン寄与低下、他寄与相対的増大。MNP磁化は漂遊磁場最小化試み、反磁化エネルギー低下。十分低磁場で三重渦状態形成、総エネルギー最小安定磁化配置。磁場反転時、交換エネルギー急激低下は2渦急激分裂対応。

印加磁場Hに対する（a）交換エネルギー、（b）双極子エネルギー、（c）ゼーマンエネルギー、（d）全エネルギープロット

異なる長さ(l)MNPで有意異なる磁化配置観察。l<100 nmでは単一渦核生成、面内閉磁束ドメイン構造、磁気静力学エネルギーと交換エネルギー相互作用起因。l>100 nmでMNP両端に反時計回り・時計回り渦核対生成、二重渦状態。磁場減少時、一方渦消滅、単一渦状態崩壊。しかしl>300 nmでは低磁場で渦消滅せず、MNP曲面上に第3渦核追加生成、三重渦状態。

熱量測定

Ni₈₀Fe₂₀ MNP（l=500 nm、d=350 nm）を15.9-47.8 kA m⁻¹（200-600 Oe）交流磁場曝露、温度-時間曲線図4a表示。SAR式により、15.9、31.9、47.8 kA m⁻¹でSAR値各427、1054、1742 W g⁻¹計算。予想通り磁場強度大いほどSAR大、SAR値磁場強度比例。したがって、MNP磁気ハイパーサーミア加熱効率より良い評価ためILP算出。ILP式により、15.9、31.9、47.8 kA m⁻¹、360 kHzでILP値各4.69、2.88、2.12 nH m² kg⁻¹計算。

a NiFe MNP（l=500 nm、d=350 nm）磁場強度15.9-47.8 kA m⁻¹（200-600 Oe）増加温度-時間曲線。b NiFe MNP（d=350 nm）磁場強度47.8 kA m⁻¹（600 Oe）、MNP長さl 100-500 nm変化温度-時間曲線。c NiFe MNP（l=100-500 nm、d=350 nm）磁場強度15.9-47.8 kA m⁻¹（200-600 Oe）SAR値表。d NiFe MNP（l=100-500 nm、d=350 nm）理論SAR値

次に、NiFe MNP（d=350 nm、l=100-500 nm）を47.8 kA m⁻¹（600 Oe）交流磁場曝露、温度-時間曲線図4b表示。SAR式により、47.8 kA m⁻¹、360 kHzでl=100、200、500 nm SAR値各409、618、1742 W g⁻¹計算。ILP式により、同条件l=100、200、500 nm ILP値各0.50、0.75、2.12 nH m² kg⁻¹計算。

l=500 nm MNPはl=100、200 nm MNPより遥か高加熱効率、より顕著温度上昇。47.8 kA m⁻¹、360 kHzでl=500 nm MNP最高SAR値1742 W g⁻¹。比較のため、磁場15.9-31.9 kA m⁻¹（200-400 Oe）、d=350 nm、l=100-500 nm条件SAR値図4c表形式まとめ。同条件下、l=500 nm MNP SARとILP値、小さいl MNP比4倍高値。微磁気シミュレーション観察：l>300 nm増加でMNP磁化反転プロセス二重渦状態→三重渦状態変化。l<300 nmでは単一/二重渦状態のみ観察。三重渦状態MNP残留磁化M_r単一/二重渦状態比有意高値。

単一ドメインMNP動的ヒステリシスループ理論モデルCarreyら提案[69]。多ドメインMNPでは、超常磁性臨界サイズ以上大MNPで磁化切替時間~10⁻⁹ sオーダーため、マイクロ磁気シミュレーション静的ヒステリシスループ取得計算合理的。磁気ハイパーサーミア切替時間~10⁻⁶ sオーダーため、大MNP交流磁場追従可能。円筒NiFe MNPマイクロ磁気シミュレーションヒステリシスループ面積とVSM測定用い理論SAR値計算、図4d表形式。

l=100、200 nm MNP SAR値、H_c以下低磁場で小SAR値、急増後高磁場飽和、強磁性領域特徴。対照的に、三重渦状態l=500 nm MNP磁場依存性SAR値非線形関係、SAR値~6倍大。l=500 nm MNP三重渦状態高M_r低磁場非ゼロSAR値明確。熱量測定（図4c）と数値計算（図4d）比較で、強磁性領域MNP特徴（低磁場小SAR、高磁場飽和、MNP H_c相関）定性的・定量的一致示唆。

三重渦状態NiFe MNP発熱比較：d=150-350 nm、交流磁場47.8 kA m⁻¹（600 Oe）、温度-時間曲線図5a表示。SARとILP値：d=350、250、150 nmで各1785、2073、2750 W g⁻¹と2.17、2.52、3.34 nH m² kg⁻¹計算。d=150、250 nm MNPは0.1 mg/mL濃度で最適治療温度43°C到達各4.92分、7.45分。異なるアスペクト比MNP比較：d=150 nm MNP加熱効率d=350 nm比1.54倍大。d=150 nm MNP最高低磁場磁化率とM_r保持ため。したがってSAR値はlとd両変化MNP磁化反転プロセスと密接相関。

a 磁場強度47.8 kA m⁻¹（600 Oe）、周波数360 kHz、MNP直径d 150-350 nm変化NiFe MNP温度-時間曲線。b d=150-350 nm、l=500 nm NiFe MNP理論SAR値

マイクロ磁気シミュレーション観察：ヒステリシスループ面積AはMNP直径(d)で有意進化。したがってd=150 nm MNP SAR値急増、最大SAR値6263 W g⁻¹飽和。数値計算で高アスペクト比MNP高ヒステリシス損失、高理論SAR値結果（図5b）。熱量測定（図5a）と数値計算（図5b）比較で定性的良好一致、ヒステリシス損失値定量的不一致。実験・理論値不一致はNiFe MNP非超常磁性・無視できぬ残留磁化保持、強磁気双極子相互作用で近接MNP間望まぬ凝集起因[70, 71]。MNP流体動力学的体積ブラウン運動構成要素ため、MNP凝集程度支配緩和機構（ネール/ブラウン）。したがって凝集MNP群vs単一自由MNPでSAR値大差。さらに交流磁場ナノコラム/ナノチェーン形成誘導、異種ブラウン緩和機構示し、実験・理論値不一致説明[72-74]。

結論

円筒NiFe MNP示す高SAR値、酸化鉄MNP（IOMNP）と超常磁性酸化鉄NP（SPION）[28, 75]と同等、交流磁場下熱放散能力実証。三重渦状態MNP、二重/単一渦状態MNP比遥か高加熱効率、SAR値4倍大、三重渦状態MNP高M_r起因。異なるアスペクト比MNP比較：d=150 nm MNP加熱効率d=350 nm比1.54倍大、大きいM_rと低磁場磁化率起因。熱量測定とマイクロ磁気シミュレーション両方で磁化反転プロセスとd=150 nm MNP高ヒステリシス損失相関示し、実験・理論両SAR値向上結果。MNPサイズ容易制御と磁気特性でin vivo磁気ハイパーサーミアがん治療試験大き潜在性示唆。

データと材料の入手可能性

本研究中生成・分析データセットは対応著者から合理的要請で入手可能。

略語

d:

磁性ナノ粒子直径

EDX:

エネルギー分散型X線分光

H_c:

保磁力

ILP:

固有損失パワー

l:

磁性ナノ粒子長さ

MNP:

磁性ナノ粒子

M_r:

残留磁化

PEG:

ポリエチレングリコール

SAR:

比吸収率

SEM:

走査型電子顕微鏡

SQR:

スクエアネス比

V_H:

高電位電析パルス

VSM:

振動試料磁力計

XRD:

X線回折分光