Fabrication of superparamagnetic ellipsoidal magnetite nanoclusters

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2018-06-18

Department

Major/Subject

Biosystems and Biomaterials Engineering

Mcode

CHEM3028

Degree programme

Master’s Programme in Life Science Technologies

Language

en

Pages

70

Series

Abstract

The goals of this Master’s thesis were to develop and optimize a reproducible method for the fabrication of superparamagnetic ellipsoidal iron oxide nanoclusters, and to study the effect of different fatty acids and oleic acid concentrations on the elongation. Magnetite was used in this work due to the superparamagnetic properties of its nano-range particles. Superparamagnetism refers to magnetic particles that behave as ferromagnets under an external magnetic field, but turn back to paramagnetic after the external field is removed. The main difference between superparamagnets and paramagnets is the magnetic susceptibility which is much larger in superparamagnets. The anisotropic shape was desired because of its mag-netic behaviour and prominent properties in cell uptake. The magnetic behaviour of anisotropic particles differs from spherical particles; they align according to their long axis. Different fatty acids were experimented as coatings of the nanoparticles using co-precipitation synthesis, to investigate their effect on the plasticity of the clusters. Emulsion electrospinning was used to shape the spherical nanoclusters into ellipsoidal ones. Needleless electrospinning was also experimented as a potential scale-up technology. The combined results from scanning transmission electron microscopy (STEM), small angle X-ray spectroscopy (SAXS), X-ray diffraction (XRD) and thermogravimetric analysis (TGA) were in line with the literature. The TEM and XRD results supported the hypothesis of the superparamagnetic behaviour. The shape of the clusters was confirmed after the electrospun fibres were dissolved using STEM. From these results it can be concluded that our end products were stabile ellipsoidal nanoclusters. The novelty of this work included the development of a reproducible procedure to fabricate superparamagnetic ellipsoidal magnetite nanoclusters. These particles could be exploited in hyper-thermia treatment, drug delivery and controlled drug release.

Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää ja optimoida toistettava menetelmä ellipsoidisten superparamagneettisten rautaoksidinanoklustereiden valmistukseen. Lisäksi työn tavoitteena oli tutkia eri rasvahappojen ja oleiinihappokonsentraatioiden vaikutusta klustereiden venymiseen. Superparamagneettisuus on nanopartikkelien erikoisominaisuus, jossa ne reagoivat ulkoisessa magneettikentässä ferromagneetin tavoin, mutta ulkoisen kentän poistuttua ne reagoivat paramagneettisesti. Suurimpana erona paramagneettien ja superparamagneettien välillä on niiden magneettinen suskeptibiliteetti, joka on huomattavasti suurempi superparamagneeteilla. Magnetiittia käytettiin työssä sen nanokokoisten partikkelien superparamagneettisten ominaisuuksien vuoksi. Nanoklusterien anisotropiaa tavoiteltiin sen magneettisten ominaisuuksien takia, sekä muuttuneiden soluvuorovaikutusten vuoksi. Eri rasvahappoja kokeiltiin saostamalla tehdyssä synteesissä, jotta saavutettiin erilaisia lipidipäällystyksiä nanopartikkeleille. Emulsiojännitekehräystä käytettiin pallonmuotoisten nanoklustereiden muodon muokkaamiseen, jotta lopputuotteesta saatiin ellipsoidisia klustereita. Neulatonta jännitekehräystä kokeiltiin kaupallisen ja teollisuuden näkökulman esilleuomiseksi. Pyyhkäisy-läpivalaisuelektronimikroskopian (scanning transmission electron microscopy, STEM), pienkulmaröntgensironnan (small angle X-ray spectroscopy, SAXS), röntgen diffraktion (X-ray diffraction, XRD) ja termogravimetrisen analyysin (thermogravimetric analysis, TGA) tulokset olivat yhdenmukaisia kirjallisuudessa esitettyjen tulosten kanssa. STEM ja XRD tuloksista voitiin olettaa, että syntetisoidut nanopartikkelit olivat superparamagneettisia. Lopputuotteen ellipsoidinen muoto varmistettiin STEM-kuvilla, kun jännitekehräyksessä muodostunut PVA kuitu oli liuotettu pois. Näistä tuloksista voidaan todeta, että lopputuotteina oli stabiileja ellipsoideja superparamagneettisia nanoklustereita. Työn uutuusaspektina oli kehitetty toistettava prosessi nanoklustereiden muodon muokkaamiseen. Lopputuotetta voidaan käyttää jatkotutkimuksissa esimerkiksi hypertermiahoidossa, lääkeaineiden kuljettamisessa ja kontrolloidussa lääkeaineiden vapauttamisessa.

Description

Supervisor

Laaksonen, Päivi

Thesis advisor

Innocenti Malini, Riccardo

Keywords

magnetite, ellipsoid, nanocluster, superparamagnetism, electrospinning, nanoparticle

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201806293798

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM