Modelamiento y simulación de la dinámica de magnetización de nanopartículas de magnetita en suspensión, con posibles aplicaciones en hipertermia

Abstract

La hipertermia magnética es un método de terapia oncológica, donde se inyectan nanopartículas en un tumor y después se irradia con un campo magnético alterno, en el caso que nos compete, las nano partículas son de magnetita y lo que se pretende es generar un cambio de temperatura localizado, para asi promover la apoptosis de las células cancerígenas. El Software Comsol Multiphysics nos permitió simular un fluido con nanopartículas en suspensión, de esta forma el campo magnético variante en el tiempo polarizará las nanopartículas de magnetita donde este continuo cambio de dirección del campo magnético generará calor al medio y este a su vez se distribuirá en el tejido infectado. Se contribuye con cifras de dimensión, viscosidad y densidad en el fluido para una posterior síntesis y experimentación. Existen varios modelos matemáticos que sirven para cuantificar la transferencia de calor de las partículas al medio y medir la tasa de absorción especifica (SAR), el propósito de este trabajo investigativo es modelar por medio del Software Comsol propiedades tales como anisotropía, tiempos de relajación, viscosidad del medio, dispersión de partículas en el medio, interacción dipolar entre partículas, tamaño de partículas, Intensidad del campo Magnético, frecuencia, entre otros. Parámetros del ferrofluido como viscosidad del medio, susceptibilidad en equilibrio son términos dependientes de la temperatura donde a su vez varía los tiempo de relajación y finalmente a la transferencia de calor. Todas estas interacciones se cuantificaron buscando optimizar bajo simulaciones. Donde se obtienen valores ideales para una cantidad optima de SAR, en el cual la temperatura del tejido cancerígeno sea constante y no sobrepase los valores determinados para no generar en el tejido una necrosis. Los resultados muestran una fuerte dependencia del tamaño de partícula, es aquí donde se presenta una distribución normal de tamaño de partícula para integrar las diferentes concentraciones de tamaño de partícula en el ferrofluido. De esta forma se logró que el calentamiento sea dependiente de este fundamental parámetro compartiendo como la tasa de calentamiento se ve afectada tanto por concentración como por distribuciones de tamaño. Para el SAR el modelo de diferentes tamaños de partícula muestra como disminuye con respecto al aumento de la temperatura del sistema global, de la misma forma ocurre para el modelo de interacciones dipolares. Este comportamiento nos permite hacer un barrido paramétrico para obtener los valores ideales de frecuencia e intensidad de campo magnético lo cual permite que tanto el ferrofluido como el tejido se encuentra en el rango de temperatura ideales sobre las cuales la hipertermia magnética es más efectiva (Texto tomado de la fuente)

Magnetic hyperthermia is a cancer therapy method in which nanoparticles are injected into a tumor and irradiated with an alternating magnetic field. In this case, the nanoparticles are made of magnetite, and the goal is to generate a localized temperature change to promote apoptosis of cancer cells. Using COMSOL Multiphysics software, we simulated a fluid containing suspended nanoparticles. The time-varying magnetic field will then polarize the magnetite nanoparticles. The continuous change in the magnetic field's direction will generate heat in the medium, which will then be distributed throughout the infected tissue. Figures on the fluid's size, viscosity, and density are provided for subsequent synthesis and experimentation. Several mathematical models quantify heat transfer from the particles to the medium and measure the specific absorption rate (SAR). This research aims to model properties such as anisotropy, relaxation times, medium viscosity, particle dispersion, dipolar interaction, particle size, and magnetic field strength and frequency using Comsol software. Ferrofluid parameters, such as medium viscosity and equilibrium susceptibility, are temperature-dependent and vary relaxation times, ultimately affecting heat transfer. All of these interactions were quantified in an effort to optimize them through simulations. Ideal values were obtained for an optimal SAR in which the temperature of the cancerous tissue remains constant and does not exceed the determined values, thus preventing tissue necrosis.The results demonstrate a strong dependence on particle size. This occurs when a normal particle size distribution is present to integrate the various concentrations of particles in the ferrofluid. Thus, heating depends on this fundamental parameter, demonstrating how the heating rate is affected by concentration and size distributions. For SAR, the model of different particle sizes shows that it decreases as the global system temperature increases, as does the dipolar interaction model. This behavior enables us to perform a parametric sweep to obtain the ideal frequencies and magnetic field intensities for the ferrofluid and tissue, ensuring they remain within the temperature range at which magnetic hyperthermia is most effective.