Characterization of alginate-based nanoparticles with atomic force microscopy, scanning electron microscopy, and light scattering

Abstract

Denne avhandlingen har som mål å etablere en karakteriseringsprotokoll for Gm-b-Dexn nanopartikler (NP). Det finnes kun begrensede data for denne typen biopolymer-baserte NPer, og en grundig karakteriseringsprotokoll hadde enda ikke blitt etablert. Disse NPene satt sammen av oligoguluronat og dextran diblokk kopolymerer blir undersøkt med det endelige målet å utvikle et radiofarmasøytisk legemiddel som kan brukes til lokal strålebehandling for kreftpasienter.

Gm-b-Dexn NPer ble fremstilt via self-assembly av diblokk kopolymerer ved dialyse eller direkte titrering med løsninger som inneholder Ca2+ og/eller Ba2+ kationer. Karakterisering av NPene ble gjort med dynamisk lysspredning (DLS), fler-vinkel lysspredning (MALS), atomær kraftmikroskopi (AFM) og scannende elektronmikroskopi (SEM).

En karakteriseringsprotokoll bestående av DLS, AFM og MALS ble funnet til å være passende for Gm-b-Dexn NPer. Et førsteinntrykk av NPenes størrelsesfordeling er fort ervervet med DLS. AFM benyttes så til å undersøke størrelsen og formen på individuelle NPer nøye. Til slutt brukes MALS til å bestemme den molare massen til NPene. Karakteriseringsprotokollen som ble brukt for SEM i dette arbeidet viste seg å ikke være ideell, og ga ikke særlig mye nyttig informasjon om NPene. Dette kan være et fokuspunkt for fremtidig forskning.

Etableringen av en optimal karakteriseringsprotokoll for en spesifikk type partikkel er avgjørende for den helhetlige forskningsutviklingen. Det å ha en klart definert fremgangsmåte for karakteriseringen frigir forskeres tid til å utforske andre aspekter av forskningen. I tillegg er kommersialiseringen av et farmasøytisk legemiddel påvirket av både kvalitetskontrollaspektet av passende karakterisering, og av forretningsperspektivet av kostnad versus nytte. Å bestemme en karakteriseringsprotokoll for Gm-b-Dexn NPer gagner derfor både forskningsaspektet og den påfølgende kommersialiseringen av det radiofarmasøytiske legemiddelet.

Nøkkelkonsepter: biopolymer-basert nanopartikkel, oligoguluronat, dextran, karakteriseringsprotokoll, radiofarmasøytisk

This thesis aims to establish a characterization protocol for Gm-b-Dexn nanoparticles (NPs). There is limited data available for this type of biopolymer-based NP, and a comprehensive characterization protocol had not yet been established. These NPs assembled from oligoguluronate and dextran diblock copolymers are being investigated with the long-term goal of creating a radiopharmaceutical drug that can be used in localized radiation treatment for cancer patients.

Gm-b-Dexn NPs were self-assembled from diblock copolymers by dialysis or direct titration with solutions containing Ca2+ and/or Ba2+ cations. Characterization of the NPs was done using dynamic light scattering (DLS), multi-angle light scattering (MALS), atomic force microscopy (AFM), and scanning electron microscopy (SEM).

A characterization protocol consisting of DLS, AFM, and MALS was found to be suitable for the Gm-b-Dexn NPs. A first impression of the NPs’ size distribution is obtained swiftly with DLS. AFM is subsequently used to closely investigate the size and shape of individual NPs. Finally, MALS is used to determine the molar mass of the NPs. The protocol used for characterization with SEM in this work proved not to be ideal, and did not provide much useful information about the NPs. This could be a focus point for future research.

The establishment of an optimal characterization protocol for a specific type of particle is crucial for the overall research development. Having a clearly outlined path for the characterization frees up researches’ time to investigate other aspects of the scope. In addition, the commercialization of a pharmaceutical drug is concerned with both the quality control aspect of proper characterization, and the business perspective of cost versus benefits. Determining a characterization protocol for the Gm-b-Dexn NPs hence serves both the research aspect and the eventual commercialization of the radiopharmaceutical drug.

Key concepts: biopolymer-based nanoparticle, oligoguluronate, dextran, characterization protocol, radiopharmaceutical