Iron oxide colloidal nanomagnets generate heat when subjected to an alternating magnetic field. Their heating power, governed by the mechanisms of magnetic energy dissipation for single-domain particles (Brown and Néel relaxations), is highly sensitive to the crystal size, the material, and the solvent properties. This study was designed to distinguish between the contributions of Néel and Brownian mechanisms to heat generation. Anionic nanocrystals of maghemite and cobalt ferrite, differing by their magnetic anisotropy, were chemically synthesized and dispersed in an aqueous suspension by electrostatic stabilization. The particles were size-sorted by successive electrostatic phase separation steps. Parameters governing the efficiency of nanomagnets as heat mediators were varied independently; these comprised the particle size (from 5 to 16.5 nm), the solvent viscosity, magnetic anisotropy, and the magnetic field frequency and amplitude. The measured specific loss powers (SLPs) were in quantitative agreement with the results of a predictive model taking into account both Néel and Brown loss processes and the whole particle size distribution. By varying the carrier fluid viscosity, we found that Brownian friction within the carrier fluid was the main contributor to the heating power of cobalt ferrite particles. In contrast, Néel internal rotation of the magnetic moment accounted for most of the loss power of maghemite particles. Specific loss powers were varied by 3 orders of magnitude with increasing maghemite crystal size (from 4 to 1650 W/g at 700 kHz and 24.8 kA/m). This comprehensive parametric study provides the groundwork for the use of anionic colloidal nanocrystals to generate magnetically induced hyperthermia in various media, including complex systems and biological materials.

Iron oxide nanocrystals (IONCs) are appealing heat mediator nanoprobes in magnetic-mediated hyperthermia for cancer treatment. Here, specific absorption rate (SAR) values are reported for cube-shaped water-soluble IONCs prepared by a one-pot synthesis approach in a size range between 13 and 40 nm. The SAR values were determined as a function of frequency and magnetic field applied, also spanning technical conditions which are considered biomedically safe for patients. Among the different sizes tested, IONCs with an average diameter of 19 ± 3 nm had significant SAR values in clinical conditions and reached SAR values up to 2452 W/gFe at 520 kHz and 29 kAm–1, which is one of the highest values so far reported for IONCs. In vitro trials carried out on KB cancer cells treated with IONCs of 19 nm have shown efficient hyperthermia performance, with cell mortality of about 50% recorded when an equilibrium temperature of 43 °C was reached after 1 h of treatment.

A new class of superparamagnetic nanoparticles bearing negative surface charges is presented. These anionic nanoparticles show a high affinity for the cell membrane and, as a consequence, are captured by cells with an efficiency three orders of magnitude higher than the widely used dextran-coated iron oxide nanoparticles. The surface coating of anionic particle with albumin strongly reduces the non specific interactions with the plasma membrane as well as the overall cell uptake and at the same time restores the ability to induce specific interactions with targeted cells by the coadsorption on the particle surface of a specific ligand. Kinetics of cellular particle uptake for different cell lines are quantitated using two new complementary assays (Magnetophoresis and Electron Spin Resonance).

Maghemite (gamma-Fe2O3) nanocrystals stable at neutral pH and in isotonic aqueous media were synthesized and encapsulated within large unilamellar vesicles of egg phosphatidylcholine (EPC) and distearoyl-SN-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(poly(ethylene glycol))-2000] (DSPE-PEG(2000), 5 mol %), formed by film hydration coupled with sequential extrusion. The nonentrapped particles were removed by flash gel exclusion chromatography. The magnetic-fluid-loaded liposomes (MFLs) were homogeneous in size (195 +/- 33 hydrodynamic diameters from quasi-elastic light scattering). Iron loading was varied from 35 up to 167 Fe(III)/lipid mol %. Physical and superparamagnetic characteristics of the iron oxide particles were preserved after liposome encapsulation as shown by cryogenic transmission electron microscopy and magnetization curve recording. In biological media, MFLs were highly stable and avoided ferrofluid flocculation while being nontoxic toward the J774 macrophage cell line. Moreover, steric stabilization ensured by PEG-surface-grafting significantly reduced liposome association with the macrophages. The ratios of the transversal (r2) and longitudinal (r1) magnetic resonance (MR) relaxivities of water protons in MFL dispersions (6 < r2/r1 < 18) ranked them among the best T2 contrast agents, the higher iron loading the better the T2 contrast enhancement. Magnetophoresis demonstrated the possible guidance of MFLs by applying a magnetic field gradient. Mouse MR imaging assessed MFLs efficiency as contrast agents in vivo: MR angiography performed 24 h after intravenous injection of the contrast agent provided the first direct evidence of the stealthiness of PEG-ylated magnetic-fluid-loaded liposomes.

In the pursuit of optimized magnetic nanostructures for diagnostic and therapeutic applications, the role of nanoparticle architecture has been poorly investigated. In this study, we demonstrate that the internal collective organization of multi-core iron oxide nanoparticles can modulate their magnetic properties in such a way as to critically enhance their hyperthermic efficiency and their MRI T(1) and T(2) contrast effect. Multi-core nanoparticles composed of maghemite cores were synthesized through a polyol approach, and subsequent electrostatic colloidal sorting was used to fractionate the suspensions by size and hence magnetic properties. We obtained stable suspensions of citrate-stabilized nanostructures ranging from single-core 10 nm nanoparticles to multi-core magnetically cooperative 30 nm nanoparticles. Three-dimensional oriented attachment of primary cores results in enhanced magnetic susceptibility and decreased surface disorder compared to individual cores, while preserving a superparamagnetic-like behavior of the multi-core structures and potentiating thermal losses. Exchange coupling in the multi-core nanoparticles modifies the dynamics of the magnetic moment in such a way that both the longitudinal and transverse NMR relaxivities are also enhanced. Long-term MRI detection of tumor cells and their efficient destruction by magnetic hyperthermia can be achieved thanks to a facile and nontoxic cell uptake of these iron oxide nanostructures. This study proves for the first time that cooperative magnetic behavior within highly crystalline iron oxide superparamagnetic multi-core nanoparticles can improve simultaneously therapeutic and diagnosis effectiveness over existing nanostructures, while preserving biocompatibility.

Magnetic hyperthermia mediated by magnetic nanomaterials is one promising antitumoral nanotherapy, particularly for its ability to remotely destroy deep tumors. More and more new nanomaterials are being developed for this purpose, with improved heat-generating properties in solution. However, although the ultimate target of these treatments is the tumor cell, the heating efficiency, and the underlying mechanisms, are rarely studied in the cellular environment. Here we attempt to fill this gap by making systematic measurements of both hyperthermia and magnetism in controlled cell environments, using a wide range of nanomaterials. In particular, we report a systematic fall in the heating efficiency for nanomaterials associated with tumour cells. Real-time measurements showed that this loss of heat-generating power occurred very rapidly, within a matter of minutes. The fall in heating correlated with the magnetic characterization of the samples, demonstrating a complete inhibition of the Brownian relaxation in cellular conditions.

The long term outcome of nanoparticles in the organism is one of the most important concerns raised by the development of nanotechnology and nanomedicine. Little is known on the way taken by cells to process and degrade nanoparticles over time. In this context, iron oxide superparamagnetic nanoparticles benefit from a privileged status, because they show a very good tolerance profile, allowing their clinical use for MRI diagnosis. It is generally assumed that the specialized metabolism which regulates iron in the organism can also handle iron oxide nanoparticles. However the biotransformation of iron oxide nanoparticles is still not elucidated. Here we propose a multiscale approach to study the fate of nanomagnets in the organism. Ferromagnetic resonance and SQUID magnetization measurements are used to quantify iron oxide nanoparticles and follow the evolution of their magnetic properties. A nanoscale structural analysis by electron microscopy complements the magnetic follow-up of nanoparticles injected to mice. We evidence the biotransformation of superparamagnetic maghemite nanoparticles into poorly-magnetic iron species probably stored into ferritin proteins over a period of three months. A putative mechanism is proposed for the biotransformation of iron-oxide nanoparticles.

Extracellular vesicles (EVs) are recognized as nature's own carriers to transport macromolecules throughout the body. Hijacking this endogenous communication system represents an attractive strategy for advanced drug delivery. However, efficient and reproducible loading of EVs with therapeutic or imaging agents still represents a bottleneck for their use as a drug delivery system. Here, we developed a method for modifying cell-derived EVs through their fusion with liposomes containing both membrane and soluble cargoes. The fusion of EVs with functionalized liposomes was triggered by polyethylene glycol (PEG) to create smart biosynthetic hybrid vectors. This versatile method proved to be efficient to enrich EVs with exogenous lipophilic or hydrophilic compounds, while preserving their intrinsic content and biological properties. Hybrid EVs improved cellular delivery efficiency of a chemotherapeutic compound by a factor of 3–4, as compared to the free drug or the drug-loaded liposome precursor. On one side, this method allows the biocamouflage of liposomes by enriching their lipid bilayer and inner compartment with biogenic molecules. On the other side, the proposed fusion strategy enables efficient EV loading, and the pharmaceutical development of EVs with adaptable activity and drug delivery property.

Magnetic nanoparticles exhibit a high potential to selectively treat cancer by hyperthermia provided that high heating capacity can be reached. In this work, we report an efficient synthesis of novel structures of magnetic iron oxide. The particles, obtained by applying a modified "polyol" protocol, present a particular shape: they look constituted of smaller grains of approximately 11 nm, assembled in a flower-shaped structure. These nanoflowers, dispersed in water at physiological pH, present particularly interesting magnetic properties and a great capacity of heating. The value of the specific loss power (SLP) of these nanoflowers is 1 order of magnitude higher than the SLP reported for conventional 11 nm single-domain maghemite nanoparticles in the same condition of field exposure.