Synthesis and characterization of functionalized superparamagnetic iron oxide nanoparticles

Abstract

Superparamagnetische Eisenoxid Nanopartikel (SPION) finden dank ihrer magnetischen Eigenschaften und Ungiftigkeit immer mehr Anwendung in der Biomedizin. Die Architektur als Core-Shell SPION ist besinders geeignet, da die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften exakt auf die gewünschte Anwendung zugeschnitten werden können. Die Shell schützt zum einen die Cores vor Aggregation und definiert zum anderen Wechselwirkungen der SPION mit ihrer Umgebung. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung solcher Core-Shell SPION. Zu Beginn wird die Synthese der SPION Cores und deren Wachstumsphasen und die Reaktionskinetik untersucht. Es wird ein Protokoll zum Austausch der nativen hydrophoben Shell gegen eine biokompatible hydrophile Shell aus Poly(ethylenglykol) (PEG) mit einem Nitrocatechol-Anker präsentiert. Weiters wird die Bedeutung der Aufreinigung des Produktes von überschüssigen und freigesetzten Liganden erörtert und als kritischer Faktor für die weitere Charakterisierung und Anwendung identifiziert. Die Verwendbarkeit der Core-Shell SPION als MRI Kontrastmittel wird evaluiert und die Aufnahme solcher SPION durch Makrophagen getestet. PEGylierte core-shell SPION und Biotin-Avidin funktionalisierte SPION werden mit herkömmlichen SPION Kontrastmitteln hinsichtlich ihrer Fähigkeit, der unspezifischen Aufnahme durch Fresszellen zu entgehen, verglichen. Core-Shell SPION sind den anderen SPION Formulierungen in MRI Messungen überlegen. Diese Eigenschaft, in Verbindung mit exzellenten stealth Eigenschaften sind der Schlüssel zur zielgerichteten MRI Bildgebung. Weiters wird ein alternativer Ligand, Sophorolipid, untersucht. Die Syntheseprinzipien für PEGylierte SPION werden erfolgreich auf die Synthese von glykosylierten SPION übertragen. Sophorolipide, immobilisiert auf SPION führen zu guter kolloidaler Stabilität und Ungiftigkeit. Dies macht glykosylierte SPION zu vielversprechenden Materialien für biomedizinische Anwendungen Superparamagnetische Eisenoxid Nanopartikel (SPION) finden dank ihrer magnetischen Eigenschaften und Ungiftigkeit immer mehr Anwendung in der Biomedizin. Die Architektur als Core-Shell SPION ist besinders geeignet, da die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften exakt auf die gewünschte Anwendung zugeschnitten werden können. Die Shell schützt zum einen die Cores vor Aggregation und definiert zum anderen Wechselwirkungen der SPION mit ihrer Umgebung. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung solcher Core-Shell SPION. Zu Beginn wird die Synthese der SPION Cores und deren Wachstumsphasen und die Reaktionskinetik untersucht. Es wird ein Protokoll zum Austausch der nativen hydrophoben Shell gegen eine biokompatible hydrophile Shell aus Poly(ethylenglykol) (PEG) mit einem Nitrocatechol-Anker präsentiert. Weiters wird die Bedeutung der Aufreinigung des Produktes von überschüssigen und freigesetzten Liganden erörtert und als kritischer Faktor für die weitere Charakterisierung und Anwendung identifiziert. Die Verwendbarkeit der Core-Shell SPION als MRI Kontrastmittel wird evaluiert und die Aufnahme solcher SPION durch Makrophagen getestet. PEGylierte core-shell SPION und Biotin-Avidin funktionalisierte SPION werden mit herkömmlichen SPION Kontrastmitteln hinsichtlich ihrer Fähigkeit, der unspezifischen Aufnahme durch Fresszellen zu entgehen, verglichen. Core-Shell SPION sind den anderen SPION Formulierungen in MRI Messungen überlegen. Diese Eigenschaft, in Verbindung mit exzellenten stealth Eigenschaften sind der Schlüssel zur zielgerichteten MRI Bildgebung. Weiters wird ein alternativer Ligand, Sophorolipid, untersucht. Die Syntheseprinzipien für PEGylierte SPION werden erfolgreich auf die Synthese von glykosylierten SPION übertragen. Sophorolipide, immobilisiert auf SPION führen zu guter kolloidaler Stabilität und Ungiftigkeit. Dies macht glykosylierte SPION zu vielversprechenden Materialien für biomedizinische Anwendungen.Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) have received increasing interest for biomedical applications thanks to their unique magnetic properties paired with inherently low toxicity. Core-shell SPION are the most promising candidates as their chemical composition and physical properties can be tailored in respect to the desired application. The shell prevents the superparamagnetic cores from aggregation and defines how the nanoparticle interacts with the surrounding. The design and application of such core-shell SPION is the aim of this thesis. Starting with a detailed investigation of the SPION core synthesis, the different growth phases and reaction kinetics in SPION synthesis are revealed. A protocol to exchange the native hydrophobic ligand shell of as-synthesized SPION by a biocompatible, hydrophilic shell of poly(ethylene)glycol (PEG) bound to the SPION surface by a nitrocatechol anchor group is presented. The importance of purification from released and excess ligands is pointed out and shown to be crucial for further characterization and application. Subsequently, the applicability of PEGylated core-shell SPION as targeted MRI contrast agents is evaluated and a detailed cellular uptake study of PEGylated and biotin-avidin functionalized SPION is conducted and compared to a benchmark SPION contrast agent. The superior performance in MRI measurements of core-shell SPION over other architecture SPION is shown. These properties, along with excellent stealth properties resulting negligible cellular uptake by macrophages are the key for targeted MRI imaging. In a further study an alternative ligand, sophorolipid, was evaluated and the synthesis principles for PEGylated SPION were successfully transferred to synthesize glycosylated SPION. Immobilized on SPION, sophorolipids were shown to lead to good colloidal stability and no cytotoxicity which makes glycosylated SPION a promising and interesting material for biomedical applications Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) have received increasing interest for biomedical applications thanks to their unique magnetic properties paired with inherently low toxicity. Core-shell SPION are the most promising candidates as their chemical composition and physical properties can be tailored in respect to the desired application. The shell prevents the superparamagnetic cores from aggregation and defines how the nanoparticle interacts with the surrounding. The design and application of such core-shell SPION is the aim of this thesis. Starting with a detailed investigation of the SPION core synthesis, the different growth phases and reaction kinetics in SPION synthesis are revealed. A protocol to exchange the native hydrophobic ligand shell of as-synthesized SPION by a biocompatible, hydrophilic shell of poly(ethylene)glycol (PEG) bound to the SPION surface by a nitrocatechol anchor group is presented. The importance of purification from released and excess ligands is pointed out and shown to be crucial for further characterization and application. Subsequently, the applicability of PEGylated core-shell SPION as targeted MRI contrast agents is evaluated and a detailed cellular uptake study of PEGylated and biotin-avidin functionalized SPION is conducted and compared to a benchmark SPION contrast agent. The superior performance in MRI measurements of core-shell SPION over other architecture SPION is shown. These properties, along with excellent stealth properties resulting negligible cellular uptake by macrophages are the key for targeted MRI imaging. In a further study an alternative ligand, sophorolipid, was evaluated and the synthesis principles for PEGylated SPION were successfully transferred to synthesize glycosylated SPION. Immobilized on SPION, sophorolipids were shown to lead to good colloidal stability and no cytotoxicity which makes glycosylated SPION a promising and interesting material for biomedical applications.submitted by Mag. Andrea LassenbergerZusammenfassung in deutscher SpracheUniversität für Bodenkultur Wien, Dissertation, 2017OeBB(VLID)193077