nanobiomateriale - fe3o4

P a g i n a | 1 Proiect Nanobiomateriale

Facultatea de Inginerie Medicala Anul III

Proiect Final

Nanobiomateriale

Tema: Nanoparticule de Fe3O4 Sinteza si aplicatii in medicina Student: Craciun Andreea-Ioana Profesor Coordonator: Prof. Andronescu Ecaterina Grupa: 1432B


I. Introducere

II. Subiect

2.1. Structura si proprietati magnetice 2.2.1. Sinteza si caracterizarea nanoparticulelor de Fe3O4

2.2.2. Influenta diferitelor conditii de sinteza asupra nanoparticulelor de Fe3O4

2.2.3. Comparatie intre sinteza nanoparticulelor a doua aplicatii diferite

2.2.4. Concluzii

2.2. Aplicatii 2.2.1. Sinteza fluidului magnetic de Fe3O4 utilizat pentru imagistica de rezonanta

magnetica

2.2.2. Sticle ceramice feromagnetice cu un continut mare de magnetita

2.2.3. Materiale compozite COL/HA-Fe3O4 pentru tratamentul cancerului osos

2.2.4. Caracterizarea particulelor pentru o aplicatie specifica: Fe3O4/SiO2 pentru

afisaj electroforetic

2.3. Concluzii generale

III. Bibliografie

IV. Anexa


I. Introducere Nanomedicina si localizarea in

domeniul implanturilor De ce nano [1] Noutati

domeniu

Nanotehnologie este un termen colectiv pentru dezvoltariile tehnologice la scara nanometrica. In sens larg, nanotehnologia reprezinta orice tehnologie al carei rezultat finit e de ordin nanometric: particule fine, sinteza chimica, microlitografie avansata, s.a.m.d. Intr-un sens restrans, nanotehnologia reprezinta orice tehnologie ce se bazeaza pe abilitatea de a construi structuri complexe respectand specificatii la nivel atomic folosindu-se de sinteza mecanica. Structurile nanometrice nu numai ca sunt foarte mici,

ajungandu-se chiar pana la scara atomica, dar ele poseda unele proprietati total deosebite si neasteptate, in comparatie cu aceeasi substanta luata la nivel macroscopic.

Domeniul nanomedicinei este asadar interdisciplinar si complex, implicand folosirea simultana a cunostintelor din mai multe arii si discipline stiintifice, cum sunt cercetarea din zona clinica/medicala, biologia, chimia, fizica, electronica, matematica, robotica.

Nanomedicina cuprinde mai multe arii care se intrepatrund si se consolideaza reciproc:

nanomateriale si nanodispozitive; nanotehnologie moleculara; imagistica la nivel nanometric; sisteme inovative de administrare a medicamentelor; nanotoxicologie.

Chirurgie, implanturi pasive si implanturi active - Un accent important al rolului nanomaterialelor in domeniul chirurgiei, implanturi pasive si implanturi active este pus pe proprietatile materialelor pentru producerea de instrumente sau de acoperiri. Instrumentele din materiale nanostructurate, sunt mai uoare i prezinta posibilitatea de a muta celule individuale. Acoperirile prezinta bune proprietati de biocompatibilitate, sterilitate, antitoxicitate, antiinflamatie si anticoroziune.


Nanotehnologia si nanomaterialele nu sunt utilizate in toate aceste categorii de implanturi. Nanotehnologia joac un rol important in imbunatatirea implanturilor active, prin acoperiri antimicrobiene, tratamente de suprafata si materiale pentru baterii reincarcabile noi. Pentru acoperiri se pot folosi materiale inteligente care incorporeaza medicamente cu eliberare lenta sau particule (cum ar fi ionii de argint) care impiedica reactiile de respingere sau inflamatie.

Ingineria tisulara - este un domeniu interdisciplinar, care are rolul de a crea organe artificiale (folosind materiale biocompatibile) pentru pacientii care au nevoie de transplant de organe. Abilitatea de a repara sau reconstrui tesuturile deteriorate, sau chiar pentru a regenera organe intregi in viitor, a suscitat interes inca de la mijlocul anilor 1980.

Exemple de produse obtinute prin inginerie tisulara sunt: inlocuitori ai pielii, piele umana, cartilaj, implanturi osoase, sisteme vasculare, valve cardiace si tesuturile cardiace, tesuturi neurologice, regenerarea nervilor, tendoane, ligamente.

Nanomaterialele utilizate pentru ingineria tisulara sunt:

- Hidroxiapatita - pentru formarea unui material compozit, in asociere cu un sablon nanostructurat de tip tija. Hidroxiapatita este utilizata ca material osos artificial (inlocuire os). Hidroxiapatita nanodimensionata prezinta proprietati de citocompatibilitate si creste aderenta osteoblastelor.

- Supramolecule pentru realizare de sabloane/schelete.

- Acoperiri nanostructurate.

- Ciment nanostructurat de fosfat de calciu pentru regenerarea osoasa.

- Nanoparticule core-shell.

- ADN-legat de nanoparticule.

- Nanofibre de poli (L-acid lactic)

- Poli (N-izopropil acril amida).

- Poli (N-izopropil acril amida) etc.

Nanotehnologii imaginabile in viitor [2]

faruri auto eficiente lacuri de automobile care-si pot schimba culoarea caroserii de automobile, precum si aripi de avion care-si pot modifica forma dupa

cerintele aerodinamice momentane amortizoare auto la care viscozitatea lichidului se las reglata instantaneu dupa

necesitati motoare fara uzura/frecri; motoare cu consum redus de combustibil catalizatoare si acumultoare auto mai eficiente ferestre auto care se pot intuneca dupa dorinta materiale usor de intretinut, de ex. stofe care nu se murdaresc, nu se imbacsesc, nu

prind miros sau nu se uda noi metode de fabricare a LED-urilor, pentru marirea eficientei si durabilitatii computerul molecular


Frumusete la scara nano[3]

De-a lungul anilor, cerecetatorii din domeniul nanotehnologiei au folosit metode mai mult sau mai putin complicate pentru a construi structuri simple la scara nanometrica. Iata ca cerecetatorii de la Universitatea Harvard au publicat in revista Science, prin care demonstreaza ca folosind numai creta si sticla, pot crea structuri complexe (si extrem de frumoase) la scara nano.

Pentru aceasta ei folosesc o anumit solutie lichida careia ii modifica ph-ul si continutul de bioxid de carbon. Citez din abstractul lucrarii Rationally Designed Complex, Hierarchical Microarchitectures, publicate de revista Science in 17 mai: Dezvoltarea din ultima vreme a structurilor complexe, la scara nano si micro, prezinta un interes fundamental, iar capacitatea de a le programa forma ar putea avea aplicatii practice in domenii cum ar fi optica, electronica, catalizatorii. Am reusit sa dezvoltam microstructuri, pe baza de carbonati si bioxid de siliciu, in sisteme dinamice de reactie-difuzie, ceea ce ne permite s realizam proceduri pentru sculptarea unei mari varietati de forme, prin difuzia de bioxid de carbon intr-o solutie de clorura de bariu si metasilicat de sodiu. Am identificat doua moduri distincte de crestere si am aratat cum prin

modificarea, continua sau discreta, a concentratiei de bioxid de carbon, a ph-ului si a temperaturii putem [...] creea o gama de microstructuri, cu o precizie si o complexitate fara precedent. []

Microbuchet: Pentru a obtine aceasta imagine, au fost crescute mai intai tulpinile florilor, dupa care au fost modificate conditiile de crestere, pentru a obtine petalele. (Credit: Wim L. Noorduin)


Floarea: Mai ntai a fost creeata baza (de culoare rosie) apoi s-au modificat conditiile pentru a creste tulpinele spiralate. In final, prin adaugarea de dioxid de carbon in solutie, se deschid si petalele. (Credit: Wim L. Noorduin)

Un altfel de trandafir: Schimband conditiile de precipitare din solutie s-a putut obtine acest minunat trandafir. (Credit: Wim L. Noorduin)

Surse: Universitatea Harvard, Science, Rationally Designed Complex, Hierarchical Microarchitectures (rezumatul lucrrii publicate de Science n 17 mai 2013)


Suprafata hidrofoba nanostructurata [3]

Titlul acesta poate sa para un pic cam tehnic. De fapt este vorba despre ceva simplu. Oamenii de stiinta incearca sa imite frunzele de nufar, pentru a realiza suprafete care sa nu se ude.

Cercetari in aceasta directie de desfasoara de mai mult vreme, unele dintre ele fiind incununate cu succes. Pentru a obtine o suprafata hidrofoba este nevoie sa ii controlam structura pana la scara nano, altfel spus, trebuie sa apelam la nanotehnologie.

Un grup de cercettori de la Brookhaven National Laboratory (SUA) a studiat in detaliu felul in care structura suprafetei influenteaza calitile hidrofobice ale acesteia. Concluziile au fost publicate pe 21 octombrie n Advanced Materials.

Antonio Checco, cercetator la Brookhaven National Laboratory si principalul autor al studiului explica: Pentru studiul nostru am dezvoltat o tehnica de fabricatie care se bazeaza pe nanostructuri care se autoasambleaza. Astfel am putut controla foarte precis geometria texturii suprafetei.

Imagini obtinute cu ajutorul microscopului electronic are dou tipuri de suprafete: una acoperita cu nanoconuri, cealalta cu nanocilindri. (Credit: Brookhaven National Laboratory)

Un videoclip, inregistrat cu 30.000 de cadre pe secunda, n care este ilustrat comportamentul hidrofob al unei suprafete acoperite cu nanoconuri. [18]

Surse PhysOrg, Robust Superhydrophobicity in Large-Area Nanostructured Surfaces Defined by Block-Copolymer Self Assembly (rezumatul articolului publicat pe 21 octombrie n Advanced Materials)


II. Subiect


2.1. Structura si proprietati magnetice


2.1.1. Sinteza nanoparticulelor de Fe3O4 [19]

Comparativ cu structurile voluminoase, materialele cu dimensiuni nanometrice datoreaza

proprietati fizico-chimice superioare din cauza efectului lor mezoscopice, efectul de obiect mic,

efectul dimensiunilor cuantice si efectul de suprafata. Recent, au fost investigate nanoparticule

de Fe3O4 (MNPs) din cauza proprietatilor superparamagnetice, coercitivitate inaintata si

temperatura Curie* scazuta. In plus, Fe3O4 este netoxic si biocompatibil.

Prin urmare, Fe3O4 MNPs s-au utilizat pentru noi tipuri de aplicatii biomedicale, cum ar fi

biosenzori, agent de contrast in imagistica de rezonanta magnetica si altele mentionate in

capitolele urmatoare. Le mentionam doar pentru a aminti importanta acestor particule pe care

le vom prezenta in diverse forme, prin diverse metode de obtinere.

Este important a se asigura distributia dimensionala ingusta, dispersie buna si un raspuns

magnetic ridicat in lichidul tisular pentru aceste aplicatii. Cu toate acestea, fortele de atractie

magnetice combinate cu energii de suprafata mari (>100dyn/cm) fac usoara agregarea Fe3O4

MNPs in fluide.

Prin urmare, o multime de polimeri sintetizati au fost utilizati ca agenti de acoperire pentru a

modifica suprafata particulei de oxid de fier, asa cu vom prezenta in sectiunile urmatoare:

Dispersii coloidale de nanoparticule de magnetita monodisperse modificate cu polietilen glicol

Desi acoperirile polimerice pot reduce agregarea de MNPs, ele cresc de asemenea dimensiunea

totala a particulelor si astfel limiteaza exprimarea proprietatilor magnetice, distributia in

tesuturi si capacitatea de penetrare in spatii interstitiale. Asadar este importanta dezvoltarea

de o metoda eficienta de a modifica suprafata pentru o distributie a dimensiunilor ingusta si o

dispersie excelenta in solutie aposa sau neapoasa folosind compusi moleculari mici.

Voi prezenta metoda de modificare folosind citrat de sodiu si acid oleic pentru sinteza Fe3O4

MNPs cu o distributie a dimensiunii ingusta si dispersie excelelnta in fluide. Fe3O4 MNPs au fost

sintetizate prin metoda co-precipitarii la temperaturi diferite, modificata cu citrat de sodiu si

acid oleic. Efectul temperaturii si modificarii de structura cristalina, morologia, dispersia si

distributia marimilor si a proprietatilor magnetice ale Fe3O4 MNPs au fost investigate in detaliu.

*temperatura Curie in fizica si stiinta materialelor, temperatura Curie (Tc) sau punctul Curie

este temperatura in care magnetismul permanent al unui material se schimba in magnetism

indus. Tc este punctul critic in care momentele magnetic intrinseci ale materialului isi schimba

directia.


Experimental [4]

Reactivii de grad analitic (FeCl36H2O, FeCl24H2O si C2H6O) au fost utilizati ca materii prime.

Citratul de sodiu chimic (Na3C6H5O72H2O) si acidul oleic (C17H33 COOH) au fost utilizate ca

modificatori. Patru probe au fost preparate in functie de conditiile de sinteza.

In primul rand, FeCl36H2O si FeCl24H2O cu procentul molar 1:2 au fost dizolvate in etanol si apa deionizata si mentinuta la temperaturi diferite, adaugand mai apoi o solutie de NaOH (3 mol*L-1) sub agitare magnetica constanta timp de 30 minute, iar pH-ul final a fost 10. Ulterior, citratul de sodiu si acidul oleic s-au adaugat in suspensii pentru a modifica Fe3O4 MNPs obtinute (12h). Substanta obtinuta a fost lasata la temperatura pentru imbatranirea acesteia timp de 30 minute, apoi racita si adusa la temperatura camerei. Particulele rezultate au fost separate magnetic si spalate in mod repetat cu apa deionizata si etanol pana la pH=7. Produsul a fost uscat la 60C in vid timp de 6h, in scopul caracterizarii suplimentare.

Rezultate si discutii

Analiza XRD a fost utilizata pentru identificarea structurii cristaline a produselor dupa cum se observa in figura alaturata, peak-urile indicand faptul ca structura cristalina Fe3O4 MNPs poate ramane dupa modificarile cu citrat de sodiu si acid oleic.

Dimensiunea medie a cristalitelor este de aproximativ 12.6 nm (a), 13.4 nm (b), 14.2 nm (c) si respectiv 13.8 nm (d), calcule pe baza relatiei Debye-Scherrer (d=k*/(*cos)).

In figura urmatoare se vor prezenta spectrele FT-IR ale Fe3O4 MNPs din toate probele. Se poate observa caracteristica de absorbtie a legaturii Fe-O la aproximativ 580 cm-1 si 634 cm-1, in timp ce legatura OH este la aproximativ 3398 cm-1. Peak-urile similare se observa si in figura b. Comparativ cu figura b, putem observa peak-uri noi in figura c. Absorbtia la 1393 cm-1 si 1587 cm-1 sunt varfuri caracteristice legaturii COO-Fe, care se poate datora gruparilor radicale hidroxil de la suprafata Fe3O4 reactionate cu anioni carboxilat de la citratul de sodiu.

Peak-urile de 2855 cm-1 si 2924 cm-1 sunt vibratiile legaturilor lungi alchil CH2 si CH3.


In plus, varful caracteristic al legaturii OH la 3378 cm-1 este evident imbunatatit. Aceste varfuri arata ca citratul de sodiu a fost grefat cu succes pe suprafata de Fe3O4 MNPs prin reactia chimica dintre gruparile radical hidroxil de pe suprafata Fe3O4 MNPs si gruparile de acid carboxilic din acidul oleic.

Abele varfuri de 598 cm-1 in figura c si 581 cm-1 in figura d confirma existenta legaturii Fe-O.

Morfologia si distributia acestor probe a fost in continuare caracterizata cu TEM. Toate Fe3O4 MNPs prezinta o forma sferica omogena cu diametru de aproximativ 12-15 nm, care este in concordanta cu rezultatele analizei XRD. Cele pregatite fara modificarea agregatelor in apa deionizata sunt prezentate in figura a. Citratul de

sodiu si acidul oleic au modificat Fe3O4 MNPs, care vor prezenta o capacitate buna de dispersie in apa deionizata si solutie de acid oleic, putand fi datorat faptului ca energia de suprafata este mare si atractiile dipolare ale Fe3O4 MNPs au fost reduse foarte mult dupa modificarea cu citrat de sodiu si acid oleic.

In concluzie, s-a prezentat pe scurt o alta tehnica simpla si eficienta de a pregati si modica Fe3O4 MNPs. Rezultate indica faptul ca citratul de sodiu si acidul oleic au un efect mic asupra cristalizarii. Spectrele indica faptul ca acestea s-au grefat cu succes pe suprafata Fe3O4 MNPs. Modificarile duc la o capacitate de dispersie in solutie apoasa/neapoasa, ceea ce face Fe3O4 MNPs un material promitator in domeniul biomaterialelor.


Modificari aduse nanoparticulelor de magnetita

Dispersii coloidale de nanoparticule de magnetita modificate cu polietilen glicol

Design-ul nanoparticulelor dispersabile in solutii apoase este in curs de investigare datorita cresterii interesului in potentiale aplicati precum tratamentul cancerului, agent de contrast si de orientare, biosenzori si bioseparari, asa cum am amintit si mai sus sau la obtinerea de nanoflori de Fe3O4. In cele mai multe aplicatii este de preferat sa se obtina dispersii coloidale apoase stabile, formate din nanoparticule cu dimensiuni si proprietati uniforme. Polimerii si materialele polimerice naturale au fost folositi ca agenti activi de suprafata pentru a stabiliza particulele. Exemple ar include dextranul, chitosanul, acoolul polivinilic, policaprolactona si polietilen glicolul. Printre polimerii mentionati, polietilen glicolul (PEG) este de mare interes in special in aplicatii biologice intrucat s-a dovedit ca se poate spori stabilitatea particulelor in apa datorita solubilitatii sale ridicate. Acesta reduce aglomerarea particulelor care ar putea duce la absorbtia specifica a proteinelor plasmatice si o eliminare rapida a particulelor de catre sistemul imunitar.

Alte potentiale aplicati ale nanoparticulelr magnetice modificate cu PEG include nanocompozite cum ar fi nanofibrele magnetice care pot fi utilizate pentru imbracamintea de protectie, fibre magnetice, stocare si imagistica.

Au fost utilizate mai multe tehnici pentru a obtine nanoparticule modificate cu PEG utilizand PEG functional sau copolimeri ai PEG cu grupari functionale de tipul OH, -COOH care pot interactiona cu suprafata particulei.

Cel mai adesea aceste grupari sunt adsorbite fizic pe suprafata particulei, limitand stabilitatea in anumite intervale de timp si pH.

In situatiile unde stabilitatea particulelor este de maxima importanta, cum ar fi in cazul aplicatiilor biomedicale, chimia silanului este explorata ca o alternativa de functionalizare deoarece moleculele se pot lega pe suprafata particulei, imbunatatind stabilitatea in suspensii in conditii fiziologice. [5]

Pregatirea nanoparticulelor magnetice modificate cu PEG pentru sintetizarea prin bine cunoscuta tehnica de co-precipitare a fost raportata utilizand PEG-silani comerciali, care sunt foarte scumpi si greu de obtinuti. Tehnica de co-precipitare este potrivita pentru producerea de cantitati mari de nanoparticule magnetice, dar nu asigura controlul asupra nucleatiei si etapelor de crestere care guverneaza formarea de nanoparticule.

Acest lucru duce la particule cu o dimensiune si distributie larga (intre 5 si 30 nm in diametru) si sunt de obicei aglomerate, chiar si dupa modificarea suprafetei cu surfactanti sau polimeri. Polidispersia si aglomerarea ar putea afecta uniformitatea si reproductibilitatea proprietatilor magnetice si fizico-chimice a suspensiilor magnetice in diferite medii, ceea ce nu este de dorit in unele aplicatii. O alternativa pentru a controla dimensiunile nanoparticulelor si distributia dimensiunilor este utilizarea tehnicii de descompunere termica unde precursori de fier se vor descompune in prezenta unui surfactant nepolar utilizand solventi cu punct de fierbere ridicat.


Aceasta tehnica produce nanoparticule magnetice puternic monodisperse cu aproape nicio aglomerare in timpul sintezei. Totusi, particulele rezultate sunt hidrofobe, asadar sunt necesare masuri suplimentare dupa sinteza pentru a face particulele dispersabile in apa prin inlocuirea surfactantului nepolar de pe suprafata particulei cu o molecula hidrofila.

PEG grefat pe suprafata nanoparticulelor ofera stabilitate sterica care concureaza cu efectele destabilizatoare ale fortelor Van de Waals si ale energiilor de atractie. Acest lucru poate fi modelat utilizand teoria DLVO care descrie fortele intre particule ce afecteaza stabilitatea acestora in suspensii.

Aceasta teorie nu a fost pe larg aplicata nanoparticulelor magnetice acoperite cu lanturi de polimeri din moment ce majoritatea aplicatiilor derivate sunt in situatii in care stratul de polimer pe suprafata este foarte subtire in comparatie cu raza de curbura a particulei (aproximarea Derjaguin).

Aceste conditii nu sunt de multe ori si cazul experimental, deoarece razele particulelor sunt de aproximativ 5 nm, iar acoperirile de 2-10 nm in grosime. Expresii sunt acum disponibile si pot fi utilizate pentru a descrie volumul efectiv al suprapunerii intre cele 2 sfere cu lanturile de polimer grefate, fara a recurge la aproximarea Derjaguin, care tinde sa supraestimeze energia sterica de interectie atunci cand particulele se apropie la o distanta egala cu grosimea stratului de polimer. In acest caz, potentialul de interactiune intre particule este evaluat folosind volumul exact de suprapunere, calculat presupunand ca polimerul/stratul de polimer de pe suprafata particulelor se caracterizeaza printr-o latime fixata si o distributie uniforma a segmentelor polimerice.

Contributia prezentata descrie sinteza si stabilitatea de dispersii coloidale a nanoparticulelor magnetice monodisperse modificate cu PEG-silani. PEG-silanul a fost preparat utilizand tehnici accesibile prin reactia mPEG-COOH cu 2-aminopropil trietoxilan (APS). Stabilitatea particulelor in solutie apoasa a fost studiata prin difuzia dinamica a luminii si alte masuratori.

Teoria DLVO a fost utilizata pentru a modela efectul PEG-silanului asupra stabilitati particulelor folosind expresii analitice derivate pentru repulsie sterica aplicabile in cazul in care raza particulei este comparabila cu grosimea stratului de polimer asa cum este cazul in care nanoparticulele de magnetita aoperite cu PEG-silani. Tehnici dezvoltate ca parte din aceasta pot fi aplicate in functionalizarea altor oxizi de silani sau metal cand stabilitatea particulelor in apa este de maxima importanta.


Obtinerea de forme diverse utile alegerii aplicatiei:

Sinteza de nanoflori de Fe3O4

Materialele magnetice de oxid de fier au acaparat atentia larga datorita potentialelor aplicatii in bioseparari, tratament prin hipertermie, teste imunologice, transport cu eliberare controlata de medicamente sau de gene. Pentru a obtine diferite forme ale nanoparticulelor de Fe3O4 ca de exemplu sfere, tije, fire, forme triunghiulare, tuburi, octaedrica sau de tip floare, ele au fost sintetizate prin metode diferite cum ar fi de exemplu procese mediate prin pirosol, procese hidrotermale, gravura chimica umeda, prin inductie in camp magnetic sau descompunere termina. Nanoparticulele cu forma bine definita si o foarte buna cristalinitate de Fe3O4 au fost sintetizate prin metoda de descompunere termica utilizand Fe(CO)5 , fie acetilacetonat si oleat de fier ca precursori. Totusi, productia pe scara larga nu a fost posibila deoarece precursorii sunt de natura toxica si in acelasi timp sunt foarte scumpi. Mai mult decat atat, temperatura de reactie mare si atmosfera inerta sunt cerinte necesare obtinerii de nanoparticule de Fe3O4 ca unica faza. Deoarece o metoda mai accesibila a obtinerii de nanoparticule prin metode hidrotermale asistate de surfactant au fost dezvoltate, acestea vor aduce avantaje prin factori caracteristici metodei: netoxica, realizata la temperatura mica si economica.

Vom prezenta asadar aceasta metoda, proprietatile structurale ale acestor nanoparticule fiind identificate prin masuratori XRD si respectiv TEM pentru studierea evolutiei morfologiei nanoparticulelor.

Materiale si metode [6]

Nanoparticulele de tip floare de Fe3O4 au fost sintetizate prin metoda hidrotermala asistata se surfactant. Toti reactivii chimici au fost de calitate/clasa analitica si utilizare fara alta purificare suplimentara. Intr-o procedura tipica, FeCl36H2O (0.9 g) au fost dizolvate cu etilen glicol (50 ml) pentru a forma o solutie curata, urmata prin adaugarea de tetraetilen glicol tetramina (TETA) sub agitare. Compozitia a fost agitata continuu pentru 30 minute si apoi transferata la autoclava infasurata in teflon. Autoclava a fost apoi inchisa etans si mentinuta in cuptor la 230C pentru 24h pentru ca in final sa fie racita si adusa la temperatura camerei. Precipitatul negru a fost colectat prin centrifugare urmand spalarea cu apa distilata si etanol absolut de cateva ori, iar apoi uscat la 60C peste noapte.

Au fost efectuate 3 experimente diferite prin variatia concentratia de TETA in sinteza si anume: 2 ml, 5 ml si respectiv 10 ml, obtinand in final probele A, B si respectiv C.


Caracterizare Rezultate si discutii

Studii structurale

Structura cristalografica a produselor sintetizate a fost identificata prin masurarea difractiei raxei X pe pulbere. Analiza XRD a produselor sintetizate sunt prezentate in figura alturata. Toate varfurile din analiza pot fi indexate structurii cubice invers spinala a fazei magnetita din toate produsele sintetizate. Nici o impuritate nu a fost detectata in peak-urile analizei XRD a produselor sintetizate.

Studii de morfologie

Morfologia cristalina si calitatea problelor sintetizate au fost investigate prin TEM. Imaginile TEM reprezentative penru probele A, B si C sunt prezentate in figura alatura, subpunctele a, c si e. Imaginile TEM prezinta evolutia formei nanoparticulelor de la poiedru spre structura de tip floare. Figura a prezinta existenta nanostructurii de tip poliedru si foarte putin de tip tija. Dimensiunea medie a particulelor poliedrice este de aproximativ 35 nm. Figura c prezinta structuri de tip sfera poroasa cu dimensiuni de aproximativ 50 nm. Figura e prezinta nanoparticule de tip floare cu dimensiuni de aproximativ 30 nm cu anumite aglomerari. Se prezinta asadar nanoparticulele individuale de Fe3O4. Figura d, e si f prezinta imaginile HRTEM ale probelor A, B si C. Analiza HRTEM prezinta faptul ca particulele

se afla la distante unice cristaline si interplanare, plecand in franjuri, ceea ce corespunde planului de magnetita.


Mecanism de formare

Posibilul mecanism de formare a unei nanoflori este descris ca asamblarea orientata a nanoparticulelor sferice, conducand in final la formarea de nanoparticule tip floare de Fe3O4. In mod normal orientarea perfecta a nanocristalelor poate fi formata in solutie EG comparativ cu solutia apoasa, lucru datorat gruparilor hidroxil de la suprafata foarte putine si vascozitatii EG care permite nanocristalelor sa se roteasca in mod adecvat pana la gasirea configuratiei de energie minima. Datorita polaritatii diferite intre TETA si EG, TETA poate actiona ca surfactant pentru a forma micelii stabile si a induce cresterea si asamblarea nanoparticulelor de Fe3O4, in mod similar cu surfactantul utilizat in sistemele hidrotermale pentru controlul cresterii nanostructurilor, lucru confirmat prin efectul dramatic asupra schimbarilor morfologiei produsilor finali.

Pentru a studia mecanismul de crestere a nanoflorilor in detaliu, experimentele au fost realizate folosind diferite cantitati de TETA in domeniul 2-10 ml, mentinand celelalte conditii constante. Evolutia morfologiei a fost semnificativ afectata de variatia TETA. Particulele de tip tija au fost formate la cantitati mici de TETA. Odata cu cresterea cantitatii de TETA la 5 ml, mai multe nanosfere poroase au fost formate cu mai putine particule poliedrice. Cand cantitatea de TETA a fost crescuta la 10 ml, nanostructuri unice de tip floare de Fe3O4 au fost obtinute. S-a confirmat asadar importanta cantitatii de TETA din experiment, afectand dramatic evolutia morfologiei cristalelor.

Proprietati magnetice

Proprietatile magnetice ale nanostructurilor de magnetita sintetizate au fost investigate folosind studii VSM, la temperatura camerei. Rezultatele arata ca toate probele sintetizate cu diferite morfologii prezinta proprietati magnetice.

Concluzii

Nanoflorile cristaline de Fe3O4 cu dimensiuni de 30 nm au fost sintetizate cu succes printr-o metoda usoara - hidrotermala asistata de surfactant. Evolutia morfologiei nanoparticulelor de Fe3O4 de la poliedru spre floare au fost realizate prin variatia cantitatii de TETA. Au fost propuse in experimentul prezentat posibile mecanisme de crestere pentru a explica aceste tranzitii morfologice cu ajutorul TETA. Proprietatile magnetice ale structurilor obtinute au fost confirmate.


2.1.2. Influenta diferitelor

conditii de sinteza

asupra

nanoparticulelor de

Fe3O4

Pentru a intelege mai bine cele ce urmeaza, vom prelua foarte pe scurt cateva date despre

magnetita, putand accent pe proprietati de interes si de structura.

Magnetita este asadar un oxid de fier mixt (FeOFe2O3) cu o structura cristalina spinal inversa.

In aceasta structura, jumatate din ionii de Fe3+ sunt coordonati tetraedric, in timp ce cealalta

jumatate de ioni de Fe3+ si ionii de Fe2+ sunt coordonati octaedric. Fiecare parte octaedrica are

6 vecini ioni de O2- dispusi la colturile octaedrului, in timp ce fiecare parte tetraedrica are 4

vecini de O2- aranjati in colturile tetraedrului. S-au prezentat proprietati magnetice si electrice

unice bazate pe transferul electronilor intre ionii de Fe2+ si ionii de Fe3+ in situatiile octaedrice.

Cu toate acestea, nanoparticulele magnetice arata ca proprietatile teoretice sunt diferite de cele

ale materialului brut datorita dimensiunii mici si a schimbarilor fundamentale in coordonate si

simetrie. Nivelul de interes pe particule de magnetita ca nanoparticule a crescut mult recent si

impactului potentialului sau tehnologic si avantajele pe care le aduce sunt in curs de utilizare.

Particulele superparamagnetice sunt compatibile pentru bioaplicatii, asa cum am amintit si in

subcapitolele anterioare. Ele pot fi sintetizate prin diverse metode, unele prezentate mai pe

larg si altele doar mentionate in acest proiect si anume co-precipitare in solutie apoasa de ioni

ferici si ferosi ca baza, metoda sol-gel, metoda coloidata, rute neapoase si piroliza, etc.

Vor fi prezentate pe scurt influenta cantitatii de AOT si N2H4H2O, temperatura de reactie si

respectiv timpul asupra dimensiunii, proprietatilor magnetice si de dispersie ale

nanoparticulelor.

Experimental [7]

Toti reactivii prezentati sunt de calitate analitica si utilizati fara alta purificare. In mod uzual, 2

mmol de FeCl3 si cantitatea corespunzatoare de AOT au fost dizolvate in 5 ml si respectiv 15 ml

de apa. Apoi o cantitate de N2H4H2O (50%) a fost adaugata in solutia de AOT. Dupa agitare

magnetica timp de 15 minute, a fost adaugata solutia de Fe Cl3. Inainte sa fie transferata solutia

in autoclava inoxidabila captusita cu teflon, s-a lasat sub agitare magnetica inca 15 minute.

Autoclava a fost pusa in cuptor la temperaturi diferite, apoi racita la temperatura camerei in

mod natural. Nanoparticulelel negre de Fe3O4 au fost spalate prin centrifugare si uscate in aer.


Caracterizare FT-IR

Spectrul FT-IR al probei sintetizate in

solutia AOT 0.10M si N2H4H2O (20%)

la 150C pentru 10h este prezentat

alaturat.

Peak-ul la proximativ 577 cm-1 este

legat de vibratia grupei functionale

Fe-O, ceea ce se potriveste bine cu

caracteristica de varf a Fe3O4. Totusi

peak-ul a fost usor mutat ca rezultat a

existentei surfactantului pe suprafata

particulei. Peal-urile de aproximativ 1047 cm-1 si 1629 cm-1 se datoreaza vibratiei legaturii C-O

si respectiv C=O. 3422 cm-1 este probabil atribuit legaturii O-H si 1399 cm-1 poate fi asociat

vibratiei legaturii C-H. Se demonstreaza ca surfactantul (AOT) are molecule legate pe suprafata

nanoparticulelor.

Efectele concentratiei de AOT

Difractogramele XRD ale

nanoparticulelor obtinute difera prin

concentratiile AOT in curbele a, b, c si

respectiv d: 0.10M, 0.05M, 0.02M si

respectiv 0M. Totusi exista si

parametri fixati si anume

temperatura de 150C, timpul de 10h

si concentratia de N2H4H2O de 20%.

Pentru o mai buna intelegere,

prezentam 3 tipuri de interactii intre

particule: Van der Waals, forte

magnetice, forte de reactie a stratului

electric dublu. Cele doua afinitati existente intre particule sunt contracarate doar de forta de

respingere pentru a face particulele stabile in solvent. Dar aceste forte repulsive sunt mici. In

general, pentru o mai buna dispersie a particulelor in solvent, nanoparticulelor li se modifica

suprafata pentru a absorbi un strat de surfactant pe suprafata. Astfel, spatiul respingator de la

surfactant poate contracara afinitatile intre particule. In acelasi timp, proprietatea de umectare

si unghiul de contact ale nanoparticulelor cu mediul poate fi imbunatatit prin modificarea

suprafetei particulelor, iar proprietatile de dispersie pot fi imbunatatile, asa cum am amintit si

detaliat in unele subcapitole ale acestui proiect.


In acest experiment, AOT s-a folosit ca surfactant pentru a forma micelii pe suprafata

nanoparticulelor dupa nucleare, ceea ce impiedica cresterea in continuare. Abilitatea miceliilor

de a opri marirea particulelor devine mai puternica odata cu cresterea cantitatii de surfactant,

astfel incat dimensiunile particulelor scad, ducand in final la o dispersie omogena a acestora.

Mai mult decat atat, cantitatea mare de surfactant aduce oportunitati de contact cu suprafata in

toate directiile nanoparticulelor sferice de Fe3O4. Aceasta inseamna de asemenea ca distributia

surfactantului pe diferite directii ale suprafetei nanoparticulelor de Fe3O4 este puternic

izotropa. Se poate gasi astfel distributia marimii mai bune in procesul de crestere cristalina cu

o cantitate

optima de

surfactant.

Imaginile TEM

ale particulelor

sunt afisate in

figura

alaturata. Cand

concentratia de

AOT este

0.10M,

dimensiunea

medie a

particulelor este 11.0 nm si distributia este relativ omogena (figura a). Se poate observa de

asemenea dispersia nanoparticulelor de Fe3O4 mult mai buna. In contrast, la concentratia AOT

de 0.02M, dimensiunea medie este de 17.5 nm (figura b) si distributia pe dimensiunea

particulelor este mai proasta decat in cazul cu concentratia AOT de 0.10M , agregarea

nanoparticulelor putand fi observata.

Pe baza celor de mai sus, rezulta ca dimensiunea medie (11.0 si 17.5 nm) sunt in concordanta

cu rezultatele XRD (12.10 si 17.5 nm).

Figura urmatoare prezinta buclele de histerezis ale probelor sintetizate cu diferite concentratii

AOT (0M, 0.02M, 0.05M si respectiv 0.10M figurile a, b, c si respectiv d), masurate la

temperatura camerei. Rezultatele indica faptul ca particulele prezinta proprietati

superparamagnetice la temperatura camerei, deoarece remanenta particulelor este zero si

coercivitatea neglijabila in absenta de camp magnetic exterior.

Motivul superparamagnetismului particulelor este faptul ca dimensiunea lor este prea mica,

astfel incat fiecare particula este un domeniu magnetic unic si energia de bariera pentru rotirea

inversa este usor de depasit prin vibratii termice.


Morrish si colaboratorii

au verificat ca particulele

de Fe3O4 au un singur

domeniu cand

dimensiunea lor este de

50 nm sau mai putin.

Intrucat dimensiunea

medie a probelor

preparate este mai mic

decat dimensiunea critica

a superpara-

magnetismului pentru

nanoparticulele de Fe3O4

la temperatura camerei

se considera ca

particulele sunt aduse la

superparamagnetism.

Efectele concentratiilor de N2H4H2O

Este bine de stiut faptul ca pregatirea nanoparticulelor este in general dificila deoarece sarurile

de fier sunt usor de hidrolizat si transformat in hidroxizi stabili, ceea ce prezinta uneori

probleme in cadrul unui astfel de experiment. In experimentul prezentat s-a folosit N2H4H2O ca

agent de reducere a sarurilor de fier din solutie. Avantajele utilizarii N2H4H2O sunt: capacitatea

puternica de reducere, mai putine impuritati introduse, pret mai mic.

Pentru a discuta efectele N2H4H2O asupra nanoparticulelor, s-au ales diferite rapoarte ale

concentratiilor de N2H4H2O si anume: 10%, 20%, 30% si respectiv 40% din volumul total al

amestecului ca proba de testare, in timp ce concentratia de AOT a fost fixata la 0.10M,

temperatura la 150C si timpul de 10h.

Rezultate XRD prezentate in figura alaturata

se protrivesc cu standardul model al Fe3O4. Se

poate observa ca prin cresterea concentratiei

de N2H4H2O se va ajunge la scaderea

dimensiunii particulelor in mod dreptat.

Posibilul motiv este forta de respingere intre

ionii hidroxil care impiedica cresterea

boabelor de cristal cand sunt in exces ionii

hidroxil produsi de N2H4H2O si sunt adsorbiti

pe suprafata cristalelor. Atunci cand

concentratia de N2H4H2O > 30%,

cristalinitatea Fe3O4 este slaba si sunt


detectate unele peak-uri de impuritati, probabil datorita acestui exces de ioni hidroxil produsi

de N2H4H2O, ducand la existenta unui produs intermediar de tipul FeO(OH) sau altele. Datorita

complicatiilor aduse de impuritati, acestea nu sunt marcate.

Efectele temperaturii

Pentru a studia efetele temperaturii de reactie

asupra fazei cristaline, s-au ales temperaturi de

120C, 150C, 180C si respectiv 200C ca

temperatura de reactie, ceilalti parametrii

ramanand fixati la 10h timp de reactie, N2H4H2O

20% si concentratia de AOT 0.10M.

Difractiile XRD sunt redate in figura alaturata .

Comparand rezultatele cu alte date raportate se

constata ca principala faza cristalina este la

a=8.40. In timp ce se observa cristalinitatea

coborata a Fe3O4, unele varfuri de impuritati sunt

detectate la temperaturile de 180C si respectiv

200C. Investigatiile suplimentare pot arata faptul ca varfurile impuritatilor sunt datorate unor

produsi intermediari de tipul FeO(OH), implicand faptul ca temperatura de reactie mai mare

este impotriva reactiei de obtinere a produsului final de Fe3O4.

Cu ecuatia Debye-Scherrer, dimensiunea

cristalitelor se poate calcula. Rezultatele

colectate in figura alaturata indica faptul ca

dimensiunea particulelor creste odata cu

cresterea temperaturii de reactie. Motivul

este faptul ca moleculele mari de pe suprafata

particulelor sunt mai putin stabile energetic

decat cele deja ordonate si agregate in

interior. Particulele mari, cu raportul

suprafetei la volum mic rezulta intr-o energie

mica. Deoarece sistemul incearca sa reduca

energia sa totala, moleculele de pe suprafata

particulelor mici tind sa se dizolve si difuzeze prin solutie. In final precipita pe suprafata

particulei mai mari. (conform Oswald)

Prin urmare, particulele mai mari vor creste si mai mult pe costul celor mici. Deoarece

dizolvarea este un proces endotermic, temparatura mai mare poate imbunatati cresterea de

boabe de cristal. In acelasi timp, procesul de difuzie poate fi accelerat cu cresterea temperaturii

de reactie, promovand cresterea dimensiunii cristalelor mai eficient. Dimensiunea particulelor

si dependenta de temperatura joasa are un rol important.


Efectul timpului de reactie

You si colaboratorii au folosit aceasta metoda

pentru a obtine nanoparticule de Fe3O4 , dar

timpul de reactie diferit: 3h, 5h, 7h, 10h si

respectiv 13h conform rezultatelor XRD

prezentate in figura alaturata (a, b, c, d si

respectiv e). Rezultatele prezinta peak-uri pe

baza carora se pot estima dimensiunea

nanoparticulelor pe baza relatiei Debye-Scherrer,

in tabelul de mai jos:

Pe baza acestor rezultate putem observa tendinta de crestere a dimensiunii nanoparticulelor odata cu cresterea timpului de reactie, tendinta fiind evidenta.

Concluzie

Nanoparticulele de Fe3O4 au fost sintetizate cu succes prin utilizarea AOT ca surfactant, acestea jucand un rol important in procesul de sinteza. Cantitatea de AOT si N2H4H2O, in aceiasi masura cu temperatura si timpul de reactie sunt parametri cu un impact deosebit asupra dimensiuni nanoparticulelor, proprietarilor dispersive, proprietatilor magnetice, etc.

Cand concentratia de AOT este 0.10M, N2H4H2O 20%, temperatura de 150C si respectiv timpul de 10h, nanoparticulele prezinta o distributie buna a marimii.


2.1.3. Comparatie intre sinteza nanoparticulelor a doua aplicatii diferite

Nanoparticule magnetice Fe3O4 acoperite cu siliu si Ag

Nanoparticulele de metal au fost subiectul de cercetare intens in ultima perioada datorita proprietatilor unice fizice, chimice si biologice. In special nanoparticulele metalice sunt atractive pentru cataliza, in conditii blande, deoarece raportul suprafetei la volum permite utilizarea eficienta a metalelor scumpe.

Reducerea catalitica cu p-nitrofenol a fost intens studiata, implicand diverse metale nobile nanocatalizatoare cum ar fi Au, Ag, Pt si Pd. Comparativ cu Au, Pt si Pd, Ag este mai ieftin, precum si poseda proprietati fizice si chimice mai bune. Mai mult decat atat, nanoparticulele de argint drept catalizator au atras un mare interes stiintific datorita proprietatilor catalitice precum si a unei varietati de reactii organice. [8]

Nanoparticulele necesita un suport stabil pentru a preveni agregarea in timpul reactiei astfel incat nanoparticulele catalitice sunt de obicei imobilizate pe suporturi solide, ca de exemplu carbon, oxizi de metal; totusi aceste materiale catalitice sunt de obicei separate prin centrifugari si filtrari consumatoare de timp. Cu toate acestea, metodele de separare traditionale ar putea deveni ineficiente pentru dimensiunile particulelor de suport mai mici de 100 nm, impiedicand astfel recuperea si reutilizarea catalizatorilor din solutia apoasa.

Cu o clasa importanta de materiale de separare, nanoparticulele magnetice (Fe3O4 MNPs) au aparut recent ca o alternatica viabila a materialelor conventionale pentru suporturi catalitice.

Proprietatile lor superparamagnetice si insolubilitatea permite catalizatorilor sa fie usor separati cu un camp magnetic exterior, ceea ce elimina necesitatea de filtrare. S-au facut anumite strategii pentru a combina nanoparticule de Ag si nanoparticule magnetice, formand nanocompozite care poseda functionalitati duale magnetice si catalitice.

Duo si colaboratorii au preparat Ag-Ag/Fe3O4@SiO2 (fotocatalizator plasmonic) prin metoda de depunere-precipitare si fotoreducere pentru fotodegradarea rodaminei B si 4-clorfenol. [9] Li si colaboratorii raporteaza si ei prepararea nanoparticulelor reciclabile de Fe3O4/SiO2 cu Ag/Au. [10]

Cu toate acestea, procedurile de sinteza sunt complicate datorita miezului gol de Fe3O4 MNPs. Silicea este unul dintre cele mai ideale straturi de acoperire pentru nanoparticulele de Fe3O4 datorita stabilitatii chimice si termice ridicate, a compatibilitatii bune pe suprafete intinse.

Pe de alta parte, dioxidul de siliciu a fost raportat ca fiind o matrice adecvata de suport pentru a imobiliza nanoparticule de Ag si a evita agregarea acestor nanoparticule.

Prin urmare, in cazul in care un strat de dioxid de siliciu este format pe suprafata de Fe3O4, stratul de siliciu este nu numai un substrat eficient pentru imobilizarea nanoparticulelor de Ag, ci si imbunatateste stabilitatea miezului/nucleului de Fe3O4.


Sinteza de Fe3O4@ZnS si Fe3O4@Au@ZnS

Recent a existat un mare interes pentru fabricarea materialelor compozite cu nucleu scheletic (core-shell), in timp ce proprietatile fizice, chimice si functionale ale acestor materiale nanocompozite pot fi reglate prin controlul compozitiei lor, dimensiunii relative a nucleului si a scheletului, efecte de interfata si atasari de grupe functionale diverse.

Combinatia de materiale magnetice cu materiale semiconductoare luminescente in structuri de tip core-shell a atras considerabil atentia din moment ce scheletul poate oferi protectie nucleelor, introducand multiple functii si proprietati noi structurii hibride, oferind si o bariera sterica pentru a preveni aglomerarea nanoparticulelor. Mai multe tipuri de oxizi de fier au fost utilizati in domeniul nanoparticulelor magnetice, printre care magnetita este considerata a fi acoperit toate cerintele necesare pentru aplicatii biomedicale. [11] Aceste cerinte includ momente magnetice suficient de ridicate, stabilitate in medii fiziologice, suprafata mare, toxicitate redusa si o pregatire usoare. Aplicabilitatea nanoparticulelor de oxid de fier depind de dimensiunea nanoparticulelor, functionalitatea, stabilitatea si abilitatea de dispersie a suprafetei interfaciale. Sulfura de zinc (ZnS) a atras atentia ca un semiconductor important cu benzile II-VI datorita proprietatilor optice si semiconductoare excelente. Acesta a fost asadar larg investigat datorita potentialului sau competitiv pentru dispozitive in infrarosu. In comparatie cu alte materiale fotoluminescente (specii organice fotoluminescente), ZnS are avantaje constand in proprietati intrinseci puternice si de dopaj fluorescent, stabilitate buna sub raze ultraviolete, reglare a emisiei lungimii de unda prin variatia atat a ionilor de dopaj, cat si datorita efectelor cuantice, de dimensiune, respectiv de diametru a particulelor. Este de mentionat ca acest material este prietenos cu mediul si poate fi prelucrat prin procedee simple.

Pentru a combina proprietatile acestor doua materiale noi decidem deci sa le combinam intr-o singura structura core-shell, avand proprietati magnetice, optice si semiconductoare care pot fi modelate prin interactii interfaciale intre schelete diferite. Cu toate acestea, rapoartele cu privire la ambele functii: optice si magnetice ale nanoparticulelor core-shell sunt limitate datorita fenomenelor de interfata cu impact privind proprietati fizice si chimice. Nanoparticulele compozite intefereaza mai multe functiii intr-o singura entitate. Diferite componente au adesea interfete care rezulta din interactiuni intercomponent puternice cu proprietati si aplicatii noi. Pana in prezent, diferite abordari au fost dezvoltate pentru a sintetiza nanocompozite magnetice luminescente bifunctionale multi-schelet bazate pe Fe3O4 si invelisul exterios de ZnS. [12]


Sinteza nanoparticulelor magnetice de Fe3O4 MNPs

1. Pentru aplicatia de Fe3O4 acoperite cu siliu si Ag [8]

Particulele magnetice au fost preparate prin metoda solvotermala. Pe scurt, 2.70 g de FeCl36H2O si 7.20 g de acetat de sodiu anhidru s-au dizolvat in 100 ml de etilen glicol sub agitare puternica timp de 30 minute. S-a obtinut o solutie galbena omogena care a fost transferata in autoclava din oxel inoxidabil si sigilata la o temperatura de 200C. Dupa 8h de reactie, autoclava este adusa la temperatura camerei. Particulele negre de magnetita au fost spalate cu etanol de 6 ori si stocate la 60C pentru 12h.

Alaturi voi prezenta o schema cu procesul integral de obtinere a aplicatiei, pe noi interesandu-ne a face o paralela intre modalitati de obtinere Fe3O4 pentru doua aplicatii diferite si a le compara.

2. Pentru aplicatia de Fe3O4 @ZnS si Fe3O4 @Au@ZnS [11]

Particulele de magnetita au fost obtinute si ele in conformitate cu datele din literatura, cu modificari minore necerare in scopul celor prezentate la descrierea aplicatiei.

Particulele au fost preparate prin co-precipitare din solutie apoasa pornind de la FeCl2 si FeCl3 ca precursori la un pH puternic bazic si o temperatura de 80C (pH=12 a fost relizat prin aditia prin picurare a solutiei amoniac 25%). Raportul dintre precursori a fost de Fe2+:Fe3+=1:2. Precipitatul negru a fost izolat cu magnet si spalat cu apa deionizata de mai multe ori pana se ajunge la pH=7. Mai jos avem conditiile necesare obtinerii aplicatiilor:


2.1.4.

Exista o importanta deosebita a diverselor metode de obtinere a nanoparticulelor de Fe3O4 , in functie de aplicatia dorita: biosenzori, agent de contrast pentru rezonanta magnetica, bioseparari, afisaj electroforetic, etc.;

Conditiile de obtinere joaca si ele un rol prioritar in caracterizarea nanoparticulelor, ajungandu-se in final la doze optime de precursori si conditii predefinite; de mentionat faptul ca acesta caracterizari ale nanobiomaterialelor sunt importante si nelipsite inaintea dezvoltarii aplicatiei propriu-zise;

Sinteza diferita a nanoparticulelor de Fe3O4 tine cont si de combinatiile ulerioare cu elemente precum Zn, Ag, etc.;

Raportul cost/proprietati este calculat in detaliu, materiale precum Ag fiind de preferat in defavoarea Au, Pt sau Pd, care sunt mai scumpe;

Ca o concluzie finala a acestui subcapitol, sinteza si caracterizarea sunt parti esentiale in derularea dezvoltarii de noi aplicatii.


2.2. Aplicatii


2.2.1. Sinteza fluidului magnetic de Fe3O4 utilizat pentru imagistica prin rezonanta magnetica

Fluidul magnetic Fe3O4 (MF) este o suspensie coloidala formata din nanoparticule magnetice cu o dimensiune in jur de 10 nm si un lichid purtator cum ar fi apa sau hidrocarburi. Datorita caracteristicilor unice, nanoparticulele detin un potential imens de aplicare in diverse domenii, inclusiv etansare magnetica, amortizare, rulmenti hidrodinamici si desigur biomedicina, cu aplicatiile mentionate pana acum. Cu toate acestea, nanoparticulele din MF sunt predispuse a se agrega, in special atunci cand concentratia este mare, aducand un factor de descurajare aplicatiilor. Prin urmare, multe incercari au fost facute pentru a pregati MF in prezenta unor surfactanti si compusi polimerici cu grupari functionale, in mod asemanator cu cele prezentate anterior.

Shimoiizaka si colaboratorii au prezentat mecanismul de stabilizare a bistratului MF la inceputul anilor 1980. Ei au pregatit primii particule acoperite cu acid oleic, dispersate in solutie apoasa in mod asemanator cu cele prezentate anterior.

Wooding si colaboratorii au pregatit o solutie apoasa de MF stabil folosind acizi saturati si nesaturati ca surfactanti primari si secundari. Lin si colaboratorii au sintetizat o varianta stabila de MF continand nanoparticule magnetic de Fe3O4 prin co-precipitare in prezenta acidului poliacrilic. MF nu a fost stabila dupa diluare deoarece surfactantii anionici si cationici au fost folositi ca stabilizatori.

O ruta a fost propusa pentru sinteza de MNPs sub continua iradiere in domeniul microundelor, fara protectie de gaz. Pentru a imbunatati rezistenta la oxidare a MNPs, au fost preparate Fe3O4 acoperite cu ZnO sau siliciu, respectiv BaSO4. De altfel, unele nanoparticule magnetice functionalizate au fost pregatite pentru a functiona ca agent de consolidare RMN. Deoarece proprietatile reologice ale MF sunt importante pentru cercetarea de baza si aplicatii de inginerie, s-a realizat un reometru capilar sub presiune si s-a studiat comportamentul reologic al MF bazat pe apa. Pentru a proteja precipitatele magnetice de la oxidare, argon si alte gaze inerte au fost folosite pentru eliminarea oxigenului din sistem. Prin urmare, sinteza si aparatura este complexa, iar pretul de operare mare. Mai mult decat atat, NH3H2O a fost utilizat ca agent de co-precipitare fiind daunator mediului inconjurator. In investigatiile din prezent, MF a fost preparat prin co-precipitare. Scopul este de a obtine MF stabil cu raspuns magneto-termic rapid, ceea ce poate fi folosit atat in MRI cat si in MFH. Acidul oleic si Tween 80 au fost folositi ca surfactanti. [13]


2.2.2. Sticle ceramice feromagnetice cu un continut mare de magnetita

Hipertermia distruge celulele canceroase prin cresterea temperaturii tumorii la o gama de inainta febra, in mod similar cu modul in care corpul uman foloseste aceasta metoda in mod natural pentru a combate diverse forme de boli. In general, tumorile sunt mult mai usor de incalzit decat tesutul normal inconjurator deoarece vasele de sange si sistemul nervos sunt slab dezvoltate in tumora si celulele canceroase sunt usor de ucis prin tratament termic, lucru sustinut si de faptul ca alimentarea cu oxigen prin vasele de sange nu este suficienta in tumori. Prin urmare, hipertermia este de asteptat a fi un tratament util pentru cancer, neavand reactii adverse. Dimpotriva, aceste temperaturi sunt sigure pentru tesuturile sanatoase inconjuratoare cu sistem sangvin normal si sistem de racire eficient.

Se asteapta ca sticla ceramica bioactiva feromagnetica sa fie utila pentru tratamentul hipertermic al cancerului, in special pentru cancerul de profunzime, ca de exemplu tumoarea osoasa. Cand biosticla feromagnetica este implantata in jurul tumorii sub forma granulara, sunt legate una de alta astfel incat se va forma apatita biologica activa pe ele si vor fi fixate stabil in jurul tumorii in cazul in care sunt situate in apropiere de oase. Mai mult decat atat, atunci cand sunt plasate in camp magnetic alternativ, ele incalzesc in mod eficient celulele canceroase pana vor fi necrozate de pierderea de histerezis magnetic. Dupa incalzire ele pot de asemenea consolida oasele tumorale slabite prin lipirea de os.

Mai multe materiale care genereaza caldura prin pierderea de histerezis au fost dezvoltate. Printre ele, biosticla feromagnetica a fost investigata.

Pregatirea de ceramica de sticla cu un continut de magnetita a fost raportata in mai multe lucrari unde biosticla atingea un maxim de 45% de magnetita din greutatea sa.

In general, generarea de caldura depinde in principal de proprietatile magnetice ale implantului, campul magnetic, parametrii si caracteristicile tesuturilor. Conform importantei ionilor de Zn din corpul uman, asa cu sunt raportate, ele sunt implicate in metabolismul osos si ar putea stimula formarea osoasa si cresterea de proteina osoasa, continutul in calciu si activitatea fosfatazei alcaline la oameni. [14]


2.2.3. Materiale

compozite

COL/HA-Fe3O4

pentru

tratamentul

cancerului osos

Cancer de os sau cancerul osos este un termen general folosit atunci cand celulele canceroase sunt gasite in os. Cancerul care incepe in os este numit cancer de osos primar. Este gasit de cele mai multe ori in oasele bratelor sau ale picioarelor, dar acesta poate aparea in orice os din corp. Copiii si tinerii au un risc mai mare sa aiba cancer la oase decat adultii.

Formele initiale ale cancerului osos sunt numite sarcoame. Exista mai multe tipuri diferite de sarcom si fiecare dintre ele incep intr-un alt fel de tesut osos. Cele mai comune sunt osteosarcoma, sarcomul Ewings si chondrosarcoma.

In randul tinerilor, cel mai frecvent tip de cancer osos este osteosarcoma; de obicei apare intre varstele de zece si douazeci si cinci de ani. De cele mai multe ori, barbatii sunt mai afectati decat femelele. Osteosarcoma incepe in capetele de oase; apar tesuturi noi pe masura ce tanarul creste; de obicei, sunt afectate oasele lungi ale mainilor si picioarelor. Sarcomul Ewings se formeaza in mijlocul (axul) oaselor mari si de cele mai multe ori afecteaza oase lungi ale soldului si oase din partea superioara a bratului si a coapsei, dar poate aparea si in coaste. Chondrosarcoma este un tip de tumoare care se formeaza in cartilaj (tesut in jurul articulatiilor) si se gasesc in principal la adulti. Alte tipuri de cancer osos includ fibrosarcoma (celule tumorale maligne uriase) si chordoma. Aceste tipuri de cancer sunt rare si cel mai adesea afecteaza oameni de peste treizeci de ani.

Cea mai frecventa simptoma a bolii este durerea. Cu toate acestea, simptomele pot varia in functie de locatie si marime a cancerului. Uneori, deformari de pe os poate fi resimtite prin piele.


Tumori care apar in articulatii sau in apropiere pot cauza inflamatii si sensibilitate in zona afectata. Alte simptome pot include oboseala, febra, pierdere in greutate, si anemie. [15]

Tratamentul pentru unele tumori osoase pot implica o interventie chirurgicala, cum ar fi amputarea unui membru. Chimioterapia si radioterapia sunt eficiente in unele tumori (cum ar fi sarcomul Ewing), dar mai putin in altele (cum ar fi chondrosarcoma). Dupa ce a fost facut tratamentul pentru cancerul de oase, este foarte important ca verificarile si evaluarile periodice la medic sa fie efectuate, pentru a fi sigur ca afectiunea nu a venit inapoi si pentru a acorda tratamentul corespunzator in cazul in care o face. Verificarile pot fi examenul fizic, raze X, analize de sange si alte teste de laborator.

In cazul tratamentului cancerului osos, de obicei, prima etapa consta in indepartarea chirurgicala a tesutului tumoral. Dupa interventia chirurgicala, defectul osos rezultat in urma extirparii chirurgicale a tumorii este umplut cu materiale cu rol regenativ sau cu materiale regenative care contin si magnetita si citostatice. In majoritatea cancerelor, gradul de recurenta este destul de mare in special datorita indepartarii partiale a tesutului tumoral. Acesta este scopul pentru care interventia chirurgicala este asociata cu chimio/radioterapia. Etapele tratamentului cancerului osos sunt prezentate in schema de mai jos: [16]

Obtinerea nanoparticulelor de magnetita [16]

Nanoparticulele de magnetita se pot obtine prin precipitare pornind de la precursori de Fe2+ si Fe3+, mediul de reactie slab bazic fiind realizat prin adaugare de solutie diluata de NaOH. Se obtine magnetita, cu caracteristici si functii de utilizare diferite.

Biomaterialele cu continut de magnetita se utilizeaza in tratarea tumorilor prin hipertermie. Implantate in spatiul sau in imediata vecinatate a tumorii, in camp magnetic, prin pierderile de histerezis, produc o crestere a temperaturii locale de pana la 43-45C. Prin hipertermie, tumoarea sau urmele acesteia sunt distruse. Sub forma nanoparticulelor, magnetita poate fi transportata prin fluidele biologice in zona in care este necesara producerea hipertermiei.


Caracterizarea nanoparticulelor de magnetita [16]

Imaginile TEM evidentiaza morfologia nanoparticulelor de magnetita.

Imaginile electronice de transmisie permit obinerea informatiilor referitoare la forma si dimensiunea nanoparticulelor. Sub aspectul morfologiei, pot fi astfel identificate doua tipuri de magnetita: sferica si cilindrica. Obtinerea magnetitei cilindrice poate fi pusa in evidenta doar in conditiile in care sinteza este realizata in prezenta campului magnetic. Dimensiunea particulelor sferice de magnetita variaza de la 5 nm pana la 20 nm, diametrul mediu al acestor particule fiind de 10-12 nm, in timp ce, in cazul particulelor cilindrice, acestea por atinge pana la 50 nm in lungime, diametrul fiind apropiat de cel al particulelor sferice.

Obtinerea si caracterizarea materialelor compozite COL/HA-Fe3O4

Sinteza materialelor compozite COL/HA-Fe3O4 implica cel mai adesea utilizarea gelului de colagen bovin obtinut prin extractie chimica si enzimatica, la o concentratie a gelului de 0.5-5%, iar pH-ul cuprins intre 2 si 7.

Mineralizarea gelului de colagen se poate realiza in doua etape, pentru o mai buna reproducere a osteosintezei naturale. In prima etapa, suspensia de hidroxid de calciu interactioneaza cu gelul de colagen timp de 24h. In etapa a doua, se adauga solutia de fosfat diacid de sodiu avand loc precipitarea hidroxiapatitei. Gelul de colagen si precursori de hidroxiapatita corespund unui raport masic COL:HA in materialul compozit de 1:4, iar pH-ul de precipitare este 9.

In cazul obtinerii biomaterialelor COL/HA-Fe3O4, compozitul obtinut prin mineralizarea gelului de colagen i se adauga cantitatea corespunzatoare de magnetita, sub forma de nanoparticule.

Sinteza materialelor compozite de tip COL/HA-Fe3O4 se realizeaza la 352C, iar uscarea prin liofilizare.

Biomaterialele COL/HA-Fe3O4 se pot caracteriza prin difractie de raze X, spectroscopie IR si microscopie electronica de baleiaj.


Din imaginile SEM rezulta ca materialele prezinta o foarte buna omogenitate, fiind foarte asemanatoare morfologic cu materialele compozite COL/HA.

Este, de asemenea, de mentionat ca datorita interactiunilor ce se dezvolta intre colagen si magnetita, in masa materialului compozit se pot identifica cristale aciculare. Dimensional, cristalele aciculare au lungimea in domeniul micronic, iar diametrul este de 100-300nm.

Formarea structurilor cilindrice se realizeaza prin procesul de fibrinogeneza in care moleculele de colagen sunt asociate in fibrile si fibre si actioneaza drept surfactanti pentru stabilizarea magnetitei. Daca stabilitatea magnetitei se realizeaza cu anionul citrat, se modifica morfologia materialului compozit. In cazul stabilizarii cu acid citric particulele de magnetita sunt sferice; in prezenta de colagen, se obtine o morfologie aciculara datorita faptului ca fibrilele si fibrele de colagen sunt mai mari decat citratul si ca urmare in jurul particulelor de magnetita se ataseaza doar cateva fibrile si fibre de colagen prin interactiuni electrostatice.

Materialele compozite obtinute produc hipertermie prin pierderile de histerezis magnetic. In toate cazurile se poate determina temperatura produsa de pierderile de histerezis magnetic.

Biomaterialele compozite pe baza de colagen si hidroxiapatita cu continut variabil de nanoparticule de magnetita pot avea rol regenerativ si antitumoral. Rolul nanoparticulelor de magnetita este de a produce hipertermie si poate fi activata la comanda, in conditii usor controlabile: timp de aplicare a campului electromagnetic sau continutul de magnetita.


2.2.4. Caracterizarea particulelor pentru o aplicatie specifica: Fe3O4/SiO2 pentru afisaj electroforetic

Afisajul imaginii electroforetice (EPID), datorita avantajelor acestuia ce includ aspectul si evitarea costului ridicat al hartiei, puterea de consum ultra-scazut, delicatete, flexibilitate, etc., a atras atentia in ultimii ani. EPID este un ecran reflectorizant pe baza miscarii de particule cu pignenti incarcate intr-un suport dielectric slab sub efetul campului electric. [17]

Eforturile de a realiza un display full color nu s-au oprit inca. Majoritatea studiilor sunt concentrate pe imbunatatirea proprietatilor particulelor de pigment alb, lucru aplicat in sistemele electroforetice de o singura particula, in timp ce sunt utilizati coloranti drept fundal.

Pentru a imbunatati contrastul afisajului electroforetic, sistemul electroforetic cu particule duble a fost introdus, fiind de asemenea esential pentru dezvoltarea culorii EPID. Astfel, o mare atentie a fost acordata fabricarii de particule electroforetice avand culoare. Yu si colaboratorii au fabricat particule de polimer incarcate negativ continand un colorant negru pentru utilizarea de EPID. Kim si colaboratorii au preparat magnetita si polimeri galben/cyan pentru afisaj electroforetic dual. Colorantii organici cum ar Acid Blue 25, Acid Red 8 si Acid Yellow 76 au fost inveliti de nanoparticulele de copolimer stiren-4vinilpirimidina obtinute prin metoda polimerizarii radicalilor liberi.

Frecvent, proprietatile optice si stabilitatea chimica a particulelor organice nu sunt la fel de bune ca ale particulelor anorganice, ceea ce limiteaza aplicarea lor practica. In special dizolvarea si umflarea materialului organic in mediu organic ar putea fi greu evitata. Desi densitatea de pigmenti anorganici este prea mare pentru a se potrivi cu mediul, raman in continuare o varianta mai atractiva datorita durabilitatii lor in medii precum solventi, aer sau lumina soarelui.

Densitatea pigmentului anorganic poate fi scazuta pe doua cai: una este prepararea particulelor compozite; a doua este selectarea unui agent de dispersie adecvat, care poate fi adsorbit pe suprafata particulei pentru a oferi o stabilitate sterica si de repulsie electrostatica necesara stabilizarii suspensiei.

Oxidul metalic inclusiv cobalt albastru/verde, cobalt titanat verde si titanat galben au fost pigmenti anoranici importanti aplicati pe scara larga in diverse domenii. Cu toate acestea, pana in prezent exista putine rapoarte cu privire la cercetarea particulelor electroforetice bazate pe oxizi de metal, cu exceptia pigmentilor albi ca TiO2, ZnO2, ZnO, Al2O3.

Particulele compozite de Fe3O4 au fost preparate prin incapsularea Fe3O4 in scheletul de SiO2. Existenta scheletului SiO2 scade nu numai densitatea pigmentului asa cum se doreste, dar si faciliteaza interactiunile intre particulele compozite si agentul de dispersie datorita gruparii hidroxil abundente pe suprafata SiO2.


Particulele compozite Fe3O4/SiO2 au fost tratate cu un agent de dispersie comercial: OLOA 1200, care poate fi usor atasat pe suprafata SiO2 prin gruparile sale polare. Apoi particulele compozite tratate, comportandu-se precum particule electroforetice negre, au fost aplicate in sistemul dual impreuna cu particulele de TiO2 grefate pe polimer. Aceasta metoda de pregatire a unor particule electroforetice poate fi usor aplicata pentru a modifica alte particule de oxid colorate prin substituirea Fe3O4 cu o alta nanoparticula dorita.

Caracterizare TEM

Imaginile TEM ale nanoparticulelor de Fe3O4 si Fe3O4/SiO2 sunt prezentate in figura alaturata: a si respectiv b. Datorita gradului de hidrofobie a nanoparticulelor tratate cu acid oleic, particulele au tendinta de a fi prinse in picaturile de ulei. Cand emulsia a fost adaugata intr-un amestec de amoniac si etanol, scheletul SiO2 s-a format prin hidroliza

TEOS si nanoparticulele de Fe3O4 au fost prinse. Contrastul evident intre nucleu si schelet poate fi detectat in figura c, indicandu-se formare straturilor core-shell. Se prezinta si dimensiunea distributiei marimilor particulelor de Fe3O4 si Fe3O4/SiO2 in diagrama din figura urmatoare.

Cand naoparticulele au mai putin de 20 nm, ele au fost incapsulate in SiO2, diametru compozitului crescand la 250-350 nm. Rezultatul este in concordanta cu imaginea TEM.


2.3.

Nanotehnologia despre care am amintit in acest referat joaca asadar un rol prioritar in cercetarea, dezvoltarea si infrastructurarea nanotehnologica a tuturor tarilor din lume,

fiind in continua crestere; chiar daca SUA conduce in domeniul nanotehnologic la ora

actuala, Asia de Est a crescut in cativa ani de la 11.3% la o pondere de 23.9% din

brevetele de nanotehnologii ale lumii; [22]

Viitorul rezerva multe in domeniul nano, nanitii putand fi utilizati in medicina si programati sa inlocuiasca celulele bolnave; se demonstreaza asadar utilitatea

intelegerii nanostructurii unor nanobiomateriale;

Aplicatiile multiple au ajuns pana la tratarea cancerului, fiind una dintre marile probleme in domeniul sanatatii publice ( un raport al Agentiei Internationale pentru

studiul Cancerului, agentie a Organizatiei Mondiale a Sanatatii, arata ca pana in 2030 se

vor ajunde la 13.2 milioane de oameni ucisi anual de cancer, aproape de 2 ori mai mult

ca in 2008; in Romania, ultimile statistici monitorizau 420 000 bolnavi; iar anual

diagnosticati 95 000 96 000 persoane, dintre care jumatate in faza incurabila [23] ); se

confirma asadar necesitatea dezvoltarii acestor

nanobiomateriale cu aplicatii specifice;

Pentru depistare si tratare, este necesara de asemenea dezvoltarea de aparatura cat mai performanta; si aici

nanotehnologia devine un mare contribuitor;

Ca o concluzie finala, nanoparticulele de Fe3O4 si-au confirmat rolul in cele prezentate mai sus prin

aplicatiile sale, avand multe de aratat in viitor prin

aplicatii noi dezvoltate in acest domeniu inovator

numit nanotehnologie.


Convergence of micro-nano-biotechnologies pag.85-88 [19]

Autor(i): Maria Zaharescu, Emil Burzo, Lucia Dumitru, Irina Kleps, Dan Dascalu

Editura: Ed. Academiei Romane [2006]

Biomateriale composite pe baza de colagen si

hidroxiapatita utilizate in reconstructia osoasa pag 23-26

[16]

Autor(i): Anton Ficai, Ecateriana Andronescu

Editura: Politehica [2011]

Surse Articole (Romana/Engleza)

Synthesis of Fe3O4 nanoflowers by one pot surfactant assisted hydrothermal method and its properties (2012) (En)

[6]

Autori: R. Ramesh, M. Rajalakshmi, C. Muthamizhchelvan, S. Ponnusamy

Colloidal dispersions of monodisperse magnetite nanoparticles modified with poly(ethylene glycol) (2009) (En) [5]

Autori: Carola Barrera, Adriana P. Herrera, Carlos Rinaldi

Ag-deposited silica-coated Fe3O4 magnetic nanoparticles catalyzed reduction of p-nitrophenol (2012) (En) [8]

Autori: Xiaoyan Du, Jiang He, Jie Zhu, Lijuan Sun, Songsong An

Acta Mater. 58 (2010) (En) [9]

Autori: L. Li, E.S.G. Choo, X.S. Tang, J. Ding, J.M. Xue


Applied Catal.B101 (2011) (En) [10]

Autori: J.F. Guo, B. Ma, A.Y. Yin, K.N. Fan, W.L. Dai

Synthesis and characterization of Fe3O4@ZnS and Fe3O4@Au@ZnScoreshell nanoparticles (2014) (En) [12]

Autori: M. Stefan, C. Leostean, O. Pana, M.L. Sorana, R.C. Suciu, E. Gautron, O. Chauvet

Chem. Mater. 21 (2009) (En) [11]

Autori: X. Yu, J. Wan, Y. Shan, K. Chen

2011 Chinese Materials Conference - Synthesis of Fe3O4 nanoparticles and their magnetic properties (En) [4]

Autori: Yan Wei, Bing Han, Xiaoyang Hu, Yuanhua Lin, Xinzhi Wang, Xuliang Deng

Preparation and characterization of some ferromagnetic glassceramics contains high quantity of magnetite (2009)

(En) [14]

Autori: S.A.M. Abdel-Hameed, M.M. Hessien, M.A. Azooz

Synthesis of Fe3O4 magnetic fluid used for magnetic resonance imaging and hyperthermia (2011) (En) [13]

Autori: Y.M. Wang, X.Cao, G.H.Liu, R.Y.Hong, Y.M.Chen, X.F.Chen, H.Z.Li, B.Xu, D.G.Wei

Preparation and characterization of Fe3O4/SiO2 particles for dual-particle electrophoretic display (2012) (En) [17]

Autori: Sheng Liu, Gang Wu, Hong-Zheng Chen, Mang Wang

Influences of different synthesis conditions on properties of Fe3O4 nanoparticles (2009) (En) [7]

Autori: Hao Yan, Jiancheng Zhang, Chenxia You, Zhenwei Song, Benwei Yu, Yue Shen

Surse Imagini si informatii medicale

(Romana/Engleza)

http://www.romedicale.ro/ (Ro) [15]

http://euromedic.ro/servicii/imagistica/rmn.aspx (Ro)

http://www.neuromed.ro/ (Ro) [20, 21]


Alte (Romana/Engleza)

http://ro.wikipedia.org/wiki/Nanotehnologie (Ro) [2]

http://stiintasitehnica.com/stiri (Ro) [3]

http://www.capital.ro/detalii-articole/stiri/nanotehnologie-de-unde-vin-inventatorii-care-ne-au-schimbat-viata-

182428.html (Ro) [22]

http://ro.wikipedia.org/wiki/Cancer#Epidemiologie (Ro) [23]

Video (Romana/Engleza)

http://www.youtube.com/watch?v=E5J5hzxgRbA (En) - How small can you get? Entering and defining the Nano

world [1]

http://www.youtube.com/watch?v=3cxuCydjJSA (En) - Nano-Cone Textures Generate Extremely "Robust" Water-

Repellent Surfaces [18]


[20][21]

nanobiomateriale - fe3o4

Documents