''Έξυπνα'' νανοσωματίδια του δισθενούς σιδήρου που παρουσιάζουν το φαινόμενο της μετάπτωσης του σπιν ως σκιαγραφικά μέσα στην μαγνητική απεικονιστική τομογραφία

Abstract

The SCO phenomenon in molecular complexes and transition metal ion-coordination polymers (CPs) is a topic of long-term interest of inorganic chemistry and materials science in general. In recent years, significant advances have been made in the synthesis of nano-SCO materials in a variety of forms, such as nano-particles, thin membranes, nano-motifs, nano-heterostructures and nano-composite materials, with increasing emphasis on the exploration of nano-devices of this spectacular phenomenon. A particularly interesting family of iron(II) CPs consists of the one-dimensional (1D) coordination polymers of Fe(II), with general formula {[Fe(Rtrz)3]X2}n Rtrz = substituted triazole, X = anion with -1 charge, which has led to a number of remarkable studies in the solid state. These Fe(II) systems present the natural phenomenon of SCO, which is accompanied by a strong thermochromatism and a magnetic transition between HS and LS state with a hysteretic behavior, in the solid state. However, less attention has been paid to the SCO effect in an aqueous solution, mainly due to the poor solubility of {[Fe(Rtrz)3]X2}n, leaving the range of biological applications unexplored, particularly their applicability as a thermo-sensitive MRI contrast agent. This PhD thesis describes the targeted SCO synthesis of 1D polymeric system of Fe(II) with the formula {[Fe(Htrz)2(trz)]X2}n, (Htrz = 1H-1,2,4-triazole, X = BF4), which can be used as "smart" MRI contrast agent using the change of spin state from LS to HS with temperature, as a means to increase the contrast of the contrast agent in areas where the temperature of cancer cells is higher than normal cells. A total of 17 samples were studied with an environmentally friendly synthetic procedure at normal pressure and temperature conditions, repeatable and with high efficiency. The effect of the surfactant anionic medium NaAOT and neutral Triton X-100, as well as the ratio of the concentrations of precursor compounds and the ratio of oil to aqueous phases in the final size of SCO NPs, were studied in detail. The structure, morphology, magnetic and thermodynamic properties of the synthesized SCO NPs were explored using electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (pXRD), superconducting quantum interference magnetometer (SQUID), UV-Vis and infrared FT-IR spectroscopies, and differential scanning calorimetry (DSC). The isolated NPs with an average size of 11-35 nm retain an intermediate state of spin in aqueous solutions and their lyophilized forms confirmed their structure to be preserved, while magnetic measurements confirmed that they also retain a hysteretic character. Aqueous dispersals of SCO NPs were studied as contrast MRI agents and the relaxation ratio was found to be r2/r1>2.0, close to the values obtained for commercially available negative contrast agents.

Το φαινόμενο της μετάπτωσης του σπιν (SCO) σε μοριακές σύμπλοκες ενώσεις μηδενικής διάστασης (0-D) και σε πολυμερείς ενώσεις συναρμογής (1-D, 2-D και 3-D) μετάλλων μετάπτωσης αποτελεί επιστημονικό πεδίο μακροχρόνιου ενδιαφέροντος της Ανόργανης χημείας και γενικότερα της Επιστήμης των Υλικών. Τα τελευταία χρόνια σημειώθηκαν σημαντικές πρόοδοι στη σύνθεση SCO νανο-uλικών σε ποικίλες μορφές, όπως νανοσωματίδια, λεπτές μεμβράνες, νανο-μοτίβα, νανο-ετεροδομές και νανοσύνθετα υλικά, με ιδιαίτερη έμφαση στην εξερεύνηση νανοδιατάξεων (συσκευών) αυτού του θεαματικού φαινομένου. Μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα οικογένεια πολυμερών ένταξης (CPs) του σιδήρου(ΙΙ) είναι το πολυμερές σύστημα μίας διάστασης (1D), με γενικό τύπο {[Fe(Rtrz)3]X2}n, (Rtrz = υποκατεστημένο τριαζόλιο, X = ανιόν με φορτίο -1), το οποίο έχει συγκεντρώσει ένα πλήθος από αξιόλογες μελέτες στη στερεά κατάσταση. Αυτά τα συστήματα του δισθενούς σιδήρου, Fe(II), παρουσιάζουν το φυσικό φαινόμενο του SCO, το οποίο συνοδεύεται από έναν ισχυρό θερμοχρωματισμό και μια μαγνητική μετάβαση μεταξύ διαμαγνητικής και παραμαγνητικής κατάστασης, υστερητικής μορφής, στη στερεά κατάσταση, τόσο στην μικροκλίμακα όσο και στην νανοκλίμακα. Ωστόσο, έχει δοθεί λιγότερη προσοχή στο φαινόμενο SCO σε υδατικό περιβάλλον, κυρίως λόγω της κακής διαλυτότητας των {[Fe(Rtrz)3]X2}n αφήνοντας ανεξερεύνητη την περιοχή των βιολογικών εφαρμογών, ιδιαίτερα τη δυνατότητα εφαρμογής τους ως θερμο-ευαίσθητου μέσου μαγνητικής αντίθεσης MRI.Η παρούσα διδακτορική διατριβή περιγράφει την στοχευμένη σύνθεση νανοσωματιδίων SCO του 1D πολυμερικoύ συστήματος του Fe(II) με τύπο {[Fe(Ηtrz)2(trz)]X2}n (Ηtrz = 1Η-1,2,4-τριαζόλιο, X = BF4) που λειτουργούν ως «έξυπνα» σκιαγραφικά στην μαγνητική τομογραφία MRI, χρησιμοποιώντας την θερμοκρασιακά εξαρτώμενη αλλαγή της κατάστασης του σπιν από LS (χαμηλού σπιν) σε HS (υψηλού σπιν) ως μέσο για την αύξηση της σκιαγραφικής αντίθεσης σε περιοχές που η θερμοκρασία των καρκινικών κυττάρων είναι υψηλότερη από τα φυσιολογικά κύτταρα. Πραγματοποιήθηκε η μελέτη συνολικά 17 δειγμάτων με μια συνθετική πορεία φιλική προς το περιβάλλον, σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, επαναλήψιμη και με υψηλή απόδοση. Μελετήθηκε η επίδραση του επιφανειοδραστικού μέσου, o λόγος των συγκεντρώσεων των αντιδραστηρίων όπως επίσης και ο λόγος ελαιώδους φάσης προς την υδατική στο τελικό μέγεθος των SCO NPs. Τα SCO NPs που προέκυψαν χαρακτηρίστηκαν ως προς την δομή, την μορφολογία, τις μαγνητικές και θερμοδυναμικές τους ιδιότητες με ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης (ΤΕΜ), με περίθλαση ακτίνων-Χ (pXRD), με μαγνητόμετρο υπεραγώγιμης κβαντικής συμβολής (SQUID), τις φασματοσκοπίες UV-Vis και υπερύθρου FT-IR και δυναμική θερμιδομετρία (DSC). Τελικά απομονώθηκαν NPs με μέσο μέγεθος 11-35 nm που διατηρούν μια ενδιάμεση κατάσταση σπιν σε υδατικά διαλύματα και η λυοφιλοποίησή τους επιβεβαίωσε την διατήρηση της δομής τους ενώ οι μαγνητικές μετρήσεις επιβεβαιώσανε ότι διατηρούν υστερητικό χαρακτήρα.Οι υδατικές διασπορές των SCO NPs μελετήθηκαν ως σκιαγραφικά μέσα στην απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού και βρέθηκε πως ο λόγος χαλαρωσιμότητας r2/r1>2.0 που τα κατατάσσει κατάλληλα ως σκιαγραφικά Τ2-αντίθεσης.