Thesis:

Diseño, fabricación y caracterización de nanodiscos magnéticos para su uso en terapias contra el cáncer

Las nanopartículas magnéticas han despertado un gran interés en el área de la biomedicina debido a su potencial uso en terapias contra el cáncer, reparto de fármacos en ambientes biológicos, manipulación celular y agentes de contraste. Gracias a su fácil manipulación con un campo magnético externo, es posible aplicar torques y procesos de hipertermia, propiedades críticas al momento de ser utilizadas en células cancerígenas para su destrucción. Dentro de las nanopartículas existentes se destacan las de tipo superparamagne-tic iron oxide nanoparticles (SPION), synthetic anti-ferromagnetic (SAF) y del tipo vórtice (vortex), las cuales son el principal enfoque en este trabajo de investigación. Los métodos de patronaje y de deposición varían dependiendo del tipo de nanopartícula a fabricar, abarcando métodos como son los de fotolitografía, na-noimprinting, hole-mask colloidal lithography, evaporación solvotermal, deposición por sputtering o mediante haz de electrones. En el presente trabajo, se fabricaron dos discos ferromagnéticos de Fe (hierro) y Py (permalloy) con estructura magnética tipo vórtice la cual previene la aglomeración de los mismos. Para fabricar estos nanodiscos, se siguió la ruta de patronaje con resina negativa y deposición por haz de electrones. Discos con diámetros de 790[nm] y 260[nm] fueron creados con espesores de 50[nm] y 100[nm] de material respectivamente, dando como resultado un total de ocho muestras. Imágenes SEM (scanning electron microscope) fueron tomadas como soporte para observar la calidad de los nanodiscos. Posteriormente se realizó una caracterización magnética completa la cual fue comparada con modelos de microsimulación magnética. Medidas de VSM (Vibrating Sample Magnetometer) fueron tomadas como película nanoestructurada y tras completar las medidas, los discos fueron liberados en agua dentro de eppendorfs para realizar una segunda caracterización con VSM y comparar los resultados. Tras las mediciones, dos tipos de discos fueron seleccionados por sus mejores propiedades magnéticas, los de menor remanencia y coercitividad para un posterior análisis, los de Fe de 260[nm] de diámetro y 50[nm] de espesor y los de Py de 790[nm] de diámetro y 50[nm] de espesor. La simulación micromagnética fué llevada a cabo con el uso de Mumax, la cual realiza cálculos a partir de elementos _nitos. Las imágenes SEM tomadas anteriormente fueron usadas como matriz para este propósito. Los ocho tipo de discos fabricados fueron simulados y se observó su estado magnético y sus características. Teniendo los resultados experimentales y simulados, se hizo una comparación y análisis de los resultados. Para la observación de la dinámica de los discos en solución acuosa, fué montado un láser con un fotodetector capaz de medir los cambios en intensidad luminosa producido por el movimiento de los discos frente a un campo magnético externo. Se realizaron medidas a discos de Py de 790[nm] de diámetro y 50[nm] de espesor para observar su comportamiento y evolución temporal frente al campo magnético aplicado. Para apoyar estas observaciones, discos de mayor diámetro capaces de ser observados en un microscopio óptico, fueron sometidos bajo un campo magnético para observar su interacción y también bajo MFM para ver el estado vórtice magnético.

Magnetic nanoparticles have generated significant interest in biomedicine due to their potential applications in cancer therapies, drug delivery in biological environments, cell manipulation, and as contrast agents. Their ease of manipulation with an external magnetic field allows for the application of torques and hyperthermia processes, critical properties for their use in destroying cancer cells. Among the existing nanoparticles, superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs), synthetic antiferromagnetic nanoparticles (SAFs), and vortex nanoparticles stand out, and these are the primary focus of this research. Patterning and deposition methods vary depending on the type of nanoparticle being fabricated, encompassing techniques such as photolithography, nanoimprinting, hole-mask colloidal lithography, solvothermal evaporation, sputtering, and electron beam deposition. In this work, two ferromagnetic discs of Fe (iron) and Py (permalloy) with a vortex magnetic structure were fabricated to prevent agglomeration. These nanodiscs were manufactured using a negative resin patterning method followed by electron beam deposition. Discs with diameters of 790 nm and 260 nm were created with thicknesses of 50 nm and 100 nm, respectively, resulting in a total of eight samples. Scanning electron microscopy (SEM) images were acquired to assess the quality of the nanodiscs. A complete magnetic characterization was then performed and compared with magnetic microsimulation models. Vibrating Sample Magnetometer (VSM) measurements were taken of the nanostructured film. After these measurements, the discs were released into water within Eppendorf tubes for a second VSM characterization and comparison of the results. Following the measurements, two types of discs were selected for their superior magnetic properties—those with the lowest remanence and coercivity—for further analysis: Fe discs with a diameter of 260 nm and a thickness of 50 nm, and Py discs with a diameter of 790 nm and a thickness of 50 nm. Micromagnetic simulation was performed using Mumax, which performs calculations based on finite elements. The previously acquired SEM images were used as the matrix for this purpose. The eight types of fabricated discs were simulated, and their magnetic state and characteristics were observed. A comparison and analysis of the experimental and simulated results were then conducted. To observe the dynamics of the discs in aqueous solution, a laser with a photodetector was set up to measure the changes in light intensity produced by the discs' movement in an external magnetic field. Measurements were taken on Py disks 790 nm in diameter and 50 nm thick to observe their behavior and temporal evolution in response to an applied magnetic field. To support these observations, larger diameter disks, observable under an optical microscope, were subjected to a magnetic field to observe their interaction and also to MFM to observe the magnetic vortex state.