Hybrydy wielościenna nanorurka węglowa – nanocząstka żelaza jako potencjalne środki kontrastujące w obrazowaniu NMR: synteza i charakterystyka
Loading...
Date
2015-02-24
Authors
Editor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Title alternative
Multiwalled Carbon Nanotube-iron particle hybrids as potential MRI contrast agents: synthesis and characterisation
Abstract
Nanostruktury węglowe są przedmiotem intensywnych badań ze względu na ich unikalne właściwości fizyczne i chemiczne. Własności te silnie zależą od rozmiaru, kształtu oraz chiralności powyższych nanostruktur. Trwają intensywne prace badawcze nad potencjalnym zastosowaniem nanorurek węglowych w diagnostyce oraz terapii medycznej. Rozważana jest możliwość wykorzystania węglowych nanostruktur (MWCNT/Fe) w obrazowaniu NMR, technice powszechnie używanej do wczesnej diagnostyki nowotworów. Ze względu na wiele doniesień dotyczących toksyczności nanorurek węglowych w ich nie zmodyfikowanej formie, pracuje się nad poprawą/zmianą interakcji między nanorurką węglową, a środowiskiem biologicznym. Modyfikacja powierzchni za pomocą różnych metod funkcjonalizacji istotnie wpływa na charakter oddziaływania CNT ze środowiskiem biologicznym. Krótkie, sfunkcjonalizowane, nie zanieczyszczone wielościenne nanorurki są znacznie mniej toksyczne. Dobrze zdyspergowane w mediach biologicznych nanorurki węglowe są doskonałym nośnikiem nanocząstek żelaza lub innego magnetycznego materiału istotnego w kontrastowaniu MRI, a możliwość przyłączenia antyciał do sfunkcjonalizowanej zewnętrznej ściany pozwala na wykorzystanie tych struktur w terapii celowanej. Celem pracy była synteza i oksydacja wielościennych nanorurek węglowych (MWCNT) zawierających w swoim wnętrzu nanocząstkę magnetyczną oraz poznanie właściwości fizycznych i aplikacyjnych otrzymanych struktur. Wielościenne nanorurki węglowe zawierające trzy ilości procentowe żelaza otrzymano stosując metodę chemicznego osadzania z fazy gazowej (ang. Floating Catalyst Chemical Vapour Deposition). Następnie, w wyniku funkcjonalizacji silnie utleniającymi kwasami otrzymano hydrofilowe hybrydy/kompozyty nanorurka węglowa/nanocząstka magnetyczna o różnych długościach. Opracowano protokół separacji oksydowanych nanorurek węglowych ze względu na ich długość. Zweryfikowano stabilność oraz stopień dyspersji otrzymanych hybryd w różnych środowiskach biologicznych. Właściwości fizyczne otrzymanych układów scharakteryzowano metodami skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), wysokorozdzielczej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (HRTEM), spektroskopii Ramana, spektroskopii podczerwieni, oraz metodą magnetometrii SQUID. Wyznaczono wartości relaksacyjności 1H NMR, określając wydajność badanych struktur jako środków kontrastujących oraz wykonano testy ich przydatności w obrazowaniu MRI. Przeprowadzono analizę cytotoksyczności układów za pomocą testu żywotności WST-1 na komórkach nowotworowych HeLa i prawidłowych fibroblastach.
There is a considerable number of scientific reports stating that carbon nanotubes (CNTs) and magnetic nanoparticles have a high potential for medical applications like contrast agents for Magnetic Resonance Imaging (MRI) and vessels for guided drug delivery. Unfortunately, these nanostructures are cytotoxic by themselves. However, separating the toxic side of the particles from the biological environment could solve the latter issue; this can easily be achieved by various functionalisation protocols. Short, functionalised, multi-walled carbon nanotubes are considered to be less toxic to humans than their long and pristine counterparts. Such nanotubes would make a perfect, water-soluble shell for pure iron nanoparticles, or other magnetic material-based structures. Moreover, further surface functionalisation, like the attachment of antibodies to the outermost CNT wall, could allow targeting specific tissues. Multi-walled CNTs filled with three different amounts of iron were synthesised by means of a floating catalyst chemical vapour deposition route. Next, three oxidation protocols were explored in order to choose the most suitable route for the production of a highly soluble and biocompatible material. Ultracentrifugation was used to sort the resulting CNT/iron hybrid nanostructures by length. The properties of these structures were characterised by means of several techniques, namely scanning electron microscopy, high resolution transmission electron microscopy, thermogravimetric analysis, Raman spectroscopy, infrared spectroscopy, superconducting quantum interference device (SQUID), NMR and MRI. A highly effective and facile solubilisation technique, resulting in particles that remained suspended for months, was found. CNTs filled with well-defined iron particles (specific dimensions and chemical composition) were prepared. Significant enhancements in MRI contrast were found when testing particles of different length and iron content. The enhancement in spin-spin relaxation rate of the MRI scans using contrast agents was investigated. Moreover, the cytotoxicity of the CNT/Fe hybrids was studied in two cell lines. The results presented in this dissertation set a path for further research and might lead to tissue-selective and/or externally guided, “intelligent”, MRI contrast and drug delivery agents.
There is a considerable number of scientific reports stating that carbon nanotubes (CNTs) and magnetic nanoparticles have a high potential for medical applications like contrast agents for Magnetic Resonance Imaging (MRI) and vessels for guided drug delivery. Unfortunately, these nanostructures are cytotoxic by themselves. However, separating the toxic side of the particles from the biological environment could solve the latter issue; this can easily be achieved by various functionalisation protocols. Short, functionalised, multi-walled carbon nanotubes are considered to be less toxic to humans than their long and pristine counterparts. Such nanotubes would make a perfect, water-soluble shell for pure iron nanoparticles, or other magnetic material-based structures. Moreover, further surface functionalisation, like the attachment of antibodies to the outermost CNT wall, could allow targeting specific tissues. Multi-walled CNTs filled with three different amounts of iron were synthesised by means of a floating catalyst chemical vapour deposition route. Next, three oxidation protocols were explored in order to choose the most suitable route for the production of a highly soluble and biocompatible material. Ultracentrifugation was used to sort the resulting CNT/iron hybrid nanostructures by length. The properties of these structures were characterised by means of several techniques, namely scanning electron microscopy, high resolution transmission electron microscopy, thermogravimetric analysis, Raman spectroscopy, infrared spectroscopy, superconducting quantum interference device (SQUID), NMR and MRI. A highly effective and facile solubilisation technique, resulting in particles that remained suspended for months, was found. CNTs filled with well-defined iron particles (specific dimensions and chemical composition) were prepared. Significant enhancements in MRI contrast were found when testing particles of different length and iron content. The enhancement in spin-spin relaxation rate of the MRI scans using contrast agents was investigated. Moreover, the cytotoxicity of the CNT/Fe hybrids was studied in two cell lines. The results presented in this dissertation set a path for further research and might lead to tissue-selective and/or externally guided, “intelligent”, MRI contrast and drug delivery agents.
Description
Wydział Fizyki: Instytut Fizyki Makromolekularnej
Sponsor
Keywords
nanorurki węglowe, carbon nanotubes, funkcjonalizacja, functionalization, obrazowanie NMR, MRI, cytotoksyczność, cytotoxicity