Ανάπτυξη, χαρακτηρισμός και μελέτη μαγνητικών νανοσωματιδίων για τεχνολογικές και βιοϊατρικές εφαρμογές

Abstract

The last decades nanotechnology, thanks to its broad variety of applications, attracts interest from a large amount of researchers which are coming from different scientific fields. Generally, these applications are divided in two areas: technology and biomedicine. Environmental protection, catalysis, energy storage and production and data storage are included in technological applications, while magnetic targeting for drugs or genes delivery, magnetic resonance imaging and magnetic hyperthermia in biomedical ones. In literature a large amount of publications are related to anticancer applications. The accomplished progresses are quite impressive; however, the difficulty of cancer treatment requires much more efforts. Magnetic hyperthermia is a promising therapy when is applied in combination with conventional therapeutic methods.Main goal of this thesis is to synthesize nanoparticles with predetermined properties, with the appropriate for technological or biomedical applications properties. Therefore, the effect of the synthetic parameters in the crystal structure, the size and the magnetic features are investigated. Particularly, the reaction temperature, the synthetic method and the chemical reagents (precursors, surfactants, solvents, reductive agents) are between the parameters that are researched. Moreover, in biomedical application cytotoxicity is prohibitive and, consequently, the chemical composition of the nanoparticles should ensure biocompatibility, while the toxic nanoparticles should be encapsulated in biocompatible shells. Additionally, non-costly synthetic procedures and reagents are applied, while repeatability is provided, as well. Three different species of nanostructured materials were synthesized: nickel, iron oxide and cobalt nanoparticles. The synthetic procedures, the characterization techniques and their results and the effectiveness of the samples in biomedical applications are thoroughly described inside the thesis. Two different synthetic techniques were used: thermal decomposition and the solvothermal method. Concerning the cobalt nanoparticles a method that leads to the formation of carbon shell in one step is presented. According to literature, this carbon shell provides the aforementioned biocompatibility.X-Ray diffraction, transmission electron microscopy, Raman spectroscopy, fluorescence spectrometry, Fourier transmittance infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis and VSM or SQUID magnetometry were applied for structural and magnetic characterization of the nanoparticles. To quantify the power losses of a nanoparticles system and their thermal ability, magnetic hyperthermia measurements were performed, from where the specific loss power was computed. The results are hopeful for anticancer therapies in future.

Τις τελευταίες δεκαετίες η νανοτεχνολογία συγκεντρώνει, δικαίως, ένα μεγάλο πλήθος ερευνητών από διάφορους κλάδους επιστημών, χάρη στο ευρύτατο πεδίο εφαρμογών της. Αυτές, γενικά, μπορούν να χωριστούν σε δύο κλάδους: τις τεχνολογικές και τις βιοϊατρικές. Ο πρώτος περιλαμβάνει την προστασία του περιβάλλοντος, την κατάλυση, την αποθήκευση και παραγωγή ενέργειας και την αποθήκευση δεδομένων. Οι δεύτερος τη μαγνητική στόχευση για μεταφορά γονιδίων ή φαρμάκων, τη μαγνητική απεικονιστική τομογραφία και τη μαγνητική υπερθερμία. Μεγάλο μέρος των εργασιών που δημοσιεύονται αφορούν εφαρμογές της νανοτεχνολογίας στην καταπολέμηση του καρκίνου. Η πρόοδος που έχει επιτευχθεί είναι εντυπωσιακή, αλλά εξακολουθεί να αποτελεί μια δύσκολα ιάσιμη ασθένεια. Η μαγνητική υπερθερμία είναι μια θεραπεία, η οποία σε συνδυασμό με άλλες συμβατικές θεραπευτικές μεθόδους έχει δείξει ελπιδοφόρα αποτελέσματα. Ο στόχος της παρούσας διατριβής χωρίζεται σε τρεις βασικούς άξονες. Αρχικός στόχος είναι η παρασκευή νανοσωματιδίων με προκαθορισμένες ιδιότητες, που θα έχουν τις κατάλληλες ιδιότητες ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε τεχνολογικές ή βιοϊατρικές εφαρμογές. Ως εκ τούτου, μελετάται η επίδραση των διάφορων συνθετικών παραμέτρων στη δομή, το μέγεθος και τα ιδιαίτερα μαγνητικά χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων. Οι συνθετικές παράμετροι που ερευνώνται είναι η τελική θερμοκρασία της αντίδρασης, η μέθοδος παρασκευής των νανοσωματιδίων καθώς και τα χημικά αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται (πρόδρομη ένωση, αναλογία επιφανειοδραστικών, διαλύτης, αναγωγικοί παράγοντες). Επιπλέον, για να είναι αυτά τα νανοσωματίδια κατάλληλα για βιοϊατρικές εφαρμογές, είναι απαραίτητη η βιοσυμβατότητά τους. Συνεπώς, είτε η σύστασή τους οφείλει να είναι τέτοια ώστε να επιτρέπεται η βιοϊατρική τους εφαρμογή, είτε αν αυτό δε συμβαίνει, πρέπει να καλύπτονται από βιοσυμβατό περίβλημα. Επίσης, μελετώνται μέθοδοι σύνθεσης με χρήση αντιδραστηρίων που το συνολικό τους κόστος είναι χαμηλό, ενώ, ταυτόχρονα, έχουν επαναληψιμότητα. Συνολικά παρασκευάστηκαν τρεις κατηγορίες μαγνητικών νανοσωματιδίων: νικελίου, οξειδίων του σιδήρου και κοβαλτίου. Στο κείμενο της διατριβής περιγράφονται αναλυτικά η σύνθεση των δειγμάτων, οι μέθοδοι και τα αποτελέσματα των τεχνικών χαρακτηρισμού καθώς και η αποτελεσματικότητά τους σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Οι μέθοδοι παρασκευής που χρησιμοποιήθηκαν ήταν δύο: η θερμική διάσπαση και η διαλυτοθερμική μέθοδος. Όσον αφορά στα νανοσωματίδια κοβαλτίου, παρουσιάζεται μία μέθοδος σύνθεσης σε ένα βήμα χάρη στην οποία δημιουργείται φλοιός από άνθρακα γύρω από τα νανοσωματίδια. Ο φλοιός αυτός, σύμφωνα με βιβλιογραφικά δεδομένα, προσφέρει βιοσυμβατότητα. Οι μέθοδοι που εφαρμόστηκαν για τον δομικό και μαγνητικό χαρακτηρισμό των δειγμάτων ήταν η περίθλαση ακτίνων-Χ, η ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης, η φασματοσκοπία Raman, η φασματομετρία φθορισμού, η φασματοσκοπία υπερύθρου, η θερμοβαρυτική ανάλυση και η μαγνητομετρία με VSM ή SQUID. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις μαγνητικής υπερθερμίας με σκοπό τον υπολογισμό του συντελεστή που ποσοτικοποιεί τις απώλειες ισχύος ενός συστήματος σωματιδίων (SLP), με αρκετά ελπιδοφόρα αποτελέσματα για μελλοντική χρήση στην καταπολέμηση του καρκίνου.