Nanoparticelle Magnetiche Claudio Sangregorio Roberta Sessoli LAMM - LAboratorio di Magnetismo Molecolare Dip. di Chimica - Università di Firenze

Comportamento Quantistico Comportamento Classico Perché studiare le nanoparticelle magnetiche ? Scienza fondamentale (coesistenza di approcci classici e quantistici) <10-9 m Atomi e Molecole 10-9 -10-7 m 10-7-10-3 m >10-3 m Nanostrutture Microstrutture Oggetti Quotidiani Comportamento Quantistico Comportamento Misto Comportamento Classico paramagnete superparamagnete magnete

Effetti di confinamento Perché le proprietà dei materiali cambiano quando le loro dimensioni sono ridotte alla scala nanometrica: Effetti di confinamento (quantizzazione degli stati energetici) Elevato rapporto superficie/volume (maggiore reattività chimica e proprietà chimico-fisiche totalmente diverse) Dimensioni dello stesso ordine di alcune grandezze caratteristiche di importanti fenomeni fisici (es. Resistenza - libero cammino medio; Diffrazione e diffusione- lunghezza d’onda; Conducibilità termica - libero cammino medio; Magnetismo -lunghezza di scambio, parete di dominio;

DIMENSIONI DI ALCUNE GRANDEZZE CRITICHE MAGNETICHE (in nanometri) GRANDEZZA SIMBOLO DEFINIZIONE Fe Nd2Fe14B Lunghezza di scambio Iex  (0A/J2) 1.5 1.9 Larghezza della parete di dw Iex  40 3.9 dominio Dimensione critica di singolo RSD 36Iex 6 107 Dimensione critica per RB (6kBT/K)1/3 8 1.7 superparamagnetismo (@ 300 K) Calcolate da Michael Coey, Univ. di Dublino

Proprietà magnetiche di sistemi nanostrutturati Effetti di dimensione finita Modificazione delle proprietà magnetiche intrinseche (MS, TC, Anisotropia Magnetica) Polarizzazione dei materiali non magnetici Contributo della superficie Anisotropia Magnetica aumentata Frustrazione dell’ordine antiferromagnetico Contributo superficie Size-effect Interazioni Intergranulari Superparamagnetismo Demagnetizzazione termica e temporale Processo di demagnetizzazione Singolo dominio Interazione interparticella

Perché studiare le nanoparticelle magnetiche ? Scienza fondamentale (coesistenza di approcci classici e quantistici) Comprensione dei sistemi naturali

Sistemi naturali Paleomagnetismo Nanoparticelle di titanomagnetite (Fe2TiO4) e magnetite (Fe3O4) presenti nelle rocce L. Néel 1949 Premio Nobel 1970

Sistemi naturali Batteri magnetotattici (Fe3O4 o Fe3S4) Preferiscono condizioni anaerobiche 99.9 % 99.9 % L’inclinazione del campo terrestre seleziona una delle due possibili polarità.

Sistemi naturali Magnetosomi d = 30-120 nm Nanoparticelle di magnetite avvolti in membrane cellulari d = 30-120 nm Il movimento del magnetosoma in risposta al campo B deforma la membrana aprendo dei canali per il passaggio di ioni che produce un segnale nervoso.

Sistemi naturali Ferritina Contiene un nucleo di FeO(OH) comprendente ca. 4000-5000 atomi di Fe3+. Si trova in animali, vegetali, funghi, batteri

Fe oxid./immagazzinamento LiDps (DNA binding protein from starved cells, dal batterio Listeria Innocua) d=4.5nm Fe oxid./immagazzinamento Produce un nucleo minerale antiferromagnetico di ferridrite simile a quello della ferritina ma di diemnsioni inferiori D=9nm Ilari A. et al., Nature.Struct.Biol.7,38, 2000 Pdb code: 1QGH

Immagazzianmento del Ferro nella Dps Fe(II) si lega al centro ferrossidasico Fe(II) è ossidato da H2O2 Fe(III) è trasportato nella cavità proteica dove nuclea il nucleo di Fe Fe3+ Montpellier 2010

Perché studiare le nanoparticelle magnetiche ? Scienza fondamentale (coesistenza di approcci classici e quantistici) Comprensione dei sistemi naturali Possibilità di nuove applicazioni

Mercato attuale dei materiali magnetici 50% Materiali per registrazione 36% Materiali dolci 13% Materiali duri 1% Altre applicazioni Il mercato globale legato all’uso di materiali magnetici a base di nanoparticelle è stato valutato nel 2004 pari a 4.3 miliardi di dollari e si stima che raggiungerà i 12 miliardi entro il 2009 (United Press International). Il 90% del fatturato è legato alla registrazione magnetica ma si attende un forte sviluppo anche in altri settori, soprattutto nel campo biomedico. Nel 2003 sono stati raggiunti 100 Gbit /in2 Marzo 2005: 100 Gbit /in2 (Hitachi) Perpendicular recording e Heat Assisted Magnetic Recording 50 Tbit/in2

Nanoparticelle Magnetiche Applicazioni - Memorie magnetiche ad alta densità - Sensoristica - Ferrofluidi - Refrigeranti magnetici - Inchiostri magnetici - Schermi - Applicazioni biomediche

Why Magnetic Nanoparticles are appealing for Biomedical Applications Biological Length Scales Proteins Viruses Cells 0.1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 m 10 m 100 m Gene (width) Bacteria DNA Diameter of human hair pollen Aspirin Molecule They have controllable small size, smaller or comparable to those of many biological entities of interest

Why Magnetic Nanoparticles are appealing for Biological and Medical Applications - small enough for administration (intravenous, oral, inhalation, etc.) → method to reach any target organ or tissue • must reside in vivo long enough to reach its target • avoid immunological reactions, toxicity, rapid excretion and captation by undesired tissues Their surface can be functionalised allowing stability in physiological media and covalent bonding to drugs or biomolecules - the smaller, the more neutral and the more hydrophilic the particle surface, the longer is its plasma half-life - for redirecting to the desired target, the particle surface has to be labeled with ligands that specifically bind to receptors

Why Magnetic Nanoparticles are appealing for Biological and Medical Applications They are normally based on biocompatible iron oxide and can thus be reused/recycled by cells using normal biochemical pathways for iron metabolism They can be manipulated by a external magnetic field Magnetite fluid dispersion under static magnetic field

Use a magnet to direct nanoparticles to desired location Magnetic Targeting Use a magnet to direct nanoparticles to desired location

Magnetic Sorting 1- Functionalize nanoparticles Goal: Separate/detect/isolate one type of cell from others, often when the target is present in very small quantities 1- Functionalize nanoparticles R Ligand O -

3- MNP bond to the target cell 2- Add to sample Cells 4- Retain desired cells by applying a magnetic field

Why Magnetic Nanoparticles are appealing for Biological and Medical Applications -4- They can provide an important change in signal per unit of metal Effect of magnetic particles on proton relaxation Proton relaxation Decrease of the T2 relaxation Before MH After MH

Why Magnetic Nanoparticles are appealing for Biological and Medical Applications -3- Their magnetic properties can be tuned according to the size They may interact with time-varying field and convert the electromagnetic energy in local heat (MAGNETIC FLUID HYPERTHERMIA) Range of interest for magnetic fluid hypethermia The frequency used in magnetic fluid hyperthermia is usually in the range between 50 and 500 kHz and then is not harmful for biological tissues.

Why Magnetic Nanoparticles are appealing for Biological and Medical Applications -3- Magnetic Fluid Hyperthermia Cancer cells more sensitive to heat Apply a magnetic field Cancer cells Magnetic nanoparticles Destroy cancer cells Apoptosis Temperature in 41-46°C range for 30min Endocytosis

Nanoparticelle Magnetiche per Applicazioni Cliniche: Multifunzionalità Nanoparticelle Magnetiche funzionalizzate Nanoparticella Coating Polimerico Farmaco Anticorpo Monoclonale Sviluppo di polimeri “stealth” , biocompatibili e biodegradabili Inserimento di farmaci e di leganti specifici Inserimento di farmaci Targeting Magnetico Targeting Chimico Il nanomateriale finale può svolgere più funzioni nelle terapie antitumorali Citolisi delle cellule tumorali per riscaldamento a T fino a 45 °C (o aumento dell’azione di eventuali farmaci chemoterapici associati) Monitoraggio della distribuzione delle nanoparticellee dei loro effetti mediante MRI Rilascio controllato in-situ di farmaci citotossici

Le pareti di Bloch Al di sotto di una temperatura critica, TC, alcuni materiali possiedono una magnetizzazione spontanea (ferro- e ferrimagnetismo). Questi materiali per minimizzare la propria energia totale assumono una struttura a domini, vale a dire si suddividono in regioni di diversa forma e dimensione all’interno delle quali gli spin sono tutti allineati tra loro. L’orientazione degli spin è diversa nei vari domini. M rimanente Coercitività Bloch wall I domini sono separati da regioni dove l’orientazione degli spin varia gradualmente, le pareti di Bloch. La larghezza delle pareti dipende dall’anisotropia magnetica e dall’energia di scambio  = A/K Per i materiali più comuni le dimensioni delle pareti di Bloch sono dell’ordine di 10-100 nm. A = energia di scambio K = costante di anisotropia magnetica

Particelle a Singolo Dominio = 100 nm Quando il diametro d <  la formazione di domini non è più energeticamente favorita; tutti gli spin sono accoppiati tra loro (E di scambio è costante). La magnetizzazione M della particella cambia orientazione tramite la rotazione coerente di tutti gli spin. Tipici valori di d sono: Fe 15 nm Co 70 nm Ni 55 nm NdFeB 100 nm Superparamagnetismo:

L’anisotropia magnetica La magnetizzazione di un ferromagnete tende a giacere lungo certi assi cristallografici, detti assi facili L’energia di anisotropia cristallina, energia magnetocristallina, è il lavoro che si deve fare per orientare la magnetizzazione lungo un certo asse partendo dall’asse facile Anisotropia magnetocristallina Anisotropia di forma (magnetostatica) Magnetostrizione Anisotropia di superficie Anisotropia di scambio Anisotropia indotta Contributi all’anisotropia magnetica

Tecnica di misura: MicroSQUID Anisotropia magnetica di una nanoparticella Nanoparticella di Co fcc Tecnica di misura: MicroSQUID 1 nm HC in diverse direzioni K1=2.2×105J/m3, K2=0.9×105J/m3, K4=0.1×105J/m3 W. Wernsdorfer Laboratorio Louis Néel, Grenoble (FR) Anisotropia Cubica (bulk) 0.1×105J/m3 Anisotropia forma: 0.3-0.1×105J/m3 Anisotropia superficie