Thermal Decomposition Magnetic Nanoparticles for Improvement of Selective Hyperthermia in Cancer Cells

Abstract

Kreft er en av de ledende dødsårsakene i samfunnet i dag, og som et resultat av dette er kreftbehandling. ment er et stort forskningsfelt. Mange nåværende kreftbehandlinger angriper kreftceller, men er også skadelige for friske celler i kroppen. Derfor er det et stort ønske om å utvikle seg behandlinger som kan administreres lokalt på kreftstedet og minimere nega- tive effekter på de omkringliggende friske cellene. Superparamagnetiske nanopartikler av jernoksid, som genererer varme når de utsettes for vekslende magnetfelt, utforskes som et alternativ for lokale kreftbehandlinger. Varmen som genereres av nanopartikler kan være brukes til å aktivere lokal frigjøring av medikamenter, eller for å produsere lokale temperaturendringer som resulterer i lokal hypertermi. Polymere belegg rundt nanopartikler er også nødvendig for å forbedre biokompatibiliteten og fungere som en medikamentbærer. Dette arbeidet fokuserte på å optimalisere syn- avhandling om jernoksid nanopartikler med polymert polydopamin og poly-melkesyre-ko-glykosyre syrebelegg. Målet var å utvikle metoder for å optimalisere størrelse og maksimere magnetisk egenskapene til nanopartikler. Det neste målet var å belegge partiklene for å optimalisere størrelsene, forbedre biokompatibiliteten og minimere det magnetiske tapet av partiklene. Først metoden for å skille nanopartikler fra løsningene de dyrkes i eller spredt kan påvirke deres magnetiske egenskaper betydelig. Dermed magnetisk separasjon og sentrifugering ble sammenlignet. Vaskevolumet av etylacetat ble også variert å observere mulige trender innenfor partiklene. Deretter synteseparametrene, masse av jernforløper jernacetylacetonat, volum stabilisator trietylenglykol og anti- løsemiddelvolumet ble variert mellom forskjellige partier av sfæriske partikler der effekter på partikkelstørrelse og magnetiske egenskaper ble studert. For å øke størrelsen på den magnetiske responsen, effekten av partikkelmorfologi gjennom enkelt nanosfærer kontra klynger av nanosfærer når det gjelder metningsmagnetisering, størrelse og spesifikk absorpsjonshastighet ble studert. Til slutt ble klynger av nanopartikler belagt med polydopamin og PLGA, og tykkelsen på beleggene i form av partikkel størrelse og magnetisk tap ble studert. Ingen signifikant trend ble observert i partikkelstørrelse eller magnetiske egenskaper som en funksjon av separasjonsmetode og vaskevolum. Når ved å gå videre til synteseparametervariasjonene ble det observert liten eller ingen trend. Størrelser på partikler varierte fra 5-14 nm. Partiklenes metningsmagnetisering varierte fra 45-54 emu/g uten noen åpenbar trend innenfor partiklene sammenlignet med størrelser, selv om batcher med høyeste forhold mellom tilsatt jernforløper og reaksjonsløsningsmiddel syntes å ha høyere metningsmagnetisering basert på størrelse, men flere batcher må undersøkes å sammenligne. Det ble også observert at nanosfærer hadde spesifikk absorpsjonshastighet på 0-80 W/g. Sammenlignet med nanosfærene viste klyngene størrelser på 12-26 nm med en betydelig høyere metningsmagnetisering på 72 emu/g. Klyngene hadde også en betydelig høyere spesifikk absorpsjonshastighet ved 303 W/g. Disse egenskapene kan også være besatt av kuler hvis nanosfærer hadde samme størrelse, men mer arbeid må til gjort for å bevise det. Det ble funnet at tykkelsen av polydopaminbelegg kunne kontrolleres og at den ble dyrket på klyngene og endret den hydrodynamiske størrelsen fra 120 til 768 nm over 24 timer som indikerte en timevekst på 27 nm. PLGA-belegget viste seg å fungerte og ga partikkelstørrelser på 300-900 nm. Det magnetiske tapet på grunn av belegg ble funnet til 54,5 %, men den endelige belagte partikkelen hadde fortsatt en høyere metningsmagnetisering enn bare nanosfærer med en spesifikk absorpsjonshastighet på 165 W/g. Til slutt ble stoffet introdusert og samhandlet på en måte som virket som adsorpsjon på partiklene. 1

Cancer is one of the leading causes of death in society today and as a result, cancer treat- ment is a large field for research. Many current cancer treatments attack cancer cells but are also harmful to healthy cells in the body. Therefore, there is a great desire to develop treatments that can be administered locally at the site of the cancer and minimize nega- tive effects on the surrounding healthy cells. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles, which generate heat when exposed to alternating magnetic field, are being explored as an option for local cancer treatments. The heat generated by the nanoparticles can be used to activate local drug release, or to produce local temperature changes resulting in local hyperthermia. Polymeric coatings around the nanoparticles are also necessary to enhance biocompatibility and act as a drug carrier. This work focused on optimizing syn- thesis of iron oxide nanoparticles with polymeric polydopamine and poly-lactic-co-glycoic acid coatings. The aim was to develop methods to optimize size and maximize magnetic properties of the nanoparticles. The next aim was coating the particles to optimize sizes, enhance the biocompatibility and minimize the magnetic loss of the particles. First the method of separating nanoparticles from the solutions in which they are grown or dispersed can significantly impact their magnetic properties. Thus, magnetic separation and centrifugation were compared. The washing volume of ethyl acetate was also varied to observe possible trends within the particles. Next the synthesis parameters, mass of iron precursor iron acetyl acetonate, volume of stabilizer triethylene glycol and anti- solvent volume were varied between different batches of spherical particles where the effects on particle size and magnetic properties were studied. In order to increase the magnitude of the magnetic response, the effect of particle morphology through single nanospheres versus clusters of nanospheres in terms of saturation magnetization, size and specific absorption rate was studied. Finally clusters of nanoparticles were coated with polydopamine and PLGA, and the thickness of the coatings in terms of particle size and magnetic loss was studied. No significant trend was observed in particle size or magnetic properties as a function of separation method and washing volumes. When moving on to the synthesis parameter variations it was observed little to no trend. Sizes of particles ranged from 5-14 nm. The particles saturation magnetization ranged from 45-54 emu/g with no apparent trend within the particles compared to sizes, although batches with highest ratios between added iron precursor and reaction solvent seemed to possess higher saturation magnetization based on size, but more batches needs to be researched to compare. It was also observed that nanospheres possessed specific absorption rate of 0-80 W/g. Compared to the nanospheres, the clusters displayed sizes of 12-26 nm with a significantly higher saturation magnetization of 72 emu/g. The clustersalso had a significantly higher specific absorption rate at 303 W/g. These properties could also be possessed by spheres if nanospheres were at the same size, but more work will need to be done to prove it. It was found that polydopamine coating thickness could be controlled and that it was grown on the clusters changing the hydrodynamic size from 120 to 768 nm over 24 hours which indicated an hourly growth of 27 nm. The PLGA coating proved to work and gave particle sizes of 300-900 nm. The magnetic loss due to coating was found to be 54.5%, but the final coated particle still possessed a higher saturation magnetization than bare nanospheres with a specific absorption rate of 165 W/g. Lastly the drug was introduced and interacted in a way that seemed like adsorption on the particles. 1