Les particules ferromagnétiques


 

Les nanoparticules magnétiques sont constituées de particules ferromagnétiques. Les particules sont  divisées en plusieurs régions, appelées domaines.  Chaque domaine possède un grand nombre d’atomes magnétiques qui définissent une direction d’aimantation globale.  Mais d’un domaine à l’autre la direction de l’aimantation varie de façon à ce que l’aimantation de la particule soit globalement nulle. L’aimantation de la particule est définie par l’aimantation résultante de tous les domaines qui composent la particule.

Les domaines sont entourés par une paroi appelé paroi de Block (très énergétique).

figure 1 : représentation d’une nanoparticule ferromagnétique mono domaine ou multi-domaine. Les flèches jaunes indiquent la direction de l’aimantation des différents domaines de la particule.
 

Soumit à un champ magnétique alternatif, le matériau libère de l’énergie thermique grâce aux cycles d’hystérésis.
Mais qu’est-ce que ce terme barbare ?

• A l’état initial,  la particule est « stable »,  l’aimantation de tous les domaines est globalement nulle. En effet la somme des vecteurs de champ des différents domaines s'annulent ou presque.

• En présence d’un champ magnétique alternatif, les propriétés sont bouleversées. La répartition et l’orientation des domaines changent. Les domaines d’aimantation dirigés dans la même direction que celle du champ magnétique grossissent au détriment des autres domaines.  Les parois de Block se déplacent alors jusqu’à ce qu’il ne subsiste plus qu’une particule mono domaine dirigée dans le même sens que le champ appliqué, c’est la saturation magnétique.

•  Puis après avoir atteint une certaine énergie, le champ perd de son intensité et la particule se « désexcite ».  La particule tend alors à retourner à son état initial (multi-domaine). Le déplacement des parois entraîne une libération de chaleur. Rappelons qu’il s’agit d’un champ magnétique alternatif,  le phénomène se répète, on parle alors d’un cycle d’hystérésis.

Figure 2 : Représentation du cycle d’hystérésis d’un matériau ferromagnétique (multi-domaine). Les flèches sur les courbes indiquent le sens du tracé du cycle d’hystérésis lorsque l’amplitude du champ magnétique augmente ou diminue. Les carrés représentent le matériau,  la direction de l’aimantation de chaque domaine est indiquée  par des flèches.  Comme on peut le voir, lorsque l’amplitude du champ magnétique augmente les parois se déplacent et ne subsiste plus que le domaine dirigé dans le même sens que celui du champ magnétique. Puis lorsqu’il diminue, le déplacement des parois entraine la formation de plusieurs domaines.  La « mise au repos » de la particule est à l’origine de la libération d’énergie thermique.

Mesure d'échauffement massique:
 

Les effets sur les cellules tumorales diffèrent selon la température émise:
Lorsqu’elle varie de 41°C à 47°C, on parle d’hyperthermie douce. Les cellules touchées sont fragilisées,  et rendues plus sensibles à l’action de la chimiothérapie et / ou la radiothérapie.
Au-delà de 47°, on parle de thermo-ablation, les tumeurs sont alors détruites. 

Cependant le calcul de l’énergie à fournir est difficile à déterminer puisqu’il dépend de facteur tel que :

• La quantité de nanoparticules ferromagnétiques accumulées sur le site. On considère que 5-10 mg de nanoparticules métalliques par cm3 suffisent pour appliquer cette thérapie à l’homme.

•  L’échauffement dépend également des propriétés magnétiques et de la biocompatibilité du matériau.

Cette mesure est un des paramètres majeur à définir en hyperthermie. Puisque plus l’énergie thermique émise par les nanoparticules est élevées, plus la chaleur libérée dans les tissus tumoraux est élevée. Par conséquent la dose de nanoparticule à injecter sera moindre.
Les nanoparticules magnétiques représentent donc une voie prometteuse en hyperthermie.