Original title:
Optimalizace magnetických nanočástic pro hypertermii ve viskózních prostředích
Translated title:
Optimization of magnetic nanoparticles for hyperthermia in viscous environments
Authors:
Sojková, Tereza ; Fabián,, Martin (referee) ; Hovorka,, Ondrej (referee) ; Gröger, Roman (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2023
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT Abstract:
[eng][cze]
Jednodoménové superparamagnetické nanočástice oxidu železa hrají významnou roli v magnetické hypertermii, což je slibná terapeutická metoda, která může potenciálně léčit jakýkoli druh nádoru. Je obecně známo, že rakovinné buňky jsou citlivější na zvýšenou teplotu než buňky zdravé. Léčba rakoviny hypertermií se opírá o tuto skutečnost. Aplikace střídavého magnetického pole s frekvencemi o stovkách kHz způsobí rozptyl energie z nanočástic (10-50 nm) do okolní tkáně. Klíčovým parametrem, který určuje účinnost nanočástic, je specifická rychlost absorpce (SAR), která je komplexní funkcí tvaru, velikosti a povlaku těchto částic. Mimo to, je délka expozice AC polem omezena tendencí nanočástic k agregaci při použití in vivo. Cílem této práce je vyvinout protokol syntézy pro přípravu nanočástic oxidů železa o stejné velikosti, které vykazují vysoké hodnoty SAR a dobrou koloidní stabilitu. Nanočástice byly připraveny dvěma typy chemické syntézy, precipitací a tepelným rozkladem, a vliv reakčních podmínek na velikost, tvar a magnetické vlastnosti těchto nanočástic byl pečlivě prozkoumán. Tepelný rozklad se ukázal jako vhodnější varianta pro přípravu jednovelikostních nanočástic oxidů železa, kde byly podrobněji zkoumány zejména nanokrychle typu jádro-obálka. Jejich velikost, stupeň polydisperzity, koloidní stabilita a morfologie byly studovány dynamickým rozptylem světla ve spojení s transmisní a skenovací elektronovou mikroskopií. Fázové složení nanočástic bylo charakterizováno práškovou rentgenovou difrakcí a Mössbauerovou spektroskopií a spektroskopií ztráty energie elektronů. Rentgenová difrakce byla rovněž použita ke studiu fázových transformací v nanočásticích typu jádro-obálka. Jejich magnetické vlastnosti byly zkoumány pomocí vibrační magnetometrie a elektronové holografie. U nanočástic typu jádro-obálka byl posuzován take jejich aplikační potenciál pro použití při magnetické hypertermii, zobrazování technikou MPI a pro použití jako kontrast při magnetické rezonanci. Tato práce rozšiřuje znalosti o nanočásticích oxidu železa v závislosti na velikosti pro biomedicínské aplikace. Výsledky pro 20 nm nanokrychle po úplné fázové transformaci ukazují velmi dobré možnosti ohřevu pro použití při magnetické hypertermii a třikrát vyšší MPI signál ve srovnání s komerčně používaným indikátorem VivotraxTM.
Single-domain superparamagnetic iron oxide nanoparticles play a significant role in magnetic hyperthermia, a promising therapeutic method that can potentially treat any kind of tumor. It is generally known that cancer cells are more sensitive to elevated temperatures than healthy cells. This observation makes the tumors particularly sensitive to localized overheating in the process of magnetic hyperthermia, where superparamagnetic nanoparticles with diameters of 10-50 nm serve as the carriers of heat under applied AC magnetic field with the frequency of hundreds of kHz. The key parameter that determines the efficiency of nanoparticles is the specific absorption rate, which is a complex function of the shape, size, and surface coating of these particles. Moreover, the duration of exposure to AC fields is limited by the tendency of these nanoparticles to aggregation when used in vivo. The aim of this thesis is to develop a synthesis protocol for the preparation of monodisperse iron oxide NPs, which exhibit high values of SAR and good colloidal stability. The nanoparticles were prepared by two types of chemical synthesis: coprecipitation and thermal decomposition. The impact of reaction conditions on the size, shape, and magnetic properties of these nanoparticles was investigated. Thermal decomposition was found to be a better option for the preparation of monodisperse iron oxide nanoparticles, where especially the core-shell nanocubes were examined in more detail. Dynamic light scattering in conjunction with transmission and scanning electron microscopies were used to investigate their size, degree of polydispersity, colloidal stability, and morphology. The phase composition of nanoparticles was characterized by powder X-ray diffraction, Mössbauer spectroscopy, and electron energy loss spectroscopy. X-ray diffraction was used to study phase transformations in core-shell nanoparticles. Their magnetic properties were investigated using vibrating sample magnetometry and using electron holography. Moreover, the best candidates were evaluated for use in magnetic hyperthermia, magnetic particle imaging (MPI), and magnetic resonance imaging to inspect nanoparticles' broader application potential. This work expands the knowledge on size-dependent core-shell iron oxide nanoparticles for high-performance bio-applications. The results for 20 nm nanocubes after full phase transformation show very good heating capabilities for use in magnetic hyperthermia and three times higher MPI signal compared to the commercially used tracer.
Keywords:
fázová transformace; magnetická hypertermie; magnetická rezonance; magnetit; MPI; nanokrychle; Nanočástice oxidů železa; struktura jádro-obálka; velikostní efekt; wüstit; core-shell structure; Iron oxide nanoparticles; magnetic hyperthermia; magnetite; MPI; MRI; nanocubes; phase transformation; size effect; wüstite
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/212482
guest ::
