Mágneses folyadékok fejlesztése orvosbiológiai alkalmazásra

Átírás

1 Mágneses folyadékok fejlesztése orvosbiológiai alkalmazásra Illés Erzsébet Szegedi Tudományegyetem Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék Vizes Kolloidok Kutatócsoport

2 Mágneses folyadékok Eredeti cél (1960-as évek): űrhajók (folyékony) üzemanyagának manipulálása súlytalanság állapotában - sohasem alkalmazták Diszpergáló közeg (víz, szerves oldószer/olaj) + mágneses nanorészecske (vas-oxidok, ferritek, YIG, stb.) méret: nanométer (10-9 m) - mikrométer (10-6 m) Mágneses folyadék A folyadékban szétoszlatott mágneses részecskék, külső mágneses térrel manipulálhatók. 2

3 állandó mágnesesség szuperparamágneses Vas-oxidok vegyület képlet mágneses tulajdonság (szobahőmérsékleten) szín magnetit Fe 3 O 4 ferrimágneses fekete hematit a-fe 2 O 3 antiferromágneses vörös maghemit g-fe 2 O 3 ferrimágneses barna goethit a-feooh antiferromágneses sárga vas(ii)-hidroxid Fe(OH) 2 antiferromágneses színtelen zöldrozsda [Fe II 1-x FeIII x (OH) 2 ]+x antiferromágneses kékeszöld Mágnesesség mágnesezettség (A/m) telítési mágnesezettség remanens mágnesezettség egy-domén multi-domén koercív térerősség D sp ferrimágneses D e ~20 nm ~120 nm részecskeméret külső mágneses tér (A/m) paramágneses szuperparamágneses ferromágneses 3

4 Ferromágneses anyagok Ferromágneses anyagok (pl. vas, néhány vasoxid, ferritek) mágneses erővonalak irányába rendeződnek (vas reszelék) makroszkópos részecskék mikroszkópos/mikrométeres részecskék (orientáció rögzítve) pl. hűtőmágnesek polimer (műanyag) lapban patkóformába szinterelve napjainkban erős állandó mágneseket is gyártanak Magnetit (Fe 3 O 4 ) ásvány (mágnesvaskő) Mágneses adatrögzítés: műanyag hordozóra vitt mágnesezhető részecskék (vas-karbid, króm-oxid CrO 2 ) Mágneses merevlemez Kobalt és Pt/Co bimetál nanorészecskék 4

5 Intensity/a.u. Szuperparamágneses (SPM) részecskék A részecske méret nem lehet nagyobb a mágneses domain méreténél (1 részecske =1 domain) Mágneses nanorészecskék SPION: superparamagnetic nanoparticles Magnetit nanorészecskék transzmissziós elektronmikroszkópos képe kristályszerkezet TEM HRTEM Csak a mágneses momentum fordul a mágneses erővonalak irányába Néel rotáció MN/MH {220} XRD kristályszerkezet MH {300} MN {311} MH {313} MN/MH {400} AK {411} MH {420} MN {422} MH {513} MN {511} MN - Magnetite MH - Maghemite AK - Akageneite MN/MH {440} 6-year-old 3- year-old fresh degree

6 Mágneses folyadékok (MF) ferrimágneses magnetit/maghemit ( magnetoreológiai folyadék) részecskeméretének csökkentése szuperparamágneses vas-oxid nanorészecske (SPION) folyadékban diszpergálva mágneses folyadék szerves közegű MF; iparban tengelyek tömítése HiFi hangszóró membránja lengéscsillapító vizes közegű MF; biológiai rendszerekben - nem lehet toxikus - kémiailag stabil - egységes méreteloszlás - jól diszpergált fiziológiás körülmények: pl. a vérben ph ~7,2-7,4; 0,15 mol/dm 3 NaCl a csupasz magnetit nanorészecskék (MNP) nem stabilak módosítani kell az MNP felületét: - elektrosztatikus - sztérikus - elektrosztérikus 6

7 Mágneses folyadékok alkalmazása Széleskörű a mindennapi életünkben Tömítés (sealing): - vákuum technika - nagy nyomáskülönbségek HiFi hangszórók, membrán felfüggesztés mágneses folyadékon keresztül nagy teljesítmény, minimális torzítás 7 Pioneer 6x9" 2-Way 330 Watt MAX Music Power

8 Magneto-reológiai folyadékok - MRF Stabilis szuszpenziók: mágnesesen polarizálható mikrométeres részecskék diszpergálva alacsony tenziójú vivő folyadékban pl. olaj A folyási (reológiai) tulajdonságok lényeges változása már kis/közepes mágneses tér (MF) hatására. Folyadék állapot kis viszkozitás nincs MF MF hatásra a részecskék időbeli rendeződése Alkalmazás rezgéscsillapító (damper) Szilárd-szerű állapot nagy nyírófeszültség ébred (nagy folyási ellenállás) MF hatás Dong Ting tó - Kína a híd elemei magnetoreológiai folyadékot tartalmaznak csillapítja a szél hatását 8

9 Orvosbiológiai alkalmazás Vizes közegű mágneses folyadékok (MF) Elvárások: ne legyen toxikus, biokompatibilitás, kémiai stabilitás, egységes méret, jól diszpergált állapot Részecskeaggregáció embólia, trombózis veszélye a véredényekben Opszonizáció : a vérben található plazmaproteinek adszorpciója a nanorészecskéken - a RES (Reticulo Endothelialis System) makrofágjai bekebelezik nem érik el a célsejteket Fél-életidejük a vérben nagyon rövid, a májban és a lépben halmozódnak fel: RES sejtek, Kupffer sejtek (Feltehetőleg a vörösvértestek szintézisébe kapcsolódik a MF vastartalma) Védőréteg a részecske felületén: növeli a részecskék ellenállását a kémiai és biológiai degradációval szemben Multidiszplináris kutatások: kémia, fizika, mérnöki tudományok élő rendszerek: kolloidkémia + biológia 9

10 Orvosbiológiai alkalmazás Nanomedicina: minőségi ugrás - nano mérettartomány - meglévő gyógyszerek hatékonyabbá tétele - mellékhatások csökkentése - adagolásuk egyszerűsítése-szabályozhatósága Eredmények: tumoros és gombás betegségeknél Multimodularitás (több elemből áll) + multifunkcionalitás (többféle funkcióval rendelkezik) Alkalmazási lehetőségek: Különböző szállító és célzó modulok (Dr. Szebeni János: A nanomedicina fegyvertára, 2007) MRI- mágneses magrezonancia képalkotás Mágneses hipertermia Célzott hatóanyag bejuttatás 10

11 Orvosbiológiai alkalmazás - MRI Magnetic Resonance Imaging (MRI): - nagyfelbontású képalkotó módszer (diagnosztika) - valós idejű információ a beteg állapotáról - test szerkezetének leképezése (kontrasztkép, H-magok vizsgálata) Kontrasztanyag: a diagnózis érzékenységének növelése Jelenleg: gadolínium-komplexeket alkalmaznak (Magnevist, Dotarem) már mérhető koncentrációban megjelent a Duna vizében - OOC - OOC N N Gd 3+ N N COO - COO - gadolinium diethylenetriamine penta-acetic acid J. P. Hornak [Gd DOTA]ˉ Gd 3+ + DOTA 4- Alacsony toxicitású komplex Gd 3+ ion erősen toxikus Ligandum erősen toxikus 11

12 Orvosbiológiai alkalmazás - MRI Vas-oxidok: kiürülés a májon keresztül Dextránnal borított SPION-ok: klinikai tesztelés fázisában (, Resovist: dextrane fedett MNP, Endorem: carboxy-dextrane fedett MNP) Biokompatibilis vizes mágneses folyadék (pl. dextránnal stabilizált magnetit nanorészecskék) az erekben 12 Az agy érpályáinak axiális felvétele (MRI) (Joseph P. Hornak, Ph.D. felvétele) Kísérleti állat (patkány) lágyszerveinek térbeli képe

13 Orvosbiológiai alkalmazás - Mágneses hipertermia Hipertermia: felmelegítés Mágneses tér relaxáció során hőtermelés (súrlódás) Daganatos sejtek érzékenyebbek a hőre Előnyei: Kemoterápia dózisa csökkenthető, így a mellékhatás is Több egészséges sejt éli túl a kezelést Mágneses folyadék Min 30 perc C váltakozó mágneses tér Megoldásra vár: Hozzáférhetőség problémás Kérdéses az állatoknál alkalmazott mágneses tér használhatósága az embereken, illetve a dózis kiszámítása nehézkes Ha csökkentjük a mágneses tér erősségét, a hatás is csökken Kanülön (2) át a mágneses folyadék (1) tumoros sejtekhez juttatása, mágnessel (3) a mágneses folyadék tumoros területen tartása. 13

14 Orvosbiológiai alkalmazás - Célzott hatóanyag bejuttatás Cél: mellékhatások csökkentése a kemoterápia során gyógyszer mennyiségének csökkentése hatás is csökken csak a daganatos sejtek kezelése mágnessel célba juttatni terápia összköltsége csökkenthető mágneses mező szövet testfelszín katéter Mágneses folyadék Kemoterapeutikum C. Alexiou et al., Eur Biophys J., (2006) szövethez vezető artéria mágneses részecskék ZM Saiyed et al., BioMagnetic Research and Technology,(2003) 14

15 Orvosbiológiai alkalmazás - Teranosztika terápia + diagnosztika TERANOSZTIKA Terápia és diagnosztika egyszerre Hatékonyabb kezelés Kevesebb mellékhatás Hipertermia (terápia) + Célzott hatóanyag bejuttatás (terápia) + MRI (diagnosztika monitorozás) 15

16 Nettó felületi H + -többlet, mmol/g Mágneses folyadékok előállítása FeCl 2, FeCl 3 lúgos hidrolízis Fe 3 O 4 Magnetit ~10nm TEM HR-TEM 0,4 0,3 0, M mért 1 M illesztett 0,1 M mért 0,1 M illesztett 0,01 M mért 0,01 M illesztett 0,1 + - ph-függő felületi töltések 0-0,1 ph Fe-OH + H + = Fe-OH 2+ -0,2 PZC Fe-OH - H + = Fe-O - -0,3

17 Mágneses folyadékok tervezése orvosbiológiai alkalmazásra Komplex szemlélet, szigorú elvárások (fiziológiás körülmények: ph ~7, ~150 mm sókoncentráció) Vizes közegű mágneses folyadékok: kolloid rendszerek (nanorészecskék) részecskeaggregáció elkerülése kulcsfontosságú Kolloidstabilitás vizsgálata megjósolható a MF viselkedése az élő szervezetben Stabil Költséghatékony vizsgálati módszer az in vitro kísérletek előtt Aggregált Vér ph-ja 7,2-7,4 között 17

18 Intensity, % % Number, % % Mágneses folyadékok tervezése orvosbiológiai alkalmazásra A kolloidstabilitás jellemzése dinamikus fényszórás Nanorészecskék fényszórás (méret összemérhető a fény hullámhosszával) Number Particle size distribution 30 7 Intensity Magnetic fluid (OA+OA) diluted by water stabilized Malvern Instruments Hydrodynamic diamater, nm 0

19 Átlagos részecskeméret, nm Mágneses folyadékok tervezése orvosbiológiai alkalmazásra A kolloidstabilitás függ: a nanorészecskék töltésállapotától ph Sókoncentráció Stabilizáló ágens minősége/mennyisége Aggregációs zóna Stabil szolok ph Aggregált Stabil 19

20 Mágneses folyadékok tervezése orvosbiológiai alkalmazásra Kísérleti munka lépései: 1. Magnetit nanorészecskék szintézise vas-sók lúgos hidrolízise 2. Felületmódosítás - adszorpcióval 3. Kötés erősségének jellemzése (FT-IR spektroszkópia) 4. ph-függő töltésállapot/aggregáció vizsgálata (elektroforézis, DLS) 5. Sótűrés mérése 6. Biokompatibilitási kísérletek 7. Orvosbiológiai tesztek alkalmazási lehetőségek (MRI, mágneses hipertermia) 20

21 Mágneses folyadékok tervezése orvosbiológiai alkalmazásra Felületmódosító anyag adszorpciója magnetiten: ph ~6.5, 10 mm NaCl (24h) Adszorbeált mennyiség = (c 0 c e )*V/m Egyensúlyi koncentráció meghatározása spektrofotometriásan Nagy affinitású kezdeti szakasz, egyensúlyi koncentráció gyakorlatilag nulla Feltételezett mechanizmus: specifikus kötés a felületi helyek és a karboxilátcsoportok között PAA-MA PEGMA-AA PAA Részleges töltéssemlegesítés (aggregáció) Áttöltés (stabil) Adszorpciós izoterma 21

22 Mágneses folyadékok tervezése orvosbiológiai alkalmazásra Funkcionalizált PEG-polimerek adszorpciója Minták: magnetit, polimerek A karboxil(át) csoportok jellemző rezgései: ~1710 cm -1 (a COOH csoport C=O rezgése) ~1558 cm -1 (a COO - csoport aszimmetrikus rezgése) ~1406 cm -1 (a COO - csoport szimmetrikus rezgése) Hullámszám eltolódása nagyobb energiával gerjeszthető kötés jelenléte a COOH és a COO- csoportokra jellemző csúcsok aránya változik kötés COOH-n keresztül Fe-O rezgések: eltolódások: 554cm -1 -ről magasabb hullámszámok felé specifikus kötés kialakulása 22

23 Mágneses folyadékok tervezése orvosbiológiai alkalmazásra Felületmódosító hatás vizsgálata Polimer koncentráció Felületmódosító hatás: funkciós (főként COOH) csoportok mennyiségétől függ Kis mennyiségű polimer: részleges töltéssemlegesítés Nagyobb polimeradagok: áttöltés stabil minták aggregáció 23

24 Mágneses folyadékok tervezése orvosbiológiai alkalmazásra Felületmódosító hatás vizsgálata ph~3 ph~10 Polimerborítás elektrosztatikus stabilizálás Nagyobb részecskeméretek sztérikus stabilizálás Adszorpciós kapacitásnál nagyobb polimer adagolása: nincs aggregáció 24 Elektrosztérikus stabilizálás

25 Mágneses folyadékok tervezése orvosbiológiai alkalmazásra Biokompatibilitás vizsgálata MF nélkül MF hozzáadása után MF/vér 1:9 arányú keveréke (emberi vér egészséges donoroktól) Barna szín a plazmában magnetit Vérsüllyedés-érték nem változik Trombocita-aggregáció, hemolízis nem játszódik le A humán vérben citotoxikus aktivitás nem mérhető Hemokompatibilitás MF nélkül MF jelenlétében 25

26 Mágneses folyadékok tervezése orvosbiológiai alkalmazásra Orvosbiológiai alkalmazás - MRI GE Excite HD (1,5 T, EUROMEDIC DIAGNOSTICS SZEGED KFT.) Kontrasztfokozó hatékonyság jellemzése: relaxivitások (r 1 és r 2 ) meghatározása Minta (hidrodinamikai méret, nm) r 1 (mm -1 s -1 ) r 2 (mm -1 s -1 ) r 2 /r 1 PEG-OA@s-MNP (173) PEG-OA@p-MNP (121) Resovist (carboxydextran coated SPIO)* Magnevist (Gd-DTPA)* Kimagasló r 2 értékek a Gd-tartalmú kontrasztanyagokhoz képest ígéretes MRI kontrasztfokozó tulajdonság 26

27 Köszönet a munkám során nyújtott segítségért: Vizes Kolloidok Kutatócsoport ( Prof. Tombácz Etelka, Dr. Szekeres Márta, Dr. Tóth Ildikó Laboratóriumi Medicina Intézet: Farkas Katalin Köszönöm a figyelmet! kutatás az OTKA (NK 84014) valamint az Európai Unió és Magyarország támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával a TÁMOP A/ azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretei között valósult meg. 27