Universitatea „Alexandru Ioan Cuza” din Iaşi

Facultatea de Fizică

REZUMAT AL TEZEI DE DOCTORAT

Materiale nanostructurate pentru

aplicații biomedicale și tehnice

Doctorand

Emil PUȘCAȘU

Conducător ştiinţific

Prof. univ. dr. Felicia IACOMI

Iași,

2018

-2-

Universitatea „Alexandru Ioan Cuza” din Iaşi

Facultatea de Fizică

Vă facem cunoscut că în data de 03 septembrie 2018, ora 11:00, în Sala L1,

doctorandul Emil PUȘCAȘU va susţine, în şedinţă publică, teza de doctorat cu

titlul “Materiale nanostructurate pentru aplicații biomedicale și tehnice”, în

vederea obţinerii titlului ştiințific de doctor în domeniul fundamental Ştiinţe

Exacte, domeniul Fizică.

Comisia de doctorat are următoarea componeţă:

Preşedinte:

Prof.univ.dr. Diana MARDARE, Director Şcoală Doctorală, Facultatea de

Fizică, Universitatea “Alexandru Ioan Cuza” din Iaşi

Conducător ştiinţific:

Prof. univ.dr. Felicia IACOMI, Facultatea de Fizică, Universitatea “Alexandru

Ioan Cuza” din Iaşi

Referenți:

prof. univ. dr. Viorica SIMON, Facultatea de Fizică, Universitatea Babeș-Bolyai

din Cluj-Napoca

Cerc. Princ. II, fiz. Dr. Daniel ŢÎMPU, Institutul de Chimie Macromoleculară

"Petru Poni" Iaşi

prof. univ. habil. dr. Dorina CREANGĂ, Facultatea de Fizică, Universitatea

“Alexandru Ioan Cuza” din Iaşi

Vă invităm pe această cale să participaţi la şedinţa publică de susţinere a tezei.

Teza poate fi consultată la Biblioteca Facultăţii de Fizică.

-3-

CUPRINS Introducere 4

Capitolul I: Tehnici de sinteză și metode de analiză a nanoparticulelor

magnetice utilizate în aplicații biomedicale și tehnice I.1: Introducere

I.2: Tehnici de sinteză a nanoparticulelor magnetice

I.3: Metode de investigare a morfologiei, structurii cristaline și a

proprietăților magnetice

5

5

6

6

I.4. Referințe 6

Capitolul II: Contribuții la studiile privind stabilizarea electrostatică vs

sterică a nanoparticulelor de Fe3O4 și Co0,5Fe2,5O4 II.1: Introducere

II.2: Experimental

II.3: Rezultate şi discuţii

II.4: Concluzii

II.5: Referinţe

7

7

8

10

10

Capitolul III: Contribuții la studierea proprietăților structurale și

magnetice ale nanoparticulelor din seria CoxFe3-xO4 III.1: Introducere

III.2: Sinteza nanoparticulelor de CoxFe3-xO4

III.3: Metodele de caracterizare a suspensiilor sintetizate

III.4: Rezultatele caracterizării fizice a nanoparticulelor de CoxFe3-xO4

III.5: Concluzii

III.6: Referințe

11

11

11

12

15

15

Capitolul IV: Contribuții la studiile privind nanocompozitele de tipul oxid

de fier-dioxid de siliciu IV.1: Introducere

IV.2: Experimental

IV.3: Rezultate şi discuţii

IV.4: Concluzii

IV.5: Referinţe

16

16

17

19

19

Capitolul V: Contribuții la studierea proprietăților structurale, magnetice și

de citotoxicitate ale nanoparticulelor metalice pe bază de oxizi de fier V.1: Introducere

V.2: Experimental

V.3: Rezultate şi discuţii

V.4: Concluzii

V.5: Referinţe

Concluzii generale

Anexă - Lista comunicărilor știinţifice și a articolelor publicate

20

20

21

55

24

25

28

-4-

Introducere

Dezvoltarea nanotehnologiei a oferit oportunităţi extraordinare pentru

diferite aplicații ale nanoparticulelor și nanocompozitelor datorită proprietăților

speciale pe care acestea le au, și anume caracteristicile microstructurale și cele

magnetice. Abordarea multidisciplinară este imperios necesară pentru a obține

miezuri de dimeniuni nanometrice, pentru a le putea stabiliza împotriva tendinței

de agregare, a le acoperi cu un înveliş molecular adecvat și a le grefa

biomolecule de interes atunci când se intenționeză utilizare acestora în scopuri

biomedicale, cum ar fi livrarea de medicamente asistate magnetic în țesuturile

țintă, protocoale de tratament oncologic experimental bazate pe hipertermie

tumorală, agenți de contrast în imagistica prin rezonanță magnetică nucleară,

separare celulară marcată magnetic, detoxifiere biofluidă, repararea țesuturilor

etc.

Scopul acestei teze de doctorat a fost axat pe sinteza unor materiale

nanostructurate pentru aplicații biomedicale și tehnice.

Teza de doctorat este structurată pe cinci capitole, o introducere și concluzii

generale, fiecare capitol fiind însoțit de referințe bibliografice.

Primul capitol descrie metodele de sinteză a materialelor magnetice

nanostructurate, și prezintă o scurtă descriere a metodelor uzuale de investigare a

morfologiei, structurii cristaline și a proprietăților magnetice ale acestor

materiale.

Capitolele 2-5 prezintă rezutatele originale referitoare la stabilizarea

electrostatică vs. sterică a nanoparticulelor de magnetită și ferită de cobalt,

studiul proprietăților structurale și magnetice ale nanoparticulelor de ferită de

cobalt în funcție de conținutul în cobalt, studiul nanocompozitelor de tipul oxid

de fier-dioxid de siliciu și studiul proprietăților structurale, magnetice și de

citotoxicitate ale nanoparticulelor pe bază de oxizi de fier.

Rezultatele originale cuprind metode de sinteză adaptate pentru obținerea de

nanoparticule și structuri core-shel cu proprietăți corespunzătoare pentru aplicații

biomedicale sau tehnice.

Evaluarea citotoxicității s-a efectuat asupra liniei de celule V79 provenită de

la hamsterul chinezesc, studiul fiind rezultatul colaborării cu ”Institutul de

cercetări biologice din Iași”.

-5-

Capitolul I: Tehnici de sinteză și metode de analiză a nanoparticulelor

magnetice utilizate în aplicații biomedicale și tehnice

I.1: Introducere

Aplicațiile actuale ale nanoparticulelor magnetice, atât cele biomedicale cât

și cele tehnice, sunt dictate în primul rând de dimensiunea, forma și

comportamentul acestora în prezența câmpurilor magnetice.

Astfel, pentru aplicații biomedicale sunt preferate particulele suspendate în

mediu apos, în timp ce pentru aplicații tehnice- care au fost și primele propuse și

dezvoltate- pot fi utilizate particule suspendate în medii nepolare (hidrocarburi).

Există multiple metode de sinteză a nanoparticulelor, optimizate în funcție

de aplicația vizată, însă cele mai populare și intens studiate sunt cele chimice,

cum este metoda co-precipitării, și cele fizice, cum este metoda mecano-sintezei

(măcinării în mori cu bile). Alte tehnici des utilizate de sinteză pentru obținerea

nanoparticulelor sunt tehnica sol-gel, metoda descompunerii termice și metoda

microemulsiilor.

Particulele obținute sunt caracterizate în mod obișnuit din punct de vedere

microstuctural prin microscopie electronică de transmisie (TEM) sau prin

microscopie de baleiaj (SEM), în timp ce pentru obținerea de informații cu

privire la compoziția chimică, dimensiunea cristalitelor sau a morfologiei

particulelor, care ar putea influența semnificativ proprietățile magnetice ale

acestora, sunt utilizate metode complementare, cum ar fi: analiza dispersiei

radiaţiei X după energie (EDAX), utilizată pentru a obține informații privind

compoziția chimică elementală; analiza difracției de radiație X (XRD), utilizată

pentru caracterizarea structurii cristaline; împrăștierea radiației X sub unghiuri

mici (SAXS), utilizată pentru a furniza informații despre particulele suspendate

în lichide purtătoare; magnetometria cu probă vibrantă (VSM), utilizată pentru

descrierea comportamentului magnetic al particulelor, etc.

I.2: Tehnici de sinteză a nanoparticulelor magnetice

I.2.1: Co-precipitarea chimică

Metoda co-precipitării chimice utilizată pentru sinteza nanoparticulelor

magnetice presupune ca ionii de Fe3+

și ionii unui metal divalent M2+

=Fe, Co,

Zn, Mn, Cu, etc. să fie co-precipitați în prezența unei baze tari, cum este

hidroxidul de sodiu sau hidroxidul de tetrametilamoniu, în condiții de agitare

puternică. După obținerea unui precipitat de culoare maro-neagră, care indică

faptul că particulele de tipul MFe2O4 s-au format, suspensia rezultată este agitată

în continuare pentru a asigura interacțiunea reactivilor. Ulterior, precipitatul se

separă de mediul de reacție.

-6-

Prin utilizarea unui amestec stoichiometric de săruri feroase și ferice (Fe(II)

și Fe(III)) se poate realiza precipitarea cu o soluție de hidroxid de sodiu (NaOH)

la temperatura camerei, obținându-se nanoparticule cu o dimensiune medie de 6

nm, sau la temperatura de 80 ºC, obținându-se nanoparticule cu dimensiunea

medie de 12 nm [1].

I.3: Metode de investigare a morfologiei, structurii cristaline și a

proprietăților magnetice

I.3.1: Metoda microscopiei electronice de transmisie (TEM)

Microscopia electronică de transmisie este o tehnică de bază utilizată în

caracterizarea nanoparticulelor, furnizând informații cu privire la dimensiunea și

morfologia acestora, precum și unele informații structurale.

I.3.2: Metoda microscopiei electronice de baleiaj (SEM)

Microscopia electronică de baleiaj este utilizată în vederea obținerii de

informații cu privire la dimensiunea, morfologia și compoziția chimică

elementală a nanoparticulelor.

I.3.3: Metoda difracției de radiație X (XRD)

Metoda difractometrică permite obținerea de informații structurale:

parametrii celulei eleentare, dimensiunea cristalitelor, etc. Valoarea dimensiunii

cristalitelor (Dhkl) poate fi determinată cu formula lui Scherrer,

Dhkl=K/(coshkl), unde K - factor adimensional (K=0,89), λ (Å) - lungimea de

undă a radiației X, β (rad) - lărgimea picului XRD la jumătate din înălţime, θhkl -

unghiul Bragg corespunzător planului cristalin (hkl). Parametrul de retea a, al

rețelei cubice, poate fi calculat plecând de la relația de legătură dintre distanța

interplanară, dhkl și parametrii celulei elementare: (1/d2hkl)=(h

2+k

2+l

2/a

2).

I.3.4: Metoda magnetometriei cu probă vibrantă (VSM)

Magnetometria cu probă vibrantă este o tehnică cu ajutorul căreia se pot

evidenția și determina cantitativ proprietățile magnetice ale materialelor. Pentru

măsurarea magnetizației proba de analizat execută o mișcare de vibrație în

bobinele de măsură situate în câmp magnetic uniform.

I.4: Referinţe selective

[1] Kim D.K, Mikhaylova M, Zhang Y, Muhammed M, (2003) Chem Mater

15:1617-1627

-7-

Capitolul II: Contribuții la studiile privind stabilizarea electrostatică vs.

sterică a nanoparticulelor de Fe3O4 și Co0,5Fe2,5O4

II.1: Introducere

Nanoparticulele magnetice utilizate în principal în aplicații biomedicale dar

și în unele aplicații tehnologice necesită dispersia nanoparticulelor în medii

lichide. Datorită caracteristicilor specifice ale nanoparticulelor, legate de raportul

ridicat dintre suprafață și volum, stabilitatea în suspensie apoasă implică

substanţe organice pentru a intermedia interacțiunile fazei solide cu fluidele din

mediu.

Stabilitatea coloidală este atinsă atunci când forțele de respingere le

echilibrează pe cele de atracție - care, în cazul nanoparticulelor magnetice

coloidale sunt în principal atracții magnetice dipol-dipol.

Este recunoscută capacitatea ionului oleat de a echilibra tendința de

aglomerare a nanoparticulelor magnetice (MNP) prin stabilizare sterică în

dispersii apoase. Printre cei mai utilizați reactivi folosiți pentru stabilizarea MNP

utilizând forțe presupus a fi predominant electrostatice merită menționat acidul

citric [1] și acidul percloric [2].

II.2: Experimental

II.2.1: Tehnologia de sinteză

Miezurile magnetice au fost obținute printr-o metodă de co-precipitare

ajustată, pentru a obține MNP cu dimensiuni controlate [3].

Tabelul II.1: Reactivii utilizaţi pentru sinteza suspensiilor coloidale de nanoparticule magnetice

Proba Clorură

ferică

Clorură

feroasă

Clorură

de cobalt

Hidroxid

de sodiu

Miez

magnetic

Agent de

stabilizare

P1 100mL

134mM

100mL,

67mM

- 50mL,

1,7M

Fe3O4 3mL, 25%

HClO4

P2 100mL,

134mM

50mL,

67mM

50mL,

67mM

50mL,

1,7M

Co0,5Fe2,5O4 3mL, 25%

HClO4

S1 100mL,

134mM

100mL,

67mM

- 50mL,

1,7M

Fe3O4 0,3g

C18H33NaO

S2 100mL,

134mM

50mL,

67mM

50mL,

67mM

50mL,

1,7M

Co0,5Fe2,5O4 0,3g

C18H33NaO

Cantităţile corespunzătoare de săruri metalice, în raporturi stoichiometrice

specifice, prezentate în Tab. II.1, au fost dizolvate în apă și aduse la temperatura

de 80 °C. Hidroxidul de sodiu încălzit la 55 °C a fost adaugat prin picurare, iar

substanţele au fost lasate să interacţioneze 50 minute. Pulberile brune obţinute au

fost spălate cu apă pentru a elimina rezidurile de reacţie. Probele stabilizate

-8-

electrostatic în prezența acidului percloric, denumite P1 şi P2, au fost spălate cu

apă, iar probele stabilizate steric, în prezența oleatului de sodiu, denumite S1 şi

S2, au fost spălate cu apă uşor acidă (acidifiată cu HCl diluat) la pH de 3-4.

Excesul de surfactant a fost eliminat prin spălări repetate cu apă caldă, la o

temperatură de aproximativ 40 C, pentru a asigura stabilitatea finală a

suspensiilor.

II.2.2: Metode de investigare

Probele obținute au fost investigate cu ajutorul microscopiei electronice de

baleiaj (VEGA\TESCAN), difracţiei de radiație X (Shimadzu LabX XRD-6000,

CuK), metodei de analiză particulă cu particulă (NanoSight LM20, λ=635nm) și

magnetometriei cu probă vibrantă (MicroMag, model 2900/3900).

II.3: Rezultate şi discuţii

Imaginile SEM ale nanoparticulelor din seriile Fe3O4 și Co0,5Fe2,5O4

stabilizate în prezența acidului percloric și respectiv a oleatului de sodiu (Fig.

II.1) [3] evidențiază forma geometrică regulată a acestora precum și diametre

cuprinse între 25 și 50 nm.

(a) (b)

(c) (d)

Figura II.1: Imagini SEM pentru probele stabilizate (a) Co0,5Fe2,5O4 stabilizate în prezența acidului

percloric- P2; (b) Co0,5Fe2,5O4 stabilizate în prezența oleatului de sodiu- S2; (c) Fe3O4 stabilizată în

prezența acidului percloric- P1; (d) Fe3O4 stabilizată în prezența oleatului de sodiu- S1.

Difractogramele probelor sintetizate (Fig. II.2) [3] au permis calcularea cu

ajutorul formulei lui Scherrer a dimensiuii cristalitelor Dhkl.

-9-

Valorile dimensiunilor cristalitelor, de 10 nm pentru P1, 17 nm pentru P2, 9

nm pentru S1 și respectiv 16 nm pentru S2, indică aspectul policristalin al

nanoparticulelor și că dimensiunea cristalitelor creşte odată cu substituirea

ionului divalent de Fe(II) de către ionul de Co(II), pentru ambele tipuri de

miezuri magnetice stabilizate în suspensii apoase.

Metoda NTA a evidenţiat un diametru hidrodinamic mai mic pentru

miezurile magnetice de Co0,5Fe2,5O4 în comparație cu miezurile magnetice de

Fe3O4, pentru acelaşi raport de diluţie (0,2%) a suspensiilor coloidale, așa cum

reiese din Tab. II.2 şi Fig. II.3.

(a) (b) Figura II.2: Investigația XRD: (a) pentru probele P1 şi P2; (b) pentru probele S1 şi S2.

Tabelul II.2: Caracteristicile furnizate de metoda NTA pentru eşantioanele probelor sintetizate şi diluate în raport de 0,2%

Proba Miez magnetic Tip de

stabilizare

Diametru NTA

(nm)

Concentraţia NTA

(particule/mL)

P1 Fe3O4 electrostatic 216 2,60·108

P2 Co0,5Fe2,5O4 electrostatic 65 9,19·108

S1 Fe3O4 steric 119 4,92·108

S2 Co0,5Fe2,5O4 steric 98 9,31·108

Fig. II.3 [3] prezintă concentraţia de nanoparticule în suspensie versus

dimensiunea diametrului hidrodinamic. Cea mai mică polidispersitate a fost

înregistrată în cazul probei P2, iar cea mai mare pentru proba P1. Pentru probele

stabilizate steric, respectiv S1 şi S2, au fost înregistrate valori intermediare.

Curbele de magnetizație înregistrate pentru suspensiile sintetizate (Fig. II.4

(a), Fig. II.4 (b)) [3] prezintă pentru probele stabilizate electrostatic P1 și P2

magnetizații de saturație apropiate, de 73 Am2/kg, respectiv 70 Am

2/kg, în timp

ce pentru probele S1 și S2 valorile magnetizaţiei de saturaţie diferă, fiind de 58

Am2/kg , respectiv 35 Am

2/kg.

Rezultatele obținute relevă nanoparticule cu dimensiuni și proprietăți

corespunătoare pentru aplicații medicale sau tehnice, comparabile cu cele din

literatura de specialitate.

-10-

(a) (b)

Figura II.3: Imaginile furnizate de metoda NTA pentru soluțiile coloidale de nanoparticule cu diluție

0,2%: (a) pentru proba S1; (b) pentru proba S2.

(a) (b)

Figura II.4: Curbele de magnetizație înregistrate pentru pulberile probelor sintetizate: (a) probele P1 și P2, stabilizate în prezenţa acidului percloric; (b) probele S1 și S2, stabilizate în prezenţa oleatului

de sodiu.

II.4: Concluzii

Nanoparticulele de Fe3O4 şi Co0,5Fe2,5O4, obținute folosind metoda co-

precipitarii chimice din săruri metalice precursoare, au fost stabilizate în formă

de suspensii stabile dispersate in mediu apos. Acidul percloric a asigurat

stabilizarea electrostatică a miezurilor magnetice, în timp ce oleatul sub forma de

dublu strat a asigurat stabilizarea sterică. Dimensiunile reduse ale cristalitelor

precum şi proprietăţile superparamagnetice recomandă suspensiile coloidale

astfel obţinute pentru aplicaţii în domeniul ştiinţelor vieţii.

II.5: Referinţe selective

[1] Goodarzi A, Sahoo Y, Swihart M. T, Prasad P. N, (2004) Mat. Res. Soc.

Symp. Proc. 789:6.6.1-6.6.6

[2] Soler M. A. G, Melo T. F. O, da Silva S. W, Lima E. C. D, Pimenta A. C. M,

Garga V. K, Oliveira A. C, Morais P. C, (2004) J. Magn. Magn. Mater. 272–

276:2357-2358

[3] Puscasu E, Domocos A, Leostean C, Turcu R, Brinza F, Nadejde C, Iacomi

F, Creanga D, (2015) AIP Conference Proceedings 1700:060013-1 – 060013-5

-11-

Capitolul III: Contribuții la studierea proprietăților structurale și

magnetice ale nanoparticulelor din seria CoxFe3-xO4

III.1: Introducere

În acest capitol al tezei de doctorat sunt evidențiate proprietățile

nanoparticulelor de CoxFe3-xO4, unde x=0; 0,25; 0,5; 0,75 și 1, stabilizate în

prezența acidului citric, reactiv recunoscut pentru proprietățile sale de

biocompatibilitate.

III.2: Sinteza nanoparticulelor de CoxFe3-xO4

În procesul de obținere a suspensiilor coloidale de nanoparticule magnetice

din seria CoxFe3-xO4 (x=0; 0,25; 0,5; 0,75 și 1) au fost utilizați reactivi în

cantitățile precizate în Tab. III.1. Pulberea maro-neagră obținută prin metoda co-

precipitării chimice a fost separată din mediul de reacție, iar apoi a fost spălată

cu apă pentru a elimina produșii de reacție nedoriți. Particulele obținute au fost

stabilizate utilizând acid citric, excesul de citrat fiind eliminat prin spălari

repetate cu apă.

Tabelul III.1: Cantitățile de reactivi utilizați pentru sinteza suspeniilor coloidale de nanoparticule

magnetice din seria CoxFe3-xO4 stabilizate în prezența acidului citric

Proba x Clorură

ferică

Sulfat de

cobalt

Sulfat

feros

Hidroxid de

sodiu

Acid

citric

P1 0 3,62g,

134mM

- 1,86g,

67mM

3,4g, 1,7M 1,7g

P2 0,25 3,62g,

134mM

0,47g,

67mM

1,40g,

67mM

3,4g, 1,7M 1,7g

P3 0,5 3,62g,

134mM

0,94g,

67mM

0,93g,

67mM

3,4g, 1,7M 1,7g

P4 0,75 3,62g,

134mM

1,41g,

67mM

0,47g,

67mM

3,4g, 1,7M 1,7g

P5 1 3,62g,

134mM

1,88g,

67mM

- 3,4g, 1,7M 1,7g

III.3: Metodele de caracterizare a suspensiilor sintetizate

Investigarea nanoparticulelor din suspensile obținute s-a realizat cu ajutorul

microscopului electronic prin transmisie Hitachi High-Tech HT7700,

difractometrului Shimadzu LabX XRD-6000 (CuK), sistemului de împrăștiere a

radiației X la unghiuri mici Bruker-Nanostar U (SAXS), spectrometrului IR cu

transformată Fourier Bruker Vertex 70 și a magnetometrului cu probă vibrantă

Lake Shore VSM 7410.

-12-

III.4: Rezultatele caracterizării fizice a nanoparticulelor de CoxFe3-xO4

Imaginile TEM (Fig. III.1) evidențiază formă cvasi-sferică, cu un început

de fațetare în cazul probei cu concentrația de cobalt cea mai ridicată (P5).

Incidența maximă de apariție dimensională, DTEM, este prezentată în Tab. III.2.

Rezultatele sunt comparabile cu cele observate în literatură [1].

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figura III.1: Imaginile TEM ale probelor coloidale sintetizate din seria CoxFe3-xO4 stabilizate în

prezența acidului citric:(a) Fe3O4; (b) Co0,25Fe2,75O4; (c) Co0,5Fe2,5O4; (d) Co0,75Fe2,25O4; (e) CoFe2O4.

Picurile XRD ale probelor sintetizate (Fig. III.2.) au fost indexate pentru

proba cu miez de magnetită în conformitate cu ASTM Card nr. 11-614, în timp

ce pentru proba cu miez de ferită de cobalt atribuirea a fost realizată în

conformitate cu PDF Card nr. 22-1086. Dimensiunea cristalitelor, precum și

-13-

valorile parametrului celulei elemenare a, corespunzătoare nanoparticulelor din

seria CoxFe3-xO4, stabilizate în prezența acidului citric, cresc o dată cu creșterea

concentrației de cobalt (creșterea lui x) (Tab. III.2).

Tabelul III.2: Valorile dimensiunilor TEM, ale cristalitelor și ale parametrilor de rețea pentru nanoparticulele din seria CoxFe3-xO4 stabilizate în prezența acidului citric

Proba DTEM(nm) Dhkl(nm) a(Å)

P1 14,8 10,3 8,356

P2 10,9 8,5 8,364

P3 10,7 9,7 8,389

P4 11,8 10,7 8,408

P5 19,0 11,1 8,377

În literatură [2] s-au raportat dimensiuni ale parametrului de rețea al

magnetitei de aproxmativ 8,344 Å și o creștere a parametrului de rețea de până la

aproximativ 8,374 Å, odată cu creșterea în structura magnetitei a concentrației

molare de cobalt la 10%. Datorită faptului că Fe3O4 și CoFe2O4 au constante de

rețea similare și structură cristalină identică este dificil de a face diferența între

probe cu ajutorul tehnicii XRD.

Figura III.2: Difractogramele nanoparticulelor

sintetizate din seria CoxFe3-xO4.

Figura III.3: Curbele de magnetizație pentru

probele sintetizate din seria CoxFe3-xO4.

Tabelul III.3: Proprietățile magnetice evidențiate pentru probele sintetizate experimental din seria CoxFe3-xO4 stabilizate în prezența acidului citric

Proba Ms (emu/g) Hc (G) Mr (emu/g) Mr/Ms

P1 62,781 14,176 1,34 0,021

P2 60,082 83,788 4,28 0,071

P3 53,959 343,36 9,36 0,173

P4 60,473 424,87 12,21 0,202

P5 51,871 2304,4 27,59 0,532

-14-

Curbele de magnetizație (Fig. III.3) ale probelelor sintetizate, sunt

dependente de conținutul de Co. În Tab. III.3 sunt prezentate valorile obținute

experimental pentru magnetizația specifică de saturație (Ms), câmpul coercitiv

(Hc), magnetizația remanentă (Mr) precum și valorile raportului Mr/Ms care

furnizează informații despre interacțiunea magnetostatică dintre particule. Pentru

primele patru probe valoarea este mai mica de 0,5, sugerând că particulele

interacționează magnetostatic, în timp ce pentru proba P5 valoarea raportului

depășește acest prag.

Din Fig. III.4 se observă că, odată cu creșterea conținutului de Co (de la

x=0 la x=1), valorile câmpului coercitiv și ale magnetizației remanente cresc.

Figura III.4: Variația magnetizației remanente

și a câmpului coercitiv în funcție de conținutul de cobalt x.

Figura III.5: Spectrele FT-IR ale

nanoparticulelor CoxFe3-xO4 și spectrul acidului citric.

Spectrele FT-IR (Fig. III.5) au fost înregistrate pentru fiecare eșantion al

probelor sintetizate în comparație cu spectrul FT-IR înregistrat pentru acidul

citric pur. Spectrele FT-IR confirmă legarea citratului de nanoparticulele oxidice,

pentru toate cele 5 probe sintetizate.

Figura III.6. Curbele de dispersie-dependența

intensității de împrăștiere de vectorul de

împrăștiere q.

Figura III.7: Curbele Porod-Debye, q4I(q)=f(q),

evidențiază regiunile Guinier.

-15-

În Fig. III.6 sunt prezentate curbele dependenței intensității de împrăștiere a

radiației X de către nanoparticulele din sistemele studiate în funcție de vectorul

de împrăștiere, obținute prin tehnica SAXS.

Toate probele prezintă două zone Guinier, una în zona de valori q mici și

cea de-a doua la valori q apropiate de 0,1 Å-1

. Acest aspect poate fi observat cu

ușurintă dacă reprezentarea datelor se face în coordonate I x q4 versus q (Porod-

Debye), conform Fig. III.7. Prezența acestor zone, coroborată cu imaginile TEM,

sugerează existența în sisteme a două populații de nanoparticule: o populație este

consituită din particulele primare, zonă corespunzătoare regiunii Guinier de la q=

0,1 Å-1

, iar cea de a doua este constituită din agregate ale particulelor primare și

corespunde unor valori q ce se situează aleatoriu în zona de valori mici. În Tab.

III.4 sunt prezentate valorile obținute cu ajutorul analizei SAXS.

Analizele evidențiază faptul că nanoparticulele sintetizate sunt comparabile

cu cele relatate în literatura de specialitate [3].

III.5: Concluzii

Au fost sintetizate prin metoda co-precipitării chimice cinci tipuri de

particule magnetice CoxFe3-xO4 (x=0; 0,25; 0,5; 0,75; 1) și au fost stabilizate

după sinteză în prezența acidului citric, dispersia finală realizându-se în mediu

apos. Forma cvasi-sferică obținută pentru majoritatea probelor sintetizate,

dimensiunile reduse și bunele proprietăți magnetice le recomanda pentru utilizare

în aplicații biomedicale.

III.6: Referinţe selective

[1] Doaga A, Cojocariu A. M, Constantin C. P, Hempelmann R, Caltun O.F,

(2013) AIP Conference Proceedings 1564:123-131

[2] Chakrabarti S, Mandal S.K, Chaudhuri S, (2005) Nanotechnology 16:506–

511

[3] Doaga Ab, Cojocariu A.M, Amin W, Heib F, Bender P, Hempelmann R,

Caltun O.F, (2013) Materials Chemistry and Physics, 143:305-310

Tabelul III.4: Valoriile obținute pentru nanoparticulele din seria CoxFe3-xO4 stabilizate în prezența

acidului citric

Proba DSAXS-Min(nm) DSAXS-Max(nm)

P1 7,61 28,20

P2 8,21 21,29

P3 6,26 24,96

P4 6,35 23,49

P5 5,41 44,56

-16-

Capitolul IV: Contribuții la studiile privind nanocompozitele de tipul oxid

de fier-dioxid de siliciu

IV.1: Introducere

Nanosistemele magnetice au apărut ca instrumente promițătoare având

aplicații în diagnosticul clinic, în metode terapeutice bazate pe câmpuri

magnetice, cum sunt: livrarea de medicamente asistată magnetic [1], terapia

tumorală prin hipertermie cu nanoparticule magnetice (MNP) sau câmpuri

electromagnetice [2]. Pentru a prepara miezuri magnetice nanodimensionate s-au

dezvoltat diferite tehnici, cele mai utilizate fiind: tehnica sol-gel și co-

precipitarea în mediu alcalin. Metoda sol-gel a fost utilă pentru acoperirea

nanoparticulelor cu înveliş de silice (dioxid de siliciu), nu numai pentru compușii

de fier, ci și pentru alte particule metalice, deoarece este cunoscut faptul că

silicea interacționează ușor cu cationii, iar grupările silanol abundente de la

suprafața silicei permit activarea cu diferite grupări funcționale [3,4].

IV.2: Experimental

IV.2.1: Tehnologia de sinteză

Figura IV.1: Modul de obținere a compozitelor P2 și S2.

Ferofaza a fost obținută prin metoda co-precipitării la temperatură înaltă

[4], suspensia de tipul magnetită/citrat fiind denumită în continuare proba P1, iar

suspensia de tipul magnetită/oleat fiind denumită în continuare proba S1.

Acoperirea cu silice amorfă, prin hidroliza unui precursor sol-gel (TEOS), a

condus la obținerea probelor finale denumite P2 și respectiv S2. Procesul de

obținere a probelor P2 și S2 sunt reprezentate schematic in Fig. IV.1 [4]. După

acoperirea prin metoda sol-gel la temperatura camerei, a fost efectuat un

tratament termic moderat.

-17-

IV.2.2: Metode de investigare

Probele au fost investigate cu ajutorul microscopului electronic de

transmisie Hitachi High-Tech HT7700 prevăzut cu modulul STEM și modulul

EDX, difractometrului Shimadzu LabX XRD-6000 (CuK) și a

magnetometrului cu probă vibrantă MicroMag modelul 2900/3900.

IV.3: Rezultate și discuții

Investigarea imaginilor TEM (Fig. IV.1.a, Fig. IV.2.a) [4] ale miezurilor

neacoperite cu silice a evidențiat structuri geometrice regulate, în special cvasi-

sferice, cu o dimensiune medie de aproximativ 15 nm pentru MNP de tipul

magnetită/citrat (proba P1) și aproximativ 20 nm pentru MNP de tipul

magnetită/oleat (proba S1). Imaginile STEM pentru probele sintetizate (Fig.

IV.1.c și Fig. IV.2.c) [4], evidențiază miezuri individuale de MNP separate

poziționate apropiat între ele pe suportul probei, datorită atracției magnetice.

După acoperirea cu silice se pot observa sisteme mai mari, de până la 40 nm

(Fig. IV.1.b- proba P2, Fig. IV.2.b- proba S2) [4]. Datele obținute sunt

comparabile cu cele observate în literatură [3].

(a) (b)

(c) (d) Figura IV.1: (a) Imagini TEM ale nanoparticulelor de oxid de fier/ citrat înainte de acoperirea cu

silice (P1); (b) Imagini TEM ale MNP oxid de fier/ citrat după acoperirea cu silice (P2); (c) Imagine

STEM ale MNP de oxid de fier/ citrat în stratul de silice (P2); (d) Cartarea EDX a nanocompozitelor de oxid de fier/ citrat/ silice (P2).

-18-

(a) (b)

(c) (d)

Figura IV.2: (a) Imagini TEM ale nanoparticulelor de oxid de fier/ oleat înainte de acoperirea cu

silice (S1); (b) Imagini TEM ale MNP oxid de fier/ oleat după acoperirea cu silice (S2); (c) Imagine STEM ale MNP de oxidul de fier/ oleat în stratul de silice (S2); (d) Cartarea EDX a

nanocompozitelor de oxid de fier/ oleat/ silice (S2).

Analiza EDX (Fig. IV.1.d, Fig. IV.2.d) [4] indică faptul că structurile

scanate sunt formate din miezuri de MNP acoperite individual cu înveliș de

silice. Nivelul de silice pentru proba S2 este mai mic decât cel pentru proba P2

(aproximativ 55% față de 80% în P2). Acest lucru sugerează o cantitate mai mare

de silice atașată la particulele de oxid de fier/citrat decât la cele acoperite cu

oleat, datorită naturii și încărcării electrice a citratului - asigurând stabilizarea

electrostatică primară a miezurilor magnetice. Stabilizarea sterică din cazul

probei S2, prin dublu înveliş de oleat, pare să permită atașarea unei cantități mai

mici de silice.

Evaluarea dimensiunii cristalitelor Dhkl,, cu formula lui Scherrer, din

difractogramele înregistrate pentru probele P1, P2, S1, S2, a condus la valori de

12,9 nm, 12,7 nm, 10,7 nm, și respectiv 10,8 nm.

Înregistrările VSM au evidențiat o capacitate de magnetizaţie relativ

ridicată pentru MNP-urile sintetizate. Magnetizația specifică de saturație a MNP-

urilor a scăzut după ce experimental a fost efectuată reacția cu TEOS- cu

aproximativ 50% pentru proba P2 comparativ cu P1 și cu aproximativ 30%

pentru proba S2 comparativ cu S1 (Tab. IV.2).

-19-

Sistemele astfel obținute pot fi utilizate în furnizarea de medicament

asistată magnetic, după dispersia finală în prezența ligandului adecvat sau a

grefării unor biomolecule.

Tabelul IV.2:Proprietăţile magnetice al probelor sintetizate

Proba Magnetizaţia maximă la 2T

(emu/g)

Câmpul coercitiv

(mT)

Diametrul magnetic

(nm)

P1 62,78 1,4176 9,0

P2 30,06 1,5727 10,0

S1 48,47 1,1281 9,7

S2 33,49 0,9727 9,9

IV.4: Concluzii

Au fost obținute structuri nanocompozite noi de miezuri magetice/ înveliş

reactiv de silice. Caracteristicile nanocompozitelor de oxid de fier/ oleat/ silice

au fost prezentate în comparație cu nanosistemele de oxid de fier/ citrat/ silice, cu

accent pe diferitele proprietăți legate de dublul înveliş cu lanț lung de oleat și,

respectiv, învelişul cu lanţ scurt de citrat.

Dimensiunile nanometrice evidențiate prin măsurătorile TEM înainte de

acoperirea cu silice (15 nm, 20 nm) au crescut la aproximativ 40 nm după

silanizare pentru ambele tipuri de nanopulberi magnetice. Cristalitele spinelice

tipice de 10-12 nm sunt prezente în toate cele patru probe sintetizate. S-a

constatat că magnetizaţia de saturație este mai mică în cazul MNP-urilor de oxid

de fier/ oleat decât în cazul MNP-urilor de oxid de fier/ citrat, deoarece masa

totală a probei ar putea crește mai mult în primul caz, în comparație cu masa mai

mică de înveliş în cel de al doilea caz. Acest rezultat sugerează că stabilizarea

MNP cu oleat este mai eficientă decât stabilizarea cu citrat.

Având în vedere avantajele acoperirii sol-gel cu înveliş de silice, cunoscut

pentru proprietățile reactive în medii biologice, nanocompozitele obţinute pot fi

utilizate pe post de cărăuşi magnetici pentru eliberarea medicamentelor prin

atașarea ligandului după realizarea dispersiei adecvate în suspensia finală.

IV.5: Referinţe selective

[1] Krukemever M.G, Krenn V, Jakobs M, Wagner W, (2012) J Surg Res

175:35-43. doi:10.1016/j.jss.2011.01.060

[2] Prijic S, Sersa G, (2011) Radiol Oncol 45:1-16

[3] Deng Y.H, Wang C.C, Hu J.H, Yang W.L, Fu S.K, (2005) Col Surf A

262:87–93

[4] Puscasu E, Sacarescu L, Lupu N, Oanca G, Balasoiu M, Creanga D, (2016)

Journal of Sol-Gel Science and Technology 79:457-465

-20-

Capitolul V: Contribuții la studierea proprietăților structurale, magnetice și

de citotoxicitate ale nanoparticulelor pe bază de oxizi de fier

V.1: Introducere

Pe lângă beneficiile utilizării materialelor nanostructurate în științele vieții,

trebuie luate în considerare și inconvenientele generate de aceste materiale, cum

ar fi cele referitoare la cito- și genotoxicitate. Efectele biologice ale MNP nu sunt

numai consecința utilizării lor medicale, ci și a contaminării mediului cu

nanoparticule din surse naturale și industriale [1]. Având în vedere expunerea

directă a plămânilor la praful și aerosolii atmosferici, nu este dificil să se

înțeleagă interesul crescut pentru evaluarea citotoxicității MNP.

V.2: Experimental

V.2.1: Suspensia coloidală de nanoparticule

Sistemele de particule nanodimensionate formate din miez de oxizi de fier

și înveliş de oleat, avînd posibile aplicații biomedicale, au fost sintetizate pe cale

chimică [2].

V.2.1.1: Sinteza nanoparticulelor

Săruri ferice şi feroase în raport stoichiometric 2:1 au fost dizolvate în apă

și precipitate la 80 °C în prezența hidroxidului de natriu. Pulberea de culoare

maroniu-neagră, care a fost obţinută în mediul de reacție, a fost separată de

acesta și spălată cu apă deionizată caldă, urmată de etape de acidifiere cu ajutorul

unei soluţii de HCI diluat [2].

V.2.1.2: Stabilizarea ferofazei în suspensie coloidală

Pentru stabilizarea ferofazei în suspensie apoasă a fost utilizat oleatul

provenit din oleatul de sodiu hidrosolubil, fiind ales datorită faptului că acesta

dezvoltă cele mai puternice interacțiuni cu ionii de fier [3], asigurând astfel

stabilizarea sterică a MNP prin acoperirea acestora cu un strat dublu cu

proprietăți hidrofile [2].

V.2.1.3: Caracterizarea proprităților nanoparticulelor

Diametrul fizic al MNP a fost estimat cu ajutorul microscopului electronic

de transmisie (Hitachi High-Tech HT7700). Metoda împrăștierii radiației X la

unghiuri mici (SAXS, Nanostar U-Bruker, detector Vantec 2000) a fost utilizată

pentru obținerea unei serii de date privind dimensiunile nanoparticulelor, ulterior

analizată cu ajutorul unui pachet software dedicat [4]. Structura cristalină a MNP

sintetizate a fost analizată cu difractometrul Shimadzu 6000 (Cu-Kα), iar

-21-

proprietățile magnetice au fost investigate cu magnetometrul MicroMag

2900/3900.

V.2.2: Culturile de celule și analizele de citotoxicitate

V.2.2.1: Testarea toxicității pe culturi de celule

Linia de celule V79 (fibroblaste pulmonare de hamster chinezesc) a fost

aleasă datorită eficienței de răspuns relativ mare și timp de regenerare scurt (12-

14 ore). În fiecare godeu, au fost distribuite 5x104

celule și lăsate să crească 24

de ore înainte de tratament. MNP-urile au fost dispersate în mediu de cultură în

concentrații de 25- 50- 100- 150- 200 μg/ml. Aranjamentul experimental a fost

bazat pe probe triplicate atât pentru viabilitatea celulară cât și pentru testul

cometă axat pe modificările moleculelor de ADN.

V.2.2.2: Viabilitatea celulară și testul apoptozei cu V-FITC anexină

Celulele crescute în mediile de cultură suplimentate cu MNP au fost

recoltate și s-au colorat succesiv cu anexină V-FITC (izotiocian fluoresceina) și

iodură de propidiu (PI), conform instrucțiunilor producătorului [3].

V.2.2.3: Testul cometei alcaline (electroforeza cu gel a unei singure celule)

Spoturile în formă de cometă au fost vizualizate cu un microscop de

epifluorescență Nikon Eclipse 600 la o marire de 200. S-a folosit software-ul

CometScore™ (versiunea 1.5.2.6, TriTek) pentru a procesa imaginile test și

pentru a evalua lungimea „cozii” cometei, procentul de ADN din coadă și pentru

calcularea momentului cozii și al „corpului” cometei [5,6].

Studiul Student "t" a fost aplicat pentru datele rezultate din cel puțin trei

repetări ale fiecărui test, cu prag de semnificație p <0,01.

V.3: Rezultate și discuții

V.3.1: Caracterizarea nanoparticulelor

Imaginile TEM au evidențiat forma preponderent rotundă a MNP

sintetizate, cu dimensiuni în intervalul 5-15 nm (Fig.V.1).

Analiza SAXS a permis estimarea dimensiunii medii a miezurilor de

ferofază în suspensia diluată. În acest scop, s-a reprezentat logaritmul intensității

de împrăștiere I(q) în funcție de vectorul de împrăștiere q. O astfel de

reprezentare grafică permite corelarea detaliilor referitoare la aspectele

morfologice ale dispersorilor cu profilul curbei (Fig. V.2). Curba de dispersie are

profilul caracteristic pentru forma discoidă [7], diametru maxim al particulelor

-22-

fiind Dmax =10,1 nm. Această valoare este în concordanță cu rezultatele furnizate

de analiza imaginilor TEM (Fig.V.1).

Figura V.1: Imagine TEM a probei MNP. Figura V.2: Curba de dispersie pentru analiza datelor

SAXS: I-intensitatea; q- vector de împrăștiere.

Din difractograme, cu ajutorul formulei lui Scherrer, a fost estimată

dimensiunea cristalitelor, aceasta fiind de aproximativ 10 nm.

Datele furnizate de investigația VSM au evidențiat valoarea moderată spre

scăzută a magnetizaţiei de saturaţie (MS egală cu 13 emu/g pentru o valoare de

4800 kA/m).

V.3.2: Răspunsul celular la administrarea de nanoparticule

V.3.2.1: Rezultatele citometriei de flux

Analiza bivariată a probelor martor și a celulelor tratate cu MNP a permis

identificarea celulelor vii, moarte, apoptotice și preapopotice, reprezentate ca

puncte în Fig. V.3 (a), (b).

(a) (b)

Figura V.3: Imagini privind distribuția celulelor obţinute prin citometrie de flux; intensitatea fluorescenței (FL1 și FL3) în unități arbitrare pe scară logaritmică: (a) probă martor/de control; (b)

proba cu concentraţie de 100 μg/ml MNP.

În proba de control (Fig. V.3.a) a fost găsit procentul maxim de celule vii

(peste 90% conform Tab. V.1) cu procent complementar de celule moarte

-23-

(independent de influența MNP și mai puțin de 1% celule apoptotice sau

preapoptotice).

Frecvența celulelor moarte mai crescută pentru doze mai mari de MNP ar

putea fi determinată de două mecanisme complementare: apoptoza

(predominantă) și efectul citotoxic direct (cu un impact mai mic).

Tabelul V.1: Frecvența celulelor vii, moarte, preapoptotice și apoptotice în probele martor/control și în cele cu MNP, evaluate conform testului de analize V-FITC / PI

% Celule vii % Celule moarte % Celule

preapoptotice % Celule

apoptotice

MNP/

μg/ml Medie ±

StDev p

Medie ±

StDev p

Medie ±

StDev p

Medie ±

StDev p

0 92,49±3,73 6,51±0,32 0,23±0,15 0,77±0,72

100 43,77±6,54 <0,01 55,37±6,38 <0,01 0,57±0,09 NS 0,29±0,26 NS

150 36,02±2,91 <0,001 63,10±2,68 <0,001 0,85±0,40 NS 0,03±0,01 NS

200 36,15±1,94 <0,001 59,07±2,35 <0,001 3,52±0,29 <0,01 1,26±0,12 NS

*NS – nesemnificativ din punct de vedere statistic

Se poate spune că niveluri diferite de MNP au indus formarea de specii

reactive de oxigen (ROS) în diferite concentrații, consecințele stresului oxidativ

fiind exprimate la diferite momente de timp [3]. La concentrații mai mari de

MNP, nivelul crescut al ROS a declanșat mecanismul apoptotic mai rapid ca în

cazul dozelor mai mici, cu o creștere evidentă a numărului de celule moarte la

momentul determinării. Durata de viață a ROS este limitată, însă efectele lor

asupra diferitelor structuri celulare s-ar putea manifesta după diferite perioade de

timp.

V.3.2.2: Rezultatele testului cometă

Datele testului cometă au arătat că ADN-ul a suferit în mod clar un atac

datorat MNP în comparație cu proba ADN-ului de control, unde pe lamelele de

migrare nu a fost observată nici o neomogenitate electroforetică [3] (Fig. V.4).

Prelucrarea datelor electroforetice a evidențiat fragmentarea progresivă a ADN-

ului (p <0,01) de până la 50%, pentru o concentrație de MNP de până la 100

μg/ml administrate în mediul de cultură. Cea mai importantă variație a fost

înregistrată pentru concentrații cuprinse între 50 -100 μg/ml MNP, administrate

în mediul de cultură al celulelor, în timp ce pentru concentrații cuprinse între 150

-24-

- 200 μg/ml cantitățile de ADN variază în jurul nivelului deja atins pentru

concentrația de MNP de 100 μg/ml.

Trebuie menționat faptul că experimentul realizat în lucrarea de față se

bazează pe culturi celulare in vitro - unde expunerea la MNP este de așteptat să

aibă un impact direct, cu unele consecințe relevante, care ar putea furniza parțial

informații privind perspectiva bioefectelor pentru studiile in vivo.

Figura V.4: Estimarea cantitativă a fragmentării ADN-ului.

Absorbția de fier pentru procesele metabolice ar putea avea o influență

negativă nu numai din motive cantitative care implică o citotoxicitate a priori

prin supraîncărcare, ci și din cauza efectului nespecific al sistemelor

nanodimensionate care furnizează fier celulelor și componentelor celulare;

aceasta este în principal legată de scopurile biomedicale în care țintirea

magnetică cu nanoparticule transportatoare accentuează eficacitatea

tratamentului sau investigației clinice [8].

Rezultatele evidențiate în studiul de față sunt comparabile cu cele raportate

în literatură [9,10]. Pentru optimizarea efectivă a procedurilor medicale care

implică MNP trebuie acordată o atenție maximă concentrației de prag la care

nanoparticulele de oxid de fier devin toxice.

V.4: Concluzii

Suspensia coloidală magnetică preparată pe cale chimică a evidențiat o

granulație fină nanodimensionată, după cum s-a observat prin investigațiile TEM

și SAXS. Dimensiunea cristalitelor de magnetită cu structură tip spinel a fost

găsită de aproximativ 10,3 nm. Investigarea prin magnetometrie a evidențiat o

magnetizație de saturație moderată, de aproximativ 13 emu/g.

Citometria de flux a evidențiat influența concentrațiilor de 100 - 200 μg/ml

MNP, unde mecanismul ROS a fost declanșat mai rapid, şi probabil a generat

apariția apoptozei. Procentul de celule moarte a crescut în timpul desfășurării

testului, dar nu s-a putut declara intensificarea apoptozei.

-25-

Testul cometă a arătat că momentul ADN-ului, care furnizează informații

atât despre procentul de ADN, cât și despre răspândirea pe direcția câmpului

electric a crescut remarcabil, de aproape zece ori, atât pentru capul cometei, cât

și pentru coada cometei, când concentrația de MNP a crescut de la 50 la 100

μg/ml. S-a evidenţiat că ADN-ul deteriorat se răspândeşte mai departe în câmpul

electric, momentul cozii crescând cu aproximativ 40% la o concentrație de MNP

de 200 μg/ml.

Așadar, pentru a clarifica complexitatea impactului pe care nanoparticule

magnetice îl au asupra funcțiilor vitale ale celulelor și pentru a obține o

cunoaştere mai profundă asupra citotoxicității acestora, la diferite niveluri de

organizare celulară și la diferite momente de timp, sunt necesare noi metode

alternative de cercetare.

V.5: Referinţe selective

[1] Buzea C, Pacheco B, Robbie K, (2007) Biointerphas 2: MR17 - MR17.

[2] Massart R, (1981) IEEE Trans Magn 17: 1247–1248

[3] Mihai C.T, Puscasu E, Sacarescu L, Nadejde C., Gherghel D, Creanga D,

Vochita G, (2015) TechConnect Briefs, TechConnect. org. 310-313

[4] Rosensweig R.E, (1985) Ferrohydrodynamics. Cambridge University Press,

Cambridge

[5] Konarev P.V, Volkov V.V, Sokolova A.V, Koch M.H.J, Svergun D.I, (2003)

J Appl Cryst 36: 1277-1282

[6] Vilhar B, (2004) Help! There is a comet in my computer! A dummy’s guide

to image analysis used in the comet assay.

http://www.botanika.biologija.org/exp/comet/Comet-principles.pdf.

[7] Glatter O, Kratky O, (1982) Small angle X-ray scattering. Academic Press,

London

[8] Liu G, Gao J, Ai H, Chen X, (2013) Small 9:1533–1545

[9] Zavisova V, Koneracka M, Kovac J, Kubovcikova M, Antal I, Kopcansky P,

Bednarikova M, Muckova M, (2015) J Magn Magn Mater 380:85–89.

doi:10.1016/j.jmmm.2014.10.041

[10] Hafeli U.O, Riffle J.S, Shekhawat L.H, Baranauskas A.C, Mark F, Dailey

J.P, Bardenstein D, (2009) Mol Pharmaceut 6:1417-1428

-26-

Concluzii generale

Scopul acestei lucrări de a sintetiza particule magnetice nanodimensionate

cu posibile utilizări în domeniul biomedical și tehnologic a fost atins.

Pe parcursul cercetării științifice au fost obținute următoarele rezultate

originale:

-S-au sintetizat nanoparticulele policristaline de Fe3O4 şi Co0,5Fe2,5O4,

folosind metoda co-precipitarii chimice din săruri metalice precursoare și au fost

stabilizate în formă de suspensii stabile dispersate in mediu apos. Acidul

percloric a asigurat stabilizarea electrostatică a miezurilor magnetice, în timp ce

oleatul sub forma de dublu strat a asigurat stabilizarea sterică.

-Suspensiile coloidale au nanoparticule cu dimensiuni cuprinse între 20 -25

nm şi proprietăţi superparamagnetice ce le recomandă pentru aplicaţii atât în

domeniul ştiinţelor vieţii cât și pentru aplicații tehnice.

-S-au sintetizat prin metoda co-precipitării chimice nanoparticule magnetice

CoxFe3-xO4 (x=0; 0,25; 0,5; 0,75; 1), care au fost stabilizate post-sinteză în

prezența acidului citric, dispersia finală realizându-se în mediu apos.

-S-a evidențiat că forma cvasi-sferică, dimensiunile nanoparticulelor și

proprietățile magnetice sunt dependente de conținutul în Co.

-S-au realizat structuri nanocompozite noi, de oxid de fier/ oleat/ silice și

oxid de fier/ citrat/ silice și s-au investigat proprietățile structurale și magnetice.

-Investigările TEM, STEM și EDX ale nanocompozitelor au evidențiat o

creștere a dimensiunilor particulelor de la 15-20 nm (particule ne acoperite cu

silice) la 40 nm (după acoperirea cu silice).

-S-a constatat că magnetizaţia de saturație (VSM) este mai mică în cazul

nanocompozitelor pe bază de oxid de fier/ oleat decât în cazul celor pe bază de

oxid de fier/ citrat, fapt ce a fost atribuit creșterii diferite a masei de silice și s-a

concluzionat că stabilizarea cu oleat este mai eficientă decât stabilizarea cu citrat.

-Ca urmare a caracteristicilor observate, nanocompozitele obţinute pot fi

utilizate pe post de cărăuşi magnetici pentru eliberarea medicamentelor prin

atașarea ligandului după realizarea dispersiei adecvate în suspensia finală.

-S-a preparat o suspensie coloidală apoasă pe bază de nanoparticule de

oxizi de fier și înveliş de oleat (cu proprietăți hidrofile).

-Suspensia coloidală magnetică preparată pe cale chimică a evidențiat o

granulație fină nanodimensionată (TEM, SAXS, XRD) cu dimensiuni de 10-15

nm. Dimensiunea cristalitelor de magnetită cu structură de tip spinel a fost găsită

de aproximativ 10,3 nm.

-Investigarea VSM a evidențiat o magnetizație de saturație moderată, de

aproximativ 13 emu/g.

-27-

-A fost evaluată citotoxicitatea nanoparticulelor pe bază de oxizi de fier

asupra unei linii de celule provenite de la hamsterul chinezesc și a fost

determinată concentrația de prag la care nanoparticulele de oxid de fier devin

toxice. S-a evidențiat influența concentrațiilor de 100 - 200 μg/ml MNP, unde

mecanismul ROS a fost declanșat mai rapid, şi a generat apariția apoptozei.

-Rezultatele obținute în cadrul tezei de doctorat recomandă metoda co-

precipitării chimice pentru sinteza nanoparticulelor magnetice destinate

aplicațiiilor biomedicale sau tehnologice și demonstrează că stabilizarea

miezurilor magnetice crește biocompatibilitatea probelor obținute.

Rezultatele originale obținute au fost confirmate prin publicarea lor în 9

reviste de specialitate cotate ISI Thomson, 4 reviste care nu sunt cotate ISI și au

fost diseminate prin prezentări orale (8) și poster (21) la un număr important de

conferințe internaționale și naționale.

-28-

Anexa - Lista comunicărilor știinţifice și a articolelor publicate

Lista publicaţiilor ISI:

1) Dorina Creangă, Maria Bălășoiu, Dmitro Soloviov, Alexandra-Maria

Bălășoiu-Găină, Emil Pușcașu, Nicoleta Lupu, Cristina Stan, “Small-angle

neutron scattering investigations of Co-doped iron oxide nanoparticles.

Preliminary results”, Journal of Physics: Conference Series, Vol. 994,

conference 1, pp. 1-6, 012009, 2018

2) Gabriela Tiriba, Maria Bălășoiu, Emil Pușcașu, Liviu Săcărescu, Cristina

Stan, Dorina Emilia Creangă “Microstructural characterization of Co-doped

iron oxide nanoparticles”, University Politehnica of Bucharest Scientific

Bulletin-Series A-Applied Mathematics and Physics, Vol. 79, Iss. 4, pp.

327-336, 2017, AIS=0,094

3) Emil Pușcașu, Liviu Săcărescu, Nicoleta Lupu, Gabriel Oancă, Maria

Bălășoiu, Dorina Creangă, “Iron oxide-silica nanocomposites yielded by

chemical route and sol–gel method”, Journal of Sol-Gel Science and

Technology, Vol. 79, pp. 457-465, 2016, AIS=0,290

4) Emil Pușcașu, Liviu Săcărescu, Adrian Domocoș, Rodica Turcu, Cristian

Leoștean, Dorina Creangă, Maria Bălășoiu “Hydrophilic versus hydrophobic

oleate coated magnetic particles”, Romanian Journal of Physics Vol. 61,

Nos. 5–6, pp. 946–956, 2016, AIS=0,243

5) Emil Pușcașu, Adrian Domocoș, Cristian Leoștean, Rodica Turcu, Florin

Brînză, Claudia Nădejde, Felicia Iacomi, Dorina Creangă, “Electrostatic vs

steric stabilization of Fe3O4 and Co0.5Fe2.5O4 nanoparticles”, PIM 2015

Conference, Book Series: AIP Conference Proceedings, vol.1700, pp.

060013-1 – 060013-5, 2015

6) Emil Pușcașu, Claudia Nădejde, Dorina Creangă, Paul Fannin, Cristian

Pîrghie, “Stable colloidal suspension of magnetic nanoparticles for

applications in life sciences”, Materials Today Proceedings 2, pp.3813 –

3818, 2015

7) Lăcrămioara Oprică, Claudia Nădejde, Maria Andrieș, Emil Pușcașu,

Dorina Creangă, Maria Bălășoiu, “Magnetic contamination of environment –

laboratory simulation of mixed iron oxides impact on microorganism cells”,

Environmental Engineering and Management Journal, Vol.14, No. 3, pp.

581-586, 2015, AIS=0,074

-29-

8) Claudia Nădejde, Emil Pușcașu, Florin Brînza, Laura Ursu, Dorina

Creangă, Cristina Stan, “Preparation of soft magnetic materials and

characterization with investigation methods for fluid samples”, University

Politehnica of Bucharest Scientific Bulletin-Series A-Applied Mathematics

and Physics, pp.277-284, 2015, AIS=0,064

9) Diana Vrîncianu, Emil Pușcașu, Dorina Creangă, Cipriana Ștefănescu,

“Computational analysis of kidney scintigrams”, TIM 2012 Physics

Conference, Book Series: AIP Conference Proceedings, vol. 1564: 223-228,

2013

Lista publicaţiilor non-ISI:

1) Cosmin Teodor Mihai, Emil Pușcașu, Liviu Săcărescu, Claudia Nădejde, D.

Gherghel, Dorina Creangă, Gabriela Vochița, “Colloidal magnetite

nanoparticles – cytotoxicity study on V79 lung fibroblast cells”,

TechConnect Briefs 2015, TechConnect.org, ISBN 978-1-4987-4727-1,

pp.310-313, 2015

2) Emil Pușcașu, Maria Andrieș, Claudia Nădejde, Dorina Creangă, ”Synthesis

of magnetic nanoparticles in stable suspension for biomedical application”,

The scientific journal "V. Adamachi", vol XXIII, pp. 23-26, 2014

3) Maria Andrieș, Emil Pușcașu, Claudia Nădejde, Lăcrămioara Oprică,

Dorina Creangă, ”Cobalt ferrite nanoparticles effect on cellulolytic fungus

phanerochaete chrysosporium”, Romanian J. Biophys., Bucharest, vol. 24,

no. 2, pp. 101-107, 2014

4) Maria Andrieş, Emil Puşcaşu, Claudia Nădejde, Marius Enache, Dorina

Creangă, ”Studiul complexelor clortetraciclină/ ciclodextrină pentru atasare

la nanoparticule magnetice utilizabile ca vectori în eliberarea controlată de

molecule bioactive”, Conferinţa naţională de bioinginerie medicală pentru

studenţi şi tineri cercetători, Ediţia a XVI– a, Iasi 2013, Editura „Gr. T.

Popa”, U. M. F. Iaşi, pp. 98-103, 2013

Lista prezentărilor orale la conferinţe internaţionale:

1) Dorina Creangă, Emil Pușcașu, Gabriela Vochița, Cosmin Mihai, Iron

oxide nanoparticles and their biological impact, The fifth edition of the

International Colloquium 'Physics of Materials' - PM-5, Bucureşti, România,

-30-

10-11.11.2016.

2) Emil Pușcașu, Liviu Săcărescu, Nicoleta Lupu, Marian Grigoraș, Maria

Bălășoiu, Dorina Creangă, “Iron oxide nanostructures – investigation of

microstructural and magnetic properties”, III International Conference on

Small Angle Neutron Scattering 169 dedicated to 80th anniversary of Yu.

M. Ostanevich, Rusia, Dubna, 06-09.06.2016.

3) Emil Pușcașu, Claudia Nădejde, Laura Ursu, Florin Brînză, Dorina

Creangă, “Study on the optimization of some nanostructurated magnetic

materials with potential biomedical applications”, Conferinţa Internaţională

a Şcolilor Doctorale din Cadrul Universităţii „Alexandru Ioan Cuza” din

Iaşi, România, Iași, 16.12.15

4) Lăcrămioara Oprică, Claudia Nădejde, Maria Andrieș, Emil Pușcașu,

Dorina Creangă, Maria Bălășoiu, “Magnetic contamination of environment-

laboratory simulation based on mixed iron oxides influence on

microorganism cells”, The fourth edition of the International Colloquium

'Physics of Materials' - PM-4, România, Bucharest, 13-14.11.2014

5) Lăcrămioara Oprică, Claudia Nadejde, Maria Andrieș, Emil Pușcașu,

Dorina Creangă, Maria Bălășoiu, “Experimental study on the impact of

engineered particles on environmental microflora”, 2nd

International

Conference on Chemical Engineering, România, Iași, 05-08.11.2014

6) Claudia Nădejde, Maria Andrieș, Emil Pușcașu, Gabriel Oancă, Laura

Ursu, “Nanostructured materials with magnetic properties in stable

colloidal form”, 12th

Young Researchers’ Conference – Belgrad, 11-

13.12.2013

Lista prezentărilor poster la conferinţe internaţionale:

1) Emil Pușcașu, Gabriela Vochița, Cosmin Mihai, Liviu Săcărescu, D.

Gherghel, Dorina Creangă, Study of magnetic nanoparticle cytoxicity in

animal cells, The fifth edition of the International Colloquium 'Physics of

Materials' - PM-5, Bucureşti, România, 10-11.11.2016

2) Gabriela Tiriba, Emil Pușcașu, Liviu Săcărescu, Cristina Stan,

Microstructural characterization of Co doped iron oxide nanoparticles, The

fifth edition of the International Colloquium 'Physics of Materials' - PM-5,

Bucureşti, România, 10-11.11.2016

-31-

3) Gabriela Vochița, Cosmin Mihai, Emil Pușcașu, Liviu Săcărescu, D.

Gherghel, Dorina Creangă, Study on some iron oxide nanoparticles and

their cytotoxicity, ICPAM 11-PAMS 2, Cluj-Napoca, România, 08-

11.09.2016

4) Emil Pușcașu, Liviu Săcărescu, Marian Grigoraș, Andrei Domocoș,

Nicoleta Lupu, Felicia Iacomi, Dorina Creangă, The effect of iron partial

substitution in nanosized ferrites by cobalt doping, ICPAM 11-PAMS 2,

Cluj-Napoca, România, 08-11.09.2016

5) Maria Bălășoiu, Lăcrămioara Oprică, Emil Pușcașu, Liviu Săcărescu,

Marian Grigoraș, Dorina Creangă, Magnetic nanoparticle impact on

Chaetomium Globosum cells, ICPAM 11-PAMS 2, Cluj-Napoca, România,

08-11.09.2016

6) Antoniea Poiată, Emil Pușcașu, Dorina Creangă, Magnetic nanoparticles

stimulating Pseudomonas aeruginosa to produce antimicrobial iron

chelates, ICPAM 11-PAMS 2, Cluj-Napoca, România, 08-11.09.2016

7) Emil Pușcașu, Adrian Domocoș, Cristian Leoștean, Rodica Turcu, Florin

Brînză, Claudia Nădejde, Felicia Iacomi, Dorina Creangă, “Electrostatic vs

steric stabilization of Fe3O4 and Co0.5Fe2.5O4 nanoparticles”, 10th

biennial

International conference on processes in isotopes and molecules (PIM

2015), Cluj-Napoca, România, 23-25.09.2015

8) Emil Pușcașu, Maria Andrieș, Mihaela Răcuciu, Felicia Iacomi, Dorina

Creangă, “Expermimental study on the core-shell interactions in the case of

magnetic grains coated with organic molecules”, XIIIth

International

conference on molecular spectroscopy - From molecules to molecular

materials, molecular biological systems and nanostructures, Wroclaw,

Polonia, 09-13.09.2015

9) Daniela Pricop, Maria Andrieș, Raul Lupușoru, Emil Pușcașu, Felicia

Iacomi, Dorina Creangă, “Light wavelength influence on surface plasmon

resonance in citrate-gold nanosystems”, XIIIth

International conference on

molecular spectroscopy - From molecules to molecular materials, molecular

biological systems and nanostructures, Wroclaw, Polonia, 09-13.09.2015

10) Emil Pușcașu, Liviu Săcărescu, Adrian Domocoș, Rodica Turcu, Cristian

Leoștean, Dorina Creangă, Maria Bălășoiu “Hydrophilic versus hydrophobic

oleate coated magnetic particles”, 15th

International Balkan Workshop on

-32-

Applied Physics and Materials Science (IBWAP 2015), Constanța,

România, 02-04.07.2015

11) Emil Pușcașu, Liviu Săcărescu, Nicoleta Lupu, Gabriel Oancă, Maria

Bălășoiu, Dorina Creangă, “Magnetic nanoparticle with surface

modification for biomedical utilization – chemical route and sol-gel

method”, 2nd

International Scientific Conference on Nanomaterials &

Applications (NANOAPP 2015), Maribor, Slovenia, 23-26.06.2015

12) Cosmin Teodor Mihai, Emil Pușcașu, Liviu Săcărescu, Claudia Nădejde, D.

Gherghel, Dorina Creangă, Gabriela Vochița, “Colloidal magnetite

nanoparticles– cytotoxicity study on V79 lung fibroblast cells”, Conferință

internațională Advanced Materials & Applications (NANOTECH),

Washington DC, 14-17.06.2015

13) Emil Pușcașu, “Comparison of two stable colloidal suspensions for

biological and environmental applications”, Conferință în cadrul Central

European Training School on neutron techniques, Budapest, Hungary, 04-

08.05.2015

14) Claudia Nădejde, Maria Andrieș, Emil Pușcașu, Florin Brînză, Laura Ursu,

Dorina Creangă, Cristina Stan, “Preparation of soft magnetic materials and

characterization with investigation methods for fluid samples”, Conferinta

Internationala Physics of Materials PM-4, Bucureşti, 13-14.11.2014

15) Emil Pușcașu, Maria Andrieș, Claudia Nădejde, Lăcrămioara Oprică,

Dorina Creangă, “Magnetic fluid preparation, characterization and

environmental application”, ICPAM 10- Iași, 22-28.09.2014

16) Emil Pușcașu, Claudia Nădejde, Dorina Creangă “Stable colloidal

suspension of magnetite nanoparticles for applications in life sciences”,

PAMS 1- Iași, 22-28.09.2014 (poster școala de toamnă)

Lista prezentărilor orale la conferinţe naţionale:

1) Emil Pușcașu, Cosmin Mihai, Liviu Săcărescu, Maria Andrieș, Claudia

Nădejde, Dorina Creangă, Gabriela Vochița, “Assessment of the biological

impact of some soft magnetic materials on mammalian cell line”, A XLIV-a

Conferinţă Naţională Fizica și Tehnologiile Educaţionale Moderne- Iași,

16.05.2015

-33-

2) Emil Pușcașu, Valentin Nica, Claudia Nădejde, Dorina Creangă, “Analiza

proprietăților structurale și magnetice la două suspensii stabile de

nanoparticule magnetice pentru aplicații în științele mediului”, A II-a

Conferinţă Naţională Pentagonul Facultăţilor de Fizică- Măgurele, 28.07-

01.08.2014

Lista prezentărilor poster la conferințe naționale:

1) Maria Andrieș, Lăcrămioara Oprică, Emil Pușcașu, Florin Brînză, Andrei

Domocoș, Claudia Nădejde, Emilia Creangă, “Impact of cobalt ferrite

nanoparticles on the metabolism of some cellulolytic fungi”, A XLIV-a

Conferinţa Naţională de Fizica şi Tehnologii Educaţionale Moderne – Iași,

16.05.2015

2) Maria Andrieș, Emil Pușcașu, Claudia Nădejde, Dorina Creangă, “Steric vs

electrostatic stabilization of magnetic nanoparticles in aqueous medium”,

Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 5th edition, "A.I. Cuza"

University of Iasi, Romania, 18.12.2014

3) Emil Pușcașu, Maria Andrieș, Claudia Nădejde, Dorina Creangă,

“Synthesis of magnetic nanoparticles in stable suspension for biomedical

application”, A XLIII-a Conferinţa Naţională de Fizica şi Tehnologii

Educaţionale Moderne – Iași 16-17.05.2014

4) Andrieș Maria, Emil Pușcașu, Anna Karahaliou, Georgios Vlachopoulos,

Costaridou Lena, “Quantitative diffusion weighted breast MRI”, A XLII-a

Conferinţa Naţională de Fizica şi Tehnologii Educaţionale Moderne – Iași,

10.2013

5) Maria Andrieş, Emil Puşcaşu, Claudia Nădejde, Marius Enache, Dorina

Creangă, “Studiul complexelor clortetraciclină/ ciclodextrină pentru atașare

la nanoparticule magnetice utilizabile ca vectori în eliberarea controlată de

molecule bioactive”, Ediţia a XVI–a a Conferintei Naționale de

Bioinginerie pentru Studenți și Tineri Cercetători - Iași, 05.2013