Submitted by Jonathan Sousa de Almeida (jonathan.sousa@ufma.br) on 2022-12-20T14:05:25Z No. of bitstreams: 1 GopalNiraula.pdf: 11981535 bytes, checksum: f6e3c19e752dba4ed12d601df49804c3 (MD5) Made available in DSpace on 2022-12-20T14:05:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GopalNiraula.pdf: 11981535 bytes, checksum: f6e3c19e752dba4ed12d601df49804c3 (MD5) Previous issue date: 2022-02-18 The targeted therapy-based approach such as magnetic fluid hyperthermia (MFH) as thermal therapy and magneto-mechanical as a mechanical force therapy (MFT) have been clinically launched as an alternative treatment of cancer tumors. In both approaches magnetic nanoparticles (MNPs) are at the center; are used as ‘heat generators’ in MFH whereas the same is used as ‘mechanotransducers’ in MFT when they are subjected to an alternating magnetic field. Utilizing the MNPs, mainly superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs), both therapeutic techniques are emerging as a cornerstone approach in view of impractical scenarios and are becoming a topic of great interest in the cancer therapies because of their several advantages to the effectual antitumor therapy for instance high biosafety, deep tissue penetration, and targeted selective tumor killing. However, the SPIONs display weak magnetic responses, i.e., low magnetization, due to which a large dosage of SPIONs need to be injected inside the body for complete destruction of the tumors; this is a kind of challenge for surrounding healthy cells that need to be overcome. Thus, a new generation of magnetic nanoparticles with excellent properties is immediately needed to face the therapeutic challenges in advancing cancer therapies and subsequent treatment. The engineering of topological iron oxide nanoparticles (NPs) with novel vortex-domain structures offers an exciting avenue for probing their efficacy in targeted therapy in cancer treatment overcoming the limitation of conventional superparamagnetic iron oxide NPs. The main reasons for the appropriateness of these NPs in cancer therapy are high dispersion ability, colloidal stability biocompatibility, and easy manipulation in the application of magnetic fields. Thus, the design of such magnetic nanomaterials with vortex-domain structure may serve as versatile candidates in therapeutic-based cancer treatments. The present work aims to design the iron oxide-based vortex NPs for targeted therapeutic applications. This thesis is divided into two main parts: (a) control synthesis and characterization of iron oxide magnetic vortex nanoparticles and (b) their utilization in magnetic hyperthermia and mechanotransduction for cancer cell destruction, under biologically safe conditions using experimental, theoretically and micromagnetic simulations. The interest in the magnetic vortex nanoparticles over simple single-domain in the biological applications is due to negligible dipole- dipole interactions and thus low/zero magnetic remanence, allowing the magnetic nanosystems to remain well dispersed in colloidal formulations in the absence of an external magnetic field. The spin structures are produced in NPs due to the confinement of spins imposed by geometrical restrictions; thus it is challenging to control the geometry of nanoparticles to preserve the vortex configuration. In the first part, we have successfully synthesized magnetic vortex nanorings (NRs), nanodisks (NDs), nanospheres (NSs), nanorods (NRDs), and nanotubes (NTs) via microwave- assisted hydrothermal (MAH) route and characterized as-obtained NPs thoroughly by X-ray diffraction (XRD), Fourier transforms infrared spectroscopy (FTIR), electron microscopy (EM), Mossbauer spectroscopy (MS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), cryostat-based resistivity measurement, magnetometry, and calorimetry-based MFH to examine their structural, morphological, magnetic properties and MFH efficacy. In addition, theoretical analysis and micromagnetic simulation were performed as supportive tools to confirm the experimental outcomes specially to provide evidence of geometry-based vortex-domain structure in iron oxide NPs. In the second part, we have performed the MFH experiment to evaluate the thermal efficiency and in vitro cytotoxicity test in different cell lines: (i) 4T1 cells (murine mammary adenocarcinoma cell line), (ii) CT26 (murine colorectal carcinoma cell line), and (iii) J774A.1 (a murine X monocyte/macrophage). Through the complete characterization, we revealed that stoichiometry does not need to be preserved for the existence of magnetic vortex-domain structure in NPs. Further, the key findings on MFH of NDs is that the heating efficiency is better for stoichiometry magnetite (Fe3O4) NDs as compared with the nonstoichiometric one owing to charge ordering between Fe2+ and Fe3+, which is further tuned by controlling the switching field-mediated shape, size, and orientation of nanodiscs in the direction of applied field in a controlled way revealing that the existence of magnetic vortex configuration is not only a factor to enhance heating capability but switching field mediated by shape, size, and orientation are also key factors to be considered. The specific absorption rate (SAR) and intrinsic loss power (ILP) in NRs and NTs at maximum clinical field 450 Oe and under the frequency of 107 kHz were evaluated. The NTs exhibited the highest SAR value among those reported so far in the hollow iron-oxide family accounting for the importance of magnetic shape anisotropy. The reported SAR values and their excellent cell viability tests strongly suggest NRs and NTs as potential candidates in targeted therapy-based cancer treatments. Further, we moved towards the magneto-mechanical approach for MFT-based cancer treatments. Taking in-depth analysis by means of theoretical and micromagnetic simulation, we proposed the iron oxide NRs as a mechanotransducer providing evidence on the magnetic stability of the curling ground states in NRs and opens the possibility of applying these systems to magneto-mechanical actuation on single cells for therapeutics in biomedicine, such as cancer cell destruction by low-frequency torque transduction. A abordagem baseada em terapia direcionada, como a hipertermia do fluido magnético (HFM) como terapia térmica e a abordagem magneto-mecânica como terapia de força mecânica (TFM) foram lançadas clinicamente como um tratamento alternativo de tumores cancerígenos. Em ambas as abordagens, as nanopartículas magnéticas estão no centro, essas nanopartículas magnéticas são usadas como 'geradores de calor' em HFM enquanto os mesmos são usados como 'mecanotransdutores' em TFM quando são submetidos à um campo magnético alternado. Utilizando as nanopartículas magnéticas, principalmente nanopartículas de óxido de ferro superparamagnéticas, ambas as técnicas terapêuticas estão surgindo como uma abordagem fundamental diante de cenários impraticáveis e estão se tornando um tópico de grande interesse nas terapias contra o câncer devido às suas várias vantagens para a terapia antitumoral eficaz, por exemplo, alta biossegurança, penetração tecidual profunda e morte seletiva direcionada de tumores. No entanto, os óxido de ferro superparamagnéticas apresentam respostas magnéticas fracas, ou seja, baixa magnetização devido a uma grande dose de óxido de ferro superparamagnéticas que precisa ser injetada dentro do corpo para destruição completa dos tumores, este é um tipo de desafio para as células saudáveis circundantes que precisam ser superados. Assim, uma nova geração de nanopartículas magnéticas com excelentes propriedades é imediatamente necessária para enfrentar os desafios terapêuticos no avanço das terapias contra o câncer e no tratamento subsequente. A engenharia de nanopartículas topológicas de óxido de ferro com novas estruturas de domínio de vórtice oferece um caminho interessante para testar sua eficácia na terapia direcionada no tratamento do câncer, superando a limitação das nanopartículas superparamagnéticas de óxido de ferro convencionais. As principais razões para a adequação desses nanopartículas na terapia do câncer são a alta capacidade de dispersão, biocompatibilidade de estabilidade coloidal e fácil manipulação na aplicação de campos magnéticos. Assim, o modelo de tais nanomateriais magnéticos com estrutura de domínio de vórtice pode servir como candidatos versáteis em tratamentos de câncer de base terapêutica. O presente trabalho tem como objetivo projetar as nanopartículas de vórtice à base de óxido de ferro para aplicação terapêutica direcionada. Esta tese está dividida em duas partes principais: (a) controle da síntese e caracterização de nanopartículas de vórtice magnético de óxido de ferro e (b) sua utilização em hipertermia magnética e mecanotransdução para destruição de células cancerígenas, sob condições biologicamente seguras usando simulações experimentais, teóricas e micromagnéticas. O interesse nas nanopartículas de vórtice magnético sobre simples domínio único na aplicação biológica é devido às interações dipolo-dipolo desprezíveis e, portanto, à remanência magnética baixa/zero, permitindo que os nanosistemas magnéticos permaneçam bem dispersos em formulações coloidais na ausência de um campo magnético externo. As estruturas de spin são produzidas em NPS devido ao confinamento de spins imposto por restrições geométricas, assim, é um desafio controlar a geometria das nanopartículas para preservar a configuração do vórtice. Na primeira parte, sintetizamos com sucesso nanoanéis de vórtice magnético (NRs), nanodiscos (NDs), nanoesferas (NSs), nanobastões (NRDs) e nanotubos (NTs) via rota hidrotermal assistida por micro-ondas (HAM) e caracterizados como obtidos NPs completamente por difração de raios-X (DRX), espectroscopia infravermelha por transformadas de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de transmissão (MET), espectroscopia Mössbauer (EM), espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (EFX), medição de resistividade baseada em criostato, magnetometria e calorimetria baseado em HFM para examinar suas propriedades estruturais, morfológicas, XII magnéticas e eficácia de HFM. Além disso, análises teóricas e simulação micromagnética foram realizadas como ferramentas de suporte para confirmar os resultados experimentais, especialmente para fornecer evidências de estrutura de domínio de vórtice baseada em geometria de NPs de óxido de ferro. Na segunda parte, realizamos o experimento HFM para avaliar a eficiência térmica e o teste de citotoxicidade in vitro em diferentes linhagens celulares: (i) células 4T1 (linhagem celular de adenocarcinoma mamário murino), (ii) CT26 (linhagem celular de carcinoma colorretal murino) e (iii) J774A.1 (um monócito/macrófago murino). Através da caracterização completa, revelamos que a estequiometria não precisa ser preservada para a existência de estrutura de domínio de vórtice magnético em nanopartículas. Além disso, as principais descobertas sobre HFM de NDs é que a eficiência de aquecimento é melhor para NDs de magnetita estequiométrica (Fe3O4) em comparação com a não estequiométrica devido à ordenação de carga entre Fe2+ e Fe3+ , que é ajustada ainda mais controlando a forma mediada por campo de comutação , tamanho e orientação dos nanodiscos na direção do campo aplicado de forma controlada, revelando que a existência de configuração de vórtices magnéticos não é apenas um fator para aumentar a capacidade de aquecimento, mas o campo de comutação mediado por forma, tamanho e orientação também são fatores-chave para ser considerados. A taxa de absorção específica e a perda de potência intrínseca em NRs e NTs no campo clínico máximo de 450 Oe e na frequência de 107 kHz foram avaliadas. Os NTs exibiram o maior valor de taxa de absorção específica entre os relatados até agora na família de óxido de ferro oco, explicando a importância da anisotropia de forma magnética. Os valores de taxa de absorção específica relatados e seus excelentes testes de viabilidade celular sugerem fortemente NRs e NTs como potenciais candidatos em tratamentos de câncer baseados em terapia direcionada. Além disso, avançamos para a abordagem magneto- mecânica para tratamentos de câncer baseados em TFM. Aprofundando a análise por meio de simulação teórica e micromagnética, propusemos o óxido de ferro NRs como um mecanotransdutor fornecendo evidências sobre a estabilidade magnética dos estados fundamentais de curling em NRs e abrindo a possibilidade de aplicação desses sistemas para atuação magneto- mecânica em células únicas para terapia em biomedicina, como destruição de células cancerosas por transdução de torque de baixa frequência.