NanoBioMedical Centre Adam Mickiewicz University Poznan, Poland. Stefan Jurga. Novosibirsk, November 27, 2012 Novosibirsk Akademgorodok

Transkrypt

1 NanoBioMedical Centre Adam Mickiewicz University Poznan, Poland Stefan Jurga Novosibirsk, November 27, 2012 Novosibirsk Akademgorodok

2 Location St Petersburg Berlin R Poznań Russia Slovenia

3 Poznań the city of two fighting goats )

4 NanoBioMedical Center Poznan University of Life Sciences NanoBioMedical Center Poznan University of Medical Sciences Poznan University of Technology Adam Mickiewicz University

5 NanoBioMedical Centre Adam Mickiewicz University, Poznań A multidisciplinary unit focused on the high quality research and education on doctoral and master level in nanoscience and nanotechnology with a focus on possible applications to biology and nanomedicine

6 NanoBioMedical Center

7 The project of about 36 M Euro Building 2600 m M Euro Equipment 25.0 M Euro 30 PhD students in nanoscience 2.5 M Euro 60 Master students M Euro 15 Research Staff Support 2.0 M Euro FP7 - ESMI (Juelich), 18 European partners FP7 - IRSES (NANOMAG) Demokritos

8 EDUCATION BASED RESEACH PhD studies (30 students) Interdisciplinary doctoral studies in the area of nanoscience and nanotechnology, including 4 years compulsory 1 year abroad in partner institution Master studies (60 students) a) Biophysics (spec: nano-bio-medicine): 2 years b) Bio-Nano-Materials: 2 years E-learning in the nanoscience ICT (laboratory trainings, courses, demonstrations) Individual PhD and MSc projects from faculties of AMU and partner institutions

9 Research areas of NanoBioMedical Center Electronics,spintronics Cell manipulation Biosensors Nanomaterials, nanostructures, nanocomposites Neuroscienc e Tissue engineering Detection, therapy

10 1. Macromolecular nanotransporters, nanocomposites 2. NPs for nano-diagnosis and targeted drug delivery 3. Metalic nanoparticles - magnetic and electronic properties 4. Carbon nanostructures physical propertis 5. Free radicals for nanodetection 6. Multiferroic nanostructures 7. Nanopores, confinement & phase transitions 8. Polymeric self-assembly systems 9. New nanoparticles for MRI contrast agents 10. Nanomaterials & nanosystems for tissue engineering (hydrogels)

11 NP Drug Target cell Ligand Receptor

12 Research facilities Microscopy HR TEM 200kV cryo-tem, 120 kv FIB, STM UHV, Cryo-SEM AFM/Raman, AFM/SNOM AFM for biology and material studies Manufacture of Nanostructures mikrotoms, cryo-plunge, epitaxy, ovens for NT growth, evaporators (1)

13 Medical Imaging Animal MRI 9.4 T ESR imaging, L band Optical Tomography (2) Research facilities Optical Spectroscopy Scanning Confocal Microscopies,with FCS Fluorescence Correlation Spectroscopy (Olympus & Zeiss) Fast Multibeam Scan. Confocal Microscopy with STED, Leica NMR Spectroscopy 800 MHz narrow bore for biological 600 MHz wide bore for diffusion and microimaging 400 MHz wide bore Magnetometry SQUID, 7 Ts (Quantum Design)

14 Research facilities Biological Chemical Surface Plasmon Resonance Biosensor, In Cell Analyzer, Fluorescence Microscopy for Immunolocalization Fluorescence Activated Cell Sorter, Polymerase Chain Reaction in real time UV-VIS-NIR XRD powder, SAXS and WAXS for thin films Dielectric Spectroscopy high pressure Viscosimeters (3)

15 Research facilities Cleanrooms (1000, 1000, 100) Atomic Layer Deposition Reactive Ion Etching Chemical Vapour Deposition Photolithography Molecular Beam Epitaxy Vision- and Neuroscience Fundus camera,tms+eeg, neuronavigation) Student s Optometric laboratory (4)

16 Partners Freie Universität Berlin, Germany Research Center Jülich, Germany Max-Planck-Institute for Molecular Biology, Berlin Carnegie Melon University, USA New York State University, USA University of Cambridge, UK University of London, UK University of Tsukuba, Japan Korea Basic Science Institute, South Korea University of Ljubljana, Sl NRC Demokritos, Greece FORTH, Heraklion, Greece University of Florence, Italy University of Trieste, Italy University of Nancy, France University of Lyon, France Polish Academy of Sciences

17 Laboratorium Spektroskopii NMR i Obrazowania Struktura biochemiczna substancji 800 MHz Dyfuzja i mikroobrazowanie z wysoką zdolnością rozdzielczą 400 MHz Rutynowe badania cieczy i ciała stałego Mikroobrazowanie małych zwierząt 9.4 T

18 Laboratorium Mikroskopii Obrazowanie na poziomie sub-angstremowym i analiza chemiczna Transmisyjny mikroskop elektronowy TEM 120 kv Badania układów biologicznych i polimerowych w niskich temperaturach Wysokorozdzielczy transmisyjny mikroskop elektronowy HRTEM 200 kv Skaningowy mikroskop elektronowy SEM/CryoSEM Badania morfologii ciała stałego i materii miękkiej Focused Ion Beam FIB

19 Laboratorium Mikroskopii Mikroskop sił atomowych AFM Badania topografii, własności magnetycznych i przewodności powierzchni Analiza składu chemicznego i badania topografii w ciele stałym, cieczach i układach biologicznych Spektrometr Ramana z odwróconym mikroskopem optycznym zintegrowany z mikroskopem sił atomowych AFM

20 Laboratorium Spektroskopii Optycznej Badania dynamiki w małych objętościach i obrazowanie układów biologicznych ze zdolnością rozdzielczą 50 nm Skaningowy mikroskop konfokalny Mikroskop konfokalny ze stymulowanym wygaszaniem emisji STED Analiza optyczna i interakcji fotonicznych nanomateriałów i materiałów biologicznych

21 Laboratorium Chemiczne Spektrometr UV-VIS-NIR Różnicowy Kalorymetr Skaningowy DSC Badania fizycznych i chemicznych właściwości nanocząstek i nanostruktur

22 Laboratorium Biologiczne Badania procesów nanobiologicznych oraz monitoring terapii farmaceutycznych na poziomie komórkowym. Analiza i obrazowanie procesów zachodzących w komórkach Mikroskop fluorescencyjny In Cell Analyzer

23 Laboratorium Medyczne Spektrometr EPR Badania obejmujące zagadnienia inżynierii tkankowej, leczenia chorób i ich detekcji

24 Laboratorium Nanostruktur i Cleanroom Projektowanie, wytwarzanie i charakterystyka układów w mikro i nanoskali Osadzanie warstw z fazy gazowej CVD Osadzanie warstw atomowych ALD Fotolitografia Reaktywne trawienie jonowe RIE

25 Laboratorium Neuronauki i Widzenia Badania w dziedzinie neurologii i psychofizjologii, załamania i widzenia obuocznego, etiologii chorób oczu i kontaktologii, właściwości optycznych materiałów do diagnozowania chorób oczu i tworzenia protez ocznych Przezczaszkowy Stymulator Magnetyczny TMS Koherentna spektralna tomografia optyczna SOCT Funduskamera

26 Molekularny Tomograf Fluorescencyjny FMT FMT to nieinwazyjna metoda obrazowania in vivo szeroko stosowana w onkologii, chorobach płuc, układu krążenia, stanach zapalnych oraz chorobach Układu kostnego Molekularny Tomograf Fluorescencyjny FMT 1500 FMT pozwala: Monitorować i określać ilościowo elementy biologiczne oraz zachodzące w organizmie procesy (również w otoczeniu fizjologicznie związanym) głębiej zrozumieć mechanizm powstawania chorób, ich postęp oraz odpowiedzi organizmu na stosowane metody terapeutyczne interpretować dane kliniczne w oparciu o dane ze studyjnego modelu choroby Dzięki wykorzystaniu odczynników fluorescencyjnych można ponadto: mierzyć, monitorować oraz analizować ilościowo aktywność biologiczną żywego organizmu zredukować liczbę zwierząt niezbędnych do wykonania założonych prac badawczych uzyskać nowe, unikalne informacje dotyczące biologii choroby oraz mechanizmów działania leków

27 Mikroskop Fluorescencyjny z oprogramowaniem do FISH i kariotypowania i immunolokalizacji Służy do badania materiału biologicznego - komórek i tkanek w oparciu o zjawisko fluorescencji i fosforescencji. Stosuje się znakowanie fluorescencyjne sond rozpoznających fragmenty DNA lub białek. W badaniach molekularnych stosuje się do znakowania sond wykorzystywanych we fluorescencyjnej hybrydyzacji in situ (FISH) do mapowania transgenu w komórkach, lokalizacji genu, transkryptu lub białka w komórce, określania prawidłowści kariotypu komórek. Mikroskop fluorescencyjny Axio Imager M2

28 Biosensor - Oparty na zjawisku optycznym powierzchniowego rezonansu plazmonowego SPR Do badania oddziaływań między cząsteczkami z wykorzystaniem sensora opartego na zjawisku optycznym powierzchniowego rezonansu plazmonowego (ang. surface plasmon resonanse, SPR). Biosensory umożliwiają ilościowe pomiary oddziaływań między jedną lub większą liczbą cząstek w zależności od związanej cząstki docelowej na powierzchni sensora. Cząstki, z którymi będzie się wiązać mogą być pobierane z nieoczyszczonej mieszaniny, która przepływa przez sensor. Pomiarom mogą podlegać różne oddziaływania między białkami, kwasami nukleinowymi, lipidami, cukrowcami a nawet całymi komórkami. Biacore X100

29 Selected research projects Star polymers crystalline/amorphic Nanocomposites clay/polymers Gold nanoparticles/ionic Liquids

30 Questions 1. Phase structure: crystalline/ amorphous; stability/solubility (XRD, AFM, NMR) 2. Molecular mobility: key point for stability (NMR & BDS) 3. Crystallization kinetics: nucleation and growth in glassy state (POM, FTIR, DSC) 4. Amphiphilicty: hydrophobic/hydrophilic nature of the nanocarrier (~40% of drugs hydrophobic)

31 Polymeric nanostructures Mahmoud Elsabahy, Karen L. Wooley,JOURNAL OF POLYMER SCIENCE PART A: POLYMER CHEMISTRY 2012, 50,

32 Miktoarm star polymers -model nanostructures with a potential for drug delivery (two various polymer chains emanate from the core) core Haifeng Gao, and Krzysztof Matyjaszewski; Macromolecules 2008, 41, ATRP

33 Model system poly(butyl acrylate) arms (B) poly(ethylene oxide) arms (E) H 3 C CH 42 3 O O C H 3 O CH 3 45 semicrystalline CH 3 amorphous variable molar ratio of B and E arms low polydispersity index (M w /M n ) 1.17 N NB NE Crystall ( % B2E B5E B8E N - number of arms per star (Makrocka-Rydzyk, SJ, POLYMER, 2011, 52, 5513)

34 heat flow [W/g] heat flow [W/g] heat flow [W/g] heat flow [W/g] STRUCTURE, Differential Scanning Calorimetry egzo egzo -75 I heating B/E 502/ ,0 0,5 0,0-0,5-1,0 0,4 cooling I cooling II heating II cooling I heating I cooling II heating II cooling cooling PEO (E ) heating PEO heating Temperature [ o C] cooling heating I heating I cooling II heating II cooling B/E 5/5 Temperature [ o C] B/E 8/2 egzo Temperature [ o cooling C] 0,2 0,0-0,2 heating B8E2 B2E8 B5E5 I heating I cooling II heating II cooling Heating/cooling rate: 10 o C/min sample PEO B2E8 B5E5 B8E2 PBA T m 52 o C 44 o C 36 o C 28 o C - crystallinity [%] H m 173 J/g 62 J/g 31 J/g 9 J/g -- - Enthalpy of fusion for high molecular weight PEO H m (PEO)=206,2 J/g -0, Temperature [ o C]

35 STRUCTURE: Crystallization by POM images B2E8 B5E5 B8E2 a) 20% poly(butyl acrylate) 80% poly(ethylene oxide) 100 m b) 50% poly(butyl acrylate) 50% poly(ethylene oxide) c) 80% poly(butyl acrylate) 20% poly(ethylene oxide) 100 m 100 m

36 STRUCTURE:B2E8 Isothermal crystallization kinetics at 25 o C WAXS degree of crystallization x C 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Avrami equation x(t) 1 exp n = 2.6 kt n 0, time [s]

37 STRUCTURE: AFM (tapping mode) (B2E8) after crystallization from the melt DMT modulus ADHESION 100 nm 100 nm The bright regions in DMT modulus and dark regions in adhesion maps correspond to the lamellas ( part of spherullite).

38 STRUCTURE: SAXS- B2E8 temperature dependence of d-spacing scattered intensity as a function of the scattering vector Observed d-spacing correspods well to the diameter of lammelas in AFM image

39 STRUCTURE: SAXS -B5E5 Temperature dependence of SAXS data for miktoarm star B2E8 copolymer temperature dependence of d-spacing scattered intensity as a function of the scattering vector

40 Formation of crystalline domains due to the self-assembling of PEO arms in the PBA/PEO miktoarm star copolymer PEO crystalline domain

41 Dynamics Frequency of molecular motions [Hz] NMR Diffusion NMR Relaxation Dispersion T 1 RelaxationT 1, T2 Relaxation T [s] Molecular motion correlation (relaxation) time Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) Rheology R. Kimmich, E. Anoardo, Field cycling NMR Relaxometry,Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 44 (2004) 257

42 NMR RELAXATION Fluctuations of dipolar magnetic spin-spin interactions give rise to T1 relaxation 1/T1 = A [J1(w) + J2(w)] J(w) = FT{G()} J(w) = c /(1+w 2 c2 ) T1 at one Larmor frequency for different temperatures ] T1 as a function of Larmor frequencies - T1 dispersion

43 T 1 [s] DYNAMICS: T1 spin-lattice relaxation times (200 MHz) B2E8 B5E5 B8E2 T g methyl group rotations o exp Ea RT T m 10 0 segmental motions o DTo exp T T o /T [1/K]

44 spin-lattice relaxation time [ms] DYNAMICS: by T1 Dispersion for B2E8 (extra segmental a process) o C 41 o C /- 0,02 60 o C 0,26 +/-0,02 Laws predicted by the renormalized Rouse formalism high mode number limit /- 0,02 0,75 +/- 0,02 B2E8 T m =44 o C T low mode number limit T , frequency [MHz] reptation of polymer confined in nanopores T R. Kimmich at al., Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 44 (2004)

45 DYNAMICS: NMR self-diffusion at 25 ºC for B8E2 Fourier Transform Pulsed Field Gradient Stimulated Echo NMR, d=5 ms, D=300 ms D fast =3.581E-13 m 2 /s D slow =2.7E-14 m 2 /s Faster: 30% Slower: 70% Two component diffusion

46 DYNAMICS: NMR self-diffusion for B8E2 polymer at 50 ºC PFGSE NMR, d=4 ms, D=200 ms Stability D fast =2.3E-12 m 2 /s D slow =1.8E-13 m 2 /s Faster: 80%, Slower: 20% Two distinctive spectral components (polidyspersity)

47 DYNAMICS: Dielectric Relaxation sample electrodes diameter D d silicone spacers * w s 1w 2 2 D i s w 2 1w 2 D D Phase shift ' w '' w

48 heat flow [W/g] Permittivity'' DYNAMICS: by BDS M o d u lu s ' ' egzo I heating B/E 2/8 2 0 cooling I cooling II heating II cooling heating -2 BE 2-8 mikto arm, nakladana w temp 70C AC Volt [Vrms]= T m Temperature [ o C] B2E8 Semi-crystalline structure M M" * 1 * 10 1 " 2 " ' B E 2-8 mik to a rm, n a kla d a n a w te mp 7 0 C AC V o lt [V rms]= Frequency [Hz] a Temperature [ C] a a c / MWS CD T e m pe ra tu re [ C ] F re q u e n c y [H z ] Loss modulus

49 DYNAMICS: BDS * 1 M" " M * 2 2 " ' 1 M" 0,1 0,01 1E-3 1E-4 a (Tg ) a c MWS or a c PEO B2E8 B5E5 B8E2 1E-5 T m 1E Temperature ( o C)

50 Relaxation/correlation times determined for miktoarm star copolymers ΔM 2 a b tau [s] D T B2E8 B2E e ,7 B5E e B8E e log BDS NMR 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4, /T CH 3 (C 3 ) motion Arrhenius-type E a 6 kj/mol o = Segmental motion VFT-type o DTo exp T T o

51 Acknowledgment Coworkers M. Makrocka-Rydzyk M. Kempka M. Dobies M. Grzeszkowiak A. Wypych J. Jenczyk G. Nowaczyk M. Jancelewicz K. Wegner M. Wiesner Collaboration Prof. Krys Matyjaszewski NanoBioMedical Centre Poznań