O tema deste trabalho é a modelização computacional das propriedades magnéticas de sistemas nanoparticulados a temperatura finita. Estes materiais, que são de grande interesse acadêmico e aplicado, possuem uma sensibilidade atípica às flutuações térmicas, um fenômeno conhecido como superparamagnetismo. Por essa e outras peculiaridades, eles apresentam um comportamento extremamente rico e complexo que se estende por uma gama ampla de situações experimentais, indo desde eras geológicas em aplicações na área de geomagnetismo, a fenômenos ultra-rápidos em dispositivos eletrônicos e tratamentos clínicos. O modelo empregado, conhecido como teoria de Néel-Brown, introduz na equação dinâmica magnética um termo estocástico para lidar com as flutuações térmicas. Sua validade é bastante geral, podendo ser aplicado para simular uma quantidade enorme de experimentos. Implementamos uma biblioteca numérica extremamente eficiente, que permite tratar sobre um mesmo escopo estas diferentes situações. Neste trabalho, focamos no problema de histerese dinâmica que vêm recebendo considerável atenção nos últimos anos motivado, principalmente, pela aplicação de nanopartículas magnéticas em tratamentos de tumores por uma técnica conhecida como magneto-hipertermia. / This thesis concerns the use of computer models to study the magnetic properties of nanoparticles at a finite temperature. These materials, which are of great academic and applied interest, are known to have an enhanced sensitivity to thermal fluctuations -- a phenomenon known as superparamagnetism. Such a peculiar nature is responsible for a large number of interesting physical phenomena, which are known to extend over a wide range of experimental situations. These include, among others, geomagnetism, ultra-fast devices and oncological treatments. The model employed, known as the Néel-Brown theory, introduces in the dynamical equation an stochastic term representing the thermal fluctuations. It\'s range of validity is quite broad, thus being applicable to all of the aforementioned situations. We implemented a highly efficient numerical library, whose scope extends over a large range of experiments. In this thesis we focused on the problem of dynamic hysteresis, which has receive considerable attention in recent years. This was motivated, among other things, by the potential use of nanoparticles in magneto-hyperthermia treatments.

Nanopartículas de ouro têm mostrado enorme potencial de aplicação em modalidades diagnósticas e terapêuticas fotoativadas. Em especial, nanoestruturas de ouro anisotrópicas ramificadas apresentam excelente desempenho atuando tanto como contrastes de imagens fotoacústicas, quanto como agentes ativos para terapias fototérmicas de câncer. Apesar dos avanços nas suas rotas de síntese, o desenvolvimento dessas nanoestruturas de forma simples e reprodutível ainda é desafiador. O presente trabalho visou o desenvolvimento de nanopartículas de ouro anisotrópicas ramificadas, ou nanoflores, que sejam fotoativas no infravermelho-próximo para a terapia e diagnóstico de câncer. Em particular, buscou-se o desenvolvimento de uma síntese simples para sua obtenção, assim como a verificação de sua atuação como agente de contraste fotoacústico e como agente ativo para hipertermia de tumores. Para tanto, desenvolveu-se uma síntese in situ que permitiu a obtenção de nanoflores monodispersas com tamanho e propriedades ópticas controláveis. Através da variação de aspectos da síntese, como a temperatura e a concentração de ouro, foi possível sintonizar a atividade óptica das partículas entre 590 e 960 nm. Sua formação foi confirmada por microscopia eletrônica de varredura, espalhamento de luz dinâmico e espectroscopia UV-visível. As partículas apresentaram boa estabilidade de suas características físico-químicas por dois meses e meio. Ainda, as nanoflores se mostraram estáveis, também, quando suspensas em meio de cultura, sob irradiação de lasers, e quando mantidas a temperatura corpórea por longos intervalos. Sua resposta fotoacústica foi caracterizada, apresentando sinais significativos e permitindo a obtenção de imagens claras de sua localização, mesmo em baixas concentrações. Testes realizados em cultura de células mostraram que as nanoflores foram eficazes na hipertermia de uma linhagem de hepatocarcinoma de rato (HTC), ao mesmo tempo que não apresentaram sinais de toxicidade a uma linhagem de fibroblastos de camundongos (FC3H). Esses resultados revelam uma possibilidade simples de fabricação de nanoestruturas de ouro anisotrópicas ramificadas, que podem servir como uma plataforma promissora para o diagnóstico e terapia do câncer. / Gold nanoparticles have shown enormous potential of application in photodiagnostic and in phototherapeutic procedures. Notably, branched anisotropic gold nanostructures present distinguished performance acting as contrast agents of photoacoustic images and as active agents for photothermal therapies for cancer. Despite advances in their synthesis routes, the growth of these nanostructures in a simple and reproducible way is still challenging. The present study was aimed at developing branched anisotropic gold nanoparticles, coined nanoflowers, that are photoactive in the near-infrared for therapy and diagnosis of cancer. In particular, we sought to develop a simple synthesis route, as well as to verify its application for both, as photoacoustic contrast agents and as active agents for tumor hyperthermia. An in situ synthesis was developed which allowed the development of monodisperse nanoflowers with controllable size and optical properties. Through variations of certain aspects of this procedure, such as temperature and gold ions concentration, it was possible to tune the optical activity of the particles between 590 and 960 nm. The nanostructure morphology was confirmed by scanning electron microscopy, dynamic light scattering and UV-visible spectroscopy. The particles exhibited consistent physicochemical characteristics and good stability for two and a half months. Furthermore, the nanoflowers were also stable when suspended in cell culture medium, under laser irradiation and when maintained at body temperature for long intervals. Its photoacoustic response was characterized, presenting significant responses and generating clear images of its location, even at low concentrations. In vitro tests revealed that these nanoflowers were effective therapeutic agents for photothermal therapy of a rat hepatocarcinoma (HTC) lineage, while showing no signs of toxicity to mouse fibroblast (FC3H) cell line. These results reveal a simple procedure of synthesizing branched anisotropic gold nanostructures, which can serve as a promising platform for cancer diagnosis and therapy.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Fundação de Apoio a Pesquisa e à Inovação Tecnológica do Estado de Sergipe - FAPITEC/SE / In this work we have performed a study of the structural and magnetic properties in Fe3o4@Agx nanostructures (x=0,1,5 and 10%), synthesized by thermal decomposition (DT) and co-precipitation (CP). The samples were characterized by measurements of X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). The XRD patterns indicate the presence of the Fe3o4 and Ag phase. The mean crystallites size corresponding to the Fe3o4 estimated by using the Scherrer’s equation shows that the nanostructures present not change considerable in the size after insertion of Ag for both growth methods. The TEM images obtained for DT samples reveal that the nanostructures are a like-spherical shape and average sizes of 3 nm which are in good according with size estimated by XRD. The mass loss observed in TG analysis was used to estimate the amount of organic matter present in the samples and consenquently normalize the magnetic measurements. The magnetic characterization was carried out by magnetization measurements as a function of magnetic field (MvsH) and temperature in Zero Field Cooling – Field Cooling (ZFC/FC) modes. These results indicate that the samples present superparamagnetic behavior to start 220 K. Fits of the ZFC / FC curves allowed verify that the magnetic anisotropy constant decreasing as a function of Ag-concentration. Magnetic hyperthermia measurements were performed in the samples synthesized via CP and the specific absorption rate (SAR) was estimated between 8 and 40 W / g. / Neste trabalho foi realizado um estudo das propriedades estruturais e magnéticas em nanoestruturas Fe3o4@Agx (x=0,1,5 and 10%), sintetizadas pelos métodos de decomposição térmica (DT) e de co-precipitação (CP). As amostras foram caracterizadas estruturalmente através de medidas de difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Os padrões de DRX indicam a presença da fase cristalina de Fe3o4 para todas as amostras, mas nas amostras aonde foi inserida a Ag há presença de uma outra fase cristalina, ou seja, a fase da Ag. O tamanho médio dos cristalitos estimados utilizando a largura à meia altura dos picos de DRX e a equação de Scherrer, mostra que as nanoestruturas não sofreram alterações consideráveis de tamanho após o acréscimo da Ag, mesmo com o aumento da concentração de Ag para ambos os métodos. As imagens de MET obtidas para as amostras sintetizadas via DT revelam que as nanoestruturas apresentam formatos praticamente esféricos e com tamanhos médios de 3 nm, que estão de acordo com os tamanhos estimados por DRX. Análises termogravimétricas foram utilizadas para estimar as perdas de massa de orgânicos presente nas amostras e assim realizar a normalização das medidas de magnetização. A caracterização magnética foi feita através de medidas de magnetização em função do campo magnético (MvsH) e da temperatura no modo Zero Field Cooling – Field Cooling (ZFC/FC). Estas medidas indicam que as amostras apresentam um comportamento superparamagnético a partir de 220 K. A realização de ajustes nas curvas ZFC/FC permitiu verificar que a constante de anisotropia magnética diminui com a concentração de Ag. Também foram realizadas medidas de hipertermia magnética nas amostras sintetizadas via CP e através das análises foi estimada a taxa de absorção específica (SAR), com valores entre 8 e 40 W/g. / São Cristóvão, SE

Submitted by Irene Nascimento (irene.kessia@ufpe.br) on 2016-06-28T19:24:28Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TESE-ANDRÉ BARROS- versão biblioteca.pdf: 7101014 bytes, checksum: 9b4bfaccc16e54d3b111b7f51ab16776 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-28T19:24:28Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TESE-ANDRÉ BARROS- versão biblioteca.pdf: 7101014 bytes, checksum: 9b4bfaccc16e54d3b111b7f51ab16776 (MD5) Previous issue date: 2015-02-25 / CNPQ / O câncer é tratado, atualmente, como uma epidemia global e apesar dessa grande expressividade epidemiológica a base terapêutica utilizada no combate ao câncer limita-se a quimioterapia, a radioterapia e a cirurgia. Esses tratamentos apresentam uma série de limitações e efeitos adversos. Hipertermia é uma proposta de tratamento de câncer onde as células do tumor são afetadas pela elevação da temperatura local de acordo com a temperatura e o tempo de exposição à fonte de calor. O objetivo desse trabalho foi testar os efeitos da hipertermia obtidos através de uma técnica baseada no uso do ultrassom para irradiar sementes de ouro inseridas no interior de tumores sólidos. Neste sentido, o presente trabalho avaliou a eficácia desta técnica em modelos computacionais, in vitro e pré-clínicos. Para definir a forma geométrica e a difusão de calor da semente de ouro, foi utilizado um código computacional com base na equação de difusão de calor. A partir dos parâmetros definidos teoricamente foi elaborada uma técnica cirúrgica para confirmação pré-clínica e foram realizadas terapias conjuntas usando doxorrubicina. Os resultados das simulações computacionais mostraram que as sementes com 0,8x10mm e 1x 10mm, irradiadas durante 600s com frequência 1,5 MHz produziram uma taxa de geração de calor igual a 6 x 106 W/m3. No modelo de tratamento por dose única os animais foram irradiados durante 30 min com a frequência de 1MHz e as temperaturas foram avaliadas nas regiões centrais e periféricas do tumor. Os resultados obtidos no tratamento por dose única mostraram que o aumento na temperatura foi capaz de produzir necrose coagulativa em 81,9 ±7,2% da área total do tumor. No tratamento por três doses, os animais foram irradiados durante 15min com intervalos de 5 dias. Os resultados apresentados pelos animais tratados com três doses mostraram taxa de inibição tumoral igual a 84.7%. A associação do prétratamento com sementes de ouro irradiadas com ultrassom e doxorrubicina reduziu a IC50 desse fármaco em cerca de 50% em cultura de células e apresentou 87% de inibição tumoral contra o carcinoma de Ehrlich. Podemos concluir, a partir dos nossos resultados, que a hipertermia produzida pela irradiação de sementes de ouro com ultrassom é um método eficaz na destruição de tumores sólidos e pode ser usado como um eficiente adjuvante na quimioterapia / O câncer é tratado, atualmente, como uma epidemia global e apesar dessa grande expressividade epidemiológica a base terapêutica utilizada no combate ao câncer limita-se a quimioterapia, a radioterapia e a cirurgia. Esses tratamentos apresentam uma série de limitações e efeitos adversos. Hipertermia é uma proposta de tratamento de câncer onde as células do tumor são afetadas pela elevação da temperatura local de acordo com a temperatura e o tempo de exposição à fonte de calor. O objetivo desse trabalho foi testar os efeitos da hipertermia obtidos através de uma técnica baseada no uso do ultrassom para irradiar sementes de ouro inseridas no interior de tumores sólidos. Neste sentido, o presente trabalho avaliou a eficácia desta técnica em modelos computacionais, in vitro e pré-clínicos. Para definir a forma geométrica e a difusão de calor da semente de ouro, foi utilizado um código computacional com base na equação de difusão de calor. A partir dos parâmetros definidos teoricamente foi elaborada uma técnica cirúrgica para confirmação pré-clínica e foram realizadas terapias conjuntas usando doxorrubicina. Os resultados das simulações computacionais mostraram que as sementes com 0,8x10mm e 1x 10mm, irradiadas durante 600s com frequência 1,5 MHz produziram uma taxa de geração de calor igual a 6 x 106 W/m3. No modelo de tratamento por dose única os animais foram irradiados durante 30 min com a frequência de 1MHz e as temperaturas foram avaliadas nas regiões centrais e periféricas do tumor. Os resultados obtidos no tratamento por dose única mostraram que o aumento na temperatura foi capaz de produzir necrose coagulativa em 81,9 ±7,2% da área total do tumor. No tratamento por três doses, os animais foram irradiados durante 15min com intervalos de 5 dias. Os resultados apresentados pelos animais tratados com três doses mostraram taxa de inibição tumoral igual a 84.7%. A associação do prétratamento com sementes de ouro irradiadas com ultrassom e doxorrubicina reduziu a IC50 desse fármaco em cerca de 50% em cultura de células e apresentou 87% de inibição tumoral contra o carcinoma de Ehrlich. Podemos concluir, a partir dos nossos resultados, que a hipertermia produzida pela irradiação de sementes de ouro com ultrassom é um método eficaz na destruição de tumores sólidos e pode ser usado como um eficiente adjuvante na quimioterapia

Submitted by Franciele Moreira (francielemoreyra@gmail.com) on 2017-09-11T13:58:47Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Marcus Vinícius Araújo - 2017.pdf: 21442655 bytes, checksum: 3698012eda944b8f418aebe11accbd00 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-09-15T15:45:28Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Marcus Vinícius Araújo - 2017.pdf: 21442655 bytes, checksum: 3698012eda944b8f418aebe11accbd00 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-15T15:45:28Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Marcus Vinícius Araújo - 2017.pdf: 21442655 bytes, checksum: 3698012eda944b8f418aebe11accbd00 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-07-12 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Nanoparticles based on Mn-ferrite, Mn1−xAxFe2O4, doped with copper, magnesium and cobalt (A = Cu, Mg ou Co) were synthesized by hydrothermal method under pressure, with X varying from 0 to 0, 5. Magnetic fluids stable in physiological conditions were obtained surface-coating the nanoparticle with citric acid. X-ray diffraction confirmed the spinel structure. Energy dispersive spectroscopy (EDS) confirmed the success of the synthesis of the mixed ferrite, where the element composition agreed with the value expected within an error of 10%. Transmission electron microscopy showed sphericalshaped nanoparticles, while magnetization data at room temperature allowed the analysis of the coercivity field (Hc) and the saturation magnetization (Ms). Ms decreased with the increase of X for the Cu and Mg doped samples, while the opposite effect was observed for Co doped nanoparticles. Hc increased the higher the X value for all the samples. The effect on the Cu and Mg-doped ferrites are explained by the increase in particle size. However, the Co-doped samples, showed a diameter increasing the higher X, but Hc also increased. In this case the Hc behavior is explained by the increase concentration of Co and its effect on the magnetic anisotropy which increases for higher Co content. The magnetic hyperthermia efficiency of the magnetic fluids, for all samples, were investigated in a field amplitude ranging from 50 Oe to 170 Oe and frequencies from 110 kHz up to 990 kHz. The hyperthermia efficiency decreased with X increasing, considering the case of 130Oe and 333 kHz, which indicates that at this experimental condition undoped Mnferrite nanoparticles are better for hyperthermia. In most of the samples it was observed that the efficiency scaled with the square of the field amplitude, which is in accordance with Linear Response Theory (LRT). In addition, the hyperthermia frequency dependence study showed a saturation effect, for some samples, at a frequency higher than 600 kHz. The experimental data as function of frequency were susccessfully curve fitted with the LRT model using 2 free parameters related to the effective relaxation time ( ef ) and the equilibrium susceptibility ( 0). In particular, for theMn-ferrite sample for a field of 130Oe it is found ef = 5, 2 · 10−7s and 0 = 0, 028. The value of ef can be explained using an effective magnetic anisotropy value of 2·105 erg/cm3. The value is one order of magnitude higher than the bulk value, and allowed one to estimate the surface anisotropy contribution to in the order of 0, 04 erg/cm2. On the other hand, a linear chain formation model, for this sample consisted of a trimer (3 nanoparticles), can also explain the increase of the effective anisotropy. Moreover, we found a 0 value lower than the estimated Langevin susceptibility. In order to explain this, a new model, valid in the linear regime, was developed considering the contribution from blocked nanoparticles. Indeed, the analysis of hyperthermia data using this model indicates that the contribution to heat generation spans from 34.7% of the nanoparticles for a field of 110 Oe up to 52.5% at 170 Oe. / Nanopartículas à base de ferrita de Mn, Mn1−xAxFe2O4, dopadas com cobre, magnésio ou cobalto (A = Cu, Mg ou Co) foram sintetizadas pelo método hidrotermal sob pressão, com X variando de 0 até 0, 5. Posteriormente, fluidos magnéticos estáveis em pH fisiológico foram obtidos recobrindo a superfície das nanopartículas com ácidocítrico. A caracterização estrutural por raios-X confirmou a fase cristalina do tipo espinélio. A técnica de espectroscopia de energia dispersiva confirmou o sucesso da síntese de ferrita mista, quanto a sua composição, com um erro de até 10%. Microscopia eletrônica de transmissão revelou formação de nanopartículas esféricas, enquanto medidas de magnetização a temperatura ambiente permitiram uma análise do campo coercitivo (Hc) e da magnetização de saturação (Ms). Ms caiu com aumento de X para amostras dopadas com Cu e Mg, enquanto o oposto foi observado para Co. O Hc cresceu com o aumento de X para todas as amostras. Para as amostras dopadas com Cu e Mg tal efeito é explicado pelo aumento do diâmetro das nanopartículas. No caso das amostras dopadas com Co, o diâmetro caiu com X crescendo, mas Hc aumentou. Neste caso o comportamento do Hc é explicado pela maior contribuição a anisotropia magnética aumentando a proporção de Co na ferrita. A eficiência da hipertermia magnética (EHM) dos fluidos magnéticos, de todas as amostras, foi avaliada numa faixa de amplitude de campo de 50 Oe à 170 Oe para frequências variando entre 110 kHz à 990 kHz. A EHM caiu com X aumentando para H0 = 130 Oe e f = 333 kHz, o que indica, nesta condição experimental, que a ferrita de Mn é a amostra mais eficiente para hipertermia. A maior parte das amostras apresentou um EHM escalando com o quadrado da amplitude de campo magnético, em concordância com o esperado pela Teoria do Regime Linear (TRL). O estudo da EHM em função da frequência (f) revelou que algumas amostras apresentam saturação para f > 600 kHz. Os dados experimentais de hipertermia em função da frequência foram ajustados com sucesso, para todas as amostras, usando apenas 2 parâmetros livres relacionados ao tempo de relaxação efetivo ( ef ) e a susceptibilidade de equilíbrio ( 0). Em particular, para a amostra de ferrita de Mn e H0 = 130 Oe encontramos ef = 5, 2 · 10−7 s e 0 = 0, 028. O valor obtido para ef pode ser explicado para uma anisotropia magnética efetiva com 2 · 105 erg/cm3. Este valor é uma ordem de grandeza maior que o do bulk, e permite estimar uma anisotropia de superfície da ordem de 0, 037 erg/cm2. Por outro lado, a formação de cadeias lineares, contendo 3 partículas, também é capaz de explicar o aumento da anisotropia. O valor encontrado para 0 é menor que aquele estimado para a susceptibilidade de Langevin. Para explicar tal resultado, um novo modelo, válido no regime linear, foi desenvolvido considerando a contribuição de partículas bloqueadas. Neste caso, foi possível estimar, pela análise da EHM em função da frequência, que a fração de partículas contribuindo para a geração de calor sobe de 34, 7% em H0 = 110 Oe para 52, 5% em 170 Oe.

O principal interesse neste estudo foi a proposição de uma nova classe de material que permite a ação combinada da Terapia Fotodinâmica (TFD) e da Hipertermia (HPT), projetadas para trabalhar sinergicamente, que possa levar a uma considerável regressão de tumores neoplásicos após mínimas doses de dissipação de calor e/ou fotossensitização luminosa. Esta nova classe de material se baseia em um lipossoma de longo tempo de circulação associado ao fármaco fotossensibilizador (FS) zinco ftalocianina (ZnPC), na presença de fluido magnético (FM) constituído por nanopartículas de ferrita de cobalto (CoFe2O4) recobertas com ácido cítrico. As propriedades fotofísicas (em meio orgânico e em meio lipossomal) e os estudos fotobiológicos em células da linhagem B-16 foram desenvolvidos para avaliar as propriedades da ZnPC na ausência e na presença de FM. As propriedades fotofísicas da ZnPC em meio orgânico e lipossomal, na ausência e na presença de FM, foram realizadas empregando-se técnicas de espectroscopia no estado estacionário e resolvido no tempo. Foi possível determinar importantes parâmetros que elucidaram o potencial fotodinâmico da partícula mista ZnPC/FM com um apropriado sistema de liberação, confirmando sua viabilidade para aplicação em estudos in vitro e in vivo. A interação de fluidos magnéticos biocompatíveis (FMBs) com a macromolécula biológica, a soro albumina bovina (BSA), foi estudada por meio da determinação da constante de ligação (Kb) e do número de sítios de ligação (n),. Este formalismo aplicado para nanopartículas magnéticas usadas em aplicações biológicas foi realizado pela primeira vez neste rabalho. As toxicidades da ZnPC, do FM e da partícula mista ZnPC/FM, em meio homogêneo e lipossomal, na ausência e na presença de luz e/ou campo magnético, foram estudadas. Na última parte deste trabalho iniciou-se o desenvolvimento de um modelo tumoral subcutâneo na região dorso-lateral de camundongos C57BL6J. Este é considerado o primeiro passo para a transferência dos resultados fotobiológicos no desenvolvimento de um tratamento clínico proposto para a terapia de humanos. Os nossos resultados demonstraram que o complexo ZnPC/FM em meio lipossomal apresenta propriedades fotofísicas e fotobiológicas úteis, ativados pela luz e campo magnético, como uma geração de fármacos atuando sinergicamente pela TFD e pela HPT. / The main goal in this study was to introduce a new material class that allows the combined action of Photodunamic therapy (PDT) and Hyperthermia therapy (HPT), designed to work in a synergetic ways, leading to an expected enhancement of the tumor damage after minimum drug doses and based on heat dissipation and /or light photosensitization. This new material class is a ?stealth? liposome associated with the photosensitizer drug zinc phthalocyanine (ZnPC), in the presence of a magnetic fluid (MF) based on nanoparticles of cobalt-ferrite (CoFe2O4) surface-coated with citric acid. Photophysical properties (in organic and liposomal medium) and photobiological studies in B-16 tumor cell lines were developed to evaluate the properties of the ZnPC in the absence and in the presence of MF. The photophysical properties of the ZnPC in organic and liposomal medium, were realize using spectroscopy techniques in the steady state and by time resolved studies. It was possible to quantify important parameters that elucidated and confirm the photodynamic potential of the ZnPC/MF complex as an appropriate drug delivery system, confirming its viability for application in vitro and in vivo studies. The interaction of the biocompatible magnetic fluids (FMBs) with the biological macromolecule, serum albumin proteins (BSA),was investigated through the determination of the binding constant (Kb) as well as the binding stoichiometry of the complex (n). This is the first time that this formalism was applicable to magnetic nanoparticles used in biological application. The toxicities of the ZnPC, the MF and also for the combined particle (the ZnPC/MF complex), in homogeneous and liposomal medium, in the absence and in the light presence and/or magnetic field were studied, and all the parameters that will allow the used of this synergic compound have been defined. In the last part of this work it was also started the establishment of one animal model by development of subcutaneous tumoral skin cancer in the back-lateral area of C57BL6J mice. This are the first step in the transfer of the photobiological results to the development of a clinical trial proposal for human therapy Our results demonstrated that the ZnPC/MF complex in liposome medium showed useful photophysical and photobiological properties, acting by light activation and AC magnetic field as a new generation of synergic drugs for TFD and cellular HPT.

A ação combinada da Terapia Fotodinâmica (TFD) e da Hipertermia (HPT), projetadas para trabalhar sinergicamente, pode levar a uma considerável regressão de tumores neoplásicos após mínimas doses de dissipação de calor e/ou fotossensitização luminosa. Nesse estudo foi proposto, inicialmente, a formação do complexo de inclusão entre o fármaco fotossensibilizante, ftalocianina de zinco (ZnPc) e a cucurbiturila (CB[7]), de modo a aumentar a solubilidade do fármaco e minimizar sua agregação. Além disso, foi proposto nanoencapsular o complexo em lipossomas, tornando-os bicompatíveis. O complexo de inclusão CB[7]:ZnPc foi preparado pelo método de co-evaporação complementado por liofilização e caracterizado por Ressonância Magnética Nuclear (RMN 1H), Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC) e Difração de Raios-X (XDR). As formulações lipossomais foram preparadas pelo método de hidratação do filme lipídico e caracterizadas com relação ao tamanho das vesículas, potencial Zeta, índice de polidispersão e estabilidade. Nos estudos biológicos, utilizando a linhagem neoplásica B16-F10, foi feita uma comparação entre o complexo livre e encapsulado em lipossoma, a fim de estudar o lipossoma como um veículo de liberação de fármacos. Além desse estudo, foi avaliada a toxicidade do lipossoma contendo o complexo de inclusão e o fluido magnético (CB:ZnPc-MLp) na presença de luz e campo magnético. Esse resultado nos mostra que a aplicação da luz e do campo magnético em conjunto, consegue ser mais eficaz do que os mesmos aplicados separadamente, comprovando o efeito sinérgico. / The combined action of photodynamic therapy (PDT) and hyperthermia (HPT), designed to work synergistically, may lead to a significant regression of neoplasic tumors after minimum doses of heat dissipation and / or light photosensitization. In this study was provided initially, the formation of an inclusion complex between the drug photosensitizer, zinc phthalocyanine (ZnPc) and cucurbit[7]uril (CB [7]) in order to increase the solubility of the drug and minimize aggregation. Furthermore, it was also proposed nanoencapsular liposome complex, making them biocompatible. The inclusion complex CB [7]: ZnPc was prepared by co-evaporation method complemented by lyophilization and characterized by nuclear magnetic resonance (1H-NMR), Differential Scanning Calorimetry (DSC) and X-ray diffraction (XDR). Liposomal formulations were prepared by lipid film hydration and characterized with respect to vesicle size, zeta potential, polydispersity and stability. In the biological studies, using neoplasic cell line B16-F10, a comparison was made between the free complex and the complex encapsulated in liposome in order to study the liposome as a carrier for drug delivery. In this study, we evaluated the toxicity of the liposome containing the inclusion complex and the magnetic fluid (CB: ZnPc-MLP) in the presence of magnetic field and light. This result shows that the application of light and magnetic field in combination are able to be more effective than the same applied separately, demonstrating the synergistic effect.

O uso da elevação da temperatura local como recurso adjuvante no combate ao câncer tem sido explorado intensamente nas últimas décadas. A hipertermia, como é chamada essa elevação de temperatura local, apresenta seu maior potencial clínico quando combinada com a quimioterapia e/ou radioterapia, sendo capaz de promover benefícios terap êuticos significativos. Apesar dos resultados positivos, a hipertermia, até o momento, não se estabeleceu como terapia padrão, devido a limitações no controle da deposição de energia e no monitoramento da distribuição de temperatura em tempo real. Neste trabalho, discutem-se características fundamentais da eficiência da hipertermia no tratamento de tumores cerebrais e de bexiga. O projeto foi todo ele desenvolvido em colaboração com o grupo de hipertermia do Department of Radiation Oncology da Duke University. Com relação à hipertermia aplicada ao cérebro, primeiramente apresenta-se o procedimento de desenvolvimento e teste de eficiência de um mini-aplicador de micro-onda dedicado ao aquecimento do cérebro de camundongos. Após estes, avaliou-se a capacidade de disponibilização termo-estimulada da doxorrubicina a modelos tumorais de glioblastoma. O método utilizado para monitoramento da liberação e distribuição da doxorrubicina foi a microscopia confocal de fluorescência intravital. O estudo do impacto da hipertermia sob a distribuição da formulação de doxorrubicina encapsulada em lipossomos termosensíveis demonstrou que a elevação moderada de temperatura promove alterações significativas na permeabilidade da barreira hematoencefálica, além de promover aumento do acúmulo total de droga e aumento no grau de penetração. Para a hipertermia aplicada à bexiga, apresenta-se um estudo de viabilidade de aquecimento para uma metodologia alternativa ao dispositivo de uso clínico padrão (_Synergo_), denominada magneto-hipertermia. Os ensaios com a magneto-hipertermia apontam que o uso de nanopartículas magnéticas sob influência de um campo magnético alternado (40 kHz) é capaz de elevar a temperatura do lúmen da bexiga a 42_C de forma localizada, não promovendo efeitos significativos de aquecimento a tecidos do entorno. / The use of local heating to achieve adjuvant response in cancer treatment has been widely explored in the last decades. The thermal therapy has a well-known clinical bene_t when combined to chemotherapy and/or radiotherapy. Despite all positive results, the use of thermal therapy has not yet been established as standard treatment, mainly due to the limitation on the control of energy deposition and real-time temperature mapping. This thesis discuss some of the fundamentals of the application of hyperthermia to treat bladder and brain tumors. All experiments were performed in collaboration with the Department of Radiation Oncology of Duke University. As regards brain experiments, we developed and built a microwave antenna dedicated to locally heating the mouse brain. After that, we assessed the ability of thermo release and thermo delivery of doxorubicin to glioblastoma tumor models. Intravital confocal fluorescence microscopy was used to monitor the drug release and distribution into brain tissue as a whole. Our findings indicated that a mild elevation in brain temperature (42_C) modulates the permeability of the blood-brain barrier and promotes an increase on both total drug accumulation and drug penetration. Concerning bladder hyperthermia, we investigated the feasibility of magnetic-hyperthermia as an alternative heating source to the standard clinical device (_Synergo_). The magnetic-hyperthermia results indicate that the amount of heat dissipation by the magnetic nanoparticles, under the influence of alternating magnetic field (40KHz), was able to raise the temperature in the bladder lumen to 42_C and did not promote any significant heating effects on surrounding tissues.

Sabe-se que o aumento na temperatura do tecido tumoral pode aumentar a eficiência de técnicas convencionais de combate ao câncer (radioterapia e quimioterapia). Além disso, a variação de temperatura em tumores pode ser uma forma de tratamento alternativo à cirurgia, feito por meio do fornecimento de calor direcionado às células cancerosas e preservando o tecido sadio. Para maior eficácia e segurança no emprego de técnicas que utilizam fornecimento de calor ao tecido biológico, é necessário o monitoramento da temperatura tecidual para garantir que a morte celular por ablação térmica seja limitada ao tecido alvo, minimizando os danos aos tecidos adjacentes. A imagem fotoacústica é uma técnica baseada no efeito fotoacústico, o qual consiste na absorção de radiação eletromagnética pelo tecido e, devido à expansão termoelástica, na geração de ondas acústicas. A amplitude da onda de pressão gerada pelo efeito fotoacústico possui dependência com a temperatura do meio pelo parâmetro de Grueneisen, que depende das propriedades mecânicas do material. Portanto, mudanças na amplitude do sinal fotoacústico carregam informações a respeito da variação na temperatura do material. Neste trabalho, a dependência da amplitude do sinal fotoacústico com a temperatura foi estudada em um material simulador de tecido biológico (phantom) em condições similares a de tratamentos por hipertermia Nesse caso, imagens fotoacústicas foram adquiridas para cada grau de temperatura em uma faixa de 36 até 41 ºC durante o procedimento de aquecimento por banho térmico. Mudanças na amplitude e fase do sinal fotoacústico foram avaliadas através da aplicação de algoritmos de speckle tracking. Para estimar a variação na amplitude do sinal também foram utilizados e avaliados diferentes métodos de comparação. Os resultados são apresentados por imagens fotoacústicas termais produzidas pela aplicação de um fator de calibração aos mapas de variação relativa da amplitude do sinal em função da temperatura do meio. Finalmente, avaliamos um experimento de hipertemia por ultrassom focalizado de alta intensidade (High Intensity Therapeutic Ultrasound - HITU) em uma amostra de músculo suíno. Nesse caso foram geradas imagens termais fotoacústicas e imagens termais produzidas pela mudança de fase do sinal pulso-eco de ultrassom. Os resultados sugerem uma maneira não invasiva de calcular a distribuição da variação de temperatura do meio que pode ser aplicada para monitoramento durante tratamentos que utilizam o fornecimento de calor ao tecido biológico. / Several studies have shown that elevating the temperature of tumoral tissue improves standard cancer treatments success rate (radiotherapy and chemotherapy). This procedure can also be a therapy to cancer by delivering heat and killing cancer cells while healthy tissues are preserved. For improved efficiency and security in heat applications, it is important to monitor tissue temperature during treatments. Photoacoustic (PA) pressure wave amplitude has a temperature dependence given by the sample mechanical properties (Gruenesein parameter). These changes in photoacoustic signal amplitude carry information about temperature variation in tissue. Therefore, PA has been proposed as an imaging technique to monitor temperature during hyperthermia. In this study, PA images were acquired for temperatures ranging from 36ºC to 41ºC using a tissue-mimicking phantom immersed in a temperature controlled thermal bath. Relative amplitude variation was calculated using speckle tracking algorithms using four different methods to estimate these variations in PA signal amplitude. The results are presented as PA-based thermal images, generated using a calibration factor to the percentage variations in the amplitude maps. Finally, PA-based and ultrasound-based thermal images were acquired during heating by high intensity focused ultrasound (High Intensity Therapeutic Ultrasound - HITU) in a porcine muscle. The results suggest a non-invasive way to monitor temperature during hyperthermia procedures.

O Câncer nas últimas décadas tem se tornado um evidente problema de saúde pública mundial. Os números de novos casos que surgem a cada ano e as altas taxas de mortalidade levam os pesquisadores a procurar formas de conter o avanço dessa doença. A principal forma de tratamento e que possui a maior incidência de cura é o uso de quimioterápicos, que são substâncias químicas utilizadas isoladas ou em combinação, com o objetivo de tratar as neoplasias malignas. Entretanto eles atuam sem especificidade, não destruindo seletivamente e exclusivamente as células tumorais o que causa graves efeitos colaterais aos pacientes. Com o intuito de aumentar a seletividade do tratamento, diminuir a toxicidade e aumentar o poder de cura o presente trabalho utiliza duas abordagens para o combate do câncer, a nanotecnologia (uso de sistemas de liberação de fármacos) e a hipertermia. Foram preparadas, caracterizadas e avaliadas quanto à atividade antitumoral in vitro nanocápsulas contendo o agente quimioterápico selol (composto semi-sintético provindo do óleo de girassol e que possui selênio na sua estrutura) e fluído magnético iônico (composto por nanopartículas magnéticas de maghemita, ?-Fe2O3. Ao total foram preparadas quatro diferentes formulações pelo método de nanoprecipitação descrito por Fessi com algumas modificações. As nanocápsulas apresentaram um tamanho de partícula máximo de 230,5 nm (± 4,5), com índice de polidispersividade < 0,267 (± 0,05) e potencial zeta que variou de -54,4 mV (± 3,4) a -28,6 mV (± 4,3). Foram realizadas análises da morfologia das nanocápsulas através de microscopia eletrônica de transmissão que confirmaram o tamanho nanométrico do sistema preparado. Todas as formulações demonstraram ser estáveis durante o tempo 3 meses quando armazenadas a temperatura de 4oC. Nos estudos celulares foram utilizadas as linhagens B16- F10 (melanoma murino) e OSCC (carcinoma epidermóide de boca humano), sendo que as mesmas mostraram diferentes comportamentos quando incubadas com as formulações em diferentes concentrações. Na linhagem B16-F10 foi observado um maior efeito de morte causado pelo selol (a viabilidade celular chegou a 52,5 % ± 8,4), já quando o campo magnético foi utilizado não foi possível observar um aumento da morte celular. No estudos com a linhagem OSCC, a mesma demonstrou resistência quando foi tratada com selol e na ausência de campo magnético, já quando o campo magnético foi utilizado a viabilidade celular chegou a 33,3% (± 0,3), indicando um forte efeito hipertêmico nesta linhagem. Mais estudos devem ser realizados para entendermos o efeito do sistema preparado perante diferentes linhagens celulares, no entanto podemos confirmar o sucesso no preparo do mesmo e a capacidade de causar morte de diferentes células neoplásicas, o que indica uma importante arma para atuar futuramente no combate do câncer. / In the latest decades, cancer has become a clear public health problem worldwide. The neoplastic diseases increase each year and high mortality rates lead researchers to develop new approaches able to contain the progress of this disease. The main treatment type which has the highest incidence of cure is based on chemotherapeutic agents used alone or in combination. However, they act without specificity and selectively destroying both tumor and normal cells causing serious side effects to patients. In order to enhance the selectivity of the treatment decreasing toxicity and increase the healing power, the present study employs two approaches to treat the cancer, nanotechnology (the use of drug delivery systems) and hyperthermia (magnetic fluid). Nanocapsules containing the chemotherapeutic agent selol (semi-synthetic compound coming from sunflower oil and that has selenium in its structure) and maghemite magnetic nanoparticles (?-Fe2O3) were prepared, characterized, and evaluated in respect with their in vitro antitumor activity. Four different formulations were prepared by the nanoprecipitation method described by Fessi et al. with some modifications. The nanocapsules presented a particle size up to 230.5 nm (±4.5) with polydispersity index of 0.267 (±0.05), and zeta potential ranged from - 54.4 mV (±3.4) to - 28.6 mV (±4.3). The transmission electron microscopy analysis of nanocapsules confirmed the nanometric size system prepared. All formulations proved to be stable during 3 months as stored at 4°C. The cell lines studied were B16-F10 (murine melanoma) and OSCC (oral squamous cell carcinoma). These cell lines showed different behavior after incubation at different formulation concentrations. For cytotoxicty study on B16-F10 cells, it was observed a strong effect caused by Selol (cell viability reached 52.5% ±8.4). On the other hand, there was no cytotoxic effect on B16-F10 cells (p > 0.05) under magnetic field application. OSCC cell line showed a resistance to treatment with selol and in the absence of AC magnetic field. However, after magnetic field activation the cell viability reached 33.3% (±0.3) indicating a strong hyperthermic effect on OSCC cells. Therefore, it has been confirmed nanocapsules containing selol and magnetic fluid are able to destroy B16-F10 or OSCC neoplastic cells indicating an important weapon for future work in the treatment against cancer.