Study and characterization of magnetic nanoparticles and zeolites as carriers of metals

Abstract

Within the frame of this thesis a combined morphological andstructural characterization of two different materials (magneticnanoparticles and zeolites) was performed for potential use for biomedicalapplications.Zeolite is a natural product formulated through geological processesoccurring within millions of years in nature. Zeolites as biocompatiblematerials may be used either for implantation in tissues or as naturalmineral absorbing harmful substances from the body acting as detoxifier.The magnetic nanoparticles, especially iron oxides, due to their size, thecapability of manipulating them by a distance and almost their negligibleside effects in the body, make these nanoparticles highly effective forpotential use in biomedicine.This thesis starts with the description of the techniques which wereused in order to study and characterize those materials (Chapter 1). Then itis divided in two parts. The first part (Chapters 2-4) concerns the study andcharacterization of the magnetic nanoparticles as well as their biomedicineapplications. The second part (Chapter 5) deals with the characterization ofthe natural zeolite (HEU-type) before and after loading with metals (silverand zinc).The outline of the thesis is as follows:Chapter 1 provides an overview of the various techniques which were usedin order to characterize the iron oxide nanoparticles and the zeolites beforeand after being loaded with metals. Chapter 2 (Magnetic Naoparticles: Iron oxide nanoparticles) starts with anoverview about magnetic nanoparticles and focuses particularly on ironoxide nanoparticles. It is of great importance to understand thephysicochemical properties of such magnetic nanoparticles, not onlybecause these properties determine their stability, but also because it is away to understand their behavior, depending on the application which areintended to be used for. Combining all the characterization techniques, wecan obtain different kind of information about the nanoparticles. So, in thissection we will mainly focus on the synthesis and the techniques whichwere used for the characterization of them.In Chapter 3 we will discuss the biomedical applications of thesynthesized iron oxide nanoparticles in aqueous solution, which have beencharacterized in the previous section. The surface of these iron oxidenanoparticles was modified by a biocompatible and biodegradablepolymeric matrix in order to be non-toxic. Scanning transmission electronmicroscopy revealed the encapsulation of magnetic nanoparticles inside thepolymeric matrix and the diameter of the nanovehicles was measured to bebelow 250 nm. Energy dispersive X-ray spectroscopy mapping allowed usto determine the presence of the different material ingredients in aquantitative way. From the release profile we can conclude that thenanoparticles exhibit a biphasic drug release pattern in vitro over 15 days,depending on the molecular weight of the hydrophobic part of the polymermatrix.In Chapter 4 polyhedral magnetic iron oxide nanocrystals with multiplefacets have been embedded in biocompatible and biodegradable polymericmatrices in order to study their structural, magnetic features and alternatingcurrent(AC) magnetic heating efficiency. The encapsulation of iron oxide nanoparticles into a polymer matrix was confirmed by transmission electronmicroscopy and further corroborated with High Angle Annular Dark FieldScanning Transmission Electron Microscopy. Moreover, HAADF-STEMtomography proved that the iron oxide nanocrystals consist of well-definedpolyhedral structures with multiple facets. The magnetic features werefound to be in good agreement with the structural and morphologicalfeatures and are maintained even after encapsulation. Furthermore, themagnetic nanoparticles inside these matrices may be considered as a goodcandidate for biomedical applications in hyperthermia treatments becauseof their high heat capacity exhibited under an alternating magnetic field.The anticancer Taxol drug was encapsulated in these nanoparticles and itsphysical state and release rate at 37 and 42oC was studied.Within the frame of Chapter 5 natural zeolite crystals (of the HEU-type)loaded with Zn and Ag ions were prepared and characterized. Initially theNa homoionic form of the zeolite (heulandite) was prepared, followed byion exchange of Ag- and Zn- ions. The atomic structure of natural HEUtypezeolite and two ion-exchanged variants of the zeolite, Ag+ and Zn2+ ionexchanged HEU-type zeolite, are investigated using low voltage aberrationcorrected transmission electron microscopy (TEM). Using high resolutionimaging at low-dose conditions, the local crystal structure of natural HEUtypezeolite has been characterized for the first time and the interaction ofloaded natural zeolites with Ag and Zn clusters has been studied. Bycombining TEM with scanning electron microscopy and X-ray powderdiffraction the presence and structure of Ag and ZnO clusters and/ornanoparticles inside and partly at the surface of the zeolitic structure of theAg+ and Zn2+ ion exchanged materials, has been confirmed. Directcharacterization of this type of natural zeolites by transmission electronmicroscopy (TEM) is extremely challenging due to the sensitive nature of the materials. However, we show that under extreme low-dose conditions,TEM can be used to image the interaction between (natural) zeoliticframeworks and loaded nanoparticles or clusters in a plethora of sensitivematerials.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβήςπραγματοποιήθηκε μια συνδυασμένη μορφολογική και δομική μελέτη δύοδιαφορετικών υλικών (μαγνητικών νανοσωματιδίων και ζεολίθων) μεαπώτερο σκοπό τη χρήση τους για βιοϊατρικές εφαρμογές.O ζεόλιθος είναι ένα φυσικό προϊόν που δημιουργείται μέσα απόφυσικές διαδικασίες εκατομμυρίων ετών. Οι ζεόλιθοι, ως βιοσυμβατάυλικά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε για εμφύτευση σε ιστούς είτε σανφυσικό συμπλήρωμα μετάλλων απορροφώντας τις ελεύθερες ρίζες καιδεσμεύοντας βαρέα μέταλλα από τον οργανισμό λειτουργώντας ωςαποτοξινωτικό. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια, κυρίως τα οξείδια τουσιδήρου, εξαιτίας του μεγέθους τους, της δυνατότητας διαχείρισης τουςαπό απόσταση και τις σχεδόν μηδενικές παρενέργειες στον οργανισμό τακαθιστούν αποτελεσματικά για την εφαρμογή τους στην βιοϊατρική.Η παρούσα εργασία ξεκινάει με την περιγραφή των τεχνικών πουχρησιμοποιήθηκαν (πρώτο κεφάλαιο) για την μελέτη και τονχαρακτηρισμό αυτών των υλικών. Έπειτα χωρίζεται σε δύο μέρη. Τοπρώτο μέρος αφορά στην μελέτη, τον χαρακτηρισμό και τις βιοϊατρικέςεφαρμογές των μαγνητικών νανοσωματιδίων (κεφάλαια 2-4). Το δεύτερομέρος (κεφάλαιο 5) ασχολείται με τον χαρακτηρισμό του φυσικού ζεολίθου(HEU-type) πριν και μετά την φόρτωση του με μέταλλα (άργυρος καιψευδάργυρος).Συνεπώς η διαμόρφωση αυτής της διατριβής έχει ως εξής: Το πρώτο κεφάλαιο παρέχει μια επισκόπηση των διαφόρων τεχνικών πουχρησιμοποιήθηκαν για τον χαρακτηρισμό των μαγνητικών νανοσωματιδίωνοξειδίου του σιδήρου και του ζεολίθου πριν και μετά την φόρτωση του μεμέταλλα.Το δεύτερο κεφάλαιο (μαγνητικά νανοσωματίδια: νανοσωματίδια οξειδίουτου σιδήρου) ξεκινά με μια αναφορά στα μαγνητικά νανοσωματίδια καιεστιάζει κυρίως σε νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου. Είναι σημαντικήη μελέτη των ιδιοτήτων των μαγνητικών νανοσωματιδίων επειδή είναι έναςτρόπος για να κατανοήσουμε τη συμπεριφορά τους, ανάλογα με τηνεφαρμογή που προορίζονται για να χρησιμοποιηθούν. Συνδυάζοντας όλεςτις τεχνικές χαρακτηρισμού, μπορούμε να ανακτήσουμε διαφορετικό είδοςπληροφοριών σχετικά με τα νανοσωματίδια. Έτσι, αυτή η ενότηταεπικεντρώνεται κυρίως στη σύνθεση και τις τεχνικές πουχρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό των μαγνητικών νανοσωματιδίων.Συνεπώς σε αυτό το κεφάλαιο θα εστιαστούμε στην σύνθεση και στιςτεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τον χαρακτηρισμό τους.Στo τρίτο κεφάλαιο θα συζητηθούν οι βιοϊατρικές εφαρμογές τωνμαγνητικών νασωματιδίων τα οποία έχουν συντεθεί σε υδατικό διάλυμα καιέχουν χαρακτηριστεί στην προηγούμενη ενότητα. Τα μαγνητικάνανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου ενθυλακώθηκαν σε βιοσυμβατή καιβιοδιασπώμενη πολυμερική μήτρα με σκοπό την ελαχιστοποίηση τωναρνητικών παρενεργειών στον οργανισμό. Συγκεκριμένα τα μαγνητικάνανοσωματίδια, ενθυλακωμένα σε πολυμερική μήτρα, χαρακτηρίστηκαν μεηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης, για εν δυνάμει χρήση για τη θεραπείακατά του καρκίνου. Η ενθυλάκωση των μαγνητικών νανοσωματιδίωνεπιβεβαιώθηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία STEM. Η χρήσηφασματογράφου ανάλυσης ενεργειακής διασποράς ακτίνων-X και η EELS χαρτογράφηση, μας έδωσαν τη δυνατότητα να χαρακτηρίσουμε τηνπαρουσία των διαφορετικών στοιχείων. Το μέγεθος των νανοσωματιδίωνδεν ξεπέρασε τα 250 nm. Από το προφίλ αποδέσμευσης μπορούμε νασυμπεράνουμε ότι τα νανοσωματίδια εμφανίζουν ένα διφασικό πρότυποαποδέσμευσης του φαρμάκου in vitro πάνω από 15 ημέρες, εξαρτώμενοαπό τo μοριακό βάρος του υδρόφοβου μέρους της πολυμερικής μήτρας.Το τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται στην ενθυλάκωση μαγνητικώννανοσωματιδίων, με πολυεδρική μορφή, σε βιοσυμβατή καιβιοδιασπώμενη πολυμερική μήτρα με σκοπό των χαρακτηρισμό τωνδομικών και μαγνητικών τους ιδιοτήτων. Η ενθυλάκωση των μαγνητικώννανοσωματιδίων στην πολυμερική μήτρα επιβεβαιώθηκε με τη χρήσηηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης και ηλεκτρονική μικροσκοπίαSTEM. Επίσης η πολυεδρικότητα των νανοσωματιδίων επιβεβαιώθηκε μετη χρήση τομογραφίας στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Οι μαγνητικέςμετρήσεις ήταν ικανοποιητικές και έρχονται σε συμφωνία με τα δομικά καιμορφολογικά τους χαρακτηριστικά, τα οποία διατηρούνται ακόμη και μετάτην ενθυλάκωσή τους. Επιπλέον, τα ενθυλακωμένα σε πολυμερική μήτραμαγνητικά νανοσωματίδια μπορεί να κριθούν κατάλληλα για τη χρήση σεβιοϊατρικές εφαρμογές σε θεραπεία υπερθερμίας λόγω της ιδιότητας τουςνα απορροφούν ενέργεια αντί του να εκλύουν θερμότητα μετά από έκθεσήτους σε εξωτερικό εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Τέλος και τοαντικαρκινικό φάρμακο Taxol ενθυλακώθηκε σε αυτά τα νανοσωματίδιακαι μελετήθηκε η ταχύτητα αποδέσμευσης του φαρμάκου στους 37 και42oC.Στο πέμπτο κεφάλαιο κρύσταλλοι φυσικού ζεόλιθου, τύπου HEU,φορτωμένοι με ιόντα Zn και Ag παρασκευάστηκαν και χαρακτηρίστηκαν.Αρχικά παρασκευάστηκε η ομοϊονική μορφή του ζεολίθου με Na+ ακολουθούμενη από ιοανταλλαγή του Na+ με ιόντa Ag και Zn. H δομή τουφυσικού ζεόλιθου (HEU-τύπου) σε ατομικό επίπεδο καθώς επίσης και οιμέταλλο-μορφές του, μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικήμικροσκοπία διέλευσης διορθωμένης από σφάλματα φακών και χαμηλόεπιταχύνον δυναμικό. Χρησιμοποιώντας απεικόνιση υψηλής διακριτκήςικανότητας σε συνθήκες χαμηλών δόσεων ηλεκτρονίων, η τοπικήκρυσταλλική δομή του φυσικού HEU τύπου ζεολίθου χαρακτηρίστηκε γιαπρώτη φορά και μελετήθηκε η αλληλεπίδραση των φυσικών ζεολίθων μεσυσσωματώματα αργύρου και ψευδαργύρου. Με το συνδυασμό τηςηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης με την ηλεκτρονική μικροσκοπίασάρωσης και την περίθλαση ακτίνων-Χ, επιβεβαιώθηκε η παρουσία του Agκαι Zn στη δομή και εν μέρει στην επιφάνεια του ζεολίθου. Οχαρακτηρισμός των φυσικών ζεολίθων με την ηλεκτρονική μικροσκοπίαδιέλευσης είναι εξαιρετικά δύσκολος, λόγω της ευαισθησίας πουπαρουσιάζουν τα υλικά αυτά κάτω από τη δέσμη των ηλεκτρονίων.Ωστόσο, δείξαμε ότι κάτω από συνθήκες χαμηλών δόσεων ηλεκτρονίων, ηηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τηναπεικόνιση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της δομής των φυσικών ζεολίθωνκαι των φορτωμένων νανοσωματιδίων ή συσσωματωμάτων, σε μιαπληθώρα ευαίσθητων υλικών.