Σύνθεση και χαρακτηρισμός μαγνητικών νανοσωματιδίων οξειδίων του σιδήρου για βιοϊατρικές εφαρμογές. Κυτταροτοξικότητα σε μαγνητικά τροποποιημένα κύτταρα άλγης

Κοκκινόπουλος, Ιωάννης

dc.contributor.author	Κοκκινόπουλος, Ιωάννης
dc.contributor.author
dc.date.accessioned	2020-02-14T11:13:18Z
dc.date.available	2020-02-14T11:13:18Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49773
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17471
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών”
dc.rights	Default License
dc.subject	Υπερπαραμαγνητισμός	el
dc.subject	Νανοσωματίδια	en
dc.title	Σύνθεση και χαρακτηρισμός μαγνητικών νανοσωματιδίων οξειδίων του σιδήρου για βιοϊατρικές εφαρμογές. Κυτταροτοξικότητα σε μαγνητικά τροποποιημένα κύτταρα άλγης	el
dc.contributor.department	Εργαστήριο Μικροηλεκτρονικής	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Magnetism	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-10-10
heal.abstract	Η Μεταπτυχιακή αυτή εργασία, μελετά τη σύνθεση και τον χαρακτηρισμό των υπερπαραμαγνητικών νανοσωματιδίων οξειδίων του σιδήρου, Μαγνητίτη (Fe3O4) και Μαγγεμίτη (γ-Fe2O3), καθώς επίσης και ποικίλων οργανικών επικαλύψεών τους. Διερευνάται επίσης, η πιθανή βιοσυμβατότητα ή τοξικότητά τους σε τροποποιημένα κύτταρα άλγης, με απώτερο σκοπό τη χρήση τους σε ποικίλες Βιοϊατρικές εφαρμογές. Ο Μαγνητίτης και ο Μαγγεμίτης είναι υλικά που παρουσιάζουν φερριμαγνητική συμπεριφορά, ευρισκόμενα στη φύση. Όταν όμως απαντώνται σε σωματίδια μεγέθους μερικών νανομέτρων, χάνουν τη μόνιμη μαγνήτισή τους και γίνονται υπερπαραμαγνητικά. Σε επαρκώς μικρά νανοσωματίδια (<100 nm), η μαγνήτιση μπορεί να αλλάζει τυχαία προσανατολισμό, κάτω από την επίδραση της θερμοκρασίας. Αυτό συμβαίνει διότι τα νανοσωματίδια αποτελούνται από μία μαγνητική περιοχή, single domain (ή λίγες), η οποία έχει δύο πιθανούς αντιπαράλληλους προσανατολισμούς, μεταξύ των οποίων αλλάζει με τυχαίο τρόπο αυθόρμητα όταν δεν της επιβάλλεται εξωτερικό πεδίο. Το γεγονός πώς υπάρχει μόνο ένα magnetic domain και όχι πολλά, όπως σε ένα φερρομαγνητικό υλικό, σημαίνει πως δεν μπορεί να γίνει ευθυγράμμιση των περιοχών (alignment of domains), όταν αυτά υπόκεινται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Για αυτό το λόγο ο βρόχος υστέρησης, το συνεκτικό πεδίο και η παραμένουσα μαγνήτιση των νανοσωματιδίων, είναι μηδενικά και αποτελούν βασικό χαρακτηριστικό των υπερπαραμαγνητικών υλικών. Τα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια μαγνητίζονται με την παρουσία ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, αλλά επιστρέφουν στη μη μαγνητισμένη τους κατάσταση όταν το εξωτερικό αυτό πεδίο απομακρυνθεί. Ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, είναι ικανό να μαγνητίσει τα νανοσωματίδια, όπως θα έκανε και σε ένα παραμαγνητικό υλικό, αλλά η μαγνήτιση κορεσμού τους, θα είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των παραμαγνητών. Έτσι, η υπερπαραμαγνητική φύση των νανοσωματιδίων, η οποία εξασφαλίζει ότι τα νανοσωματίδια δεν θα έλκονται μεταξύ τους και δεν θα σχηματίζουν συσσωματώματα στον οργανισμό (μηδενική παραμένουσα μαγνήτιση), αλλά και ότι θα παρουσιάζουν αυξημένη απόκριση σε επιβαλλόμενο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (υψηλή μαγνήτιση κορεσμού), έχοντας ως αποτέλεσμα την καλή μαγνητική οδήγηση, μας οδηγούν στην ασφαλή χρήση τους σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Μετά την σύνθεση των νανοσωματιδίων, ο μαγνητικός πυρήνας επικαλύπτεται από ποικίλα οργανικά πολυμερή, όπως η πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG), η β-cyclodextrin και τα λιπίδια. Η επικάλυψη της επιφάνειας των νανοσωματιδίων είναι απαραίτητη, καθώς συμβάλλει στην αυξημένη βιοσυμβατότητα (μη τοξικότητα), αλλά και στην αποφυγή του φαινομένου Corona, λόγω επικάλυψης & προσρόφησης πρωτεϊνών του πλάσματος στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων. Οι βασικές λειτουργίες των επικαλυμμένων νανοσωματιδίων όσον αφορά τις βιοιατρικές τους εφαρμογές, περιλαμβάνουν τον απομακρυσμένο χειρισμό τους και την πρόσδεσή τους σε συγκεκριμένα κύτταρα (drug delivery), την χρήση τους ως απεικονιστικοί παράγοντες (contrast) σε μαγνητικές τεχνικές (MRI), καθώς και την χρήση τους για θεραπευτικές μεθόδους, μέσω της τεχνικής της επαγωγικής θέρμανσης. Στόχος της παρούσας εργασίας, είναι η σύνθεση νανοσωματιδίων καθώς και των οργανικών τους επικαλύψεων και ο χαρακτηρισμός τους με ποικίλες μεθόδους. Ειδικότερα, η εργασία κινήθηκε σε τέσσερις βασικούς άξονες. Ο πρώτος ήταν η σύνθεση των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Χρησιμοποιήθηκαν κυρίως, η Microwave assisted co-precipitation synthesis (με τα πλεονεκτήματά της έναντι της κλασσικής Solvothermal synthesis) και κυρίως η Flame spray pyrolysis synthesis, όπου και δόθηκε ιδιαίτερη βάση, διερευνώντας τα συγκριτικά της πλεονεκτήματα. Ο δεύτερος άξονας, ήταν η επικάλυψη των νανοσωματιδίων με οργανικά πολυμερή όπως λιπίδια, πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG) και β-cyclodextrin. Έγιναν πολλές παρασκευές. Τον τρίτο άξονα αποτέλεσε ο χαρακτηρισμός των δειγμάτων μέσω των τεχνικών ανάλυσης FTIR, VSM, XRD, SEM και TEM και η ενδελεχής ανάλυση των αποτελεσμάτων. Τέλος, ο τέταρτος άξονας, ήταν η εισαγωγή των επικαλυμμένων νανοσωματιδίων μέσω της τεχνικής της ηλεκτροπόρωσης, σε τροποποιημένα κύτταρα άλγης και η διερεύνηση της κυτταροτοξικότητας και της μαγνητικής τους απόκρισης. Λέξεις Κλειδιά Μαγνητισμός, Υπερπαραμαγνητισμός, Νανοσωματίδια, Drug delivery, Οξείδια του σιδήρου, Μαγνητίτης, Μαγγεμίτης, Flame spray pyrolysis synthesis, Μεταλλικοί ατμοί, Solvothermal synthesis, Microwave assisted co-precipitation synthesis, PEG, β-κυκλοδεξτρίνη, Φωσφατιδυλοχολίνη, FTIR, VSM, XRD, SEM, TEM, Βρόχος υστέρησης, Συνεκτικό πεδίο, Μαγνήτιση κορεσμού, Άλγες, Ηλεκτροπόρωση.	el
heal.abstract	This master's thesis studies the synthesis and characterization of superparamagnetic iron oxide nanoparticles, Magnetite (Fe3O4) and Maghemite (γ-Fe2O3), as well as their various organic coatings. Their potential biocompatibility or toxicity to modified algae cells is also being investigated, with a view to their use in a variety of biomedical applications. Magnetite and Maghemite are materials that exhibit ferrimagnetic behavior, found in nature. However, when encountered in particles of a few nanometers in size, they lose their permanent magnetization and become superparamagnetic. In sufficiently small nanoparticles (<100 nm), the magnetization may change randomly, under the influence of temperature. This is because, nanoparticles consist of a single magnetic domain (or a few), which has two possible antiparallel orientations. Between them it changes randomly when no external field is applied. The fact that there is only one magnetic domain and not many, as in a ferromagnetic material, means that the alignment of domains cannot be done when they are subjected to an external magnetic field. For this reason, the hysteresis loop, coercivity and remanence of nanoparticles are zero and they are a key feature of superparamagnetic materials. Superparamagnetic nanoparticles are magnetized in the presence of an external magnetic field, but they return to their non-magnetized state when the external magnetic field is removed. An external magnetic field is capable of magnetizing the nanoparticles, as it would in a paramagnetic material, but their saturation magnetization will be much greater than that of a paramagnet. Thus, the superparamagnetic nature of nanoparticles, which ensures that nanoparticles will not attract each other and form agglomerates in the body (zero remanence), but also ensures that they will exhibit an increased response to an applied external magnetic field (high saturation magnetization) and consequently good magnetic driving, they lead us to use them safely, in various biomedical applications. Following the synthesis of nanoparticles, the magnetic cores are coated with a variety of organic polymers, such as polyethylene glycol (PEG), β-cyclodextrin, and lipids. Coating the surface of nanoparticles is necessary, as it contributes to increased biocompatibility (non-toxicity) but also to the avoidance of the Corona effect due to the coating and adsorption of plasma proteins on the surface of the nanoparticles. The basic functions of coated nanoparticles for biomedical applications include their remote control and binding to specific cells (drug delivery), their use as contrast agents in magnetic techniques (MRI), and their use for therapeutic methods, through the technique of induction heating. The aim of the present thesis is to synthesize nanoparticles as well as their organic coatings and characterize them by a variety of methods. In particular, the thesis moved on four main axes. The first was the synthesis of magnetic nanoparticles. The used methods were, Microwave assisted co-precipitation synthesis (with its advantages over classical Solvothermal synthesis) and mainly Flame spray pyrolysis synthesis, where particular emphasis was given, exploring its comparative advantages. Second axis was the coating of nanoparticles with organic polymers such as phosphatidylcholine, polyethylene glycol (PEG) and β-cyclodextrin. Many preparations were made. Third axis was the characterization of the samples through FTIR, VSM, XRD, SEM and TEM analysis techniques and the thorough interpretation of the results. Finally, fourth axis was the introduction of coated nanoparticles by electroporation technique into modified algae cells and the investigation of their cytotoxicity and their magnetic response. Keywords Magnetism, Superparamagnetism, Nanoparticles, Drug delivery, Iron oxides, Magnetite, Maghemite, Flame spray pyrolysis synthesis, Metallic vapors, Solvothermal synthesis, Microwave assisted co-precipitation synthesis, PEG, β-cyclodextrin, Phosphatidylcholine, FTIR, VSM, XRD, SEM, TEM, Hysteresis loop, Coercivity, Saturation magnetization, Algae, Electroporation.	en
heal.advisorName	Χριστοφόρου, Ευάγγελος
heal.committeeMemberName	Κόλλια, Κωνστατνίνα
heal.committeeMemberName	Δέρβος, Κωνστατνίνος
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	293
heal.fullTextAvailability	false
dcterms.subject	Μαγνητίτης
dcterms.subject	Μαγγεμίτης
dcterms.subject	Άλγες
dcterms.subject	Flame Spray Pyrolysis
dcterms.subject	Superparamagnetism
dcterms.subject	Nanoparticles
dcterms.subject	Magnetite
dcterms.subject	Maghemite
dcterms.subject	Algae