Iron Nanoparticles with controlled size for hyperthermia
Nanoparticules de fer de taille contrôlée pour l’hyperthermie
Résumé
Magnetic nanoparticles are of great interest for hyperthermia treatment of tumors. Their efficiency depends on their size, their surface state and the material used. We realised a fundamental study of the synthesis of metallic iron nanoparticles, of their particular magnetic properties and their heating response for hyperthermia. A detailed analysis of theoretical models (Neel linear relaxation and Stoner-Wohlfarth) could enlighten the optimised properties (size control to reach the superparamagnetism / ferromagnetism transition, high saturation magnetisation MS ). The second chapter presents the synthesis of metallic iron nanoparticles with tuneable sizes ranging from 1.5 to 11.2 nm (spherical shape) and from 7 to 90 nm (cubic shape) thanks to the decomposition of the compound (Fe{N[Si(CH3)3]2}2)2 . Their growth was followed by kinetic studies using electronic microscopy, Mössbauer spectrometry and SQuID measurements. The key role of lamellar structures and acid concentration was described. The third chapter presents a new approach, never reported so far, based on the ripening of small iron germs. The magnetic properties are studied in the fourth chapter, the surface state does not present any oxidation, and all the particles have magnetization has high as the bulk value (Ms = 220 Am2.kg-1). An increase of the anisotropic constant was reported for small particles regarding bulk iron (10 for 1.5 nm and 3 for 5.5 nm). Magnetic configurations have been directly imaged in 30 nm nanocubes thanks to the electronic holography technique. Micromagnetic simulations coupled with holography permit to quantitatively analyse a vortex structure in an isolated cube and to observe the coupling effects in particles closely packed. Finally, the last chapter describes the frequency adjustable electromagnet we designed. The first hyperthermia measurements are reported for superparamagnetic iron (of 5.5 and 7.5 nm). A ferromagnetic behaviour corresponding to Stoner-Wohlfarth model was for the first time observed for 14.2 nm FeCo nanoparticles. Results obtained on both systems (Fe and FeCo) could be analysed in the frame of theoretical model (Néel et Stoner-Wohlfarth) previously described in the first chapter.
Les nanoparticules magnétiques présentent un fort potentiel pour le traitement de tumeurs par hyperthermie ; leur efficacité dépend de leur taille, de leur état de surface et de la nature du matériau employé. Nous avons réalisé une étude fondamentale de la synthèse de nanoparticules de fer métallique par voie organométallique, de leurs propriétés magnétiques intrinsèques et de leur réponse en hyperthermie. Au préalable, une analyse détaillée des modèles théoriques (relaxation linéaire de Néel et Stoner-Wohlfarth) nous a permis de dresser une liste des paramètres à optimiser pour cette application (contrôle de taille pour atteindre la transition superparamagnétisme / ferromagnétisme, aimantation à saturation (MS) élevée). Le deuxième chapitre décrit la synthèse de nanoparticules de fer monodisperses dans une gamme de taille allant de 1.5 à 11.2 nm pour les particules sphériques et de 7 à 90 nm pour les particules cubiques, grâce à la décomposition contrôlée du dimère (Fe{N[Si(CH3)3]2}2)2. Leur croissance a été suivie par microscopie électronique à transmission, spectroscopie Mössbauer et SQuID. Cette étude a permis la mise en évidence des rôles clés de mésophases lamellaires et de la concentration d’acide sur la morphologie des nano-objets. L’effet de paramètres tels que la température et la longueur des chaînes alkyles est également présenté. Le troisième chapitre présente une méthode innovante de synthèse par mûrissement de germes qui permet un meilleur contrôle de l’environnement de croissance. Les propriétés magnétiques intrinsèques sont ensuite étudiées dans le quatrième chapitre, la surface des nanoparticules n’est pas oxydée et celles-ci présentent toutes l’aimantation à saturation du fer massif (Ms = 220 Am2.kg-1). Par contre, une exaltation de la constante d’anisotropie (Keff) a été mesurée pour des particules de petites tailles (10 pour 1.5 nm et 3 pour 5.5 nm).Le couplage de l’holographie électronique avec des calculs micromagnétiques a permis d’étudier quantitativement une configuration vortex dans un cube unique de 30 nm non supporté et d’observer l’effet des interactions dans des assemblées d’objets. Finalement le dernier chapitre présente le banc de mesure d’hyperthermie ajustable en fréquence qui a été mis en place et a permis les premières mesures sur des particules superparamagnétiques de fer (de 5.5 et 7.5 nm). Un comportement de type ferromagnétique a aussi été mis en évidence pour la première fois sur des particules de FeCo de 14.2nm. Les résultats obtenus sur ces systèmes Fe et FeCo ont pu être interprétés dans le cadre des deux modèles théoriques (Néel et Stoner-Wohlfarth) présentés au cours du chapitre bibliographique.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
|---|