Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Modification of carbon encapsulated magnetic nanoparticles to increase their biocompatibility

Kristina Fateyeva

Abstract

Carbon-encapsulated magnetic nanoparticles (CEMNs) attract increasing attention of the scientific community because of their potential applications in different fields. CEMNs is the core-shell type structure, which consists of magnetic core and graphene shell.1 Because of the presence of the metal core, these magnetic nanoparticles have attracting magnetic properties, which can be applied, for instance in non-invasive imaging technique (MRI). The second essential property of CEMNs is the presence of carbon shell, which protects the metallic core and enables the surface modification. In the present work, the focus was paid on the potential use of iron-cored CEMNs in nanomedicine. One of the simplest methods of administration of the magnetic carbon nanoparticles into the human body is the injection into the patient’s bloodstream as a suspension in water or saline. In this study, attempts to develop functionalization methods of magnetic nanoparticles have been presented. The functionalization via covalent bonds formation between carbon nanomaterial and molecules of high biocompatibility and anticancer properties was envisaged. Sugars and their derivatives were selected as organic substituents that meet the above-mentioned biological features. One of the most perspective technique for the functionalization is the mechanochemistry.2 The mechanochemical processes are based on transmission of mechanical energy to substrates, which enabled the chemical reaction occurrence. Such synthetic methodology does not require large amounts of toxic solvents, reduces the volume of the generated organic waste, as well as does not require sophisticated equipment and labware. In the present work, two methods of covalent mechanochemical functionalization of magnetic nanomaterial CEMNs were developed. The first method consists in the 1,3-dipolar cycloaddition between nitrile oxides generated from sugar oximes and double bonds present at graphene sheet.3 It is worth emphasizing that both protected and unprotected sugars can be used in developed method. Grinding-induced amidation-type reactions between CEMNs bearing the carboxyl groups and sugar derivatives with amine groups, were also conducted. Chitosan and glucosamine were selected as the model sugar units in this process.4 The success of the covalent attachment of the sugar units was confirmed by Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) and thermogravimetric analysis (TGA). Moreover, attempts to conjugate CEMNs derivative to the sugar monomer via ester bonds formation have been also made. All the obtained products were characterized by means of transmission electron microscopy (TEM), dynamic light scattering (DLS), turbidimetric analysis and magnetization measurements. It was proved that the structure of magnetic nanoparticles CEMNs was undisturbed during the mechanochemical reactions. It was also proved that the obtained CEMNs-sugar conjugates have very high colloidal stability in aqeous media. The high magnetic properties of the obtained materials were also demonstrated. The linear dependence between the magnetization and both the content of the introduced sugar and the hydrodynamic diameter of particles was deciphered. (1) M. Bystrzejewski, A. Huczko, H. Lange, Sens. Actuators B, 2005, 109, 81-85. (2) G.-W. Wang, Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 7668-7700. (3) A. Kasprzak, M. Bystrzejewski, M. Koszytkowska-Stawinska, M. Poplawska, Green Chem., 2017, 19, 3510-3514. (4) A. Kasprzak, K. Fateyeva, M. Bystrzejewski, W. Kaszuwara, M. Fronczak, M. Koszytkowska-Stawinska, M. Poplawska, Dalton Trans., 2018, 47, 11190-11202.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Kristina Fateyeva (FC) Kristina Fateyeva,, Faculty of Chemistry (FC)
Title in Polish
Modyfikacja magnetycznych kapsułek węglowych w celu zwiększenia ich biokompatybilności
Supervisor
Magdalena Popławska (FC/DOC) Magdalena Popławska,, Department Of Organic Chemistry (FC/DOC)Faculty of Chemistry (FC)
Certifying unit
Faculty of Chemistry (FC)
Affiliation unit
Department Of Organic Chemistry (FC/DOC)
Study subject / specialization
, Biotechnologia
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
05-02-2019
Issue date (year)
2019
Reviewers
Sergiusz Luliński (FC/DPC) Sergiusz Luliński,, Department Of Physical Chemistry (FC/DPC)Faculty of Chemistry (FC) Magdalena Popławska (FC/DOC) Magdalena Popławska,, Department Of Organic Chemistry (FC/DOC)Faculty of Chemistry (FC)
Keywords in Polish
magnetyczne kapsułki, nanomateriał węglowy, mechanochemia, cukry, biokompatybilność, stabilność koloidalna
Keywords in English
magnetic particles, carbon nanomaterial, mechanochemistry, sugars, biocompatibility, colloidal stability
Abstract in Polish
Magnetyczne nanokapsułki węglowe (CEMNs) cieszą się coraz większym zainteresowaniem naukowców z wielu dziedzin. CEMNs to nanostruktura typu rdzeń-powłoka, zbudowana z magnetycznego rdzenia oraz grafenowej osłonki węglowej. (1) Dzięki obecności metalowego rdzenia, nanokapsułki węglowe posiadają wyraźne właściwości magnetyczne, które mogą zostać wykorzystane między innymi w nieinwazyjnej technice obrazowania MRI. Drugą istotną właściwością CEMNs jest obecność węglowej otoczki, która ochrania metaliczny rdzeń oraz umożliwia modyfikację powierzchniową. W pracy skupiono się na potencjalnym zastosowaniu CEMNs o rdzeniu żelazowym w medycynie. Najprostszym sposobem na wprowadzenie magnetycznych nanokapsułek węglowych do organizmu człowieka jest podanie ich pacjentowi w postaci zawiesiny w wodzie lub roztworze soli fizjologicznej. Podjęto próby opracowania metod funkcjonalizacji magnetycznych nanokapsułek węglowych na drodze kowalencyjnego przyłączenia cząsteczek o wysokiej biokompatybilności oraz zwiększających stabilność koloidalną nanomateriału. Jako podstawniki organiczne wyselekcjonowano cukry oraz ich pochodne. Interesującą techniką prowadzenia reakcji jest mechanochemia. (2) Procesy mechanochemiczne polegają na przekazywaniu substratom energii mechanicznej umożliwiającej zajście reakcji chemicznej. Głównymi zaletami mechanochemii jest brak rozpuszczalnika, krótki czas prowadzenia reakcji oraz brak konieczności stosowania skomplikowanej aparatury. W niniejszej pracy opracowane zostały dwie mechanochemiczne metody kowalencyjnej funkcjonalizacji magnetycznego nanomateriału CEMNs. Pierwszą z nich była 1,3-dipolarna cykloaddycja tlenków nitryli generowanych z oksymów cukrowych do wiązań podwójnych grafenu na powierzchni CEMNs. (3) Wart uwagi jest fakt, że w opracowanych reakcjach mogą być wykorzystane zarówno pochodne cukrów zabezpieczonych, jak i niezabezpieczonych. Drugą opracowaną metodą funkcjonalizacji była koniugacja CEMNs zawierających na swojej powierzchni grupy karboksylowe z aminowymi pochodnymi cukrów na drodze tworzenia wiązania amidowego. (4) W celu zbadania przebiegu reakcji otrzymane koniugaty poddano analizie spektralnej (FT-IR) oraz termograwimetrycznej (TGA). Dodatkowo, podjęto próby koniugacji pochodnej CEMNs z monomerem cukrowym na drodze tworzenia wiązania estrowego. Wszystkie otrzymane materiały zbadano również za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), dynamicznego rozpraszania światła (DLS), pomiaru turbidymetrycznego oraz pomiaru magnetyzacji. Wyniki badań pozwoliły na stwierdzenie, że struktura magnetycznych kapsułek CEMNs została nienaruszona w trakcie reakcji mechanochemicznych, otrzymane koniugaty tworzyły stabilne dyspersje w wodzie oraz posiadały wyraźne właściwości magnetyczne. Wykryto również liniową zależność wartości nasycenia magnetyzacji od promienia hydrodynamicznego otrzymanych koniugatów. (1) M. Bystrzejewski, A. Huczko, H. Lange, Sens. Actuators B, 2005, 109, 81-85. (2) G.-W. Wang, Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 7668-7700. (3) A. Kasprzak, M. Bystrzejewski, M. Koszytkowska-Stawinska, M. Poplawska, Green Chem., 2017, 19, 3510-3514. (4) A. Kasprzak, K. Fateyeva, M. Bystrzejewski, W. Kaszuwara, M. Fronczak, M. Koszytkowska-Stawinska, M. Poplawska, Dalton Trans., 2018, 47, 11190-11202.
File
  • File: 1
    praca_inż.-Fateyeva_Kristina-280708.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 28291

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT6e46feb5ae9946b291a96ea3c554ca71/
URN
urn:pw-repo:WUT6e46feb5ae9946b291a96ea3c554ca71

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page