OTTIMIZZAZIONE DELLE PROPRIETÀ MICROSCOPICHE DI NANOPARTICELLE PER TERAPIA CON IPERTERMIA MAGNETICA

Magnetic fluid hyperthermia is a modern cancer therapy that takes advantage of alternating magnetic field to generate local heating in order to weaken or destroy tumor cells using iron oxide magnetic nanoparticles. The amount of magnetic field energy converted into heat is due to different processes that occur in the nanoparticles ensemble: hysteresis losses, Néel and Brown relaxation. Nanoparticles properties have to be optimized in order to maximize their heat release, giving at the same time the least amount of magnetic material possible to the patient thus avoiding as much as possible any risk of side effects for his health. At the aim of achieving these goals, different coatings of sugar or other organic materials can be used to stabilize the nanoparticles in solution, and different materials and shapes or dimensions can be chosen for the magnetic core. With regard to the required optimization, the main parameter to be evaluated is the Specific Absorption Rate (SAR) of magnetic nanoparticles. The literature reports several works investigating the SAR of various nanoparticles when different conditions of frequency and intensity of the magnetic field are applied. But very few studies have been performed considering systematically how the SAR changes when varying gradually the frequency and intensity of the field, and while using nanoparticles with only one element differentiating their properties, for example the core diameter, the coating composition or the nanoparticles concentration. The work presented in this thesis aimed to clarify these aspects. A first set of three samples of maghemite nanoparticles with the same chemical composition but different core diameters has been studied systematically at different frequencies and intensities of the magnetic field applied to assess the effect of the particle dimensions on SAR. Afterwards the same set of samples has been diluted to three different concentrations of iron, and the same systematic analysis has been repeated to see how the nanoparticles concentration and consequently their dipolar interactions can modify the efficiency of the heat release. Finally, the same analysis has been iterated on a second set of five samples with the same core composition, similar dimensions and different coatings, to evaluate if the organic coating could be able to change the magnetic properties of the core giving rise to different values of SAR. The data acquired have been used also to assess their adaptability to theoretical models existing in literature for the SAR. Since the superparamagnetic nanoparticles used for hyperthermia may be also used as contrast agents for Magnetic Resonance Imaging (MRI), the relaxometric properties of the two set of samples were also investigated.

L’ipertermia con ferrofluidi è una moderna tecnica antitumorale che sfrutta un campo magnetico alternato per produrre localmente calore e danneggiare o distruggere le cellule tumorali impiegando nanoparticelle di ossidi di ferro. Il trasferimento di energia dal campo magnetico ai tessuti è dovuto a differenti processi che coinvolgono le nanoparticelle: le perdite isteretiche, il rilassamento di Néel e il rilassamento di Brown. Le proprietà delle nanoparticelle devono essere ottimizzate al fine di rendere massimo il trasferimento di energia dal campo ai tessuti, minimizzando al contempo la quantità di materiale magnetico da fornire al paziente e i rischi di possibili effetti collaterali per la sua salute. Al fine di realizzare questi obiettivi differenti rivestimenti di zuccheri o altri polimeri organici possono essere utilizzati per stabilizzare le nanoparticelle in soluzione, e diversi materiali nonché forma e dimensioni del core magnetico possono essere selezionati. Per realizzare l’ottimizzazione richiesta il paramento principale che deve essere valutato è lo Specific Absorption Rate (SAR) delle nanoparticelle. In letteratura si trovano molti lavori che investigano la SAR di nanoparticelle diverse in differenti condizioni di frequenza e intensità del campo magnetico applicato, ma pochi studi sono stati effettuati considerando sistematicamente come varia la SAR cambiando gradualmente la frequenza e l’intensità del campo e usando nanoparticelle le cui proprietà si differenziano per un solo elemento, quale ad esempio il diametro, la composizione del coating o la loro concentrazione. Il lavoro presentato in questa tesi è stato quindi progettato per chiarire questi aspetti. Un primo set di campioni di nanoparticelle di maghemite con la stessa composizione chimica ma differente diametro del core magnetico è stato sistematicamente studiato a diverse frequenze e intensità del campo magnetico applicato per valutare l’effetto delle dimensioni delle nanoparticelle sulla SAR. In seguito, lo stesso set di campioni è stato diluito a tre diverse concentrazioni e la stessa analisi sistematica è stata ripetuta per vedere come la concentrazione delle nanoparticelle, e quindi le interazioni dipolari tra esse, può modificare l’efficienza del rilascio termico. Infine, la stessa analisi è stata iterata su un secondo set di cinque campioni con la stessa composizione del core, dimensioni simili e differenti coating, al fine di valutare se il rivestimento organico può cambiare le proprietà magnetiche del core provocando la registrazione di differenti valori di SAR. I dati acquisiti sono stati utilizzati anche per valutare la loro adattabilità ai modelli teorici noti per la SAR in letteratura. Dal momento che le nanoparticelle superparamagnetiche usate per l’ipertermia possono essere impiegate anche come agenti di contrasto in Magnetic Resonance Imaging (MRI), sono state valutate anche le proprietà rilassometriche dei due set di campioni utilizzati.