Hvordan varmebehandling påvirker magnetiske og mekaniske egenskaper i metalliske glassystemer

Rapid annealing, eller rask varmebehandling, gir fordeler i forhold til tradisjonell varmebehandling når det gjelder dannelse av nanostrukturer i metalliske glassystemer. Denne prosessen muliggjør dannelsen av homogene nanostrukturer uten at det er nødvendig å tilsette ikke-magnetiske komponenter, som vanligvis er påkrevd for å sikre dannelsen av nanostrukturer over glasstransisjonstemperaturen. Dette reduserer risikoen for heterogen nukleasjon, og gir muligheten til å øke mengden magnetiske komponenter uten behov for ekstra ikke-magnetiske tilsetninger. Denne forbedringen fører til en økning i metningmagnetisering av nanokomposittene som dannes etter varmebehandlingen.

Fordelen med magnetisk felt varmebehandling er at den gir mulighet for kontroll over uniformiteten av denne uniaxiale magnetiske anisotropien, slik at materialets egenskaper kan justeres etter behov for ulike applikasjoner. Denne prosessen påvirker også de myke magnetiske egenskapene til materialet, ved å endre domenestrukturen og dermed redusere indre spenninger og kjerne tap. Effekten av denne teknikken er markant større enn ved vanlig varmebehandling uten et magnetfelt, og kan resultere i nanokrystallinske legeringer med større korn enn det som oppnås ved tradisjonell varmebehandling.

Metalliske glassystemer som har gjennomgått magnetisk felt varmebehandling, viser ofte overlegne magnetiske egenskaper, og deres anvendelser utvides kontinuerlig. Disse materialene har store reserver av elastisk energi som kan utnyttes effektivt i applikasjoner som høyteknologiske fjærer til klokker eller magnetiske kjerner i elektrisk utstyr som transformatorer. I tillegg tillater den potensielle plastiske deformasjonen av metalliske glassystemer at de kan gjennomgå termomekanisk behandling for å oppnå de nødvendige formene for slike applikasjoner.

Men det er også utfordringer med disse materialene, spesielt når det gjelder termisk sprøhet, som er knyttet til reduksjon i deres frie volum. For å overvinne denne utfordringen har man utviklet teknikker som mekanisk stress-annealing, hvor varmebehandling skjer samtidig som materialet påføres en mekanisk belastning for å gi det ønsket form. Denne prosessen fremmer strukturell avslapning og revitalisering i det glassaktige materialet, og gjør at det låses i den påførte formen.

Vanlige teknikker for å undersøke magnetiske signaturer i annealed metalliske glassystemer inkluderer magnetisk kraftmikroskopi, analyse av M-H-mønstre fra en vibrerende prøve-magnetometer og målinger med en SQUID-enhet. Det finnes også kjernebaserte metoder, som polarisert nøytronrefleksjon, som gir god dybderesolusjon for lagdelte strukturer. En annen nyttig teknikk er Mössbauer-spektrometri, som undersøker hyperfine interaksjoner i materialene.

Fremtidig utvikling av disse materialene peker mot en rekke lovende applikasjoner, spesielt innen høykapasitetsmagnetisk lagringsteknologi, som i resistiv random access memory (RRAM). For å fremme denne utviklingen, vil det være nødvendig med en mer omfattende forståelse av annealingindusert krystallisering og utviklingen av modeller som kan forutsi diffunderende nanostrukturer under varmebehandling.

I tillegg til de tekniske aspektene ved prosessene som beskrives, er det viktig å forstå den langsiktige stabiliteten og holdbarheten til disse materialene i ulike miljøer. Det er klart at de forskjellige varmebehandlingsmetodene kan ha stor innvirkning på både de magnetiske og mekaniske egenskapene til metalliske glassystemer. De krever nøye kontroll og tilpasning av prosessene for å oppnå ønskede egenskaper for spesifikke applikasjoner, og dette kan potensielt åpne for et bredt spekter av nye industrielle bruksområder, fra høyteknologiske komponenter til elektrisk og magnetisk utstyr.

Hvordan superparamagnetiske jernoksid nanopartikler (SPIONer) forbedrer diagnostikk og behandling av kreft gjennom avanserte bildeteknikker og magnetisk hypertermi

Med hjelp av superparamagnetiske jernoksidpartikler og perfluorokarbonnanoemulsjoner er det mulig å utføre kvantitativt bildebehandling av Tumour Associated Macrophages (TAM) ved hjelp av MRI-basert TAM-avbildning. I en studie av Silva et al. om multimodal bildebehandling ble en multifunksjonell nanopartikkelprope for pankreaskreft presentert, basert på 1,2 Distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-amino (polyethylene glycol)-modifiserte SPIONer, bundet med plectin-1-antistoff. Resultatene fra MRI og in vivo optisk bildebehandling bekreftet at nanopartikkelen samlet seg i MIAPaCa2- og XPA-1-karsinomceller, og kan derfor benyttes som en theranostisk probe for fluorescens og MRI for bildebehandling av pankreaskreft.

I tillegg til MRI er magnetiske metalloksid-nanomaterialer anvendelige for andre bildebehandlingsteknikker som positronemisjonstomografi (PET), datatomografi (CT) og nær-infrarød fluorescens (NIRF)-bildebehandling. PET er en bildebehandlingsteknikk der et positronutslippende radiotracer injiseres i en pasient og får tid til å distribuere seg fysiologisk i kroppen. De utløste positronene genererer to sammenhengende 511 keV-fotoner. Disse to fotonene blir detektert, og et 3D-bilde dannes gjennom analytiske eller statistiske rekonstruksjonsalgoritmer. I CT blir røntgenstråler sendt gjennom pasienten og deretter rettet mot røntgendetektorer som kan beregne verdier for transmisjon eller demping. Verdiene som samles av detektorene sendes deretter til en datamaskin som bruker spesielle matematiske metoder for å rekonstruere CT-bildet ved hjelp av bildebehandlingsalgoritmer. I dag benytter alle moderne CT-skannere iterative rekonstruksjonsalgoritmer.

I klinisk vitenskap refererer begrepet “hypertermi” vanligvis til en terapeutisk teknikk der et spesifikt område av en pasients kropp utsettes for en temperatur over 40 °C. En nyere variant av denne teknikken er magnetisk hypertermi (MHT), der temperaturøkningen oppnås ved å bruke et vekslende magnetfelt på et magnetisk stoff, hovedsakelig jernoksid. Denne metoden kan påvirke cellemembraner, proteiner, nukleinsyre-reparasjonsenzymer og cellestrukturer, og dermed ødelegge celler. Spesielt har svulstcellene ikke evnen til å tåle plutselige temperaturforandringer, og de kan dermed bli lett ødelagt. MNP-baserte magnetiske hypertermi er en effektiv kreftbehandlingsmetode. De magnetiske nanopartiklene er små nok til å trenge gjennom biologiske barrierer og målrette spesifikke områder av svulster. Vanligvis frigjøres varme fra magnetiske stoffer under påvirkning av et høyfrekvent magnetfelt via (i) virvelstrømtap, (ii) hysterese-tap og (iii) relaksasjonstap. Til tross for at virvelstrømmer er betydelige i tilfelle av bulkmaterialer, er deres rolle i termisk dissipasjon i MNPs under MHT minimal. Det eksternt påførte magnetiske feltets frekvens må ligge i det lave radiobølgeområdet på 100-300 kHz for å oppnå nødvendig terapeutisk temperatur for en vellykket ødeleggelse av kreftceller. Antallet magnetiske nanopartikler som skal administreres, må være på et minimalt nivå for å unngå eventuelle bivirkninger. Under magnetisk hypertermi injiseres magnetiske nanopartikler som kolloider i svulstområdet. Varmeproduksjonen er sterkt avhengig av strukturen og de magnetiske egenskapene til disse nanopartiklene, og også av de eksterne feltparameterne som amplitude og frekvens.

Hvordan HSP90 og Magnetisk Hypertermi Kan Endre Kreftbehandling

En av de nyeste utviklingene innen kreftbehandling er bruken av magnetisk nanopartikler for hypertermi-terapi, som utnytter varme for å drepe kreftceller. Ved å injisere magnetiske nanopartikler i tumorvev, kan kreftcellene deretter bli oppvarmet når et magnetfelt påføres. Dette fører til at partiklene varmes opp og øker temperaturen i det omkringliggende vevet, noe som skader tumorcellene. En spennende mulighet oppstår når HSP90-hemmere kombineres med magnetisk induksjon av hypertermi, ettersom HSP90-hemmere kan bidra til å blokkere kreftcellens mekanismer for varmebeskyttelse, og dermed forsterke effekten av hypertermi-terapien.

Forskning har indikert at spesifikke HSP90-hemmere som Ganetespib og Luminespib kan ha betydelig terapeutisk potensial når de brukes i kombinasjon med magnetisk hypertermi. Ganetespib, for eksempel, har vist seg å sensibilisere kreftceller til varmebehandling ved å hemme HSP90 og forstyrre dens beskyttende rolle. Dette gjør det lettere å oppnå en vellykket ødeleggelse av tumorvev uten å skade nærliggende friskt vev.

I tillegg til at HSP90 fungerer som en terapeutisk målstruktur, er det også potensial for biomarkørbruk. Studier har funnet at nivåene av HSP90 i plasma kan brukes som diagnostiske verktøy for å oppdage visse krefttyper, som lever- og lungekreft, og som en indikasjon på behandlingsrespons. HSP90-alfa spesielt har blitt identifisert som et mulig biomarkør for leverkreft, som kan hjelpe til med tidlig diagnose og overvåkning av behandlingsforløp.

Det er også viktig å vurdere de potensielle bivirkningene ved denne typen behandling, spesielt for friskt vev. Selv om hypertermi kan være selektivt rettet mot tumorvev ved hjelp av magnetiske nanopartikler, kan det også påvirke andre organer og celletyper. For eksempel kan effekten av varme på blodkar føre til økt vaskulær permeabilitet, noe som kan utløse systemisk betennelse og skade på andre organer. Derfor er det viktig å utvikle metoder for å kontrollere og lokaliserer varmen på en mer presis måte for å unngå utilsiktede skader.

Videre forskning på HSP90-hemmere og magnetisk hypertermi kan føre til nye behandlinger som ikke bare er mer effektive, men også mindre invasive enn tradisjonelle metoder som kirurgi og kjemoterapi. Det vil kreve en tverrfaglig innsats fra forskere innen molekylærbiologi, materialteknologi og medisin for å realisere potensialet for denne behandlingen.

En annen viktig faktor å vurdere i utviklingen av disse behandlingene er personaliseringen av kreftterapi. Kreft er ikke én sykdom, men en gruppe av relaterte sykdommer som kan variere betydelig mellom individer. Behandlinger som kombinerer HSP90-hemmere og hypertermi må tilpasses hver pasient, basert på deres spesifikke genetiske og molekylære profil. Det er også behov for å forstå hvordan forskjellige typer kreft responderer på disse behandlingene, ettersom noen kan ha en høyere grad av HSP90-avhengighet enn andre.

Det er også viktig å merke seg den potensielle rollen til HSP90 i kreftcellenes evne til å utvikle resistens mot behandlinger. Studier har vist at HSP90 kan bidra til resistensmekanismer, spesielt ved å hjelpe kreftcellene å opprettholde sine onkoproteiner som er nødvendige for deres overlevelse. Dermed kan HSP90-hemmere spille en viktig rolle i å overvinne behandlingsresistens, et av de største utfordringene i moderne kreftbehandling.

Endtext

Hvordan magnetisk væske-hypertermi kan bidra til behandling av svulster

Magnetiske partikler har lenge vært gjenstand for intensiv forskning, spesielt med tanke på deres potensiale for medisinsk bruk i behandling av kreft. En av de mest lovende metodene for kreftbehandling er magnetisk væske-hypertermi (MFH), som benytter magnetiske partikler for å generere varme i tumorvev ved hjelp av et alternerende magnetfelt. Den varmen som genereres, kan øke temperaturen på tumorcellene til nivåer som forårsaker celledød uten å skade omliggende friskt vev.

Tidlige eksperimenter, som de utført av Shliomis og Hanson, viste at magnetiske partikler i en kolloid form kunne generere varme i området 42–45 °C, nok til å forårsake betydelig celledød i ulike kreftcellelinjer, inkludert human lungeadenokarsinom og brystkreft. Dette indikerte at varmebehandling, også kjent som hypertermi, kunne være en lovende tilnærming for å inaktivere tumorceller.

Videre forskning på in vivo eksperimenter med mus og forskjellige cellelinjer som WiDr (human kolorektal adenokarsinom) og C3H (mammary carcinoma) ga innsikt i hvordan magnetiske væsker påvirker tumorbehandling. Her ble magnetiske partikler ofte administrert intravenøst og deretter utsatt for et alternerende magnetfelt. Resultatene viste en heterogen inaktivering av tumorcellene, noe som kan tilskrives ujevn distribusjon av ferrofluiden i tumorområdet. Dette understreker viktigheten av riktig dosering og distribusjon av partikler for å oppnå ønsket terapeutisk effekt.

En annen interessant observasjon ble gjort i arbeidet til Jordan og hans kollegaer, som undersøkte forskjellige tumorcellinjer og hvordan magnetiske nanopartikler kunne målrettes mot tumorvev. Spesielt aminosilan-coatede magnetiske partikler viste seg å ha høy terapeutisk effektivitet, noe som førte til en signifikant økning i overlevelsen hos rotter som gjennomgikk MFH-behandling. Studien demonstrerte hvordan behandling med magnetisk væske-hypertermi kan forbedre effekten av tradisjonell strålebehandling, ved å redusere den nødvendige stråledosen med opptil tre ganger, når de kombineres.

Ikke alle studier har vist de samme resultatene, og det er viktig å merke seg at mange av de positive resultatene er sterkt avhengig av de spesifikke partikkelene som brukes og hvordan de er modifisert. For eksempel, aminosilan-coatingen viste seg å gi bedre intratumoral distribusjon og en mer homogen varmefordeling, mens dextran-coating ikke hadde samme effekt og førte til at nanopartiklene spredte seg til omgivende vev.

Videre er det viktig å merke seg at ikke alle kreftsvulster responderer likt på MFH. Tumorens mikromiljø, inkludert blodtilførsel og cellearrangement, kan påvirke hvordan partikler distribueres og hvordan varmen fordeles. Studier har også vist at varmestrålingen kan variere betydelig mellom forskjellige deler av tumoren, noe som kan føre til områder med lavere eller høyere dosering av varme. Det er derfor avgjørende å optimalisere behandlingsprotokollene for å sikre jevn varmefordeling og maksimere effekten av behandlingen.

En viktig utfordring med MFH er imidlertid spørsmålet om sikkerhet og effektivitet på tvers av forskjellige krefttyper og pasienter. Magnetiske partikler må være i stand til å målrette spesifikke områder av tumoren uten å forårsake skade på friske vev, og behandlingen må kunne utføres på en måte som er praktisk og økonomisk gjennomførbar i klinisk praksis. Flere studier har allerede ført til kliniske forsøk, og noen av de tidlige resultatene har vært lovende, men det er behov for videre forskning for å forstå hvordan behandlingen kan skreddersys til individuelle pasienter.

Hvordan anisotropi og molekylære magneter påvirker magnetiske systemer

Anisotropi, som stammer fra faktorer som krystallstruktur og dipolare interaksjoner, spiller en viktig rolle i hvordan magnetiske momenter oppfører seg i systemer med begrenset dimensjon. I motsetning til ferromagnetisme, der magnetiske momenter alignerer seg i samme retning, har antiferromagnetiske interaksjoner en tendens til å frembringe flere grunnstater, som representerer konfigurasjoner med minimal energi. I et én-dimensjonalt system manifesterer grunnstaten seg som en alternerende sekvens av spinn – opp, ned, opp, ned – og så videre. Når systemet derimot utvides til to dimensjoner, blir flere grunnstater mulige. Dette særpregede magnetiske fenomenet er blitt identifisert i mineraler som inneholder spesifikke krystallstrukturer, slik som Kagome-lattice eller hexagonal-lattice, som gir et innblikk i den fascinerende kompleksiteten som kjennetegner lavdimensjonal magnetisme (Néel 1948).

For eksempel, stripe-domenene oppstår som et resultat av balansen mellom økningen i utvekslingsenergi forbundet med dannelsen av domeneskiller og reduksjonen i dipolar energi som følge av interaksjonene av magnetiseringer generert ved disse domeneskillene (Booth et al. 1995; Ng og Vanderbilt 1995). Oppdagelsen av 2D antiferromagnetisk atferd i høytemperatur-superledere, som for eksempel forbindelsen LaCuO4, har økt interessen for feltet to-dimensjonal magnetisme (Huang og Clark 2017).

I enkelte tilfeller er det mulig å beregne grunnstiltsenergien, eksitasjonsspekter og termodynamiske egenskaper for magnetiske systemer som eksisterer i én- og to-dimensjonale rom. Det intrikate samspillet av magnetiske interaksjoner innen quasi-2D strukturer har ført til utforskning av eksotiske spinnstrukturer som skyrmioner, bobler og meroner, som har unike egenskaper (Yu et al. 2018; Nagaosa og Tokura 2013). På grunn av den iboende stabiliteten som tilbys av defekter og pinningsteder i deres topologi, kan skyrmioner manipuleres ved hjelp av en strøm densitet som er nesten hundre ganger lavere enn det som kreves for konvensjonelle magnetiske domener. Denne bemerkelsesverdige egenskapen gjør dem svært attraktive for energieffektive spintroniske applikasjoner, inkludert, men ikke begrenset til, ultratett lagring basert på skyrmioner, magnetisk tilfeldig tilgangsminne og racetrack-minne (Zhang et al. 2015; Fert et al. 2013).

De siste årene har det blitt gjort betydelig fremgang når det gjelder å forstå og kontrollere molekylær magnetisme, noe som har både grunnleggende vitenskapelige implikasjoner og potensielle anvendelser innen områder som informasjonslagring og kvantedatabehandling. En av de mest spennende utviklingene innen feltet er studiet av Single-Molecule Magnets (SMMs) eller null-dimensjonale magneter. Dette er individuelle molekyler eller forbindelser som kan beholde spin-informasjon over lange perioder ved svært lave temperaturer, hovedsakelig på grunn av energibarrieren som hindrer reversering av spin. Dette resulterer i at man kan måle en merkbar langsom magnetisk avslapning (Sessoli et al. 1993; Gatteschi et al. 2006; Woodruff et al. u.å.; Benelli og Gatteschi 2015). Studier av lanthanoid-baserte Single-Molecule Magnets har vist potensialet for praktiske applikasjoner av SMM-er innen områder som molekylær spintronikk, datalagring og kvantedatabehandling (Jiang et al. 2015; McAdams et al. 2017). Den lange kohærensperioden til visse SMM-er gjør dem attraktive kandidater for lagring og manipulering av qubits.

Molekylære magneter utforskes også for deres potensiale til å forbedre kontrastmidler i MR-bilder. Generelt fortsetter feltet molekylær magnetisme å utvikle seg raskt, drevet frem av tverrfaglig samarbeid mellom kjemikere, fysikere og materialforskere. Evnen til å designe og manipulere molekylære magneter på nanoskalas nivå åpner opp spennende muligheter, både for grunnforskning og praktiske anvendelser, fra kvantedatabehandling til medisinsk bildebehandling.