Μελέτη σύνθεσης και επιφανειακής τροποποίησης μαγνητικών νανοσωματιδίων για βιοϊατρικές εφαρμογές

Abstract

The purpose of this thesis was the synthesis, surface modification and characterization of magnetic nanoparticles (γ-Fe2O3, Fe3O4, MnFe2O4, Fe, FeCo, FePt) which are suitable for biomedical applications. The nanoparticles were prepared by wet chemical routes such as thermolysis, coprecipitation and modified polyol process and their characterization was processed with a plethora of techniques such as XRD, TEM, SEM, Μössbauer spectroscopy, FT-IR, TGA, VSM and SQUID. Specifically, organophilic γ-Fe2O3 and Fe3O4 nanopartcicles with controllable size (2-20 nm) and narrow size distribution, were initially prepared by thermolysis and then transformed into hydrophilic particles, through simple processes in emulsions, in the presence of cationic or anionic surfactant molecules. Such nanoparticles consist of an organophilic and hydrophilic shell and are suitable for the encapsulation of non-water soluble drugs. Second, hydrophilic Fe3O4 nanoparticles were successfully prepared through a one step precipitation method, which they brought on their surface a doubly hydrophilic copolymer which was responsible for their ferrofluid behaviour. However, replacing the copolymer with a biocompatible, synthetic silicate material (Laponite), a composite material was produced (γ-Fe2O3@ laponite) which was suitable for biomedical applications due to its high rate increasement of temperature (SAR = 131 W/g) in magnetic hyperthermia and high relaxation coefficient (r2=64 mM-1s1) in magnetic resonance imaging (MRI). Moreover, amphiphilic γ-Fe2O3, Fe3O4 and MnFe2O4 nanoparticles were also prepared by modified polyol process. Especially in the case of MnFe2O4 nanoparticles, found that exhibit excellent contrast in MRI technique as they reveal a very high coefficient relaxation, r2 reached up to 453 mM-1s1. The synthesis of metallic Fe nanoparticles was also studied by the modified polyol process. The reaction leads to Fe nanoparticles with mean diameter 20 nm, which display a very high value of saturation magnetisation (168 emu/g) that approximates the value of the magnetization for the bulk material by 80%. Finally FeCo and FePt nanoparticles were also synthesized. The FeCo nanoparticles exhibit the highest saturation magnetization, which is 145 emu/g when the size of the particles is about 8 nm and FePt nanoparticles show very high coercivity values (up to 2.8 kOe) due to their large magnetocrystalline anisotropy which are appropriate as T1 contrast agents in MRI.

Ο σκοπός της διατριβής, ήταν η σύνθεση, επιφανειακή τροποποίηση και ο χαρακτηρισμός μαγνητικών νανοσωματιδίων (γ-Fe2O3, Fe3O4, MnFe2O4, Fe, FeCo, FePt) που είναι κατάλληλα για βιοϊατρικές εφαρμογές. Τα νανοσωματίδια παρασκευάστηκαν με μεθόδους υγρής χημείας όπως η θερμόλυση, η συγκαταβύθιση και η μέθοδος της τροποποιημένης πολυόλης ενώ ο χαρακτηρισμός τους έγινα με πληθώρα τεχνικών όπως XRD, TEM, SEM, φασματοσκοπία Μössbauer, FT-IR, TGA, VSM και SQUID. Συγκεκριμένα με τη μέθοδο της θερμόλυσης παρασκευάστηκαν οργανόφιλα νανοσωματίδια γ-Fe2O3 και Fe3O4, με ελεγχόμενο μέγεθος (2-20 nm) και στενή κατανομή μεγέθους και στην συνέχεια μετατράπηκαν σε υδρόφιλα, μέσω απλών διεργασιών σε γαλακτώματα, παρουσία κατιονικών ή ανιονικών επιφανειοδραστικών μορίων. Τέτοια νανοσωματίδια αποτελούνται από ένα οργανόφιλο και ένα υδρόφιλο φλοιό και θεωρούνται κατάλληλα για τον εγκλωβισμό μη-διαλυτών στο νερό φαρμακευτικών ουσιών. Αφετέρου, με την μέθοδο της καταβύθισης παρασκευάστηκαν, σε ένα στάδιο, υδρόφιλα νανοσωματίδια Fe3O4 που φέραν στην επιφάνειά τους ένα διπλά υδρόφιλο συμπολυμερές, λόγω του οποίου εμφανίζουν συμπεριφορά σιδηρορευστού. Αντικαθιστώντας, ωστόσο, το συμπολυμερές με ένα βιοσυμβατό, συνθετικό διαστρωματωμένο πυριτικό υλικό (νανοδισκία λαπονίτη), παρασκευάστηκαν με την ίδια μέθοδο, σύνθετα μαγνητικά υλικά γ-Fe2O3@λαπονίτης, που παρουσιάζουν υψηλό ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας με τιμή SAR=131 W/g και ισχυρό σήμα φωτοαντίθεσης (r2=64 mM-1s1) κάνοντάς τα κατάλληλα για την εφαρμογή τους στην μαγνητική υπερθερμία και στην τομογραφία (MRI). Με τη μέθοδο της τροποποιημένης πολυόλης παρασκευάστηκαν αμφίφιλα νανοσωματίδια γ-Fe2O3, Fe3O4 και MnFe2O4. Ιδιαίτερα στην περίπτωση νανοσωματιδίων MnFe2O4, διαπιστώθηκε ότι αυτά παρουσιάζουν εξαιρετική φωτοαντίθεση στην τεχνική MRI με πολύ υψηλό ρυθμό εφυσηχασμού, r2 που φθάνει τα 453 mM-1s1. Με την ίδια μέθοδο παρασκευάστηκαν και νανοσωματίδια μεταλλικού Fe με μέσο μέγεθος 20 nm, τα οποία εμφανίζουν πολύ υψηλή τιμή μαγνήτισης κορεσμού (168 emu/g) που προσεγγίζει την τιμή της μαγνήτισης για το bulk υλικό κατά 80%. Τέλος, παρασκευάστηκαν και διμεταλλικά κράματα FeCo και FePt. Τα νανοσωματίδια FeCο εμφανίζουν την υψηλότερη τιμή μαγνήτισης κορεσμού, που για μέση διάμετρο σωματιδίων μόλις 8 nm, φτάνει στα 145 emu/g. Αφετέρου, τα νανοσωματίδια FePt εμφανίζουν πολύ υψηλό συνεκτικό πεδίο (2.8 kOe) που οφείλεται στην μεγάλη μαγνητοκρυσταλλική τους ανισοτροπία και αυτά τα σωματίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν Τ1 παράγοντες αντίθεσης.