Alternating Magnetic Field Triggered Nanoplatform in Biomedical Application of Drug Delivery

Abstract

In this thesis, technologies and developments of alternating magnet field in biomedical applications are discussed. Magnetic nanoparticles (MNPs) have been produced. Importantly, two drug cargo platforms with MNPs have been introduced: Metal-organic frameworks (MOFs) and polyelectrolyte multilayer-capsules (PEMCs). In the main project, zinc-dopped iron oxide nanoparticles (Zn-IONPs) with ligands oleic acid (OA) as representative MNPs have been synthesized and modified with citric acid, coated with zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8), which is porous structure for drug cargo. Nanoparticles Zn-IONPs@ZIF-8 were loaded with coumarin and packed with electrolyte polymer poly(sodium-4-styrene sulfonate) (PSS) and poly(allylamine) hydrochloride (PAH). This nanomaterial was uptaken from HeLa cells in cell culture and the whole system was inspected in AMF. With different conditions of AMF treatment regional heat generated from Zn-IONPs led to breakage of electrolyte polymer and increase molecular diffusion of coumarin, which brought out drug release. Based on the result, it was confirmed that there was weak release but not significant overall. Thus, in side project, ferromagnetic iron oxide nanoparticles (IONPs) involved PEMCs as drug cargo loaded with calcein have been discussed. PEMCs consisted of electrolyte polymers PAH and PSS, which covered spherical template calcium carbonate (CaCO3) layer by layer. As the same strategy as mentioned, IONPs involved PEMCs loaded with calcein were uptaken from Hela cells as well and treated with AMF. Due to contribution of AMF, IONPs generated regional heat and broke the multilayers-structure of PEMCs, which led to calcein release. Based on results, PEMCs were not controllable with AMF. There was leakage before treatment and few release afterwards. However, there is still potential from PEMCs in application of drug release.

In dieser Thesis werden Technologien und Entwicklungen des Wechselmagnetfelds in biomedizinischen Anwendungen diskutiert. Magnetische Nanopartikel (MNPs) wurden hergestellt. Besonders wichtig ist, dass zwei Arzneimittelträgerplattformen mit MNPs vorgestellt wurden: Metall-organische Rahmenstrukturen (MOFs) und Polyelektrolyt-Multilayer-Kapseln (PEMCs). Im Hauptprojekt wurden zinkdotierte Eisenoxid-Nanopartikel (Zn-IONPs) mit Liganden wie Ölsäure (OA) als repräsentative MNPs synthetisiert und mit Zitronensäure modifiziert, beschichtet mit einem zeolitischen Imidazolate-Rahmen-8 (ZIF-8), einer porösen Struktur für Arzneimittelträger. Die Nanopartikeln Zn-IONPs@ZIF-8 wurden mit Coumarin beladen und mit dem Elektrolytpolymer Poly(Natrium-4-styrolsulfonsäure) (PSS) und Poly(allylaminhydrochlorid) (PAH) verpackt. Dieses Nanomaterial wurde von HeLa-Zellen in Zellkultur aufgenommen, und das gesamte System wurde im AMF untersucht. Bei unterschiedlichen Bedingungen der AMF-Behandlung führte die regionale Wärme, die von Zn-IONPs erzeugt wurde, zu einer Zerstörung des Elektrolytpolymers und einer erhöhten molekularen Diffusion von Coumarin, was zur Freisetzung des Medikaments führte. Basierend auf dem Ergebnis wurde bestätigt, dass eine schwache Freisetzung, jedoch insgesamt nicht signifikant, stattfand. Im Subprojekt wurden ferromagnetische Eisenoxid-Nanopartikel (IONPs), die in PEMCs als Arzneimittelträger mit Calcein geladen waren, diskutiert. Die PEMCs bestanden aus den Elektrolytpolymeren PAH und PSS, die schichtweise die kugelförmige Vorlage Calciumcarbonat (CaCO3) bedeckten. Nach der gleichen Strategie, wie bereits erwähnt, wurden die IONPs, die in PEMCs mit Calcein geladen waren, ebenfalls von HeLa-Zellen aufgenommen und mit AMF behandelt. Aufgrund des Beitrags des AMF erzeugten die IONPs regionale Wärme und brachen die Multilayer-Struktur der PEMCs, was zur Freisetzung von Calcein führte. Basierend auf den Ergebnissen waren die PEMCs nicht kontrollierbar mit AMF. Es gab ein Auslaufen vor der Behandlung und nur wenige Freisetzungen danach. Dennoch besteht weiterhin Potenzial der PEMCs in der Anwendung der Wirkstofffreisetzung.