Submitted by Marlene Santos (marlene.bc.ufg@gmail.com) on 2018-08-08T19:44:23Z No. of bitstreams: 2 Tese - Nícholas Zufelato - 2017.pdf: 11515357 bytes, checksum: 7bb562f8d99c81648650d6ed80ce19bb (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-08-09T11:55:07Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Tese - Nícholas Zufelato - 2017.pdf: 11515357 bytes, checksum: 7bb562f8d99c81648650d6ed80ce19bb (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-09T11:55:07Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Tese - Nícholas Zufelato - 2017.pdf: 11515357 bytes, checksum: 7bb562f8d99c81648650d6ed80ce19bb (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-02-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work, we developed a multifunctional nanocarrier that has diagnostics and therapeutic applications in oncology, and evaluated the magnetothermal efficiency (SLP) properties in a comparative manner with respect to magnetic fluids. The nanocarrier consists of Mn-ferrite magnetic nanoparticles, a near-infrared fluorescent molecule IR-780, that are surface-coated with albumin proteins (BSA). The samples were characterized by dynamic light scattering (DLS), electron microscopy (TEM and MEV-FEG), vibrating sample magnetometer (VSM), fluorescence molecular tomography (FMT). FMT data proved the coupling of IR-780 to the protein allowing the fabrication of a magnetofluorescent nanostructure. Magnetic hyperthermia data as function of field amplitude (60-200 Oe) and frequency (170-990 kHz) were obtained for all samples containing the same magnetic particle volume fraction in the liquid carrier, but with distinct agregate sizes. The sizes were controlled by tuning the ionic force, and monitored experimentally using DLS. Magnetization curves revealed a (quasi-static) superparamagneticlike behavior, and was used to extract the particle concentration. The hyperthermia efficiency SLP of the magnetic fluids decreased increasing the hidrodynamic diameter. On the contrary, the nanocarrier showed a maximum of SLP, that can be optimized for hyperthermia and is more efficient than the ferrofluid. SLP data as function of frequency revealed a relaxation time of the order of 10-7 s and an equilibrium susceptibility lower than the Langevin value. A theoretical analysis of SLP at the linear responde regime was developed taking into account the dipolar interaction of nanoparticles organized in distinct arrangements. In magnetic fluids we considered a linear chain using the longitudinal configuration (anisotropy axis aligned), while for the nanocarriers we considered spherical agregates where the anisotropy axis of the nanoparticles are arranged randomly. The theoretical analysis indicate that the relaxation time cannot be explained by brownian relaxation or the Néel relaxation of single particle (even considering the dipolar effect). But instead, a mechanism of collective relaxation, mediated by dipolar interaction, is responsible for heat generation. It also indicates that only a fraction of agregates in the colloid is responsible for heating. In addition, the theoretical model revealed the existence of a transition from single particle relaxation to collective relaxation only if the dipolar interaction for the aggregate is higher than a critical value, which depends on material parameters, as for instance anisotropy field and saturation magnetization. Indeed, the model indicates that collective states are more easily achieved on soft magnets, and therefore suggests enhanced magnetothermal properties for this kind of materials. / Neste trabalho desenvolvemos um nanocarreador multifuncional, que possui aplicações diagnósticas e terapêuticas para tratamento oncológico, e avaliamos sua eficiência magnetotérmica (SLP) de forma comparativa com fluidos magnéticos. O nanocompósito contém nanopartículas magnéticas à base de ferrita de manganês, molécula fluorescente na faixa do infravermelho próximo IR-780, sendo recobertas por proteínas de albumina (BSA). As amostras foram caracterizadas por diversas técnicas experimentais, entre elas: espalhamento dinâmico de luz (DLS), microscopia eletrônica (TEM e MEV-FEG), magnetometria de amostra vibrante (VSM), tomografia por fluorescência molecular (FMT). Dados de FMT provaram o acoplamento do IR-780 à proteína e a construção de nanoestrutura magnetofluorescente. Dados de hipertermia magnética em função da amplitude do campo magnético (60-200 Oe) e frequência (170-990 kHz) foram obtidos para diversas amostras contendo a mesma fração de partículas magnéticas, mas tamanho de agregados distintos. O tamanho dos agregados foi controlado variando a força iônica, e monitorados experimentalmente por DLS. Curvas de VSM revelaram comportamento tipo superparamagnético (quasi-estático) e foram usadas para determinar a concentração de partículas. A eficiência magnetotérmica (SLP) revelou, para os fluidos magnéticos, que o SLP diminui aumentando o diâmetro hidrodinâmico. Ao contrário, no nanocarreador, o SLP apresentou um máximo indicando uma hipertermiaotimizada e mais eficiente que o fluido magnético. Os dados de SLP em função da frequência revelaram um tempo de relaxação da ordem de 10-7 s e susceptibilidade de equilíbrio menor que a de Langevin. Aavaliação teórica do SLP foi feita no regime da teoria de resposta linear e baseou-se no cálculo do efeito dipolar de nanopartículas organizadas de forma distinta. No caso do fluido magnético cadeias lineares na configuração longitudinal, enquanto os nanocarreadores consistiram de agregados esféricos com eixos de anisotropia organizados de forma randômica. A análise teórica indicou que o tempo de relaxação não pode ser explicado pela relaxação browniana, tão pouco por uma relaxação de Néel de partícula simples (mesmo considerando efeito dipolar). De fato, demonstramos teoricamente que o mecanismo de relaxação coletivo, mediado pela interação dipolar, é responsável pela geração de calor. A análise indica ainda que somente uma fração de partículas dos colóides, formando agregados específicos, é responsável pelo aquecimento.O modelo teórico revelou que existe uma transição entre o regime de relaxação de partícula isolada (mesmo interagente) para o regime coletivo apenas se a interação dipolar da configuração do agregado magnético for maior que um valor crítico, o qual depende de parâmetros como campo de anisotropia e magnetização de saturação das nanopartículas. Tal teoria indica que a transição ocorre mais facilmente para amostras magnéticas macias, sugerindo maior potencial magnetotérmico para estes materiais.

O uso das ferritas de manganês zinco em fontes de potência de carregadores de bateria vem crescendo nos últimos anos, devido a suas baixas perdas magnéticas em induções da ordem de 0,2 T. Estas ferritas pertencem à categoria de ferritas moles, são óxidos ferrimagnéticos, policristalinos com estrutura cúbica tipo espinélio. Pós desse material foram compactados em prensa uniaxial e em prensa automática de produção para anel e toróide, respectivamente. Foram realizados dois ciclos de queima variando o teor de oxigênio entre 5 e 15%, no patamar de sinterização, com o propósito de avaliar seu efeito na densidade, microestrutura, perdas magnéticas em altas induções (0,2 T) e permeabilidade. Amostras sinterizadas em posições mais quentes do forno resultaram em maior densidade e maior tamanho de grão, conforme esperado, mas resultaram em maiores perdas a 25 °C. O aumento do teor de oxigênio entre 5 e 15% não alterou sistematicamente a densidade, mas resultou num pequeno aumento do tamanho de grão. Já a correlação entre teor de oxigênio e perdas foi complexa. Foi observado que existe uma temperatura de mínimo nas perdas totais por volta de 60 °C. O mesmo comportamento foi observado na curva da perda histerética, compatível com a variação da constante de anisotropia magnetocristalina (K1). Foram realizados ensaios de curvas de histerese a partir de 25 até 100 °C, a 0,2 T com o objetivo de avaliar o efeito da temperatura nas duas parcelas da perda histerética. Amostras sinterizadas a 1290 °C com a menor pressão de oxigênio apresentaram menor temperatura de mínimo de perda. As técnicas de análise química do teor de Fe2+ não foram capazes de estabelecer, inequivocamente, a esperada relação entre essa variável e o teor de oxigênio da atmosfera de sinterização. / The use of manganese zinc ferrite in power sources of battery chargers is growing, due to its low magnetic power losses at inductions around 0.2 T. These ferrites belong to the soft magnetic materials group, they are polycrystalline ferromagnetic oxides with face centered cubic structure. Powders of this material were compacted in uniaxial press and in automatic press of production, by ring and toroidal form, respectively. Two firing cycles, varying the atmosphere oxygen content between 5 and 15%, were applied to evaluate its effect on microstructure, density, magnetic losses in high induction and permeability. Samples sintered in warmer positions inside the furnace resulted in higher density and larger grain size, as expected, but higher losses at 25 °C were achieved. Increasing the atmosphere oxygen content from 5 to 15% did not alter density significantly, but resulted in a slight increase in grain size. On the other hand, the correlation between oxygen content and losses was complex. There are lower losses, at 60 °C. Similar behavior was observed with hysteresis loss, which is compatible with the change in magnetocrystalline magnetic anisotropy (K1). Measurements were performed from 25 to 100 °C, at 0.2 T, aiming at the evaluation of the effect of temperature on the two parcels of hysteresis loss. Samples sintered at 1290 °C with low atmosphere oxygen content showing a minimum on the losses versus temperature curve. The available techniques to analyze Fe2+ content were not capable of establishing, unequivocally, the expected relation between this variable and the oxygen content of the sintering atmosphere.

O uso das ferritas de manganês zinco em fontes de potência de carregadores de bateria vem crescendo nos últimos anos, devido a suas baixas perdas magnéticas em induções da ordem de 0,2 T. Estas ferritas pertencem à categoria de ferritas moles, são óxidos ferrimagnéticos, policristalinos com estrutura cúbica tipo espinélio. Pós desse material foram compactados em prensa uniaxial e em prensa automática de produção para anel e toróide, respectivamente. Foram realizados dois ciclos de queima variando o teor de oxigênio entre 5 e 15%, no patamar de sinterização, com o propósito de avaliar seu efeito na densidade, microestrutura, perdas magnéticas em altas induções (0,2 T) e permeabilidade. Amostras sinterizadas em posições mais quentes do forno resultaram em maior densidade e maior tamanho de grão, conforme esperado, mas resultaram em maiores perdas a 25 °C. O aumento do teor de oxigênio entre 5 e 15% não alterou sistematicamente a densidade, mas resultou num pequeno aumento do tamanho de grão. Já a correlação entre teor de oxigênio e perdas foi complexa. Foi observado que existe uma temperatura de mínimo nas perdas totais por volta de 60 °C. O mesmo comportamento foi observado na curva da perda histerética, compatível com a variação da constante de anisotropia magnetocristalina (K1). Foram realizados ensaios de curvas de histerese a partir de 25 até 100 °C, a 0,2 T com o objetivo de avaliar o efeito da temperatura nas duas parcelas da perda histerética. Amostras sinterizadas a 1290 °C com a menor pressão de oxigênio apresentaram menor temperatura de mínimo de perda. As técnicas de análise química do teor de Fe2+ não foram capazes de estabelecer, inequivocamente, a esperada relação entre essa variável e o teor de oxigênio da atmosfera de sinterização. / The use of manganese zinc ferrite in power sources of battery chargers is growing, due to its low magnetic power losses at inductions around 0.2 T. These ferrites belong to the soft magnetic materials group, they are polycrystalline ferromagnetic oxides with face centered cubic structure. Powders of this material were compacted in uniaxial press and in automatic press of production, by ring and toroidal form, respectively. Two firing cycles, varying the atmosphere oxygen content between 5 and 15%, were applied to evaluate its effect on microstructure, density, magnetic losses in high induction and permeability. Samples sintered in warmer positions inside the furnace resulted in higher density and larger grain size, as expected, but higher losses at 25 °C were achieved. Increasing the atmosphere oxygen content from 5 to 15% did not alter density significantly, but resulted in a slight increase in grain size. On the other hand, the correlation between oxygen content and losses was complex. There are lower losses, at 60 °C. Similar behavior was observed with hysteresis loss, which is compatible with the change in magnetocrystalline magnetic anisotropy (K1). Measurements were performed from 25 to 100 °C, at 0.2 T, aiming at the evaluation of the effect of temperature on the two parcels of hysteresis loss. Samples sintered at 1290 °C with low atmosphere oxygen content showing a minimum on the losses versus temperature curve. The available techniques to analyze Fe2+ content were not capable of establishing, unequivocally, the expected relation between this variable and the oxygen content of the sintering atmosphere.