Radiofrequency heating of gold nanoparticles for medical applications
Tid: Fr 2025-01-17 kl 09.30
Plats: H1, Teknikringen 33, Stockholm
Videolänk: https://zoom.us/j/64235189553
Språk: Engelska
Ämnesområde: Elektro- och systemteknik
Respondent: Brage B. Svendsen , Elektromagnetism och fusionsfysik
Opponent: Associate Professor Francesca Apollonio, Sapienza University of Rome,
Handledare: Mariana Dalarsson, Elektromagnetism och fusionsfysik; Martin Norgren, Elektromagnetism och fusionsfysik
Abstract
I denna avhandling studeras elektromagnetisk radiofrekvensuppvärmning av guldnanopartiklar (AuNPs) med hjälp av analytiska och numeriska metoder. Syftet är att etablera metoder för att identifiera modellparametrar för AuNP-medierad radiofrekvensuppvärmning av biologisk vävnad. Dessa undersökningar kan i slutändan användas för att bedöma genomförbarheten av en icke-invasiv metod för cancerterapi genom riktad hypertermi.
Som ett första steg utvecklas en analytisk modell för att studera absorptionen i ett tunt AuNP-behandlat cellsubstrat insatt i en vågledare. Vågledaren med det insatta cellsubstratet modelleras som en kontinuerlig materialkomposit med graderad övergång mellan det AuNP-behandlade lagret och dess omgivning. Exakta analytiska lösningar för fälten, samt för transmissions- och absorptionsparametrar för vågledaren erhålls. Införandet av en skalningsfaktor möjliggör beräkning av absorptionen endast inom det AuNP-behandlade lagret, vilket utesluter förluster i det omgivande materialet. Dispersiva dielektriska modeller, som beskriver de elektromagnetiska egenskaperna hos relevanta vävnader, diskuteras och tillämpas i numeriska exempel. Vågledaren simuleras numeriskt i COMSOL Multiphysics, vilket bekräftar giltigheten av de analytiska resultaten.
De fysikaliska mekanismerna som möjliggör uppvärmning av AuNP genom radiofrekvent strålning är inte helt klarlagda. Denna avhandling studerar två föreslagna mekanismer, och utvärderar under vilka förhållanden de kan uppnå den erforderliga uppvärmningen: elektroforetisk oscillation och Joule-uppvärmning. Studeras med hjälp av elektrostatisk spridningsteori.
Radiofrekvent Joule-uppvärmning är försumbar i sfäriska AuNPs, men anses möjlig i långa nanotrådar. Det är av särskilt intresse att studera hur närvaron av ett tunt dielektriskt skal påverkar uppvärmningskapaciteten i ellipsoida AuNPs. Inom den tänkta medicinska tillämpningen är AuNPs belagda med funktionaliserade ligander för att kunna riktas mot en specifik tumör. Joule-uppvärmningen av belagda AuNPs i vävnad studeras således med avseende på beläggningsegenskaperna för AuNPs av alla sfäroida former på nanoskala. Det dielektriska skalet visar sig starkt påverka den totala AuNP-värmeabsorptionen, och effekten är starkt beroende av beläggningens elektromagnetiska och geometriska egenskaper. De ligander som ska användas i de praktiska tillämpningarna bör därför utvärderas baserat på dessa egenskaper, i tillägg till deras målinriktningsförmåga och biokompatibilitet.
Slutligen undersöks den elektroforetiska uppvärmningen av AuNP suspensioner. I litteraturen har denna mekanism främst utvärderats för sfäriska AuNPs i vattenlösningar. Här studeras den elektroforetiska uppvärmningen för en godtycklig sfäroid form på nanoskala. Uppvärmningen visar sig vara starkast för sfäriska AuNPs som är några nanometer stora och spridda i vatten, men betydande uppvärmning observeras också i nanostavar upp till 40 nm i längd och nanodiskar med diametrar upp till 10 nm. Den elektroforetiska effekten påverkas emellertid starkt av bakgrundslösningen. På grund av den höga viskositeten i vävnader, och i synnerhet i cancervävnader, antyder studien att elektroforetisk uppvärmning av AuNPs är försumbar i dessa medier.