Σύνθεση και χαρακτηρισμός μαγνητικών νανοσωματιδίων προορισμένων για βιολογικές εφαρμογές

Abstract

Magnetic nanoparticles have been the subject of intense research since the last fifties because of their interesting and unusual properties which are significantly different from their bulk properties and due to their wide technological applications primarily in magnetic recording media and recently in biomedicine. Below a critical size, magnetic NPs exhibit single domain structure and show unique phenomena such as superparamagnetism, spin glass behavior and unusual large coercivities. Magnetic NP’s present sizes of a few nanometers which are comparable to the sizes of proteins, viruses or genes so they are considered to be appropriate candidates for biological applications. They are used in MRI as contrast agents or in magnetic hyperthermia which is considered to be a very promising technique for the treatment of malignant tissues. The main goal of this PhD was to study the effect of the different coating of nanoparticles (different polysaccharides), of the different molecular weight of the coating (dextran), of the different size of the magnetic core and at last the effect of the different surface charge to magnetic hyperthermia. Several ferrofluids were synthesized and subjected to AC magnetic fields in order to study their magnetic hyperthermia efficiency. The sample that showed the best in- vitro behavior was used for in-vivo hyperthermia experiments. These same samples were characterized in the form of powders with Mössbauer, zero field NMR in 57Fe, VSM, SQUID, XRD and HRTEM. To the best of our knowledge this is the first time that T2 measurements in bulk maghemite (γ-Fe2O3) and maghemite nanoparticles are reported. It was shown that the thermal fluctuations in the longitudinal magnetization of the nanoparticles, even at low temperature, may account for the shortening of the T2 relaxation time and that even in single domain particles, there is a transition region between the well ordered core spins and the disordered surface spins in analogy to a domain wall in bulk multi-domain materials At last and as far for magnetic hyperthermia results we present that highly charged coated maghemite nanoparticles presented remarkable absorption of an AC magnetic field at very small quantities (micro-litters) and demonstrate their in vivo efficiency for hyperthermia treatment of small size tumors. The exceptional heating performance of the produced ferrofluid was due to (i) the appropriate size and excellent magnetic properties of the core nanoparticles, and (ii) the high surface charge of the dextran coating that produces homogeneous and stable nanoparticle dispersion, resulting to minimal interparticle interactions, minimum collision rate and maximum energy absorption during heating. A balance between density and charge is the key for an effective and stable ferrofluid at elevated temperatures. To the best of our knowledge the microlitre ferrofluid quantities, used for magnetic heating are the smallest reported in the literature.

Τα μαγνητικά νανοσωματίδια αποτελούν το αντικείμενο έρευνας τα τελευταία χρόνια λόγω των ενδιαφερόντων και μη συνήθων ιδιοτήτων τους, οι οποίες είναι πλήρως διαφορετικές από τα αντίστοιχα bulk υλικά, αλλά και λόγω των τεχνολογικών τους εφαρμογών κυρίως στα μαγνητικά συστήματα εγγραφής και προσφάτως στη βιοτεχνολογία. Κάτω μίας κρίσιμής ακτίνας θεωρούνται σωματίδια μιας μαγνητικής περιοχής και εμφανίζουν φαινόμενα όπως υπερπαραμαγνητισμό, υαλώδη συμπεριφορά ή και ασυνήθη μεγάλα συνεκτικά πεδία. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια αναπτύσσονται σε μεγέθη τα οποία είναι συγκρίσιμα με το μέγεθος ενός ιού, μίας πρωτεΐνης ή ενός γονιδίου και συνεπώς θεωρούνται ως ιδανικοί υποψήφιοι για βιολογικές εφαρμογές. Χρησιμοποιούνται ως σκιαγραφικά στη μαγνητική τομογραφία αλλά και στη μαγνητική υπερθερμία η οποία αποτελεί μία πολλά υποσχόμενη αντικαρκινική θεραπεία. Ο κύριος στόχος της συγκεκριμένης διατριβής ήταν η μελέτη της επίδρασης του διαφορετικού πολυμερούς (πολυσακχαρίτες), του διαφορετικού μοριακού βάρους του πολυσακχαρίτη (δεξτράνη), του διαφορετικού μεγέθους του μαγνητικού κόκκου αλλά και του διαφορετικού επιφανειακού φορτίου στη μαγνητική υπερθερμία. Πληθώρα σιδηρορευστών αναπτύχθηκαν και υποβλήθηκαν σε AC μαγνητικά πεδία με σκοπό τη μελέτη της μαγνητικής υπερθερμικής τους ικανότητας. Το σιδηρορευστό το οποίο παρουσίασε την καλύτερη in-vitro υπερθερμική συμπεριφορά μελετήθηκε και σε in-vivo πειράματα μαγνητικής υπερθερμίας. Τα υλικά υπό μορφή σκόνης χαρακτηρίστηκαν με τεχνικές δομικού και μαγνητικού χαρακτηρισμού και συγκεκριμένα με Mössbauer, NMR μηδενικού εξωτερικού πεδίου στον πυρήνα 57Fe, VSM, SQUID, XRD και HRTEM. Από όσο γνωρίζουμε είναι η πρώτη φορά που παρουσιάζονται μετρήσεις Τ2 στον bulk μαγκεμίτη αλλά και σε νανοσωματίδια μαγκεμίτη. Με βάση τα αποτελέσματα των μετρήσεων υποδεικνύεται πως οι θερμικές διακυμάνσεις της διαμήκους μαγνήτισης, ακόμη και στις χαμηλές θερμοκρασίες, είναι υπεύθυνες για την αποδιέγερση του σήματος Τ2 αλλά και επιπροσθέτως πως στα σωματίδια μιας μαγνητικής περιοχής υπάρχει μία μεταβατική περιοχή μεταξύ των σε τάξη σπιν του μαγνητικού κόρου και των επιφανειακών σε αταξία σπινς σε αναλογία με τα μαγνητικά τοιχώματα ενός bulk υλικού. Όσον αφορά στη μαγνητική υπερθερμία παρουσιάζεται πως, τα υψηλά φορτισμένα και επικαλυμμένα με δεξτράνη σωματίδια μαγκεμίτη εμφανίζουν ισχυρή απορρόφηση από το AC μαγνητικό πεδίο ακόμη και με τη χρήση ποσοτήτων της τάξης του μl αλλά και πως και σε in vivo πειράματα είναι ικανά να αντιμετωπίσουν καρκινικούς γλοιωματικούς όγκους. Το κατάλληλο μέγεθος των σωματιδίων σε συνδυασμό με το αυξημένο επιφανειακό φορτίο της δεξτράνης οδηγούν σε σταθερά κολλοειδή συστήματα, ελάχιστες σωματιδιακές αλληλεπιδράσεις, μειωμένη πιθανότητα κρούσεων και μέγιστη απορρόφηση ενέργειας από το AC πεδίο. Από όσο γνωρίζουμε είναι η πρώτη φορά που αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία θέρμανση σιδηρορευστών με τη χρήση ποσότητας σιδηρορευστού λίγων μόλις μικρόλιτρων.