Caracterización de Micro y Nanopartículas Magnéticas para Aplicaciones Biomédicas

Caracterización de Micro y Nanopartículas Magnéticas para Aplicaciones Biomédicas 1, 2 , Alejandra Mina1, 2, Nazario Félix1, 2, J.J. Serrano Olmedo1, 2, Francisco del Pozo1, 2 1 Grupo de Bioingeniería y Telemedicina, Centro de Tecnología Biomédica, Universidad Politécnica de Madrid (GBT-CTB-UPM), Madrid, España, 2 Centro de Investigación Biomédica en Red en Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina, Madrid, España. { rgarcia, amina, nfelix, fpozo} @gbt.tfo.upm.es, jjserran@etsit.upm.es * Rubén A. García RESUMEN El uso de Partículas Magnéticas (PMs), ya sea a escala micro o nano, como elementos auxiliares en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades ha despertado un gran interés tanto en la comunidad científica como médica. Sin embargo, actualmente se le dá mayor énfasis a la fabricación de PMs sin considerar la futura aplicación médica. Bajo esta premisa, esta revisión pretende enfatizar la relevancia de un cambio en el sentido evolutivo del empleo de PMs en la biomedicina, esto es, que dependiendo de la aplicación médica se diseñe, fabrique y pruebe la mejor solución en función de la caracterización de propiedades magnéticas de los materiales y respuestas mecánicas, dinámicas, térmicas y temporales de las PMs. En consecuencia, se optimizará el avance en las aplicaciones médicas potenciales. Palabras Clave: Partículas Magnéticas, AGFM, Guiado, Focalización, Relajometría, Hipertermia. ABSTRACT Magnetic Particles (MPs), either at micro or nanoscales, can be used as auxiliary elements for treatment and diagnosis of some diseases. These compounds have achieved great interest in medical and scientific comunity. Nowadays there is more emphasis in the MPs fabrication instead of the future medical application for the same, which is why the present work aims to highlight the relevance of a change in the evolutionary sense of the use of MPs in biomedical applications. We propose that, depending on the specific biomedical application desired; can be designed, manufactured and tested a group of magnetic particles with specific mechanical, thermal, dynamic and temporary responses due to magnetic fields applied. Consequently, advance in potential medical applications will be optimized. Key Words: Magnetic Particles, AGFM, Guidence, Focusing, Relaxometry, Hiperthermia. BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 43 INTRODUCCION La sanitarias que permitan atacar enfermedades Nanotecnología, que como Alzheimer, Mal de Parkinson, Cáncer, representa una nueva frontera entre la etc. tal y como se hace referencia en Alexiou química, física y biología, ha permitido et al. (2004), Aurich et al. (2007), Katz & abordar campos científicos muy diversos. Willner (2004), Kumar et al. (2008), Mornet et Entre éstos, destacaremos dos de nuestro al. (2004), Nasterlack et al. (2008), Niemeyer ineterés: Nanomagnetismo y Nanomedicina. (2001), El primero hace referencia a los fenómenos Safaíková. (2002) y Weitschies et al. (2005). que surgen como producto de aplicar campos Cabe resaltar que el empleo de PMs como magnéticos a PMs, y el segundo potencializa tratamiento alternativo para el cáncer es una las aplicaciones de las mismas y sus de las líneas de mayor auge, tanto en el fenómenos magnéticos asociados en la sentido de la generación de hipertermia como medicina, y en su utilización para la liberación de nanométricas. Cabe hacer un paréntesis para fármacos focalizados, esta técnica se explica ambos a puesto escalas micro -9 Reich et al. (2003), Safaík & diferenciar entre escalas: nano (1x10 ) se detalladamente en Alexiou et al. (2006a, refiere a las PMs en el rango de 1-100 nm 2005, 2003, 2006b), Fukumori & Ichikawa que, (2006) y Gleich et al. (2007). comparando biológicamente son tamaños semejantes al ADN, proteínas y Con los fines expuestos en el párrafo - anterior y otros que pudieran surgir, la 6 ) estarían las PMs en el rango de 1-500 µm tendencia marcada en esta área de la y cuya comparación biológica serían las bioingeniería ha sido la fabricación de células dichas partículas magnéticas de diversos materiales, comparativas biológicas presentes se puede formas y tamaños, para posteriormente intuir la posible aplicabilidad de cada tipo de buscar las aplicaciones médicas que se les partícula en relación al tamaño. pudieran dar. Sin embargo, esto limita virus. Por otro lado, en la escala micro (1x10 en general. Teniendo El hecho de que las partículas que se emplean para aplicaciones biomédicas demasiado la probabilidad de éxito de las partículas magnéticas. Bajo este contexto, tengan propiedades magnéticas responde a una la búsqueda de metodologías poco invasivas respuestas térmicas, dinámicas, mecánicas, de asistencia al diagnóstico y tratamiento de temporales, etc; a la influencia de campos enfermedades; lo cual se sustenta con el magnéticos externos permitirá el diseño y hecho de que los campos magnéticos de fabricación de partículas magnéticas para hasta 7 Teslas son soportados de manera aplicaciones biomédicas especificas. De esta adecuada por el cuerpo humano. Por tanto, manera indagar la obtenida en la caracterización para evaluar el aplicación de campos magnéticos estáticos o comportamiento antes de realizar ensayos alternos clínicos, por ejemplo. soluciones sugiere tecnológicas una vía con abierta a la adecuada se caracterización podrá conjuntar de información investigación y desarrollo de tecnologías BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 las 44 Este trabajo de revisión tiene como Por otro lado, la inducción magnética (B), intensión ofrecer los elementos teóricos que es la respuesta a una intensidad de campo se han identificado como importantes para el magnético (H), y también se conoce como entendimiento de las posibles aplicaciones densidad de flujo magnético. La relación biomédicas de las PMs. Además, pretende entre B y H es una propiedad intrínseca de dar las herramientas para la evaluación de los materiales, y en el espacio libre es propiedades que en conjunto orientan hacia directamente proporcional de acuerdo a B = μ0 H su potencial aplicabilidad, así como resaltar cuatro líneas que ofrecen directrices para la caracterización de PMs y que pueden ser aplicaciones potenciales o coadyuvar con las intenciones de otras metodologías. (2) Donde, µ0 es la permeabilidad magnética en el espacio libre. Sin embargo, dentro de un material la inducción magnética difiere en magnitud y dirección, ya que tiene una relación con la magnetización (M) de acuerdo a Fundamentos del magnetismo En los materiales magnéticos, B = μ0 ( H + M ) los campos magnéticos son producidos por dos (3) Las unidades para B son usualmente causas: 1) los momentos angulares de los Teslas [T] o Gauss [G] y la equivalencia orbitales y 2) el espín de los electrones; que correspondiente es: 1 [T] = 10 [G]. al estar en experimentan continuo fuerzas magnético aplicado. interesante resaltar intensidad de movimiento ante Con 4 El momento campo relacionado esto, resulta producido sobre la estructura atómica del conceptos como la campo, inducción, al Primeramente, la intensidad de campo magnético (H) se puede obtener al relacionar la corriente (I) que circula en un anillo de radio (r), quedando que máximo magnético externo B, y se expresa como m= τ max (4) B Las unidades del momento magnético están dadas en [Am2]. La magnetización M, se define como el total de los momentos magnéticos del I H= 2r de torque material por la influencia de un campo magnético. intensidad está m, un susceptibilidad, permeabilidad y momento La magnético (1) material por unidad de volumen V, de acuerdo a la Ec. (5). Destacando que Ms campo magnético (imanación de saturación) determina el típicamente tiene unidades de Oersted [Oe ] máximo campo magnético que puede ser o su equivalencia en Amperios por metro: 1 generado por un cuerpo completamente [Oe] = 79.59 [ A/m] . magnetizado. BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 45 M= m V (5) tiene una oposición al campo magnético externo. conceptos Por otro lado, si los átomos tienen susceptibilidad electrones desapareados localizados en sus magnética, definida como la relación entre orbitas de giro externas se dice que son magnetización campo elementos paramagnéticos. En éstos, el magnético, expresada por la Ec. (6); y la momento magnético es diferente de cero y permeabilidad está adquieren una magnetización cuando se les la localiza en un campo magnético. Las dos susceptibilidad magnética y queda definida propiedades que definen al paramagnetismo por la Ec. (7) como sigue son: una susceptibilidad magnética positiva, Finalmente, importantes otros son: relacionada e dos la intensidad de magnética, que directamente con que es directamente proporcional al campo M H (6) μ r = (1 + χ ) (7) χ= Asentado lo anterior, a continuación se comentan las propiedades magnéticas de la materia. magnético; y una magnetización nula en la ausencia de un campo magnético. La causa de que estos materiales no presenten una magnetización remanente se debe a que, en un campo magnético, los espines se orientan en la dirección del campo por ser el estado de más baja energía. Sin embargo, en la Propiedades magnéticas de la materia Como se mencionó en la ausencia sección anterior, un electrón puede tener dos tipos de momentos angulares; el momento orbital y el momento de espín, interactuando como cualquier par de dipolos y produciendo un acoplamiento espín-orbital. De las características de este acoplamiento surgen las propiedades magnéticas de los átomos y las moléculas. el trabajo de Saebo (2004) y Gibby (2005); se definir los tipos de materiales magnéticos. En los materiales con electrones apareados en un campo magnético, la agitación térmica fuerza a los espines de vuelta a una orientación aleatoria. Por esta razón, a bajas temperaturas no se observa el paramagnetismo, debido al comportamiento cooperativo entre los espines, que se produce por debajo de una temperatura de transición específica (temperatura de Curie). Por debajo de dicho umbral, el acoplamiento de los espines resulta en uno de los tres tipos Dado lo anterior y complementando con pueden de las capas externas los momentos magnéticos de los electrones son opuestos y el momento total magnético asociado con el par es cero, por lo que el material se considera como diamagnético y BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 diferentes de magnetismo ferromagnetismo, colectivo: ferrimagnetismo y antiferromagnetismo. En los sistemas ferromagnéticos, los espines dirección están del alineados campo en la misma externo. Estos materiales consisten en pequeños dominios magnéticos, en los que todos los espines están alineados en una sola dirección. 46 Adicionalmente, los fuertes acoplamientos de ferromagnéticos, los espines de un cristal los espines persisten después de remover el superparamagnético campo una arbitrariamente hacia cualquier dirección, magnetización permanente. Por el contrario, debido a que la estructura cristalina favorece en un elemento ferrimagnético localizado en algunos un campo, algunos de los espines se alinean denominados ejes fáciles. Estos cristales en dirección al campo (posición S1) y otros están caracterizados por la inestabilidad de la en oposición a este (posición S2), en un magnetización debido a la agitación térmica. estado de alta energía. En estos materiales, Debido a esto, la magnetización es casi la diferencia entre la población de espines en saturada en todo instante, aun en la ausencia los niveles de energía S1 y S2 no es igual, de un campo magnético. Sin embargo, el por lo que existe una magnetización neta. En momento magnético gira de una dirección esta clase de magnetismo al retirar el campo fácil a otra muy rápidamente, lo que cancela externo, el acoplamiento de espines no es la magnetización promediada en el tiempo. externo, resultando en ejes no con pueden respecto apuntar de otros, muy fuerte y la agitación térmica ocasiona que los espines regresen a un estado de Caracterización magnética orientación aleatoria no presentando una Como se expuso arriba, las propiedades magnetización permanente. Si existe una magnéticas de los materiales con los que se población igual de los estados de energía S1 fabrican las PMs tienen especial importancia. y S2 durante la aplicación de un campo Por tanto, resulta indispensable, antes de externo, ofrecer una evaluación sobre las posibles entonces el sistema es antiferromagnético y tampoco existe una aplicaciones magnetización al retirar el campo. caracterización magnética del material de Entre el paramagnetismo ferromagnetismo se y encuentra el el médicas, contar con una fabricación de las mismas. Lo anterior es posible utilizando los superparamagnetismo. Este fenómeno, no magnetómetros. exclusivo de los óxidos férricos, según Corti permiten conocer la respuesta de un material et al. (2008a) y Roch et al. (1999b); están a la magnetización y desmagnetización, es formados dimensiones decir, su ciclo de histéresis; del cual se menores a un dominio magnético por lo que puede extraer información como el momento se magnético, y partiendo de ese punto: la les por cristales considera de monodominio. En la Este tipo de equipos presencia de un campo magnético todos los susceptibilidad, espines tratan de alinearse en dirección a inducción magnética remanente, intensidad éste. A diferencia de lo que sucede en los magnética cohercitiva, etc. materiales paramagnéticos permeabilidad relativa, o BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 47 De los diferentes magnetómetros, quizá la mejor opción en el mercado para El interés por el entendimiento y la la caracterización de propiedades mecánicas, caracterización magnética a escalas nano y dinámicas, térmicas y temporales de las micro sea el Magnetómetro de Gradiente PMs; se fundamenta en la necesidad de Alterno (AGFM). Este equipo permite medir saber a priori, cuales son las respuestas de una serie de parámetros (ver Tabla 1), éstas a la aplicación de campos magnéticos relacionados a las propiedades magnéticas externos, ya sean alternos o estáticos. del material. Además, por sus características Dentro del área de la Biomedicina existen intrínsecas de operación es ideal para algunas aplicaciones con un especial interes trabajar a las escalas mencionadas, gracias a en la caracterización de las PMs debido a su su alta sensibilidad y resolución tanto en la gran medida del momento magnético como en la tratamiento de ciertos padecimientos, como generación del campo magnético alterno. lo potencial para procesos el diagnóstico cancerígenos o y las enfermedades neurodegenerativas. Dentro Tabla 1. Parámetros que pueden ser medidos utilizando el AGFM. Parámetros Medidos Curvas de Curvas de reversa de Magnetización primer orden Magnetización Coercitividad Remanente Ciclos Menores Permeabilidad incial Magnetización de Susceptibilidad Saturación Dia/Paramagnética Magnetización Coercitividad de Remante Isotérmica Remanencia Remanencia de Momento vs Tiempo Magnetización DC Distribución de campos Relación de intercalados perpendicularidad de dichas relevancia aplicaciones hasta el las de momento mayor en la investigación son: el uso de PMs como Agentes de Contraste en Imágenes de RM y la generación de Hipertérmia. Asimismo se han buscado metodologías adecuadas de guiado y focalización de PMs para dichos fines. El conocimiento a fondo de las caracteristícas específicas que deben poseer las PMs para cada una de estas aplicaciones permitirá un mejor diseño y fabricación de las La interface del AGFM entrega al usuario una misma. amplia gama de resultados que pueden ser utilizados y analizados para caracterizar las condiciones PMs, El Guiado y la Focalización no son lo dependiendo del material de fabricación; y en mismo. El primero está relacionado al función a esto será la respuesta de las movimiento mismas campos experimentar las PMs al aplicárseles un magnéticos externos, lo cual incumbe al campo magnético estático o alterno, de tal presente trabajo. manera que adquieran una velocidad y a magnéticas la de aplicación las Guiado y focalización de PMs de y trayectoria que pueden puedan ser manipuladas controlando dicho Caracterización de las partículas magnéticas campo. El segundo sería la capacidad de y aplicaciones biomédicas BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 48 lograr aglomerar una cantidad sustancial de se puede conocer su ubicación exacta en el PMs en un lugar específico con los mismos cuerpo humano utilizando una resonancia tipos de campos magnéticos. Además, la magnética focalización puede ser una consecuencia del magnéticas. Una vez que se encuentran en guiado, es decir, que ambas metodologías el objetivo final se procederá a aplicar convergen. campos magnéticos alternos para suministrar El estado del arte asociado al guiado es aportado principalmente investigaciones sobre por las Magnetoforesis y fármacos gracias o a generar sus propiedades hipertermia, por mencionar algunos ejemplos. Un esquema escueto de representación del objetivo Electroforesis, que son vastas, y como un buscado puede verse en la Fig.1, en la cual buen referente podemos mencionar Parker & se observa en la parte superior un conjunto temas Studders (1962); en este libro se abarcan de PMs y abajo un imán permanente. Dicho imanes imán es utilizado para atraer las PMs y permanentes que forman parte sustancial utilizando las relaciones de distancia entre para los propósitos buscados. Además, en los Barnes et al. (2007); Holligan et al. (2003); comportamiento dinámico y en un futuro el como el diseño de Kalambur et al. (2005); Pankhurst et al. (2003); dos es posible conocer su mecánico. Seliger et al. (2007), se plantea la importancia de la utilización de este tipo de metodologías en aplicaciones biomédicas (oftalmológicas, cancerígenas, entrega de fármacos) siendo además documentos con las bases teóricas necesarias para entender fenómenos físicos y comportamiento de las PMs a la aplicación de campos magnéticos. Aunque no parezca Fig. 1. Utilización de imanes permanentes como fuerza magnética estática para movilizar las PMs. evidente, lograr manipular las PMs puede resolver problemas como la concentración de De manera similiar, la focalización se logra fármacos por empleando geometrías auxiliares al imán ejemplo, el presente de esta aplicación permanente que dibujan diversos patrones biomédicaes de campos magnéticos con los cuales, al en lugares la específicos, utilización el torrente sanguíneo o usar inyecciones focalizadas; interaccionar pero aún así los fármacos no se posicionan colocarlas en puntos específicos. En García et donde se desea o simplemente se concentran en los órganos del cuerpo utilizados para desalojo. Así mismo, se presume que al manipular las PMs, ya sea guiándolas o focalizándolas, BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 con las PMs, es posible al. (2009) se puede comprobar la eficacia de las metodologías seguidas para caracterizar el movimiento, ya sea guiado o focalizado, de las PMs. También se cotejó la fuerte dependencia del movimiento con cuatro variables: 1) la 49 fuerza magnética, 2) la viscosidad del medio, 3) relajación nuclear y permiten diferenciar fabricación similares. el tamaño de las PMs, y 4) el material de de las mismas. Lo anterior concuerda con la teoría asociada a los presentes fenómenos y cuyo comportamiento se rige por υ np = PmV NP χ ∇B 2 12 μ 0πη r tejidos propiedades físico-químicas La eficiencia con la que actua un AC se expresa, según Josephson et al. (1988); en términos de su relajatividad longitudinal y transversal (r1 y r2, respectivamente). Esta (8) medida representa la tasa de relajación por Mol Donde, con es la velocidad de las PMs, Pm es la fraccción de material magnético, VNP el de coloide en mM-1s-1. Asimismo, contribuciones de Guari (2008); Muller et al. (2005); Roch et al. (1999); Rohrer et al. la susceptibilidad del (2005) y Sun et al. (2008), clasifican a los AC la viscosidad del según la relación r2/r1. Si r2/r1<2 el AC es medio en el cual están inmersas, r el radio y positivo o T1-relajante, mientras que si r2/r1>2 B la inducción magnética. Puesto que la el AC es negativo o T2-relajante. Los AC respuesta que tendrán las PMs al campo positivos reducen la tasa de relajación magnético aplicado tiene una dependencia longitudinal causando que el tejido donde se directa con la susceptibilidad magnética del encuentra material de fabricación, da lógica a nuestra Generalmente son compuestos de materiales propuesta de primeramente caracterizar las paramagnéticos de gadolinio, manganeso o propiedades hierro. Por otro lado, los AC negativos volumen total, material magnético, magnéticas del material y porteriormente avaluar aplicabilidad. se muestre hiperintenso. reducen la tasa de relajación transversal. Modifican localmente el campo magnético PMs como agentes de contraste produciendo inhomogeneidades, este efecto Como presentan Aime et al. (2005); ocasiona que el tejido donde se localiza el Coroiu (1999); Corti et al. (2008a, b); AC aparezca hipointenso. Las PMs están Josephson et al. (1988); Taboada et al. dentro de esta categoria. (1998) y Yan et al. (2007); las Imágenes de Resonancia Magnética han relajatividad depende directamente de la convertido en una poderosa herramienta no modificación de las tasas de relajación invasiva en la asistencia al diagnóstico nuclear generada principalmente por las médico debido a su gran resolución en fluctuaciones del acoplamiento magnético contraste y a su radiación no ionizante. El dipolar entre la gran magnetización del contraste en estas imágenes se puede nanocristal y los protones de las moleculas modificar sustancias de agua cercanas a la partícula como se magnéticas llamadas Agentes de Contraste menciona en Brooks et al. (2001), Saebo (AC). Los AC modifican las tasas de (2004) y Gossuin et al. (2009). empleando (IRM) algunas se En los AC basados en PMs, la medida de BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 50 esta que r2 se incrementa cuando el diámetro de fluctuación: uno es la difusión de translación, la partícula es grande como se presenta en que produce una variación de la distancia Lauren et al. (2008). Diversos procesos producen entre la partícula y la molécula de agua. El De lo anterior y como se menciona en otro proceso es la relajación de Néel, Félix (2009), la característica mas importante originada por la rotación del vector de de las PMs cuando se emplean como Agente magnetización del cristal de una dirección de Contraste en Imágenes de RM es su fácil de anisotropía a otra. La relajación de diametro, ya que éste define en gran medida Neel depende de la anisotropía del cristal. la relajatividad y eficacia del AC. Los sistemas con gran energía anisotrópica tienen fluctuaciones limitadas (debido a que PMs como generadores de hipertermia necesitan sobrepasar una barrera de energía mediante campos magnéticos alternos para permitir las fluctuaciones), por lo que la Una de las potenciales aplicaciones en amplitud de las tasas de relajación en campo nanotecnología que se ha venido estudiando, bajo para partículas de óxido férrico con desarrollando, y de la cual se espera una núcleo grande son altas . A menor tamaño amplia aplicación futura, es la hipertermia del núcleo, menor será la diferencia entre los (hyper-exceso, niveles de energía y las fluctuaciones de las campos magnéticos alternos, empleando magnetizaciones más PMs insertadas en muestras tanto celulares rápidas. Como resultado, las partículas más como modelos que las simulen. La respuesta pequeñas generalmente tienen un menor de las PMs al campo magnético provoca efecto en la relajación a bajo campo. En varios campos altos, la magnetización se bloquea suministrarán energía térmica al organismo paralelamente al campo aplicado por lo que estudiado, produciendo sobrecalentamiento los valores de relajación reflejan solamente la en el mismo. Este tipo de técnica es difusión de los protones alrededor de la empleada para la eliminación de tejido partícula. En campos intermedios, los valores canceroso y para la liberación de fármacos. de la relajación reflejarán un promedio En los trabajos realizados por Pankhurst et potenciado de los dos efectos, con el efecto al. (2003); Hergt et al. (1998); Andrä & dominante teniendo una mayor influencia en Nowak (2007); Bae et al. (2006) y Vera et al. el valor obtenido. Dados estos mecanismos (2001) se menciona que la eficiencia de la de relajación, se puede decir que: la hipertermia como tratamiento, si se es magnitud de r1 depende de la magnetización empleada para la eliminación de tejido del AC, la relajación del espín electrónico y el canceroso; se requiere alcanzar un rango de tamaño del cristal o núcleo magnético; y que temperatura de 42-450C con un tiempo de la magnitud r2 refleja la habilidad del AC de exposición de 30 minutos como mínimo. A producir dicha temperatura las propiedes naturales del individuales inhomegeneidades serán magnéticas therme-calor) fenómenos físicos, mediante los cuales locales. En campos altos, r1 decrece mientras BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 51 tejido biológico se pierden, presentándose mayoría de las publicaciones de hipertermia, muerte celular. En el caso de la técnica de y por mecionar algunos trabajos como Goya liberación de farmacos lo indispensable es et al. (2007); Hergt et al. (1998); Hergt & conocer Dutz. las condiciones adecuadas (2007); Jordan et al. (1999); dependientes de la frecuencia e intensidad Rosensweig (2002); Wang et al. (2005) y de campo para llegar a liberar la cantidad Mina A. et. al. (2009), las PMs mayormente deseada de fármaco que se requiere en cada empleadas son caso a estudiar. maghemita ( γ - Fe2 O3 ) , y magnetita La hipertermia es producida por la exitación de las PMs que se encuentran las elaboradas con ( FeO ⋅ Fe2 O3 ) , ya que presentan una embebidas en la muestra, a una determinada buena cantidad de energía, la cual es definida por la humano. Por otro lado, existen algunos magnitud del campo magnético a una cierta estudios que se han llevado a cabo con una frecuencia. amplia variedad de materiales Tanto H como f, son biocompatibilidad con el cuerpo como los dependientes de las propiedades magnéticas publicados por Bae et al. (2006); Hergt et al. de las PMs, y de la viscosidad del medio (2006); Lee et al. (2006); Rosensweig (2002); donde se encuentran inmersas las mismas, Steinke et al. (2007); Wijaya et al. (2007). es decir, del ferrofluido en conjunto. En las Los mecanismos físicos capaces de publicaciones realizadas por Hergt et al. generar calentamiento al emplear campos (2006) y Pankhurst et al. (2003) se hace electromagnéticos alternos y PMs pueden ser referencia a que los valores de frecuencia y clasificados en tres tipos, según el caso de campo magnético aptos para este tipo de estudio; dichos mecanismos son: generación tratamientos deben en el rango de frecuencia de corrientes Foucault, éste se da cuando el aplicada de 0.05-1.2 MHz y una amplitud de tamaño de las partículas insertadas en el campo de 0-15 kAm-1. Mornet et al. (2004), sistema es grande (micrómetros), por lo que señala la importancia de considerar que el es despreciable a niveles nanométricos. Otro producto de H ⋅ f no debe exceder los de los mecanismos son las Pérdidas en el A m −1 s −1 , cuando se trabaja ciclo de histéresis, éste se presenta cuando 4.85X 10 8 con muestras celulares. Las dimensiones de las PMs, generalmente estudiadas en esta área, están por debajo de 500 nm de diámetro. Sin embargo, la tendencia actual es la utilización de PMs superparamagnéticas (con dimensiones que van entre los 10 y 100 nm), dependiendo del material utilizado como se puntea en Bedanta & Kleemann (2009). En la BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 las PMs tienen características ferromagnéticas, y por lo tanto miltidominios magnéticos. El tercer mecanismo, con mayor relevancia en esta área, es el conocido como pérdidas por relajación; éste se da cuando el material magnético es superparamagnético, y a su vez se subdivide en dos fenómenos físicos distintos conocidos como relajación de Brown ( τ B ) y de Néel ( τ N ), como se 52 menciona en Rosensweig (2002). El primero se da cuando la partícula magnética experimenta una rotación física sobre el fluido en el cual se encuentra inmersa; el Donde H 0 y f es la amplitud y la frecuencia del campo magnético respectivamente; μ0 χ0 alterno aplicado, es la susceptibilidad la permeabilidad en el segundo se define como la rotación del magnética y momento cada espacio libre. Lo explicado con anterioridad se expresan de la forma parte de los fundamentos básicos para magnético τB partícula. atómico τN y de el estudio de la hipertermia y tenerlos en siguiente manera. τB = τN = cuenta 3ηVH kT π 2 (9) eΓ Γ τ0 (10) fluido, (11) η es el coeficiente de viscosidad del k (1.38X 10 −23 la constante de VH J/K), 3 revestimiento de la NP, 3 material VM = D /6 investigación futura es imprescindible. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES aplicación de las PMs en el área de Biomedicina, por ejemplo: liberación de fármacos en órganos específicos, tratamiento volumen de algunas enfermedades difíciles de tratar el δ revisión, existen grandes posibilidades de Boltzmann hidrodinámico de la partícula que se expresa como VH = [π ( D + 2δ ) /6] , la Como se ha expuesto en este trabajo de KVM Γ= kT Donde para como el cáncer; o el empleo de éstas como agentes de contraste en imágenes de RM, el grosor del VM el volumen del para partículas con diámetro D, T la temperatura ambiente (298 K), K constante de anisotropía, τ0 es el entre otras. Para el diseño y fabricación de las PMs es necesaria una correcta caracterización de las mismas, tomando en cuenta, tanto el material del núcleo como el recubrimiento para la biofuncionalización. Para lograr lo anterior, además de entender tiempo de relajación promedio en respuesta a correctamente los fenómenos físicos es una fluctuación termal ( τ 0 : 10 indispensable −9 s). El tiempo (12) Al obtener el tiempo de relajación total es posible conocer la energía de disipación en función del campo magnético alterno aplicado, el cual está dado por 2πfτ P = πμ0 χ 0 H 02 f 1 + (2πfτ ) 2 con equipamiento especializado para ayudarse en dicha tarea, de relajación total se expresa como: τ −1 = τ N−1 + τ B−1 contar como puede ser el AGFM. La importancia de lo mencionado radica en que, dependiendo de la aplicación, las características de la PM deberán cumplir con ciertos requisitos mínimos. Las propiedades más importantes en la caracterización de las PMs están (13) BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 relacionadas primero, al material con el que se fabrican, y segundo, a su respuesta a los 53 campos magnéticos estáticos y alternos. La da pauta a destacar la importancia de una respuesta correcta del material a los campos caracterización, la cual está magnéticos, es fundamental para determinar directamente relacionada al tamaño de la PM la composición que se debe emplear en el y el material con que se fabrica. Aunado a lo diseño y fabricación de las PMs para cada anterior, dentro de esta caracterización es una de las diversas aplicaciones. Por otro imprescindible determinar la toxicidad de las lado, el tamaño de la PM determina la PMs, por lo que la biofuncionalización juega respuesta de la aplicación biomédica, en el un papel importante cuando se diseñan y caso de agentes de contraste e hipertermia, fabrican las partículas. la respuesta es inversamente proporcional al Queda mucho trabajo por hacer en tamaño de la misma, debido a que a menor referencia a las aplicaciones de las PMs. La tamaño, se tiene una mejor respuesta a los caracterización adecuada de las propiedades campos aplicados. Caso contrario, en el magnéticas; guiado y focalización, a mayor tamaño, mejor dinámica, temporal y térmica a la aplicación es la respuesta a los campos externos en de campos magnéticos estáticos o alternos concordancia con los objetivos buscados. permitirá un nuevo camino para la evaluación Aunado a lo anterior, la caracterización de también fabricación de PMs, como se ha destacado a tiene discriminación relevancia o validación para de la modelos teóricos que explican el comportamiento de y la aplicaciones respuesta potenciales, mecánica, diseño y lo largo del presente trabajo. El futuro de las diferentes áreas de las NPMs ante la influencia de campos investigación, magnéticos estáticos y alternos. Además, dependerá del trabajo multidisciplinar que permite entender involucrados en micro y nanotecnológicas, los mecanismos sean capaces de ofrecer los diversos grupos las aplicaciones de investigación, debido a que es necesario mencionadas y encontrar los parámetros identificar óptimos que mejor satisfagan los objetivos biofuncionalizacion. Además, es necesario perseguidos, como el caso del calentamiento mejorar las metodologías tanto para el de las células en la hipertermia, o una mejor guiado como para la focalización para focalización para la liberación de fármacos. generar terapias de hipertermia eficientes. diferentes ligandos para la Se concluye que el empleo de la micro y Además será imprescindible el desarrollo de nanotecnología en el área de la biomedicina modelos teóricos que expliquen los diferentes ha de fenomenos asociados a la caracterización y y su validación con datos experimentales. Por diagnóstico de enfermedades. Entre ellas otra parte, una mejor comprensión de los están: la liberación de fármacos, hipertermia, mecanismos involucrados en las diversas agentes de contraste para imágenes de RM, aplicaciones, llevará al desarrollo de mejores guiado, focalización, métodos de fabricación, fármacos, menos invasivos y mas eficaces. impulsado investigación diversas para el líneas tratamiento etc. El hecho de buscar soluciones variadas BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 54 AGRADECIMIENTOS Alexiou C, Schmid R J, Jurgons R, Kremer M, Se agradece al Consejo Nacional de Wanner G, Bergemann C, Huenges E, Ciencia y Tecnología (CONACyT) de México, Nawroth T, Arnold W, & Parak F G a (2006b) Targeting cancer cells: magnetic los Proyectos Nanomag, Españoles y nanoparticles as drug carriers. European particularmente al Dr. Marco Maicas del Biophysics J. with Biophysics Letters, Insituto 35(5): 46-450. de Programa Ciber-bbn, Sitemas MADR.IB-CM, Optoelectrónicos y Microtecnología de la UPM. Andreä W & Nowak H (2007) Magnetism in medicine: a handbook. Wiley- VCH. REFERENCIAS Aurich K, Schwalbe M, Clement J H, Aime S, Botta M, & Terreno E (2005) Gd (III)- Weitschies W & Buske (2007) BASED CONTRAST AGENTS FOR MRI. Polyaspartate Adv in Inorganic Chem. 57: 173-237. nanoparticles for biomedical applications. Alexiou C, Diehl D, Henninger P, Iro H, coated N magnetite J. Magnetism Magnetic Mat. 311(1): 1. Rockelein R, Schmidt W, & Weber H Bae S, Lee S W, Takemura Y, Yamashita E, (2006a) A high field gradient magnet for Kunisaki J, Zurn S & Kim C S (2006) magnetic drug targeting. IEEE Trans. Dependence of frequency and magnetic Applied Supercond. 16(2): 1527 -1530. field on self heating effect of NiFe2O4 Alexiou C, Jurgons R, Parak F G, Weyh T, nanoparticles for hyperthermia. Magnetics Wolf B, & Iro H (2004) Applications of Conference, 2006. INTERMAG nanotechnology in Medicine. 4th IEEE International, 113-113. IEEE Barnes A L, Wassel R A, Mondalek F, Chen Conf on Nanotech, 233 -235. Alexiou C, Jurgons R, Schmid R, Hilpert A, K, Dormer K J, & Kopke R D Magnetic Bergemann C, Parak F, & Iro H (2005). In characterization vitro and in vivo investigations of targeted nanoparticles chemotherapy membranes. Biomagn. Res. Technol. 5:1. with magnetic nanoparticles. J. Magnetism Magnetic C, Jurgons R, S superparamagnetic pulled & through Kleemann W model (2009) Supermagnetism. Journal of physics.D, Mat. 293(1): 389-393. Alexiou Bedanta of Schmid R J, Applied physics, 42(1). ID: 65. Brigger, I., Bergemann C, Henke J, Erhardt W, Dubernet, Huenges E, & Parak F (2003) Magnetic Nanoparticles in cancer therapy and drug targeting - biodistribution of the diagnosis. Adv. Drug Delivery Rev. 54(5): magnetic 631. carrier chemotherapeutic and agent the mitoxantrone C., & Couvreur, P. Brooks R A, Moiny F & Gillis P (2001) On T2- after locoregional cancer treatment. J. shortening Drug Target, 11(3): 139-149. particles: The chemical exchange model BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 by weakly magnetized 55 this article is a US government work and, as such, is in the public domain in the united states of america. Magnetic Resonance Med. 45(6): 1014-1020. como agente de contraste en imágenes de RM. XXVII CASEIB. 300-304. Fukumori Y & Ichikawa H (2006) Nanoparticles for cancer therapy and Coroiu I (1999) Relaxivities of different superparamagnetic particles for diagnosis. Adv. Powder Technology. 17(1): 1. application in nmr tomography. J. of García RA, Macías A, Serrano JJ, del Pozo F Magnetism and Magnetic Mat. 201(1): (2009) Primeras Experiencias en Guiado 449-452. y Focalización de Micro y Nanopartículas Corot C, Robert P, Idée J M & Port M (2006) Recent advances nanocrystal in technology iron for oxide medical Magnéticas con fines Biomédicos. XXVII CASEIB. 167. Gibby W A (2005. Basic principles of imaging. Adv. Drug Delivery Rev., 58(14): magnetic 1471-1504. Neurosurgery clinics of North America. Corti M, Lascialfari A, Marinone M, Masotti A, resonance imaging. 16(1): 1. Micotti E, Orsini F, Ortaggi G, Poletti G, Gleich B, Hellwig N, Bridell H, Jurgons R, Innocenti C & Sangregorio C (2008a) Seliger C, Alexiou C, Wolf B & Weyh T Magnetic and relaxometric properties of (2007) Design and evaluation of magnetic polyethylenimine-coated fields for nanoparticle drug targeting in superparamagnetic mri contrast agents. cancer. IEEE Trans. on Nanotechnology. J. of Magnetism and Magnetic Mat. 6(2): 164-170. 320:e316-e319. Goya G F, Fernandez R, Arruebo M, Corti M, Lascialfari A, Micotti E, Castellano A, Cassinelli N & Ibarra M R (2007) Donativi M, Quarta A, Cozzoli P D, Brownian rotational relaxation and power Manna L, Pellegrino T & Sangregorio C absorption in magnetite nanoparticles. J. (2008b) Magnetic properties of novel of Magnetism and Magnetic Mat. 316(2): superparamagnetic mri contrast agents 132. based on colloidal nanocrystals. J. of Gossuin Y, Gillis P, Hocq A, Vuong QL, Roch Magnetism and Magnetic Mat. 320:e320- A (2009) Magnetic resonance relaxation e323. properties of superparamagnetic Félix N, Serrano J, del Pozo F (2009) particles. Wiley Interdisciplinary Reviews: Discrepancias encontradas al evaluar un Nanomedicine and Nanobiotechnology. modelo teórico con datos experimentales 1(3): 299-310. en la caracterización de nanopartículas BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 56 Guari Y (2008) Cyano-bridged coordination Josephson L, Lewis J, Jacobs P, Hahn P F & polymer nanoparticles with high nuclear Stark D D (1988) The effects of iron relaxivity: toward new contrast agents for oxides MRI. Dalton Trans. 28(28): 3658. Resonance imaging, 6(6): 647-653. on proton relaxivity. Mag. Hatch G P & Stelter R E (2001) Magnetic Kalambur V S, Han B, Hammer B E, Shield T design considerations for devices and W & Bischof J C (2005) In vitro particles used for biological high-gradient characterization of movement, heating magnetic separation (hgms) systems. J. and of Magnetism and Magnetic Mat. 225(1- nanoparticles for biomedical applications. 2): 262-276. Nanotechnology, 16(8): 1221-1233. Hergt R, Andrä W, d'Ambly C G, Hilger I, Katz E visualization & Willner I of magnetic (2004) Integrated Kaiser W A, Richter U & Schmidt H G nanoparticle-biomolecule hybrid systems: (1998) Physical limits of hyperthermia Synthesis, properties, and applications. using magnetite fine particles. Magnetics, Angewandte Chemie, 43(45): 6042. IEEE Trans. 34(5): 3745-3754. Kimmich R & Anoardo E (2004) Field-cycling Hergt R & Dutz S (2007) Magnetic particle nmr relaxometry. Progress in Nuclear hyperthermia – biophysical limitations of a Magnetic Resonance Spectroscopy, 44(3- visionary tumour therapy. J. of Magnetism 4): 257-320. and Magnetic Mat. 311(1): 187-192. Koenig S H & Kellar K E (1995) Theory of Hergt R, Dutz S, Müller R & Zeisberger M 1/t1 and 1/t2 nmrd profiles of solutions of (2006) Magnetic particle hyperthermia: magnetic nanoparticle magnetism and materials Resonance in Med. 34(2): 277-233. development for cancer therapy. J. of Physics. Condensed matter 18(38), S2919. nanoparticles. Koenig S H & Kellar K E (1996) Theory of proton relaxation in solutions of magnetic nanoparticles, Holligan D L, Gillies G T & Dailey J P (2003) Magnetic guidance of ferrofluidic Magnetic including the superparamagnetic size range. Academic Radiology. 3 Suppl 2: s273-s276. nanoparticles in an in vitro model of Kumar R, Prakash K H, Cheang P, Gower L intraocular retinal repair. Nanotechnology, & Khor K A (2008) Chitosan-mediated 14(6): 661-666. crystallization Jordan A, Scholz R, Wust P, Fahling H & Felix R (1999) Magnetic fluid hyperthermia (mfh): Cancer treatment with ac magnetic field induced excitation of biocompatible nanoparticles. J. superparamagnetic of Magnetism and Magnetic Mat., 201: 413. BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 and assembly of hydroxyapatite nanoparticles into hybrid nanostructured films. J of the Royal Society Interface. 5: 427-439. Mina, A, Péramo Ma, Serrano JJ, del Pozo F (2009) Generación de hipertermia mediante campos magnéticos alternos, aplicada en muestras con Nanopartículas 57 magnéticas: fenómenos físicos y primeros resultados. XXVII CASEIB. 166. Mornet S, Vasseur S, Grasset F & Duguet E Reich D H, Tanase M, Hultgren A, Bauer L A (2004) Magnetic nanoparticle design for & Chen S C (2003) Biological applications medical diagnosis and therapy. J. of Mat. of multifunctional magnetic nanowires Chem. 14(14): 2161. (invited). J. of applied Phy. 93(10): 7275. Muller R N, Elst L V, Piérart C, Laurent S, Roch A, Gillis P, Ouakssim A & Muller R N Gillis P, Roch A, Helm L, Merbach A, Toth (1999a) Proton magnetic relaxation in E, Anelli P, Bertini I, Fragai M, Lattuada L, superparamagnetic aqueous colloids: a Luchinat C, Parigi G, Aime S, Botta M & new tool for the investigation of ferrite Terreno E (2005a) Fast field cycling crystal anisotropy. J. of Magnetism and relaxometry: applications to paramagnetic Magnetic Mat. 201(1-3): 77-79. and superparamagnetic systems, field Roch A, Muller R N & Gillis P (1999b) Theory Ccycling NMR relaxometry Rev. of Tech. of Issues and Apps. 6:13-16. superparamagnetic particles. The J. of Muller R N, Elst L V, Roch A, Peters J A, Csajbok E, Gillis P & Gossuin Y (2005b) Relaxation by proton relaxation induced by Chem. Phy. 110: 5403. Rohrer M, Bauer H, Mintorovitch J, Requardt metal-containing M & Weinmann H J (2005) Comparison of nanosystems, Academic Press, of Adv, in magnetic properties of mri contrast media Inorganic Chem. 57: 239-292. solutions Nasterlack M, Zober A & Oberlinner C (2008) Considerations on occupational medical surveillance magnetic Investigative field Radiology. 40(11): 715-724. Rosensweig R E (2002) Heating magnetic nanoparticles. Int Arch Occup Environ fluid with alternating magnetic field. J. of Health. 81(6), 721-726. Magnetism and Magnetic Mat. 252: 370- C M employees strengths. different handling Niemeyer in at (2001) Nanoparticles, 374. proteins, and nucleic acids: Biotechnology Saebo K (2004) Degradation, metabolism meets materials science. Angewandte and relaxation properties of iron oxide Chemie. 40(22): 4128. particles for magnetic resonance imaging. Pankhurst Q A, Connolly J, Jones S K & Dobson J (2003) Applications of magnetic Ph.D. thesis, Uppsala University. 1-94. Safaik I & Safaiková M (2002) Magnetic nanoparticles in biomedicine. Journal of nanoparticles Phy. D-Applied Phy. 36(13). Monatshefte fur Chemie. 133(6): 737. and biosciences. Parker R J & Studders R J (1962) Permanent Magnets and Their Application. John Wiley and Sons, Inc. BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 58 Seliger C, Jurgons R, Wiekhorst F, Eberbeck D, Trahms L, Iro H & Alexiou C (2007) In vitro investigation of the behavior of magnetic field. J. of Magnetism and Magnetic Mat. 293(1): 334. Weitschies W, Kosch O, MÃnnikes H & magnetic particles by a circulating artery Trahms model. J. of Magnetism and Magnetic monitoring: An application of biomagnetic Mat. 311(1), 358-362. measurement L (2005) Magnetic marker instrumentation and Steinke F, Andrä W, Heide R, Werner C & principles for the determination of the Bellemann M E (2007) Rotating magnetic gastrointestinal behavior of magnetically macrospheres as heating mechanism for marked solid dosage forms. Adv. Drug remote controlled drug release. J. of Delivery Rev. 57(8): 1210. Magnetism and Magnetic Mat. 311(1): 216-218. Schifferli K (2007). Magnetic field heating Stöhr J & Siegman H C (2006) Magnetism From Wijaya A, Brown K A, Alper J D & Hamad- Fundamentals to Nanoscale Dynamics. Berlin, Germany: SpringerVerlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K. study of fe-doped au nanoparticles. J. of Magnetism and Magnetic Mat. 309(1): 1519. Yan G P, Robinson L & Hogg P (2007). Magnetic resonance imaging contrast Sun C, Lee J S H & Zhang M (2008) Magnetic nanoparticles in mr imaging and agents: Overview and perspectives. Radiography, 13(Supplement 1), e5-e19. drug delivery. Adv. Drug Delivery Rev. 60(11): 1252-1265. Taboada E, Rodrig E, Roig A, Oró, J, Roch A & Muller R N (1998) Relaxometric and magnetic characterization of ultra small iron oxide nanoparticles with high magnetization. evaluation as potential t1 magnetic resonance imaging contrast agents for molecular imaging. Imaging, 6: 647-651. Vera A, Chong J E, Leija L, Hernández Y & Marchal C (2001) Hipertermia electromagnética, una alternativa para el tratamiento del cáncer: antecedentes, aspectos físicos y biológicos. Rev. Mex. de Ing. Biomed. XII. 21(2): 78-88. Wang X, Gu H & Yang Z (2005) The heating effect of magnetic fluids in an alternating BioTecnología, Año 2010, Vol. 14 No. 2 59