Μαγνητικά νανοσωματίδια φερρίτη για υψηλής ευαισθησίας σκιαγραφικά μέσα αντίθεσης μαγνητικού συντονισμού και βελτιωμένη θεραπεία μαγνητικής υπερθερμίας

Abstract

In this thesis, the synthesis of monodispersed and silica-coated nanoparticles of the hard phase of iron (ε-Fe2O3) doped with gallium ions to enhance the magnetization and the soft phase (Fe3O4) is presented, as well as their organization into secondary structures of bi-magnetic nanoclusters with the ultimate goal of their use as contrast agents in magnetic tomography and as carriers of magnetic hyperthermia. The synthesis of multifunctional hybrid materials of the hard phase of iron (ε-Fe2O3) with paramagnetic phases is also presented: a) the 1D coordination polymer of the Eu/Tb/(BTC) system where BTC =1,3,5-benzotricarboxylic acid and b) the metal-organic network of Prussian Blue Fe4[Fe(CN)6]3·xH2O with the ultimate aim of their use in technological applications of spintronic and luminescence thermometry but also as contrast agents in magnetic resonance imaging. Initially, the primary oxides of the hard phase with the formula ε-GaxFe2-xO3, (x=0.1, 0.2) were isolated and characterized. The magnetization values vary from 1.60 – 1.77 emu/g and 11.3 – 11.6 emu/g for the coated and isolated ones, respectively, while the coercive field values range from 7639 Oe to 13503 Oe, respectively. As for the soft iron phase, two different experimental protocols were used: a) the co-precipitation method and b) the solvothermal method. Their morphology is spherical, with an average diameter of 5 ± 0.8 nm to 6 ± 0.9 nm. The magnetic measurements show small hysteresis loops with saturation magnetization values of 50.3 emu/g and 70.1 emu/g, respectively. Subsequently, bimagnetic nanoclusters were prepared and characterized by the reverse micelle method using an aqueous phase containing magnetite (Fe3O4) and ε-GaxFe2-xO3, and an organic phase containing the surfactant Triton X-100, hexanol as cosurfactant, and cyclohexane as solvent. TEM images showed that spherical or spheroidal nanoclusters of the ε-Fe2O3 and Fe3O4/γ-Fe2O3 phases are present in all samples, with sizes ranging from 0.1 to 1.0 μm. In all cases, we observe large aggregations of the primary phases leading to minimal surface contact area and weak or non-existent magnetic interaction. Magnetic measurements show hysteresis loops with saturation magnetization values ranging from 32.00 to 50 emu/g and coercive field values ranging from 110 to 450 Oe. From the shape of the loops, it is evident that there is no interaction between the phases, which maintain their magnetic primary characteristics. The next step of the present doctoral thesis was the design of colloidal di-magnetic nanoclusters ε-Fe2O3@Fe3O4 by the solvothermal method using the seed method, where the hard ε-Fe2O3 phase was used as a source of Fe3+ ions, and the FeCl₂·4H₂O salt as a source of Fe2+ ions for the synthesis of the Fe3O4 phase. Both homogeneous nucleation of Fe3O4 nanoparticles in the main solution and heterogeneous nucleation, leading to the adsorption/adhesion of the initially formed Fe3O4 nanoparticles on the surfaces of the remaining larger ε-Fe2O3 grains, were observed. Magnetic measurements demonstrate hysteresis loops with saturation magnetization values ranging from 28-47 emu/g and coercive field values of 117-3250 Oe. The next goal of the thesis was the synthesis and characterization of the hybrid multifunctional system of the ε-GaxFe2-xO3 phase with the 1D coordination polymer of the Eu/Tb/(BTC) system, where BTC =1,3,5-benzotricarboxylic acid with molecular formula [Eu0.04Tb0.96(BTC)·6H2O]. TEM images showed that the oxides ε-GaxFe2-xO3 have been chemically adsorbed on the surface of the polymer microrods due to interactions between the active carboxyl groups and the oxide surface. A decrease in the coercive field at 5K to a value of 608 Oe is observed compared to the coercive field of 13416 Oe of the primary phase ε-GaxFe2-xO3 while its saturation magnetization increases significantly to 53.2 emu/g compared to 42.3 emu/g of the primary phase. On the contrary, the coercive field of the hybrid material restores a high coercive field of 6698 Oe at RT temperature, very close to the value of the coercive field of the primary phase, which is 7639 Oe. The magnetization at this temperature does not saturate, and it decreases drastically to 7.56 emu/g. At the same time, a shift of the center of gravity of the hysteresis to the right is observed due to exchange anisotropy phenomena. The magnetic behavior of the material is strongly influenced by the interface, surface phenomena, and interactions with the paramagnetic phase and the matrix of the Eu/Tb(BTC) coordination polymer. The study of the hybrid material's photoluminescence highlighted the interfacial interactions between the iron nanoparticles and the coordination polymer. The last experimental project of this thesis is the synthesis and characterization of the hybrid systems ε-GaxFe2-xO3@PB and Fe3O4@PB, which exhibit multifunctional properties, where PB is the metal-organic network of Prussian Blue, Fe4[Fe(CN)6]3·xH2O. The formation of PB NPs and the feasibility of creating a core-shell structure via the seed method were investigated. In this specific case, the e-phase/Fe3O4 was used as a source of Fe3+ ions for the synthesis of PB using the salt K4[Fe(CN)6]⸳ 3H2O as a source of Fe2+ ions. A significant reduction in the coercive field at 5K of the hybrid materials is observed at values of 94 - 231 Oe compared to 13416 Oe of the ε-GaxFe2-xO3, while its saturation magnetization increases significantly to values of 67.6 - 78.2 emu/g compared to the value of 42.3 emu/g of the phase ε-GaxFe2-xO3. At RT, the material restores a high coercive field of 6445-7335 Oe, very close to the value of the coercive field of ε-GaxFe2-xO3 phase. The magnetization at this temperature does not reach saturation, but decreases drastically to values of 6.78-10.97 emu/gr. At the same time, a shift of the center of gravity of the hysteresis to the left is observed due to exchange anisotropy phenomena. The structural characteristics were analyzed by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM, SEM), and dynamic light scattering (DLS). The composition was determined by scanning electron microscopy (SEM/EDS). The coatings were identified by Fourier-Transform infrared spectroscopy (FT-IR). Magnetic properties were studied by SQUID and VSM magnetometers. The relaxation coefficients (r1, r2) were measured in a clinical MRI, while the specific power loss (SLP) was measured in a magnetic hyperthermia device. MRI measurements confirmed the suitability of the bimagnetic nanoclusters and the hybrid materials of the challenging phase of iron (ε-Fe2O3) with paramagnetic phases for T1/T2 imaging. Magnetic hyperthermia measurements highlighted that the bimagnetic character of the nanoclusters can be an essential tool for regulating heating efficiency.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται η σύνθεση μονοδιασπαρμένων και επικαλυμμένων με πυριτία νανοσωματιδίων της σκληρής φάσης του σιδήρου (ε-Fe2O3) που νοθεύτηκε με ιόντα του τρισθενούς Γαλλίου για ενίσχυση της μαγνήτισης και της μαλακής φάσης του (Fe3O4) καθώς και η οργάνωσή τους σε δευτερογενείς δομές δι-μαγνητικών νανοσυστάδων με τελικό σκοπό την χρήση τους ως παράγοντες αντίθεσης στην μαγνητική τομογραφία και ως φορείς μαγνητικής υπερθερμίας. Επίσης, παρουσιάζεται η σύνθεση πολύ-λειτουργικών υβριδικών υλικών της σκληρής φάσης του σιδήρου (ε-Fe2O3) με παραμαγνητικές φάσεις: α) το 1D πολυμερές ένταξης του συστήματος Eu/Tb/(BTC) όπου BTC = 1,3,5-βενζοτρικαρβοξυλικό οξύ και β) το μεταλλο-οργανικό δίκτυο του Κυανού της Πρωσίας Fe[Fe4(CN)6]3·xH2O με τελικό σκοπό την χρήση τους σε τεχνολογικές εφαρμογές σπιντρονικής και θερμομετρίας φωταύγειας αλλά και σαν παράγοντες αντίθεσης στην μαγνητική τομογραφία.nΑρχικά απομονώθηκαν και χαρακτηρίστηκαν τα πρωτογενή οξείδια της σκληρής φάσης με τύπο ε-GaxFe2-xO3, (x=0.1, 0.2). Οι τιμές της μαγνήτισης μεταβάλλονται από 1.60 – 1.77 emu/g και 11.3 – 11.6 emu/g για τα επικαλυμμένα και μεμονωμένα αντίστοιχα ενώ οι τιμές συνεκτικού πεδίου από 13503 Oe - 7639 Οe αντίστοιχα. Όσο αφορά την μαλακή φάση του σιδήρου χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικά πειραματικά πρωτόκολλα: α) Η μέθοδος της συγκαταβύθισης και β) η διαλυτοθερμική μέθοδος. Η μορφολογία τους είναι σφαιρική με μέση διάμετρο που κυμαίνεται από 5 ± 0.8 nm μέχρι 6 ± 0.9 nm Οι μαγνητικές μετρήσεις παρουσιάζουν μικρούς βρόχους υστέρησης με τιμές μαγνήτισης κορεσμού 50.3 emu/g και 70.1 emu/g αντίστοιχα. Στη συνέχεια, παρασκευάστηκαν και χαρακτηρίστηκαν δι-μαγνητικές νανοσυστάδες με τη μέθοδο των αντίστροφων μικυλλίων με μία υδατική φάση από μαγνητίτη Fe3O4 και ε-GaxFe2-xO3 και οργανική φάση που περιέχει το επιφανειοδραστικό Triton Χ-100, με συνεπιφανειοδραστικό μέσο την εξανόλη και διαλύτη το κυκλοεξάνιο. Οι εικόνες ΤΕΜ αναδείξανε πως σε όλα τα δείγματα εμφανίζονται σφαιρικές ή σφαιροειδής νανοσυστάδες των φάσεων ε-Fe2O3 και Fe3O4/γ-Fe2O3 ενώ το μέγεθός τους κυμαίνεται από 0.1 έως 1.0 μm. Σε όλες τις περιπτώσεις παρατηρούμε μεγάλες συσσωματώσεις από τις πρωτογενείς φάσεις που οδηγούν σε ελάχιστη επιφανειακή περιοχή επαφής και ασθενή ή ανύπαρκτη μαγνητική αλληλεπίδραση. Οι μαγνητικές μετρήσεις καταδεικνύουν βρόχους υστέρησης με τιμές μαγνήτισης κορεσμού που κυμαίνονται από 32.00 έως 50 emu/g και τιμές συνεκτικού πεδίου από 110 -450 Οe. Από την μορφή των βρόχων είναι κατανοητό πως δεν υπάρχει αλληλεπίδραση μεταξύ των φάσεων που διατηρούν τα μαγνητικά πρωτογενή χαρακτηριστικά τους. Επόμενο βήμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής, αποτέλεσε ο σχεδιασμός κολλοειδών δι-μαγνητικών νανοσυστάδων ε-Fe2O3@Fe3O4 με τη διαλυτοθερμική μέθοδο χρησιμοποιώντας την μέθοδο σπόρου όπου χρησιμοποιήθηκε η σκληρή ε-Fe2O3 φάση ως πηγή τρισθενούς σιδήρου, και το άλας FeCl₂·4H₂O για τη σύνθεση της φάσης Fe3O4. Παρατηρήθηκε τόσο η ομογενής πυρήνωση νανοσωματιδίων Fe3O4 στο κύριο διάλυμα, όσο και η ετερογενής που οδήγησε στην προσρόφηση/προσκόλληση των αρχικά σχηματισθέντων νανοσωματίδιων του Fe3O4, στην επιφάνεια των υπολειπόμενων μεγαλύτερων σπόρων ε-Fe2O3. Οι μαγνητικές μετρήσεις καταδεικνύουν βρόχους υστέρησης με τιμές μαγνήτισης κορεσμού που κυμαίνονται από 28-47 emu/g και τιμές συνεκτικού πεδίου 117-3250 Οe. Επόμενος στόχος της διατριβής, ήταν η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός του υβριδικού πολυλειτουργικού συστήματος της φάσης ε-GaxFe2-xO3 με το 1D πολυμερές ένταξης του συστήματος Eu/Tb/(BTC), όπου BTC = 1,3,5-βενζοτρικαρβοξυλικό οξύ με μοριακό τύπο [Eu0.04Tb0.96(BTC)·6H2O]. Οι εικόνες ΤΕΜ αναδείξανε ότι τα οξείδια ε-GaxFe2-xO3 έχουν χημικά προσροφηθεί στην επιφάνεια μικρο-ράβδων του πολυμερούς λόγω της αλληλεπίδρασης των δραστικών καρβοξυλικών ομάδων με την επιφάνεια του οξειδίου. Παρατηρείται μείωση του συνεκτικού πεδίου στους 5Κ στην τιμή των 608 Oe σε σχέση με το συνεκτικό πεδίο των 13416 Oe της πρωτογενούς φάσης ε-GaxFe2-xO3 ενώ η μαγνήτιση κορεσμού του αυξάνεται αισθητά στην τιμή 53.2 emu/g σε σχέση με την τιμή 42.3 emu/g της πρωτογενούς φάσης. Αντίθετα, το συνεκτικό πεδίο του υβριδικού υλικού επαναφέρει ένα υψηλό συνεκτικό πεδίο 6698 Οe σε θερμοκρασία RT πολύ κοντά στην τιμή του συνεκτικού πεδίου του πρωτογενούς που είναι 7639 Oe. Η μαγνήτιση σε αυτή την θερμοκρασία δεν οδηγείται σε κορεσμό ενώ μειώνεται δραστικά στην τιμή των 7.56 emu/g. Παράλληλα, παρατηρείται μια μετατόπιση του κέντρου βάρους της υστέρησης προς τα δεξιά λόγω φαινομένων ανισοτροπίας ανταλλαγής. Η μαγνητική συμπεριφορά του υλικού επηρεάζεται έντονα από τη διεπαφή, επιφανειακά φαινόμενα και την αλληλεπίδραση με την παραμαγνητική φάση και μήτρα του πολυμερούς ένταξης Eu/Tb(BTC). Η μελέτη της φωτο-φωταύγειας του υβριδικού υλικού ανέδειξε τις διεπιφανειακές αλληλεπιδράσεις των νανοσωματιδίων του σιδήρου με το πολυμερές ένταξης.nΤελευταίο πειραματικό εγχείρημα της παρούσας διατριβής αποτελεί η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός των υβριδικών συστημάτων ε-GaxFe2-xO3@PB και Fe3O4@PB με πολυλειτουργικές ιδιότητες όπου PB είναι το μεταλλο-οργανικό δίκτυο του Κυανού της Πρωσίας, Fe4[Fe(CN)6]3·xH2O. Μελετήθηκε ο σχηματισμός των PB NPs και η δυνατότητα δημιουργίας δομής πυρήνα-κελύφους χρησιμοποιώντας την μέθοδο σπόρων (seed method). Στην συγκεκριμένη περίπτωση η ε-φάση/ Fe3O4 χρησιμοποιήθηκε ως πηγή τρισθενούς σιδήρου για την σύνθεση του PB με την χρήση του άλατος K4[Fe(CN)6]⸳ 3H2O ως πηγή δισθενούς σιδήρου. Παρατηρείται σημαντική μείωση του συνεκτικού πεδίου στους 5Κ των υβριδικών υλικών σε τιμές 94 - 231 Oe σε σχέση με τα 13416 Oe της ε-GaxFe2-xO3 ενώ η μαγνήτιση κορεσμού του αυξάνεται αισθητά σε τιμές 67.6 - 78.2 emu/g σε σχέση με την τιμή 42.3 emu/g της φάσης ε-GaxFe2-xO3. Σε RT τα υλικά επαναφέρουν ένα υψηλό συνεκτικό πεδίο των 6445-7335 Οe, πολύ κοντά στην τιμή του συνεκτικού πεδίου της ε-GaxFe2-xO3 φάσης. Η μαγνήτιση σε αυτή την θερμοκρασία δεν οδηγείται σε κορεσμό ενώ μειώνεται δραστικά σε τιμές 6.78-10.97 emu/gr. Παράλληλα, παρατηρείται μια μετατόπιση του κέντρου βάρους της υστέρησης προς τα αριστερά λόγω φαινομένων ανισοτροπίας ανταλλαγής.nΤα δομικά χαρακτηριστικά αναλύθηκαν μέσω περίθλασης ακτίνων-Χ (XRD), ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (TEM, SEM) και δυναμικής σκέδασης φωτός (DLS). Η σύσταση προέκυψε από μετρήσεις ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM/EDS). Οι επικαλύψεις ταυτοποιήθηκαν με φασματοσκοπία υπερύθρου (FT-IR). Μαγνητικές ιδιότητες μελετήθηκαν από μαγνητόμετρα SQUID και VSM. Οι συντελεστές εφησυχασμού (r1, r2) μετρήθηκαν σε κλινικό τομογράφο (MRI), ενώ η ειδική απώλεια ισχύος (SLP) σε διάταξη μαγνητικής υπερθερμίας. Οι μετρήσεις MRI πιστοποιήσανε την καταλληλότητα των διμαγνητικών νανοσυστάδων αλλά και των υβριδικών υλικών της σκληρής φάσης του σιδήρου (ε-Fe2O3) με παραμαγνητικές φάσεις για Τ1/Τ2 απεικόνιση. Οι μετρήσεις μαγνητικής υπερθερμίας αναδείξανε το γεγονός ότι ο δι-μαγνητικός χαρακτήρας των νανοσυστάδων μπορεί να αποτελέσει ένα ουσιαστικό εργαλείο για την ρύθμιση της απόδοσης θέρμανσης.