Νανοσωματίδια φερριτών μαγγανίου κατάλληλα ως αντιδραστήρια αντίθεσης στη μαγνητική απεικονιστική τομογραφία και ως φορείς μαγνητικής υπερθερμίας

Abstract

In this thesis is presented the synthesis of monodispersed and covered manganese ferrite magnetic nanoparticles, as well as their organization into secondary structures of magnetic and bi-magnetic nanoclusters in order to be used as contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI) and magnetic hyperthermia carriers. The synthesis of the primary nanoparticles was achieved due to targeted modifications according to the solvothermal method which is simple, reproducible and environmentally friendly. Synthetic parameters such as the precursors, the solvent and the surfactants affected the morphology, the composition, the surface and the magnetic properties of the particles. The resulted manganese ferrite nanoparticles were stoichiometric (MnFe2O4) and non-stoichiometric (MnxFe3-xO4), while their size was ranging from 5 to 9 nm and their magnetization from 53 to 80 emu/g. The surface of the particles of the first series was functionalized to impart hydrophilicity, while the particles of the second series were as-synthesized hydrophilic. The clustering of the primary particles was performed by a microemulsion approach using a commercial polymer and multi-responsive copolymers design by us. The sizes of the nanoclusters were ranging from 30 to 110 nm and their hydrodynamic diameters from 67 to 180 nm. Aiming to combine a hard with a soft magnetic phase, the synthesis of bi-magnetic nanoclusters constituted of manganese and cobalt ferrite nanoparticles was performed and their magnetic properties were evaluated. Structure characteristics were studied by X-Ray diffraction (XRD), X-ray absorption fine structure (XAFS), transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scattering (DLS). The composition was examined by inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) and scanning electron microscope (SEM/EDS). The organic coatings were testified and quantified by Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) and thermogravimetric analysis (TGA), respectively. The magnetic properties were measured by superconducting quantum interference device (SQUID), vibrating-sample magnetometer (VSM) and electron paramagnetic resonance (EPR). The transverse relaxivity (r2) was determined by nuclear magnetic resonance (NMR) and clinical tomography (MRI), while the evaluation of the specific loss power (SLP) was conducted using a water-cooled induction coil. In conclusion, both monodispersed nanoparticles and nanoclusters present the appropriate features for diagnostic and therapeutic bioapplications.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται η σύνθεση μονοδιασπαρμένων και επικαλυμμένων μαγνητικών νανοσωματιδίων φερριτών μαγγανίου (MnFe2O4) καθώς και η οργάνωσή τους σε δευτερογενείς δομές μαγνητικών και δι-μαγνητικών νανοσυστάδων με τελικό σκοπό τη χρήση τους ως παράγοντες αντίθεσης στη μαγνητική τομογραφία και ως φορείς μαγνητικής υπερθερμίας. Η σύνθεση των πρωτογενών νανοσωματιδίων έγινε μέσω μιας σειράς στοχευμένων τροποποιήσεων σύμφωνα με τη διαλυτοθερμική μέθοδο, η οποία χαρακτηρίζεται από επαναληψιμότητα και φιλικότητα προς το περιβάλλον χωρίς πολύπλοκες πειραματικές διατάξεις. Παράμετροι όπως οι πρόδρομες ενώσεις, ο διαλύτης και το επιφανειοδραστικό επηρέασαν τη μορφολογία, τη σύσταση, την επιφάνεια και τις μαγνητικές ιδιότητες των σωματιδίων. Προέκυψαν στοιχειομετρικοί φερρίτες μαγγανίου (MnFe2O4) και μη στοιχειομετρικοί (MnxFe3-xO4) με μεγέθη που κυμαίνονται από 5 μέχρι 9 nm και μαγνητίσεις από 53 μέχρι 80 emu/g. Η επιφάνεια των υδρόφοβων νανοσωματιδίων της πρώτης σειράς τροποποιήθηκε κατάλληλα ώστε αυτά να διασπείρονται σε υδατικό μέσο, ενώ από τη δεύτερη σειρά προέκυψαν υδρόφιλα νανοσωματίδια. Ο σχηματισμός των μαγνητικών νανοσυστάδων έγινε με βάση τη μέθοδο των μικρογαλακτωμάτων χρησιμοποιώντας εμπορικά πολυμερή καθώς και ειδικά παρασκευασμένα, όπως αμφίφιλα και θερμοευαίσθητα συμπολυμερή. Τα μεγέθη που προέκυψαν κυμαίνονται από 30 μέχρι 110 nm και οι υδροδυναμικές τους διάμετροι από 67 μέχρι 180 nm. Με στόχο το συνδυασμό μαλακής/σκληρής μαγνητικής φάσης στην ίδια δομή, συντέθηκαν δι-μαγνητικές νανοσυστάδες φερριτών μαγγανίου/κοβαλτίου και μελετήθηκαν οι μαγνητικές τους ιδιότητες. Τα δομικά χαρακτηριστικά αναλύθηκαν μέσω περίθλασης ακτίνων-Χ (XRD), απορρόφησης ακτίνων Χ (XAFS), ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (TEM) και δυναμικής σκέδασης φωτός (DLS). Η σύσταση προέκυψε από φασματομετρία ατομικής εκπομπής (ICP-AES) και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM/EDS). Οι επικαλύψεις ταυτοποιήθηκαν και ποσοτικοποιήθηκαν με φασματοσκοπία υπερύθρου (FT-IR) και θερμοσταθμική ανάλυση (TGA), αντίστοιχα. Μαγνητικές ιδιότητες μελετήθηκαν από μαγνητόμετρα SQUID και VSM και μέσω φασματοσκοπίας ηλεκτρονικού παραμαγνητικού συντονισμού (EPR). Ο συντελεστής αφηρέμησης (r2) μετρήθηκε σε φασματόμετρο πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) και σε κλινικό τομογράφο (MRI), ενώ η ειδική απώλεια ισχύος (SLP) σε διάταξη μαγνητικής υπερθερμίας. Συνοπτικά, τόσο τα μεμονωμένα νανοσωματίδια όσο και οι νανοσυστάδες, κατά περίπτωση, φέρουν τα κατάλληλα χαρακτηριστικά και προτείνονται για θεραπεία και διάγνωση.