Nanoparticule Multifunctionale Pe Baza de Siliciu Pentru

5/20/2018 Nanoparticule Multifunctionale Pe Baza de Siliciu Pentru

1/13

A 10-a editie a Seminarului National de nanostiinta si nanotehnologie 18 mai 2011, Bib lio teca Academiei Romane

Nanoparticule multifunctionale pe baza de siliciu pentru

tratamentul cancerului

IMT Bucuresti, Laboratorul de Nanobiotehnologii

Adina Bragaru, Irina Kleps, Teodora Ignat, Mihaela Miu, Monica Simion, Mihai Danila, Florea Craciunoiu

INSB Bucuresti

Mirela Diaconu

IOB Bucuresti

Sabin Cinca, Eugenia Tirifon


2/13


In terapia cancerului o problema importanta o constituie distrugerea celulelor canceroase fara sa fie afectate

tesuturile vecine sanatoase.

- Radioterapiaconstituie o metoda prin care tumoarea este iradiata, insa sunt afectate si tesuturile invecinate sanatoase.

- Chemoterapiapresupune utilizarea medicamentelor puternice insa din pacate sunt afectate si alte tesuturi invecinate

datorita toxicitatii ridicate a acestora, iar in multe cazuri pacientul nu poate tolera dozele de medicamente anticancerigene

datorita toxicitatii ridicate.

Cadrul general al cercetarii

Dezvoltarea de noi tehnici prin care substanta activa sa fie eliberata selectiv, direct la organele

afectate, a devenit o etapa importanta pentru a ajunge la tratarea eficienta a cancerului.

S-a dezvoltat un sistem nanostructurat pe baza de siliciu pentru vectorizarea

si cedarea monitorizata a substantelor active biologic, de interes terapeutic.

ContributiaNanostructured silicon particles for medical applications, Kleps Irina, Ignat Teodora, Miu Mihaela, Craciunoiu Florea, Trif

Mihaela, Monica Simion, Adina Bragaru,Journal of Nanoscience and Nanotechnology (JNN), Vol.9, 1-7, 2009;

Study of the Micro- and Nanostructured Silicon for Biosensing and Medical Applications, Irina Kleps, Mihaela Miu, Monica

Simion, Teodora Ignat, Adina Bragaru, Florea Craciunoiu, Mihai Danila, J. Biomed. Nanotechnol. 5, 300-309 (2009)


3/13


Siliciu porosmodificat cu nanoparticule cu proprietati superparamagnetice (SPION),

acoperit cu strat polimeric biocompatibil si impregnat cu agent terapeutic

Structura sistemului obtinut

Imersie in dextran, 20 h


4/13


Experimente tehnologice de realizare a diferitor tipuri demicroparticulelor de siliciu nanostructurat

S-au incercat mai multe metode de obtinere a siliciului poros:

-Porozificarea selectiva Si n/p prin masca fotolitografica- Porozificare in mai multi pasi a Si tip p+prin masca fotolitografica- prin masca de Si3N4 deoarece solutia de porozificare esteconcentrata in HF, HF:C2H5OH (3:1) si masca de SiO2 nu rezista.

Imagine optica a microparticulelor

de Si obtinute prin porozificarea

folosind ca masca Si3N4, urmat de

un proces ultrasonare

Imagini SEM ale microparticlulelor de Si nanostructurat

(a) n-epi/p+ Si si (b) n-difuzie in p+Si

0 50 100 150 200 250 3000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Curent (A)

Potential (V)

Timp (sec)

Curent(A)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Potential(V)

Programul de porozificaremultistrat este: 0.570 A(densitatea de curent9mA/cm2); 10.0 sec si 3.000 A(densitatea de curent 50mA/cm2); 10.0 sec (30 cicluri)


5/13


Obtinere de microparticule de siliciu poros cu proprietatisuperparamagnetice

Pentru micsorarea dimensiunii nanocristalitelor de Fe si pentru obtinerea magnetitei Fe3O4 (forma de Fe care ii confera proprietati

SPION), experimentele de preparare a Fe au fost realizate utilizand Fe3+/Fe2+ (in raport stoichiometric 1:2), coprecipitarea facandu-se cu

NH4OH la valori de pH alcalin (11 si 12-13).

F e2

+ / F e3

+ + N H4

O H F e3

O4

(a) (b)

Nanoparticule de oxid de fier preparate din saruri Fe3+ si Fe2+ precipitate prin

adaugare de NH4OH: pH 11 (a), pH>11 (b).

Probele de PS impregnate cu nanoparticule de oxid de

fier au fost analizate prin SEM si EDAX.

Analizele SEM - particule de oxid de fier de 30 nm,

neuniform distribuite pe suprafata PS. Nanoparticule de oxid de fier se gasesc si in interiorul

porilor in cazul probelor preparate in prezenta citratului de

sodiu.

Spectru de difractiede raze X pentru PS

cu particule de oxid

de fier

(b)

Imagine SEM (a) si EDAX (b)

a nanoparticulelor de oxid de

Fe pe suprafata PS

(a)


6/13


Functionalizarea microparticulelor de siliciu in vederea atasariisubstantelor farmacologic active

Functionalizarea microparticulelor de siliciu in vederea atasarii substantelor farmacologic active

SiSi

Si Si

Si Si

B

A

B

A

Spectrul FTIR inregistrat pentrunanoparticula de siliciu dupa tratamentulcu APTES (A) si (B)-nanoparticula de siliciufunctionalizata cu grupari de tip Si-OH

Spectrele FTIR inregistrate pentru A-chitosan; B-nanoparticula

functionalizata cu chitosan A

B

-1400 cm-1 - atat in spectrul inregistrat pentru nanoparticula functionalizata cuchitosan, cat si in spectrul chitosanului se datoreaza vibratiei de intindere dingruparea C-O a alcoolului primar;- In cazul spectrului inregistrat pentru nanoparticula functionalizata cuchitosan se constata o deplasare a benzii de la 1659 cm-1, caracteristicavibratiei de deformare din gruparea N-H si care sugereaza formarea legaturiide tip C=N, datorita agentului de reticulare, glutaraldehida si gruparea -NH2din molecula chitosanului.

- 3430 cm-1vibratia gruparii -NH2.-2928 cm-1vibratia gruparii CH-.-1616 cm-1 si 1509 cm-1 deformarilor gruparii -NH2 dinmolecula de APTES


7/13


Testarea in vivo a biocompatibilitatii si functionalitiimicroparticulelor de siliciu functionalizate cu chitosan

Cerine de biocompatibilitate - mecanismele prin care nanoparticulele de siliciu genereaz sau nu, anumite efecte asupra organismului

gazd:

- dac induce toxicitate asupraesuturilor nconjurtoare;

- dac deterioreazesutul gazdprin inducerea unui stres mecanic.

Experimentul - pe un numar de 3 loturi sobolani Wistar inoculai intramuscular la nivelul trenului posterior cu 0,2 ml

solutie/animal, urmarindu-se biocompatibilitatea si efectele asocierii dintre chitosan si particulele de siliciu

! nanoparticulele nu sunt hidrosolubile si compatibile cu organismul gazda si raman cantonate la locul de

inoculare

Reactia locala la 48 ore dupa inocularea

nanoparticulelor de siliciu:-reactie de iritabilitate, prurit;

- leziuni hemoragice

La aproximativ o saptamana de la inoculare, efectul iritativ esteredus, cu eliminarea crustelor si cicatrizarea zonei de inoculare

! reactia organismului de a respinge un corp strain


8/13


Experimente tehnologice de realizare a diferitor tipuri demicroparticulelor de siliciu nanostructurat

Multistraturi de PS obtinute prin corodarea anodica a Si - p+

0 50 100 150 200 250 3000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Curent (A)

Potential (V)

Timp (sec)

Curent(

A)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Po

tential(V)

Diagrama curent-potential-timp pentru 30 cicluri

(0.570 A: 10.0 sec si 3.000 A: 10.0 sec)

Solutie electrolit - 30% HF

Densitate de curent: > 10 mA/cm2 - 10 sec;

> 100 mA/cm2 - 4 sec150 cicluri

~ 50 nm dimensiunea porilorSolutie electrolit - 30% HF

Densitate de curent: > 9 mA/cm2 - 10 sec;

> 50 mA/cm2 - 10 sec30 cicluri


9/13


Impregnarea microparticulelor de siliciu cu substante biologic activein vederea studierii procesului de difuzie a microparticulelor

Realizarea si caracterizarea sistemului hibrid

microparticulelor de siliciu / dacarbazina

1000 1500 2000 2500 3000 3500

0,4

0,6

0,8

1,0800

33192964

2869

1921

1662

1499

1269

1384

1327

1192

1030

1039

781

876

Transmitance(%)

Wavenumber (cm-1)

--SiNP-dacarbazine

--dacarbazine

Spectrele IR ale SiNP impregnate cu

medicament comparative cu cel al

medicamentului

- maximele corespunzatoare benzilor specifice legaturii Si-O-Si din particulele de

siliciuin intervalul 1030 - 1039 cm-1.

- vibratia simetrica a gruparii Si-O-Si la 800 si 876 cm-1, precum si prezenta

maximelor de la 1269 si 1384 cm-1 caracteristice dacarbazinei, fapt care indica

impregnarea microparticulelor de siliciu cu medicament.

Realizarea si caracterizarea sistemului hibrid polimer

(dextran)- microparticule de Si medicament

(dacarbazina)

1000 1500 2000 2500 3000 3500

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1087

3355

1647

Transmitance(%)

Wavenumber (cm-1)

--SiNP-dacarbazina-dextran--SiNP-dacarbazina-APTES-dextran

Spectre IR corespunzatoare microparticulelor de siliciu

impregnate cu medicament si inglobate in polimer, cu si fara

functionalizare cu APTES

eficacitatea functionalizarii cu APTES a

microarticulelor de siliciu impregnate cu

medicament.


10/13


Studiul difuziei de medicament (dacarbazina) in SBF prin

metoda FTIR

a

a, b- spectrul IR in cazul

microparticulelor de Si

difuzate in SBF;

c- variatia transmitantei

in functie de timpul de

diuzie

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Transmitance(%)

Wavenumber (cm-1)

--SiNP-SBF 20h

--SiNP-SBF 25H

--SBF

0 5 10 15 20 25

0,00

0,01

0,02

0,03

Transmitanta(%)

Timpul pentru difuzie (ore)

Rata difuziei microparticulelor in SBF

Domeniul 1

Domeniul 2

950 1000 1050 1100 1150 1200

0,88

0,90

0,92

0,94

1066

1066Transmitance(%)

Wavenumber (cm-1

)

--SiNP-SBF 20h

--SiNP-SBF 25H

--SBF

Domeniul 1 - difuzia de Si prin membrana polimerica, Domeniul 2- degradarea microparticulei de Si fara membrana polimerica

protectoare. Initial procesul de difuzie al medicamentului este lent datorita protejariimicroparticulei de Si cu polimer, dar dupa 20 ore rata de difuzie crestedatorita biodegradarii polimerului


11/13


a

Experimente de obtinere a sistemului hibrid de tip SPIONfolosind microparticule de siliciu nanostructurat impregnate cunanoparticule de oxizi de fier cu proprietati superparamagnetice-

medicament- polimerPrepararea nanoparticulelor magnetice de oxid de fier

Imagine SEM ale

nanoparticulelormagnetice de oxid

de fier

Prepararea microparticulelor de siliciu nanostructurat cu

nanoparticule de oxizi de fier cu proprietati

superparamagnetice

20 40 60 80

14000

21000

28000

Fe3O

4(400)

Fe3O

4(311)

Fe3O

4(220)

Fe3O

4(511)

Fe3O

4(440)F

e3

O4

(111)

Si(311)

Si(220)

I[cps]

2 [o

]

Magnetite

SiO2/Magnetite

Glass holder

SiO2, low

Crystobalite,

Si(111)

Analiza prindifractometrie cu

raze X a sistemului

SPION

Modificarea microparticulelor de siliciu de tipSPION cu APTS

600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

TransmitanceT%

Wavenumber cm-1

PSNP-Fe3O4

PSNP-Fe3O4-APTS586

598

29611549

1341

793

Comparatie intre

spectrul IR al

particulelor de tip

SPION simple si

modificate cu APTS

Obtinerea sistemului hibrid de tip SPION

a

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

TransmitanceT%

Wavenumber cm-1

SPION-Dcz-Dextran

Dextran1085

1002

1171

3440

793

1650

2925

1451

1365

Comparatie intre

spectrele IR ale

dextranului si cel al

sistemului SPION-Dcz-

dextran


12/13


Testarea in vivo a biocompatibilitatii agentului terapeutic

Studiile in vivo au fost realizate pe sobolani Wistar. Experimentele au fost realizate att pe animele

sntoase, ct i pe animale cu tumori experimentale induse hepatom RS1.In cazul nanoparticulelor acoperite cu Dacarbazin, s-au realizat dou suspensii iniiale, de concentraii 16 mg/ml, respectiv 8

mg/ml; din aceste suspensii s-au administrat cte 0,2 ml/animal

S-au administrat 6 doze, cte 2 doze / saptmn, durata de administrare fiind astfel de 3 sptmni. Animalele uu fost inoculateintramuscular la nivelul trenului posterior, cu 0,2 ml suspensie nanoparticule/ animal, corespunztor diluiilor menionate.

Pentru urmrirea efectelor imediate, din fiecare lot de studiu a fost sacrificat cte un animal la 48 h de la prima administrare, apoi

sacrificarea animalelor s-a efectuat la intervale sptmnale, cu prelevarea de probe biologice.

Sunt prezente imaginile a douanimale - unul din lotul ND2

(animale sntoase tratate cu

nanoparticule acoperite) i unul din

lotul TD animale cu tumori

experimentale. Pentru ambele

animale nu se observ afectri ale

organelor interne.

Aspect organe interne la animal din lotul TD1Aspect organe interne la animal din lotul ND2

! Uoara iritaie local, datorat stresului mecanic de inoculare prezent numai la 2/36 animale la

concentraie maximdispare la maxim 48 h. Examinarea organelor interne ale animalelor sacrificate nu a

relevat prezena de afeciuni, produsele administrate fiind bine acceptate.


13/13


! Se poate aprecia c sistemul ce contine microparticulele de siliciunanostructurat de tipul SPION, impreuna cu medicamentul si polimerulbiodegradabil pot aciona ca vectori de transport ai unor produi antitumorali,

rezultat ce sugereazcontinuarea acestui studiu pentru testarea altor compuimedicamentoi legai de nanoparticule, precum i a altor forme de tumoriexperimentale.

Concluzii

Va multumesc pentru atentie!

www.imt.ro/nanosic

Multumiri:

Dr. Adrian Dinescu, IMT Bucuresti Chim. Veronica Schiopu, IMT Bucuresti

Nanoparticule Multifunctionale Pe Baza de Siliciu Pentru

Documents

Transcript of Nanoparticule Multifunctionale Pe Baza de Siliciu Pentru