Study and characterization of magnetic nanoparticles and zeolites as carriers of metals:
Creators: name: Φιλιππούση, Μαρία Κ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: Μαγνητικά νανοσωματίδια (νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου)
Ζεόλιθος
Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διερχόμενης Δέσμης
Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης
Magnetic Nanoparticles (iron oxide nanoparticles)
Zeolites
Transmission Electron Microscopy
Scanning Electron Microscopy

description: Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε μια συνδυασμένη μορφολογική και δομική μελέτη δύο διαφορετικών υλικών (μαγνητικών νανοσωματιδίων και ζεολίθων) με απώτερο σκοπό τη χρήση τους για βιοϊατρικές εφαρμογές. H διαμόρφωση αυτής της διατριβής έχει ως εξής: Συντέθηκαν μαγνητικά νανοσωματίδια με τη μέθοδο της συγκαταβύθισης (νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου) και χαρακτηρίστηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης και με περίθλαση ακτίνων-Χ. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου ενθυλακώθηκαν σε βιοσυμβατή και βιοδιασπώμενη πολυμερική μήτρα με σκοπό την ελαχιστοποίηση των αρνητικών παρενεργειών στον οργανισμό. Συγκεκριμένα τα μαγνητικά νανοσωματίδια, ενθυλακωμένα σε πολυμερική μήτρα, χαρακτηρίστηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης, για εν δυνάμει χρήση για τη θεραπεία κατά του καρκίνου. Η ενθυλάκωση των μαγνητικών νανοσωματιδίων επιβεβαιώθηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία STEM. Η χρήση φασματογράφου ανάλυσης ενεργειακής διασποράς ακτίνων-X και η EELS χαρτογράφηση, μας έδωσαν τη δυνατότητα να χαρακτηρίσουμε την παρουσία των διαφορετικών στοιχείων. Το μέγεθος των νανοσωματιδίων δεν ξεπέρασε τα 250 nm. Από το προφίλ αποδέσμευσης μπορούμε να συμπεράνουμε ότι τα νανοσωματίδια εμφανίζουν ένα διφασικό πρότυπο αποδέσμευσης του φαρμάκου in vitro πάνω από 15 ημέρες, εξαρτώμενο από το μοριακό βάρος του υδρόφοβου μέρους της πολυμερικής μήτρας. Επιπρόσθετα, μαγνητικά νανοσωματίδια με πολυεδρική μορφή ενθυλακώθηκαν σε βιοσυμβατή και βιοδιασπώμενη πολυμερική μήτρα για εν δυνάμει χρήση για τη θεραπεία κατά του καρκίνου. Η ενθυλάκωση των μαγνητικών νανοσωματιδίων στην πολυμερική μήτρα επιβεβαιώθηκε με τη χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης και ηλεκτρονική μικροσκοπία STEM. Επίσης η πολυεδρικότητα των νανοσωματιδίων επιβεβαιώθηκε με τη χρήση τομογραφίας στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Οι μαγνητικές μετρήσεις ήταν ικανοποιητικές και έρχονται σε συμφωνία με τα δομικά και μορφολογικά τους χαρακτηριστικά, τα οποία διατηρούνται ακόμη και μετά την ενθυλάκωσή τους. Τέλος και το αντικαρκινικό φάρμακο Taxol ενθυλακώθηκε σε αυτά τα νανοσωματίδια και μελετήθηκε η ταχύτητα αποδέσμευσης του φαρμάκου στους 37 και 42oC. 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 του φυσικού ζεόλιθου (HEU-τύπου) σε ατομικό επίπεδο καθώς επίσης και οι μέταλλο-μορφές του, μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης διορθωμένης από σφάλματα φακών και χαμηλό επιταχύνον δυναμικό. Χρησιμοποιώντας απεικόνιση υψηλής διακριτκής ικανότητας σε συνθήκες χαμηλών δόσεων ηλεκτρονίων, η τοπική κρυσταλλική δομή του φυσικού HEU τύπου ζεολίθου χαρακτηρίστηκε για πρώτη φορά και μελετήθηκε η αλληλεπίδραση των φυσικών ζεολίθων με συσσωματώματα αργύρου και ψευδαργύρου. Με το συνδυασμό της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης με την ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης και την περίθλαση ακτίνων-Χ, επιβεβαιώθηκε η παρουσία του Ag και Zn στη δομή και εν μέρει στην επιφάνεια του ζεολίθου.
description: Within the frame of this thesis a combined morphological and structural characterization of two different materials (magnetic nanoparticles and zeolites) was performed for potential use for biomedical applications. The outline of the thesis is as follows: Magnetic nanoparticles were synthesized by a coprecipitation method and were characterized by transmission electron microscopy and X-ray diffraction measurements. The surface of these iron oxide nanoparticles was modified by a biocompatible and biodegradable polymeric matrix in order to be non-toxic for potential use for biomedical applications. Scanning transmission electron microscopy revealed the encapsulation of magnetic nanoparticles inside the polymeric matrix and the diameter of the nanovehicles was measured to be below 250 nm. Energy dispersive X-ray spectroscopy mapping allowed us to determine the presence of the different material ingredients in a quantitative way. From the release profile we can conclude that the nanoparticles exhibit a biphasic drug release pattern in vitro over 15 days, depending on the molecular weight of the hydrophobic part of the polymer matrix. Moreover, polyhedral magnetic iron oxide nanocrystals with multiple facets have been embedded in biocompatible and biodegradable polymeric matrices in order to be non-toxic for potential use for biomedical applications. The encapsulation of iron oxide nanoparticles into a polymer matrix was confirmed by transmission electron microscopy and further corroborated with High Angle Annular Dark Field Scanning Transmission Electron Microscopy. Moreover, HAADF-STEM tomography proved that the iron oxide nanocrystals consist of well-defined polyhedral structures with multiple facets. The magnetic features were found to be in good agreement with the structural and morphological features and are maintained even after encapsulation. Furthermore, the magnetic nanoparticles inside these matrices may be considered as a good candidate for biomedical applications in hyperthermia treatments because of their high heat capacity exhibited under an alternating magnetic field. The anticancer Taxol drug was encapsulated in these nanoparticles and its physical state and release rate at 37 and 42oC was studied. Natural zeolite crystals (of the HEU-type) loaded with Zn and Ag ions were prepared and characterized. Initially the Na homoionic form of the zeolite (heulandite) was prepared, followed by ion exchange of Ag- and Zn- ions. The atomic structure of natural HEU-type zeolite and two ion-exchanged variants of the zeolite, Ag+ and Zn2+ ion exchanged HEU-type zeolite, are investigated using low voltage aberration corrected transmission electron microscopy (TEM). Using high resolution imaging at low-dose conditions, the local crystal structure of natural HEU-type zeolite has been characterized for the first time and the interaction of loaded natural zeolites with Ag and Zn clusters has been studied. By combining TEM with scanning electron microscopy and X-ray powder diffraction the presence and structure of Ag and ZnO clusters and/or nanoparticles inside and partly at the surface of the zeolitic structure of the Ag+ and Zn2+ ion exchanged materials, has been confirmed.