Study and characterization of magnetic nanoparticles and zeolites as carriers of metals
Authors: Φιλιππούση Μαρία 
Published: September 2021

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβήςπραγματοποιήθηκε μια συνδυασμένη μορφολογική και δομική μελέτη δύοδιαφορετικών υλικών (μαγνητικών νανοσωματιδίων και ζεολίθων) μεαπώτερο σκοπό τη χρήση τους για βιοϊατρικές εφαρμογές.O ζεόλιθος είναι ένα φυσικό προϊόν που δημιουργείται μέσα απόφυσικές διαδικασίες εκατομμυρίων ετών. Οι ζεόλιθοι, ως βιοσυμβατάυλικά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε για εμφύτευση σε ιστούς είτε σανφυσικό συμπλήρωμα μετάλλων απορροφώντας τις ελεύθερες ρίζες καιδεσμεύοντας βαρέα μέταλλα από τον οργανισμό λειτουργώντας ωςαποτοξινωτικό. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια, κυρίως τα οξείδια τουσιδήρου, εξαιτίας του μεγέθους τους, της δυνατότητας διαχείρισης τουςαπό απόσταση και τις σχεδόν μηδενικές παρενέργειες στον οργανισμό τακαθιστούν αποτελεσματικά για την εφαρμογή τους στην βιοϊατρική.Η παρούσα εργασία ξεκινάει με την περιγραφή των τεχνικών πουχρησιμοποιήθηκαν (πρώτο κεφάλαιο) για την μελέτη και τονχαρακτηρισμό αυτών των υλικών. Έπειτα χωρίζεται σε δύο μέρη. Τοπρώτο μέρος αφορά στην μελέτη, τον χαρακτηρισμό και τις βιοϊατρικέςεφαρμογές των μαγνητικών νανοσωματιδίων (κεφάλαια 2-4). Το δεύτερομέρος (κεφάλαιο 5) ασχολείται με τον χαρακτηρισμό του φυσικού ζεολίθου(HEU-type) πριν και μετά την φόρτωση του με μέταλλα (άργυρος καιψευδάργυρος).Συνεπώς η διαμόρφωση αυτής της διατριβής έχει ως εξής: Το πρώτο κεφάλαιο παρέχει μια επισκόπηση των διαφόρων τεχνικών πουχρησιμοποιήθηκαν για τον χαρακτηρισμό των μαγνητικών νανοσωματιδίωνοξειδίου του σιδήρου και του ζεολίθου πριν και μετά την φόρτωση του μεμέταλλα.Το δεύτερο κεφάλαιο (μαγνητικά νανοσωματίδια: νανοσωματίδια οξειδίουτου σιδήρου) ξεκινά με μια αναφορά στα μαγνητικά νανοσωματίδια καιεστιάζει κυρίως σε νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου. Είναι σημαντικήη μελέτη των ιδιοτήτων των μαγνητικών νανοσωματιδίων επειδή είναι έναςτρόπος για να κατανοήσουμε τη συμπεριφορά τους, ανάλογα με τηνεφαρμογή που προορίζονται για να χρησιμοποιηθούν. Συνδυάζοντας όλεςτις τεχνικές χαρακτηρισμού, μπορούμε να ανακτήσουμε διαφορετικό είδοςπληροφοριών σχετικά με τα νανοσωματίδια. Έτσι, αυτή η ενότηταεπικεντρώνεται κυρίως στη σύνθεση και τις τεχνικές πουχρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό των μαγνητικών νανοσωματιδίων.Συνεπώς σε αυτό το κεφάλαιο θα εστιαστούμε στην σύνθεση και στιςτεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τον χαρακτηρισμό τους.Στo τρίτο κεφάλαιο θα συζητηθούν οι βιοϊατρικές εφαρμογές τωνμαγνητικών νασωματιδίων τα οποία έχουν συντεθεί σε υδατικό διάλυμα καιέχουν χαρακτηριστεί στην προηγούμενη ενότητα. Τα μαγνητικάνανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου ενθυλακώθηκαν σε βιοσυμβατή καιβιοδιασπώμενη πολυμερική μήτρα με σκοπό την ελαχιστοποίηση τωναρνητικών παρενεργειών στον οργανισμό. Συγκεκριμένα τα μαγνητικάνανοσωματίδια, ενθυλακωμένα σε πολυμερική μήτρα, χαρακτηρίστηκαν μεηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης, για εν δυνάμει χρήση για τη θεραπείακατά του καρκίνου. Η ενθυλάκωση των μαγνητικών νανοσωματιδίωνεπιβεβαιώθηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία STEM. Η χρήσηφασματογράφου ανάλυσης ενεργειακής διασποράς ακτίνων-X και η EELS χαρτογράφηση, μας έδωσαν τη δυνατότητα να χαρακτηρίσουμε τηνπαρουσία των διαφορετικών στοιχείων. Το μέγεθος των νανοσωματιδίωνδεν ξεπέρασε τα 250 nm. Από το προφίλ αποδέσμευσης μπορούμε νασυμπεράνουμε ότι τα νανοσωματίδια εμφανίζουν ένα διφασικό πρότυποαποδέσμευσης του φαρμάκου in vitro πάνω από 15 ημέρες, εξαρτώμενοαπό τo μοριακό βάρος του υδρόφοβου μέρους της πολυμερικής μήτρας.Το τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται στην ενθυλάκωση μαγνητικώννανοσωματιδίων, με πολυεδρική μορφή, σε βιοσυμβατή καιβιοδιασπώμενη πολυμερική μήτρα με σκοπό των χαρακτηρισμό τωνδομικών και μαγνητικών τους ιδιοτήτων. Η ενθυλάκωση των μαγνητικώννανοσωματιδίων στην πολυμερική μήτρα επιβεβαιώθηκε με τη χρήσηηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης και ηλεκτρονική μικροσκοπίαSTEM. Επίσης η πολυεδρικότητα των νανοσωματιδίων επιβεβαιώθηκε μετη χρήση τομογραφίας στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Οι μαγνητικέςμετρήσεις ήταν ικανοποιητικές και έρχονται σε συμφωνία με τα δομικά καιμορφολογικά τους χαρακτηριστικά, τα οποία διατηρούνται ακόμη και μετάτην ενθυλάκωσή τους. Επιπλέον, τα ενθυλακωμένα σε πολυμερική μήτραμαγνητικά νανοσωματίδια μπορεί να κριθούν κατάλληλα για τη χρήση σεβιοϊατρικές εφαρμογές σε θεραπεία υπερθερμίας λόγω της ιδιότητας τουςνα απορροφούν ενέργεια αντί του να εκλύουν θερμότητα μετά από έκθεσήτους σε εξωτερικό εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Τέλος και τοαντικαρκινικό φάρμακο Taxol ενθυλακώθηκε σε αυτά τα νανοσωματίδιακαι μελετήθηκε η ταχύτητα αποδέσμευσης του φαρμάκου στους 37 και42oC.Στο πέμπτο κεφάλαιο κρύσταλλοι φυσικού ζεόλιθου, τύπου HEU,φορτωμένοι με ιόντα Zn και Ag παρασκευάστηκαν και χαρακτηρίστηκαν.Αρχικά παρασκευάστηκε η ομοϊονική μορφή του ζεολίθου με Na+ ακολουθούμενη από ιοανταλλαγή του Na+ με ιόντa Ag και Zn. H δομή τουφυσικού ζεόλιθου (HEU-τύπου) σε ατομικό επίπεδο καθώς επίσης και οιμέταλλο-μορφές του, μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικήμικροσκοπία διέλευσης διορθωμένης από σφάλματα φακών και χαμηλόεπιταχύνον δυναμικό. Χρησιμοποιώντας απεικόνιση υψηλής διακριτκήςικανότητας σε συνθήκες χαμηλών δόσεων ηλεκτρονίων, η τοπικήκρυσταλλική δομή του φυσικού HEU τύπου ζεολίθου χαρακτηρίστηκε γιαπρώτη φορά και μελετήθηκε η αλληλεπίδραση των φυσικών ζεολίθων μεσυσσωματώματα αργύρου και ψευδαργύρου. Με το συνδυασμό τηςηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης με την ηλεκτρονική μικροσκοπίασάρωσης και την περίθλαση ακτίνων-Χ, επιβεβαιώθηκε η παρουσία του Agκαι Zn στη δομή και εν μέρει στην επιφάνεια του ζεολίθου. Οχαρακτηρισμός των φυσικών ζεολίθων με την ηλεκτρονική μικροσκοπίαδιέλευσης είναι εξαιρετικά δύσκολος, λόγω της ευαισθησίας πουπαρουσιάζουν τα υλικά αυτά κάτω από τη δέσμη των ηλεκτρονίων.Ωστόσο, δείξαμε ότι κάτω από συνθήκες χαμηλών δόσεων ηλεκτρονίων, ηηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τηναπεικόνιση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της δομής των φυσικών ζεολίθωνκαι των φορτωμένων νανοσωματιδίων ή συσσωματωμάτων, σε μιαπληθώρα ευαίσθητων υλικών.