Synthesis of multifunctional magnetic nanoparticles for biomedical applications

Abstract

Magnetite nanoparticles are attractive for biomedical applications such as magnetic fluid hyperthermia (MFH), a novel cancer treatment, due to their ability to induce heating through energy dissipation in an oscillating magnetic field. This application requires suitable nanoparticle surface modification which provides colloidal stability in biological fluids and improves the nanoparticle’s transport and retention in specific areas of the human body. We studied the synthesis of multifunctional magnetic nanoparticles coated with silane-functional molecules, which allow the expression of amine or acrylate end groups on the nanoparticle surface. These functional end groups were used to graft attractive materials such as carboxymethyl dextran (CMDx) or a thermo-responsible polymer such as poly(N-isopropyl acrylamide) (NIPAM). Highly stable suspensions of CMDx coated magnetic nanoparticles were obtained over a broad range of pH and ionic strength. The effect of these nanoparticles on viability of human colon (CaCo-2) and mammary (MCF-7) cancer cells was study in vitro, as well as the distribution/transport of particles in these cells. The energy dissipation of CMDx coated magnetic nanoparticles was determined upon the application of an oscillating magnetic field at 233 kHz and 6.6 kA/m. Surface modification of magnetic nanoparticles with a fluorescent thermo-responsive polymer such as poly(NIPAM-co-FMA) can be used to visualize temperature profiles during MFH application. Furthermore, we present an approach to using AC susceptibility measurements in studying changes in the state of a colloidal suspension, from which we demonstrate how temperature-dependent measurements of the AC susceptibility of a sample at fixed field frequency can be used to identify and interpret transitions in suspensions of magnetic nanoparticles coated with thermo-responsive polymers.

Las nanoparticulas magnéticas son atractivas para aplicaciones biomédicas tales como hipertermia con fluido magnético (MFH, por sus siglas en ingles), un novedoso tratamiento contra el cáncer, debido a su habilidad de inducir calentamiento a través de disipación de energía en un campo magnético oscilante. Esta aplicación requiere modificación de la superficie de las nanoparticulas para proveer estabilidad coloidal en fluidos biológicos, mejorando el transporte y la retención en áreas especificas del cuerpo humano. Nosotros hemos estudiando la síntesis de nanoparticulas magnéticas cubiertas con moléculas silano-funcionales, que permiten la expresión de grupos terminales amino o acrilatos en la superficie de la nanoparticula. Estos grupos terminales funcionales permiten el enlace de materiales atractivos tales como carboxi-metil dextran (CMDx) o un polimero termo-sensible como el poly(N-isopropil acrilamida) (NIPAM). Suspensiones altamente estables de nanoparticulas magnéticas cubiertas con CMDx fueron obtenidas en un amplio rango de pH y fuerza iónica. El efecto de estas partículas sobre la viabilidad de células de colon (CaCo-2) y células de mama (MCF-7) fue estudiado in vitro, así como también el transporte/distribución de las partículas en estas células. La disipación de energía de las partículas cubiertas con CMDx fue determinada a través de la aplicación de un campo magnético oscilante a 233 kHz y 6.6 kA/m. La superficie de las partículas magnéticas se modifico también con un polímero termo-sensible-fluorescente tal como Poly(NIPAM-co-FMA) el cual puede utilizarse para visualizar perfiles de temperatura durante el tratamiento de MFH. Además, presentamos el uso de mediciones de susceptibilidad AC como una aproximado para estudiar los cambios en el estado de una suspensión coloidal, a partir de lo cual demostramos como las mediciones dependientes de temperatura de la susceptibilidad AC de una muestra a frecuencia fija se pueden usar para identificar e interpretar las transiciones en suspensiones de nanoparticulas magnéticas cubiertas con polímeros termosensibles.