Magnetische Untersuchung von CoFe2O4 Nanopartikeln in physiologisch kompatiblem Medium : Ein erster Schritt in Richtung in vivo Applikation

Abstract

Im Rahmen dieses Promotionsprojekts wurde eine geeignete Syntheseroute für Cobalt-ferritnanopartikel anhand gegebener Parameter etabliert und optimiert. Die vom Partikel-system geforderten Parameter lassen sich dabei in zwei Kategorien einteilen. Zunächst soll es möglich sein, reproduzierbar größere Volumina eines im wässrigen Medium hoch-stabilen Kolloids zu produzieren. Zusätzlich sollen die Partikel eine hohe Sättigungsmag-netisierung aufweisen. Als Mischferrit ist Cobaltferrit gegenüber anderen Ferriten beson-ders stabil gegenüber Oxidation. Durch die hohe magnetokristalline Anisotropie, woraus eine hohe Koerzitivität des Materials resultiert, ist Cobaltferrit weiterhin aufgrund seiner stabilen magnetischen Phase sehr attraktiv. Synthesen über thermische Dekomposition sind insbesondere aufgrund des aufwendigen Phasentransfers und des häufig geringeren magnetischen Moments in diesem Rahmen unpraktikabel. Die Wahlmethode über Fällung in Wasser sollte Partikel mit einer möglichst hohen Biokompatibilität erzeugen, weswegen Citrat als bevorzugter Ligand ausgewählt wurde. Für die weitere Prozessierung wurden die Partikel anschließend häufig mit einer Silikahülle ummantelt. Sowohl reine Partikel mit einem Kerndurchmesser von ca. 18 nm als auch Core-Shell-Partikel mit etwa 25 nm Gesamtdurchmesser wurden mit einer Jurkat-Zellkultur auf ihre Toxizität untersucht. Parallel dazu wurde die Eignung des Partikelsystems für die Hyper-thermie überprüft. Eigens dafür wurde eine kompakte und teilautomatisierte Hyperther-mieanlage entwickelt und konstruiert. Das Partikelsystem wurde im Detail vor allem dy-namisch-magnetisch charakterisiert und anschließend in der Hyperthermieanlage unter-sucht. Die Partikel verfügen über eine ausgezeichnete Wärmeleistung von bis zu 40 Wg-1 bei kleinen Magnetfeldern von 25 mT und 10 kHz. In einem abschließenden Projekt-schritt wurden die Partikel-Matrix-Interaktionen in einer PNIPAM-Matrix in der Hyper-thermie im Vergleich zu rein wässrigen Partikeln betrachtet.

This thesis presents a highly stable cobalt ferrite nanoparticle system that was chosen from a plethora of potential synthetic approaches as the most suitable and optimized for this project. This ferrite was chosen due to its inherent stability to oxidization which re-sults from being a mixed ferrite. The strong magnetocrystalline anisotropy of cobalt ferrite enables a highly stabilized magnetized state. The main requirement for the nanoparticles can be divided into two categories: The ‘technical’ demands mainly revolve around the high colloid stability and elevated magnetic moment of the particle system. The ‘applica-tion-oriented’ challenges for the particle system start with the strong magnetic response of the system and aim towards applicability in biological environments (in vitro and in vivo). To promote biocompatibility, only aqueous ferrofluids were considered and citrate was used as primary stabilizing ligand which has shown to be inherently biocompatible to a certain degree. Those particles measuring roughly 18 nm in diameter were also encased in a silica shell resulting core-shell particles with a thickness of about 3.5 nm, blocking inter-actions of cobalt with the surrounding medium. Both systems were tested for their toxico-logical footprint using a jurkat cell line. The particle systems were also extensively charac-terized by dynamic magnetic techniques such as ac-susceptometry and magnetic particle spectroscopy to assess their suitability for magnetic hyperthermia. A custom hyperthermia setup was constructed to investigate the heating properties of the particle system in an ac-magnetic field. The particles show an exceptional heat generation of 40 Wg-1 at weak fields of 25 mT and a very low frequency of 10 kHz. Ultimately, the particle-matrix interactions of the hard-magnetic cobalt ferrite particles were examined using poly-N-isopropylacrylamide as matrix material as this polymer is highly researched and thus enables comparability to a range of literature data. A compara-tive study of aqueous colloids and gel-colloid composites was conducted to examine if a contactless phase transition can be induced by an ac magnetic field.