velikost textu

Preparation of uniform superparamagnetic particles with polymer coating for biomedical applications

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Preparation of uniform superparamagnetic particles with polymer coating for biomedical applications
Název v češtině:
Příprava uniformních superparamagnetických částic s polymerním povlakem pro biomedicínské aplikace
Typ:
Disertační práce
Autor:
Vitalii Patsula, Ph.D.
Školitel:
Ing. Daniel Horák, CSc.
Oponenti:
prof. doc. Ing. Petr Sysel, CSc.
RNDr. Pavel Matějíček, Ph.D.
Id práce:
128806
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
Program studia:
Makromolekulární chemie (P1405)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
3. 7. 2018
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Klíčová slova:
polymer; superparamagnetický; monodisperzní; nanočástice; oxid železa; toxicita
Klíčová slova v angličtině:
polymer; superparamagnetic; monodisperse; nanoparticle; iron oxide; toxicity
Abstrakt:
Abstrakt Cílem této práce bylo navrhnout a připravit polymerem pokryté monodisperzní Fe3O4 nanočástice jako bezpečné a netoxické kontrastní činidlo pro magnetické rezonanční zobrazení a mediátor pro hypertermii. Uniformní superparamagnetické Fe3O4 nanočástice byly syntetizovány teplotním rozkladem oleátu, mandelátu a glukuronátu železitého ve vysokovroucích rozpouštědlech při teplotách >285 °C. Velikost částic byla regulována v rozmezí 8–27 nm změnou reakčních parametrů, např. teplotou, typem organického prekurzoru a koncentrací stabilizátoru (olejové kyseliny a/nebo oleylaminu) tak, aby byla zachována uniformita nanočástic. Částice připravené teplotním rozkladem obsahovaly hydrofobní stabilizátor a byly proto dispergovatelné pouze v organických rozpouštědlech. Aby byly dispergovatelné ve vodě, byla olejová kyselina na poverchu částic nahrazena hydrofilním a biokompatibilním methoxy-poly(ethylenglykolem) (PEG) and poly(3-O- methakryloyl-α-D-glukopyranosou) pomocí metody výměny ligandů. Navázání obou polymerů k atomům železa na povrchu nanočástic bylo dosaženo díky vhodným koncovým skupinám (hydroxamovým nebo fosfonovým). Fe3O4 nanočástice byly také hydrofilizovány enkapsulací do siliky, hydrolýzou tetramethyl ortoxysilikátu, tzv. reverzní mikroemulzní metodou. Takto připravené Fe3O4@SiO2 nanočástice byly dále funkcionalizovány aminovými skupinami pomocí (3-aminopropyl)triethoxysilanu. Na tyto skupiny byl poté navázán PEG, aby byla zajištěna koloidní stabilita ve fyziologickém mediu. Hydrodynamická velikost a morfologie Fe3O4 nanočástic byla stanovena různými technikami zahrnujícími dynamický rozptyl světla a transmisní elektronovou mikroskopii. Složení a magnetické vlastnosti částic byly zkoumány rentgenovou práškovou difrakcí a vibračním magnetometrem. Obsah železa či jeho oxidů a přítomnost polymerního povlaku byla detekována atomovou absorpční spektroskopií, termogravimetrickou analýzou a infračervenou spektroskopií s Fourierovou transformací se zeslabeným úplným odrazem 1H 31P (ATR FTIR). Chemická struktura modifikovaných polymerů byla potvrzena NMR, NMR a ATR FTIR spektroskopií. Toxicita nově vyvinutých polymerem pokrytých nanočástic byla testována in vitro na vybraných buněčných liniích a bylo potvrzeno, že částice jsou netoxické. Měřením relaxivity byl demonstrován dobrý kontrast pro magnetické rezonanční zobrazení ve srovnání s komerčně dostupnými činidly. Kalorimetricky stanovený specifický absorpční výkon částic rovněž ukázal na jejich možné použití jako mediátoru v hypertermii. Klíčová slova: polymer; superparamagnetický; monodisperzní; nanočástice; oxid železa; toxicita.
Abstract v angličtině:
Abstract Aim of this thesis was to design and prepare polymer-coated monodisperse Fe3O4 nanoparticles as a safe and non-toxic contrast agent for magnetic resonance imaging (MRI) and heat mediator for hyperthermia. Uniform superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles were synthesized by thermal decomposition of Fe(III) oleate, mandelate, or glucuronate in high- boiling solvents at temperature >285 °C. Size of the particles was controlled in the range of 8- 27 nm by changing reaction parameters, i.e., temperature, type of iron precursor, and concentration of stabilizer (oleic acid and/or oleylamine), while preserving uniformity of the nanoparticles. Because particles contained hydrophobic stabilizer on the surface, they were dispersible only in organic solvents. To ensure water dispersibility, oleic acid on the particle surface was replaced by hydrophilic and biocompatible methoxy-poly(ethylene glycol) (PEG) and poly(3-O-methacryloyl-α-D-glucopyranose) by ligand exchange. Polymers were previously terminated with anchoring-end groups (hydroxamic or phosphonic) to provide firm bonding to iron atoms on the particle surface. Fe3O4 nanoparticles were also hydrophilized by encapsulation into a silica shell by reverse microemulsion method. Tetramethyl orthosilicate was used to prepare Fe3O4@SiO2 nanoparticles, which were further functionalized with amino groups using (3-aminopropyl)triethoxysilane. Finally, the amino groups were used to introduce PEG on the particle surface to ensure colloidal stability in physiological medium. Magnetic Fe3O4 nanoparticles were characterized by a variety of techniques, including dynamic light scattering and transmission electron microscopy to determine hydrodynamic size and morphology, respectively. X-ray powder diffraction and vibrating sample magnetometry were used to investigate particle composition and magnetic properties. The content of iron, iron oxide, and presence of polymer shell were determined by atomic absorption spectroscopy, thermogravimetric analysis, and attenuated total reflectance Fourier- transform infrared spectroscopy (ATR FTIR), respectively. Chemical structure of the modified polymers was confirmed by 1H and 31P NMR, and ATR FTIR spectroscopies. Toxicity of newly developed polymer-coated nanoparticles was tested in vitro on selected cell lines; non-toxicity of the particles was confirmed. Relaxivity measurements showed good imaging properties of particles compared to commercially available agents. Moreover, calorimetrically measured specific absorption rate of the particles revealed their potential applicability as a heat mediator for hyperthermia treatment. Keywords: polymer; superparamagnetic; monodisperse; nanoparticle; iron oxide; toxicity.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Vitalii Patsula, Ph.D. 22.31 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Vitalii Patsula, Ph.D. 156 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Vitalii Patsula, Ph.D. 129 kB
Stáhnout Autoreferát / teze disertační práce Vitalii Patsula, Ph.D. 1.59 MB
Stáhnout Posudek oponenta prof. doc. Ing. Petr Sysel, CSc. 130 kB
Stáhnout Posudek oponenta RNDr. Pavel Matějíček, Ph.D. 146 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 483 kB