Štúdium niektorých fyzikálnych systémov obsahujúcich jemné magnetické častice

Ústav experimentálnej fyziky, SAV

Doktorandka: Ing. Vlasta ZávišováŠkoliteľ: Doc. RNDr. Peter Kopčanský, CSc.

Doktorandské štúdium: od 1.9.2005 do 1.9.2009

EXPERIMENTY – príprava a štúdium:

1. magnetických častíc - sférické

- ihličkovité

2. magnetických kvapalín

- biokompatibilné pre biomedicínske aplikácie

- olejové pre priemysel

3. kompozitných systémov

- kvapalný kryštál + magnetické častice = feronematikum

- biodegradovateľný polymér + magnetická kvapalina + liečivo

obsah

liečivo - taxol

magnetit

Biokompatibilný

a biodegradovateľný polymér:

Enkapsulácia magnetitu a liečiva do polymérnych nanosfér (pre cielený transport)

PLGA nanosféra

PLGA - kopolymér kyselinymliečnej a glykolovej

PLA – polymér kyseliny mliečnej

Taxol

- protirakovinové liečivo- objavené v roku 1962- izolované z kôry tisu Pacific yew tree (Taxus brevifolia) - v r. 1971 Wall a Wani publikovali štruktúru tejto novej sľubnej zlúčeniny – komplex poly-oxygenated diterpene- v tise je koncentrácia taxolu ~ 100 mg/kg kôry (0.01%). - 100 ročný strom obsahuje 3 kg kôry – zber kôry likviduje strom

- našťastie – štruktúrne podobné zlúčenina 10-deacetylbaccatin III - môže byť izolovaná z ihličia Európskeho tisu - Taxus baccata, (výťažok 0.1%) - zber ihličia nezabíja stromy

-chemickou rekciou z tejto zlúčeniny môžeme získať taxol

Príprava polymérnych magnetických nanosfér

Nanoprecipitačná metóda • princíp tejto metódy je založený na veľmi pomalom pridávaní

organickej fázy k vodnej fáze za stáleho miešania • organické rozpúšťadlo bolo odparené pri atmosferickom tlaku a

izbovej teplote• agregáty boli odstránené filtráciou cez 0,3 µm hydrofilný filter

Polymérne nananosféry PLGA pozorované pomocou SEM

Priemer nanosfér 170 – 250 nmPriemer nanosfér 150 – 270 nm

Podarilo sa nám naviazať 40% liečiva (taxolu) do polymérnych nanosfér

sférické priemer častíc ~ 10 nm ihličkovité priemer častíc ~ 30 nm dĺžka častice ~ 400 - 800

nm

(α - FeOOH goetit)

(NH2)2CO + H2O 2NH3 + CO2

NH3 + H2O NH4+ + OH-

Fe3+ + 3OH- Fe(OH)3

Fe(OH)3 FeOOH + H2O

2FeOOH + Fe(OH)2 Fe3O4 + 2H2O

Pripravené termickou dekompozíciou

Ms = 67,5 emu/g = 67,5 A m2 /kgHc = 114 Oe = 114 . 1 000 / 4π = 9 072 A/m

2FeCl3 + FeCl2 + 8NaOH Fe3O4 + 4H2O

Pripravené zrážacou reakciou

Magnetitové častice

Msbulck = 0,46 T = 0,46/(4π.10-4ρ) emu/g = 70,6 emu/gρFe3O4 = 5,18 g/cm3

χFe3O4 = 0,31

prepočet

1F

3F

A A

TEM nanorodov Hysterézna slučka nanorodov meraná VSM magnetometromsaturačná magnetizácia Ms=7.5 mT koercitívna sila Hc=7 kA/m χi = 3,6 . 10-6

3F

• termodynamicky stabilná fáza • bez trojrozmernej kryštálovej mriežky• silný elektrický dipólový moment• molekuly tyčinkovitého tvaru• anizotropia vlastností

Kvapalný kryštál

pevné skupenstvo- tuhý kryštál

izotropná kvapalina

kvapalnokryštalická fáza - mezofáza

Tep

lota

silné orientačno – elastické väzby

tendencia molekúl zorientovať sa navzájom rovnobežne

Anizotropia vlastností

Termotropný kvapalný kryštál

obsah

nematická

smektická A

smektická C

Schématické zobrazenie fáz

Molekuly smektickej fázy vykazujú istý stupeň translačného usporiadania, (ktorý v nematiku nie je prítomný).

Molekuly sú zorientované do jedného smeru ako v nematiku, naviac sú však usporiadané do rovín alebo vrstiev.

Molekuly môžu byť na roviny vrstiev kolmé - smektikum A, - resp. s nimi môžu zvierať určitý uhol - smektikum C.

Pohyb molekúl je obmedzený na pohyb v rámci vrstvy, jednotlivé vrstvy sa však môžu po sebe posúvať

Nematická fáza molekuly sú usporiadané v jednom smerecharakterizované jednotkovým vektorom nazývaným direktorn

Kvapalné kryštály v magnetickom poli

2

1

a

i

c

K

DH

Kritické pole magnetického Frederickszonovho prechodu

D - hrúbka vzorkyKi – Frankové elastické konštanty (K1 -priečny ohyb, K2 - skrútenie, K3 - pozdĺžny ohyb)

a- anizotropia diamagnetickej susceptibility

H < Hc

H > HcH

Intenzita magnetického poľa pri ktorej dochádza k zmene orientácii molekúl kvapalného kryštálu nazývame kritické magnetické pole Hc

Brochard a de Gennes myšlienka pridať do kvapalného kryštálu jemné magnetické častice

J.Phys. (Paris) 31,(1970) 691

anizotropia diamagnetickej susceptibility kvapalných kryštálov

a = - (zvyčajne 0) ~ 10-7- 10-6

potrebné vysoké intenzity magnetického poľa (~ 1 T)

na otočenie LC textúry

Feronematiká suspenzie jemných magnetitových častíc v nematickom kvapalnom kryštály

Rault et al 1. experimentálna práca (MBBA a Fe2O3 )Phys Lett. A 32 (1970) 199

prítomnosť magnetických prímesí zvyšuje magnetickú susceptibilitu FN, v porovnaní s čistým NLC

vzniká silná orientačná väzba medzi momentom magnetických častíc a direktorom nematického kvapalného kryštálu vonkajšie magnetické pole mení orientáciu častíc a cez ne pôsobí na textúru nematického

kvapalného kryštálu

Dve základné teórie popisujúce rovnovážnu orientáciu direktora kvapalného kryštálu a magnetického momentu magnetických častíc

vzhľadom na okolité nematické prostredie

Brochard a de Gennes Burylov a Raikher

uvažovali paralelnú orientáciumagnetického momentu magnetických častíc s direktorom vzorky

n(r) m(r)

~ pevné ukotvenie

zaviedli parameter = Wd/K W – povrchová hustota kotviacej energieK - elastická konštanta nematikad – priemer magnetických častíc

určuje typ ukotvenia vo FN: >> 1 ~ pevné ukotvenie s n(r)m(r)

1 ~ slabé ukotvenie s n(r) m(r) alebo n(r) m(r)

Závislosť kapacity 6CHBT feronematického kvapalného kryštálu s objemovou

koncentráciou magnetických častíc Φ = 2 x 10-4 (merané pri teplote 30°C).

• W – povrchová hustoty kotviacej energie vzťahu (Raiker, 1995):

kde • Bc je kritické pole Frederickszovho prechodu v čistom kvapalnom kryštály, • BCFN je kritické pole Frederickszovho prechodu vo feronematiku,• W povrchová hustoty kotviacej energie W vo feronematiku,• d je stredný priemer magnetických častíc (pre magnetickú pastu 10 nm t.j. 10-8 m),• Φ je objemová koncentrácia magnetických častíc (2 .10-4 ),• μ0 je permeabilita vákua (μ0=4π. 10-7)• χa je susceptibilita kvapalného kryštálu (pre 6 CHBT χa=4,805.10-7 ) vypočítané zo

vzťahu:

kde • D je vzdialenosť dosiek kondenzátora (D = 5.10-6m)• K11 je elastická konštanta (pre 6CHBT K11= 6,71 .10-12 N)• Z hodnôt povrchovej hustoty kotviacej energie W bol vypočítaný parameter ω zo

vzťahu:

d

WBB

a

CCFN

022 2-

0

11

a

LC

K

DH

KWd /

Tvar

magnetických

častíc

Bc

[T]

BCFN

[T]

Dĺžka

[nm]

W

[N/m]

Parameter

ω

sférické 10,69 9,55 10 2,20E-04 3,28E-01

retiazka

magnetozómov

10,69 8,82 500 1,74E-02 1,30E+03

nanorody 10,69 6,75 534 3,50E-02 2,79E+03

Z hodnôt vypočítaného parametru ω je zrejmé, v prípade retiazky magnetozómov a nanorodov ide o silné ukotvenie molekúl kvapalného kryštálu na magnetické častice.

Aplikácie: v oblasti, kde je potrebné meniť orientáciu kvapalného kryštálu pomocou vonkajšieho magnetického poľa Mapovanie magnetického poľa

Prezentácie 1. Tatry - NanovedAplikácie magnetických kvapalín v biomedicíne M.Timko, P.Kopčanský, M.Koneracká, I.Potočová, V.Závišová

2. Saarbrucken - Magnetic Colloidal Fluids: Preparation, Chararacterization, Physical Properties and Applications

Some immobilization modes of biologically active substances to fine magnetic particles

M.Koneracká, V.Závišová, N.Tomašovičová, P.Kopčanský, M.Timko

3. Berlín – Workshop on Biomedical Applications of Nanotechnology - NanoMed 2006

4. Krems - 6th International Conference Scientific and Clinical Applications of Magnetic CarriersEncapsulation of Indomethacin into Magnetic Labelled Biodegradable PolymerV.Závišová, M.Koneracká, N.Tomašovičová, P.Kopčanský, M.Timko, I.Vavra

5. Riga – Magnetic particles for applications in biomedicineM.Timko, M.Koneracká, N.Tomašovičová, P.Kopčanský, V.Závišová

6. Staré Jablonky -16th Conference of Liqiud Crystals The structural transitions in ferronematics and ferronematic dropletsP.Kopčanský, M.Koneracká, M.Timko, I.Potočová, L.Tomčo, N.Tomašovičová, V.Závišová, J.Jadzyn

7. Znojmo – Structural and ferroelectric phase transitionsTemperature dependence of critical magnetic field of structural transition in MBBA – based

ferronematicsN.Tomašovičová, M.Koneracká, P.Kopčanský, M.Timko, V.Závišová, J.Jadzyn

Najnovšie publikácie 2006 - 2007

Z. Phys. Chem. 220 (2006) 1–9Some Immobilization Modes of Biologically Active Substances to Fine Magnetic ParticlesV. Závišová, M. Koneracká, N. Tomašovičová, P. Kopčanský, M. Timko

Measurement Science Review 6, Section 2 No 3: Measurement in Biomedicine (2006) 32-35Infrared study of biocompatible magnetic nanoparticles,N.Tomašovičová, M.Koneracká, P.Kopčanský, M.Timko, V.Závišová

J. Magn. Magn. Mater. 300 (2006) 191-194 Magnetite polymer nanospheres loaded by indometacin for anti-inflammatory therapy.M.Timko, M.Koneracká, N.Tomašovičová, P.Kopčanský, V.Závišová

Journal of Magnetism and Magnetic Materials – 311 (2007) 379 -382.Encapsulation of indomethacin into magnetic labelled biodegradable polymerV. Závišová, M. Koneracká, O. Štrbák, N. Tomašovičová, P. Kopčanský, M. Timko, I. Vavra

Phase transitions - 79 (2006) 595.Temperature dependence of critical magnetic field of structural transition in MBBA – based ferronematicsN.Tomašovičová, M.Koneracká, P.Kopčanský, M.Timko, V.Závišová, J.Jadzyn

SPIE – zaslanéThe structural transitions in ferronematic dropletsP.Kopčanský, M.Koneracká, M.Timko, I.Potočová, L.Tomčo, N.Tomašovičová, V.Závišová, J.Jadzyn

In Neuroendocrinology Letters. Vol. 27, Suppl 2 (2006), p. 96 – 99 (1,005 IF 2005)Acute toxicity of magnetic nanoparticles in mice Gajdošíková, A. – Gajdošík, A. – Koneracká, M . – Závišová, V. – Štvrtina, S. – Krchnárová, V. – Kopčanský, P. – Tomašovičová, N. – Štolc, S. – Timko, M.

Ďakujem za pozornosť