Materiali Magnetici e Multiferroici - Nanoparticelle magnetiche e applicazioni biomediche

Le nanoparticelle magnetiche (MNP) sono un'importante classe di nanomateriali che trovano un sempre crescente impiego nelle applicazioni biomediche per le grandi potenzialità nel campo della teranostica (combinazione di approcci terapeutici e diagnostici specifici e localizzati). Le nanoparticelle magnetiche vengono utilizzate negli agenti di contrasto della diagnostica per immagini, nella marcatura cellulare, nella manipolazione e separazione per la diagnostica lab-on-chip. Inoltre, sono elementi fondamentali nelle nuove metodologie per il rilascio controllato di farmaci e geni, per numerose terapie oncologiche di frontiera quali ad esempio l'ipertermia magnetica o i trattamenti cellulari magneto-meccanici e, più in generale, sono sfruttabili come attivatori di funzioni cellulari indotte da temperatura o stimoli meccanici per svariati approcci terapeutici.

 

Questa ampia gamma di applicazioni è resa possibile dalle proprietà dei materiali magnetici. In paricolare possono: i) essere guidati e rivelati in modo remoto; ii) modificare le loro proprietà fisiche in risposta a campi magnetici applicati (ad es. presentare variazioni di temperatura, forma, resistività elettrica...). Le nanoparticelle basate sugli ossidi di Fe sono i materiali a tutt'oggi più studiati per le loro proprietà biocompatibili. I nanocompositi multifunzionali e i materiali multifunzionali intrinseci sono altresì di grande interesse per le grandi potenzalità che poterebbero a un ulteriore ampliamento del campo di applicazione.

I materiali magnetici e le tecnologie magnetiche sono anche cruciali per la produzione di campi magnetici utilizzati nelle diverse applicazioni biomediche (ad es. magnetoforesi, imaging, ipertermia, stimolazione magnetica ...) e per la realizzazione di sensori per la salute e la biomedicina.

La nostra ricerca è principalmente indirizzata a

• Nanoparticelle magnetiche per ipertermia magnetica, rilascio controllato di farmaci e altre applicazioni biomedicali
• Realizzazione di materiali e tecnologie magnetiche per sensori e magnetoforesi.

 

Nanoparticelle magnetiche per ipertermia magnetica e approcci multi-terapeutici

 

L'ipertermia magnetica è un promettente approccio terapeutico per il trattamento del cancro volto a indurre localmente la morte delle cellule tumorali, approccio molto promettente per integrare la chemioterapia e la radioterapia. Sfrutta il riscaldamento delle nanoparticelle magnetiche in presenza di campo magnetico alternato (radiofrequenze). La trasformazione dell'energia del campo magnetico in calore avviene attraverso diversi meccanismi e l'efficienza del processo dipende fortemente dalla frequenza e dall'ampiezza del campo esterno, nonché dalle caratteristiche delle particelle e in particolare dalla dimensione, dalla forma e dalle interazioni tra le particelle. L'efficienza ipertermica può quindi essere migliorata regolando e sintonizzando questi parametri, consentendo l'uso di (i) quantità di NP magnetiche inferiori e (ii) campi a frequenze e ampiezze più basse.

 

Highlights

• Interazioni magnetiche e risposta ipertermica delle nanoparticelle di ossido di Fe

L'ipertermia magnetica dipende fortemente dalle dimensioni e dalla forma delle nanoparticelle magnetiche e dalle interazioni tra le particelle. I metodi di preparazione chimica consentono di controllare la forma e le dimensioni (ad esempio mediante aggregazione controllata da nanoparticelle aggregate multicore a singoli cristalli regolari), dalle  proprietà magnetiche delle particelle e dalle interazioni magnetiche tra le particelle. Utilizzando approcci magnetici e microstrutturali avanzati, compresa la microscopia di Lorentz, abbiamo approfondito come le proprietà magnetiche e le interazioni tra nanoparticelle influenzino la risposta ipertermica in nanoparticelle a base di ossidi di Fe (https://doi.org/10.1039/C6CE01252C, https://doi.org/10.1039/C5NR00273G).

Da: https://doi.org/10.1039/C5NR00273G

 

• Nanobolle magnetiche caricate di ossigeno per approcci oncologici multi-terapeutici

Le nanobolle caricate di ossigeno e funzionalizzate con nanoparticelle magnetiche  (MOLBN) sono un nuovo promettente sistema per approcci oncologici multi-terapeutici. Sono ecogeniche e hanno rivelato proprietà ipertermiche e buone capacità di internalizzazione. La loro risposta ipertermica all'esposizione a campi magnetici alle radiofrequenze combinata con il rilascio di ossigeno come radiosensibilizzante per la radioterapia potrebbero essere sfruttate in terapie oncologiche innovative.

 

(A) Immagine TEM di MOLBN; (B) Immagine TEM ad alta risoluzione nel riquadro (A); (C) Immagine TEM ad alta risoluzione (B) che mostra i piani reticolari (311) delle nanoparticelle magnetiche di Fe₃O₄ 

Da https://doi.org/10.3389/fphar.2019.01001

 

 

 

 

 

 

Principali pubblicazioni

1. "Superparamagnetic Oxygen-Loaded Nanobubbles to enhance tumor oxygenation during hyperthermia" - S. Zullino, M.Argenziano, S. Ansari, R. Ciprian, L. Nasi, F. Albertini, R. Cavalli, C. Guiot, Front.  Pharmacol. 10 (2019) 1001. -https://doi.org/10.3389/fphar.2019.01001
2. “Tuning morphology and magnetism of magnetite nanoparticles by calixarene-induced oriented aggregation” - F. Vita, H. Gavilan, F. Rossi, C.D. Fernandez, A. Secchi, A. Arduini, F. Albertini, M.P. Puerto Morales, Crystengcomm 18  (2016) 8591. https://doi.org/10.1039/C6CE01252C
3. "Lorentz microscopy sheds light on the role of dipolar interactions in magnetic hyperthermia”- M. Campanini, R. Ciprian, E. Bedogni, A. Mega,  V. Chiesi, F. Casoli, C. de Julian Fernandez, E. Rotunno, F. Rossi, A. Secchi, F. Bigi, G. Salviati, C. Magen, V. Grillo, F.Albertini “, Nanoscale 7 (2015) 7717. https://doi.org/10.1039/C5NR00273G
4. “Hybrid Polyelectrolyte/Fe₃O₄ Nanocapsules for Hyperthermia Applications” - L. Cristofolini, K. Szczepanowicz, D. Orsi, T. Rimoldi, F. Albertini, P. Warszynski, ACS Applied Materials & Interfaces 8 (2016) 25043. https://doi.org/10.1021/acsami.6b05917
5. “Ni₈₀Fe₂₀ nanodisks by nanosphere lithography for biomedical applications” - P. Tiberto, G. Barrera, F. Celegato, G. Conta, M. Coisson, F. Vinai, F. Albertini, J. Appl. Physics  117   (2015)  17B304 https://doi.org/10.1063/1.4913278

 

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Nanoparticelle magnetoplasmoniche

 

La magneto-plasmonica (MP) è un nuovo soggetto nella Scienza dei Materiali che studia i nuovi fenomeni e le proprietà multifunzionali in materiali che esibiscono simultaneamente fenomeni plasmonici e magnetici. I materiali MP sono tipicamente etero-nanostrutture ibride formate da una componente di composizione metallo nobile che presenta il fenomeno di risonanza plasmonica e un'altra componente magnetica, sia metallo che ossido, con magnetizzazione permanente. Dovuto alla loro natura, sia nanometrica che ibrida, gli effetti di dimensione e d’interfaccia modificano e intrecciano le proprietà magnetiche ed ottiche dando luogo a nuovi fenomeni.

La ricerca della squadra MAGFUN è focalizzata in:

• Sviluppo di strutture MP come multistratti e nanoparticelle tipo core@shell o etero-dimeriche con plasmoni localizzati.
• Ricerca sulle modifiche delle proprietà magnetiche e plasmoniche e la loro correlazione con la morfologia e gli effetti d’interfaccia.
• Studio degli effetti magneto-ottici indotti dai plasmoni ed i fenomeni di spin-plasmonica.
• Strutture MP per applicazioni biomediche e di sensing

 

Highlight

Nanoparticelle con morfologia core@shell e composizione Au@ ossido di ferro e le loro proprietà magnetiche, ottiche e d’ipertermia magnetica

Abbiamo realizzato uno studio delle proprietà strutturali, magnetiche e ottiche delle nanoparticelle MP di composizione Au@ossido di ferro (Fe₂O₃ o Fe₃O₄) e paragonato con le proprietà delle stesse particelle dopo rimuovere l’Au con un attacco chimico. Le strutture MP hanno delle proprietà magnetiche e plasmoniche smorzate. La risonanza plasmonica è smorzata e spostata verso la regione dello spetro infrarosso in paragone alle particelle di solo Au dovuto all’assorbimento ottico della componente ossido. La magnetizzazione della componente magnetica è piccola dovuto al disordine magnetico in essa presente ed alla presenza di FeO, un monossido antiferromagnetico, nella interfaccia fra l’Au e l’ossido di ferro. Se bene le particelle MP esibiscono una bassa magnetizzazione, queste particelle si riscaldano in presenza di radiazione di radiofrequenze(100-400 kHz) potendo essere considerate per la terapia in modalità ipertermiche del cancro. Cosi, questi materiali sono considerati promettenti materiali multifunzionali, esibiscono simultaneamente proprietà plasmoniche, magnetiche d d’ipertermia magnetica, per applicazioni nella biomedicina.

(a) Immagine di Microscopia Elettronica inTrasmissione delle nanoparticelle con morfologia core@shell e composizione Au@ossido di ferro. (b) Confronto tra il ciclo d’isteresi delle nanoparticelle Core@Shell e quello delle particelle d’ossido di ferro (H-CS). Immagine riprodotta con l'autorizzazione della Royal Society of Chemistry

From: 10.1039/c8tc01788c

 

Principali pubblicazioni

1. “Plasmon-enhanced magneto-optical detection of single-molecule magnets” - F. Pineider, E. Pedrueza-Villalmanzo, M. Serri, A. Mekonnen Adamu, E. Smetanina, V. Bonanni, G Campo, L. Poggini, M. Mannini, C.de Julián Fernández, C. Sangregorio, M. Gurioli, A. Dmitriev and R. Sessoli - Materials Horizons 6 (2019) 1148-1155 - Doi:10.1039/c8mh01548a
2. “Addressing the influence of localized plasmon resonance on the magneto-optical properties of cobalt ferrite nanoparticles” -G. Campo, F. Pineider, E. Fantechi, C. Innocenti, A. Caneschi, C. de Julián Fernández - Journal of Nanoscience and Nanotechnology – Special Issue on Spinel Ferrite 19 (2019) 4946–4953 - Doi:10.1166/jnn.2019.16799
3. “Colloidal Au/Iron Oxide Nanocrystal Heterostructures: Magnetic, Plasmonic and Magnetic Hyperthermia Properties” - F. Vita, C. Innocenti, A. Secchi, F. Albertini, V. Grillo, A. Vincenzo, P. D. Cozzoli, C. de Julián Fernández - Journal Materials Chemistry C (2018) 109 - https://doi.org/10.1039/C8TC01788C
4. “Tailoring nanostructured surfaces with plasmonic/magnetic multifunctional response” - A. Serrano, O. Rodríguez de la Fuente, M. García-Hernández, G. Campo, C. de Julián Fernández, J. F. Fernández and M. A. García - Applied Physics Letters, 113, (2018) 101908 -101911- DOI: 10.1063/1.5044697
5. “Modelling and nanoscale characterization of noble/ferromagnetic metal multilayers for enhanced magneto-plasmonic biosensing" - M. G. Manera, G. Pellegrini, P. Lupo, C. de Julián Fernández, F. Casoli, S. Rella, C. Malitesta, F. Albertini, G. Mattei, R. Rella- Sensors & Actuators: B. Chemical 239 (2017) 100–112 - DOI: 10.1016/j.snb.2016.07.128