Hyperthermie magnétique - Définition

Introduction

Hyperthermie magnétique est le nom donné à un traitement expérimental du cancer, basé sur le fait que des nanoparticules magnétiques plongées dans un champ magnétique alternatif s'échauffent. Ainsi, si de tels objets sont insérés ou ciblés vers une tumeur, et que l'ensemble du patient est plongé dans un champ magnétique de fréquence et d'amplitude convenablement choisis, la température de la tumeur augmente. Ceci permet d'augmenter l'efficicaté de la chimiothérapie si la température est maintenue autour de 42--43 °C pendant quelques heures. Ce traitement n'est testé sur l'homme qu'en Allemagne, mais de nombreux laboratoires de recherche fondamentale travaillent à l'amélioration de cette technique.

Généralités et définitions

Une caractéristique de la plupart des matériaux magnétiques est de posséder un cycle d'hystérésis. L'aire de ce cycle correspond à une énergie qui est dissipée dans l'environnement du matériau sous forme de chaleur. C'est cette énergie qui est utilisée en hyperthermie magnétique. La puissance dissipée par un matériau magnétique soumis à un champ magnétique alternatif est le plus souvent appelée SAR (pour "Specific Absoption Rate" en anglais) et s'exprime en W/g de nanoparticules. La puissance dissipée par un matériau donnée est donnée par : SAR = Af, où A est l'aire du cycle d'hystérésis et f la fréquence du champ magnétique alternatif. A s'exprime en J/g et est aussi appelé "pertes" du matériau. L'équation ci-dessus est toujours vraie, quelle que soit la difficulté pour déterminer A. En effet, comme il le sera détaillé plus bas, A dépend d'une manière complexe des propriétés du matériau magnétique. Dans le cas de nanoparticules, A dépend de leur anisotropie magnétocristalline K, de leur forme, de leur volume V, de la température T, de la fréquence du champ magnétique alternatif, de son amplitude H_max et des interactions magnétiques entre les nanoparticules.

Mécanismes impliqués dans le retournement de particules monodomaines

Le but de cette partie est de présenter les mécanismes qui doivent être pris en compte pour décrire le retournement de particules monodomaines. On suppose ici que ces nanoparticules possèdent une anisotropie uniaxiale.

Renversement par mouvement brownien

En hyperthermie médicale, les nanoparticules sont dans un fluide, le sang. Dans les expériences in vitro, les nanoparticules sont aussi généralement dispersées dans un liquide et forment ainsi un ferrofluide. Elles peuvent donc se mouvoir et tourner sur-même aléatoirement, un phénomêne appelé mouvement brownien. Quand un champ magnétique est appliqué au ferrofluide, les nanoparticules effectuent une rotation physique afin de s'aligner avec le champ magnétique. Ceci est dû au couple généré par l'interaction entre le champ magnétique et l'aimantation de la particule, comme dans une boussole. Le temps qu'il faut à une nanoparticule pour s'aligner le long d'un faible champ magnétique est donné par le temps de relaxation de Brown : , où η est la viscosité du solvant. Si un champ magnétique alternatif est appliqué au ferrofluide, c'est le retard entre la variation du champ magnétique et la variation de l'aimantation qui conduit à un hystérésis.

Renversement par activation thermique

L'aimantation de la nanoparticule peut changer spontanément de sens sous l'influence de l'agitation thermique, un phénomène appélé superparamagnétisme. Dans ce cas, l'aimantation oscille spontanément entre ses deux positions d'équilibre. Le temps typique entre deux changements d'orientation est donnée par le temps de relaxation de Néel , où τ₀ est un temps d'essai, d'une valeur comprise entre 10^-9 et 10^-10 seconde.

Renversement par la suppression de la barrière énergétique par le champ magnétique

L'aimantation de la nanoparticule peut aussi être retournée par l'application d'un champ magnétique suffisant pour supprimer la barrière d'énergie entre les deux positions d'équilibre. Ce phénomène est décrit par le modèle de Stoner-Wohlfarth.

Combinaison des trois mécanismes

Dans le cas le plus général, le renversement de l'aimantation est dû à une combinaison des trois mécanismes décris ci-dessus. Par exemple, imaginons qu'une particule monodomaine soit dans un liquide à température ambiante et qu'un champ magnétique croissant soit appliqué brusquement, avec un sens opposé à celui de l'aimantation de la nanoparticule : i) la particule va tourner dans le fluide ii) la barrière d'énergie entre les deux positions d'équilibre va décroitre (de plus en plus car le champ est croissant) iii) quand la hauteur de la barrière d'énergie est de l'ordre de grandeur de l'énergie d'agitation thermique, l'aimantation se retourne (si la nanoparticule n'était pas déjà aligné avec le champ à cause de sa rotation physique dans le champ magnétique). Il n'existe pas d'expression analytique décrivant le retournement de l'aimantation et les propriétés du cycle d'hystérésis dans ce cas général.