UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURETI

FACULTATEA DE INGINERIE MEDICAL

SPECIALIZAREA ECHIPAMENTE I SISTEME MEDICALE

NANOPARTICULE OXIDICE FEROMAGNETICE.

IMPORTANA LOR N BIOMEDICIN

STUDENT: PRISACARIU MARIUS DANIEL GRUPA 1432b ANUL III

COORDONATOR:

PROF. DR. ING. ADRIAN VOLCEANOV

-BUCURESTI,2013-

1

CUPRINS

1. INTRODUCERE SI GENERALITATI .............................................................3

2. METODE DE OBINERE .................................................................................. 4

3. PROPRIETI GENERALE ALE NANOPARTCULELOR OXIDICE

FEROMAGNETICE ...................................................................................................5

4. CARACTERISTICI STRUCTURALE ...............................................................5

5. MECANISM DE ACIUNE..................................................................................5

6. APLICATII ...........................................................................................................6

7. AVANTAJE SI DEZAVANTAJE ALE FOLOSIRII NANOPARTICULELOR

OXIDICE FEROMAGNETICE ...............................................................................6

8. BIBLIOGRAFIE ...................................................................................................7

2

1.INTRODUCERE I GENERALITI

Nanotehnologia este astzi una dintre cele mai inovatoare domenii ale tiinei i cercetrii

care a evoluat ntr-o arie multidisciplinar, revoluionnd domenii precum fizica aplicat,

proiectarea i design-ul de roboti i maini, bioingineria, ingineria chimic, mecanic electric. n

ingineria medical i n medicin, nanoparticulele, n special cele feromagnetice, au nceput s

ocupe un rol din ce n ce mai important n studiile legate de dezvoltarea unor sisteme inteligente de

eliberare controlat de medicamente, de tratamente magneto-hipertermice i radiologice mpotriva

tumorilor, de modaliti de detectare, localizare i urmrire n organism a unor structuri biologice

cum ar fi anumite virusuri, bacterii, leucocite sau proteine[1][2].Cap de afi n cercetrile din domeniul

biotehnologiei i medical rmne totui tratamentul mpotriva cancerului, acesta reprezentnd astzi

una dintre cele trei mari ameninri la adresa sntii umane[6] . n ncercarea de a crete eficiena

sistemelor medicamentoase anititumorale, prin mbuntirea selectivitii lor, a concentrrii aciunii

citotoxice numai asupra unor oraganeint i micorrii pe ct de mult cu putin a efectelor

secundare, atenia studiilor s-a ndreptat invariabil ctre nanoparticulele feromagnetice i n

implicarea acestora n dezvoltarea de terapii de tipul tumor-targeted[1][2].

i tocmai prin prisma acestor aplicaii este fundamental alegerea n realizarea acestor

nanostructuri i dispozitive numai a materialelor care ndeplinesc toate proprietile fizice i chimice

obligatorii n asigurarea succesului funcionrii acestora. Pn acum, nanoparticulele oxidice

feromagnetice au ndeplinit acceste criterii stricte, dovad stnd utilizarea acestora n ultimii 50 de

ani[2] n numeroase studii de cercetare i n realizarea unor aplicaii cu utilitate practic n

biomedicin. n ultimele decenii, s-au realizat o serie de investigaii amnunite pe diferite tipuri de

fier oxidic, n acest domeniu al nanotehnologiei magnetice incluznd Fe3O4, magnetit,

ferimagnetit, nanoparticule superparamagnetice (cu dimensiuni sub 15 nm), -Fe2O3 ,- Fe2O3

(feromagnetic), -Fe2O3. Aceaste tipuri de fier oxidic, vor reprezenta cele mai promitoare i

utilizate nanoparticulele n domeniile de cercetare biomedicale, dat fiind i biocompatibilitatea

acestora demostrat deja.

3

2. METODE DE OBINERE

2.1 Microemulsia [1][2]

Aceast tehnic de sintez reprezint o dispersie termodinamic stabil izotropic dintre doua

faze imiscibile, n prezena unui surfactant, a crui molecule formeaz un strat la interferena dintre

ulei i ap, cu componentele hidrofobe ndreptate ctre faza uleioasa i cu capetele hidrofile ctre

faza apoas. Se creaz, astfel, structuri cu diverse forme de la micelii sferice i cilindrice la faze

lamelare i microemulsii bicontinue care pot exista ntr-o faz predominant apoas sau uleioas. n

acest sens, importana acestui procedeu n obinerea de nanoparticule feromagnetice este dat de

usurina cu care se poate modifica forma acestora (obinere de particule cu form-controlabil).

n aceste condiii, s-a raportat obinerea cu succes a unor nanoparticule de Fe2O3

monodisperse prin metoda microemulsiei. Spre exemplu, particulele nconjurate de un monostrat din

acid oleic de form sferic pot atinge dimensiuni de 3.5nm, se bucur de o bun cristalizare i

dispun de valori ridicate ale saturaiei magnetice. n cadrul acestei tehnici, rmne problema

agregrii, n ciuda prezenei surfactanilor, care duce la necesitatea existentei unor serii de tehnici de

splare i stabillizare auxiliare metodei de sinteza principale.

2.2 Sinteza hidrotermal [1][2]

Nanoparticulele oxidice feromagnetice cu forme i dimensiuni controlabile sunt tehnologic

importante tocmai datorit puternicei corelaii dintre aceti parametri i proprietile magnetice.

Tehnicile microemulsiei i a descompunerii termice duc n general la procese de sintez relativ

complexe i care necesit temperaturi ridicate. Astfel, sinteza hidrotermal apare ca o alternativ,

aceasta incluznd varii tehnologi chimice de cristalizare n container sigilat, de la soluii apoase de

nalte temperaturi (de obicei variind de la 130 pn la 250C) la vapori de nalt presiune (cu valori

de pn la 4MPa). Astfel, acest metod a fost folosit cu succes n obinerea de nanoparticule

feromagnetice cu un nalt grad de cristalinitate.

Totodat, n aceast tehnic de sintez, n vederea realizrii unor ct mai bune nanoparticule,

s-au propus 2 metode total diferite. Prima, arat posibilitatea obinerii de Fe3O4 cu cristalinitate

ridicat i cu valori ale saturaiei magnetice foarte mari (85.8 emu g-1) sub form de nanopulberi

(40nm) fr surfactani, la temperatura de 140C, timp de 6 ore. Cea de a doua, prezint, n mod

contrar, posibilitatea obinerii prin metode hidrotermale de nanoparticule feromagnetice cu diametru

de 27 nm i cu proprieti superparamagnetice cu ajutorul surfactanilor.

Sinteza hidrotermal permite i obinerea unor nanoparticule de Fe3O4 foarte bine

cristalizate, aa cum s-a demonstrat n cercetrile i studiile din ultima vreme.

4

3.PROPRIETI GENERALE ALE NANOPARTCULELOR OXIDICEFEROMAGNETICE

n principiu, nanoparticulele sunt compui submicronici, cu diametrul variind de la 1 pn la 100

nm, care conin compui organici sau anorganici. Acestea odat obinute, aduc n prim-plan o serie

de noi proprieti care, n unele situaii, le fac net superioare celorlalte tipuri de materiale. n cazul

de fa, nanoparticulele feromagnetice au o varietate de proprieti magnetice unice cum ar fi

temperatura Curie (temperatura la care un material feromagnetic devine paramagnetic) sczut,

nalt susceptibilitate magnetic, carateristici superparamagnetice, biocompatibilitate ridicat[1] .

4.CARACTERISTICI STRUCTURALE[3]

Din cauza c dispun, n stare normal, de suprafee hidrofobe cu raport arie-volum suficient

de ridicat, n absena unui proces de grefare corespunztor, nanoparticulele tind s realizeze

interacii hidrofobe ntre ele care conduc la formarea unor particule de dimensiuni foarte mari. n

acest sens sunt folosii compuii biologici, dar nu numai, pentru a evita agregrile de acest tip dar i

pentru a imbunti stabilitatea, a mri biofuncionalitatea i biocompatibilitatea prin asigurarea

statutului non-toxic n condiii fiziologice a nanoparticulelor de Fe3O4 n aplicaiile biomedicale,

fcndu-le, n alt ordine de idei, mai eficiente. Practic, modificarea suprafeei nanoparticulelor prin

depunerea unor anumite molecule dorite, a devenit n ultima vreme indispensabil. n ultima

perioad, un viu interes s-a depus n design-ul i controlul fabricrii de nanomateriale cu funci

specifice i cu anumite proprieti care s le permit ndeplinirea anumitor aplicaii. Componentele

de grefare de natur biologic ajut exact n acest sens, tocmai prin faptul c, nu numai c menin

proprietile magnetice caracteristice acestui tip de nanoparticulele[3], dar pot chiar s mreasc

biocompatibilitatea i gradul de biodegradare prin intermediul unei seri de grupe funcionale cum

ar fi grupele carboxil, hidroxil, amino.

5.MECANISM DE ACIUNE[6]

S-a observat c sub un cmp magnetic alternativ, acestea absorb o mare cantitate de energie

magnetic pe care o transform n energie termic.. Cldura generat de ctre nanoparticule n aceste

condiii s-a pus pe seama proprietilor magnetice i dimensiunii acestora, a aplitudiniii i frecvenei

cmpului magnetic, a ratei de rcire a sngelui n vasele tumorale. Datorit suprafeei unice i a

dimensiunilor foarte mici ale nanoparticulelor feromagnetice (10 nm) energia absorbit de acestea

sub cmpul magnetic alternativ a fost mult mai ridicat dect n cazul altor materiale, lucru ce a dus

la generarea unor aciuni termice ridicate[6]. S-au stabilit i valorile necesare cmpului magnetic

alternativ pentru a permite aceste fenomene: o aplitudine de 10 kA/m i o frecven de 400 kHz.S-a

artat utilitatea acestei tehnici n tratarea cancerului de prostat[6] . Ca transportori de medicament,

5

nanoparticulele oxidice feromagnetice pot intra n organismul uman prin administrare arterial,

intravenoas sau oral, unde, prin intermediul unui cmp magnetic extern, pot fi dirijate direct ctre

anumite zone astfel nct, n mod eficient, ntreaga cantitate de substan medicamentoas ncrcat

de acestea s acioneze numai aupra esuturilor tumorale[6] .

6.APLICAIIAstzi, muli cercettori din varii domeni de studiu printre care i biotehnologie, biologie, fizic,

bioinformatic manifest un crescut interes pentru acest tip de materiale i n mod special pentru

nanomaterialele feromagnetice care au reusit s patrund deja pe pia i s fie folosite cu succes n

diverse aplicaii comerciale. Spre exemplu, n prezent acestea sunt utilizate n importante

bioaplicaii cum ar fi biosepararea i biodetecia prin intermediul unui cmp magnetic a unor diferite

structuri biologice[1][2] (acizi nucleici, proteine, enzime, virusuri, celule, bacterii), n terapie i

diagnostic (mbuntirea calitii procesului de obinere de imagini prin rezonan magnetic,

elaborarea de sisteme de eliberare controlat de medicamente), n terapia cu fluide magnetice

hipertermice

7.AVANTAJE I DEZAVANTAJE ALE FOLOSIRII NANOPARTICULELOROXIDICE FEROMAGNETICE[1][2]

Astzi cea mai important provocare tehnologic este dat de ncercarea de a controla

dimensiunea, stabilitatea chimic, forma, dispersibilitatea aceastor nanoparticule oxidice

feromagnetice n diverse medii (n cazul de fa, mediul fioziologic al organismului uman). Trebuie

inut seama de faptul c aceste nanoparticule au un raport suprafa-volum suficient de mare care le

confer o energie de suprafa ridicat, motiv pentru care acestea tind s formeze agregate tocmai

pentru a reduce aceast energie. n plus, n stare obinuit au o puternic reactivitate chimic cea ce

le permite sa fie relativ uor oxitate n aer (n special magnetita), ceea ce conduce n cele din urm la

scdearea proprietilor magnetice i a dispersitii. Totodat, este fundamental i dezvoltarea unor

stategii de mbuntire a suparfeei i de gsire a unor metode care s confere att stabilitate

nanoparticulelor oxidice feromagnetice ct i bioproprieti cum ar fi biocompatibilitatea sau

biofunctionalitate. ns, n comparaie cu alte materiale magnetice, nanoparticulele oxidice

feromagnetice, care n principal sunt compuse din Fe3O4 i -Fe2O3, au o bun stabilitate chimic,

proprieti magnetice ridicate i, prin procese de grefare a suprafeei, o bun biocompatibilitate.

6

8. BIBLIOGRAFIE

[1]LODHIA J.,MANDARANO G.,FERRIS NJ.,EU P.,COWELL SF., DEVELOPMENT

AND USE OF IRON OXIDE NANOPARTICLES. SYNTHESIS OF IRON OXIDE

NANOPARTICLES FOR MRI ,BIOMEDICAL IMAGING AND INTERVENTION JOURNAL,

2009

[2]LAURET S., FORGE D., PORT M. et al., MAGNETIC IRON OXIDE

NANOPARTICLES: SYNTESIS, STABILIZATION, VECTORIZATION, PHISICOCHEMICAL

CHARACTERIZATION AND BIOLOGICAL APPLICATIONS, CHEMICAL REV, 2008

[3]WU WEI, HE QUANGUO, JIANG CHANGZHONG, MAGNETIC IRON OXIDE

NANOPARTICLES: SYNTESIS AND SURFACE FUNCTIONALIZATION STRATEGIES, NANO

REVIEW, 2008

[4]CHEN YUE,BAO-AN CHEN, APLICATION AND DEVELOPMENT OF MAGNETIC

IRON-OXIDE NANOPARTICLES IN TUMOR-TARGETED THERAPY, DEPARTMENT OF

HEMATOLOGY, THE AFFILIATED ZHONGA HOSPITAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY,

2009

[5] ZHANG YU, YANG MO, OZKAN MIHRIMAH, MAGNETIC FORCE MICROSCOPY

OF IRON OXIDE NANOPARTICLES AND THEIR CELLULAR UPTAKE, WILEY

INTERSCIENCE, 2009

[6]RAHMAN MAHFOOZUR, ZAKI MOHAMMAD, KAZMI IMRAN, AKHTER

SOHAIL, AFZAL MOHAMMAD et al., ADVANCEMENT IN MULTIFUNCTIONAL

NANOPARTICLES FOR THE EFFECTIVE TRATMENT OF CANCER, INFORMA

HEALTHCARE, 2012

7