سنتز و مشخصه یابی نانوکپسول های مغناطیسی دارای نانوذرات مگنتایت و مگنتایت جانشانی شده با روی و گادولینیوم برای فراگرمایی مغناطیسی

مقدمه امروزه فروشاره ها به دلیل ویژگی های مغناطیسی و گرمایی خود کاربردهای فراوانی در صنعت و زیست پزشکی پیدا کرده اند. یکی از کاربردهای آن ها در زیست پزشکی، فراگرمایی مغناطیسی برای درمان توده های سرطانی است. در این روش فروشاره ها به توده سرطانی تزریق و با قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی متناوب باعث گرم شدن سلول های سرطانی تا دمای °c41 و نهایتاً نابودی آن ها می شوند. سازوکارهای اتلافی گوناگونی مانند اتلاف پسماند و اتلاف واهلش موجب ایجاد گرما در نانوذرات مغناطیسی در میدان مغناطیسی متغیر می شوند. مقدار گرمای تولید شده نه تنها به ویژگی های مغناطیسی بلکه به اندازه و توزیع اندازه ی نانوذرات نیز بستگی دارد. نانوذرات مگنتایت یکی از گزینه های مهم مورد استفاده در این زمینه می باشد. می توان نشان داد که با جانشانی یون های دیگر در مگنتایت و بهبود ویژگی های مغناطیسی آن و یا از طریق کنترل اندازه و توزیع اندازه ی نانوذرات، گرمای تولید شده بهبود می یابد. جانشانی یون های آهن در ساختار اسپینل با یون های zn2+ و gd3+ به بهبود ویژگی های مغناطیسی می انجامد. روش های ساخت نانوذرات مغناطیسی که پاکیزه و دوستدار محیط زیست باشد و هم زمان به تولید انبوه نانو ذراتی با اندازه ی یکنواخت و بلورینگی بالا بینجامد، هنوز یکی از چالش های مهم در تولید نانوذرات مغناطیسی است. روش احیای هیدروترمال از جمله روش های آسان و تک گامی است که برای تولید نانو ذرات مگنتایت آب دوست، با احیاکننده های گوناگون به کار گرفته شده است. در این پژوهش نانو ذرات آب دوست ابرپارامغناطیس و یکنواخت مگنتایت، مگنتایت جانشانی شده با روی و روی-گادولینیوم با روش احیای هیدروترمال و با عامل احیا کننده ی اسید سیتریک در یک مرحله ساخته شدند. در این روش هیچ گونه سرفکتانت یا ماده ی دیگری در ساخت این نانوذرات به کار نمی رود. افزون بر این دمای انجام واکنش برای تشکیل نانو ذرات مغناطیسی در مقایسه با روش های دیگر تولید نانوذرات مغناطیسی با بلورینگی و مغناطش بالا مانند تجزیه ی گرمایی پیش سازهای آلی که در دماهای پیرامون °c300 نانو ذراتی با مغناطش اشباعی همانند ساخته می شود، پایین تر است. بنابراین این روش می تواند یک روش پربازده، دوستدار محیط زیست،کم انرژی و ارزان باشد. یکی از چالش های اساسی در هنگام استفاده از نانوذرات مغناطیسی در بدن جانداران حذف سریع از جریان خون به وسیله ی سیستم ایمنی بدن است. بنابراین برای افزایش زمان ماندگاری آن ها در جریان خون، سطح نانوذرات را می توان با پوشش های پلی مری به گونه ای اصلاح کرد که جذب پروتئین های پلاسما روی سطح نانوذرات به کمترین مقدار ممکن برسد و بدین ترتیب کمتر در معرض پاکسازی به وسیله ماکروفاژها قرار بگیرند. پلی مر پوشش داده شده روی سطح نانوذرات همچنین می تواند جایگاهی برای پیوند با دارو و یا لیگاندهایی باشد که برای هدف گیری نانوذرات به جایگاه های ویژه در کاربردهایی مانند تصویر برداری مغناطیسی، دارو رسانی و فراگرمایی لازمند. همچنین این پلی مرها می توانند ویژگی های تحریک پذیری در برابر تغییرات ph، دما و غیره را داشته باشند که در این صورت با قرارگیری در شرایطی با ph یا دمای معین می توانند باعث شروع رهایش دارو شوند و نقش موثری را در کنترل غلظت لازم یا الگوی رهایش دارو داشته باشند. پلورونیک یک کوپلی مر قطعه ای است که از قطعه های اکسید اتیلن و اکسید پروپیلن تشکیل شده است. ویژگی این پلی مر آن است که آرایش فضایی آن با گذار از یک دمای ویژه تغییر می یابد و از این تغییر می توان در بارگذاری و رهایش دارو استفاده نمود. نشاندن این پلی مر روی سطح نانوذرات مغناطیسی، زیست سازگاری آن ها را بالا می برد و در صورت بارگذاری دارو می تواند باعث رهایش دارو در هنگام فرایند فراگرمایی مغناطیسی شود. اما برای نشاندن این پلی مر روی سطح نانوذرات مغناطیسی باید از واکنش های پیچیده ی شیمیایی استفاده کرد. کیتوزان یک پلی مر زیست سازگار و دارای بار مثبت است. این پلی مر به دلیل زیست سازگاری، توانایی پوشش دهی و توانایی پیوند خوردن با سایر پلی مرها و داروها کاربردهای فراونی در دارو رسانی پیدا کرده است . این پلی مر به دلیل داشتن بار مثبت می تواند با نیروهای قوی الکتریکی روی سطوح با بار منفی نشانده شود. به همین دلیل در این پژوهش پوشش دهی نانوذرات مغناطیسی تولید شده با استفاده از کوپلیمر حساس به دمای پلورونیک f127- کیتوزان و بر اساس برهمکنش های قوی کولنی بین بار منفی روی سطح نانو ذرات و بار مثبت کیتوزان انجام شده و پارامترهای موثر مورد بررسی قرار گرفته است. سپس کاربرد آن ها برای فراگرمایی مغناطیسی مورد بررسی قرار گرفت. مواد اولیه همه ی مواد اولیه ی به کار رفته در این پژوهش شامل نیترات آهن سه، آمونیاک 25% ، کلرید روی، اسید سیتریک، کلرید گادولینیوم، پلورونیک اف-127، نیتروفنیل کلروفرمات، تری اتیل آمین، دی متیل سولفواکساید و کیتوزان با وزن مولکولی kd5 و 89 درصد استیل زدایی شده از نوع آزمایشگاهی و با کمینه ی خلوص 99 درصد بود. برای آزمایش های کشت سلولی از آب دیونیزه ی استریل ، محلول pbs ، محیط کشت آماده ی rpmi استریل که پیش از استفاده به آن 10 درصد حجمی سرم جنین گوساله و یک درصد حجمی محلول آنتی بیوتیک پنی سیلین- استرپتومایسین اضافه شده بود، محلول تریپسین آماده ، محلول آماده ی تریپان بلو، محلول آماده mtt و محلول آماده دوکسوروبیسین استفاده شد. روش ها شاره های مغناطیسی برای اولین بار به روش احیای هیدروترمال با اسید سیتریک ساخته شدند. برای پوشش دهی نانوذرات ابتدا کوپلیمر پلورونیک اف 127- کیتوزان با موفقیت ساخته شد . پوشش دهی نانوذرات مغناطیسی با نیروهای قوی کولنی بین بار منفی سطح نانوذرات و بار مثبت کیتوزان صورت گرفت. سمیت سلولی فروشاره ها با غلظت های 10، 6، 5/3،4/1 و 5/0 میلی گرم بر میلی لیتر با روش mtt assay و با یک پلیت 96 خانه بررسی شد. در این روش از سلول های hela با غلظت cell/ml 104×2 و ?l180 در هر خانه استفاده شد. فراگرمایی مغناطیسی با نانوذرات پوشش داده شده بر روی سلول های hela و در یک میدان مغناطیسی متناوب با بسامد khz330 و شدت ka/m 6 بررسی شد. همچنین ویژگی های فیزیکی نانوذرات تهیه شده، با روش ها و دستگاه های xrd، ftir، tga، sem، tem، dls، vsm و h-nmr بررسی شد. نتایج و بحث ساخت نمونه های مگنتایت در دمای °c180 و به مدت 20 ساعت با مقادیر گوناگون اسید سیتریک نشان داد که تشکیل فاز اسپینل به مقدار اسید سیتریک بستگی دارد و پس از تشکیل فاز اسپینل با افزایش مقدار اسید سیتریک نانوذرات کوچک تر می شوند. نانوذرات تک فاز مگنتایت ساخته شده ابرپارامغناطیس و دارای اندازه ی 5/2±4/8 نانومتر و در دمای اتاق مغناطش اشباعی آن برابر emu/g 65.77 بود. افزایش دمای واکنش تا °c200 و زمان 10 ساعت اندازه ی نانوذرات را به 8/2±5/9 نانومتر افزایش داد و در حالی که مغناطش اشباعی آن تغییری نکرده بود در منحنی m-h آن وادارندگی برابر 30 اورستد دیده شد. آزمایش های وزن سنجی حرارتی مقدار یکسانی از یون های سیترات را روی سطح نانوذرات نشان داد در صورتی که با افزایش دمای واکنش درصد وزنی یون های هیدروکسیل نسبت به نانوذرات کاهش پیدا کرده بود. این پدیده به کاهش میزان کلوخه ای شدن نانوذرات مغناطیسی می انجامد که اختلاف قطر هیدرودینامیکی در شاره های مغناطیسی(nm 167.3برای دمای واکنش °c180 و nm 77 برای دمای واکنش °c200) را توجیه می کند. همچنین افزایش دمای واکنش وکاهش میزان یون های هیدروکسیل باعث افزایش اندازه ی بار منفی سطحی نانوذرات و افزایش قدر مطلق پتانسیل زتا از 20- به 30- میلی ولت و پایداری بیشتر شاره های مغناطسی شده است. ساخت نانوذرات ابرپارامغناطیس znxfe1-xfe2o4 با مقادیر گوناگون x نشان داد که جانشانی یون های روی در ساختار مگنتایت باعث افزایش مغناطش اشباعی تا emu/g 82.5 برای 37/0=x شد که این پدیده به دلیل جانشانی یون های غیر مغناطیسی روی در جایگاه چهار وجهی اسپینل به جای یون های fe3+ اتفاق افتاده است. آزمایش های tg نشان داد که درصد وزنی یون های هیدروکسیل نسبت به نانوذرات در مگنتایت جانشانی شده با روی نسبت به مگنتایت کاهش پیدا کرده که این پدیده به دلیل حضور یون های روی در محیط واکنش و تغییر سازوکار تشکیل فاز اسپینل از بازبلوری شدن به انحلال-بازرسوبی و تحرک بیشتر یون ها در این سازوکار اتفاق افتاده است. برای 3/0=x قطر هیدرودینامیکی برابر nm92.1 و ضریب بس پراکندگی 144/0 بود که با توجه به کاهش درصد وزنی یون های هیدروکسیل نسبت به مگنتایت، کاهش قطر هیدرودینامیکی قابل انتظار است. همچنین این کاهش به افزایش قدر مطلق پتانسیل زتا به 25- میلی ولت انجامیده است. جانشانی روی در ساختار مگنتایت، تغییرات چشمگیری در پارامتر شبکه ی مگنتایت ایجاد نکرد ولی ارتفاع قله ها در الگوی پراش پرتو ایکس را نسبت به مگنتایت افزایش داد که نشان دهنده ی افزایش بلورینگی در نانوذرات مگنتایت جانشانی شده با روی است. ساخت نانوذرات ابرپارامغناطیس fe0.7zn0.3gdyfe2-yo4 با مقادیر گوناگون y نشان داد که جانشانی مقادیر گوناگون گادولینیوم در ساختار نانوذرات zn0.3fe2.7o4 باعث ایجاد یک بیشینه در مغناطش اشباعی برای 01/0=y می شود (emu/g 82) و پس از آن مغناطش اشباعی کاهش می یابد که این پدیده به دلیل جانشانی یون های gd3+ در جایگاه های هشت وجهی و تغییر برهمکنش های بین یون ها اتفاق می افتد. آزمایش های tg درصد وزنی مشابهی از یونهای هیدروکسیل را نسبت به نانوذرات مگنتایت جانشانی شده با روی نشان داد ولی درصد وزنی یون های سیترات کمی افزایش پیدا کرده بود که این به دلیل به کاربردن مقدار بیش تری اسید سیتریک در فرایند ساخت نسبت به نانوذرات مگنتایت جانشانی شده با روی است و به کاهش اندازه ی کلوخه های مغناطیسی و بنابراین به کاهش قطر هیدرودینامیکی نانوذرات مگنتایت جانشانی شده با روی و گادولینیوم انجامیده است (nm 92 برای 0=y و nm 59.57 برای 025/0=y). پتانسیل زتای منفی نشان دهنده ی حضور یون های سیترات روی سطح این نانوذرات است. محاسبه ی پارامتر شبکه ی نانوذرات جانشانی شده با روی و گادولینیوم نشان داد که به دلیل بزرگ تر بودن یون های gd3+ نسبت به fe3+ پارامتر شبکه با افزایش مقدار جانشانی گادولینیوم در ساختار zn0.3fe2.7o4 افزایش می یابد. آزمایش ftir حضور یون های سیترات را روی سطح همه ی نانوذرات تأیید می کند. محاسبه ی مقدار اندازه ی بحرانی نیل و براوون برای میدان مغناطیسی با بسامد khz 330 و مقایسه ی آن ها با اندازه ی نانوذرات و قطر هیدرودینامیکی آن ها نشان داد که برای همه ی شاره های مغناطیسی ساخته شده در بسامد به کار گرفته شده، سازوکار تولید گرما سازوکار نیل است و در مورد شاره های مگنتایت ساخته شده در دمای °c200 و زمان 10 ساعت (نمونه ی mag2) به دلیل آشکار شدن پسماند در منحنی مغناطش سازوکار پسماند نیز در تولید گرما دخالت می کند و به همین دلیل توان اتلاف ذاتی این شاره که برابر nhm2/kg 9.4 محاسبه شد در میان شاره های ساخته شده بیشترین مقدار توان اتلاف ذاتی را داشت. بالاترین توان اتلاف ویژه که تاکنون گزارش شده مربوط به شاره های مغناطیسی است که توسط فورتین با توان اتلاف ذاتی nhm2/kg 3.8 و توسط هرگت با توان اتلاف ذاتی nhm2/kg 11.7 ساخته شده اند. فورتین نانوذرات خودش را به روش هم رسوبی ساخت، سپس یون های سیترات را روی آن ها نشاند. برای یکنواخت کردن اندازه ی نانوذرات با روش ویژه ای، نانوذرات با اندازه های گوناگون را از هم جدا کرد. هرگت نانوذرات اکسید آهن یکنواختی را با اندازه ی میانگین 15 نانومتر با رشد کنترل شده ی هسته های اکسید آهن روی هسته هایی از ژلاتین به دست آورد. این مقایسه نشان می دهد که روش احیای هیدروترمال بدون داشتن پیچیدگی های موجود در روش های توضیح داده شده می تواند نانوذراتی یکنواخت با توان اتلاف ذاتی بالا تولید کند. پس از آن شاره ی تولید شده با نانوذرات مگنتایت جانشانی شده با روی و 3/0=x (نمونه ی mag3) دارای بیشترین مقدار توان اتلاف ذاتی بود (nhm2/kg 4.8). توان اتلاف ذاتی شاره های مغناطیسی ساخته شده از نانوذرات مگنتایت جانشانی شده با روی و گادولینیوم، با وجود بهبود ویژگی های مغناطیسی نسبت به شاره های مغناطیسی ساخته شده از مگنتایت جانشانی شده با روی کاهش پیدا کرد که این پدیده می تواند به تغییر ویژگی های سطحی و کاهش قطر هیدرودینامیکی در این شاره ها مربوط باشد. مقایسه ی توان اتلاف ذاتی شاره های تولید شده با شاره های تجاری شده نشان می دهد که نمونه های mag2 و mag3 از توان اتلاف ذاتی بیشتری نسبت به این شاره ها برخوردار هستند. نتایج به دست آمده نشان می دهد که توان اتلاف ذاتی وابستگی زیادی با قطر هیدرودینامیکی دارد. برای پوشش دهی نانوذرات mag3 ابتدا کوپلیمر پلورونیک اف127-کیتوزان ساخته شد. تشکیل پیوند بین این دو پلی مر به وسیله ی نتایج آزمایش های ftir و h-nmr اثبات گردید. پوشش دهی نانوذرات با استفاده از نیروهای قوی کولنی بین بار منفی سطوح نانوذرات و بار مثبت کیتوزان انجام گرفت و حضور پوشش روی سطح نانوذرات با آزمایش های ftir و tg و عکس های tem اثبات گردید. عکس های tem تشکیل نانوکپسول هایی با قطر میانگین 84 نانومتر را نشان داد. بررسی سمیت سلولی شاره های مغناطیسی دارای نانوذرات mag3 بدون پوشش و پوشش دار به روش mtt assay بر روی سلول های سرطانی هلا نشان داد که حضور پوشش، سمیت سلولی شاره های مغناطیسی را کاهش داده و شاره های دارای نانوکپسول های مغناطیسی با غلظت 5/3 میلی گرم اکسید آهن بر میلی لیتر و کم تر، از سمیت سلولی کم تری نسبت به شاره های غلیظ تر برخوردارند. آزمایش فراگرمایی مغناطیسی با شاره های مغناطیسی با غلظت 5/3 میلی گرم بر میلی لیتر بر روی سلول های سرطانی هلا نشان داد که فراگرمایی مغناطیسی به مدت 30 دقیقه در نبود داروی دوکسوروبیسین بیش از 80 درصد سلول ها را نابود می کند. با افزودن داروی دوکسوروبیسین به شاره ی مغناطیسی همه ی سلول های سرطانی با به کارگرفتن فراگرمایی مغناطیسی نابود شدند. نتیجه گیری روش احیای هیدروترمال با احیا کننده ی اسید سیتریک روشی پربازده ومناسب برای ساخت شاره های مغناطیسی است. شاره های مغناطیسی ساخته شده با این روش دارای توان اتلاف ذاتی بزرگ تری نسبت به شاره های مغناطیسی تجاری شده هستند. مقایسه ی توان اتلاف ذاتی شاره های ساخته شده در این پژوهش با یکدیگر و با شاره های تجاری نشان داد که توان اتلاف ذاتی وابستگی زیادی به قطر هیدرودینامیکی دارد. در این پژوهش با استفاده از نیروهای قوی الکترواستاتیکی سطح نانوذرات با کوپلیمر پلورونیک اف127- کیتوزان پوشش داده شد. این پوشش دهی زیست سازگاری نانوذرات را افزایش داد. نتایج نشان داد که استفاده از شاره های مغناطیسی دارای نانوذرات پوشش داده شده در فراگرمایی مغناطیسی در حضور داروی دوکسوروبیسین می تواند سلول های سرطانی را به طور کامل نابود کند.