Fabrication of multi-component superparamagnetic nanoparticles and magnetic heating performance for hyperthermia cancer therapy
Hipertermi kanser terapisi için çok bileşenli süperparamanyetik nanopartiküllerin üretimi ve manyetik ısınma performansı
- Tez No: 664884
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Mühendislik Bilimleri, Science and Technology, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 111
Özet
Günümüzde kanser dünya çapında önemli bir halk sağlık sorunu haline gelmiştir. Dünya genelinde, sadece 2020 yılında, 19.3 milyon yeni kanser vakası ve yaklaşık 10 milyon kanser ölümünün meydana geldiği bilinmektedir. TUİK 2020 raporunda ise kanser, Türkiye'de ölüm nedenleri sıralamasında 80.186 kişi ile ikinci sırada yer almaktadır. Kemoterapi, radyoterapi ve cerrahi gibi geleneksel yöntemler vücutta yayılma göstermiş kanser evrelerinde yüksek oranda başarılı sonuçlar vermemektedir. Bu tedavi yöntemleri hastada tedavi yöntemine bağlı olarak sağlıklı dokulara da hasar vererek ölümcül riskler taşımaktadır. Bu sebeple sadece hasarlı dokuya etki etmesi beklenen çeşitli tedavi yöntemleri geliştirilmiştir. Hipertermi bu amaçla geliştirilen yöntemlerden biridir. Yöntemde, tıbbi görüntüleme ve tedavi amaçlı uygulamalarda kullanılabilecek çok katmanlı fonksiyonel süperparamanyetik nanopartiküller (NP) kullanılmaktadır. Bu NP' ler ile, kanserin hem teşhisi hem de tedavisi için optik ve manyetik yöntemlerin kullanımı geliştirilmeye çalışılmaktadır. NP' lere kaplanan dielektrik bir kabuk sayesinde topaklanmaları engellenebilir ve organik bir kabuk sayesinde ise biyouyumluluk, kararlılık vb. özellikleri yanı sıra yüzeylerine tedavi amaçlı çeşitli molekül yapıştırılabilme kabiliyetleri kazandırılabilir. Bu NP' lerin manyetik özellikleri yanı sıra, yüzey plazmon rezonans özelliklerinden dolayı uygulanacak yakın kızılaltı (NIR) lazer ile de ısıtılmaları mümkün olabilecektir. Bu yöntemde temel olarak; (a) sadece tümor bölgesine etki edecek alternatif manyetik alan uygulanarak kanser hücrelerinin denatürasyon sıcaklığına (42ºC) ulaşması ve (b) kötü huylu hücrelerin ısıtılarak yok edilirken diğer sağlıklı dokuların ise stabil kalması amaçlanmaktadır. Bu şekilde geleneksel yöntemlerde ortaya çıkan yan etkiler en aza indirgenmeye çalışılmaktadır. Manyetik NP'lerin, hipertermi terapisinde kullanılmalarını belirleyen en önemli iki faktör; (a) uygulanan NP' lerin kanserli dokuyu istenilen sıcaklığa ısıtabilme kabiliyetinin yüksek olması ve (b) ısıtmanın sadece kanserli doku hacmi ile sınırlandırılmış olmasıdır. Bu iki faktör, hedef doku içerisinde NP' lerin az miktarda birikme konsantrasyonu ile dokuyu hedeflenen sıcaklığa ulaştırabilecek kadar mükemmel manyetik özelliklere sahip olması ile sağlanabilir. Bu sebeple, kullanılan manyetik NP' lerin çeşidi ve manyetik ısınma performansı büyük ölçüde önem göstermektedir. Fe3O4, MnFe2O4 vb. çeşitli NP' lerle ilgili çalışmalar oldukça yaygındır, fakat yapılan çalışmalarda NP üretimi için belirlenen metotlarının ve ortam şartlarının farklı olması deney sonuçlarının karşılaştırılmasını imkansız kılmaktadır. Bu nedenle hipertermiya tedavisinin kullanılabilir düzeyde olması için daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, süperparamanyetik NP çekirdekleri standartlaştırılmış yöntemler ile üretilip literatürde başarılı bulunan metotlar ile kaplanmıştır ve ardından karakterizasyon işlemlerine tabi tutulmuştur. Üretilen tüm NP çeşitleri ve uygulanan her bir kaplama katmanı için manyetik ısıtma performansları ayrı ayrı incelenmiştir. Çalışmada öncelikle , NP çeşitlerinin üretimi ve çeşitli kaplamalar ile modifikasyonu yapılmıştır. Bunun için üretimin ilk aşamasında, süperparamanyetik güçlerinin yüksek olması, üstün ısınma kabiliyetleri ve literatürde oldukça başarılı sonuçlar göstermesi gibi özellikleri sebebiyle seçilen Fe3O4, MnFe2O4, MgFe2O4, SrFe12O19 NP çekirdekleri çökeltme metodu ile üretilmiştir. Geçmişteki deneyimlerden bilindiği üzere; Fe3O4 NP çekirdekleri hızlı oksitlendiği için sadece bu NP' ün sentezleme aşamasında oleik asit kaplaması yapılmıştır. Üretimin ikinci aşamasında, bu 4 farklı NP çekirdekleri topaklanmayı önleyici dielektrik bir kabuk olarak SiO2 ile kaplanmıştır. Üretimin üçüncü aşamasında, silika kaplanan numuneler, altın kaplamaya uygun bir bağlanma yüzeyi sağlanması adına aminasyon işlemine tabi tutulmuştur. Üretimin dördüncü aşaması olan altın kaplama işlemine geçmeden önce, bu kaplamada kullanılacak ana madde olan HauCl4 çözeltisi laboratuvar şartlarında üretilmiş, daha sonra ise bu çözelti ile NP' lere altın kaplama yapılmıştır. Biyouyumluluğu, kimyasal stabilitesi ve farklı fonksiyonel gruplara bağlanabilme kabiliyetini arttırmak amacıyla yapılan altın kaplama sonrası, NP' lerin kan dolaşımında kalma süresinin artması, biyouyumlu olması ve kararlılığının artması için, üretimin son aşaması olan PEG kaplama işlemi yapılmıştır. NP üretimi bittikten sonra, her kaplama sonrasında elde edilen NP' ler FTIR (Fourier Dönüşümlü Infrared Spektrofotometre) ve SEM (İngilizce: Scanning Electron Microscope) kullanılarak karakterize edilmiştir. FTIR sonuçlarına göre tüm kaplama aşamalarının gerçekleştiğinin göstergesi olan piklere ulaşılmıştır. SEM ile NP çapları incelenmiş ve ayrıca altın kaplı numunelerin EDX (İngilizce: Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) sonuçlarıyla istenen altın içerikleri elde edilmiştir. Çalışmanın son aşamasında ise, üretilen NP' lerin % 0.1 (v/m)' lik oran hesabına göre su içerisinde ve agar içerisinde olmak üzere ısıtma işleminin yapılacağı 2ml'lik cam kapta ayrı ayrı numuneleri hazırlanmıştır. Hazırlanan numuneler laboratuvar şartlarında kurulan indüksiyon jeneratörü kullanılarak ısıtma deneylerine tabi tutulmuştur. Isıtma testlerinin sonuçlarına göre, farklı çekirdek tiplerinin karşılaştırıldığı testlerde tüm numuneler arasında SrFe12O19 NP' leri en düşük, MgFe2O4 NP' ü ise en yüksek ısınma performansını göstermiştir. Farklı kaplama aşamalarının karşılaştırıldığı ısıtma sonuçlarına göre ise, diğer kaplma aşamaları arasında en hızlı ısınma sonucunu aminasyon işlemi yapılmış NP' ler vermiştir. Bu şaşırtıcı ve sezgisel olmayan bir sonuçtur. Bir şekilde aminasyon işlemi yapılmış örnekler çekirdek tipinden bağımsız olarak tüm çok bileşenli örneklerde ısınma gücünü arttırıcı yönde etki göstermiştir. Şimdiye kadar bilinen dahilinde, elde edilen bu çalışma sonuçlarıyla literatürde daha önce karşılaşılmamıştır. Farklı kaplama aşamalarının karşılaştırıldığı ısıtma sonuçlarında en yavaş ısınma sonucunu ise son katman olan PEG kaplı numuneler vermiştir. Buna ek olarak PEG' den bir önceki kaplama aşaması olan altın kaplanmış numunelerin ısınma performansı, PEG kaplı numunelerinkine oldukça yakın ve en düşük ikinci performansı vermiştir. Literatürde altın kaplamanın numunenin ısınma performansını göreceli olarak arttırdığı gözlenen çalışmalar vardır, bizim çalışmamızda ise ısınma performansını göreceli olarak azaltmış olmasıyla ilgili olarak; (a) NP' lerin boyutlarının, kaplama kalınlıklarının farklı olması ve (b) ısınma deneylerine yönelik hazırlanan karışımların aynı miktarda NP içermemesi gibi standardizasyonu etkileyen parametrelerin varlığından söz edilebilir. Bunun yanı sıra, çalışmada altın kaplamanın varlığını kanıtlamak için EDX ile numuneler incelenmiş ve hepsinde altın içeriğine rastlanmıştır, fakat altın kaplama işleminden sonra yapılan yıkama işleminin yetersiz olma ihtimali sebebiyle, altın kaplama başarısız olduğu halde EDX piklerinde altın gözükmüş olma ihtimali yadırganamaz. Kaplamaların başarısı ve NP boyutları ile ilgili daha güvenilir bir sonuç elde edilmesi için ayrıca TEM ile karakterizasyon çalışması yapılması önerilmektedir. Sonuç olarak çalışmamız farklı kaplama aşamalarının ve NP farklılıklarının süperparamanyetik NP' lerin ısınma performansını değiştirdiğini göstermiştir. Literatürde birçok farklı manyetik NP' e ait çalışmanın olmasına karşın bu çalışma ile standardize edilmiş laboratuvar koşullarında farklı tipte manyetik NP' ler ile bu NP' lerin farklı kaplama aşamalarının ısınma performansına etkisi karşılaştırılmıştır. Kolay ulaşılabilir ve ekonomik laboratuvar malzemeleriyle gerçekleştirilen bu çalışmanın konuyla bağlantılı gelecek araştırmalar için aydınlatıcı olduğunu söylemek mümkündür.
Özet (Çeviri)
Nowadays, cancer has become a major public health problem worldwide. It is known that 19.3 million new cancer cases and approximately 10 million cancer deaths occurred worldwide in 2020 alone. The TUIK 2020 report, the cancer is in second place with 80,186 people in Turkey ranking of causes of death. Traditional methods such as chemotherapy, radiotherapy and surgery do not give highly successful results in cancer stages that have spread in the body. These treatment methods carry fatal risks by damaging healthy tissues depending on the treatment method in the patient. For this reason, various treatment methods have been developed that are expected to affect only damaged tissue. Hyperthermia is one of the methods developed for this purpose. Multilayer functional superparamagnetic nanoparticles (NPs) are used in the method, which can be used in medical imaging and treatment applications. With these NPs, it is tried to develop the use of optical and magnetic methods for both diagnosis and treatment of cancer. Thanks to a dielectric shell coated on the NPs, its agglomeration can be prevented, and thanks to an organic shell coated on it, its properties such as biocompatibility and stability can be increased, as well as various molecule adhesion capabilities for treatment purposes can be given to the surfaces of the NPs. In addition to the magnetic properties of these NPs, it will be possible to heat them with the near infrared (NIR) laser to be applied due to their surface plasmon resonance properties. Basically in this method; It is aimed to; (a) reach the denaturation temperature (42ºC) of the cancer cells by applying an alternative magnetic field that will affect only the tumor area, and (b) the malignant cells are destroyed by heating while the other healthy tissues remain stable. In this way, the side effects that occur in traditional methods are tried to be minimized. The two most important factors determining the use of magnetic NPs in hyperthermia therapy are; (a) the applied NPs must have a high ability to heat the cancerous tissue to the desired temperature and (b) heating should be limited only to the cancerous tissue. These two factors can be achieved by having excellent magnetic properties that can reach the target temperature by using a small amount of NPs in the target tissue. For this reason, the type of magnetic NPs used and their magnetic heating performance are of great importance. Studies on various NPs such as Fe3O4, MnFe2O4 are quite common, but it becomes impossible to compare the experimental results due to the different methods and different environmental conditions determined for NPs fabrication in the studies. Therefore, more research is needed to make hyperthermia treatment available. In the thesis, in the first part, Fe3O4, MgFe2O4, MnFe2O4 and SrFe12O19 NPs were synthesiszed as cores. Later, their outher surface was first coated with SiO2 layer, functionalized with amination, then decorated via Au NPs and consequently the outer surface of overall NPs will be coated via PEG. After each coating, the NPs have been characterized using FTIR, SEM and EDX. Heating process was carried out under AMF, using induction generator, in water and in agar according to the rate calculation of 0.1% (v/m) of the produced NPs. According to the results of the heating tests, among all samples, SrFe12O19 NPs showed the lowest and MgFe2O4 NPs showed the highest heating performance among all samples in the tests where different core types were compared. According to the heating results comparing the different coating stages, the aminated NPs gave the fastest warming result among the other coating stages. Comparing different coating steps, PEG coated samples gave the slowest heating result in the heating results. In addition, the heating performance of gold-coated samples, which is the previous coating step from PEG, is very close to that of PEG coated samples and gave the second lowest performance. As a result, our study has shown that different coating stages and NPs differences change the heating performance of superparamagnetic NPs. Although there are many studies of magnetic NPs in the literature, the effects of different types of magnetic NPs on the heating performance of different coating stages of these NPs were compared under standardized laboratory conditions. It is possible to say that this study, which is carried out with easily accessible and economical laboratory materials, is illuminating for future researches related to the subject.
Benzer Tezler
- Günümüzde ısı değiştirici imalatında kullanılan yöntemler
The Methods that is used at fabrication of the heat exchangers
HÜSEYİN ÇEBİ
- Capacitance-voltage and current-voltage characteristic properties of ZnO:Al/p-Si heterojunction
ZnO:Al/p-Si heterokavşakların kapasitans-voltaj ve akım-voltaj karakteristik özellikleri
YELİZ KÖSE
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Isı yalıtımı uygulamaları için cam nanolif üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of glass nanofibers for thermal insulation applications
AHSEN ÜNAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE OSKAY
- Gümüş nanotanecik katkılı nanokompozit malzemelerin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of silver doped nanocomposites
ÖZLEM KABAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE OSKAY
- 2219 alüminyum alaşımının sürtünme karıştırma nokta kaynaklı bağlantılarının özellikleri ve deneysel tasarımla optimizasyonu
Properties and experimental design optimization of friction stir spot welded 2219 aluminium alloy
OLATUNJI OLADIMEJI OJO
Doktora
Türkçe
2016
Makine MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMEL TABAN