Φ Υ ΣΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Commercial. ΣΤΕΛΛΑ Θεσσαλονίκη. agents Biomagnetic Separation. Hyperthermia ΝΙΚΗΣ

Transcript

1 Φ Υ ΣΙΚΗ & Τ Ε ΧΝΟΛ ΟΓΙΑ ΥΛΙ ΚΩΝ Π ΡΟΓΡΡ ΑΜΜΑΑ Μ Ε Τ ΑΠΤΥΧΙΑΚΩ Ν Σ ΠΟΥΔΩΝ T Μ Η ΜΑ Φ Υ ΣΙΚΗΣ Α ΡΙΣΤΟΤΕΛΕΕ ΙΟ Π Α Ν ΕΠΙΣΤΗ ΜΙΟ Θ ΕΣΣΑΛΟ ΝΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βιοϊατρικές εφαρμογές Magnetic Fluid Hyperthermia MRI Contrast agents Biomagnetic Separation DNA purification Commercial ferrofluids as AC magnetic hyperthermia agents to address diverse biomedical aspects ΜΑΘΙΟΥΔΑΚΗ ΣΤΕΛΛΑ Θεσσαλονίκη 214

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ερευνητικές ομάδες παγκοσμίως εξετάζουν την πιθανότητα εκμετάλλευσης των μαγνητικών νανοσωματιδίων ως φορείς σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Οι περισσότερες από τις μελέτες αυτές χρησιμοποιούν μαγνητικά νανοσωματίδια, των οποίων η σύνθεση γίνεται σε εργαστήρια, στοχεύοντας στον εύκολο έλεγχο του δείγματος, ενώ ζητήματα όπως η ανάπτυξη, ο βαθμός επαναληψιμότητας σύνθεσης, η τοξικότητα και η διασφάλιση ποιότητας συνήθως αναβάλλονται για τα επόμενα στάδια, όταν τα μαγνητικά νανοσωματίδια εισαχθούν σε κλινικές δοκιμές. Η μαγνητική υπερθερμία, είναι μία από τις διάφορες εναλλακτικές μορφές θεραπείας καρκίνου που περιλαμβάνει τη στοχοθετημένη χορήγηση μαγνητικών νανοσωματιδίων στο σώμα, τη συσσώρευση τους στους καρκινικούς ιστούς και τη θέρμανση τους με ένα εξωτερικά εφαρμοζόμενο εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Η μαγνητική υπερθερμία συνεχίζει να κερδίζει το ενδιαφέρον, ως μία προσέγγιση λιγότερο επεμβατικού χαρακτήρα, με εύκολο χειρισμό της ενεργοποίησης και της πολυλειτουργικότητας των φορέων από απόσταση, και κατά συνέπεια ακολουθεί τη σύγχρονη τάση διάγνωσης και θεραπείας (theranostics) που απαιτεί μαγνητικά νανοσωματίδια, τα οποία εξυπηρετούν περισσότερες από μία λειτουργίες. Σε αντίθεση με τα εργαστηριακά μαγνητικά νανοσωματίδια, τα εμπορικά παραγόμενα σκευάσματα, ιδίως αυτά που έχουν πιστοποιηθεί σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα τυποποίησης (Good Manufacturing Process), μπορούν γρήγορα να ωθηθούν μέσα από ιατρικές διαδικασίες έγκρισης, δεδομένου ότι εστιάζουν στην παράδοση νέας θεραπείας στον ασθενή, όσο το δυνατόν ταχύτερα. Επιπρόσθετα, η βιοσυμβατότητα καθώς και το μέγεθος της τοξικότητας των εν λόγω προϊόντων, έχουν ήδη επιλυθεί πριν την εμπορική τους εκμετάλλευση. Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας, αξιολογήθηκε μία σειρά από διαθέσιμα εμπορικά βιοϊατρικά μαγνητικά νανοσωματίδια ως υποψήφια για εφαρμογές υπερθερμίας, καθώς επίσης και η εκμετάλλευση τους ως πολυσύνθετοι βιοϊατρικοί φορείς. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα αυτής της μελέτης, είναι ότι ένα βέλτιστο σύστημα εξετάζει άμεσα τον πολυσύνθετο ρόλο στη σύγχρονη βιοϊατρική (theranostics) και μπορεί να εφαρμοστεί περαιτέρω στη θεραπεία με ταχύτερα βήματα, δεδομένου ότι πολλά στάδια έχουν ήδη διευθετηθεί με επιτυχία.

3 ABSTRACT Many research groups worldwide are exploring the potential of magnetic nanoparticles (MNPs) as biomedical magnetism-driven carriers in biomedical applications. Most of these studies utilize MNPs synthesized in-house, aiming in the facile sample control and property tuning, while issues like formulation, reproducibility, toxicity and quality assurance are usually postponed for the later stages when MNPs will actually be introduced to clinical trials. AC hyperthermia is one of the diverse modalities under study, which is a cancer therapy, involving the targeted administration of MNPs into the body, their accumulation at sites of cancer, and their local heating with an externally applied AC magnetic field. AC magnetic hyperthermia continues to gain interest as a synergistic approach of a least invasive character together with facile remote control of activation and multifunctional potential in diverse magnetism-driven treatments. Thus, it follows the current theranostics trend that requires multi functional MNPs, possessing more than one magnetically triggered modality. Contrary to home-made MNPs, commercially produced materials, particularly those certified to Good Manufacturing Process (GMP) standards may be rapidly pushed through the medical approval processes since commercial drive and company resources are focusing in the delivery of the new therapy to the patient as rapidly as possible. Additionally, the biocompatibility and toxicity aspects of such products have usually been resolved prior to their commercial exploitation. In this thesis I have examined a series of commercially available biomedical MNPs as possible candidates for hyperthermia applications and their exploitation as multifunctional biomedical carriers combining their initial modality with heat triggered actions. The major advantage of such a study is that an optimum system directly addresses the multifunctional role in modern theranostics and may be further implemented in therapies with faster steps since major tasks have already been undertaken.

4 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Με την ολοκλήρωση της διπλωματικής εργασίας «Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βιοϊατρικές εφαρμογές», που εκπονήθηκε στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών», αισθάνομαι την υποχρέωση να ευχαριστήσω θερμά όλους όσους συνέβαλαν για την επιτυχή περάτωση της. Πρώτο από όλους, θέλω να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα της διπλωματικής εργασίας, αναπληρωτή καθηγητή Μαυροειδή Αγγελακέρη, για την ευκαιρία που μου έδωσε να συνεργαστώ μαζί του, την εμπιστοσύνη που μου έδειξε και τη συνεχή καθοδήγηση του. Ήταν πάντα διαθέσιμος να μου προσφέρει τις γνώσεις, την εμπειρία αλλά τη βοήθεια του για να συνεχίσω τις σπουδές μου. Στη συνέχεια, ευχαριστώ ιδιαίτερα τους μεταδιδακτορικούς ερευνητές Κωνσταντίνο Συμεωνίδη και Δέσποινα Σακελλάρη καθώς και τους μεταπτυχιακούς ερευνητές Μαγδαληνή Τζιομάκη και Αντώνη Μακρίδη για την βοήθεια και τις συμβουλές που μου πρόσφεραν κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής μου εργασίας. Τέλος, το μεγαλύτερο ευχαριστώ το οφείλω στην οικογένεια μου, για την τόσο σημαντική υποστήριξη και ηθική συμπαράσταση που μου πρόσφεραν σε όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. Την παρούσα εργασία την αφιερώνω στην αδελφή μου Σόφη.

5 Π ΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟΫΛΙΚΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΑΓΝΗΤΟΣΩΜΑΤΑ ΜΑΓΝΗΤΟΤΑΚΤΙΚΑ ΒΑΚΤΗΡΙΑ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΕΜΠΟΡΙΚΑ ΣΙΔΗΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ ΥΛΙΚΩΝ ΟΓΚΟΥ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΣΤΟΧΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΟΣΩΜΑΤΑ: ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΣΥΝΘΕΣΗ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕ ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΓΚΑΤΑΒΥΘΙΣΗ ΔΟΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ, ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΕΜΠΟΡΙΚΑ ΣΙΔΗΡΟΜΑΓΝΗΤΚΑ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΟΓΚΟΥ ΔΟΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΔΟΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ, ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΚΑΙ ΣΥΣΧΕΤΙΣΜΟΙ ΔΟΜΗΣ, ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑΣ, ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΥ51

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΑΓΝΗΤΟΣΩΜΑΤΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΕΜΠΟΡΙΚΑ ΣΙΔΗΡΟΜΑΓΝΗΤΚΑ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ ΥΛΙΚΩΝ ΟΓΚΟΥ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΥ ΚΑΘΟΡΙΖΟΥΝ ΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΑΝΑΦΟΡΕΣ... 11

7 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Μαγνητικά νανοσωματίδια Πυρήνας:Fe Φλοιός:Mn ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στις δύο πρώτες εισαγωγικές παραγράφους του κεφαλαίου αυτού, ορίζονται οι βασικές έννοιες της νανοτεχνολογίας, των μαγνητικών νανοσωματιδίων και των ιδιοτήτων τους. Εν συνεχεία, στις επόμενες τρεις παραγράφους γίνεται αναφορά στα χαρακτηριστικά και τη μεθοδολογία σύνθεσης ανά κατηγορία μαγνητικών νανοσωματιδίων (βιολογικά, εργαστηριακά και εμπορικά) και στο τέλος του κεφαλαίο αυτού, αναπτύσσεται ο στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας. 1

8 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη 1.1. ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟΫΛΙΚΑ Η νανοτεχνολογία είναι ένας από τους πιο ραγδαία εξελισσόμενους κλάδους της σύγχρονης επιστήμης και θα μπορούσαμε να πούμε ότι αναφέρεται στην ανάπτυξη έρευνας και τεχνολογίας στο ατομικό, μοριακό και μακρομοριακό επίπεδο σε κλίμακα μεγέθους από.1 έως 1 nm, στην κατασκευή και χρήση συσκευών και συστημάτων που έχουν μοναδικές ιδιότητες και λειτουργίες εξ' αιτίας του πολύ μικρού τους μεγέθους καθώς και στην ικανότητα ρύθμισης και χειρισμού της ύλης στην ατομική κλίμακα. Η νανοτεχνολογία δεν είναι ένα στενά καθορισμένο επιστημονικό πεδίο και συχνά αποτελεί προϋπόθεση η συνεργασία μεταξύ ερευνητών, σε πεδία όπως η επιστήμη υλικών, η χημεία, η εφαρμοσμένη φυσική, η βιολογία και η ιατρική με σκοπό την επιτυχή ανάπτυξη και την πολύπλευρη μελέτη των νανοδομημένων υλικών. Στις νάνο-διαστάσεις ασυνήθιστα φυσικά, χημικά και βιολογικά φαινόμενα αναδύονται και οι ιδιότητες των νανοϋλικών διαφέρουν σημαντικά από τις ιδιότητες των υλικών όγκου, αυτών δηλαδή που κρυσταλλώνονται σε μακροσκοπικό επίπεδο και αποτελούν τη συχνότερη μορφή υλικών που συναντώνται στην καθημερινή ζωή. Ως νανοϋλικό ορίζεται αυτό που έχει τουλάχιστον το μήκος της μιας του διάστασης μικρότερη από 1nm και μπορεί να είναι μονοδιάστατο (υπέρλεπτο υμένιο, πολυστρωματική δομή), δισδιάστατο (νανοσωλήνας, νανοσύρμα) ή τρισδιάστατο (νανοσωματίδιο, κβαντική τελεία). Τα νανοϋλικά έχουν προσελκύσει τα τελευταία χρόνια το έντονο ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας καθώς μπορούν να βρουν εφαρμογή σε ποικίλους τομείς όπως η ηλεκτρονική, η ιατρική, η περιβαλλοντολογία, η τεχνολογία αλλά και η βιομηχανία. Το κύριο πλεονέκτημα που παρουσιάζουν τα υλικά αυτών των διαστάσεων είναι ο μεγάλος αριθμός των ατόμων στην επιφάνεια τους σε σχέση με τον όγκο τους, κάτι που έχει ως αποτέλεσμα την υψηλή ενεργή επιφάνεια για κάθε είδους αλληλεπίδραση, ενώ σημαντική παράμετρος είναι και η μεταβολή των ιδιοτήτων τους σε σχέση με τα μακροσκοπικά υλικά της ίδιας χημικής σύστασης. 1 Στα νανοδομημένα υλικά ανήκει και η κατηγορία των νανοσωματιδίων, τα οποία είναι στερεά υλικά με τις τρεις διαστάσεις μήκους τους μικρότερες των 1nm. Στην περίπτωση που τα νανοσωματίδια εμφανίζουν κρυσταλλική ατομική δομή αναφέρονται ως νανοκρύσταλλοι (nanocrystals), ενώ όταν είναι άμορφα χωρίς καμία ομοιογένεια στο σχήμα και στο μέγεθος χαρακτηρίζονται ως νανόσκονες (nanopowders). 2 Το σχήμα των νανοσωματιδών ποικίλει και μπορεί να είναι σφαιρικό, κυβικό, πολυεδρικό ή ακόμα και να 2

9 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ έχει πιο σύνθετες δομές. Το μέγεθος των νανοσωματιδίων διαφοροποιείται και αυτό ανάλογα με τις πρόδρομες ενώσεις που χρησιμοποιούνται κατά τη σύνθεση, τις συνθήκες κατά τις οποίες γίνεται η πυρηνοποίηση και η ανάπτυξη καθώς και της χρήσης επιφανειοδραστικών μορίων. Εικόνα 1.1: Νανοσωματίδια διαφορετικού μεγέθους και σχήματος. Τα νανοσωματίδια παρουσιάζουν καινοφανείς ιδιότητες, καθώς είναι η ενδιάμεση κατάσταση ανάμεσα στα συμβατικά υλικά και την ατομική κλίμακα. Οι βασικοί λόγοι για την ιδιαίτερη συμπεριφορά τους εντοπίζονται στον αριθμό των ατόμων στην επιφάνεια τους καθώς και σε κβαντομηχανικά φαινόμενα με αποτέλεσμα χημικές, μηχανικές, οπτικές θερμικές, ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες να αλλάζουν. 3 Έτσι, είναι ικανά να ενισχύσουν καταλυτικές αντιδράσεις, να πετύχουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες όταν βρίσκονται διεσπαρμένα σε συμπαγή υλικά όπως τα πολυμερή, να μειώσουν τη θερμοκρασία τήξης υλικών, να ελέγχουν τις μεταπτώσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων και να βελτιώσουν τις μαγνητικές ιδιότητες. Λόγω των εξαιρετικών τους ιδιοτήτων, τα νανοσωματίδια βρίσκουν πληθώρα εφαρμογών και συνεχίζουν να κερδίζουν το ενδιαφέρον καθώς ταυτόχρονα η νανοτεχνολογία εξελίσσεται με ραγδαίους ρυθμούς. 3

10 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Εικόνα 1.2: Εφαρμογές νανοσωματιδίων ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Μία σημαντική κατηγορία, από ερευνητική άποψη, αποτελούν τα μαγνητικά νανοσωματίδια, δηλαδή εκείνα στα οποία το ένα τουλάχιστον συστατικό είναι τα μαγνητικά μέταλλα Fe, Co και Ni. Αυτά συναντώνται σε μορφή μετάλλων, μεταλλικών κραμάτων και οξειδίων με πολύ μικρά μεγέθη (<2 nm) λόγω των ευρέως διαδεδομένων εφαρμογών τους στη βιοϊατρική και στη βιοτεχνολογία. Μαγνητικά νανοσωματίδια που εμφανίζουν υψηλή μαγνητική επιδεχτικότητα (χ) και κατά συνέπεια υψηλή τιμή μαγνήτισης κόρου (M S ), είναι βιοσυμβατά και επιπλέον σχηματίζουν σταθερά κολλοειδή υδατικά διαλύματα, αποτελούν ιδανικά υποψήφια υλικά για εφαρμογή ως παράγοντες αντίθεσης στην τεχνική απεικόνισης με μαγνητικό πυρηνικό συντονισμό (MRI), στη στοχευμένη μαγνητική μεταφορά φαρμάκων και ως παράγοντες θέρμανσης στη μαγνητική υπερθερμία. 4 Η συνηθέστερη μορφή μαγνητικών νανοσωματιδίων είναι αυτών του σιδήρου, που συνδυάζουν τις πολύ καλές μαγνητικές ιδιότητες, την βιοσυμβατότητα και το σχετικά χαμηλό 4

11 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ κόστος σε σχέση με άλλα υλικά. Βασικό μειονέκτημα του μεταλλικού σιδήρου είναι η εύκολη οξείδωση καθώς και η χημική του δραστικότητά και για τον λόγο αυτό επιλέγονται συνήθως τα οξείδιά του με δομή σπινελίου που έχουν κάπως υποδεέστερες μαγνητικές ιδιότητες αλλά μεγάλη σταθερότητα. Στη βιοϊατρική χρησιμοποιούνται κυρίως τα οξείδια του σιδήρου, ο μαγνητίτης (Fe 3 O 4 ) και ο μαγκεμίτης (γ-fe 2 O 3 ) που είναι εγκεκριμένα από την επιτροπή χορήγησης φαρμάκων και τροφίμων (FDA-approved) ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Οι μαγνητικές ιδιότητες των νανοσωματιδίων οφείλονται κυρίως σε φαινόμενα μεγέθους, σε επιφανειακά φαινόμενα καθώς και σε φαινόμενα θερμικών απωλειών και διαφέρουν σημαντικά από αυτές των υλικών όγκου. 6 Φαινόμενα μεγέθους Στα μαγνητικά σωματίδια παρατηρείται η διαμόρφωση πολλαπλών μαγνητικών περιοχών (Weiss), όπου οι περιοχές με ομοιόμορφη μαγνήτιση χωρίζονται με τοιχώματα στην προσπάθεια ελαχιστοποίησης των απωλειών μαγνητικής ροής. Ο σχηματισμός των τοιχωμάτων αυτών είναι μια διαδικασία που καθορίζεται από την εξισορρόπηση ανάμεσα στην μαγνητοστατική ενέργεια, που αυξάνεται ανάλογα με τον όγκο του υλικού, και την ενέργεια τοιχώματος που είναι ανάλογη με το εμβαδόν της διεπιφάνειας ανάμεσα στις μαγνητικές περιοχές. Καθώς το μέγεθος του σωματιδίου μειώνεται, υπάρχει ένας κρίσιμος όγκος κάτω από τον οποίο η ενέργεια σχηματισμού του τοιχώματος είναι μεγαλύτερη από εκείνη που απαιτείται για να διατηρηθεί η εξωτερική μαγνητοστατική ενέργεια μιας μονοπεριοχής. Ανάλογα με το είδος του υλικού η κρίσιμη διάμετρος κυμαίνεται σε μερικές δεκάδες nm και εξαρτάται από διάφορους παράγοντες ανισοτροπίας και από το υλικό. Η κρίσιμη διάμετρος μονοπεριοχής ενός σφαιρικού σωματιδίου, D c, προκύπτει από την εξίσωση της μαγνητοστατικής ενέργειας με την ενέργεια τοιχώματος και είναι ίση με: 18 (1) όπου, Α είναι η σταθερά ανταλλαγής, K eff η σταθερά ανισοτροπίας, μ ο η μαγνητική διαπερατότητα του κενού και Μ η μαγνήτιση κόρου. Σε ένα νανοσωματίδιο μίας μαγνητικής περιοχής η μαγνήτιση είναι ομοιογενής και τα σπιν διατάσσονται προς την ίδια διεύθυνση. Η μαγνήτιση μπορεί να αναστραφεί εύκολα με 5

12 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη περιστροφή των spin αφού δεν υπάρχουν μαγνητικά τοιχώματα που θα απαιτούσαν ενέργεια για τη μετακίνησή τους. Εκτός από το φαινόμενο της μαγνητικής μονοπεριοχής που εμφανίζεται στα νανοσωματίδια μικρής διαμέτρου, λαμβάνει χώρα και ένα δεύτερο φαινόμενο, ο υπερπαραμαγνητισμός. Το φαινόμενο του υπερπαραμαγνητισμού είναι μια ιδιότητα που εμφανίζεται σε μαγνητικά νανοσωματίδια μιας περιοχής. Για ένα σωματίδιο μιας περιοχής υπάρχει ένα κρίσιμο μέγεθος, κάτω από το οποίο οι θερμικές αλληλεπιδράσεις αυξάνονται αρκετά, με αποτέλεσμα η θερμική ενέργεια (k Β Τ) που απαιτείται για να ξεπεραστεί η ενέργεια μαγνητικής ανισοτροπίας του σωματιδίου (K eff V) να είναι αρκετά μεγάλη, με αποτέλεσμα η μαγνήτιση να παύει να είναι σταθερή, και το νανοσωματίδιο να καλείται υπερπαραμαγνητικό. Σε υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια κάθε σωματίδιο έχει τη δική του μαγνητική ροπή που μπορεί εύκολα να κορεστεί παρουσία πεδίου, μετά όμως από την απομάκρυνση του πεδίου, οι θερμικές ταλαντώσεις υπερισχύουν στο σύστημα, έτσι ώστε η τιμή της μαγνήτισης να μηδενίζεται. Tα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια επιδεικνύουν ισχυρές μαγνητικές ιδιότητες με μεγαλύτερες τιμές μαγνητικής επιδεκτικότητας, σε σχέση με ένα παραμαγνητικό υλικό. Αυτό οφείλεται στο ότι οι θερμικές ταλαντώσεις δεν προέρχονται από ανεξάρτητα spin των ηλεκτρονίων, αλλά από τη μαγνητική ροπή ολόκληρου του νανοσωματιδίου. Στην περίπτωση του μαγκεμίτη (γ-fe 2 O 3 ), νανοσωματίδια με μέση διάμετρο γύρω στα 55 nm παρουσιάζουν σε θερμοκρασία δωματίου σιδηρομαγνητική συμπεριφορά με συνεκτικό πεδίο 52 Oe, ενώ μικρότερα σε μέγεθος σωματίδια ~12 nm, εμφανίζουν υπερπαραμαγνητική συμπεριφορά, χωρίς συνεκτικό πεδίο. 7 Τα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια, χαρακτηρίζονται από μηδενική συνολική μαγνήτιση, που οφείλεται στην μαγνητική ανισοτροπία των σωματιδίων και το οποίο μπορεί να ερμηνευτεί από το ενεργειακό διάγραμμα της εικόνας 1.3. Ως γνωστόν, η ενέργεια ανισοτροπίας των μαγνητικών υλικών που απαιτείται για την αλλαγή της κατεύθυνσης των σπιν από την «spin-up» ( ) στην «spin-down» κατάσταση ( ) είναι ανάλογη του γινομένου της μαγνητικής ανισοτροπίας (Κ eff ) επί του συνολικού όγκου (V) του μαγνήτη. Στα μακροσκοπικά υλικά, η ενέργεια Κ eff V είναι πολύ μεγαλύτερη από την θερμική ενέργεια k B T, ενώ στα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια είναι πολύ μικρότερη (Κ eff V<<kT). Η θερμική ενέργεια k B T των νανοσωματιδίων παρόλο που είναι αρκετή για την αλλαγή της κατεύθυνσης των spin, δεν είναι επαρκής για να ξεπεραστεί η ενέργεια σύζευξης μεταξύ των spin με 6

13 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ αποτέλεσμα η συνολική μαγνήτιση του υλικού να μηδενίζεται χωρίς να μηδενίζεται του καθενός σωματιδίου. Εικόνα 1.3: Ενεργειακό διάγραμμα σιδηρομαγνητικών και υπερπαραμαγνητικών νανοσωματιδίων. Το υπερπαραμαγνητικό φαινόμενο στα μαγνητικά νανοσωματίδια συναντάται σε ένα ορισμένο πεδίο θερμοκρασιών, αφού κάτω από ορισμένη θερμοκρασία η θερμική ενέργεια δεν είναι αρκετή για να επιτρέψει την εύκολη περιστροφή των spin με αποτέλεσμα να εμφανίζεται υστέρηση και συνεκτικό πεδίο. Η θερμοκρασία αυτή ονομάζεται θερμοκρασία μετάβασης και κάτω από αυτήν τα σωματίδια αν και παραμένουν μιας μαγνητικής περιοχής συμπεριφέρονται σιδηρομαγνητικά. Ο χαρακτηριστικός χρόνος μεταξύ 2 διαδοχικών μεταπτώσεων καλείται χρόνος εφησυχασμού και είναι γνωστός και ως εφησυχασμός Néel. Αυτός, δηλώνει το χρονικό διάστημα (s) που απαιτείται έτσι ώστε το σύστημα να μηδενίσει την μαγνήτιση του ύστερα από την απομάκρυνση ενός εξωτερικά εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. O χρόνος εφησυχασμού της ροπής ενός σωματιδίου, τ, δίνεται από τη σχέση Néel-Brown: (2) και περιλαμβάνει τον χαρακτηριστικό χρόνο τ ο (για οξείδια του σιδήρου ~1 9 s), την ενέργεια ανισοτροπίας Κ eff, τον όγκο του σωματιδίου V, τη σταθερά Boltzmann k Β και την θερμοκρασία Τ. Νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου με μέση διάμετρο 4-1 nm που χρησιμοποιούνται συνήθως ως παράγοντες αντίθεσης στην τεχνική απεικόνισης με μαγνητικό 7

14 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη συντονισμό (MRI) έχουν χαρακτηριστικούς χρόνους εφησυχασμού τ που κυμαίνονται από 1 8 έως και 1 6 s. Επιφανειακά φαινόμενα Εκτός από τα φαινόμενα μεγέθους, εξίσου σημαντική συνεισφορά στις μαγνητικές ιδιότητες των νανοσωματιδίων έχουν και τα επιφανειακά φαινόμενα. Τα επιφανειακά φαινόμενα είναι αποτέλεσμα της ασυμμετρίας στην κρυσταλλική δομή της επιφάνειας του νανοσωματιδίου, της ενδεχόμενης οξείδωσης, της ύπαρξης επιφανειοδραστικών ή των διαφορετικών φυσικών και χημικών δομών στο εσωτερικό του πυρήνα του νανοσωματιδίου, και ως αποτέλεσμα έχουν τις μεταβολές στη δομή των ενεργειακών ζωνών και τη μεταβολή στη σταθερά της κυψελίδας και της συναρμογής των ατόμων. Εξαιτίας του μεγάλου ποσοστού των ατόμων που βρίσκονται στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων, καθώς το μέγεθος τους μειώνεται, μπορεί να εμφανιστεί το φαινόμενο μείωσης ή αύξησης της μαγνήτισης κόρου. Η μείωση της μαγνήτισης κόρου, που εμφανίζεται συνήθως στα οξείδια του σιδήρου, δύναται να οφείλεται στην ύπαρξη ενός μαγνητικά αδρανούς στρώματος στην επιφάνεια ή στην παρουσία μη διατεταγμένων spin. Η αύξηση της μαγνήτισης κόρου, από την άλλη πλευρά, εμφανίζεται σε μεταλλικά νανοσωματίδια (Fe, Co, Ni) όταν δεν υπάρχουν αλληλεπιδράσεις με το χημικό περιβάλλον. Σε αυτήν την περίπτωση τα άτομα της επιφάνειας έχουν διαφορετική συμμετρία και η ενίσχυση της μαγνητικής ροπής μπορεί να φτάσει και το 5%, ωστόσο συναντάται σπάνια λόγω της εύκολης οξείδωσης των μεταλλικών νανοσωματιδίων. 8 Φαινόμενα θερμικών απωλειών Η εκμετάλλευση των μαγνητικών νανοσωματιδίων σε βιοϊατρικές εφαρμογές, όπως η μαγνητική υπερθερμία, βασίζεται στην ικανότητα τους να εμφανίζουν φαινόμενα θερμικών απωλειών. Όταν ένα σύστημα μαγνητικών νανοσωματιδίων υπόκειται σε εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, τότε δύναται η απορρόφηση ενέργειας και στη συνέχεια, μέσω διαφόρων μηχανισμών αντιστροφής της μαγνήτισης τους, η διοχέτευση αυτής σε μορφή θερμότητας. Οι κυριότεροι μηχανισμοί της μετατροπής μαγνητικής ενέργειας σε θερμότητα περιλαμβάνουν τις απώλειες υστέρησης στο εσωτερικό των σωματιδίων, τις απώλειες λόγω μηχανισμών αφηρέμησης της μαγνήτισης, και συγκεκριμένα του μηχανισμού Néel (περιστροφή μαγνητικών ροπών στο εσωτερικό των σωματιδίων) και του μηχανισμού Brown (περιστροφή 8

15 χάνεται ανά κύκλο μαγνήτισης. 1 (3) Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ του ίδιου του σωματιδίου) και τις απώλειες ιξώδους, ενώ λιγότερο σημαντικές θεωρούνται οι απώλειες λόγω δινορευμάτων. 9 Απώλειες υστέρησης Σωματίδια πολλών περιοχών από σιδηρομαγνητικό υλικό εμφανίζουν υστέρηση κάτω από την επίδραση ενός χρονικά μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου με αποτέλεσμα την έκλυση θερμότητας. Η πυκνότητα ισχύος ανά μονάδα όγκου που παρέχεται ως θερμότητα είναι ανάλογη της συχνότητας και του εμβαδού του βρόχου υστέρησης και είναι η ενέργεια που Εικόνα 1.4:Βρόχος υστέρησης με b το σημείο της παραμένουσας μαγνήτισης όταν η ένταση του πεδίου έχει μηδενιστεί, και c το σημείο που αντιστοιχεί στο μηδενισμό της μαγνητικής επαγωγής (συνεκτικό πεδίο). Οι απώλειες αυτές οφείλονται στην μεταβολή των ορίων (τοιχωμάτων) και της διεύθυνσης των μαγνητικών περιοχών, δηλαδή μεταβολή της διεύθυνσης των ατομικών μαγνητικών ροπών. Από την εξίσωση της πυκνότητας ισχύος, συνάγεται ότι η μέγιστη θεωρητικά τιμή της θερμότητας θα περιλάμβανε έναν τετραγωνικό βρόχο υστέρησης, το οποίο είναι τεχνολογικά αδύνατο να επιτευχθεί, ωστόσο οι απώλειες από υστέρηση αποδίδουν μεγαλύτερα ποσά θερμότητας από άλλους μηχανισμούς, έχουν όμως το μειονέκτημα ότι απαιτούν υψηλότερα μαγνητικά πεδία. Απώλειες λόγω μηχανισμών αφηρέμησης Η έρευνα στη μαγνητική υπερθερμία εστιάζεται κυρίως στην εφαρμογή της λεγόμενης μαγνητικής υπερθερμίας σε ρευστό, όπου τα μαγνητικά νανοσωματίδια που αποτελούν την πηγή της θερμότητας είναι μιας περιοχής (υπερπαραμαγνητικά), της τάξης των νανομέτρων 9

16 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη (nm) και εισάγονται σε κάποιο υδατικό διάλυμα. Τα υπερπαραμανητικά νανοσωματίδια δεν χαρακτηρίζονται από μαγνητικά τοιχώματα και κατά συνέπεια δεν εκλύεται θερμότητα λόγω απωλειών υστέρησης κατά τη μαγνήτιση τους. Με εφαρμογή εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου, οι βασικότεροι μηχανισμοί ανάπτυξης θερμότητας είναι ο μηχανισμός Néel και ο μηχανισμός Brown, ενώ όταν το ρευστό απομακρυνθεί από το μαγνητικό πεδίο, η μαγνήτιση του επανέρχεται στο μηδέν (χαλαρώνει/εφησυχάζει) σε πεπερασμένο χρονικό διάστημα εξαιτίας της θερμικής ενέργειας που υπάρχει στο περιβάλλον. Ο εφησυχασμός αυτός αντιστοιχεί είτε στη μηχανική περιστροφή των ίδιων των νανοσωματιδίων μέσα στο ρευστό είτε στην περιστροφή των ατομικών μαγνητικών ροπών στο εσωτερικό κάθε σωματιδίου ξεχωριστά. Η πρώτη κίνηση ονομάζεται κίνηση Brown, ενώ η δεύτερη αναφέρεται στο μηχανισμό Néel. 1 Εικόνα 1.5: Μηχανισμοί εφησυχασμού Néel και Brown. Κάθε ένας από τους δύο μηχανισμούς εφησυχασμού χαρακτηρίζεται από ένα χρόνο εφησυχασμού, τ N για το μηχανισμό Néel που εξαρτάται από την ενέργεια μαγνητικής ανισοτροπίας των υπερπαραμαγνητικών σωματιδίων σε σχέση με τη θερμική ενέργεια και τ Β για το μηχανισμό Brown που εξαρτάται από τις ιδιότητες του ρευστού. Σε περίπτωση αδυναμίας μηχανικής περιστροφής των σωματιδίων λαμβάνεται υπόψη μόνον ο χρόνος τ N. (4) όπου Κ η σταθερά ανισοτροπίας, V ο όγκος νανοσωματιδίου, k B η σταθερά Boltzmann, Τ η απόλυτη θερμοκρασία και τ ο ~1-9 s, ενώ όταν υπάρχει περιστροφή των ίδιων των σωματιδίων μέσα στο ρευστό, ο χαρακτηριστικός χρόνος είναι: 4 (5) όπου r h είναι η υδροδυναμική ακτίνα των σωματιδίων και η το ιξώδες του ρευστού. 1

17 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ Κάθε ένας από τους δύο χρόνους εφησυχασμού εξαρτάται σε διαφορετικό βαθμό από το μέγεθος των σωματιδίων, συγκεκριμένα ο μηχανισμός Néel κυριαρχεί σε μικρότερες διαμέτρους σωματιδίων απ ότι ο Brown, ενώ για δεδομένο μέγεθος οι απώλειες από το μηχανισμό Brown γίνονται μέγιστες σε χαμηλότερες συχνότητες από ότι οι απώλειες που οφείλονται στο μηχανισμό Néel. Η ισχυρή εξάρτηση των χρόνων εφησυχασμού από το μέγεθος των σωματιδίων οδηγεί σε πολύ απότομα μέγιστα στην πυκνότητα απωλειών σε σχέση με το μέγεθος των σωματιδίων και ενώ είναι δύσκολος ο διαχωρισμός των δύο μηχανισμών, μπορεί να οριστεί μία κρίσιμη διάμετρος νανοσωματιδίων d c, όπου ο εφησυχασμός οφείλεται και στους δύο μηχανισμούς και ο αντίστοιχος ενεργός χρόνος εφησυχασμού είναι: (6) Απώλειες ιξώδους Εκτός από τα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια και νανοσωματίδια μεγαλύτερου μεγέθους που δεν είναι μιας μαγνητικής περιοχής, παράγουν ενέργεια λόγω της περιστροφής τους μέσα στο ρευστό κατά την εφαρμογή εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου, συνεισφέροντας στην έκλυση θερμότητας. Απώλειες λόγω δινορευμάτων Σε οποιοδήποτε αγώγιμο υλικό τοποθετημένο εντός εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου επάγονται ρεύματα στο εσωτερικό του με τη μορφή δινών. Η ένταση του ρεύματος είναι ανάλογη του έντασης του πεδίου και του μεγέθους του υλικού. Συνεπώς δεν είναι ο κύριος μηχανισμός έκλυσης θερμότητας όταν χρησιμοποιούντα νανοσωματίδια. Η ροή του ρεύματος μέσα στο υλικό περιορίζεται από την ηλεκτρική του αντίσταση και το φαινόμενο παραγωγής θερμότητας οφείλεται στο φαινόμενο Joule ΒΪΟΙΑΤΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Οι βιοϊατρικές εφαρμογές, ταξινομούνται ανάλογα με το εάν αυτές εφαρμόζονται σε ζωντανό οργανισμό (in vivo applications) ή σε τεχνητό περιβάλλον (in vitro applications). Μεταξύ αυτών, στις in vitro εφαρμογές, οι οποίες καλύπτουν κυρίως την περιοχή των 11

18 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη διαγνωστικών, συμπεριλαμβάνονται ο μαγνητικός διαχωρισμός και η σήμανση κυττάρων, ενώ στις βασικότερες in vivo εφαρμογές συμπεριλαμβάνονται, η υπερθερμία και η στοχευμένη απελευθέρωση φαρμάκου που χρησιμοποιούνται ως θεραπευτικές τεχνικές, και η μαγνητική τομογραφία (MRI) που αποτελεί μια καθαρά διαγνωστική εφαρμογή. 11 Η εκμετάλλευση των μαγνητικών νανοσωματιδίων σε βιοϊατρικές εφαρμογές οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι οι διαστάσεις τους είναι συγκρίσιμες με αυτές των βιολογικών συστημάτων (π.χ. ενός ιού), υπάρχει η δυνατότητα εκμετάλλευσης της μαγνητικής τους ροπής και ταυτόχρονα είναι δυνατός ο χειρισμός και η καθοδήγηση τους από ένα εξωτερικά εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Στοχευμένη μεταφορά φαρμάκου Κατά την στοχευμένη θεραπεία παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, ένα κυτταροτοξικό φάρμακο έρχεται σε επαφή με ένα βιοσυμβατό μαγνητικό φορέα νανοσωματιδίων, όπως είναι για παράδειγμα τα οξείδια του σιδήρου. Αυτά, παρέχονται συνήθως σε μορφή σιδηρορευστού (ferrofluid) και χορηγούνται στον ασθενή, μέσω του κυκλοφορικού συστήματος. Κατά την εισαγωγή των νανοσωματιδίων στο αίμα, χρησιμοποιείται ένα εξωτερικά εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο που περιορίζει το σύνθετο υλικό, σε συγκεκριμένο σημείο του σώματος, όπως παρουσιάζεται στην εικόνα 1.6. Αφού το φάρμακο συγκεντρωθεί σε αυτό το σημείο, απελευθερώνεται μέσω είτε ενζυματικής διαδικασίας, είτε μεταβάλλοντας μερικές από τις φυσιολογικές συνθήκες όπως είναι για παράδειγμα το ph, η ώσμωση ή/και η θερμοκρασία, με σκοπό να απορροφηθεί από τον αντίστοιχο όγκο. Το παραπάνω σύστημα, γνωστό ως μαγνητικός φορέας φαρμάκων παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα έναντι άλλων συνηθισμένων, μη-εντοπισμένων μεθόδων που χρησιμοποιούν κυτταροτοξικές ουσίες. Εικόνα 1.6: Απεικόνιση μαγνητικού συστήματος παροχής φαρμάκου, όπου ένας μαγνήτης βαθμωτού πεδίου εφαρμόζεται εξωτερικά στο σώμα, με σκοπό τον εντοπισμό των νανοσωματιδίων/φαρμάκου σε συγκεκριμένο στόχο (π.χ. όγκος). 12

19 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ Ενίσχυση σήματος MRI με παράγοντες αντίθεσης Tα τελευταία χρόνια, η έρευνα έχει προσανατολιστεί στην ανάπτυξη ανόργανων νανοσωματιδίων με σκοπό την εφαρμογή τους, στην τεχνική απεικόνισης με μαγνητικό συντονισμό (MRI). Μεταξύ αυτών τα μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου έχουν ευρέως χρησιμοποιηθεί ως παράγοντες αντίθεσης στην τεχνική MRI, λόγω της ικανότητας τους να ενισχύουν το σήμα της φωτοαντίθεσης, που οφείλεται στις μοναδικές ιδιότητές τους όπως το μεγάλο εμβαδόν της επιφανείας τους και η υπερπαραμαγνητική τους συμπεριφορά. Υπερθερμία Η υπερθερμία αποτελεί μία μέθοδο αντικαρκινικής θεραπείας, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί μαζί με άλλες θεραπευτικές τεχνικές, όπως η ακτινοβόληση των όγκων με ακτίνες-χ και η χημειοθεραπεία, και είναι μία μέθοδος τοπικής αύξησης της θερμοκρασίας (41-45 o C) των ιστών χρησιμοποιώντας μαγνητικά υλικά σε μορφή ράβδου ή σφαιριδίου, κοντά στην περιοχή του όγκου. Όταν τα μαγνητικά υλικά υποβάλλονται σε εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, παράγεται θερμότητα λόγω της απώλειας μαγνητικής υστέρησης, λόγω των μηχανισμών αφηρέμησης ή από τη συνεισφορά και των δύο. Το ποσό που θα προκύψει εξαρτάται από τη φύση του μαγνητικού υλικού και τις παραμέτρους του μαγνητικού πεδίου. Έτσι, η μαγνητική υπερθερμία αφορά θεραπείες στις οποίες κατά κανόνα εισάγονται στον πάσχοντα οργανισμό μαγνητικά νανοσωματίδια (π.χ. μαγνητίτη) μέσω έγχυσης στο φλεβικό δίκτυο ή άμεσα στο εσωτερικό του όγκου. Τα νανοσωματίδια λειτουργούν ως σημειακές πηγές θερμότητας στο σώμα του ασθενή, κατά την εφαρμογή του εξωτερικά εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. Αξιοποιώντας τις μαγνητικές ιδιότητες αυτών των μαγνητικών υλικών, εκλύεται θερμότητα στο εσωτερικό του καρκινικού όγκου, εξ αιτίας της αλληλεπίδρασης του με το εξωτερικά εφαρμοζόμενο πεδίο, με απώτερο σκοπό την καταστροφή των καρκινικών κυττάρων. Η έκλυση θερμότητας από τα νανομαγνητικά σωματίδια που θα οδηγήσουν στην μαγνητική υπερθερμία επιτυγχάνεται μέσω της μετατροπής της μαγνητικής ενέργειας που απορροφούν τα μαγνητικά υλικά σε θερμική και της απαγωγής της θερμότητας κατά την επαναλαμβανόμενη διαδικασία μαγνήτισης τους. Γενικά η διαδικασία μαγνήτισης καθορίζει το ποσό της απορροφούμενης μαγνητικής ενέργειας και ως εκ τούτου το ποσοστό της ενέργειας που μετατρέπεται σε θερμότητα. Η αύξηση της θερμοκρασίας εξαρτάται επίσης από την τοπική κυκλοφορία του αίματος και τη θερμική αγωγιμότητα του περιβάλλοντος μέσου. 13

20 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Ανάλογα με το είδος των μαγνητικών νανοσωματιδίων που χρησιμοποιούνται κάθε φορά, οι μηχανισμοί μετατροπής της ενέργειας του μαγνητικού πεδίου σε θερμότητα διαφοροποιούνται. Έτσι, στην περίπτωση των σιδηρομαγνητικών νανοσωματιδίων, έκλυση θερμότητας γίνεται μέσω των απωλειών υστέρησης κατά την εφαρμογή του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου, ενώ στην περίπτωση των υπερπαραμαγνητικών νανοσωματιδίων γίνεται μέσω των μηχανισμών αφηρέμησης της μαγνήτισης, και συγκεκριμένα του μηχανισμού Néel (περιστροφή μαγνητικών ροπών στο εσωτερικό των σωματιδίων) και του μηχανισμού Brown (περιστροφή του ίδιου του σωματιδίου). 6 Ανεξαρτήτως του μηχανισμού προέλευσης απωλειών της μαγνήτισης, ζητούμενο είναι η καλύτερη δυνατή μετατροπή της εφαρμοζόμενης μαγνητικής ενεργείας σε θερμική. Καθίσταται λοιπόν απαραίτητη η θέσπιση ενός μεγέθους που θα εκφράζει την θερμική απόδοση των νανοσωματιδίων σε εφαρμογές μαγνητικής υπερθερμίας. Το μέγεθος αυτό καλείται SLP (Specific Loss Power), και δίνει μακροσκοπικά την ενέργεια που αποβάλλουν σε μορφή θερμότητας τα νανοσωματίδια και ορίζεται ως η ισχύς που παράγεται ανά μονάδα βάρους του μαγνητικού υλικού (W/g), όταν αυτό βρεθεί υπό την επίδραση εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. όπου, c είναι η ειδική θερμότητα, m f είναι η μάζα του διαλύματος, m mag είναι αντίστοιχα η μάζα του μαγνητικού υλικού των νανοσωματιδίων που περιέχονται στο διάλυμά, ΔΤ/Δt είναι η κλίση της καμπύλης της θερμοκρασίας ως προς τον χρόνο. Όσο αναφορά τους περιορισμούς, οι κυριότεροι που σχετίζονται με τα μαγνητικά νανοσωματίδια είναι η βιοσυμβατότητά τους, οι διαστάσεις τους που πρέπει να είναι αρκετά μικρές ώστε να εισχωρούν ακριβώς στην επιθυμητή περιοχή, οι καλές μαγνητικές του ιδιότητες και η δυνατότητα δημιουργίας χημικών δεσμών με χημικές ομάδες για στόχευση συγκεκριμένων οργάνων/περιοχών όταν εισάγονται στον οργανισμό μέσω φλεβικής έγχυσης. Τυπικά μαγνητικά νανοσωματίδια είναι ο μαγνητίτης (Fe 3 O 4 ) και ο μαγκεμίτης (γ-fe 2 O 3 ) επικαλυμμένα με ένα βιοσυμβατό μη μαγνητικό υλικό. Η χρήση των οξειδίων του σιδήρου πέρα των μαγνητικών ιδιοτήτων τους βασίζεται στην ιδιότητα του σώματος να μπορεί να αντιμετωπίσει την ύπαρξη πλεονάζουσας ποσότητας σιδήρου σε αυτό. Η ομοιόσταση του σιδήρου μπορεί να αντιμετωπιστεί με τη διαδικασία της απορρόφησης και αποθήκευσης και συνεπώς ο ανθρώπινος οργανισμός μπορεί να χειριστεί την εισαγωγή του σιδήρου μέσω των (7) 14

21 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ μαγνητικών νανοσωματιδίων. Υπάρχουν βέβαια και περιπτώσεις όπου ο σίδηρος μπορεί να είναι τοξικός για ορισμένα κύτταρα. 12 Από τα παραπάνω, εύκολα μπορεί να αντιληφθεί ο καθένας, ότι η επιλογή των κατάλληλων μαγνητικών νανοσωματιδίων, είναι πάρα πολύ σημαντική για την ομαλή εφαρμογή της μεθόδου αυτής. Πρέπει λοιπόν να τηρηθούν κάποιες προϋποθέσεις. Επίσης, πολύ σημαντικό είναι και το πεδίο που θα επιλεγεί, τόσο σε ένταση, όσο και σε συχνότητα έτσι ώστε με τα χαρακτηριστικά του πεδίου που επιλέχθηκαν να είναι εφικτή η θεραπεία των καρκινικών όγκων ΜΑΓΝΗΤΟΣΩΜΑΤΑ ΜΑΓΝΗΤΟΤΑΚΤΙΚΑ ΒΑΚΤΗΡΙΑ Τα μαγνητοτακτικά βακτήρια είναι προκαρυωτικοί οργανισμοί που ανακαλύφθηκαν από τον Richard P. Blakemore το 1975 και έχουν την ικανότητα να προσανατολίζονται κατά μήκος των μαγνητικών γραμμών του μαγνητικού πεδίου της Γης, λόγω των μαγνητικών κρυστάλλων που διαθέτουν, των μαγνητοσωμάτων. Μέχρι σήμερα, όλα τα μαγνητοτακτικά βακτήρια αναφέρονται να συσσωματώνουν είτε μαγνητίτη (Fe 3 O 4 ) είτε γκρεϊγκίτη (Fe 3 S 4 ). Το φαινόμενο των μικροοργανισμών που τείνουν να κινούνται σύμφωνα με τα μαγνητικά χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος είναι γνωστό ως μαγνητοτακτισμός (magnetotaxis) και τα βακτήρια αυτά, που περιέχουν μόνιμους μαγνήτες αναγκάζονται σε ευθυγράμμιση ακριβώς όπως μια πυξίδα, ενώ η ευθυγράμμιση αυτή, πιστεύεται ότι βοηθάει τους οργανισμούς ώστε να φτάνουν σε περιοχές με τη βέλτιστη για αυτούς συγκέντρωση οξυγόνου. 13 Εικόνα 1.7: Μορφή μαγνητοτακτικού βακτηρίου. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές μορφολογίες μαγνητοτακτικών βακτηρίων που διαφέρουν ως προς τον αριθμό, τη διάταξη και το σχήμα και είναι δυνατόν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες, ανάλογα με το αν παρουσιάζουν μαγνητοσώματα με μαγνητικούς κρυστάλλους μαγνητίτη (Fe 3 O 4 ) ή γκρεϊγκίτη (Fe 3 S 4 ), αν και ορισμένα είδη είναι σε θέση να παρουσιάζουν 15

22 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη και τους δύο. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα μαγνητοσώματα μαγνητίτη, λόγω της υψηλής καθαρότητας καθώς και του στενού εύρους μεγέθους, κάτι που καθιστά δυνατή την εκμετάλλευση τους σε τεχνολογικές εφαρμογές. Τα μαγνητοτακτικά βακτήρια παράγουν τα μαγνητικά τους σωματίδια σε μορφή αλυσίδων (chains). Το μαγνητικό δίπολο του κυττάρου είναι συνεπώς το άθροισμα των επιμέρους διπόλων του κάθε μαγνητικού κρυστάλλου και είναι αρκετό για να προσανατολίσει το κύτταρο ξεπερνώντας τις συνήθεις θερμικές δυνάμεις που συναντώνται σε υδάτινα περιβάλλοντα. Με την παρουσία περισσότερων από μίας μόνο αλυσίδας, οι μεταξύ αλυσίδων απωθητικές δυνάμεις θα ωθήσουν αυτές τις δομές στην άκρη του κυττάρου, προκαλώντας διόγκωση. Εικόνα 1.8: Αλυσίδες μαγνητοσωμάτων μαγνητίτη σε βακτηριακό κύτταρο. Η ποικιλομορφία των μαγνητοτακτικών βακτηρίων είναι μεγάλη και τα συνήθως παρατηρούμενα σχήματα περιλαμβάνουν σφαιρικά ή ωοειδή κύτταρα (κόκκοι), ραβδοειδή (βάκιλοι), κυρτά βακτήρια (vibrio) και ελικοειδή (spirillum) διαφόρων διαστάσεων, ενώ ανεξάρτητα από τη μορφολογία τους, όλα τα μαγνητοτακτικά βακτήρια που έχουν μελετηθεί μέχρι σήμερα είναι ικανά να κινούνται λόγω του προωθητικού μηχανισμού του βακτηρίου. Ένα άλλο χαρακτηριστικό που δείχνει σημαντική ποικιλομορφία είναι η διάταξη των μαγνητοσωμάτων μέσα στο βακτηριακό κύτταρο. Στην πλειοψηφία των μαγνητοτακτικών βακτηρίων, τα μαγνητοσώματα ευθυγραμμίζονται σε αλυσίδες διάφορων μηκών και αριθμών κατά μήκος του μεγάλου άξονα του κυττάρου ώστε αυτό να είναι σε κατάσταση ελάχιστης ενέργειας, μεγιστοποιώντας όμως έτσι τη μαγνητική διπολική του ροπή. 16

23 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΣΥΝΘΕΣΗΣ Υπάρχουν δύο τρόποι σύνθεσης μαγνητοσωμάτων μαγνητίτη, η βιολογική μέθοδος μέσω των μαγνητοτακτικών βακτηρίων που είναι σύνθεση in vivo, και η παραγωγή/σύνθεση στο εργαστήριο που είναι μέθοδος in vitro. 14 Ιn Vivo Τα μαγνητοτακτικά βακτήρια, όπως αναφέραμε,, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν πηγή για την παραγωγή ομοιόμορφων μαγνητικών νανοκρυστάλλων με την επιθυμητή μορφολογία αλλά και με το επιθυμητό σχήμα μέσω της βιοορυκτοποίησης (biomineralιzation). Η διαδικασία της βιοορυκτοποίησης στα μαγνητοτακτικά βακτήρια είναι ευρύτερα αποδεκτό ότι ελέγχεται από βιομήτρες, και ο σχηματισμός του μαγνητίτη εντός ή εκτός του κυττάρου στο βακτήριο, επιτυγχάνεται καθώς το βακτήριο είναι σε θέση να δεσμεύει σίδηρο και να τον μετατρέπει. Αποτέλεσμα της διαδικασίας αυτής είναι να λαμβάνονται μαγνητικοί νανοκρύσταλλοι με εξαιρετικές μαγνητικές ιδιότητες, στενό εύρος μεγέθους και υψηλή καθαρότητα. Εικόνα 1.9: Σχηματική απεικόνιση σύνθεσης μαγνητίτη μέσα στο μαγνητοτακτικό βακτήριο. Ιn Vitro Η μέθοδος σύνθεσης στο εργαστήριο είναι εμπνευσμένη από τη βιολογική μέθοδο της βιοορυκτοποίησης που συμβαίνει στα μαγνητοτακτικά βακτήρια. Μπορεί να γίνει σύνθεση ομογενής ή ετερογενής, σύνθεση με εφαρμογή ισχυρών υπερήχων ή μηχανοχημική σύνθεση. Οι απαιτήσεις για τις συνθήκες κάτω από τις οποίες είναι δυνατόν να συντεθούν μαγνητοσώματα είναι πολύ συγκεκριμένες. Έτσι, χρειάζονται ακραίες θερμοκρασίες και αυστηρά συγκεκριμένη πίεση κατά την αντίδραση, τοξικά αντιδραστήρια και σε πολλές περιπτώσεις χρονοβόρα επεξεργασία μετά τη σύνθεση. 17

24 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ Τα μαγνητοσώματα αποτελούνται από δύο μέρη, μία οργανική μεμβράνη λιπιδίου και έναν ανόργανο κρύσταλλο (οξείδιο του σιδήρου ή σουλφίδιο του σιδήρου), ενώ το μέγεθος και η μορφολογία των κρυστάλλων των μαγνητοσωμάτων, καθώς και η διάταξη αυτών εντός του κυττάρου, είναι υπό αυστηρό γενετικό έλεγχο. 15 Στην εικόνα 1.1 παρουσιάζεται μία αλυσίδα μαγνητοσωμάτων, όπου κάθε μαγνητόσωμα περιβάλλεται από μία μεμβράνη πρωτεϊνών και λιπιδίων. Εικόνα 1.1: Μαγνητόσωμα με κάθε νανοκρύσταλλο μαγνητίτη να περιβάλλεται από μία οργανική μεμβράνη λιπιδίου. Τα μαγνητοσώματα παρουσιάζουν εύρος μεγέθους 35-12nm, και μπορούν να παραμείνουν μιας μαγνητικής περιοχής σε θερμοκρασία περιβάλλοντος μεγιστοποιώντας έτσι την παραμένουσα μαγνήτιση ανά μονάδα όγκου. Η μορφολογία τους έχει τρεις τύπους και μπορεί να είναι κυβοοκταεδρική, επιμήκης πρισματική ή σε σχήμα σφαίρας. Στην εικόνα 1.11 παρουσιάζεται η μορφολογία των μαγνητοσωμάτων για τον κάθε διαφορετικό τύπο. (α) (β) (γ) Εικόνα 1.11: Μαγνητοσώματα με κυβοοκταεδρική μορφή (α), επιμήκη πρισματική (β) και μορφή σε σχήμα σφαίρας (γ). 18

25 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ 1.4. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Η σύνθεση μαγνητικών νανοσωματιδίων έχει μελετηθεί εντατικά λόγω του αυξανόμενου ενδιαφέροντος τόσο σε θεμελιώδες επιστημονικό επίπεδο όσο και στο διευρυμένο πεδίο εφαρμογών τους. Μέχρι σήμερα έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι, φυσικές και χημικές, για τη σύνθεση μαγνητικών νανοσωματιδίων σε εργαστήρια με ελεγχόμενη σύσταση, μέγεθος και σχήμα. Στις φυσικές μεθόδους περιλαμβάνονται η φυσική εναπόθεση ατμών, η λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης και η εναπόθεση με ιοντοβολή. Τα μειονεκτήματα των φυσικών μεθόδων είναι η αδυναμία σύνθεσης μονοδιεσπαρμένων νανοσωματιδίων καθώς και ο μέτριος έλεγχος του μεγέθους τους. Στις χημικές μεθόδους περιλαμβάνονται η τεχνική solgel, η συγκαταβύθιση, τα μικρογαλακτώματα, η μέθοδος της πολυόλης και η μέθοδος της θερμόλυσης. Από αυτές οι περισσότερο διαδεδομένες τεχνικές είναι εκείνες των χημικών μεθόδων σε διαλύματα, της φυσικής εναπόθεσης ατμών και της μηχανικής κατεργασίας. Η μηχανική κατεργασία βασίζεται στο κατακερματισμό των μακροσκοπικών υλικών με πορεία προς τη σμίκρυνση και το σχηματισμό νανοσωματιδίων και αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως top-down προσέγγιση. Αντίθετα, η μέθοδος της φυσικής εναπόθεσης ατμών και της χημικής σύνθεσης σε διαλύματα βασίζονται στη σύνθεση νανοσωματιδίων ξεκινώντας από τις δομικές μονάδες των ατόμων ή μορίων με ελεγχόμενο τρόπο. Η προσέγγιση αυτή είναι γνωστή ως bottom-up προσέγγιση. Τα βασικά πλεονεκτήματα των χημικών μεθόδων σε διαλύματα περιλαμβάνουν την ικανότητα ελέγχου του μεγέθους και του σχήματος των νανοσωματιδίων και την ικανότητα επιφανειακής τροποποίησης, που μπορεί να πραγματοποιηθεί ρυθμίζοντας παραμέτρους όπως το ph, τη θερμοκρασία αντίδρασης ή τη συγκέντρωση των πρόδρομων ενώσεων. Καθοριστικό ρόλο στη χημική σύνθεση των σωματιδίων παίζει η παρουσία ή μη διάφορων επιφανειοδραστικών ενώσεων, μορίων που επηρεάζουν ισχυρά την επιφάνεια των σωματιδίων και την ισχύ του μέσου στο οποίο διαλυτοποιούνται, ενώ επιδρούν σημαντικά στο σχήμα, στην κατανομή μεγέθους και στη μορφολογία των σωματιδίων. Οι επιφανειοδρατικές ενώσεις, γνωστές και ως «σταθεροποιητές», ανάλογα με τη φύση τους προσδίδουν διαλυτότητα σε πολικούς ή μη-πολικούς διαλύτες που είναι σημαντικό για διάφορες εφαρμογές όπως για παράδειγμα στην περίπτωση της βιοϊατρικής διάγνωσης και θεραπείας που προϋποθέτει τα μαγνητικά σωματίδια να είναι σταθερά σε υδατικά μέσα. 19

26 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Ο σχηματισμός ομοιόμορφων κολλοειδών μονοδιεσπαρμένων σωματιδίων εξαρτάται από το στάδιο της πυρηνοποίησης και το στάδιο της ανάπτυξης, σύμφωνα με τη θεωρία La Mer που περιγράφει τη σύνθεση νανοκρυστάλλων σε διαλύματα. Τα δύο αυτά στάδια επηρεάζουν ισχυρά το μέγεθος και την κατανομή μεγέθους των σχηματιζόμενων σωματιδίων και για την επιτυχή τελική μορφολογία απαιτείται ένα σύντομο στάδιο πυρηνοποίησης που ακολουθείται από ένα αργό στάδιο ανάπτυξης. Μονοδιασπορά σωματιδίων με σχετική απόκλιση (~5%) συντίθενται σύμφωνα με το διάγραμμα La Mer (Εικόνα 1.12), πάνω από ένα κρίσιμο σημείο (C>C min ) με ραγδαία πυρήνωση όταν η συγκέντρωση του μονομερούς αυξηθεί απότομα πάνω από μια κρίσιμη συγκέντρωση (C>C s ) ξεπερνώντας την κρίσιμη συγκέντρωση υπερκορεσμού (C=C max ) και χωρίς περαιτέρω σχηματισμό νέων πυρήνων. Εικόνα 1.12: Διάγραμμα La Mer. Οι πυρήνες που σχηματίζονται, αρχίζουν να αναπτύσσονται στην συνέχεια με τον ίδιο ρυθμό, συνήθως μέσω συνδυασμού διάχυσης των ατόμων πάνω στον πυρήνα και με αμετάκλητη συσσώρευση του πυρήνα, προσδίδοντας στα σωματίδια μονοδιασπορά. Τα νανοσωματίδια μόλις παρασκευαστούν χαρακτηρίζονται από υψηλή επιφανειακή ενέργεια με αποτέλεσμα να συσσωματώνονται εύκολα, ενώ προκειμένου να παρεμποδιστεί η συσσωμάτωση αυτή, σταθεροποιούνται με κατάλληλα επιφανειοδραστικά μόρια. Ελέγχοντας τον ρυθμό πυρήνωσης και ανάπτυξης των σωματιδίων είναι δυνατόν να ελεγχθεί και το μέγεθος των νανοσωματιδίων. Πιο συγκεκριμένα, όταν η πυρήνωση γίνεται πολύ γρήγορα, η συγκέντρωση των πυρήνων που δημιουργούνται είναι υψηλή με αποτέλεσμα 2

27 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ να σχηματίζονται νανοσωματίδια με μικρότερα μεγέθη. Αντίθετα, η αργή πυρήνωση παρέχει χαμηλή συγκέντρωση κόκκων που «καταναλώνοντας» την ίδια ποσότητα πρόδρομης ένωσης οδηγεί στο σχηματισμό μεγαλύτερων σε μέγεθος σωματιδίων, όπως φαίνεται στην Εικόνα Στην πραγματικότητα η ισορροπία μεταξύ της πυρηνοποίησης και της ανάπτυξης των σωματιδίων μπορεί να ελεγχθεί μεταβάλλοντας την θερμοκρασία της αντίδρασης καθώς η ενέργεια που απαιτείται για ομογενή πυρηνοποίηση είναι αισθητά μεγαλύτερη από εκείνη που απαιτείται για την ανάπτυξη του σωματιδίου και έτσι σε υψηλότερες θερμοκρασίες ευνοούνται τα μικρότερα μεγέθη. Εικόνα 1.13: Πυρηνοποίηση και ανάπτυξη κατά τη διαδικασία σύνθεσης νανοσωματιδίων. Οι μέθοδοι σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων σε διαλύματα μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κατηγορίες. Στις υδρολυτικές, που περιλαμβάνεται η μέθοδος της συγκαταβύθισης και των μικρογαλακτωμάτων, η σύνθεση sol-gel, η ηλεκτροχημική μέθοδος και η σύνθεση με υπέρηχους και που κατά κύριο λόγο βασίζονται στην υδρόλυση δισθενών και τρισθενών ιόντων σιδήρου και στις μη υδρολυτικές που περιλαμβάνονται η μέθοδος της θερμόλυσης που βασίζεται στην πυρόλυση/θερμική διάσπαση πρόδρομων οργανικών μορίων του σιδήρου και η μέθοδος της πολυόλης. Στην παρούσα εργασία, η χημική μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για σύνθεση νανοσωματιδίων είναι η συγκαταβύθιση και αναλύεται στη συνέχεια. Συγκαταβύθιση ιόντων H μέθοδος της συγκαταβύθισης αποτελεί πιθανά την πιο απλή και αποδοτική μέθοδο για τη σύνθεση μαγνητικών νανοσωματιδίων, και κυρίως οξειδίων του σιδήρου (γ-fe 2 O 3, Fe 3 O 4 ). Η σύνθεση πραγματοποιείται με συγκαταβύθιση δισθενών και τρισθενών αλάτων σε υδατική φάση σε βασικό περιβάλλον (ΝaΟΗ ή NH 4 OH) και κατά κανόνα σε χαμηλή θερμοκρασία και αδρανή ατμόσφαιρα. 21

28 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Ο Μassart ήταν ο πρώτος που παρασκεύασε υπερπαραμαγνητικά νανοσωματιδία μαγνητίτη με συγκαταβύθιση αλάτων FeCl 3, FeCl 2 σε αλκαλικές συνθήκες, ενώ από μελέτες που έγιναν αργότερα σε συστήματα Massart διαπιστώθηκε ότι οι ιδιότητες των νανοσωματιδίων όπως και η απόδοση της αντίδρασης εξαρτώνται από διάφορες παραμέτρους, όπως η αναλογία Fe 2+ /Fe 3+ (ιδανικά μεταξύ.5-.6), η συγκέντρωση των πρόδρομων ενώσεων του σιδήρου, το ph και η ιοντική ισχύ του διαλύματος. Ρυθμίζοντας το pη και την ιοντική ισχύ του διαλύματος, είναι δυνατό να ελεγχθεί το μέγεθος των σωματιδίων και πιο συγκεκριμένα, η αύξηση αυτών οδηγεί σε σωματίδια με μικρότερο μέγεθος αλλά και μικρότερη κατανομή μεγέθους, κάτι που οφείλεται στο γεγονός ότι το ph και η ιοντική ισχύ του διαλύματος επηρεάζουν τη χημική σύσταση στην επιφάνεια του σωματιδίου και συνεπώς το ηλεκτροστατικό επιφανειακό φορτίο. Εκτός από τις παραπάνω παραμέτρους, η απόδοση της αντίδρασης, το μέγεθος και η κατανομή μεγέθους επηρρεάζονται ισχυρά από το είδος της βάσης που χρησιμοποιείται για την συγκαταβύθιση των πρόδρομων ενώσεων του σιδήρου και από την παρουσία διαφορετικών κατιόντων. Μαγνητικά νανοσωματίδια που παρασκευάζονται με τη μέθοδο της συγκαταβύθισης χαρακτηρίζονται από ευρείες κατανομές μεγέθους, μεγαλύτερες από 5%. Με τη χρήση κατάλληλων ηλεκτρολύτων ανάλογα με το σύστημα που μελετάται είναι δυνατή η καταβύθιση σωματιδίων διαφορετικών μεγεθών με αποτέλεσμα οι ευρείες κατανομές μεγέθους που λαμβάνονται με την καταβύθιση να περιορίζονται έως και 5%. Υπό βέλτιστες συνθήκες είναι δυνατόν να συντεθούν μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου με μέσο μέγεθος 4-16 nm. Άλλοι παράμετροι που επιδρούν στο μέγεθος των σωματιδίων είναι ο ρυθμός ανάδευσης της αντίδρασης, με αύξηση του οποίου το μέγεθος των σωματιδίων έχει την τάση να μειώνεται. Κατά παρόμοιο τρόπο, παρατηρείται μείωση του μεγέθους αλλά και της πολυδιασποράς του μεγέθους όταν προστεθεί μια βάση στα αντιδρώντα συστήματα. Επιπλέον με αύξηση της θερμοκρασίας ο σχηματισμός νανοσωματιδίων μαγνητίτη μειώνεται, ενώ η παρουσία αδρανούς ατμόσφαιρας, εκτός του ότι προστατεύει το σχηματισμό μαγνητίτη ενάντια στην οξείδωση οδηγεί και σε μικρότερο μέγεθος σωματιδίων. 16,17 Η μέθοδος Massart αποτελεί μια επιτυχημένη μέθοδο για τη σύνθεση υδατικών μαγνητικών ρευστών χωρίς την παρουσία κάποιου επιφανειοδραστικού παράγοντα και προτιμάται για την απλότητα, την επαναληψιμότητα και το μικρό χρόνο αντίδρασης σε σχέση με άλλες μεθόδους και το πλεονέκτημα. Παρόλα αυτά, το υψηλό ph (>9) που απαιτείται για τη σταθεροποίηση των «γυμνών» μαγνητικών σωματιδίων οξειδίων του σιδήρου οδηγεί 22

29 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ συχνά στο σχηματισμό υδροξειδίων του σιδήρου μειώνοντας την καθαρότητα των σχηματιζόμενων σωματιδίων. Προκειμένου να αποφευχθεί ο ανεπιθύμητος σχηματισμός του υδροξειδίου του σιδήρου, η σταθεροποίηση των σχηματιζόμενων σωματιδίων πραγματοποιείται με βιοπολυμερή, όπως η δεξτράνη και η χιτοζάνη, 18 με πρωτεΐνες 19 και με συνθετικά πολυμερή, όπως η πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG), η πολυβινυλική αλκοόλη (PVA), το πολυακρυλικό (PAA) και το πολυμεθακρυλικό οξύ (PMAA), ενώ εκτός από τα πολυμερή και άλλα μόρια χρησιμοποιούνται ως παράγοντες καταβύθισης ή/και σταθεροποίησης για την ανάπτυξη σωματιδίων οξειδίων του σιδήρου, όπως το κιτρικό οξύ, το γλυκονικό οξύ και το διμερκαπτοσουκινικό οξύ με αυτά να προσδένονται ισχυρά στην επιφάνεια των σωματιδίων και ως αποτέλεσμα να υπάρχει καλύτερος έλεγχος του μεγέθους και της μονοδιασποράς, αλλά με μειονέκτημα η μαγνήτιση κορεσμού του σύνθετου πλέον υλικού να μειώνεται ΕΜΠΟΡΙΚΑ ΣΙΔΗΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ Υδατοδιαλυτά σιδηρομαγνητικά σκευάσματα διατίθενται τις τελευταίες δεκαετίες και χρησιμοποιούνται σε πλήθος εφαρμογών. Τα σκευάσματα αυτά, μπορεί να περιέχουν υλικά όγκου ή νανοδιαστάσεων, ενώ οι εταιρίες παραγωγής είναι σε μία συνεχή προσπάθεια ανακάλυψης νέων υλικών ή και βελτιστοποίησης των ήδη διαθέσιμων. Η εκμετάλλευση των σιδηρομαγνητικών ιδιοτήτων στρέφεται κυρίως στις βιοϊατρικές εφαρμογές με χρήση μαγνητικών νανοσωματιδίων, και καθιστά τα σκευάσματα αυτά πιθανούς υποψηφίους για εφαρμογές όπως η μαγνητική υπερθερμία και η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI). Ζητήματα όπως η διασφάλιση ποιότητας, η βιοσυμβατότητα και η αναπαραγωγή, έχουν σε κάποιες περιπτώσεις ήδη επιλυθεί και τα υλικά αυτά ήδη εξετάζονται ως φορείς σε βιοϊατρικές εφαρμογές ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ ΥΛΙΚΩΝ ΟΓΚΟΥ Στόχος των σιδηρομαγνητικών σκευασμάτων υλικών όγκου που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι κυρίως η συμπλήρωση σιδήρου στον ανθρώπινο οργανισμό με πλήθος εταιριών να δραστηριοποιείται στο χώρο αυτό, παρέχοντας πολλά σιδηρομαγνητικά σκευάσματα τα οποία είναι πηγές προμήθειας σιδήρου σε όλες τις καταστάσεις σιδηροπενικής αναιμίας και επιτυγχάνουν την αύξηση της αιμοσφαιρίνης. Η χορήγησή τους μπορεί να γίνει με πόσιμο ή ενέσιμο διάλυμα, ενώ δραστική ουσία είναι η πολυμαλτόζη τρισθενούς σιδήρου. 23

30 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν δύο τέτοια σκευάσματα, το Dextrifer και το Hemafer της εταιρίας Unipharma με απώτερο σκοπό να ελεγχθούν ως φορείς μαγνητικής υπερθερμίας και να συγκριθούν με τα αντίστοιχα σιδηρομαγνητικά ρευστά νανοσωματιδίων, τα λεγόμενα ferrofluids, τα οποία επίσης παρασκευάζονται και διατίθενται πλέον από φαρμακευτικές εταιρίες, με κάποια να είναι ήδη σε pre-clinical δοκιμές και στόχος των περισσοτέρων από αυτά να εισαχθούν ως βιοϊατρικοί φορείς ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Καθώς η νανοεπιστήμη κερδίσει όλο και περισσότερο έδαφος, την τελευταία εικοσαετία φαρμακευτικές εταιρίες όπως η Chemicell, η Micromod και η Nanopet, εκμεταλλευόμενες τις νέες τεχνολογίες, δραστηριοποιούνται στο χώρο αναπτύσσοντας και παράγοντας σε επίπεδο βιομηχανίας μία γκάμα από σιδηρομαγνητικά ρευστά νανοσωματιδίων που προορίζονται για βιοτεχνολογικές εφαρμογές. Τα νανοσωματίδια στα σιδηρομαγνητικά ρευστά ποικίλουν ως προς το μέγεθος και μπορεί να είναι από κάποια νανόμετρα έως κάποια μικρόμετρα αλλά και ως προς τη σύσταση, αφού μπορεί να περιέχουν υλικά σιδηρομαγνητικά, παραμαγνητικά ή υπερπαραμαγνητικά. Ακόμα, σημαντική παράμετρος θεωρείται και η προσθήκη διάφορων επιφανειοδραστικών μορίων που θα μετατρέψουν τα σιδηρορευστά σε βιοσύμβατα (π.χ. δεξτράνη), καθώς και το μέσο το οποίο διαλυτοποιούνται, που συνήθως είναι απεσταγμένο νερό. Σε γενικές γραμμές, η μήτρα των νανοσωματιδίων περιέχει υλικά τα οποία έχουν σιδηρομαγνητική ή υπερπαραμαγνητική συμπεριφορά και το περίβλημα αλλάζει αναλόγως τη χρήση για την οποία προορίζονται. Κάποιες από τις εφαρμογές για τις οποίες προορίζονται τα εμπορικά σιδηρορευστά ανήκουν στον τομέα της βιοτεχνολογίας. Σε αυτές συγκαταλέγονται, η πρόσδεση νανοσωματιδίων κατάλληλου περιβλήματος στο DNA και η μεταφορά του σε άλλα κύτταρα, δηλαδή η επιμόλυνση (magnetofection), που είναι μία μέθοδος απλή, αποτελεσματική και ολοκληρώνεται σε εξαιρετικά σύντομο χρόνο, αφού χρειάζεται μικρό χρόνο επώασης των κυττάρων για να επιτευχθεί υψηλή απόδοση επιμόλυνσης σε σύγκριση με αρκετές ώρες με τις συνήθεις διαδικασίες (εικόνα 1.14) και ο βιομαγνητικός διαχωρισμός, διαδικασία που λαμβάνει χώρα στη μοριακή βιολογία, και μέσω των κατάλληλων νανοσωματιδίων (συνήθως μαγνητίτη ή μαγκεμίτη) που προσδένονται σε βιολογικές οντότητες (π.χ. κύτταρα, πρωτείνες) υπάρχει η δυνατότητα διαχωρισμού μέσω από μαγνητικών δυνάμεων χωρίς χρονοβόρα στάδια φυγοκέντρησης. 24

31 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ Εικόνα 1.14: Διαδικασία μαγνητικής επιμόλυνσης-magnetofection. 2 Μία άλλη εφαρμογή των εμπορικών σιδηρομαγνητικών σκευασμάτων είναι η χρήση τους ως υποψήφιοι παράγοντες για ενίσχυση αντίθεσης στη μαγνητική τομογραφία (MRI), ενώ πρόοδος σημειώνεται και για την εφαρμογή τους ως εργαλείο για την απομόνωση και καθαρισμό γενωμικού DNA και RNA από δείγματα αίματος (εικόνα 1.15). Ακόμα, εμπορικά υπερπαραμαγνητικά σιδηρορευστά ήδη συμμετέχουν στην έρευνα της μαγνητικής υπερθερμίας ως φορείς θέρμανσης, με αξιοσημείωτα αποτελέσματα, και απώτερο σκοπό την παραγωγή και τη βελτιστοποίηση των κατάλληλων σκευασμάτων, τα οποία θα είναι βιοσυμβατά, ενώ ταυτόχρονα θα μπορούν να αναπαραχθούν σε μεγάλη κλίμακα συγκεκριμένων συνθηκών, ώστε να έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά και κατά συνέπεια τα ίδια αποτελέσματα. Εικόνα 1.15: Διαδικασία μαγνητικού διαχωρισμού-απομόνωσης DNA. 25

32 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη 1.6. ΣΤΟΧΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία, που εκπονήθηκε στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος, στόχο έχει την αξιολόγηση φορέων μαγνητικής υπερθερμίας από μία σειρά διαθέσιμων εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών. Σε αντίθεση με τα μαγνητικά νανοσωματίδια που συντίθενται σε εργαστήρια, τα πολυσύνθετα εμπορικά σιδηρομαγνητικά σκευάσματα, παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα όπως ο βαθμός επαναληψιμότητας σύνθεσης, η διασφάλιση ποιότητας και η βιοσυμβατότητα ενώ μπορούν ευκολότερα να ωθηθούν μέσα από ιατρικές διαδικασίες έγκρισης και να χρησιμοποιηθούν σε βιοϊατρικές εφαρμογές συνδυάζοντας τη διάγνωση και τη θεραπεία με ταχύτερα βήματα. Η μαγνητική υπερθερμία, συνεχίζει να κερδίζει το ενδιαφέρον, ως μία προσέγγιση λιγότερου επεμβατικού χαρακτήρα για τη θεραπεία του καρκίνου και απαιτεί πολυλειτουργικά βιοσυμβατά μαγνητικά νανοσωματίδια, με ιδιότητες ικανές να αναπαραχθούν, γεγονός που μπορεί να συμβεί σε βιομηχανική κλίμακα μέσω των φαρμακευτικών εταιριών. Εταιρίες όπως η Chemicell, η Nanopet Pharma και η Micromod αναπτύσσουν και παράγουν μαγνητικά νανοσωματίδια για βιοϊατρικές εφαρμογές, όπως για βιομαγνητικό διαχωρισμό και ως παράγοντες αντίθεσης στην απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού, ενώ εκτεταμένη έρευνα γίνεται και στη σύνθεση υπερπαραμαγνητικών νανοσωματιδίων και τη χρήση τους ως παράγοντες στη μαγνητική υπερθερμία. Στην παρούσα εργασία δείγματα των παραπάνω εταιριών μελετήθηκαν και αξιολογήθηκαν ως φορείς μαγνητικής υπερθερμίας. Τα δείγματα αυτά ήταν οξείδια του σιδήρου διαφορετικού μεγέθους και ιδιοτήτων όπως προέκυψε μετά το δομικό και το μαγνητικό τους χαρακτηρισμό. Συνολικά μελετήθηκαν και εξετάστηκαν δέκα δείγματα (πίνακας 1.1), με το καθένα από αυτά να έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά, ώστε να καλυφθεί ένα ευρύ φάσμα έρευνας γύρω από τις μορφές και τις ιδιότητες του των οξειδίων του σιδήρου. Στα δείγματα νανοσωματιδίων συμπεριλαμβάνονται, τέσσερα δείγματα της εταιρίας Chemicell (Fluidmag), που διαφέρουν ως προς το μέγεθος αλλά και ως προς τα επιφανειδραστικά μόρια, ένα δείγμα της εταιρίας Nanopet (Feraspin-R) και ένα δείγμα της εταιρίας Micromod (Nanomag-D- Spio). Επιπλέον των εμπορικών νανοσωματιδίων, μελετήθηκαν δύο σιδηρορευστά όγκου, επονομαζόμενα ως Dextrifer και Hemafer, της εταιρίας Unipharma. Τέλος, εξετάστηκε δείγμα μαγνητίτη που παρασκευάστηκε με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης, καθώς και δείγμα μαγνητοσωμάτων που συντέθηκε βιολογικά από το μαγνητοτακτικό βακτήριο 26

33 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ Magnetospirillum gryphiswaldense, ούτως ώστε να γίνει ολοκληρωμένη έρευνα σε δείγματα οξειδίων του σιδήρου. Πίνακας 1.1: Δείγματα που μελετήθηκαν. ΕΙΔΟΣ ΔΕΙΓΜΑ ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ Δείγματα Αναφοράς Μαγνητοσώματα Σύνθεση στο εργαστήριο Magnetosomes Magnetite(Fe 3 O 4 ) Magnetospirillum gryphiswaldense Χημική συγκαταβύθιση Εμπορικά Σκευάσματα Σκευάσματα υλικών όγκου (bulk) Σκευάσματα νανοσωματιδίων (nano) Dextrifer Hemafer Nanomag Feraspin R Fluidmag Steptavidin Fluidmag DX (5nm) Fluidmag DX (1nm) UNI PHARMA Micromod Nanopet Chemicell Fluidmag DX (2nm) Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τα εμπορικά δείγματα, αλλά και για τα δείγματα μαγνητίτη χημικής συγκαταβίθυσης και μαγνητοσωμάτων για το δομικό χαρακτηρισμό τους, περιείχε ανάλυση και ταυτοποίηση μέσω περίθλασης ακτίνων-χ και χαρακτηρισμό μεγέθους μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης, ενώ όσο αναφορά το μαγνητικό τους χαρακτηρισμό, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με μαγνητόμετρο δονούμενου δείγματος (VSM) ενώ ο μαγνητικός χαρακτηρισμός ολοκληρώθηκε με μετρήσεις υπερθερμίας όπου καταγράφηκε η θερμική απόδοση των δειγμάτων υπό εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο συχνότητας 765kHz και πλάτους 15-3 Oe. Με την ολοκλήρωση των πειραματικών διαδικασιών, τα μεγέθη που μετρήθηκαν και υπολογίστηκαν είναι το μέγεθος των κρυσταλλιτών των νανοσωματιδίων μέσω της περίθλασης ακτίνων-χ, το μέγεθος των νανοσωματιδίων (υδροδυναμική διάμετρος) μέσω εικόνων ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης, η μαγνήτιση κόρου και το συνεκτικό πεδίο μέσω των μαγνητικών μετρήσεων VSM, ενώ τέλος υπολογίστηκε και ο ρυθμός ειδικών 27

34 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη απωλειών SLP όλων των δειγμάτων, ώστε να εξάγουμε συμπεράσματα για τον καταλληλότερο υποψήφιο φορέα μαγνητικής υπερθερμίας. Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας, αξιολογήθηκε μία σειρά από διαθέσιμα εμπορικά βιοϊατρικά μαγνητικά νανοσωματίδια ως υποψήφια για εφαρμογές υπερθερμίας, καθώς επίσης και η εκμετάλλευση τους ως πολυσύνθετοι βιοϊατρικοί φορείς. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα αυτής της μελέτης, είναι ότι ένα βέλτιστο σύστημα είναι απευθείας αξιοποιήσιμο στη σύγχρονη βιοϊατρική (theranostics) καθώς έχει ήδη δοκιμαστεί ως εμπορικό προϊόν αλλά και συνδυάζει πολυλειτουργικότητα χωρίς περαιτέρω στάδια τροποποιήσεων. 28

35 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Νανολουλούδι, πυρήνας: Au, Πέταλα: Οξείδιο του σιδήρου 21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ Στο κεφάλαιο αυτό, αρχικά γίνεται μία περιγραφή των τεχνικών που χρησιμοποιήθηκαν για την ολοκληρωμένη και πολύπλευρη μελέτη των δειγμάτων όσο αναφορά το δομικό, μορφολογικό καθώς και το μαγνητικό χαρακτηρισμό. Εν συνέχεια,, παρουσιάζεται η μεθοδολογία σύνθεσης που χρησιμοποιήθηκε στην κάθε περίπτωση δείγματος και τα αποτελέσματα του χαρακτηρισμού. Τέλος, γίνεται η αποτίμηση των αποτελεσμάτων και οι συσχετισμοί ανάμεσα στα δομικά, μορφολογικά και μαγνητικά χαρακτηριστικά των δειγμάτων. 29

36 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη 2.1. Τ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ Περίθλαση ακτίνων-χ Η περίθλαση των ακτίνων Χ είναι μια τεχνική η οποία δίνει λεπτομερείς πληροφορίες για τη κρυσταλλογραφική δομή των φυσικών και συνθετικών υλικών. Το μήκος κύματος των ακτίνωνν Χ, είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με το μήκος των ενδοατομικών αποστάσεων (απόσταση κρυσταλλικών επιπέδων) ενός κρυστάλλου. Η εικόνα περίθλασης που προκύπτει χαρακτηρίζει μονοσήμαντα το υλικό και χρησιμοποιείται για τη δομική ταυτοποίηση των δειγμάτων. Σε ένα περιθλασίμετρο η παραγωγή των ακτίνωνν Χ γίνεται από μια λυχνία, από την οποία μια δέσμη ηλεκτρονίων υπό υψηλή τάση (~4 kv) προσκρούει σε ένα μεταλλικό στόχο (άνοδος). Η άνοδος παράγει ένα συνεχές φάσμα, την λευκή ακτινοβολία (ΚΚ α ) και μονοχρωματική ακτινοβολίαα μήκους κύματος (Κ β ), όπου τα μήκη κύματος είναι χαρακτηριστικά του μετάλλου που αποτελεί την άνοδο. Οι ακτίνες αφού διέλθουν από ένα διάφραγμα και μια σχισμή εστίασης, κατευθύνονται στο δείγμα. Μετά την έξοδο της δέσμης από το δείγμα περνάει από άλλες δύο σχισμές και ένα λεπτό έλασμα, που απομακρύνει την ακτινοβολία Κβ και τη λευκή ακτινοβολία, πριν φτάσει στον ανιχνευτή. Ο ανιχνευτής κινείταιι σ ένα τόξο γωνιών (γωνία 2θ) συλλέγοντας τις ακτίνες-χ που περιθλώνταιι από τα επίπεδα Miller του κρυστάλλου και μετατρέπει τα φωτόνια σε ηλεκτρικούς παλμούς που αναλύονται και μετρούνται, παράγοντας ένα διάγραμμα συναρτήσει της γωνίας. Εικόνα 2.1: Περίθλαση ακτίνων-χ από κρύσταλλο. Η επεξεργασία των δεδομένων βασίζεται στο νόμο του Bragg, ο οποίος στηρίζεται στην θεώρηση του κρυστάλλου ως μια διάταξη κρυσταλλογραφικών επιπέδων που περιέχουν τα περιοδικά διατεταγμένα άτομα (τα προαναφερθένταα επίπεδα Miller). Τα μήκη κύματος των 3

37 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ ακτίνων-χ είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με τις αποστάσεις των ατόμων στα κρυσταλλικά υλικά, έτσι οι κρύσταλλοι δρούν σα φράγματα περίθλασης για τις ακτίνες-χ. Στην εικόνα 2.1, η δέσμη των ακτίνων-χ, προσκρούοντας στη κρυσταλλική επιφάνεια, σκεδάζεται μερικώς από τα άτομα στο πρώτο στρώμα. Ένα άλλο μέρος σκεδάζεται από το δεύτερο και συνεχίζεται η διαδικασία. Σύμφωνα με την εικόνα 2.1, πραγματοποιούνται φαινόμενα συμβολής και προκειμένου να υφίσταται σύμφωνη σκέδαση θα πρέπει να ισχύει ο νόμος του Bragg: 2 (8) όπου, n: ακέραιος, για ενισχυτική συμβολή, d: η απόσταση μεταξύ δυο επιπέδων, θ: η γωνία πρόσπτωσης των ακτίνων-χ στο επίπεδο στην οποία παρατηρείται μέγιστη ανάκλαση και λ: το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Επιπλέον, το εύρος ή το σχήμα των κορυφών σε ένα διάγραμμα περίθλασης ακτίνων Χ μπορεί να δώσει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με το μέγεθος κόκκου των νανοσωματιδίων, το οποίο μπορεί να προσδιοριστεί από την εξίσωση Debye-Scherrer: D. (9) όπου, D: μέγεθος κόκκου νανοσωματιδίων, λ: μήκος κύματος ακτίνων-χ (nm), β: πλάτος στο μέσο της παρατηρούμενης κορυφής (2θ), θ: η γωνία μεταξύ της εισερχόμενης δέσμης των ακτίνων-χ και του ατομικού επιπέδου που προκαλεί την ανάκλαση. Ηλεκτρονική Μικροσκοπία διέλευσης (ΤΕΜ) Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο εκμεταλλεύεται την κυματική φύση των ηλεκτρονίων καθώς αυτά αλληλεπιδρούν με την ύλη και μπορεί να διακρίνει αντικείμενα μέχρι 1 φορές καλύτερα από τα συμβατικά οπτικά μικροσκόπια. Η διάταξη αποτελείται από ένα ηλεκτρονικό κανόνι για την θερμιονική παραγωγή των ηλεκτρονίων τα οποία στη συνέχεια επιταχύνονται από διαφορά δυναμικού της τάξης 6-1kV. Κατόπιν η δέσμη εστιάζεται από δύο συμπυκνωτές φακούς και στη συνέχεια διέρχεται από το δείγμα. Το σχηματιζόμενο είδωλο εστιάζεται και μεγεθύνεται από ένα αντικειμενικό και δύο προβολικούς φακούς και προβάλλεται σε μία φθορίζουσα οθόνη. Οι φακοί που χρησιμοποιούνται είναι στην πραγματικότητα ηλεκτρομαγνητικά πηνία στα οποία μεταβάλλεται η ένταση του ρεύματος που τα διαρρέει, ώστε να αλλάζει το μαγνητικό τους πεδίο, που επηρεάζει με τη σειρά του 31

38 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη την τροχιά των ηλεκτρονίων. Το όλο σύστημα βρίσκεται σε υψηλό κενό ώστε η κίνηση των ηλεκτρονίων να μένει ανεπηρέαστη. Εικόνα 2.2: Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης. Οι πληροφορίες που δύναται να εξαχθούν με το TEM αφορούν στη μορφολογία του δείγματος (μέγεθος, σχήμα, διάταξη σωματιδίων), στην κρυσταλλογραφική κατάσταση αυτού, διάταξη ατόμων στο υλικό, το βαθμό της δομικής τους τάξης, ανίχνευση ατελειών) καθώς επίσης και στη σύσταση του, ενώ για την εξαγωγή πληροφοριών για το σχήμα και δομή των νανοσωματιδίων αλλά και για τον προσδιορισμό της κρυσταλλικής δομής τους χρησιμοποιείται και το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο υψηλής διακριτικής ικανότητας (HRTEM). Μαγνητόμετρο δονούμενου δείγματος (VSM) Το μαγνητόμετρο δονούμενου δείγματος χρησιμοποιείται ευρέως για τη μελέτη των μαγνητικών ιδιοτήτων των υλικών και η λειτουργία του βασίζεται στο νόμο του Faraday. Σε αυτό, το υπό εξέταση δείγμα ταλαντώνεται υπό σταθερή συχνότητα σε διεύθυνση κάθετη στο εφαρμοζόμενο πεδίο, το οποίο για να είναι όσο το δυνατόν περισσότερο ομογενές προέρχεται από δύο μεγάλους ηλεκτρομαγνήτες. Το δείγμα που μελετάται βρίσκεται μέσα σε δειγματοδόχη και είναι κεντραρισμένο ως προς τέσσερα μικρά πηνία που ονομάζονται πηνία μέτρησης. Το δείγμα μαγνητίζεται με τη βοήθεια ηλεκτρομαγνήτη, ο οποίος παράγει ομογενές μαγνητικό πεδίο σταθερής έντασης 32

39 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» κάθετο στην επιφάνεια των πηνίων μέτρησης. Το άλλο άκρο της δειγματοδόχης είναι συνδεδεμένο με ηλεκτρομηχανικό ταλαντωτή χαμηλών συχνοτήτων, με αποτέλεσμα το δείγμα να ταλαντώνεται κάθετα στη διεύθυνση του ομογενούς μαγνητικού πεδίου. H μαγνητική ροή που διέρχεταιι από τα πηνία μέτρησης προέρχεται αφενός από το πεδίο του ηλεκτρομαγνήτη το οποίο είναι χρονικά σταθερό, αφετέρου από το ταλαντούμενο μαγνητισμένο δείγμα. Λόγω του νόμου του Faraday, επάγεται στα πηνία ηλεκτρεγερτική δύναμη ανάλογη της μαγνητικής ροπής του δείγματος, του πλάτους και της συχνότητας ταλάντωσης. Tο σήμα αυτό προενισχύεται και κατόπιν οδηγείται σε έναν Lock-in Amplifier, ταυτόχρονα με ένα σήμα αναφοράς από τον ηλεκτρομηχανικό ταλαντωτή. O ενισχυτής αυτός έχει τη ιδιότητα να απομονώνει τον ανεπιθύμητο θόρυβο και να ενισχύει μόνο εκείνο το σήμα πού έχει την ίδια φάση και συχνότητα με το σήμα αναφοράς. Στην έξοδο του ενισχυτή το σήμα, αφού ολοκληρωθεί, είναι ανάλογο της μαγνητικής ροπής του δείγματος. Με την εφαρμογή ενός VSM, λαμβάνεται ένα διάγραμμα μαγνήτισης συνάρτησει του πεδίου. Στην περίπτωση ενός ισχυρά μαγνητικού υλικού δίνεται ο χαρακτηριστικός βρόχος υστέρησης, από τον οποίο διεξάγονται χρήσιμες πληροφορίες για τις μαγνητικές ιδιότητες του υλικού. Εικόνα 2.3: Αρχή λειτουργίας μαγνητομέτρου δονούμενου δείγματος. Ακολουθεί ο χαρακτηρισμός των δειγμάτων αναφοράς, που περιλαμβάνει τα μαγνητοσώματα, τα νανοσωματίδια μαγνητίτη που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης και τα σκευάσματα υλικών όγκου που περιέχουν σίδηρο. Με την ολοκλήρωση των παραπάνω, ο χαρακτηρισμός συνεχίζεται με τα εμπορικά σιδηρομαγνητικά ρευστά των εταιριών Micromod, Nanopet και Chemicell, που είναι και το κύριο μέρος της μελέτης. 33

40 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη 2.2 ΜΑΓΝΗΤΟΣΩΜΑΤΑ: ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Το μέγεθος των μαγνητοσωμάτων (νανοκλίμακα), η στενή κατανομή μεγέθους, η ικανότητα διασποράς αλλά κυρίως οι εξαιρετικές μαγνητικές ιδιότητες, ήταν οι λόγοι που συντέλεσαν, αμέσως μετά την ανακάλυψη των μαγνητοσωμάτων, να αναπτυχθεί και να διερευνηθεί η χρήση τους σε επιστημονικές αλλά και εμπορικές εφαρμογές. Τα μαγνητοσώματα έχουν προταθεί ήδη για πλήθος εφαρμογών 15, όπως για απομάκρυνση βαρέων μετάλλων από απόβλητα νερού με μαγνητικό διαχωρισμό, 22 για φορείς μεταφοράς φαρμάκου σε θεραπείες κατά καρκινικών όγκων, 23 ως παράγοντες αντίθεσης στην τεχνική απεικόνισης με μαγνητικό συντονισμο 24 καθώς και ως φορείς γονιδίων για την ανίχνευση των νουκλεϊκών οξέων. 25 Η σύνθεση των μαγνητοσωμάτων γίνεται μέσω της βιοορυκτοποίησης, εντός του μαγνητοτακτικού βακτηρίου, και είναι ουσιαστικά ο βιολογικά ελεγχόμενος σχηματισμός ανόργανων ενώσεων σιδήρου. Η σύνθεση μπορεί να πραγματοποιηθεί και στο εργαστήριο, όπου απαιτούνται αυστηρά ελεγχόμενες συνθήκες και η παραγωγή των μαγνητοσωμάτων μπορεί να φτάσει μέχρι και τα 15mg/ημέρα. 26 Εικόνα 2.4: Εξέλιξη της δημιουργίας μαγνητοσωμάτων μέσα στο βακτήριο Magnetospirillum gryphiswaldense 29. Στα πρώτα στάδια τα μαγνητοσώματα δεν έχουν δημιουργηθεί, ενώ με την πάροδο του χρόνου λαμβάνοντας σίδηρο από το μέσο, αναπτύσσονται μέχρι να φτάσουν στην τελική τους μορφή, ύστερα από τέσσερις μέρες. Στην παρούσα μελέτη, τα δείγματα μαγνητοσωμάτων παρασκευάστηκαν στην Ισπανία όπου έγινε και ο βασικός δομικός και μαγνητικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων, 27 ενώ τα 34

41 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ δείγματα εστάλησαν στην Ελλάδα για να γίνει ο έλεγχος και η αξιολόγηση τους ως φορείς μαγνητικής υπερθερμίας. Αρχικά, κύτταρα του μαγνητοτακτικού βακτηρίου Magnetospirillum gryphiswaldense καλλιεργήθηκαν υπό αναερόβιες συνθήκες, χωρίς παρουσία σιδήρου. Στη συνέχεια τα κύτταρα απομονώθηκαν με φυγοκέντρηση, συλλέχθηκαν και μεταφέρθηκαν σε μέσο κιτρικού σιδήρου, όπου άρχισε η διαδικασία της βιοορυκτοποίησης, ενώ κατά τη διαδικασία γινόταν λήψη δείγματος ώστε να πιστοποιηθεί η δημιουργία των μαγνητοσωμάτων (εικόνα 2.4). Μετά το πέρας της διαδικασίας τα μαγνητοσώματα αποσπάσθηκαν για μορφολογικό και μαγνητικό χαρακτηρισμό. Όσο αναφορά το μορφολογικό χαρακτηρισμό, οι εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης 29 έδειξαν ότι τα μαγνητοσώματα του βακτηρίου Magnetospirillum gryphiswaldense, έχουν σχήμα κυβοοκταεδρικό και είναι μονοκρύσταλλοι (εικόνα 2.5), ενώ εκτός από το σχήμα και τη διάταξη σε αλυσίδες των μαγνητοσωμάτων, έγινε εφικτός και ο προσδιορισμός του μεγέθους. Τα μαγνητοσώματα παρουσίασαν στενό εύρος μεγέθους, με το μέσο μέγεθος των μονοκρυστάλλων μαγνητίτη να κυμαίνεται στα 45nm και με απόκλιση μεγέθους 17%. 4 Counts Diameter of magnetosomes(nm) Εικόνα 2.5: Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης μαγνητοσωμάτων και ιστόγραμμα υπολογισμού μεγέθους μαγνητοσωμάτων. Τα μαγνητοσώματα παρουσιάζουν μεγαλύτερη χημική καθαρότητα σε σχέση με τα συνθετικά νανοσωματίδια. Οι κορυφές ενός φάσματος ακτίνων-χ, είναι πιο οξείες όταν το δείγμα είναι κρυσταλλικό, κάτι που συμβαίνει και στην περίπτωση των μαγνητοσωμάτων σε σχέση με τα συνθετικά νανοσωματίδια μαγνητίτη. Στην εικόνα 2.6 παρουσιάζονται σε 35

42 Μαγνητικό Πεδίο (T) ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη σύγκριση τα φάσματα ακτίνων-χ για τις δύο περιπτώσεις, όπου παρατηρούμε πως η κρυσταλλικότητα των μαγνητοσωμάτων (a) είναι καλύτερη σε σχέση με τα νανοσωματίδια χημικής σύνθεσης. 28 Εικόνα 2.6: Περίθλαση ακτίνων-χ από (a) Μαγνητοσώματα και (b) συνθετικά νανοσωματίδια μαγνητίτη. Η μαγνητική απόκριση των μαγνητοσωμάτων έγινε με την καταγραφή του βρόχου υστέρησης με μαγνητόμετρο δονούμενου δείγματος (VSM) σε θερμοκρασία δωματίου (3Κ). Τα μαγνητοσώματα παρουσίασαν υπερπαραμαγνητική συμπεριφορά σε θερμοκρασία δωματίου με μαγνήτιση κόρου ~9emu/g, πλησιάζοντας την τιμή του συμπαγούς μαγνητίτη, κάτι που υποδηλώνει τις εξαιρετικές μαγνητικές ιδιότητες που έχουν, επισημαίνοντας ότι η διαδικασία της βιοορυκτοποίησης στα μαγνητοτακτικά βακτήρια μπορεί να οδηγήσει σε δομές, των οποίων οι ιδιότητες είναι ανώτερες σε σχέση με αυτές των συνθετικών υλικών. 8 Magnetosomes Magnetization (emu/g) , -,5,,5 1, Magnetic Field (T) Εικόνα 2.7: Βρόχος υστέρησης μαγνητοσωμάτων στους 3Κ. 36

43 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ 2.3. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΣΥΝΘΕΣΗ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕ ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΓΚΑΤΑΒΥΘΙΣΗ Για την απόκριση τους ως φορείς μαγνητικής υπερθερμίας παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν νανοσωματίδια μαγνητίτη με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης. Αν και η μέθοδος της συγκαταβύθισης οδηγεί τις περισσότερες φορές σε νανοσωματίδια με ευρείες κατανομές μεγέθους, προτιμάται για την απλότητα και την επαναληψιμότητα της, αφού με τη χρήση των κατάλληλων επιφανειοδραστικών μορίων το φαινόμενο αυτό περιορίζεται και επιπλέον, αν η αντίδραση πραγματοποιείται σε ελεγχόμενες συνθήκες είναι δυνατό να αποφευχθεί και η οξείδωση. Οι μαγνητικές ιδιότητες των τελικών προϊόντων εξαρτώνται από διάφορες παραμέτρους όπως την αναλογία των Fe 2+ και Fe 3+, τη θερμοκρασία αντίδρασης, το ph, τις πρόδρομες ενώσεις αλλά και το είδος των επιφανειοδραστικών μορίων που χρησιμοποιούνται για την σταθεροποίηση των νανοσωματιδίων. (α) (β) (γ) (δ) (ε) (ζ) Εικόνα 2.8: (α) Εισαγωγή αλάτων Fe 2+ και Fe 3+ (β) Σταδιακή προσθήκη NaOH (γ) Φυγοκέντρηση (δ) Μαγνητίτης πριν την ξήρανση (ε) Κονιορτοποίηση (ζ) Διαχωριστής μεγεθών 63 μm. Τα νανοσωματίδια μαγνητίτη παρασκευάστηκαν με καταβύθιση σιδήρου σε υδάτικο διάλυμα Fe 2+ και Fe 3+ σε αναλογία 1:2 σε ισχυρό αλκαλικό περιβάλλον σε θερμοκρασία 2 ο C. Αρχικά, σε δοχείο με 5 ml απεσταγμένο νερό διαλύθηκαν οι πρόδρομες ενώσεις (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2 και Fe 2 (SO 4 ) 3 των αλάτων Fe 2+ και Fe 3+ και το διάλυμα τοποθετήθηκε σε 37

44 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη μηχανικό αναδευτήρα. Στη συνέχεια, προστέθηκε σταδιακά στο μίγμα πυκνό διάλυμα NaOH (στο σύνολο περίπου 12 ml) έτσι ώστε το ph να αυξηθεί σε 12, να ιζηματοποιηθεί το διάλυμα και να δημιουργηθεί στερεή φάση, ενώ η ανάδευση σταμάτησε στα 3 περίπου λεπτά μετά ώστε να πετύχουμε καλή ομοιογένεια. Εδώ θα πρέπει να σημειωθεί ότι δεν χρησιμοποιήθηκαν επιφανειοδραστικά μόρια κατά την παρασκευή του μαγνητίτη. Τέλος, με φυγοκέντρηση διαχωρίστηκε το υγρό από το στερεό και στη συνέχεια προσθέτοντας απεσταγμένο νερό έγιναν τέσσερις πλύσεις, ελέγχοντας πάντα την αγωγιμότητα, ώστε να δεσμευτεί η περίσσεια αμμωνίας και NaOH. Σε επόμενο στάδιο ο μαγνητίτης αφέθηκε για ξήρανση σε θερμοκρασία δωματίου (~τρεις μέρες). Το τελικό προϊόν υπέστη μηχανική άλεση και στη συνέχεια κοσκινίστηκε σε μέγεθος κάτω από63 μm ΔΟΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ, ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Το φάσμα περίθλασης ακτίνων-χ των νανοσωματιδίων που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης παρουσιάζεται στην εικόνα 2.9 και από αυτό διακρίνεται η ύπαρξη μίας φάσης μαγνητίτη με τις οξείες κορυφές να αντιστοιχούν στις κύριες ανακλάσεις. 8 7 Fe 3 O 4 D~7nm (311) Intensity (a.u.) (44) 3 2 (22) (4) (511) Theta(Degrees) Εικόνα 2.9: Φάσμα περίθλασης ακτίνων-χ δείγματος νανοσωματιδίων μαγνητίτη που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης. Tο εύρος των κορυφών σε ένα διάγραμμα περίθλασης ακτίνων Χ μπορεί να δώσει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με το μέγεθος κόκκου των νανοσωματιδίων, το οποίο μπορεί να προσδιοριστεί από την εξίσωση Debye-Scherrer (εξ. 9). Στη συγκεκριμένη 38

45 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ περίπτωση, έχοντας την κύρια ανάκλαση (311) του μαγνητίτη και με βάση το πλάτος στο ήμισυ του μεγίστου (FWHM) υπολογίστηκε το μέσο κρυσταλλικό μέγεθος των νανοσωματιδίων και βρέθηκε ίσο με ~7nm. Η απεικόνιση με ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης μας έδωσε πληροφορίες για το μέγεθος των νανοσωματιδίων, τη διάταξη καθώς και το σχήμα αυτών. Από την εικόνα 2.1 διακρίνουμε ότι το σχήμα των νανοσωματιδίων μαγνητίτη είναι σφαιρικό και δεν υπάρχουν ιδιαίτερα συσσωματώματα, κάτι που θα μπορούσε να συμβαίνει αφού στην συγκεκριμένη περίπτωση κατά την παρασκευή των νανοσωματιδίων μαγνητίτη με συγκαταβύθιση δεν χρησιμοποιήθηκαν επιφανειοδραστικά μόρια. Το μέσο μέγεθος διαμέτρου των νανοσωματιδίων υπολογίστηκε μετά από στατιστική επεξεργασία στις εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας και βρέθηκε ίσο με ~19.6nm, διαφοροποιημένο από το μέσο μέγεθος που προέκυψε από την τεχνική ακτίνων-χ, κάτι που οφείλεται στο γεγονός ότι η τεχνική της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας δίνει μέσο μέγεθος νανοσωματιδίων ενώ η τεχνική περίθλασης ακτίνων-χ μέσο μέγεθος κρυσταλλιτών και επιπλέον το εύρος της κύριας κορυφής στην περίπτωση των ακτίνων-χ μπορεί να εισάγει αποκλίσεις. Επιπλέον, η εικόνα περίθλασης ηλεκτρονίων από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης επιβεβαίωσε την κρυσταλλική δομή του δείγματος. 8 Magnetite 19,6nm 6 Counts Diameter (nm) Εικόνα 2.1: Εικόνα φωτεινού πεδίου και περίθλασης από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης και ιστόγραμμα υπολογισμού μεγέθους νανοσωματιδίων. Η μαγνητική απόκριση των νανοσωματιδίων μαγνητίτη μελετήθηκε με τη βοήθεια της μαγνητομετρίας δονούμενου δείγματος (VSM), όπου έγινε η καταγραφή του βρόχου υστέρησης με το δείγμα σε μορφή σκόνης σε θερμοκρασία δωματίου. Πληροφορίες όπως η μαγνήτιση κόρου και το συνεκτικό πεδίο λήφθηκαν με τον τρόπο αυτό, ενώ σαφής έγινε και η σιδηρομαγνητκή συμπεριφορά του δείγματος, όπως ήταν αναμενόμενο για οξείδιο του σιδήρου. Η μαγνήτιση κόρου ανήλθε στα 52 emu/g, μειωμένη σε σχέση με τον συμπαγές μαγνητίτη, κάτι που μπορεί να οφείλεται σε πιθανή οξείδωση του δείγματος καθώς και στο 39

46 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη νανοδομημένο χαρακτήρα του. Η παραμένουσα μαγνήτιση βρέθηκε ίση με 13.3 emu/g και το συνεκτικό πεδίο ίσο με 133 Oe. Στη συνέχεια το δείγμα μετρήθηκε στα χαμηλά μαγνητικά πεδία των 2, 25 και 3 Oe, ώστε να υπολογιστούν από το εμβαδόν των βρόχων οι απώλειες υστέρησης που προκύπτουν από τον κάθε κύκλο μαγνήτισης και με αυτό τον τρόπο να γίνει απευθείας σύγκριση των αποτελεσμάτων του SLP που προκύπτει από το VSM με τις αντίστοιχες τιμές του SLP που προκύπτουν από τη θερμική απόκριση των νανοσωματιδίων. 6 4 Magnetite 6 4 Minor loop at 2Oe Minor loop at 25Oe Minor loop at 3Oe Magnetization (emu/g) Magnetization (emu/g) Magnetic Field (koe) Magnetic Field (Oe) Εικόνα 2.11: Βρόχος υστέρησης σε μαγνητικό πεδίο 1 koe και στα χαμηλά μαγνητικά πεδία 2, 25 και 3Οe. Ο υπολογισμός των απωλειών από κάθε κύκλο μαγνήτισης έγινε πολλαπλασιάζοντας το εμβαδό των βρόχων υστέρησης (στα τρία πεδία) με τη συχνότητα λειτουργίας της συσκευής υπερθερμίας (765kHz). Το εμβαδό του συνεκτικού πεδίου εκφράζει την απώλεια ενέργειας (J/g) από το δείγμα σε ένα κύκλο μαγνήτισης-απομαγνήτισης σε συγκεκριμένο μαγνητικό πεδίο. Στη συνέχεια η τιμή που υπολογίστηκε για το κάθε πεδίο, πολλαπλασιάζεται με τη συχνότητα στην οποία έγινε μέτρηση για τον υπολογισμό της θερμικής απόκρισης. Τα αποτελέσματα είναι ενδεικτικά αφού στην περίπτωση του VSM το δείγμα ήταν πακτωμένο σε μορφή σκόνης και είχαμε DC συνθήκες, ενώ στην περίπτωση της θερμικής απόκρισης το δείγμα ήταν σε μορφή διαλύματος και AC συνθήκες. Στην εικόνα 2.11 δίνονται ο πλήρης βρόχος στο πεδίο των 1 koe και οι βρόχοι στα πεδία 2, 25 και 3 Oe (minor loops), ενώ στον πίνακα 2.1 δίνονται οι απώλειες υστέρησης όπως υπολογίστηκαν από τους βρόχους, που στη συνέχεια θα συγκριθούν με τα αποτελέσματα της θερμικής απόκρισης. Πίνακας 2.1: Υπολογισμός απωλειών υστέρησης. Μαγνητίτης 2 Οe 25 Oe 3 Oe Ισχύς SLP (W/g)

47 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ 2.4. ΕΜΠΟΡΙΚΑ ΣΙΔΗΡΟΜΑΓΝΗΤIΚΑ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΟΓΚΟΥ Στο κομμάτι αυτό μελετήθηκαν οι ιδιότητες δύο σκευασμάτων όγκου της εταιρίας Uni- Pharma που περιέχουν σίδηρο με ονομασίες Dextrifer και Hemafer. Τα δύο αυτά υλικά χορηγούνται για τη θεραπεία των σιδηροπενικών αναιμιών και περιέχουν άλατα ή σύμπλοκες ενώσεις του σιδήρου, που διαφοροποιούνται ως προς την περιεκτικότητά τους σε στοιχειακό σίδηρο. Τα διάφορα άλατα του σιδήρου στα υλικά αυτά, δεν παρουσιάζουν αξιόλογες διαφορές ως προς την απορρόφηση. Η χορήγηση τους γίνεται από το στόμα με τη μορφή δισκίων (κυρίως) ή σε υγρή μορφή. Σε κάποιες περιπτώσεις, ο σίδηρος χορηγείται ενδομυϊκά ή ενδοφλέβια. Tα στοιχεία των δύο αυτών σκευασμάτων όπως δίδονται από την εταιρία παροχής δίνονται στο παράρτημα στο τέλος της εργασίας. Στόχος της μελέτης αυτής, είναι να συγκρίνουμε τη συμπεριφορά του σιδήρου ως υλικό όγκου σε σκευάσματα που είναι ήδη διαθέσιμα στο εμπόριο σε σχέση με τα σιδηρορευστά κολλοειδή σκευάσματα που περιέχουν νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου και δεν είναι διαθέσιμα ακόμα, αλλά βρίσκονται σε pre-clinical στάδιο ΔΟΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Στις εικόνες 2.12 και 2.13 παρουσιάζονται τα φάσματα περίθλασης ακτίνων-χ των δειγμάτων Dextrifer και Hemafer αντίστοιχα. Και στα δύο φάσματα, μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι δεν ταυτοποιείται ένωση οξειδίων του σιδήρου, μαγνητίτης ή μαγκεμίτης. Στην περίπτωση του δείγματος Dextrifer, η κύρια ανάκλαση οφείλεται σε οργανική ένωση που περιέχει τρισθενή σίδηρο, ενώ υπάρχουν και κορυφές που ενδεχομένως να οφείλονται σε ενώσεις όπως άλατα, ενώ στην περίπτωση του δείγματος Hemafer ταυτοποιήθηκε ένωση μηλικού οξέως δισθενούς σιδήρου. 25 C35H26Fe2O16!H2O Dextrifer 6 C 4 H 4 FeO 5 Hemafer 2 5 Intensity (a.u.) 15 1 Intensity (a.u.) Theta (Degrees) Εικόνα 2.12: Φάσμα περίθλασης ακτίνων-χ του δείγματος Dextrifer Theta(Degrees) Εικόνα 2.13: Φάσμα περίθλασης ακτίνων-χ για του δείγματος Hemafer. 41

48 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Στις εικόνες 2.14 και 2.15 δίνονται τα αποτελέσματα του μαγνητικού χαρακτηρισμού στο υψηλό πεδίο των 1 koe για τα δείγματα Dextrifer και Hemafer αντίστοιχα. 1, Dextrifer 1, Hemafer Magnetic moment (emu/g),5, -,5 Magnetic moment (emu/g),5, -,5-1, Magnetic Field (koe) -1, Magnetic Field (koe) Εικόνα 2.14: Βρόχος υστέρησης σε μαγνητικό πεδίο 1 koe για το δείγμα Dextrifer Εικόνα 2.15: Βρόχος υστέρησης σε μαγνητικό πεδίο 1 koe του δείγματος Hemafer. Όπως μπορούμε να διαπιστώσουμε και από τις εικόνες 2.14 και 2.15, δε σχηματίζεται βρόχος υστέρησης. Αυτό σημαίνει ότι τα δείγματα ανήκουν στην κατηγορία των διαμαγνητικών υλικών, παρουσιάζοντας αρνητική μαγνήτιση στο υψηλό πεδίο των 1 koe και ουσιαστικά υπάρχει πολύ μικρή αναλογία σιδηρομαγνητικού υλικού σε σχέση με το μη μαγνητικό υλικό ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑΤΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Με την ολοκλήρωση του χαρακτηρισμού των δειγμάτων αναφοράς, ακολουθεί ο δομικός, μορφολογικός και μαγνητικός χαρακτηρισμός των εμπορικών δειγμάτων νανοσωματιδίων. Τα δείγματα που μελετώνται σε αυτήν την κατηγορία είναι έξι και αποτελούνται από νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου με διαφορετική σε κάποιες περιπτώσεις επικάλυψη. Οι ιδιότητες των εμπορικών σκευασμάτων νανοσωματιδίων, διαφέρουν μεταξύ τους και εξαρτώνται από τον τρόπο σύνθεσης της εταιρίας, τα αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται σε κάθε περίπτωση, αλλά και την επικάλυψη που πρέπει να είναι ικανή να τα τροποποιήσει, ώστε να αποκτήσουν βιοσυμβατή επιφάνεια. Τις περισσότερες φορές παρασκευάζονται σιδηρορευστά οπού τα νανοσωματίδια είναι κυρίως μικρού μεγέθους, ώστε να εμφανίζουν υπερπαραμαγνητική συμπεριφορά, ενώ σημαντικό ρόλο παίζει και το στενό εύρος μεγέθους, κάτι που μπορεί να επιτευχθεί όταν η διαδικασία σύνθεσης είναι υπό αυστηρά ελεγχόμενες συνθήκες. 42

49 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ Στον πίνακα 2.2 παρουσιάζονται τα εμπορικά δείγματα που χρησιμοποιήθηκαν και στη συνέχεια γίνεται η ανάλυση των χαρακτηριστικών τους. Τα γενικά χαρακτηριστικά των δειγμάτων αυτών, όπως αυτά δίνονται από τα δελτία των προϊόντων από τις αντίστοιχες εταιρίες παρατίθενται στο παράρτημα. Πίνακας 2.2: Εμπορικά σκευάσματα νανοσωματιδίων. ΔΕΙΓΜΑ ΕΤΑΙΡΙΑ ΔΕΙΓΜΑ ΕΤΑΙΡΙΑ Nanomag-D-spio Micromod Fluidmag-DX (5nm) Chemicell Feraspin-R Nanopet Fluidmag-DX (1nm) Chemicell Fluidmag-Steptavidin Chemicell Fluidmag-DX (2nm) Chemicell Το δείγμα Nanomag-D-Spio της εταιρίας Micromod αποτελείται από υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου(55-85%) σε μήτρα δεξτράνης και τα νανοσωματίδια είναι υδροδυναμικής διαμέτρου 5-11nm σε διάλυμα νερού. Η χημική τους σύνθεση γίνεται με τη μέθοδο της συγκαταβύθισης και προορίζονται για βιοϊατρικές εφαρμογές όπως η μαγνητική υπερθερμία και η απεικόνιση με μαγνητικό συντονισμό. Το δείγμα Feraspin-R της εταιρίας Nanopet είναι επίσης υδατικό διάλυμα υπερπαραμαγνητικών οξειδίων του σιδήρου, υδροδυναμικής διαμέτρου 6nm και βρίσκει εφαρμογή ως φορές αντίθεσης για απεικόνιση με μαγνητικό συντονισμό, ευρισκόμενο ήδη σε pre-clinical στάδιο. Το δείγμα της εταιρίας Chemicell Fluidmag-Streptavidin είναι υδατικό διάλυμα νανοσωματιδίων μαγνητίτη υδροδυναμικής διαμέτρου 1-2nm. Οι εφαρμογές που χρησιμοποιείται είναι ο διαχωρισμός και ο καθαρισμός βιομορίων, συμπεριλαμβανομένων αντιγόνων, αντισωμάτων και νουκλεϊκών οξέων από το αίμα και τους ιστούς. Το συγκεκριμένο κολλοειδές έχει λειτουργική ομάδα τη στρεπταβιδίνη, μία τετραμερή πρωτεϊνη, που έχει την ικανότητα να συνδέεται ισχυρά με τη βιοτίνη (βιταμίνη) με μη ομοιπολικό δεσμό. Τα δείγματα Fluidmg-DX της εταιρίας Chemicell, ανήκoυν στην κατηγορία των μαγνητικών σιδηρορευστών που αποτελούνται από νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου σε υδατικό διάλυμα με επικάλυψη από υδρόφιλα πολυμερή, έτσι ώστε να αποφεύγεται η 43

50 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη συσσωμάτωση. Ανάλογα με τη χρήση τους, τα νανοσωματίδια στο ρευστό μπορεί να έχουν μέγεθος 5, 1 ή 2nm και προορίζονται για εφαρμογές όπως η διάγνωση με απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού, ο μαγνητικός διαχωρισμός κυττάρων και η μεταφορά φαρμάκου ΔΟΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ, ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ, ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΔΟΜΙΚΟΣ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ Ο δομικός χαρακτηρισμός μέσω της τεχνικής ακτίνων-χ επιβεβαίωσε ότι τα νανοσωματίδια του δείγματος Nanomag-D-Spio, αποτελούνται από μαγνητίτη, όπως παρατηρούμε στην εικόνα 2.16, ενώ στο δείγμα ταυτοποιήθηκε και άλας. Μέσω της εξίσωσης Debey-Scherrer (εξ. 9) προσδιορίστηκε το μέσο μέγεθος κρυσταλλιτών στα νανοσωματίδια, που βρέθηκε ίσο με 7.5nm 5 Fe 3 O 4 NaCl (2 ) Nanomag-D-Spio D~7,5nm Intensity (a.u.) 4 3 (3 1 1) (2 2 ) (4 ) (2 2 ) 2 (4 4 ) Theta (Degrees) Εικόνα 2.16: Φάσμα περίθλασης ακτίνων-χ του δείγματος Nanomag-D-spio. Και στα τρία δείγματα Fluidmag-DX των 5, 1 και 2nm, ταυτοποιήθηκε φάση μαγκεμίτη, όπως παρατηρούμε στις εικόνες 2.17, 2.18 και 2.19 αντίστοιχα. Στην περίπτωση του δείγματος των 5nm, το μέσο μέγεθος των κρυσταλλιτών (εξ.9) βρέθηκε ίσο με 7.9nm, στο δείγμα των 1nm το μέσο μέγεθος των κρυσταλλιτών 8.4nm και τέλος στο δείγμα των 2nm τo μέσο μέγεθος κρυσταλλιτών ήταν το μικρότερο, μόλις 6.6nm. 44

51 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ 6 Fe 2 O 3 (311) Fluidmag-Dx(5nm) D~7.9nm Intensity (a.u.) 45 3 (22) (4) (511) (44) Εικόνα 2.17: Φάσμα περίθλασης ακτίνων-χ του δείγματος Fluidmag-DX 5nm Theta (Degrees) 6 5 Fe 2 O 3 (311) Fluidmag-Dx(1nm) D~8.4nm Intensity (a.u.) 4 3 (22) (4) (44) (511) Εικόνα 2.18: Φάσμα περίθλασης ακτίνων-χ του δείγματος Fluidmag-DX 1nm Theta (Degrees) 6 5 Fe 2 O 3 (311) Fluidmag-Dx(2nm) D~6.6nm Intensity (a.u.) (22) (4) (511) (44) Εικόνα 2.19: Φάσμα περίθλασης ακτίνων-χ του δείγματος Fluidmag-DX 2nm Theta (Degrees) Τα φάσματα ακτίνων-χ παρουσίασαν οξείες γωνίες, κάτι που υποδηλώνει την καλή κρυσταλλικότητα των δειγμάτων. Στην περίπτωση των δειγμάτων των 1 nm (εικόνα 2.18) και των 2 nm, (εικόνα 2.19) εμφανίστηκε μια κατανομή έντασης (~2-4 o ) που μπορεί να αποδοθεί σε άμορφη συνεισφορά που οφείλεται στη μικρή ποσότητα δείγματος που τοποθετήθηκε στο δειγματοφορέα των ακτίνων-χ οπότε το σήμα υποβάθρου παρέμεινε σημαντικό. Ακολουθεί ο μορφολογικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων μέσω της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης. 45

52 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Για το δείγμα Nanomag-D-Spio, οι εικόνες φωτεινού πεδίου ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης μας έδωσαν πληροφορίες για τη μορφή των νανοσωματιδίων, που όπως διακρίνουμε από την εικόνα 2.2 το σχήμα των νανοσωματιδίων είναι σφαιρικό και δημιουργούν clusters. Το μέσο μέγεθος διαμέτρου των νανοσωματιδίων υπολογίστηκε μετά από στατιστική επεξεργασία στις εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας και βρέθηκε ίσο με 28.7nm, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι τα νανοσωματίδια αποτελούνται από περισσότερους από έναν κρυσταλλίτες και η εικόνα περίθλασης από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης, επιβεβαίωσε την κρυσταλλική δομή του δείγματος (ταυτοποίηση μαγνητίτη). 8 7 Nanomag-D-Spio D~28.7nm 6 5 Counts Diameter (nm) Εικόνα 2.2: Εικόνα φωτεινού πεδίου και περίθλασης από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης και ιστόγραμμα υπολογισμού μεγέθους νανοσωματιδίων για το δείγμα Nanomag-D-Spio. Για το δείγμα Feraspin-R της εταιρίας Nanopet, η ταυτοποίηση της κρυσταλλικής δομής έγινε μέσο της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης. Μέσω της εικόνας περίθλασης ταυτοποιήθηκε φάση μαγνητίτη, ενώ από τις μετρήσεις στις εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας φωτεινού πεδίου και τη στατιστική επεξεργασία υπολογίσαμε το μέγεθος των νανοσωματιδίων που βρέθηκε ίσο με 4.9nm. Να σημειώσουμε ότι το σχήμα των νανοσωματιδίων είναι σφαιρικό, όπως διακρίνεται και στην εικόνα Ferraspin-R D~4.9nm Counts Diameter (nm) Εικόνα 2.21: Εικόνα φωτεινού πεδίου και περίθλασης από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης και ιστόγραμμα υπολογισμού μεγέθους νανοσωματιδίων για το δείγμα Feraspin-R. 46

53 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Στο δείγμα Fluidmag-Streptavidin της εταιρίας Chemicell, ταυτοποιήθηκε φάση μαγνητίτη από την εικόνα περίθλασης ηλεκτρονικού μικροσκοπίου διέλευσης. Το μέγεθος των νανοσωματιδίων βρέθηκε ίσο με 12.3 nm, ενώ το σχήμα τους σφαιρικό, και το σχηματισμό συσσωματωμάτων,, όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε στην εικόνα Fluidmag-Streptavidin D~12.3nm Counts Diameter (nm) 2 Εικόνα 2.22: Εικόνα φωτεινού πεδίου και περίθλασης από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης και ιστόγραμμα υπολογισμού μεγέθους νανοσωματιδίων για το δείγμα Fluidmag-Streptavidin. 2 Fuidmag-Dx-1nm ~22.6 nm Counts Diameter (nm) Εικόνα 2.23: Εικόνα φωτεινού πεδίου και περίθλασης από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης και ιστόγραμμα υπολογισμού μεγέθους νανοσωματιδίων για το δείγμα Fluidmag-DX 1nm. Για το δείγμα των 1nm, η στατιστική επεξεργασίαα έδειξε ότι τα νανοσωματίδια έχουν μέσο μέγεθος διαμέτρου 22.6 nm, ενώ όπως παρατηρούμε από την εικόνα 2.22 παρουσιάζουν συσσωματώματα. ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ Όπως και στην περίπτωση του μαγνητίτη, που παρασκευάστηκε με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης, έτσι και για τέσσερα από τα εμπορικά σκευάσματαα νανοσωματιδίων, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε μαγνητικό πεδίο 1Τ και στα χαμηλότερα μαγνητικά πεδία των 2, 25 και 3Oe. H μαγνητική απόκριση των δειγμάτων στο υψηλό πεδίο, μας βοήθησε να συμπεράνουμε εάν πρόκειται για σιδηρομαγν νητικά ή υπερπαραμαγνητικά δείγματα και να βρούμε τη μαγνήτιση κόρου,, το συνεκτικό πεδίο καθώς και την παραμένουσα μαγνήτιση. Οι μετρήσεις στα χαμηλά μαγνητικά πεδία πραγματοποιήθηκαν για 47

54 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη τον υπολογισμό των απωλειών υστέρησης ανά κύκλο μαγνήτισης, ώστε να συγκριθούν στη συνέχεια με τα αποτελέσματα θερμικής απόκρισης των νανοσωματιδίων, δηλαδή τον ειδικό ρυθμό απωλειών SLP. Στην εικόνα 2.23 παρουσιάζονται οι βρόχοι υστέρησης στο υψηλό μαγνητικό πεδίο των 1 koe για τα τέσσερα εμπορικά σιδηρομαγνητικά ρευστά. 6 Nanomag-D-Spio 6 Ferraspin-R Magnetization (emu/g) Magnetization (emu/g) (α) Magnetic Field (koe) (β) Magnetic Field (koe) 6 4 Fluidmag-Streptavidin 6 4 Fluidmag-Dx-5nm Magnetization (emu/g) Magnetization (emu/g) Magnetic Field (koe) (γ) Magnetic Field (koe) Εικόνα 2.23: Βρόχοι υστέρησης στο υψηλό πεδίο των 1 koe των δειγμάτων (α) Nanomag-D-Spio, (β) Feraspin- R, (γ) Fluidmag-streptavidin και (δ) Fluidmag-DX-5nm. (δ) Για το δείγμα Nanomag-D-Spio (εικόνα 2.23α), η μαγνήτιση κόρου βρέθηκε ίση με 4.4emu/g σκόνης, το συνεκτικό πεδίο 118.5Oe και η παραμένουσα μαγνήτιση μόλις.9emu/g σκόνης. Η τιμή της μαγνήτισης κόρου είναι πολύ χαμηλή, κάτι που μπορεί να οφείλεται στη χρήση επιφανειδραστικών μορίων που χρησιμοποιήθηκαν κατά την παρασκευή του δείγματος, στην ενδεχόμενη οξείδωση ή και στο νανοδομημένο χαρακτήρα. Στην περίπτωση του δείγματος Feraspin-R (εικόνα 2.23β) η μαγνήτιση κόρου βρέθηκε ίση με 19emu/g σκόνης, αυξημένη σε σχέση με το προηγούμενο δείγμα πέντε περίπου φορές, αλλά 48

55 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ κατά πολύ μικρότερη από τη μαγνήτιση κόρου του συμπαγούς μαγνητίτη, ενώ το συνεκτικό πεδίο κινήθηκε στα ίδια επίπεδα και υπολογίστηκε στα 115 Oe και η παραμένουσα μαγνήτιση ήταν 8emu/g σκόνης. Πίνακας 2.3: Μαγνητικά χαρακτηριστικά εμπορικών δειγμάτων. Μαγνήτιση Κόρου (emu/g σκόνης ) Συνεκτικό Πεδίο (Oe) Παραμένουσα Μαγνήτιση (emu/g σκόνης ) Nanomag-D-Spio Feraspin-R Fluidmag-Streptavidin Fluidmag-DX-5nm Το δείγμα Fluidmag-Streptvidin (εικόνα 2.23γ) εμφάνισε σιδηρομαγνητική συμπεριφορά με αρκετά υψηλή μαγνήτιση κόρου, σε σχέση με τα προηγούμενα δείγματα, που βρέθηκε ίση με 42.5emu/g σκόνης. Η παραμένουσα μαγνήτιση έφτασε τα 11.4emu/g σκόνης, μεγαλύτερη από αυτήν του δείγματος Feraspin-R, κάτι που ήταν αναμενόμενο λόγω των μεγαλύτερων νανοσωματιδίων (όπως υπολογίστηκαν με την τεχνική της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας) και το συνεκτικό πεδίο τα 115 Oe. Το τελευταίο δείγμα (εικόνα 2.23δ) εμφάνισε και αυτό σιδηρομαγνητική συμπεριφορά και την υψηλότερη μαγνήτιση κόρου που βρέθηκε ίση με 52 emu/g. Το συνεκτικό του πεδίο υπολογίστηκε στα 141 Oe και η παραμένουσα μαγνήτιση 17.2emu/g. Η μειωμένη μαγνήτιση κόρου, σε σχέση με το συμπαγή μαγκεμίτη και σε αυτήν την περίπτωση, ενδεχομένως να οφείλεται στη χρήση επιφανειοδραστικών μορίων ή ακόμα και στο νανοδομημένο χαρακτήρα του δείγματος. Πίνακας 2.4: Υπολογισμός απωλειών υστέρησης των δειγμάτων Nanomag-D-Spio, Feraspin-R, Fluidmagstreptavidin και Fluidmag-DX-5nm. Απώλειες Υστέρησης (W/g σκόνης ) 2 Oe 25 Oe 3 Oe Nanomag-D-Spio Feraspin-R Fluidmag- Streptavidin Fluidmag-DX-5nm

56 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Στην εικόνα 2.24 παρουσιάζονται οι βρόχοι υστέρησης στα χαμηλά μαγνητικά πεδία των 2, 25 και 3Oe για τα εμπορικά σιδηρομαγνητικά δείγματα και στον πίνακα 2.4 δίνονται τα αποτελέσματα απωλειών υστέρησης όπως υπολογίστηκαν από το εμβαδόν που περικλείουν οι των βρόχοι. Magnetization (emu/g) Nanomag-D-Spio Minor Hysteresis loop at 3Oe Minor Hysteresis loop at 25Oe Minor Hysteresis loop at 2Oe Magnetization (emu/g) Ferraspin-R Minor Hysteresis loop at 3Oe Minor Hysteresis loop at 25Oe Minor Hysteresis loop at 2Oe Magnetic Field (Oe) Magnetic Field (Oe) Magnetization (emu/g) Fluidmag-Streptavidin Minor Hysteresis loop at 3Oe Minor Hysteresis loop at 25Oe Minor Hysteresis loop at 2Oe Magnetization (emu/g) Fluidmag-Dx-5nm Minor Hysteresis loop at 3Oe Minor Hysteresis loop at 25Oe Minor Hysteresis loop at 2Oe Magnetic Field (Oe) Magnetic Field (Oe) Εικόνα 2.24: Βρόχοι υστέρησης στα χαμηλά μαγνητικά πεδία 2Oe, 25Oe και 3Οe των δειγμάτων (α) Nanomag-D-Spio, (β) Feraspin-R, (γ)fluidmag-streptavidin και (δ) Fluidmag-DX-5nm ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΚΑΙ ΣΥΣΧΕΤΙΣΜΟΙ ΔΟΜΗΣ, ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑΣ, ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΥ Ο δομικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων επιβεβαίωσε σε κάθε περίπτωση, ότι πρόκειται για νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου, με το μέσο όρο του μεγέθους των κρυσταλλιτών να κυμαίνεται στα ~7nm, ενώ με τη βοήθεια και των εικόνων περίθλασης από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης ταυτοποιήθηκαν οι φάσεις όλων των δειγμάτων. Στην περίπτωση του εμπορικού σκευάσματος Nanomag, ταυτοποιήθηκε φάση μαγνητίτη με σφαιρικά 5

57 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ νανοσωματίδια υδροδυναμικής διαμέτρου 28.7nm, ενώ και στα δείγματα Feraspin-R και Fluidmag-Streptavidin ταυτοποιήθηκε επίσης φάση μαγνητίτη. Το Feraspin-R παρουσίασε το μικρότερο μέγεθος υδροδυναμικής διαμέτρου νανοσωματιδίων από όλα τα εμπορικά σκευάσματα, μόλις 4.9nm, ενώ το δείγμα Fluidmag-Streptavidin με μέσο μέγεθος υδροδυναμικής διαμέτρου 12.3nm είχε την καλύτερη διασπορά χωρίς συσσωματώματα. Στα δείγματα Fluidmag-DX 5,1 και 2nm ταυτοποιήθηκε φάση μαγκεμίτη με το δείγμα Fluidmag-DX-1 nm να παρουσιάζει το μεγαλύτερο μέγεθος υδροδυναμικής διαμέτρου από όλα τα σκευάσματα, ίσο με 6nm. Η διαφορά στις μέσες διαμέτρους από τις ονομαστικές τιμές που δίνουν οι εταιρίες μπορούν να αποδοθούν στο γεγονός ότι τα νανοσωματίδια σχηματίζουν σχηματισμούς μεγαλύτερου μεγέθους που οδηγούν στις μεγαλύτερες υδροδυναμικές διαμέτρους. Όσο αναφορά το μαγνητικό χαρακτηρισμό των δειγμάτων, τα συγκεντρωτικά αποτελέσματα, μας οδηγούν στο συμπέρασμα πως όλα τα δείγματα έχουν σιδηρομαγνητική συμπεριφορά, κάτι που ήταν αναμενόμενο για οξείδια του σιδήρου. Το συνεκτικό πεδίο όλων των δειγμάτων κυμαίνεται κοντά στα 11-14Oe, ενώ η μαγνήτιση κόρου σημειώνει πολύ μικρή τιμή για το δείγμα Nanomag-D-Spio, και φτάνει μέχρι και τα 52emu/g για το δείγμα Fluidmag-DX-5nm. Οι απώλειες λόγω υστέρησης αυξάνονται όσο αυξάνει το μαγνητικό πεδίο, όμως παραμένουν χαμηλές, σε σχέση με το δείκτη SLP, που εκφράζει τη συνολική θερμική απόκριση των νανοσωματιδίων ( 3.2.3), κάτι που σημαίνει ότι λαμβάνουν χώρα και οι μηχανισμοί Néel και Brown κατά τη θέρμανση των νανοσωματιδίων υπό την επίδραση του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. Στην εικόνα 2.25 που ακολουθεί, παρουσιάζεται η εξάρτηση της μαγνήτισης κόρου από το μέγεθος των νανοσωματιδίων (όπως μετρήθηκε από τις εικόνες μικροσκοπίας) για τρία από τα εμπορικά σκευάσματα νανοσωματιδίων και για τα δύο δείγματα αναφοράς. Όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε, στο σκεύασμα της Micromod, Nanomag-D-Spio, σημειώνεται η μικρότερη μαγνήτιση κόρου και ταυτόχρονα το μεγαλύτερο μέγεθος νανοσωματιδίων. Η χαμηλή τιμή της μαγνήτισης κόρου, ενδεχομένως να οφείλεται στο γεγονός ότι τα νανοσωματίδια μεγαλύτερης διαμέτρου, μπορεί να αποτελούνται από μικρούς σιδηριμαγνητικούς πυρήνες (από οξείδια σιδήρου) και ένα μεγάλης διαμέτρου μη μαγνητικό κέλυφος που πρακτικά απομονώνει τους μαγνητικούς πυρήνες από τις μεταξύ τους διπολικές αλληλεπιδράσεις. Το δείγμα που σημειώνει τη μεγαλύτερη μαγνήτιση κόρου από τα τρία 51

58 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη είναι το Fluidmag-Streptavidin, ενώ το Feraspin-R emu/g. έρχεται δεύτερο με μαγνήτιση κόρου 19 Εικόνα 2.25: Εξάρτηση μαγνήτισης κόρου από το μέγεθος νανοσωματιδίων για τα Fluidmag-Streptavidin και Nanomag-D-Spio και σύγκριση με τα δείγματα αναφοράς. δείγματα Feraspin-R, Απώλειες Ενέργειας (W/g σκόνης ) Oe 25Oe 3Oe Εικόνα 2.26: Ποιοτική εξάρτηση των απωλειών υστέρησης από το μαγνητικό πεδίο για τα εμπορικά κολλοειδή νανοσωματιδίων και το μαγνητίτη που παρασκευάστηκε με χημική συγκαταβύθιση. 52

59 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ Η μειωμένη μαγνήτιση κόρου σε όλα τα δείγματα οφείλεται στα επιφανειοδραστικά μόρια που χρησιμοποιούνται κατά τη σύνθεση τους, ώστε να είναι βιοσυμβατά, αλλά μπορεί να αποδοθεί και στο νανοδομημένο χαρακτήρα των υλικών. Στην εικόνα 2.26 παρουσιάζεται η ποιοτική εξάρτηση των απωλειών ενέργειας από το μαγνητικό πεδίο για τα εμπορικά σκευάσματα και το μαγνητίτη που παρασκευάστηκε με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης. Όπως παρατηρούμε οι μικρότερες απώλειες αποδίδονται στο δείγμα Nanomag-D-Spio, ενώ για τα υπόλοιπα εμπορικά δείγματα κυμαίνονται στα ίδια περίπου επίπεδα και αυξάνονται όσο αυξάνει το μαγνητικό πεδίο ακολουθώντας και τις τάσεις αύξησης της μαγνήτισης που παρατηρούνται στην εικόνα Το δείγμα μαγνητίτη που παρασκευάστηκε με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης, επίσης παρουσιάζει απώλειες ενέργειας συγκρίσιμες με τα εμπορικά δείγματα με τη διαφορά ότι σημειώνει τις μεγαλύτερες, στο μεσαίο (25 Oe) από τα τρία μαγνητικά πεδία. 53

60 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Nanoolives Κέλυφος: Οξείδιο του σιδήρου, Πυρήνας: Σίδηρος και Πλατίνα 29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ Με την ολοκλήρωση του μορφολογικού και μαγνητικού χαρακτηρισμού των δειγμάτων, στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται το πρωτόκολλο που ακολουθήθηκε στα πειράματα μαγνητικής υπερθερμίας και τα αποτελέσματα του ειδικού ρυθμού απωλειών SLP για κάθε δείγμα. Στη συνέχεια, γίνεται η σύγκριση μεταξύ των κολλοειδών ίδιας κατηγορίας, για τα εμπορικά σιδηρορευστά, και η σύγκριση αυτών με τα μαγνητοσώματα, το μαγνητίτη που παρασκευάστηκε με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης και τα δείγματα όγκου. Τέλος, γίνεται η αποτίμηση της θερμικής απόκρισης, ώστε να καταλήξουμε στο πιο αποτελεσματικό σύστημα και τον κατάλληλο φορέα μαγνητικής υπερθερμίας. 54

61 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ 3.1. ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑΣ Η διαδικασία η οποία ακολουθήθηκε στις μετρήσεις βασίζεται στην ίδια αρχή με αυτήν της βιοϊατρικής εφαρμογής της υπερθερμίας μαγνητικών νανοσωματιδίων. 3 Μετρήθηκε δηλαδή η θερμική απόκριση των κολλοειδών δειγμάτων υπό την επίδραση εξωτερικού εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. Η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε αποτελείται από μια γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος σταθερής συχνότητας 765kHz (Frequency Induction Machine Model No.SPG-1, της εταιρίας Shuangping), η οποία ήταν συνδεμένη με ένα πηνίο. Στο εσωτερικό του κυλίνδρου που σχηματίζουν οι σπείρες του υδρόψυκτου πηνίου, τοποθετούνταν ο δοκιμαστικός σωλήνας, ο οποίος περιείχε το προς μελέτη διάλυμα και μέσα σ αυτόν ο ανιχνευτής θερμοκρασιακών μεταβολών, μια οπτική ίνα. Η οπτική αυτή ίνα, συνδεδεμένη μ ένα ηλεκτρονικό πολύμετρο αποτελούσε μέρος μιας αυτοτελούς διάταξης καταγραφής της θερμοκρασίας σε σχέση με το χρόνο. Το καταγραφικό όργανο όπου οι μετρήσεις διοχετεύονταν με σταθερή συχνότητα (κάθε.4 δευτερόλεπτα) ήταν ένας υπολογιστής εφοδιασμένος με κατάλληλο λογισμικό (SoftSens). Η δειγματοληψία των θερμοκρασιών έγινε για διάστημα 12 δευτερολέπτων, με το τροφοδοτικό παραγωγής εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου σε λειτουργία για τα πρώτα 6 δευτερόλεπτα, από όπου προέκυψε η καμπύλη θέρμανσης και εκτός λειτουργίας για τα επόμενα 6 δευτερόλεπτα όπου προέκυψε η καμπύλη ψύξης των δειγμάτων. Καμπύλες αναφοράς θέρμανσης λήφθηκαν και για το διαλύτη των δειγμάτων (απεσταγμένο νερό), ώστε να αφαιρεθούν από τη μέτρηση και τελικά να βρούμε μόνο τη συνεισφορά των νανοσωματιδίων στη μαγνητική υπερθερμία, να γίνει δηλαδή η αδιαβατική διόρθωση. Εικόνα 3.1: Σχηματική απεικόνιση μίας τυπικής διάταξης μέτρησης της θερμικής απόκρισης διαλυμάτων νανοσωματιδίων. 55

62 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Στην εικόνα 3.1 παρουσιάζεται μία τυπική διάταξη μαγνητικής υπερθερμίας, που αποτελείται από μία γεννήτρια εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου, το πηνίο όπου τοποθετείται το δείγμα και την οπτική ίνα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Τα πειράματα υπερθερμίας πραγματοποιήθηκαν για όλα τα δείγματα που αναλύθηκαν στο δεύτερο κεφάλαιο και παρουσιάζονται στον πίνακα 3.1. Οι μετρήσεις έγιναν στη συχνότητα των 765 khz και σε πλάτη μαγνητικού πεδίου των 2, 25 και 3Oe και σε συγκεντρώσεις.1-3. mg/ml στην πλειοψηφία των δειγμάτων. Στο δείγμα μαγνητοσωμάτων λόγω περιορισμένης ποσότητας δείγματος έγινε μόνο μια μέτρηση στην αρχική συγκέντρωση του δείγματος (.6 mg/ml). Στα εμπορικά σκευάσματα όγκου μετρήθηκαν διαλύματα σημαντικά μεγαλυτέρης συγκέντρωσης. Πίνακας 3.1: Δείγματα που αξιολογήθηκαν ως φορείς μαγνητικής υπερθερμίας. ΕΙΔΟΣ ΔΕΙΓΜΑ ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ MΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ (Oe) Magnetospirillum 15, 2, 25, Μαγνητοσώματα Magnetosomes gryphiswaldense 3 Σύνθεση στο εργαστήριο Σκευάσματα υλικών όγκου (bulk) Magnetite(Fe 3 O 4 ) Dextrifer Hemafer Χημική συγκαταβύθιση ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ Fe (mg/ml).6 2, 25, 3.6, 1, 3, 5,12 UNI PHARMA 2, 25, 3 5, 1, 25 Nanomag Micromod 2, 25, 3.5,.1,.2,.6, 1, 3 Feraspin R Nanopet 2, 25, 3 1, 5, 1 Σκευάσματα Fluidmag Steptavidin.3,.6, 1.2 νανοσωματιδίων (nano) Fluidmag DX (5nm) Fluidmag DX (1nm) Chemicell 2, 25, 3.1,.2,.6, 1, 2, 3.1,.2,.6, 1, 2, 3 Fluidmag DX (2nm).1,.3,.6, 1, 3, 5 56

63 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ Η θερμική απόκριση των δειγμάτων μας οδήγησε σε συμπεράσματα για το εάν τα δείγματα εισέρχονται στα επιθυμητά επίπεδα υπερθερμίας 32 και είναι κατάλληλοι υποψήφιοι φορείς για τη συγκεκριμένη εφαρμογή μετά τον υπολογισμό του ειδικού αριθμού απωλειών SLP ΜΑΓΝΗΤΟΣΩΜΑΤΑ Οι μετρήσεις υπερθερμίας για το διάλυμα των μαγνητοσωμάτων συγκέντρωσης.6 mg Fe /ml, πραγματοποιήθηκαν σε τέσσερα εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία έντασης 15, 2, 25 και 3Oe. Στην πρώτη περίπτωση το δείγμα περιείχε διαλύτη απεσταγμένο νερό και στη δεύτερη περίπτωση gel αγαρόζης 1%κ.β.. Temperature ( O C) (α) 15Oe 2Oe 25Oe 3Oe 15Oe_water 2Oe_water 25Oe_water 3Oe_water time(s) Temperature ( O C) (β) 15Oe 2Oe 25Oe 3Oe 15Oe_Agar 2Oe_Agar 25Oe_Agar 3Oe_Agar time(s) Εικόνα 3.2: Καμπύλες υπερθερμίας σε διάλυμα νερού (α) και σε διάλυμα gel αγαρόζης (β). Η γραμμοσκιασμένη περιοχή αντιστοιχεί στα επιθυμητά επίπεδα υπερθερμίας (41-45 ο C) και οι στικτές γραμμές στο διαλύτη. 57

64 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Από τις καμπύλες υπερθερμίας παρατηρούμε ότι τα μαγνητοσώματα αυξάνουν τη θερμοκρασία τους καθώς υποβάλλονται στο εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, ενώ με την αύξηση έντασης του μαγνητικού πεδίου,, μεγιστοποιείται και η θερμική τους απόκριση. Στα τρία από τα τέσσερα μαγνητικά πεδία που υποβλήθηκαν τα μαγνητοσώματα, η θερμική τους απόκριση έδειξε ότι εισέρχονται στα επιθυμητά επίπεδα υπερθερμίας και στις δύο περιπτώσεις διαλυτών, με τη διαφορά ότι στην περίπτωση του διαλύτη gel αγαρόζης η άνοδος της θερμοκρασίας είναι μικρότερη. ΔΘ ( o C) Αγαρόζη Ύδωρ Μαγνητοσώματα.6mg Fe /ml Μαγνητικό Πεδίο(Oe) 3 Εικόνα 3.3: Θερμοκρασιακή μεταβολή ΔΘ των μαγνητοσωμάτων συναρτήσει της έντασης του εναλλασσομένου μαγνητικού πεδίου για διαλύτη απεσταγμένο νερό και διαλύτη gel αγαρόζης. SLP (W/g Fe ) Μαγνητοσώματα.6mg 75 Fe /ml Αγαρόζη 6 45 Ύδωρ Μαγνητικό Πεδίο (Oe) Εικόνα 3.4: Δείκτης SLP μαγνητοσωμάτων συναρτήσει της έντασης του εναλλασσομένου μαγνητικού πεδίου για διαλύτης νερό και διαλύτη gel αγαρόζης. 58

65 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ Ο λόγος που η θερμική απόκριση δε φτάνει τα επίπεδα όπου ο διαλύτης είναι το απεσταγμένο νερό, είναι γιατί αλλάζει η συγκρότηση των αλυσίδων των μαγνητοσωμάτων καθώς αυτά είναι ακινητοποιημένα μέσα στο gel αγαρόζης με αποτέλεσμα να αλλάζει η μαγνήτιση τους και ακολούθως να παρατηρείται μείωση στην θερμική τους απόκριση. 31 Στις εικόνες 3.3 και 3.4 παρουσιάζονται οι θερμικές αποκρίσεις των μαγνητοσωμάτων στους δύο διαφορετικούς διαλύτες στα τέσσερα μαγνητικά πεδία και στη συνέχεια το μέγεθος του ρυθμού ειδικών απωλειών SLP, όπως υπολογίστηκε μετά τη διαδικασία της αδιαβατικής διόρθωσης από τη σχέση (7). Στην περίπτωση των μαγνητοσωμάτων ο δείκτης SLP, που είναι μέγεθος που δίνει την ενέργεια που αποβάλλουν σε μορφή θερμότητας τα νανοσωματίδια παίρνει αξιοσημείωτες τιμές, όπως παρατηρούμε στην εικόνα 3.4 σε σχέση με τη μικρή συγκέντρωση των μαγνητοσωμάτων στο διάλυμα. Οι μεγάλες τιμές του δείκτη SLP οφείλονται στο γεγονός ότι τα μαγνητοσώματα έχουν μεγάλη μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία και ταυτόχρονα χημική καθαρότητα χωρίς προσμίξεις τρίτων στοιχείων, ενώ επιπλέον χαρακτηρίζονται και από στενό εύρος μεγέθους, όπως παρατηρήσαμε στο μορφολογικό χαρακτηρισμό. Αυτά τα χαρακτηριστικά, μαζί με τη μεμβράνη λιπιδίων και πρωτεϊνών που τα περιβάλλει κάνοντας τα βιοσυμβατά, μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι είναι καλοί υποψήφιοι για την εφαρμογή της μαγνητικής υπερθερμίας. Όσο αναφορά το μέγεθος SLP με διαλύτη αγαρόζη, ήταν αναμενόμενο να σημειωθούν κάπως μειωμένες οι τιμές SLP σε σχέση με το διαλύτη νερό, αφού αυξάνεται το ιξώδες του διαλύματος και μειώνεται η κινητικότητα των μαγνητοσωμάτων μέσα στο κολλοειδές, οπότε και δεν μπορούν να ακολουθήσουν τις εναλλαγές του πεδίου. Τα μαγνητοσώματα έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί σε in vitro εφαρμογές υπερθερμίας 28 με εξαιρετικά αποτελέσματα, αφού η διάταξη τους σε αλυσίδες επέτρεψε την ομοιόμορφη θέρμανση του καρκινικού όγκου και την αναστολή του πολλαπλασιασμού των καρκινικών κυττάρων, χωρίς να προκαλέσει τοξικότητα σε υγιή κύτταρα. Ακόμα, πειράματα υπερθερμίας πραγματοποιήθηκαν και σε χαμηλότερα μαγνητικά πεδία 32 με τον δείκτη SLP να παρουσιάζει υψηλές τιμές ακόμα και στο πεδίο των 6Oe, ενώ ταυτόχρονα έχει σημειωθεί πρόοδος και στην παρασκευή των μαγνητοσωμάτων, με μελέτες να αναφέρουν ότι είναι δυνατόν να παρασκευαστούν μέχρι και 15mg/ημέρα

66 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Τα πειράματα υπερθερμίας συνεχίστηκαν με το δείγμα νανοσωματιδίων μαγνητίτη που παρασκευάστηκε με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης. Σε αυτήν την περίπτωση, το δείγμα μελετήθηκε σε πέντε διαφορετικές συγκεντρώσεις των.6, 1, 3, 5 και 1 2mg/ ml (ποσοστό σιδήρου στο κολλοειδές) σε τρία εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία των 2 25 και 3Οe, ενώ διαλύτης ήταν το απεσταγμένο νερό. 9,6mg_2Oe,6mg_25Oe,6mg_3Oe 1mg_2Oe 1mg_25Oe 1mg_3Oe 3mg_2Oe 3mg_25Oe 3mg_3Oe water_2oe water_25oe water_3oe (α) O Temperature ( C) mg 5 1mg,6mg time (s) 8 9 (β) (β) 12mg O Temperature ( C) 8 7 5mg mg_2Oe 5mg_25Oe 5mg_3Oe 12mg_2Oe 12mg_25Oe 12mg_3Oe water_2oe water_25oe water_3oe 5 4 water time (s) Εικόνα 3.5: Καμπύλες υπερθερμίας νανοσωματιδίων μαγνητίτη που έχουν παρασκευαστεί με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης για συγκεντρώσεις.6, 1 και 3mg/mL (α) και συγκεντρώσεις 5 και 12mg/mL (β). 6

67 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Από τις καμπύλες υπερθερμίας που παρουσιάζονται στην εικόνα 3.5 παρατηρούμε ότι το δείγμα εισέρχεται σε όλες τις συγκεντρώσεις και τα υποβαλλόμενα μαγνητικά πεδία στα επιθυμητά επίπεδα υπερθερμίας. ΔΘ( o C) Oe 25Oe 3Oe Μαγνητίτης 2 1, Συγκέντρωση(mg Fe /ml) 12 Εικόνα 3.6: Ποιοτική συμπεριφορά θερμοκρασιακής διαφοράς του δείγματος σε πέντε συγκεντρώσεις και τρία μαγνητικά πεδία. Η μεγαλύτερη αύξηση θερμοκρασίας σημειώνεται στη μεγαλύτερη συγκέντρωση και αφορά όλα τα πεδία. Μαγνητίτης 2Oe SLP (W/g Fe ) 2 25Oe 3Oe , Συγκέντρωση (mg Fe /ml) 12 Εικόνα 3.7: Ποιοτική συμπεριφορά δείκτη SLP του δείγματος σε πέντε συγκεντρώσεις και τρία μαγνητικά πεδία. Οι μεγαλύτερες τιμές σημειώνονται στις μικρότερες συγκεντρώσεις. Ο δείκτης SLP εξαρτάται από την κλίση της καμπύλης θέρμανσης. 61

68 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Στη συνέχεια υπολογίστηκε ο ρυθμός ειδικών απωλειών του δείγματος σε όλες τις συγκεντρώσεις μετά την αδιαβατική διόρθωση. Οι τιμές του ειδικού ρυθμού απωλειών SLP είναι μεγαλύτερες στις μικρότερες συγκεντρώσεις, και αυτό οφείλεται στους διαφορετικούς μηχανισμούς που λαμβάνουνν χώρα κατά την επίδραση του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. Στις εικόνες 3.6 και 3.7 παρουσιάζονται οι θερμοκρασιακή συμπεριφορά του δείγματος υπό το εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο και ο δείκτης SLP αντίστοιχα. Η ενέργεια που αποβάλλουν σε μορφή θερμότητας τα νανοσωματίδια μαγνητίτη που έχουν παρασκευαστεί με τη μέθοδοο της χημικής συγκαταβύθισης, είναι μικρή σε σχέση με την ενέργεια που αποβάλλουν τα μαγνητοσώματα της ίδιας συγκέντρωσης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι παρουσιάζουν μεγαλύτερη κατανομή μεγέθους,, δεν έχουν την ίδια χημική καθαρότητα με τα μαγνητοσώματα, ενώ ταυτόχρονα σχηματίζουν και συσσωματώματα. Ο ρυθμός ειδικών απωλειών SLP παίρνει τη μεγαλύτερη τιμή (18W/g Fe ) στη μικρότερη συγκέντρωση αλλά στο μεγαλύτερο μαγνητικό πεδίο. SLP (W/g Fe ) 8 Μαγνητοσώματα_Αγαρόζη 6 Μαγνητοσώματα_Ύδωρ Μαγνητίτης Μαγνητικό Πεδίο(Oe) 3 Εικόνα 3.8: Συγκριτικό διάγραμμα θερμικής απόκρισης μαγνητοσωμάτων και νανοσωματιδίων μαγνητίτη παρασκευασμένα με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης στη μικρότερη συγκέντρωση των.6mg Fe /ml. Τα νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου που παρασκευάζονται με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης παρουσιάζουν ένα εύρος αποτελεσμάτων ειδικού ρυθμού απωλειών SLP, γεγονός που αποδίδεται στις διαφορετικές πρόδρομες ενώσεις και τα επιφανειοδραστικά μόρια που χρησιμοποιούνται και γενικότερα στις συνθήκες κατά τις οποίες πραγματοποιείται 62

69 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ η σύνθεση. Έτσι, έχουν σημειωθεί πολύ υψηλές τιμές του δείκτη SLP σε διάλυμα νανοσωματιδίων μαγκεμίτη που φτάνουν τα 165W/g 34 και σε κάποιες περιπτώσεις πολύ μικρότερες σε διάλυμα νανοσωματιδίων μαγνητίτη. 35 Σε κάθε περίπτωση, παράμετροι όπως το μέγεθος και η συχνότητα του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου, η συγκέντρωση των νανοσωματιδίων και ο χρόνος θέρμανσης πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν. Στην εικόνα 3.8 παρουσιάζεται το συγκριτικό διάγραμμα θερμικής απόκρισης των μαγνητοσωμάτων και των νανοσωματιδίων που παρασκευάστηκαν με χημική συγκαταβύθιση. Ο δείκτης SLP παίρνει αρκετά μεγαλύτερες τιμές στο δείγμα των μαγνητοσωμάτων που φτάνει τα 675W/g. Για τα μαγνητοσώματα ως φορείς μαγνητικής υπερθερμίας έχουν σημειωθεί επίσης υψηλές τιμές SLP, που φτάνουν τα 96W/g ΕΜΠΟΡΙΚΑ ΣΙΔΗΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ Το κύριο μέρος της μελέτης έγινε στα εμπορικά σιδηρομαγνητικά σκευάσματα όπου με πειράματα θερμικής απόκρισης υπό εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο αξιολογήθηκαν δύο δείγματα όγκου και έξι δείγματα νανοσωματιδίων. Τα δείγματα μετρήθηκαν σε πολλές συγκεντρώσεις και διαφορετικά μαγνητικά πεδία ώστε να γίνει η πολύπλευρη μελέτη σε διαφορετικές συνθήκες και να προκύψει ο καλύτερος υποψήφιος φορέας μαγνητικής υπερθερμίας ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ ΥΛΙΚΩΝ ΟΓΚΟΥ Τα δύο δείγματα της εταιρίας Uni-Pharma, Dextrifer και Hemafer, που είναι διαθέσιμα για τη θεραπεία σιδηροπενικής αναιμίας, αξιολογήθηκαν ως φορείς μαγνητικής υπερθερμίας. Λόγος της μελέτης αυτής ήταν να δούμε, αν σκευάσματα που περιέχουν σίδηρο και έχουν πάρει ήδη την έγκριση του παγκόσμιου οργανισμού τροφίμων και φαρμάκων και μπορούν να χορηγηθούν στον ανθρώπινο οργανισμό, έχουν τις ιδιότητες εκείνες, ώστε να χρησιμοποιηθούν και για άλλους βιοϊατρικούς σκοπούς. Τα πειράματα υπερθερμίας έδειξαν ότι όσο προχωράμε από τη νανοκλίμακα σε υλικά όγκου, τότε τα χαρακτηριστικά αλλάζουν και δεν είναι τα επιθυμητά. Έτσι, για τα δύο αυτά σκευάσματα, τα αποτελέσματα της θερμικής απόκρισης μας οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι τα δείγματα αυτά είναι ακατάλληλοι φορείς μαγνητικής υπερθερμίας, αφού ακόμα και στις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις παρουσίασαν πολύ μικρές τιμές SLP. Τα αποτελέσματα της θερμικής απόκρισης για τις τρεις συγκεντρώσεις των 5, 1 και 25mg/mL και για τα μαγνητικά πεδία έντασης 2, 25 και 3Οe δίνονται στις εικόνες

70 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία α Υλικών» 5 Διπλωματική εργασία Δ ε Σ Στέλλα Μαθιουυδάκη Dextriffer 48 5mg_2Oe 5mg_25Oe 5mg_3Oe 1mg_2Oe 1mg_25Oe 1mg_3Oe 25mg_2Oe 25mg_25Oe 25mg_3Oe water_2oe water_25oe water_3oe (α) O Temperature ( C) time (s) 5 Hemaffer (β) 5mg_2Oe 5mg_25Oe 5mg_3Oe 1mg_2Oe 1mg_25Oe 1mg_3Oe 25mg_2Oe 25mg_25Oe 25mg_3Oe water_2oe water_25oe water_3oe 46 O Temperature ( C) time (s) Εικόνα 3.9: 3 Καμπύλεςς υπερθερμίαςς των εμπορικκών δειγμάτωνν (α) Dextrifer και (β) Hem mafer της εταιιρίας UniPharma. Τα δείγματα δεν δ εισέρχοντα αι στα επιθυμηητά επίπεδα υπ περθερμίας. ΔΘ (oc) 1 Dextrifer D 2 Oe 25 Oe 8 (α) ΔΘ Θ (oc) 1 2 Oe O 8 25 Oe O 3 Oe (β) 3 Oe O Heemafer Συγκέντρωσ ση (mg/ml) Συγκέντρωση η (mg/ml) 3 Ποιοτικήή συμπεριφορά ά θερμοκρασιακής διαφορά άς των δειγμάττων (α)dextrif ifer και (β) Hemafer H σε Εικόνα 3.1: τρεις συγκκεντρώσεις κα αι τρία μαγνηττικά πεδία. Η αύξηση α θερμοκκρασίας που σημειώνεται σ είίναι ελάχιστη ακόμα και στη μεγαλλύτερη συγκένττρωση. 64

71 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» SLP(W/g) Oe 25 Oe 3 Oe Dextrifer (α) SLP(W/g) Oe 25 Oe 3 Oe Hemafer (β) Συγκέντρωση (mg/ml) Συγκέντρωση (mg/ml) Εικόνα 3.11: Ποιοτική συμπεριφορά δείκτη SLP των εμπορικών δειγμάτων όγκου (α)dextrifer και (β) Hemafer σε τρεις συγκεντρώσεις και τρία μαγνητικά πεδία. Ο δείκτης SLP σημειώνει πολύ χαμηλές τιμές και τα δύο δείγματα όγκου είναι ακατάλληλοι φορείς μαγνητικής υπερθερμίας. ΔΕΙΓΜΑ Nanomag-D- spio 1 2 Feraspin-R Fluidmag- Fluidmag-DX 4 3 Steptavidin (5nm) Fluidmag-DX 5 (1nm) Fluidmag-DX 6 (2nm) Πίνακας 3.2: Χαρακτηριστικά των εμπορικών δειγμάτων νανοσωματιδίων. ΕΤΑΙΡΙΑΑ Micromod Nanopet Chemicell Chemicell Chemicell Chemicell ΣΥΝΘΕΣΗ Dextran iron oxide composite particles Superparamagnetic iron oxide nanoparticles ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ Plain Carboxydextran Magnetite nanoparticles Starch Maghemite nanoparticles Dextran Maghemite nanoparticles Dextran Maghemite nanoparticles Dextran ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΔΙΑΜΕΤΡΟΣ (nm)

72 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη ΣΚΕΥΑΣΜΑΤΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Εμπορικά σιδηρομαγνητικά ρευστά των φαρμακευτικών εταιριών Micromod, Nanopet και Chemicell, αξιολογήθηκαν ως φορείς μαγνητικής υπερθερμίας. Εικόνα 3.12: Καμπύλες υπερθερμίας του εμπορικού δείγματος Nanomag-D-spio της εταιρίας Micromod για συγκεντρώσεις.5,.1, και.2mg Fe /ml (α) και συγκεντρώσεις.6, 1 και 3mg Fe /ml (β). 66

73 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Οι παραπάνω εταιρίες που δραστηριοποιούνται στο χώρο των βιοϊατρικών εφαρμογών και ήδη σκευάσματα τους είναι σε pre-clinical δοκιμές, νανοσωματιδίων και κολλοειδών μαγνητορευστών, αφού βιομηχανική κλίμακα, διατηρώντας την επαναληψιμότητα και τη διασφάλιση ποιότητας στα προϊόντα τους. Τα πειράματα υπερθερμίας για το δείγμα Nanomag-D-spio της εταιρίας Micromod πραγματοποιήθηκαν σε έξι συγκεντρώσεις σε τρία εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία (2, 25 και 3Oe). Η θερμική απόκριση των διαλυμάτων έδειξε ότι ακόμα και σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις το δείγμα εισέρχεται στα επιθυμητά επίπεδα υπερθερμίας, όπως μπορούμε να διαπιστώσουμε από την εικόνα ΔΘ( ο C) 3 2 Oe Oe 2 3 Oe ,5,1,2,6 Συγκέντρωση (mg 1 Fe /ml) Εικόνα 3.13: Ποιοτική συμπεριφορά θερμοκρασιακής διαφοράς του δείγματος σε έξι συγκεντρώσεις και τρία μαγνητικά πεδία. Η μεγαλύτερη αύξηση θερμοκρασίας σημειώνεται στη μεγαλύτερη συγκέντρωση, αφορά όλα τα πεδία και φτάνει μέχρι και τους 3 ο C. SLP (W/g Fe ) ,5,1 Nanomag D Spio Nanomag D Spio,2,6 Συγκέντρωση (mg 1 Fe e/ml) 3 πλεονεκτούν στη σύνθεση μπορούν να παράγουν σε Εικόνα 3.14: Ποιοτική συμπεριφορά δείκτη SLP του δείγματος Nanomag-D-spio της εταιρίας Micromod σε έξι συγκεντρώσεις και τρία μαγνητικά πεδία. 3 2 Oe 25 Oe 3 Oe 67

74 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Στη συνέχεια υπολογίστηκε ο ρυθμός ειδικών απωλειών SLP του δείγματος. Τα αποτελέσματα δίνονται στην εικόνα 3.14, όπου παρατηρούμε πως οι απώλειες θερμότητας είναι μεγαλύτερες στη μικρότερη συγκέντρωση νανοσωματιδίων στο δείγμα, κάτι που μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι σε ένα πιο αραιό διάλυμα τα νανοσωματίδια έχουν μεγαλύτερη κινητικότητα εντός του κολλοειδούς. Όσο η συγκέντρωση αυξάνεται, στην περίπτωση των υπερπαραμαγνητικών νανοσωματιδίων, ο ενισχυτικός μηχανισμός Brown παύει να ενεργεί και παρατηρείται το φαινόμενο της καθίζησης. Σε γενικές γραμμές δείγματα που εμφανίζουν υψηλές τιμές SLP σε μικρές συγκεντρώσεις προτιμώνται, διότι εμφανίζουν μικρά ποσοστά τοξικότητας σε in vitro εφαρμογές. Το επόμενο δείγμα παρουσίασε αξιοσημείωτα αποτελέσματα θερμικής απόκρισης στις τρεις συγκεντρώσεις που μετρήθηκε σε όλα τα εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία (εικόνα 3.15). Το Feraspin-R της εταιρίας Nanopet που ήδη βρίσκεται σε pre-clinical στάδιο ως παράγοντας ενίσχυσης της αντίθεσης στη μαγνητική τομογραφία MRI, αποδείχθηκε κατάλληλος υποψήφιος φορέας και μαγνητικής υπερθερμίας, όσον αφορά το ρυθμό θερμικών απωλειών που παρουσιάζει, υπό την επίδραση εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου (εικόνα 3.16, 3.17). Ταυτόχρονα, το συγκεκριμένο δείγμα δείχνει να πλεονεκτεί, αφού έρευνες της εταιρίας Nanopet έδειξαν ότι μετά τη χορήγηση του, συσσωρεύεται στο ήπαρ όπου αποικοδομείται σε σίδηρο και μεταφέρεται στις φυσιολογικές αποθήκες σιδήρου του οργανισμού.39 1mg/mL water_2oe water_25oe water_3oe 1mg_2Oe 1mg_25Oe 1mg_3Oe 5mg_2Oe 5mg_25Oe 5mg_3Oe 1mg_2Oe 1mg_25Oe 1mg_3Oe Feraspin-R 8 7 1mg/mL o Temperature ( C) 5mg/mL time(s) Εικόνα 3.15: Καμπύλες υπερθερμίας του δείγματος Feraspin-R της εταιρίας Nanopet. 68

75 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» ΔΘ ( ο C) Feraspin R 2Oe 25Oe 3Oe Συγκέντρωση (mg Fe /ml) Εικόνα 3.16: Ποιοτική συμπεριφορά θερμοκρασιακής διαφοράς του δείγματος σε τρεις συγκεντρώσεις και τρία μαγνητικά πεδία. SLP (W/g Fe ) Feraspin R 2Oe 25Oe 3Oe Συγκέντρωση (mg Fe /ml) Εικόνα 3.17: : Ποιοτική συμπεριφορά του δείκτη θερμικών απωλειών για το δείγμα Feraspin-R. Τα επόμενα τέσσερα δείγματα στα οποία έγιναν πειράματα υπερθερμίας είναι της εταιρίας Chemicell. Για το Fluidmag-Strepavidin, η θερμική απόκριση μετρήθηκε στο εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο των 25 και των 35Oe σε τρεις συγκεντρώσεις για να δούμε την καταλληλότητα του ως παράγοντα μαγνητικής υπερθερμίας, αφού το συγκεκριμένο δείγμα με λειτουργική ομάδα τη στρεπταβιδίνη είναι βιοσυμβατό και πλεονεκτεί λόγω της ικανότητας πρόσδεσης του σε βιολογικές μονάδες. Τα δείγματα με ονομασία Fluidmag-DX της, ήταν ίδιας σύστασης, δηλαδή διασπορά νανοσωματιδίων οξειδίων του σιδήρου σε υδατικό διάλυμα με επικάλυψη από υδρόφιλα πολυμερή, με μόνη διαφορά το μέγεθος των νανοσωματιδίων. 69

76 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Temperature ( o C) Fluidmag-Streptavidin.6mg water 1.2_25Oe.6mg_25Oe.3mg_25Oe.6mg_35Oe.3mg_35Oe 1.2mg_35Oe 4 water time (s) Εικόνα 3.18: Καμπύλες υπερθερμίας του δείγματος Fluidmag-Streptavidin της εταιρίας Chemicell. Η θερμοκρασία σημειώνει σημαντική άνοδο ακόμα και σε τόσο χαμηλές συγκεντρώσεις. ΔΘ ( ο C) Fluidmag Steptavidin Oe 35 Oe 2 1 Εικόνα 3.19: Θερμοκρασιακή διαφορά του δείγματος Fluidmag-Streptavidin της εταιρίας Chemicell.,3,,6 Συγκέντρωση (mg Fe /ml) 1,2 7

77 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» SLP (W/g Fe ) Fluidmag Streptavidin ,3,6 1,2 Συγκέντρωση (mg Fe /ml) 25 Oe 35 Oe Εικόνα 3.2: Μέγεθος του δείκτη θερμικών απωλειών SLP για το δείγμα της εταιρίας Chemicell Fluidmag- Streptavidin. Οι μετρήσεις υπερθερμίας σε δείγματα ίδιας σύστασης αλλά διαφορετικού μεγέθους (5, 1 και 2nm), μας οδήγησε στο να εξάγουμε συμπεράσματαα για τη θερμική απόκριση των κολλοειδών ώστε να καταλήξουμε στο καλύτερο σύστημα, έχοντας ως παράμετρο στην περίπτωση αυτή εκτός της συγκέντρωσης και το μέγεθος. Άλλωστε, η παραγωγή του δείγματος Fluidmag-DX γίνεται με σκοπό την εισαγωγή του σε βιοϊατρικές εφαρμογές ως παράγοντας ενίσχυσης της αντίθεσης στη μαγνητική τομογραφία και ως φορέας μεταφοράς φαρμάκου, όπου και εκεί το μέγεθος των νανοσωματιδίων εντός του μαγνητορευστού αποτελεί πολύ σημαντική παράμετρο. Πειράματα υπερθερμίας στα δείγματα Fluidmag-DX πραγματοποιήθηκαν σε έξι συγκεντρώσεις και τρία εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία, σε συχνότητα 765kHz. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται ανά δείγμα ενώ στη συνέχεια γίνεται και η σύγκριση. 71

78 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Fluidmag-DX (5nm) 8,1mg_2Oe,1mg_25Oe,1mg_3Oe,2mg_2Oe,2mg_25Oe,2mg_3Oe,6mg_2Oe,6mg_25Oe,6mg_3Oe water_2oe water_25oe water_3oe o Temperature ( C) (α) 7 6.6mg 5.2mg time (s) 8 3mg 2mg Temperature ( C) 12 1mg_2Oe 1mg_25Oe 1mg_3Oe 2mg_2Oe 2mg_25Oe 2mg_3Oe 3mg_2Oe 3mg_25Oe 3mg_3Oe water_2oe water_25oe water_3oe (β) 8 1 o 7 6 1mg time(s) Εικόνα 3.21: Καμπύλες υπερθερμίας (α) για συγκεντρώσεις.1,.2 και.6mgfe/ml και (β) για συγκεντρώσεις 1, 2 και 3mgFe/mL του δείγματος Fluidmag-DX μεγέθους 5nm. Το δείγμα εισέρχεται και ξεπερνάει τα επιθυμητά επίπεδα σε όλες τις και συγκεντρώσεις και όλα τα μαγνητικά πεδία. 72

79 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» ΔΘ( o C) 5 2Oe Fluidmag DX (5nm) 4 25Oe 3 3Oe 2 1,1,,2,6 1 2 Συγκέντρωση (mg F e/ml) 3 Εικόνα 3.22: Θερμοκρασιακή μεταβολή ΔΘ του δείγματος συναρτήσει μαγνητικού πεδίου για έξι συγκεντρώσεις. της έντασης του εναλλασσομένου SLP (W/g Fe e) 8 6 Fluidmag DX (5nm) 2Oe 25Oe 3Oe 4 2,1,2,6 1 2 Συγκέντρωση (mg Fe /ml) 3 Εικόνα 3.23: Ποιοτική συμπεριφορά δείκτη SLP του δείγματος Fluidmag-DX της εταιρίας Chemicell σε έξι συγκεντρώσεις και τρία μαγνητικά πεδία. 73

80 ΠΜΣ o,1mg_2oe,1mg_25oe,1mg_3oe,2mg_2oe,2mg_25oe,2mg_3oe,6mg_2oe,6mg_25oe,6mg_3oe water_2oe water_25oe water_3oe Fluidmag-DX (1nm) 8 Temperature ( C) Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη (α) 7.6mg 6 5.1mg time(s) 8 2mg 3mg Temperature ( C) 12 1mg_2Oe 1mg_25Oe 1mg_3Oe 2mg_2Oe 2mg_25Oe 2mg_3Oe 3mg_2Oe 3mg_25Oe 3mg_3Oe water_2oe water_25oe water_3oe 8 o 1 7 1mg 6 (β) time (s) Εικόνα 3.24: Καμπύλες υπερθερμίας (α) για συγκεντρώσεις.1,.2 και.6mgfe/ml και (β) για συγκεντρώσεις 1, 2 και 3mgFe/mL του δείγματος Fluidmag-DX μεγέθους 1nm. Το δείγμα εισέρχεται και ξεπερνάει τα επιθυμητά επίπεδα σε όλες τις και συγκεντρώσεις και όλα τα μαγνητικά πεδία. 74

81 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» ΔΘ( ο C) 2Oe Fluidmag DX (1nm) Oe 3Oe 2 1,1, 2,6 1 2 Συγκέντρωση (mg Fe /ml) 3 Εικόνα 3.25: Θερμοκρασιακή μεταβολή του δείγματος Fluidmag-DX 1nm. SLP (W/g Fe ) 12 Fluidmag DX (1nm) 2 Oe 25 Oe 3 Oe 8 4,1, 2,6 1 Συγκέντρωση (mg Fe e/ml) 2 3 Εικόνα 3.26: Ποιοτική συμπεριφορά δείκτη SLP του δείγματος Fluidmag-DX 1nm της εταιρίας Chemicell σε έξι συγκεντρώσεις και τρία μαγνητικά πεδία. Οι απώλειες ενέργειας είναι αυξημένες σε σχέση με το δείγμα ίδιας σύστασης αλλά μεγέθους 5nm. 75

82 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη,1mg_2Oe,1mg_25Oe,1mg_3Oe,3mg_2Oe,3mg_25Oe,3mg_3Oe,6mg_2Oe,6mg_25Oe,6mg_3Oe water_2oe water_25oe water_3oe Fluidmag-DX (2nm) 8 o Temperature ( C) (α) 7 6.6mg 5.3mg time (s) 1mg_2Oe 1mg_25Oe 1mg_3Oe 3mg_2Oe 3mg_25Oe 3mg_3Oe 5mg_2Oe 5mg_25Oe 5mg_3Oe water_2oe water_25oe water_3oe 5mg 8 o Temperature ( C) 3mg 7 6 1mg (β) time (s) Εικόνα 3.27: Καμπύλες υπερθερμίας (α) για συγκεντρώσεις.1,.3 και.6mgfe/ml και (β) για συγκεντρώσεις 1, 3 και 5mgFe/mL του δείγματος Fluidmag-DX μεγέθους 2nm. 76

83 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» ΔΘ ( ο C) Fluidmag DX (2nm) Oe 25Oe 3Oe 2 1, 1,3,6 1 Συγκέντρωση (mg Fe e/ml) 3 5 Εικόνα 3.28: Θερμοκρασιακή μεταβολή του δείγματος Fluidmag-DX 2nm. SLP (W/g Fe ) Fluidmag DX (2nm) 2 Oe 25 Oe 3 Oe,1,3,6 1 Συγκέντρωση (mg Fe /ml) 3 5 Εικόνα 3.29: Μέγεθος του δείκτη SLP του δείγματος Fluidmad-DX 2nm. 77

84 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη 3.3. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΥ ΚΑΘΟΡΙΖΟΥΝ ΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ Τα εμπορικά σκευάσματα νανοσωματιδίων εμφάνισαν στην πλειοψηφία υψηλές τιμές του δείκτη θερμικών απωλειών SLP ακόμα και στις πολύ μικρές συγκεντρώσεις. Παράμετροι όπως η ένταση του μαγνητικού πεδίου και η συγκέντρωση των νανοσωματιδίων στο διάλυμα ήταν καθοριστικά για τη θερμική απόκριση των κολλοειδών. Το δείγμα της Micromod, Nanomag-D-Spio, σε όλες τις συγκεντρώσεις έφτασε στα επιθυμητά επίπεδα υπερθερμίας και στη μεγαλύτερη συγκέντρωση η θερμοκρασιακή διαφορά ξεπέρασε τους 28 ο C. Παρόλα αυτά, τις μεγαλύτερες θερμικές απώλειες (22W/g Fe ) της εμφάνισε στη μικρότερη συγκέντρωση των.5mg Fe /ml (ο δείκτης SLP εξαρτάται από την κλίση της καμπύλης θέρμανσης), κάτι που σημαίνει την ενδεχόμενη καθίζηση των νανοσωματιδίων εντός του κολλοειδούς με την αύξηση της συγκέντρωσης. Το δείγμα Ferrasin-R και στις τρεις συγκεντρώσεις είχε την ίδια περίπου θερμική απόκριση, αποδίδοντας ενέργεια μέχρι και 535(W/g Fe ) που μπορεί να αποδοθεί στα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια μεγέθους 4.9nm. Τα δείγματα της εταιρίας Chemicell, είχαν επίσης αξιόλογα αποτελέσματα θερμικής απόκρισης, με το δείγμα Fluidmag-DX των 1nm, να φτάνει θερμικές απώλειες μέχρι και 16(W/g Fe ), ξεπερνώντας τα μαγνητοσώματα, ενώ το Fluidmag-Streptavidin ξεπέρασε τα 71(W/g Fe ) στη συγκέντρωση των.6mg Fe /ml. Σε κάθε περίπτωση, το καλύτερο σύστημα είναι αυτό με τη μικρότερη συγκέντρωση νανοσωματιδίων στο διάλυμα, έτσι ώστε να αποφευχθεί η τοξικότητα. Σημαντική παράμετρος είναι και το μέγεθος των νανοσωματιδίων, που πρέπει να είναι μικρό ώστε να μην προκαλούν θρομβώσεις κατά την εισαγωγή τους στον οργανισμό, ενώ η διασπορά των νανοσωματιδίων αποτελεί μία ακόμα συνιστώσα, ώστε να επιτευχθεί η ομοιόμορφη θέρμανση του καρκινικού όγκου και τελικά η θεραπεία. Στα ραβδογράμματα που ακολουθούν γίνεται αρχικά η σύγκριση του δείκτη θερμικών απωλειών SLP των τριών δειγμάτων ίδιας σύστασης αλλά διαφορετικού μεγέθους της εταιρίας Chemicell ενώ στη συνέχεια ακολουθεί μία ποιοτική μελέτη όλων των εμπορικών σκευασμάτων νανοσωματιδίων στις κοινές συγκεντρώσεις και μαγνητικά πεδία που μετρήθηκαν. Τέλος, παρουσιάζονται τα καλύτερα αποτελέσματα των εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε σχέση με τα αποτελέσματα των νανοσωματιδίων που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης και τα αποτελέσματα των μαγνητοσωμάτων στη συγκέντρωση των.6mg Fe /ml. 78

85 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Στην εικόνα 3.3 που ακολουθεί, ο δείκτης SLP σημειώνει μεγαλύτερες τιμές όσο αυξάνει το εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, κάτι που ήταν αναμενόμεν νο. Από τα τρία δείγματα, αυτό που έχει τις μεγαλύτερες θερμικές απώλειες είναι το δείγμα των 1nm, όπου ο δείκτης SLP προσεγγίζει μέχρι και τις διπλάσιες τιμές σε σχέση με τα άλλα δύο δείγματα, ενώ σε όλα τα μαγνητικά πεδία, οι μικρότερες συγκεντρώσεις στο δείγμα των 1nm είναι αυτές που δίνουν τα καλύτερα αποτελέσματα.. Στο δείγμα των 5nm, η απόκριση στο εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο είναι όμοια με αυτή του δείγματος των 1nm, κάτι που μας οδηγεί στο συμπέρασμα πως τα νανοσωματίδια έχουν υπερπαραμαγνητική συμπεριφορά στα δύο δείγματα, σε αντίθεση με το τρίτο δείγμα των 2nm, όπου οι τιμές του SLP δείχνουν να παραμένουν σταθερές ή να αυξάνουνν κάπως με την αύξηση της συγκέντρωσης. Τα αποτελέσματα του δείγματος των 2nm, ήταν αναμενόμενο να σημειώσουν μειωμένες τιμές του ρυθμού θερμικών απωλειών, διότι λόγω του μεγαλύτερου μεγέθους των νανοσωματιδίων στο διάλυμα, αυτά δεν μπορούν να ακολουθήσουν τις εναλλαγές του μαγνητικού πεδίου και ενδεχομένως υφίστανται καθίζηση, ενώ επιπλέον, όσο το μέγεθος των νανοσωματιδίων αυξάνει, παύoυν να λειτουργούν οι μηχανισμοί Néel και Brown, με αποτέλεσμα να μειώνονται οι θερμικές απώλειες. SLP(W/g Fe ) 12 5nm 3Oe 1 1nm 2nm 25Oe 8 2Oe 6 4 2,1,,6 1 3,1,6 1 3 Συγκέντρωση (mg Fe /ml),1,6 1 3 Εικόνα 3.3: Συγκριτικό διάγραμμαα του δείκτη SLP για τα δείγματα της εταιρίας Chemicell Fluidmag-DX ίδιας σύστασης, άλλα διαφορετικού μεγέθους στις τέσσερις κοινές συγκεντρώσεις. 79

86 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Στίς εικόνες 3..31, 3.32 και 3.33 ακολουθεί η σύγκριση των εμπορικών διαλυμάτων νανοσωματιδίων των εταιριών Chemicell, Nanopet και Micromod στις κοινές συγκεντρώσεις των..1 mg Fe /ml,.6 mg Fe /ml και 1mg Fe /ml αντίστοιχα. Όπως μπορούμε να διαπιστώσουμε, το δείγμα με τις μεγαλύτερες απώλειες θερμότητας που υπερισχύει είναι αυτό της εταιρίας Chemicelll των 1nm και στη συγκέντρωση των..1 mg Fe /ml φτάνει απώλειες θερμότητας μέχρι και 12W/g Fe. SLP (W/g F Fe) 2Oe 25Oe 3Oe Chemicell 5nmm Chemicell 1nm Chemicell 2nm Nanomag D Spio Εικόνα 3.31: Συγκριτικό διάγραμμαα δείκτη SLP για τη συγκέντρωση των.1mg Fe /ml. SLP(W/g Fe ) 1 2Oe Oe 3Oe 4 2 Εικόνα 3.32: Συγκριτικό διάγραμμαα δείκτη SLP για τη συγκέντρωση των.6mg Fe /ml. 8

87 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Όπως μπορούμε να διαπιστώσουμε από την εικόνα 3.32 για τα δείγματα των εταιριών Chemicell και Micromod, όλα τα δείγματα έχουν υψηλές θερμικές απώλειες στη μικρή συγκέντρωση των.6mg Fe /ml, γεγονός που τα καθιστά κατάλληλους υποψήφιους φορείς μαγνητικής υπερθερμίας, αφού επιπλέον είναι και βιοσυμβατά. SLP(W/g Fe ) 1 8 2Oe 25Oe 3Oe Εικόνα 3.33: Συγκριτικό διάγραμμα δείκτη SLP για τη συγκέντρωση των 1mg Fe /ml. Με το πέρας της σύγκρισης των εμπορικών σκευασμάτων νανοσωματιδίων και την επιλογή του καταλληλότερου από αυτά, που είναι το δείγμα της εταιρίας Chemicell Fluidmag-DX των 1nm με επικάλυψη δεξτράνης, γίνεται μία ποιοτική μελέτη σε σχέση με τους άλλους υποψήφιους φορείς μαγνητικής υπερθερμίας που είναι τα μαγνητοσώματα και τα νανοσωματίδια που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης. Στην εικόνα 3.34 που ακολουθεί γίνεται η σύγκριση του ρυθμού θερμικών απωλειών σε τρία εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία για τη συγκέντρωση των.6mg Fe /ml των τριών φορέων. Εδώ, θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο λόγος που στις συγκρίσεις δεν συμπεριλήφθηκαν τα δύο δείγματα όγκου, ήταν διότι ο δείκτης SLP ήταν μειωμένος κατά μία τάξη μεγέθους σε σχέση με τα δείγματα νανοσωματιδίων και έτσι απορρίφθηκαν εξαρχής. 81

88 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη Εικόνα 3.34: Συγκριτικό διάγραμμαα δείκτη SLP στη συγκέντρωση των.6mg Fe /ml σε τρία μαγνητικά πεδία, για φορείς μαγνητοσώματα, νανοσωματίδια παρασκευασμένα με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης και εμπορικό διάλυμα νανοσωματιδίων της εταιρίας Chemicell Fluidmag-DX(1nm). Η συγκριτική μελέτη των θερμικών απωλειών των τριών υποψήφιων φορέων (διαφορετικής προέλευσης) μαγνητικής υπερθερμίας μας οδηγεί στο συμπέρασμαα ότι το εμπορικό σκεύασμα της εταιρίας Chemicell, Fluidmag-DX, αποτελεί το καταλληλότερο δείγμα. Οι θερμικές απώλειες ξεπερνούν και αυτές των μαγνητοσωμάτων αλλά και του μαγνητίτη που παρασκευάστηκε με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης καθιστώντας το, το πλέον υποσχόμενο, αφού εκτός από το μέγεθος των θερμικών απωλειών που παρουσίασε, είναι βιοσυμβατό και υπάρχει ο βαθμός επαναληψιμότητας σύνθεσης του με τις συγκεκριμένες ιδιότητες, καθώς και η διασφάλιση ποιότητας της εταιρίας. Όσο αναφορά τα μαγνητοσώματα, και αυτά παρουσίασαν αξιόλογα αποτελέσματα και θεωρούνται κατάλληλοι υποψήφιοι φορείς μαγνητικής υπερθερμίας, με τη διαφορά ότι η σύνθεση και η απομόνωση τους από τα μαγνητοτακτικά βακτήρια είναι τους είναι χρονοβόρα διαδικασία και σε γενικές γραμμές δεν προτιμάται. Ο μαγνητίτης που παρασκευάστηκε με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης, χωρίς προσθήκη επιφανειοδραστικών μορίων, παρουσίασε τις μικρότερες θερμικές απώλειες υπό την επίδραση του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου, κάτι που μπορεί να οφείλεται στην απόκλιση μεγέθους και σε ενδεχόμενη οξείδωση των νανοσωματιδίων. 82

89 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ Τα εμπορικά σιδηρομαγνητικά ρευστά συνεχίζουν να κερδίζουν το ενδιαφέρον έναντι των νανοσωματιδίων που παρασκευάζονται σε εργαστήρια, με μέρος αυτών να έχουν εγκριθεί για χρήση σε βιοϊατρικές εφαρμογές, όπως στην περίπτωση του Feridex της φαρμακευτικής εταιρίας Amag-Pharma, που χρησιμοποιείται για απεικόνιση με μαγνητικό συντονισμό στο ήπαρ. 36 Ακόμα, το εμπορικό σκεύασμα της εταιρίας Bayer Healthcare, Resovist, σε μελέτη που πραγματοποιήθηκε αξιολογήθηκε ως κατάλληλος φορέας για την εφαρμογή της μαγνητικής υπερθερμίας σε συνδυασμό με χορήγηση σισπλατίνης (χημειοθεραπεια) για θεραπεία του καρκίνου του στόματος, 37 ενώ και το εμπορικό σκεύασμα της εταιρίας MagForce, Nanotherm, σε κλινική δοκιμή έδειξε ότι η υπερθερμία ακολουθούμενη από ακτινοθεραπεία παρατείνει το μέσο χρόνο επιβίωσης 13.4 μήνες σε ασθενείς με γλοιοβλάστωμα. 38 Πίνακας 3.3: Μέγεθος ILP των δειγμάτων που μελετήθηκαν. Δείγματα ILP (nhm 2 /kg) Fluidmag-DX-1nm 2.6 Μαγνητοσώματα 1.31 Fluidmag-Streptavidin 1.18 Fluidmag-DX-5nm 1.18 Nanomag-D-Spio 1.14 Feraspin-R 1.4 Fluidmag-DX-2nm.78 Μαγνητίτης.35 Οι έρευνες στρέφονται στην εύρεση του καλύτερου συστήματος για την εφαρμογή της μαγνητικής υπερθερμίας, με πλήθος επιστημόνων να αξιολογούν φορείς, όπως και στην περίπτωση του Kallumadil 39 που μελέτησε μία σειρά από διαθέσιμα εμπορικά σκευάσματα και εισήγαγε το μέγεθος ILP-Intrinsic loss power (σχέση 1), ώστε να μπορούν να συγκριθούν οι θερμικές απώλειες των κολλοειδών υπό την επίδραση εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου διαφορετικών παραμέτρων (ένταση πεδίου, συχνότητα). Στη δική μας περίπτωση το μέγεθος του δείκτη ILP για τα δείγματα που μελετήθηκαν, δίνεται στον πίνακα 3.3 και μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι παίρνει υψηλές τιμές και είναι στα ίδια περίπου επίπεδα σε σύγκριση με τα δείγματα του Kallumadil 43. H μεγαλύτερη τιμή σημειώνεται για το 83

90 ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία α Υλικών» Διπλωματική εργασία Δ ε Σ Στέλλα Μαθιουυδάκη δείγμα της τ εταιρία ας Chemicelll, Fluidmagg-DX-1n nm, και σε γενικές γρα αμμές οδηγούμαστε στο συμ μπέρασμα ότι ό η θερμικ κή απόκριση η των κολλο οειδών είναι κατάλληλη η ώστε τα δείγματα δ μας να μπορούν μ να α θεωρηθούνν υποψήφιοοι φορείς μα αγνητικής υπ περθερμίαςς. = (1) Όπου H η ένταση του τ μαγνητιικού πεδίουυ και f η συχχνότητα τηςς διάταξης υυπερθερμίαςς. Η ανναζήτηση του τ κατάλλληλου υποψ ψήφιου φο ορέα για τη ην εφαρμογγή της μαγγνητικής υπερθερρμίας είνα αι πρόκλησ ση στην επιστήμη των υλικ κών, και οι εταιρίίες που δραστηρριοποιούντα αι για την ανάπτυξη και τη σύνθεση σ μπ πορούν να διασφαλίσο ουν την ποιότηττα, την επανναληψιμότη ητα και τη βιοσυμβατό β τητα των σιδηρορευτώ σ ών, ενώ ταυυτόχρονα τα εμποορικά σκευυάσματα να ανοσωματιδδίων, που είναι ε ήδη σε σ pre-cliniical δοκιμέές έχουν σημειώσ σει εξαιρετιικά αποτελέέσματα σε θεραπείες θ κα ατά των καρρκινικών όγγκων.4 Σ Στην εικόννα 3.35 παρρουσιάζεταιι το μέγεθο ος ILP τωνν δειγμάτωνν που μελεττήθηκαν στην παρούσα π ερργασία, ενώ ώ ταυτόχρρονα γίνετα αι και η σύγκριση σ ττους με εμπορικά ε σκευάσματα που έχουν έ ήδη μελετηθεί. μ Σ Συμπερασμα ατικά μπορούμε να ποούμε ότι το μέγεθος ILP είναι σε ικανοοποιητικά επίπεδα ε και συμφωνεί με τη διεθννή βιβλιογρραφία, κάνο οντας τα ήδη διαθέσιμα σκευυάσματα κα ατάλληλουςς φορείς μαγγνητικής υπ περθερμίας. Εικόνα 3.35: 3 Μέγεθοςς ILP δειγμάττων που μελεετήθηκαν σε σύγκριση σ με τη τ διεθνή βιβλλιογραφία. (Ο Οι κίτρινες 3 ράβδοι αντιστοιχούν στα σ δείγματα της τ αναφοράς39 ), ενώ η δια ακεκομμένη γρραμμή σε τεχννολογικώς αξιοποιήσιμα στη μαγνηητική υπερθερμ μία δείγματα σύμφωνα σ με τηην πρόσφατη αναφορά α επισκ σκόπησης4. 84

91 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε εκτενής μελέτη σε δείγματα νανοσωματιδίων οξειδίων του σιδήρου διαφορετικής προέλευσης ως φορείς μαγνητικής υπερθερμίας. Τα δείγματα που αξιολογήθηκαν ήταν μαγνητοσώματα που παρασκευάστηκαν βιολογικά από το μαγνητοτακτικό βακτήριο Magnetospirillum gryphiswaldense, νανοσωματίδια μαγνητίτη που επιλέξαμε να παρασκευάσουμε με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης αλάτων, δύο εμπορικά υλικά όγκου και μία σειρά από εμπορικά σιδηρορευστά νανοσωματιδίων των εταιριών Micromod, Nanopet και Chemicell. Στόχος ήταν η επιλογή του καταλληλότερου συστήματος, ώστε να μεγιστοποιούνται οι θερμικές απώλειες κατά την εφαρμογή του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. Για να προχωρήσουμε στα πειράματα μαγνητικής υπερθερμίας, απαραίτητος ήταν ο δομικός και μαγνητικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων. Ο δομικός χαρακτηρισμός επιβεβαίωσε ότι πρόκειται για νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου, ενώ με την ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης έγινε εφικτός και ο προσδιορισμός του μεγέθους των νανοσωματιδίων κάθε δείγματος. Από το μαγνητικό χαρακτηρισμό, οδηγηθήκαμε στο συμπέρασμα ότι όλα τα δείγματα, με εξαίρεση τα μαγνητοσώματα, έχουν σιδηρομαγνητική συμπεριφορά σε θερμοκρασία δωματίου, με κάποια από αυτά να εμφανίζουν και υψηλή μαγνήτιση κόρου. Εν συνεχεία, πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα μαγνητικής υπερθερμίας. Ανάλογα με την προέλευση του δείγματος μελετήθηκε η απόκριση σε διαφορετικές συγκεντρώσεις, ενώ για τα μαγνητοσώματα, χρησιμοποιήθηκαν και δύο διαφορετικοί διαλύτες (νερό και αγαρόζη), έτσι ώστε να δούμε την απόκριση των αλυσίδων σε μέσο με διαφορετικό ιξώδες. Το κύριο μέγεθος που μελετήθηκε ήταν ο δείκτης SLP, που εκφράζει τις θερμικές απώλειες ενέργειας των νανοσωματιδίων εντός του κολλοειδούς. Όλα τα δείγματα, με εξαίρεση τα δείγματα όγκου, παρουσίασαν υψηλές τιμές SLP. Για τα μαγνητοσώματα οι απώλειες ενέργειας έφτασαν ~7(W/g Fe ), ενώ για τα νανοσωματίδια που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης οι θερμικές απώλειες που σημειώθηκαν ήταν μικρότερες, της τάξης των ~18(W/g Fe ). Το κύριο μέρος των μετρήσεων πραγματοποιήθηκε σε εμπορικά σκευάσματα νανοσωματιδίων των εταιριών Micromod, Nanopet και Chemicell. Ο λόγος της μελέτης αυτής ήταν να επιλεχθούν οι κατάλληλοι φορείς, για τους οποίους θα υπάρχει η ικανότητα αναπαραγωγής, η διασφάλιση ποιότητας αλλά και το πλεονέκτημα να ωθηθούν σε κλινικές 85

92 ΠΜΣ Διπλωματική εργασία Στέλλα Μαθιουδάκη δοκιμές, αφού κάποια από αυτά είναι ήδη σε pre-clinical στάδιο. Επιλέχθηκαν βιοσυμβατά δείγματα που παρουσίασαν εξαιρετική κρυσταλλικότητα, στενό εύρος μεγέθους και σιδηρομαγνητική συμπεριφορά σε θερμοκρασία δωματίου. Σε όλα τα δείγματα πραγματοποιήθηκαν πειράματα υπερθερμίας σε αρκετές συγκεντρώσεις, ώστε να δούμε τη θερμική τους απόκριση και τους μηχανισμούς που λαμβάνουν χώρα ανά περίπτωση. Από τα έξι συνολικά εμπορικά δείγματα που μελετήθηκαν, το μεγαλύτερο δείκτη SLP παρουσίασε το δείγμα της εταιρίας Chemicell, Fluidmag-DX(1nm), που ξεπέρασε τα 1(W/g Fe ), και σε σύγκριση με τα μαγνητοσώματα και τα νανοσωματίδια μαγνητίτη που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της χημικής συγκαταβύθισης, αξιολογήθηκε ως ο καλύτερος φορέας μαγνητικής υπερθερμίας. Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας, αξιολογήθηκε μία σειρά από διαθέσιμα εμπορικά βιοϊατρικά μαγνητικά νανοσωματίδια ως υποψήφια για εφαρμογές υπερθερμίας, καθώς επίσης και η εκμετάλλευση τους ως πολυσύνθετοι βιοϊατρικοί φορείς. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα αυτής της μελέτης, είναι ότι ένα βέλτιστο σύστημα εξετάζει άμεσα τον πολυσύνθετο ρόλο στη σύγχρονη βιοϊατρική (theranostics) και μπορεί να εφαρμοστεί περαιτέρω στη θεραπεία με ταχύτερα βήματα, δεδομένου ότι πολλά στάδια έχουν ήδη διευθετηθεί με επιτυχία. 86

93 Αξιοποίηση εμπορικών σιδηρομαγνητικών ρευστών σε πολυλειτουργικές βϊοιατρικές εφαρμογές ΠΜΣ Π ΑΡΑΡΤΗΜΑ 87

94 Αρχική σελίδα Φαρμακευτικός οδηγός Εργαλεία Περί Γαληνού Σχετικά με τον Γαληνό Ο «Γαληνός» αποτελεί τον πληρέστερο και εγκυρότερο ελληνικό οδηγό φαρμάκων. Παρέχει όλες τις πληροφορίες που χρειάζεται ο επαγγελματίας Υγείας για το φάρμακο ανά εμπορική ονομασία και δραστική ουσία. Αναζήτηση σε 5844 καταχωρήσεις Είσοδος χρηστών Όνομα χρήστη Username Συνθηματικό Password Είσοδος χρήστη Δωρεάν εγγραφή Ανανέωση συνθηματικού Αναζήτηση Εμπορική, δραστική, barcode, ν Όλα

95 Dr Αναστάσιος Ξιάρχος axiarchos.gr Ανώδυνη - Αναίμακτη Θεραπεία. Άμεση Επιστροφή Στην Καθημερινότητα Σας! Αρχική σελίδα Ηλεκτρονικές υπηρεσίες Όροι χρήσης Επικοινωνία Παραγωγή Ergobyte Πληροφορική Α.Ε. / Αριστοτέλους 21, Θεσσαλονίκη / info@ergobyte.gr

96 Αρχική σελίδα Φαρμακευτικός οδηγός Εργαλεία Περί Γαληνού Σχετικά με τον Γαληνό Ο «Γαληνός» αποτελεί τον πληρέστερο και εγκυρότερο ελληνικό οδηγό φαρμάκων. Παρέχει όλες τις πληροφορίες που χρειάζεται ο επαγγελματίας Υγείας για το φάρμακο ανά εμπορική ονομασία και δραστική ουσία. Αναζήτηση σε 5844 καταχωρήσεις Είσοδος χρηστών Όνομα χρήστη Username Συνθηματικό Password Είσοδος χρήστη Δωρεάν εγγραφή Ανανέωση συνθηματικού Αναζήτηση Εμπορική, δραστική, barcode, ν Όλα

97 Κονδυλώματα Τέλος - Αθήνα paschalidis.com.gr/κονδυλώματα Δρ Πασχαλίδης Αφροδισιολόγος Διδάκτωρ Ιατρικής Σχολής Αθηνών Αρχική σελίδα Ηλεκτρονικές υπηρεσίες Όροι χρήσης Επικοινωνία Παραγωγή Ergobyte Πληροφορική Α.Ε. / Αριστοτέλους 21, Θεσσαλονίκη / info@ergobyte.gr

98 Αρχική σελίδα Φαρμακευτικός οδηγός Εργαλεία Περί Γαληνού Σχετικά με τον Γαληνό Ο «Γαληνός» αποτελεί τον πληρέστερο και εγκυρότερο ελληνικό οδηγό φαρμάκων. Παρέχει όλες τις πληροφορίες που χρειάζεται ο επαγγελματίας Υγείας για το φάρμακο ανά εμπορική ονομασία και δραστική ουσία. Αναζήτηση σε 5844 καταχωρήσεις Είσοδος χρηστών Όνομα χρήστη Username Συνθηματικό Password Είσοδος χρήστη Δωρεάν εγγραφή Ανανέωση συνθηματικού

99 Αναζήτηση Εμπορική, δραστική, barcode, ν Όλα

100 Απιβίτα έως -5% pharmacien.gr Βρείτε τα αγαπημένα σας προϊόντα με έκπτωση έως -5% Αρχική σελίδα Ηλεκτρονικές υπηρεσίες Όροι χρήσης Επικοινωνία Παραγωγή Ergobyte Πληροφορική Α.Ε. / Αριστοτέλους 21, Θεσσαλονίκη / info@ergobyte.gr

101 chemicell GmbH Eresburgstrasse Berlin Germany chemicell.com Product Information fluidmag-streptavidin Product: Article Number: Description: Application: Weight of Volume: fluidmag-streptavidin (1 ml); (5 ml) Aqueous dispersion of magnetic nanoparticles For purification or separation of biotinylated biomolecules, including antigens, antibodies or nucleic acids from different sources such blood, sera, tissues and food. 1 mg/ml Lot: Production Date: Core: Matrix: Magnetite Starch Size (hydrodynamic diameter): 1 nm 2 nm Number of Particles: ~ 1.8 x 1 15 /g ~ 2.2 x 1 14 /g Density: ~ 1.25 g/cm 3 Type of Magnetization: Functional Group: Binding Capacity: Storage Buffer: Autoclaved: Storage: Expiry date: Superparamagnetic Streptavidin 8 pmol biotinylated protein / 1 mg fluidmag-streptavidin 15 pmol biotinylated oligonucleotide / 1 mg fluidmag-streptavidin PBS,.1 % BSA,.5 % sodium azide No 4 8 C. Do not freeze! One year after production date

102 chemicell GmbH Eresburgstrasse Berlin Germany chemicell.com Product Information fluidmag-dx Product: Article Number: Description: Application: Weight of Volume: fluidmag-dx (1 ml) ; (5 ml) Aqueous dispersion of magnetic nanoparticles For covalent coupling of bioligands, see protocol A9 25 mg/ml Production Date: Lot: Core: Matrix: Maghemite Dextran Size approx.: 5 nm 1 nm 2 nm Number of Particles: ~ 1.3 x 1 16 /g ~ 1.8 x 1 15 /g ~ 2.2 x 1 14 /g Density: ~ 1.25 g/cm 3 Type of Magnetization: Functional Group: Autoclaved: Storage Buffer: Storage: Expiry date: Superparamagnetic Hydroxyl groups Yes ddh 2 O 4 8 C. Do not freeze! Two years after production date CH 2 O CH 2 H H H O H H H OH H 1 HO O OH H HO O H HO CH 2 H HO 6 O CH 2 H H H 5 O 1 H H H H 4 1 HO OH O H HO O H HO 3 2 H HO

103 FeraSpin R MRI contrast agent for pre clinical imaging 1 vial (5 1 µl injections) vials (25 1 µl injections) Contents 1. Description 1.1 Background information 1.2 Applications 1.3 Physico-chemical properties 1.4 Requirements 2. Protocol 2.1 Preparation 2.2 Injection 2.3 Imaging 3. References 4. Related products 1.2 Applications FeraSpin R is indicated for use in MRI of small animals, for example mice, to facilitate the visualization of the liver and spleen. Examples include imaging of liver tumors and metastases. SPIO nanoparticles like FeraSpin R can also be useful for detection of bone marrow metastases. 1.3 Physico-chemical properties Mean particle size: 6 nm (hydrodynamic diameter). Particle size range: 1 9 nm. Relaxivity (37 C, 1.5 T # ) Relaxivity (37 C, 1.41 T) in plasma in water in water r1 = 7 L/(mmol s) r2 = 95 L/(mmol s) # measured with clinical device r1 = 9 L/(mmol s) r2 = 61 L/(mmol s) r1 = 1 L/(mmol s) r2 = 185 L/(mmol s) 1. Description Components Capacity Product format Appearance Storage 85 µl FeraSpin R, MRI contrast agent (superparamagnetic iron oxide [SPIO] nanoparticles) or 5 85 µl FeraSpin R, MRI contrast agent (superparamagnetic iron oxide [SPIO] nanoparticles). 5 1 µl injections or 25 1 µl injections. FeraSpin R is supplied as a sterile isotonic solution with an iron concentration of 5 mm. Clear, amber liquid. Store at 2 8 C. Do not freeze. The expiration date is indicated on the vial label. For laboratory and animal research use only. Warning: Not for human or animal therapeutic or diagnostic use. Make sure to comply with all laws and regulations governing research on animals. 1.1 Background information FeraSpin R is a nanoparticulate superparamagnetic iron oxide contrast agent specifically formulated for pre-clinical magnetic resonance imaging (MRI). It is a contrast agent of high relaxivity enhancing the contrast in T2- and T2*-weighted MRI due to a shortening of the spin-spin relaxation time (T2). Upon intravenous injection, FeraSpin R is rapidly taken up by the Kupffer cells (macrophages of the liver) resulting in a short blood half-life of a few minutes. FeraSpin R accumulates particularly in the liver and spleen and is degraded with its iron being transferred into the physiological iron stores. Figure 1: Schematic diagram of a FeraSpin R nanoparticle. 1.4 Requirements Sterile syringes and needles (27G 3G) Note: To allow sufficient volume for 5 1 µl injections per vial, the syringe/ needle dead volume should be kept below 7 µl. Tip: Use insulin or tuberculin syringes. 7% ethanol 2. Protocol 2.1 Preparation Read the entire protocol before starting. Tip: For optimum device settings perform initial studies in a suitable imaging phantom. The contrast agent is ready for injection as provided. Standard animal-handling procedures and local regulations must be followed. For a mouse weighing 2 3 g the typical injection volume is 1 µl corresponding to a dose of 2 µmol Fe/kg body weight (for a 25 g mouse). Miltenyi Biotec GmbH Friedrich-Ebert-Straße 68, Bergisch Gladbach, Germany Phone , Fax macs@miltenyibiotec.de page 1/2 Miltenyi Biotec Inc. 233 Lindbergh Street, Auburn, CA 9562, USA Phone 8 FOR MACS, , Fax macs@miltenyibiotec.com

104 Order no Order no Injection FeraSpin R contains no preservatives. Avoid microbial contamination and discard any unused material after 24 hours. 1. Vortex the vial to ensure thorough mixing. 2. Disinfect the septum with 7% ethanol. Let septum dry. 3. Warm the mouse tail to dilate the veins and enhance their visibility. 4. Inject FeraSpin R (typically 1 µl) via the lateral tail vein of the mouse. 2.3 Imaging Imaging can be performed in a multitude of devices at all commonly used field strengths including high-field MRI. FeraSpin R is particularly suited for T2- and T2*-weighted MRI but can also be detected by T1-weighted sequences. Taking a pre-contrast image is recommended. Prior to liver and spleen imaging, a waiting period of 1 minutes, preferably 3-6 minutes, is recommended. Warranty The products sold hereunder are warranted only to be free from defects in workmanship and material at the time of delivery to the customer. Miltenyi Biotec GmbH makes no warranty or representation, either expressed or implied, with respect to the fitness of a product for a particular purpose. There are no warranties, expressed or implied, which extend beyond the technical specifications of the products. Miltenyi Biotec GmbH s liability is limited to either replacement of the products or refund of the purchase price. Miltenyi Biotec GmbH is not liable for any property damage, personal injury or economic loss caused by the product. MACS is a registered trademark of Miltenyi Biotec GmbH. FeraSpin and GadoSpin are trademarks of nanopet GmbH. Manufacturer: nanopet Pharma GmbH, Berlin, Germany, exclusively for Miltenyi Biotec GmbH. Copyright 21 Miltenyi Biotec GmbH. All rights reserved. Find examples of FeraSpin R-enhanced MR images at 3. References 1. Lawaczeck, R. et al. (1997) Magnetic iron oxide particles coated with carboxydextran for parenteral administration and liver contrasting. Preclinical profile of SHU555A. Acta Radiol. 38: Murakami, T. et al. (21) Evaluation of regional liver damage by magnetic resonance imaging with superparamagnetic iron oxide in rat liver. Dig. Dis. Sci. 46: Tsuda, N. et al. (25) Potential of superparamagnetic iron oxide in the differential diagnosis of metastasis and inflammation in bone marrow: experimental study. Invest. Radiol. 4: Metz, S. et al. (24) Capacity of human monocytes to phagocytose approved iron oxide MR contrast agents in vitro. Eur. Radiol. 14: Kuhlpeter, R. et al. (27) R2 and R2* mapping for sensing cell-bound superparamagnetic nanoparticles: in vitro and murine in vivo testing, Radiology 245: Rohrer, M. et al. (25) Comparison of magnetic properties of MRI contrast media solutions at different magnetic field strengths. Invest. Radiol. 4: Related products FeraSpin XS # , # FeraSpin S # , # FeraSpin M # , # FeraSpin L # , # FeraSpin XL # , # FeraSpin XXL # , # GadoSpin M # , # GadoSpin P # , # GadoSpin F # , # GadoSpin D # , # A comprehensive product portfolio for the imaging modalities MRI, CT, US, OI, SPECT, and PET is available at viscover. Unless otherwise specifically indicated, all Miltenyi Biotec products and services are for research use only and not for diagnostic or therapeutic use. page 2/2

105 Technical Data Sheet Revision Date Version 2.2 TECHNICAL DATA SHEET micromod Partikeltechnologie GmbH Friedrich-Barnewitz-Str. 4 Telephone: / D Rostock Fax: / Germany address: info@micromod.de Product code: Product name: nanomag -D-spio Surface: plain Size: 5 nm Solid content: 25 mg/ml Composition: dextran iron oxide composite particles Polydispersity index: <.2 Shape: cluster-typed Density: 1.4 g/ccm Iron concentration: 2.4 mg/ml Magnetization: 56 emu/g iron (H =1 Oe) Saturation magnetization: >69 emu/g iron (H > 1. Oe) Coercive field Hc:.77 ka/m Stable in: aqueous buffers ph > 4 Not stable in: organic solvents, acidic solutions ph < 4 Product form: suspension in water Particles per ml: 1.1*1E14 Particles per mg: 1.1*1E13 Colour: dark brown Additional remarks: Storage at 2-8 C for 6 months TECHNOTES: The mean hydrodynamic particle diameter may vary in the range of 5-11 nm (Z-Average, photon correlation spectroscopy).