Controlled synthesis of superparamagnetic iron oxide nanoparticles in the presence of poly(acrylic acid)

Abstract

Süperparamanyetik demir oksit nanoparçacıkları manyetik rezonans görüntüleme,manyetik ayrıştırma, vücuda ilaç ve gen göndermeye kadar pek çok biyomedikal sahadakullanılmaktadır. Her biyomedikal uygulama için belli parçacık büyüklüğü, yüzey kimyasıgerekmekte ve hemen her uygulama için parçacıkların kararlılığı önemli olmaktadır. Buyüzden, parçacık boyu ve dağılımının kontrol edilmesi, uygun özelliklerde parçacık yüzeyielde edilmesi ve parçacıkların topaklaşması sonucu parçacık boyunun büyümesininengellenmesi bu sahada en çok çalışılan konulardır.Son yıllarda parçacık boyunu kontrol edebilmek için uygulanan yöntemlerden birisi,manyetik çekirdekleri polimerik malzemelerle kaplayarak kararlılığının sağlanmasıdır. Buaraştırmada poli(akrilik asit) sodyum tuzu polimeri bu amaç için kullanılmıştır. Demirtuzlarının su ve pol(iakrilik asit) sodyum tuzu bulunan ortamda amonyum hidroksit ilemuamele edilerek oksitlenmesi sağlanmış ve pol(iakrilik asit) ile stabilize edilmiş demiroksit nanoparçacıkları sentezlenmiştir. Bu araştırmanın asıl amacı, parçacık boyu vekararlılığını reaksiyonda kullanılan kimyasallarin konsantrasyonlarını değiştirerek kontroletmektir. Toplam demir konsantrasyonu, reaktif (COOH)/demir mol oranı, baz miktarı(NH4OH) ve polimerin moleküler ağırlığı olmak üzere dört faktör kontrol edilmiş ve bufaktörlerin parçacık boyuna (hidrodinamik), kararlılığına ve manyetizasyonuna olan etkisiincelenmiştir. statistiksel olarak bu faktörlerin etkilerini gözlemleyebilmek için DesignExpert 7.0 ve Minitab 14 Release programları kullanılmıştır. Bu veriler kullanılarak parçacıkboyu ve parçacık boyuna etki eden önemli faktörler arasında matematiksel bir ifade eldeedilmiştir. Daha sonra yapılan denemelerde bu matematiksel ifadenin parçacık boyunutahmin edebilmekte yeterli olduğu ve kararlı, suda çözünen süperparamanyetik demir oksitnanoparçacıklarının boyutunun kontrol edilebildiği görülmüştür. Ayrıca, poliakrilik asitsodyum tuzu seçilerek parçacıklarda pH'a duyarlı bir yüzey yaratılmış ve yüzeydekikarboksilik asit gruplari aracılığıyla başka moleküllerin de kimyasal olarak bağlanabilmesisağlanmıştır.Sentezlenen küçük ve kararlı süperparamanyetik demir oksit nanoparçacıkları belliorganlara ilaç gönderme ve manyetik rezonans görüntülemede kontrast yaratmapotansiyeline sahiptir. Bunun için 30,70 ve 110 nanometrede elde edilen poli(akrilik asit)kaplı parçacıklarıyla in vitro hücre çalışmaları ve manyetik rezonans görüntülemeyapılmıştır. Parçacıklar, HeLa ve MCF-7 kanser hücreleri ile inkübe edilerek, MTT analiziile hücre canlılıklarına bakılmıştır. lk çalışmalar, sentezlenen parçacıkların toksikolmadığını göstermektedir. Ayrıca, parçacıkların manyetik rezonans görüntüleme için deuygun oldukları görülmüştür.

Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIO) have been widely studied for a varietyof biomedical applications such as magnetic resonance imaging (MRI), drug and genedelivery, hyperthermia and magnetic separation. Each application requires a specific size andsurface chemistry in addition to stability. Therefore, controlling particle size and sizedistribution, providing functional surfaces and preventing particle aggregation are the keyissues in this field.Coating magnetic cores with polymeric materials to control particle size is one of thecommonly used methods in recent years. In this project, poly (acrylic acid) sodium salt isused as a polymeric stabilizer. Poly (acrylic acid)-stabilized superparamagnetic iron oxidenanoparticles were synthesized by treating iron salts with ammonium hydroxide in water inthe presence of PAA. Major goal of this research is to control particle size and stabilitythrough the control of reaction variables. Primarily, the influence of reaction variables,namely, iron concentration, reactive (COOH)/iron mole ratio, base (NH4OH) amount andpolymer molecular weight, on hydrodynamic size, stability and magnetic nature of theparticles was investigated. In order to design best set of experiments and correlate the resultsto variables, statistical programs Design Expert 7.0 and Minitab14 were used. Through theuse of deducted mathematical equation relating effective factors to the size, we achievedstable aqueous SPIOs with controlled size both in the small and ultrasmall size regime. Inaddition, the choice of PAA as the coating material provided functional groups on the surfacefor attachment of desired molecules and pH responsive nature to the SPIOs.Stability and small sizes of the SPIOs provide a potential for the achievement of moleculartargeting and contrast enhancement for MRI. Another goal of this project is to test thesuitability of these particles for in vivo applications such as targeted and non-targetedimaging and therapy. For this purpose, in vitro cell-studies and MRI imaging were carriedout with the prepared PAA-coated iron oxide nanoparticles with different hydrodynamicsizes (30, 70, 110nm). HeLa and MCF-7 cancer cells were incubated with our samples andcell viabilities were measured by MTT assay. Preliminary results indicate non-toxic behaviorof the particles to the cells. MRI investigation indicated potential for contrast enhancement.