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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.75.2022.tde-06102022-081831
Document
Author
Full name
Maria Eduarda Souza Dias Lino
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2022
Supervisor
Committee
Varanda, Laudemir Carlos (President)
Júnior, Watson Beck
Molina, Celso
 
Title in Portuguese
Modificação de rota verde para síntese de nanopartículas superparamagnéticas de magnetita visando aumentar as propriedades magnetotérmicas para tratamento de câncer
Keywords in Portuguese
câncer
hipertermia magnética
magnetita
nanopartículas magnéticas
síntese
Abstract in Portuguese
A ampla utilização de óxidos de ferro em medicina é associada à técnica de hipertermia magnética em cânceres, através da aplicação do nanomaterial na região tumoral e utilizando energia térmica advinda de um campo magnético alternado que permite a destruição apenas das células cancerosas. Este trabalho tem como objetivos principais a obtenção e a caracterização de nanopartículas de óxido de ferro superparamagnéticas de magnetita em meio aquoso através de uma rota considerada ambientalmente amigável. A síntese é baseada na geração in situ de íons Fe2+ através da redução controlada de íons Fe3+ na presença de íons sulfito. Sistematicamente, a metodologia conduz a obtenção de nanopartículas de magnetita com tamanho médio de 12±2 nm e estreita distribuição de tamanhos. Embora o tamanho se enquadre no regime superparamagnético desejado, a literatura atual sugere que nanopartículas na faixa de tamanho de 20-25 nm apresentam maior intensidade das suas propriedades hipertérmicas. Nesta faixa, as nanopartículas estão próximas ao limite crítico entre mono e multidomínios magnéticos intensificando processos de relaxação de Néel que refletem positivamente na eficiência de energia magnética em térmica. Uma avaliação de diversos parâmetros de síntese foi realizada neste trabalho como: ordem de adição dos reagentes, tipo e tempo de agitação (mecânica ou magnética), ajuste no tempo de injeção do complexo no meio alcalino e acidez inicial do meio. O estudo permitiu ampliar o conhecimento da rota de síntese e identificar fatores que governam as etapas de hidrólise e condensação e podem ser ajustados para permitir aumentar o tamanho médio das nanopartículas. As diferentes etapas e produtos foram caracterizados por difratometria de raios X, espectroscopia infravermelho com transformada de Fourier e microscopia eletrônica de transmissão. Algumas amostras também foram analisadas por espalhamento de luz dinâmico (potencial zeta e tamanho hidrodinâmico) e medidas de hipertermia magnética. Nossos resultados mostraram que o complexo ferro-sultifo deve ser previamente formado e estar na cor amarela antes da adição no meio alcalino ou da adição de base. A cor amarela identifica que o processo redox Fe3+ → Fe2+ foi completado. O tipo de agitação magnética não interfere no produto da reação, mas deve ser usada apenas na etapa inicial de nucleação para evitar oxidação das nanopartículas durante o período de envelhecimento (24h/90°C). Adicionalmente, múltiplas injeções do complexo no meio de reação durante o período de envelhecimento resultaram em elevada polidispersão devido aos processos de nucleação e crescimento simultâneos durante a síntese. Embora não se tenha conseguido aumentar o tamanho médio das nanopartículas, uma amostra sintetizada diluindo previamente o complexo em água com adição controlada da base se mostrou bastante promissora neste sentido. As partículas apresentaram tamanho da ordem de 30 nm, mas com diferentes formas, alta polidispersão e formação de goethita juntamente à fase magnetita. Este efeito foi atribuído a baixa acidez inicial do meio devido à diluição e os parâmetros devem ser ajustados em estudos futuros, permitindo aumentar o tamanho das nanopartículas de forma controlada, sua estabilidade coloidal e intensificar os valores de magnetohipertermia.
 
Title in English
Modification of green route for synthesis of magnetite superparamagnetic nanoparticles to increase magnetothermal properties for cancer treatment
Keywords in English
cancer
magnetic hyperthermia
magnetic nanoparticles
magnetite
synthesis
Abstract in English
The wide use of iron oxides in medicine is associated with the technique of magnetic hyperthermia in cancers, through the application of the nanomaterial in the tumor region and using thermal energy from an alternating magnetic field that allows the destruction of only cancer cells. The main objectives of this work are to obtain and characterize superparamagnetic iron oxide nanoparticles of magnetite in aqueous media through a route considered environmentally friendly. The synthesis is based on the in situ generation of Fe2+ ions through the controlled reduction of Fe3+ ions in the presence of sulfite ions. Systematically, the methodology leads to obtaining magnetite nanoparticles with an average size of 12±2 nm and a narrow size distribution. Although the size fits the desired superparamagnetic regime, the current literature suggests that nanoparticles in the size range of 20-25 nm present greater intensity of their hyperthermic properties. In this range, the nanoparticles are close to the critical limit between mono and multi-domain magnetics intensifying Néel relaxation processes that positively reflect on the efficiency of magnetic energy in thermal. An evaluation of several synthesis parameters was carried out in this work, such as: reagents order of addition, time and type of agitation (mechanical or magnetic), adjustment of the complex injection time in the alkaline medium and initial acidity of the medium. The study allowed to expand the knowledge of the synthesis route and identify factors that govern the hydrolysis and condensation steps and can be adjusted to allow increasing the average size of nanoparticles. The different steps and products were characterized by X-ray diffractometry, Fourier transform infrared spectroscopy and transmission electron microscopy. Some samples were also analyzed by dynamic light scattering (zeta potential and hydrodynamic size) and magnetic hyperthermia measurements. Our results showed that the iron-sulfite complex must be previously formed and be yellow before the addition in alkaline medium or the addition of base. The yellow color identifies that the Fe3+ → Fe2+ redox process has been completed. The type of magnetic stirring does not interfere with the reaction product, but it should be used only in the initial nucleation step to avoid oxidation of the nanoparticles during the aging period (24h/90°C). Additionally, multiple injections of the complex into the reaction medium during the aging period resulted in high polydispersity due to simultaneous nucleation and growth processes during synthesis. Although it was not possible to increase the average size of the nanoparticles, a sample synthesized by previously diluting the complex in water with controlled addition of the base proved to be very promising in this regard. The particles had a size of the order of 30 nm, but with different shapes, high polydispersity and formation of goethite together with the magnetite phase. This effect was attributed to the low initial acidity of the medium due to dilution and the parameters should be adjusted in future studies, allowing to increase the size of the nanoparticles in a controlled way, their colloidal stability and intensify the magnetohyperthermia values.
 
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Publishing Date
2022-10-07
 
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