Synthesis, characterization and biocompatibility tests of magnetic nanoparticles
Manyetik nanopartiküllerin sentezlenmesi, karakterizasyonu ve biyouyumluluk testlerinin gerçekleştirilmesi
- Tez No: 848289
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 111
Özet
Nanoteknoloji alanındaki gelişmeler son yıllarda artış göstermektedir. Özellikle enerji, çevresel, elektronik ve biyolojik uygulamalarda nanoteknolojinin kullanımı oldukça yaygındır. Manyetik nanopartiküller (MNP'ler) de, farklı nanoteknolojik uygulamalar için geliştirilen malzemelerden biridir. MNP'ler biyolojik uygulamalarda, elektronik cihazlarda, toprak veya su filtrasyonunda ve katalitik uygulamalarda kullanılmaktadırlar. Geniş uygulama alanlarından dolayı MNP'lerin geliştirilmesi üzerine son yıllarda yapılmış pek çok çalışma bulunmaktadır. Bu uygulama alanları arasında MNP'lerin biyolojik uygulamaları üzerine yapılan çalışmalar da bulunmaktadır. Kanser teşhisi (X-ışını kontrast maddeleri, manyetik rezonans görüntüleme ajanları), kanser tedavisi (hipertermi, radyasyon tedavisi), ilaçların ve genlerin taşınımı, biyosensörler, antibakteriyel ajanlar, doku mühendisliği vb. manyetik nanopartiküllerin kullanıldığı biyolojik uygulamalardan bazılarıdır. MNP'ler, hücreler, virüsler, genler veya proteinler ile benzer veya daha küçük boyutlara sahip olduğundan biyolojik ortama kolayca eklenebilir. Sadece karşılaştırılabilir boyutları değil, aynı zamanda biyouyumluluk, yapısal ve manyetik özellikleri de MNP'lerin biyolojik uygulamalar için uygunluklarının göstergesidir. Bu özelliklerinden dolayı MNP'ler pek çok farklı biyomedikal uygulamalar için uygundur. Demir, demir oksitler (hematit (γ-Fe2O3) ve manyetit (Fe3O4)), manganez, nikel ve/veya kobalt katkılı demir oksitler, bimetalikler (FeCo, FeNi, CuNi ve FePt), biyomedikal tedaviler için kullanılan bazı MNP örnekleridir. Partikül boyutu, morfoloji, yüzey özellikleri, biyouyumluluk, manyetik özellikler ve termal/ kimyasal kararlılık, nanomalzemelerin biyomedikal uygulamalarda kullanımı için çok önemli değişkenlerdir. Manyetik nanopartiküller kullanılarak, ilaç taşınımı veya salınımı yapılan yüzey geliştirilebilir çünkü partikül boyutu küçüldükçe yüzey alanı artmaktadır. Ayrıca, herhangi bir koruyucu tabaka ile kaplanmadıkları sürece, demir oksit nanopartikülleri vücut sıvılarında kimyasal kararlılıklarını kaybederler. Herhangibir koruyu tabaka ile kaplanmamış manyetik nanopartiküller oksitlenebildiklerinden dolayı düşük manyetizasyon değerlerine sahip olup görüntüleme uygulamalarında verimliliği düşürmektedirler. Manyetik nanopartiküllerin vücut sıvılarında bozunmasını önlemek ve manyetik özelliklerini kaybetmelerini engellemek için nanopartiküllerin koruyucu tabakalarla kaplanması kavramı ortaya çıkmıştır. Bu tür malzemelere çekirdek/kabuk tipi malzemeler adı verilmektedir. Biyolojik ortamlarda kararlığını sağlamak için manyetik çekirdeğin üzerine farklı inert malzemeler kaplanmaktadır. Pasivasyon tabakası oluşturmak için bir metalin soy metal veya metal oksitler ile kaplandığına dair çalışmalar yapılmıştır. Bunların yanısıra silika ve karbon bazlı (grafen, grafen oksit vb.) kabuk malzemeleri de sıklıkla tercih edilen kaplama malzemeleridir. Manyetik nanopartiküllerin grafen ile kaplanmasında farklı hammaddelerden hareketle pek çok farklı yöntem kullanılmaktadır. Bu yöntemlerden bazıları, karbon ark deşarj metodu, doğrudan katı-hal reaksiyonları, mekanik alaşımlama destekli ısıl işlem, hidrotermal sentezleme, kimyasal ayrıştırma/indirgeme, plazma ile tavlama, sprey piroliz, otoklavda sentezleme ve kimyasal buhar biriktirme olarak sıralanabilir. Bu yöntemler arasında kimyasal buhar biriktirme sıklıkla kullanılan bir tekniktir. Karbon kaynağı olarak metan, asetilen gibi gazlar kullanılarak grafen ile kapsülasyon çalışmaları yapılmaktadır. Metan gazı dekompozisyonu sonucu carbon manyetik nanopartiküllerin üzerini kaplayarak çekirdek/kabuk yapısındaki partiküller elde edilmiş olur. Bir diğer yöntem olan solvotermal sentez de, Fe3O4 gibi manyetik nanopartiküller oluşturmak için kullanılabilir. Tüm bu yöntemlerde, manyetik nanoparçacıkların grafen gibi çeşitli maddeler ile kapsüllenmesiyle biyouyumlu yüzeyler oluşturulabilir. Böylece sentezlenen grafen ile enkapsüllenmiş manyetik nanopartiküller kanser teşhis ve tedavisi başta olmak üzere çeşitli biyomedikal uygulamalarda kullanılabilmektedirler. Enkapsülasyon sonrası nanopartiküllerin kimyasal kararlılıkları arttırılmış ve korozyon dirençleri iyileştirilmiştir. Bu tez çalışmasında da, Fe3O4 and Fe3O4@rGO nanopartiküllerinin solvotermal yöntemle sentezlenmesi ve yüksek kristalliğe sahip olmaları ve organik bileşikleri uzaklaştırabilmeleri için argon gazları ile kalsinasyon işlemi uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Ayrıca bu malzemelerin kimyasal buhar biriktirme (CVD) sistemine beslenmesi ve metan (CH4) ve hidrojen (H2) gazları kullanılarak grafen ile enkapsülasyon çalışmaları yapılmıştır. Enkapsülasyon sıcaklığı (950°C), bu sıcaklıkta bekleme süresi (1 saat), gaz basınçları (50 mbar) ve gaz akış hızları (100 mL/dak) değişken olarak incelenmiştir. CVD çalışmaları tamamlandıktan sonra tozlar saflaştırılmıştır. HF ve HCl asit çözeltilerinin kullanıldığı liç adımları, kaplanmamış Fe3O4 içermeyen saf tozların sentezini sağlar ve sentezlenen nanoparçacıkların kimyasal kararlılığını göstermektedir. Sırasıyla HF ve HCl çözeltilerine eklenen tozlar öncelikle ultrasonik banyoda karıştırılmış, sonra santrifüjlenerek saf su ile yıkamıştır. Tekrarlı yıkama işleminin ardından saf tozlar elde edilmiştir. VSM testlerinden elde edilen manyetik doygunluk ve koersivite değerlerine göre, sentezlenen Fe3O4@rGO@graphene nanoparçacıkları, biyomedikal ve çevresel uygulamalar için potansiyel gösteren yumuşak ferromanyetik özelliklere sahiptir. Fe3O4@rGO@graphene manyetik doygunluk ve koersivite değerleri yaklaşık olarak 139 emu/g and 402 Oe olarak belirlenmiştir. Bir diğer yöntemde ise, Atom Transfer Radikal Polimerizasyonu (ATRP) yoluyla Fe3O4@rGO@graphene çekirdek-kabuk nanopartiküllerini PMA-POEGMA polimeri ile kaplayarak işlevselleştirilirler. Bu nanopartiküllerin biyotıpta kullanımını göstermek için sitotoksisite testleri yapılmıştır. Bu nanoparçacıklar biyouyumluluk (48 saate kadar MCF7 kanser hücreleri üzerinde biyouyumluluk) açısından test edilmiştir. Sonuç olarak, solvotermal sentezleme yoluyla Fe3O4 and Fe3O4@rGO nanoparçacıkları saf bir şekilde sentezlenmiştir. Kalsinasyon prosedürü ile yüksek kristallik elde edilmiştir ve organik kirleticileri ortadan kaldırmak için argon gazları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu malzemeler, enkapsülasyon çalışmaları yapmak için metan (CH4) ve hidrojen (H2) gazlarıyla birlikte kimyasal buhar biriktirme (CVD) sistemine beslenmiştir. HF ve HCl asit çözeltileri ile liç sonrası, Fe3O4@rGO@grafen nanoparçacıkları, PMA-POEGMA polimeri ile kaplanmıştır. Ardından, malzemelerin biyomedikal uygulamalarda kullanım potansiyelini değerlendirmek için biyouyumluluklar gerçekleştirilmiştir (MCF7 kanser hücrelerinde 48 saate kadar biyouyumlu). Grafen kapsülleme araştırmaları ise sunulan tezin bir başka amacıdır. CVD sisteminde çok katmanlı grafen kapsüllü manyetik nanopartiküller (Fe3O4@rGO) üzerinde optimizasyon deneyleri gerçekleştirilmiştir. Kimyasal buhar biriktirme tekniğinin optimize edilmesiyle mümkün kılınan kapsüllenmiş ürünlerin biyouyumluluğunun analizi açısından bu çalışma, literatüre yeni bir katkı sunmaktadır. Optimum koşullar altında çekirdek/kabuk yapılarında oluşturulan ve biyouyumluluğu sitotoksisite testleri ile kanıtlanmış olan bu manyetik nanomalzemeler, biyomedikal uygulamalarda kullanılmaya adaydır.
Özet (Çeviri)
Nanotechnology advancements have surged recently in numerous fields, particularly in energy, environmental, electronic, and biological applications. Magnetic nanoparticles (MNPs) are one of the improvements that nanotechnology has brought to these application fields. MNPs are employed in biological, electrical, soil, or water filtration and catalytic applications. MNPs are one of them and are essential for the diagnosis and treatment of cancer. In research such as magnetic resonance imaging (MRI) for cancer diagnosis, like hyperthermia, magnetic nanoparticles are used as contrast agents. Particle sizes, shape, surface characteristics, biocompatibility, magnetic properties, and thermal and chemical stabilities are crucial for using nanomaterials in biomedical applications. Using magnetic nanoparticles will improve the surface area on which the medicine is carried and released because surface area increases as particle size decreases. Additionally, unless encased in protective layers, several iron oxide nanoparticles lose their chemical stability in bodily fluids. The efficiency of imaging applications could suffer from them becoming oxidized and having lower magnetization values. The concept of coating nanoparticles with protective layers has arisen to stop the degradation of magnetic nanoparticles in body fluids and to stop them from losing their magnetic capabilities. These types of materials are referred to as core/shell materials. Different inert materials are coated on the magnetic core to ensure its stability in biological settings. There have been studies on how to surround a metal with its noble metal or oxide to form a passivation layer. Silica and carbon-based (graphene, graphene oxide, etc.) shell materials are frequently chosen coating materials. MNPs and their encapsulations have been created using a variety of production techniques. Solvothermal synthesis could be used to create magnetic nanoparticles like Fe3O4. On the other hand, biocompatible surfaces can be created by encapsulating magnetic nanoparticles in various substances, including graphene. Although too many techniques were explored to encapsulate MNPs in graphene, chemical vapor deposition is one of the more effective ones. In this research, Fe3O4 and Fe3O4@rGO nanoparticles are synthesized by the solvothermal method, and for having high crystallinity and removal of organic compounds, the calcination process is applied by argon gases. Furthermore, encapsulation studies were carried out by feeding these substrates to the chemical vapor deposition (CVD) system and using methane (CH4) and hydrogen (H2) gases. The temperature (950°C), holding times (1 h), system pressures (50 mbar), and gas flow rates (100 mL/min) were investigated as variables. Leaching steps using HF and HCl acid solutions ensure the synthesis of pure powders free of uncoated Fe3O4 and demonstrate the chemical stability of synthesized nanoparticles. According to the magnetic saturation and coercivity values obtained from VSM tests, synthesized Fe3O4@rGO@graphene nanoparticles have soft ferromagnetic properties that demonstrate potential for biomedical and environmental applications. Magnetic saturation and coercivity values of Fe3O4@rGO@graphene were determined as approximately 139 emu/g and 402 Oe. Second, they are functionalized by coating Fe3O4@rGO@graphene core-shell nanoparticles with PMA-POEGMA polymer via Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP). Cytotoxicity tests were carried out to demonstrate the usage of these nanoparticles in biomedicine. These nanoparticles were tested for biocompatibility (biocompatibility on MCF7 cancer cells for up to 48 h). In conclusion, Fe3O4 and Fe3O4@rGO nanoparticles were made via solvothermal synthesis. The calcination procedure is carried out using argon gases to achieve high crystallinity and the elimination of organic contaminants. These substrates were fed into the chemical vapor deposition (CVD) system together with methane (CH4) and hydrogen (H2) gases to conduct encapsulation tests. After leaching by HF and HCl acid solutions, Fe3O4@rGO@graphene nanoparticles are coated with PMA-POEGMA polymer. Then biocompatibilities were carried out to evaluate the materials' potential for biomedical applications (biocompatible up to 48 h on MCF7 cancer cells). The graphene encapsulation investigations are another thesis goal that optimization experiments on multilayer graphene-encapsulated magnetic nanoparticles (Fe3O4@rGO) in the CVD system. This work offers a novel contribution to the literature in terms of analyzing the biocompatibility of the encapsulated products made possible by optimizing the chemical vapor deposition technique. These magnetic nanomaterials, created in core/shell structures under optimal conditions and whose biocompatibility has been demonstrated by cytotoxicity testing, are candidates for biomedical applications.
Benzer Tezler
- Nanobubble sentezi, karakterizasyonu ve biyouyumluluğunun belirlenmesi
Nanobubble synthesis, characterization and biocompatability studies
GÖKÇE TANIYAN
- Iron based magnetic nanoparticles: Synthesis using different production methods, encapsulation with silica/graphene, characterization and performance tests
Demir esaslı manyetik nanopartiküller: Farklı metotlar kullanarak sentezlenmesi, silika/grafen ile enkapsülasyonu, karakterizasyonu ve performans testleri
SIDDIKA MERTDİNÇ ÜLKÜSEVEN
Doktora
İngilizce
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI
- Manyetik demir oksit (Fe3O4) nanopartikülleri ile desteklenmiş gözenekli biyopolimer malzemelerin kanser tedavisi için geliştirilmesi
Development of porous biopolymer materials supported with magnetic iron oxide (Fe2O3) nanoparticles for cancer therapy
SAYNUR ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji MühendisliğiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KERİM EMRE ÖKSÜZ
- Doku mühendisliği için multiferroik nanopartikül yüklü doku iskelelerin 3B yazıcı ile üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of multiferroic nanoparticles on loaded scaffolds with a 3D printer for tissue engineering
MELİH MUSA AYRAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
BiyoteknolojiMarmara ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SONGÜL ULAĞ
DR. RIDVAN YILDIRIM
- Kemik doku mühendisliği için silisyum ile modifiye edilmiş ayva çekirdeği müsilajının sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of si-modified quince seed mucilage based bioscaffolds for bone tissue engineering
HİLAL DENİZ YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
BiyokimyaÇanakkale Onsekiz Mart ÜniversitesiBiyomühendislik ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ YAVUZ EMRE ARSLAN