Synthesis and Characterization of Chitosan Coated Iron Oxide Nanoparticles for Biomedical Applications

Abstract

Nanomaterialer er materialer med minst én dimensjon i milliarddelen av en meters rekkevidde (10-9 m). Betydelig forskning har blitt utført de siste to tiårene på utvikling og utvikling av magnetiske nanopartikler. Magnetiske partikler gir ekstremt effektive energiinnsamlingssystemer som har potensial til å revolusjonere dagens behandlings- og diagnostiske prosedyrer. Den spesifikke naturen til overflatebelegget er avgjørende siden det kan påvirke viktige IONP-funksjoner som kolloidal stabilitet, toksisitet, magnetisme og merkingseffektivitet. Polymerer brukes ofte som IONP-belegg fordi de kan forbedre kolloidal stabilitet under hydrofile forhold og bevare jernoksidkjernen fra nedbrytning. I denne studien ble kitosan brukt til å belegge IONP-er ved bruk av nanoutfellingsmetode. Dette prosjektet ble delt inn i tre faser. Bare kitosan NPs-syntese, IONPs-syntese og til slutt kitosanbelagt IONPs-syntese. Størrelsen, overflateladningen, molekylær strukturanalyse og magnetiske egenskaper (bare IONP-er) ble karakterisert av disse partiklene. Foreløpig studie ble også gjort ved å syntetisere PLGA NP-er og PLGA-IONP-er. Kitosan-NP-ene ble syntetisert ved nanoutfellingsmetoden og de hydrodynamiske størrelsene ble målt med DLS og lumisizer. De fortynnede prøvestørrelsene var mellom 150-350 nm og konsentrerte prøvestørrelser var mellom 500-1200 nm. Størrelsesfordelingsanalysen observerte minste til største størrelse fra 371 nm til 3920 nm og gjennomsnittlig størrelse var 1271. Zetapotensialene til prøvene varierte mellom (-18 til -40 mV og 25-35 mV avhengig av ikke-løsningsmiddelfjerningsteknikk). Studiet av forskjellige parametere som polymerkonsentrasjon, molekylvekt, omrøringsvarighet og strømningshastighet som kan påvirke kitosan NP-størrelsen ble utført. FT-IR-data ble gjort for å observere de funksjonelle bindingstoppene til NP-ene og bekrefte overflateaktivt belegg på overflaten. STEM-karakterisering observerte polydisperse prøver og største partikkel var mellom 1-2 µm. Deretter ble IONP-er syntetisert ved co-presipiteringsmetode. De hydrodynamiske størrelsene og zetapotensialene var 176 ± 4 nm og -32 ± 0,3 mV. Størrelsesfordelingsanalysen observerte minste til største hydrodynamiske størrelse fra 24 nm til 39 nm og gjennomsnittlig størrelse var 39 nm. TEM-karakteristikkene observerte 10 ± 3 nm tørket partikkelstørrelse. FT-IR-data ble gjort for å observere de funksjonelle bindingstoppene til IONP-ene og VSM-data beviste superparamagnetisme-egenskapen. Kitosanbelagte IONP-er ble syntetisert ved nanoutfellingsmetode. En sammenligningsstudie ble gjort for å bekrefte at nanoutfellingsmetoden er bedre enn blandingsprosessen ved å observere deres hydrodynamiske størrelser og STEM-egenskaper. De hydrodynamiske størrelsene var mellom 900-1500 nm og zetapotensialet var mellom 25-30 mV. Zeta-potensialet kan tyde på at overflaten til NP-ene var belagt med kitosan. Størrelsesfordelingsanalysen observerte minste til største hydrodynamiske størrelse fra 58 nm til 261 nm og gjennomsnittlig størrelse var 91 nm. Overflatekarakterisering ble gjort ved å analysere det isoelektriske punktet og FT-IR-data. JMP-designet for studier av forskjellige parametere (polymerkonsentrasjon, IONPs-konsentrasjon, strømningshastighet og metanolvolum) ble utført ved bruk av screeningdesign. R2 var 0,22 som indikerte dårlig tilpasning for dette datasettet. Noe liten størrelsesoptimalisering ble gjort senere for å begrense de optimale parameterne for å syntetisere små NP-størrelser for biomedisinsk bruk.

Nanomaterials are materials with at least one dimension in the billionth of a meter range (10-9 m). Significant research has been undertaken over the last two decades on the development and engineering of magnetic nanoparticles. Magnetic particles provide extremely efficient energy harvesting systems that have the potential to revolutionize current treatment and diagnostic procedures. The specific nature of the surface coating is crucial since it can impact important IONP features such as colloidal stability, toxicity, magnetism, and labeling efficiency. Polymers are commonly employed as IONP coatings because they can improve colloidal stability in hydrophilic circumstances and preserve the iron oxide core from degradation. In this study, chitosan was used for coating IONPs using nanoprecipitation method. This project was divided into three phases. Bare chitosan NPs synthesis, IONPs synthesis and lastly chitosan coated IONPs synthesis. The size, surface charge, molecular structure analysis and magnetic properties (IONPs only) were characterized of those particles. Preliminary study was also done by synthesizing PLGA NPs and PLGA-IONPs. The chitosan NPs were synthesized by nanoprecipitation method and the hydrodynamic sizes were measured by DLS and lumisizer. The diluted sample sizes were between 150-350 nm and concentrated sample sizes were between 500-1200 nm. The size distribution analysis observed smallest to largest size from 371 nm to 3920 nm and mean size was 1271. The zeta potentials of the samples ranged between (-18 to -40 mV and 25-35 mV depending on non-solvent removal technique). The study of different parameters like polymer concentration, molecular weight, stirring duration and flow rate that can influence the chitosan NP size was performed. FT-IR data was done to observe the functional bond peaks of the NPs and confirm the surfactant coating on the surface. STEM characterization observed polydisperse samples and largest particle was sized between 1-2 µm. Then IONPs were synthesized by co-precipitation method. The hydrodynamic sizes and zeta potentials were 176 ± 4 nm and -32 ± 0.3 mV. The size distribution analysis observed smallest to largest hydrodynamic size from 24 nm to 39 nm and mean size was 39 nm. The TEM characteristics observed 10 ± 3 nm dried particle size. FT-IR data was done to observe the functional bond peaks of the IONPs and VSM data proved the superparamagnetism property. Chitosan coated IONPs were synthesized by nanoprecipitation method. A comparison study was done to confirm nanoprecipitation method is better than mixing process by observing their hydrodynamic sizes and STEM characteristics. The hydrodynamic sizes were between 900-1500 nm and zeta potential were between 25-30 mV. The zeta potential could suggest the surface of the NPs were coated with chitosan. The size distribution analysis observed smallest to largest hydrodynamic size from 58 nm to 261 nm and mean size was 91 nm. Surface characterization was done by analyzing the isoelectric point and FT-IR data. The JMP design for study of different parameters (polymer concentration, IONPs concentration, flow rate and methanol volume) was performed using screening design. R2 was 0.22 which indicated a poor fit for this data set. Some small size optimization was done later to narrow down the optimum parameters to synthesize small NP sizes for biomedical application.