Nanokompozyty magnetyczne dla zastosowañ medycznych

Transkrypt

1 Nanokompozyty magnetyczne dla zastosowañ medycznych 7 Katarzyna NOWICKA,, HenrykFIGIEL,, WaldemarTOKARZ,, El bieta SO TYSIAK, Marta, B A EWICZ Marta B A EWICZ * Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanis³awa Staszica w Krakowie, Wydzia³ In ynierii Materia³owej i Ceramiki Katedra Biomateria³ów, Wydzia³ Fizyki i Informatyki Stosowanej Katedra Fizyki Medycznej i Biofizyki Katedra Fizyki Cia³a Sta³ego * Corresponding author; mblazew@agh.edu.pl Nanokompozyty magnetyczne dla zastosowañ medycznych Streszczenie. Nanokompozyty polimerowe to perspektywiczna grupa tworzyw o unikatowych w³aœciwoœciach. Materia³y te znajduj¹ zastosowanie w wielu dziedzinach w tym równie w medycynie. W pracy przedstawiono prost¹ metodê wytwarzania nanokompozytów o w³aœciwoœciach magnetycznych, polegaj¹c¹ na kilkuetapowej homogenizacji obydwu sk³adników; roztworu polimeru oraz cz¹stki magnetycznej. Nanokompozyty polimerowe scharakteryzowano w zakresie w³aœciwoœci mechanicznych, termicznych, magnetycznych oraz biologicznych. Wykazano, e magnetyczne nanokompozyty na bazie polisulfonu to nietoksyczne materia³y o w³aœciwoœciach magnetycznych, zale nych od iloœci modyfikatora, wprowadzonego do matrycy polimerowej. Magnetyczne nanokompozyty s¹ materia³em, mog¹cym znaleÿæ zastosowanie w konstrukcji membran i implantów, przeznaczonych do terapii i diagnostyki medycznej. MAGNETIC NANOCOMPOSITE FOR MEDICAL APPLICATIONS Summary. Polymer nanocomposites are a prospective group of materials with unique properties. These materials are used in many fields including the medicine. The paper presents a simple method of producing nanocomposites with magnetic properties, which consists of several stages of homogenization of the two components; polymer solution and magnetic particles. Mechanical, thermal and magnetic properties of the obtained polymer nanocomposite were determined. Biological assessment proved that the nanocomposite samples are nontoxic and their magnetic properties depend on the amount of the nanomagnetic phase in the polymer matrix. The magnetic nanocomposites may find application in the manufacturing of membranes and implants for medical diagnosis and therapy.. Wprowadzenie Polimery s¹ idealnymi matrycami do wytwarzania tworzyw kompozytowych. Kompozyty to materia³y, których w³aœciwoœci s¹ niejako wypadkow¹, parametrów matrycy polimerowej i drugiej fazy, czyli modyfikatora. Znaczenie tej grupy tworzyw, znacz¹co wzros³o w dobie nanotechnologii. Nanokompozyty polimerowe otrzymuje siê w wyniku wprowadzenia do matryc polimerowych, dodatków o nanometrycznych rozmiarach. Nanocz¹stki ceramiczne, metaliczne czy nanoformy wêgla, wprowadzane w niewielkich iloœciach, do matryc polimerowych, modyfikuj¹ je, na poziomie molekularnym i nadaj¹ im szereg nowych, niejednokrotnie unikatowych w³aœciwoœci. Nanokompozyty polimerowe to materia³y o parametrach mechanicznych, czasami nawet kilkakrotnie przewy szaj¹cych w³aœciwoœci wyjœciowego polimeru, oprócz tego w zale noœci od rodzaju nanocz¹stki, wprowadzanej do matrycy, chrakteryzuj¹ce siê przewodnictwem elektrycznym, bakteriobójczoœci¹, w³aœciwoœciami barierowymi, czy magnetycznymi. W ostatnich kilkunastu latach nanokompozyty polimerowe znalaz³y szereg zastosowañ w wielu dziedzinach takich jak; motoryzacja, budownictwo, przemys³ spo ywczym, ochrona œrodowiska czy medycyna [-5]. Perspektywiczn¹ grup¹ nanokompozytów polimerowych s¹ te, które posiadaj¹ w³aœciwoœci magnetyczne. Magnetyczne w³aœciwoœci, polimery osi¹gaæ mog¹ dziêki obecnoœci w matrycy polimerowej, cz¹stek magnetycznych. Materia³y takie otwieraj¹ ca³y szereg nowych aplikacji, jedn¹ z dziedzin, w której magnetyczne materia³y mog¹ zaleÿæ zastosowanie, jest terapia i diagnostyka medyczna. Polimery o w³aœciwoœciach magnetycznych mog¹ byæ przydatne w medycynie, zw³aszcza w konstrukcji magnetycznych noœników leków, stosowanych w terapii antynowotworowej. Magnetyczne noœniki leków wytwarza siê z kompozytów zbudowanych z nanocz¹stek magnetycznych i resorbowalnych polimerów w formie sfer, zawieraj¹cych lek, wprowadzanych do ludzkiego organizmu poprzez iniekcje i naprowadzanych do chorych tkanek przez zewnêtrzne pole magnetyczne. Dodatkowo magnetyczne polimery w formie siatek, prêtów, stentów, wszczepiane do chorych tkanek, poddane namagnesowaniu mog¹ istotnie zwiêkszyæ skutecznoœæ dostarczania leku. Implanty takie mog¹ ograniczyæ niedoskona³oœci, zwi¹zane z transportem leku, przy zastosowaniu nanocz¹stek magnetycznych, minimalizuj¹c niebezpieczeñstwo jego uwalniania do tkanki zdrowej [6-]. Magnetyczne nanokompozyty, na bazie biostabilnych i biodegradowalnych polimerów mog¹ znaleÿæ zastosowanie w produkcji implantów w formie kszta³tek lub membran D i D. Nie bez znaczenia jest równie fakt, e materia³y zawieraj¹ce nawet niewielkie iloœci cz¹stek magnetycznych, mo na z powodzeniem wizualizowaæ w diagnostyce MRJ oraz analizowaæ otaczaj¹ce je tkanki. Jak wynika z naszych prac, wizualizacja MRJ, implantów modyfikowanych nanoczastakmi magnetycznymi, ogra-

2 8 Katarzyna NOWICKA, Henryk FIGIEL, Waldemar TOKARZ, El bieta SO TYSIAK, Marta B A EWICZ nicza iloœæ wszelkiego rodzaju artefaktów, obecnych w obrazie MRJ, powstaj¹cych zazwyczaj w tkankach, znajduj¹cych siê w najbli szym otoczeniu implantu []. Celem pracy jest próba wytworzenia nanokompozytu o w³aœciwoœciach magnetycznych, na bazie polisulfonu z przeznaczeniem zw³aszcza na materia³y implantacyjne. Polisulfon jest jednym z polimerów o szerokim spektrum zastosowañ. Polisulfony wykazuj¹ odpornoœæ na dzia³anie nieorganicznych kwasów i zasad. Maj¹ dobre w³asnoœci mechaniczne, s¹ odporne na dzia³anie czynników chemicznych i termicznych. Materia³ ten, ze wzglêdu na swoje w³aœciwoœci, stosowany jest miedzy innymi w przemyœle lotniczym, kosmicznym, elektronice, elektrotechnice, przemyœle spo ywczymi, ochronie œrodowiska natomiast jego biozgodnoœæ, stabilnoœæ w œrodowisku tkankowym, mo liwoœæ wielokrotnej sterylizacji sprawia, e znajduje zastosowania w medycynie i farmacji. Produkuje siê z niego szereg wyrobów medycznych, takich jak sprzêt medyczny i ró nego rodzaju wyroby, przeznaczone do bezpoœredniego kontaktu z tkankami. Najczêœciej z materia³u tego wytwarza siê membrany, które stosowane byæ mog¹ do konstrukcji, zarówno implantów jak i sztucznych narz¹dów. Nadanie polisulfonowi w³aœciwoœci magnetycznych, mo e znacznie rozszerzyæ zakres jego zastosowañ medycznych o nowe rozwi¹zania w zakresie terapii i diagnostyki.. Materia³y i metody Do wytworzenia kompozytów u yto polisulfonu (PSU) (Sigma-Aldrich) w postaci granulatu (masa cz¹steczkowa M n =6 000, gêstoœæ,4 [g/cm ] temperatura zeszklenia 87 [ C]). Jako fazê modyfikuj¹c¹ wykorzystano nanomagnetyt (Sigma-Aldrich). Ze wzglêdu na wysok¹ reaktywnoœæ substancji o dyspersji manometrycznej, nanomodyfikator przed rozpoczêciem eksperymentów, scharakteryzowano przy pomocy mikroskopii elektronowej (TEM JEOL JEM 0l, SEM NOVA NANO SEM 00) (rys..), dodatkowo wykonano widma spektroskopii ramanowskiej, wykorzystuj¹c spektrofotometr Renishaw InVia, zaopatrzony w laser HPNIR 785 nm (rys..), oraz zbadano w³aœciwoœci magnetyczne (Vibrating Sample Magnetometer VSM) (tab..) Kompozyty wytwarzano w prosty sposób, ³¹cz¹c ze sob¹ oba sk³adniki, wielokrotnie je homogenizuj¹c przy pomocy sonikatora i mieszad³a magnetycznego, schemat otrzymywania nanokompozytów magnetycznych, na bazie polisulfonu przedstawiono na rys.. W procesie otrzymywania nanokompozytów nie korzystano z sufraktantów, ani innych substancji u³atwiaj¹cych dyspersje nanododatku, w matrycy polimerowej. Wytworzono dwa rodzaje nanokompozytów a mianowicie; nanokompozyty o zawartoœci,5% i 5% wag. nanododatku w matrycy PSU. Materia³y otrzymano w postaci folii, które w pierwszej kolejnoœci, ze wzglêdu na planowane aplikacje, poddano badaniom biologicznym, polegaj¹cym na normowym okreœleniu biozgodnoœci, zgodnie z norm¹; ISO 099-5, Biologiczna ocena wyrobów medycznych Czêœæ 5: Badania cytotoksycznoœci: metody in vitro, badania przeprowadzono w Zak³adzie Chirurgii Eksperymentalnej i Badania Biomateria³ów Akademii Medycznej we Wroc³awiu. Obrazy mikroskopowe (mikroskopia optyczna) nanokompozytów magnetycznych, przedstawiono na rys.4. Badania wytrzyma³oœci na rozci¹ganie, zarówno czystego polimeru jaki jego nanokompozytów, przeprowadzono z wykorzystaniem maszyny wytrzyma³oœciowej typu Zwick 45, Badanie wytrzyma³oœci na rozci¹ganie wykonano na podstawie próby statycznego rozci¹gania zgodnie z norm¹: PN-EN ISO 57-:998: Tworzywa sztuczne. Oznaczanie w³aœciwoœci mechanicznych przy statycznym rozci¹ganiu, wyniki zmieszczono w tabeli. Nastêpnie, nanokompozyty poddano badaniom termicznym, badania przeprowadzono za pomoc¹ urz¹dzenia firmy NETZSCH STA 449F Jupiter, temperatury zeszklenia, zarówno czystego polimeru, jak i nanokompozytów zestawiono w tabeli. Pomiary w³aœciwoœci magnetycznych, foli nanokompozytowych wykonane zosta³y, (podobnie jak samego modyfikatora) przy u yciu magnetometru z drgaj¹c¹ próbk¹ Vibrating Sample Magnetometer VSM, firmy Lake Shore model 700, okreœlono magnetyzacje nasycenia, koercje i remanencje, pomiary wykonano w temperaturze pokojowej, pêtle histerezy przedstawiono na rys. 5, wyniki zamieszczono w tabeli 4.. Wyniki i dyskusja Przedstawiony na rys. obrazy mikroskopii TEM oraz SEM wskazuj¹, e cz¹stki magnetyczne maja regularne kszta³ty o œrednicach w zakresie od 0 70 nm, i tworz¹ wielocz¹stkowe aglomeraty. Natomiast z widma Ramana wynika, e materia³ ten, w przewa aj¹cej czêœci, jest maghemitem o czym œwiadcz¹ po³o enia pasm w widmie Ramana. Widmo to jest charakterystyczne dla faz o ziarnach nanometrycznych, a po³o enia pasm absorpcyjnych wskazuj¹, e w próbce, oprócz magnetytu (Fe O 4 ), wystêpuje maghemit ( -Fe O ). Widmo maghemitu posiada charakterystyczne pasma: 40 cm -, 507 cm - i 70 cm -, które wystêpuj¹ równie w widmie cz¹stek magnetycznych, bêd¹cych przedmiotem badañ. Tabela. Parametry magnetyczne nanocz¹stki wykorzystanej do modyfikacji PSU W³aœciwoœci magnetyczne Nanomodyfikator Magnetyzacja nasycenia [emu/g] 78,48±,9 Koercja [mt] 9,6±0,09 Pozosta³oœæ magnetyczna [emu/g] 0,08±,0 Wyniki badañ nanododatku wskazuj¹, e nanocz¹stki wykorzystane w badaniach to mieszanina maghemitu i magnetytu o ziarnach poni ej 00 nm, o widocznej tendencji do aglomeracji i w³aœciwoœciach ferromagnetycznych (Tab.).

3 Nanokompozyty magnetyczne dla zastosowañ medycznych 9 Nanocz¹stki magnetyczne po inkubacji w rozpuszczalniku, ³¹czono z roztworem polimeru (dichlorometan, DCM), wed³ug procedury przedstawionej na rys.. Z analizy obrazów mikroskopowych obu foli nanokompozytowych wynika, e nanoczastki w matrycy PSU, tworz¹ aglomeraty o anizotropowych, wyd³u onych kszta³tach o rozmiarach w granicach kilkudziesiêciu i wiêcej mikrometrów, równomiernie rozprowadzonych w matrycy polisulfonowej. Badania biologiczne folii nanokompozytowych wg Normy ISO 0-99, wykaza³y, e materia³y, bêd¹ce przedmiotem badañ, s¹ nietoksyczne (klasa toksycznoœci 0). Materia³y kompozytowe badano przy wykorzystaniu komórek linii fibroblastycznych, w kontakcie bezpoœrednim (materia³ ywa komórka), przez ró ne okresy czasu, klasê toksycznoœci okreœlono w oparciu o morfologiê komórek i iloœæ komórek martwych. Tabela. W³aœciwoœci mechaniczne polimeru i jego nanokompozytów. Rodzaj materia³u Rm [MPa] Fmax [mm] E [GPa] PSU 9,9±,9 5,±0,9,8±0, PSU+Fe O 4.5% 49,0±4,0,±0,,8±0, PSU+Fe O 4 5% 6,0±7,5,±0,,6±0, Tabela. Temperatura zeszklenia polimeru i jego nanokompozytów. Rodzaj materia³u T g ( C) PSU 78,0 PSU+Fe O 4.5% 69,7 PSU+Fe O 4 5% 66, Rys.. Mikrofotografie nanocz¹stki magnetycznej mikroskopia elektronowa kolejno; mikroskopia transmisyjna TEM, mikroskopia skaningowa SEM. Wyniki badañ mechanicznych wskazuj¹, e wprowadzenie modyfikatora nie obni a wytrzyma³oœci, ani modu³u sprê ystoœci obu badanych materia³ów. Wrêcz prze , 66, 9, , ,5 87,9 58, , Arb , Jednostki wzglêdne Rys.. Widmo Ramana nanocz¹stki magnetycznej spektrofotometr; Renishaw InVia.

4 0 Katarzyna NOWICKA, Henryk FIGIEL, Waldemar TOKARZ, El bieta SO TYSIAK, Marta B A EWICZ Rys.. Schemat wytwarzania nanokompozytowych folii; PSU/nanocz¹staka magnetyczna. ciwnie, w ka dym wypadku (nanokompozyt o,5% i 5% wag.), charakteryzuje siê wy szym modu³em Younga oraz wytrzyma³oœci¹ nie ni sz¹, ni wyjœciowy polimer. Natomiast nanokompozyt z ni sz¹ zwartoœci¹ modyfikatora, ma wyraÿnie wy sz¹ wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie, ni czysty polimer. Taka sytuacja, w której na skutek wprowadzenia nanocz¹stki do matrycy polimerowej, obserwuje siê wzrost wytrzyma³oœci i dodatkowo wzrost modu³u, œwiadczy zazwyczaj o dobrej dyspersji nanododatku w matrycy polimerowej. Charakterystyczny równie dla nanokompozytów, zawieraj¹cych cz¹stki w dyspersji nanometrycznej jest spadek wytrzyma³oœci, obserwowany przy wy szych zwartoœciach nanocz¹stek. Przeczy jednak temu, obraz mikroskopowy nanokompozytowych folii, w którym wyraÿnie obserwuje siê aglomeraty o mikrometrycznych rozmiarach, natomiast wyniki badañ termicznych, w których obserwuje siê obni enie temperatur zeszklenia, obu badanych materia³ów w porównaniu z czystym polimerem, zdaj¹ siê potwierdzaæ nanometryczn¹ dyspersje modyfikatora w matrycy M (emu/g) ,8-0,6-0,4-0, 0,0 0, 0,4 0,6 0,8 0 H(T) 4 Rys.4. Mikrofotografie (mikroskopia optyczna) foli nanokompozytowych (5%,,5%wag.) z widocznymi aglomeratami nanocz¹stek magnetycznych o anizotropowych kszta³tach. Pow. 00. M (emu/g) ,8-0,6-0,4-0, 0,0 0, 0,4 0,6 0,8 0 H(T) Rys. 5. Przyk³adowe pêtle histerezy w³aœciwoœci magnetycznych nanokompozytów, otrzymanych przez wprowadzenie nanocz¹stki magnetycznej do matrycy polimerowej (PSU).

5 Nanokompozyty magnetyczne dla zastosowañ medycznych polimerowej. Na tym etapie badañ nale y przyj¹æ, e najprawdopodobniej nanocz¹stka magnetyczna, wprowadzana do matrycy z polisulfonu, zapewne tworzy ca³y szereg aglomeratów (widoczne na obrazie mikroskopowym), jednak e nie mo na wykluczyæ faktu, e czêœæ modyfikatora pozostaje nie zaglomerowana i zapewne ona jest odpowiedzialna, w wiêkszym stopniu ni aglomeraty, za oddzia³ywanie z ³añcuchami polimeru, w nastêpstwie czego obserwujemy wzrost sztywnoœci i wytrzyma- ³oœci polimeru, modyfikowanego nanocz¹stkami magnetycznymi. Na rys. 5. zestawiono pêtle histerezy dla magnetycznych kompozytów polimerowych, otrzymanych na bazie polisulfonu, natomiast w tabeli 4, zestawiono œrednie z wyników pomiarowych. Tabela 4. W³aœciwoœci magnetyczne nanokompozytów polisulfon / cz¹stka magnetyczna. Rodzaj materia³u Nanokompozyt,5% Fe O 4 5% Fe O 4 Magnetyzacja nasycenia (emu/g),4±0,06,9±0,07 Koercja (mt),58±0,,7±0,5 Pozosta³oœæ magnetyczna (emu/g) 0,44±0,005 0,57±0,0006 Jak widaæ z wyników, zamieszczonych w tabeli 4, polimerowe kompozyty, bêd¹ce przedmiotem badañ, to materia³y o w³aœciwoœciach magnetycznych, osi¹gaj¹ce magnetyzacjê nasycenia przy niewielkich natê eniach pola magnetycznego (zakres natê enia pola bezpieczny z medycznego punktu widzenia). Magnetyzacja nasycenia materia³ów kompozytowych zale y od iloœci zastosowanego modyfikatora. Koercja, w przypadku obu analizowanych materia³ów, jest jednakowa jednak e przesz³o dwa razy wy sza, od koercji samego nanomodyfikatora (tab.). Wyniki wskazuj¹, e matryca polimerowa wyraÿnie wp³ywa na parametry magnetyczne nanokompozytu polimerowego. Mo na za³o yæ, e oddzia³ywania najprawdopodobniej elektrostatyczne, pomiêdzy matryc¹ a nanocz¹stkami s¹ przyczyn¹ tworzenia siê aglomeratów o anizotropowym kszta³cie, zaœ oddzia³ywania w obrêbie aglomeratu (o wyd³u onych kszta³cie) wp³ywaj¹ na koercje, jak równie mog¹ wp³ywaæ na magnetyzacje nasycenia zw³aszcza w przypadku wy szych iloœci nanomodyfikatora. Wprowadzenie do biozgodnych, biostabilnych polimerów, cz¹stek magnetycznych o wymiarach poni ej 00 nm, w iloœciach nie przekraczaj¹cych 5% wagowych, nie obni a ich w³aœciwoœci, istotnych z medycznego punktu widzenia, a nadaje im nowe, mog¹ce znacz¹co poszerzyæ zakres ich stosowania w medycynie. Praca wspó³finansowana z grantu NCN nr: UMO-0/0/B/ST5/0644, oraz grantu MNiSW nr: N N Literatura. HussainF.,HojjatiM.,OkamotoM.,GorgaE.R.,Polymer-matrix Nanocomposites, Processing, Manufacturing, and Application: An Overview, Journal of Composite Materials, 006, 40, 5.. Paul D.R., Robeson L.M., Polymer nanotechnology: Nanocomposites, Polymer, 49, 008, 4, Gacitua W.E., Ballerini A., Zhang J., Polymer nanocomposite: synthetic and natural fillers, Ciencia y tecnología, 005, Nguyen Duc Nghia, Ngo Trinh Tung, Study on synthesis and anticorrosion properties of polymer nanocomposites based on super paramagnetic Fe O NiO nanoparticle and polyaniline, Synthetic Metals 009, 5, Aarti S. et al. Electrical and magnetic properties of chitosan-magnetite nanocomposites, Physica B, 00, 405, Aviles M.O, Ebner A.D., Ritter J.A., Implant assisted-magnetic drug targeting: comparison of in vitro experiments with theory, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 008, 0, Mangual J.O., at all. Biodegradable nanocomposite magnetite stent for implant-assisted magnetic drug targeting, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 00,, Chena H., et al. Analysis of magnetic drug carrier particle capture by a magnetizable intravascular stent: Parametric study with single wire correlation; Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 004, 84, Zhou L.L., et al. Synthesis and characterization of multi-functional hybrid magnetite nanoparticles with biodegradability, superparamagnetism, and fluorescence. Materials Letters 009, 6, Okassa L.L., et al. Optimization of iron oxide nanoparticles encapsulation within poly(d,l-lactide-co-glycolide) sub-micron particles; European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 007, 67, 8.. Zhou L., L. et al; Synthesis, characterization, and controllable drug release of ph-sensitive hybrid magnetic nanoparticles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 009,, Wójcik M., Nowicka K., et al. Preliminary study on polyacrylonitrile-based fibers modified with magnetite nanoparticles for biomaterials engineering, Engineering of Biomaterials 006, 58-60,