Effective pair potentials for spherical nanoparticles

An effective description for spherical nanoparticles in a fluid of point particles is presented. The points inside the nanoparticles and the point particles are assumed to interact via spherically symmetric additive pair potentials, while the distribution of points inside the nanoparticles is taken to be spherically symmetric and smooth. The resulting effective pair interactions between a nanoparticle and a point particle, as well as between two nanoparticles, are then given by spherically symmetric potentials. If overlap between particles is allowed, the effective potential generally has non-analytic points, but for each effective potential the expressions for different overlapping cases can be written in terms of one analytic auxiliary potential. Effective potentials for hollow nanoparticles (appropriate e.g. for buckyballs) are also considered, and shown to be related to those for solid nanoparticles. Finally, explicit expressions are given for the effective potentials derived from basic pair potentials of power law and exponential form, as well as from the commonly used London-Van der Waals, Morse, Buckingham, and Lennard-Jones potential. The applicability of the latter is demonstrated by comparison with an atomic description of nanoparticles with an internal face centered cubic structure.Comment: 27 pages, 12 figures. Unified description of overlapping and nonoverlapping particles added, as well as a comparison with an idealized atomic descriptio

Magnetic Nanoparticles for Power Absorption: optimizing size, shape and magnetic properties

We present a study on the magnetic properties of naked and silica-coated Fe3O4 nanoparticles with sizes between 5 and 110 nm. Their efficiency as heating agents was assessed through specific power absorption (SPA) measurements as a function of particle size and shape. The results show a strong dependence of the SPA with the particle size, with a maximum around 30 nm, as expected for a Neel relaxation mechanism in single-domain particles. The SiO2 shell thickness was found to play an important role in the SPA mechanism by hindering the heat outflow, thus decreasing the heating efficiency. It is concluded that a compromise between good heating efficiency and surface functionality for biomedical purposes can be attained by making the SiO2 functional coating as thin as possible.Comment: 15 pages, 7 figures, 2 table

Quantifizierung von Magnetischen Nanopartikeln für die Tumortherapie

Magnetische Nanopartikel (MNP) werden in der Medizin sowohl in vitro als auch in vivo verwendet.Beim Magnetischen Drug Targeting werden diese Partikel, an die ein Chemotherapeutikum gebunden ist, als Wirkstoffträger genutzt und dienen als Carriersystem, indem sie durch den fokussierten Einsatz externer Magnetfelder nach Applikation in bestimmten Körperkompartimenten angereichert werden können. Diese Therapieform führte im Tiermodell zu kompletten und nebenwirkungsfreien Tumorremissionen. Ziel dieser Studie war es, die Biodistribution der magnetischen Nanopartikel zu erfassen und zu quantifizieren. Bei tumortragenden Kaninchen (VX2-Plattenepithelkarzinom, n=6) erfolgte die intarvenöse bzw. intraarterielle Applikation von Chemotherapeutika-beladenen Nanopartikeln unter simultanem Anlegen und Fokussierung eines externen Magnetfeldes über der Tumorregion. Nach Opferung der Tiere wurden die einzelnen Organstrukturen (Tumor, Leber, Lunge, Milz) asserviert und mit der Methode der Magnetrelaxometrie auf ihren Gehalt an MNP quantifiziert. Hierbei dienten hochempfindliche supraleitende Quanteninterferometer (SQUIDS) als Sensoren, die das Relaxationssignal der Partikel nach kurzer Aufmagnetisierung erfassen. Nach intravenöser Applikation war die Relaxationsamplitude im Tumor mit 0.08pT (piko Tesla) wesentlich kleiner als in der Leber (49pT-58pT), Lunge (1,9pT-3,19pT) und der Milz (2,81pT-5,09pT). Nach intraarterieller Applikation war die Relaxationsamplitude im Tumor signifikant höher als nach intravenöser Applikation. Mit Hilfe der Magnetrelaxometrie ist eine Quantifizierung von magnetischen Nanopartikeln möglich, die für eine spätere Anwendung bei Tumorpatienten gerade im Hinblick auf eine Therapiekontrolle von Bedeutung sein kann.Unterstützt durch: DFG (AL 552/2), Margarete Ammon Stiftung Münche

In vitro Simulation von Magnetischem Drug Targeting mit einem Arterienmodell

Ein Hauptproblem bei der Tumorbehandlung mit Chemotherapeutika stellt das häufige Missverhältnis zwischen erzielter Wirkung und unerwünschten Nebenwirkungen dar. Beim Magnetischen Drug Targeting (MDT) werden Wirkstoffe mit magnetischen Nanopartikeln gezielt an den gewünschten Wirkort transportiert. Dieses System ermöglicht eine deutliche Erhöhung der Wirkstoffkonzentration in der Zielregion gegenüber der regulären Chemotherapie. Der zielgerichtete Transport der Nanopartikel ist von unterschiedlichen Parametern abhängig, wie z.B. dem Magnetfeldgradienten, der physiologischen Umgebung, der Partikelgröße oder der Partikeloberfläche. In einem "in vitro-Gefäßmodell" sollen die Auswirkungen dieser Parameter unter unterschiedlichen Bedingungen untersucht werden. In diesem Gefäßmodell wurden isolierte Rinderarterien mit Albumin substituiertem Puffer durchspült und in unmittelbarer Nähe des Magnetfeldes platziert. Während der Magnetfeldeinwirkung wurden die Nanopartikel in das Flussmedium injiziert und danach die Arterien histologisch und magnetrelaxometrisch untersucht. Die Attrahierbarkeit der Partikel zur Polschuhspitze des Magneten konnte in diesem Arterienmodell visualisiert werden. Auch die unterschiedliche Partikelanreicherung in verschiedenen Gefäßabschnitten ließ sich histologisch nachweisen und mit der Magnetrelaxometrie quantifizieren. Es erfolgte eine Aufnahme der Partikel in die Endothelzellen der Gefäßwand. Partikelmessungen mit dynamischer Lichtstreuung zeigten eine Größenzunahme der Partikel nach der Magnetfeldanwendung. Mit dieser Umlaufapparatur können die Magnetfeldstärke und die Partikelgröße unter konstanten Bedingungen im Vorfeld von Tierversuchen getestet werden, die wichtige Parameter für das MDT sind. Unterstützt durch: DFG, Wilhelm-Sander-Stiftung, Münche