Štúdium niektorých fyzikálnych systémov obsahujúcich jemné magnetické častice

1. Ústav experimentálnej fyziky, SAV Štúdium niektorých fyzikálnych systémov obsahujúcich jemné magnetické častice Doktorandské štúdium: od 1.9.2005 do 1.9.2009 Doktorandka: Ing. Vlasta Závišová Školiteľ: Doc. RNDr. Peter Kopčanský, CSc.

2. EXPERIMENTY – príprava a štúdium: 1. magnetických častíc- sférické - ihličkovité 2. magnetických kvapalín - biokompatibilnépre biomedicínske aplikácie - olejové pre priemysel 3. kompozitných systémov - kvapalný kryštál+ magnetické častice = feronematikum -biodegradovateľný polymér+ magnetická kvapalina + liečivo obsah

3. Enkapsulácia magnetitu a liečiva do polymérnych nanosfér (pre cielený transport) liečivo - taxol magnetitBiokompatibilný a biodegradovateľný polymér: PLGA nanosféra PLA – polymér kyseliny mliečnej PLGA - kopolymér kyseliny mliečnej a glykolovej

4. Taxol- protirakovinové liečivo- objavené v roku 1962- izolované z kôry tisu Pacific yew tree(Taxus brevifolia)- v r. 1971 Wall a Wani publikovali štruktúru tejto novej sľubnej zlúčeniny – komplex poly-oxygenated diterpene- v tise je koncentrácia taxolu ~ 100 mg/kg kôry (0.01%). - 100 ročný strom obsahuje 3 kg kôry – zber kôry likviduje strom- našťastie – štruktúrne podobné zlúčenina 10-deacetylbaccatin III - môže byť izolovaná z ihličia Európskeho tisu - Taxus baccata, (výťažok 0.1%) - zber ihličia nezabíja stromy • chemickou rekciou z tejto zlúčeniny môžeme získať taxol

5. Príprava polymérnych magnetických nanosfér Nanoprecipitačná metóda • princíp tejto metódy je založený naveľmi pomalom pridávaní organickej fázy k vodnej fázeza stáleho miešania • organickérozpúšťadloboloodparenépri atmosferickomtlaku a izbovej teplote • agregátyboliodstránené filtrácioucez 0,3µm hydrofilný filter

6. Polymérne nananosféry PLGA pozorované pomocou SEM Priemer nanosfér 150 – 270 nm Priemer nanosfér 170 – 250 nm Podarilo sa nám naviazať 40% liečiva (taxolu) do polymérnych nanosfér

7. (NH2)2CO + H2O 2NH3 + CO2 NH3 + H2O NH4+ + OH- Fe3+ +3OH- Fe(OH)3 Fe(OH)3 FeOOH + H2O 2FeOOH + Fe(OH)2Fe3O4 + 2H2O (α- FeOOH goetit) Magnetitové častice sféricképriemer častíc ~ 10 nmihličkovitépriemer častíc ~ 30 nm dĺžka častice ~ 400 - 800 nm Pripravené termickou dekompozíciou Pripravené zrážacou reakciou 2FeCl3 + FeCl2 + 8NaOH Fe3O4 + 4H2O Msbulck= 0,46 T = 0,46/(4π.10-4ρ) emu/g = 70,6 emu/g ρFe3O4 = 5,18 g/cm3 χFe3O4 = 0,31 Ms = 67,5 emu/g = 67,5 A m2 /kg Hc = 114 Oe = 114 . 1 000 / 4π = 9 072 A/m prepočet

8. A A 1F Hysterézna slučka nanorodov meraná VSM magnetometrom saturačná magnetizácia Ms=7.5 mT koercitívna sila Hc=7 kA/m χi = 3,6 . 10-6 TEM nanorodov 3F 3F

9. silné orientačno – elastické väzby tendencia molekúl zorientovať sa navzájom rovnobežne Anizotropia vlastností Kvapalný kryštál • termodynamicky stabilná fáza • bez trojrozmernej kryštálovej mriežky • silný elektrický dipólový moment • molekuly tyčinkovitého tvaru • anizotropia vlastností izotropná kvapalina kvapalnokryštalická fáza - mezofáza Teplota Termotropný kvapalný kryštál pevné skupenstvo - tuhý kryštál obsah

10. nematická smektická A smektická C Schématické zobrazenie fáz Nematická fáza molekuly sú usporiadané v jednom smere charakterizované jednotkovým vektoromnazývanýmdirektor Molekuly smektickej fázy vykazujú istý stupeň translačného usporiadania, (ktorý v nematiku nie je prítomný). Molekuly sú zorientované do jedného smeru ako v nematiku, naviac sú však usporiadané do rovín alebo vrstiev. Molekuly môžu byť na roviny vrstiev kolmé-smektikum A, - resp. s nimi môžu zvierať určitý uhol-smektikum C. Pohyb molekúl je obmedzený na pohyb v rámci vrstvy, jednotlivé vrstvy sa však môžu po sebe posúvať

11. Kvapalné kryštály v magnetickom poli Kritické pole magnetického Frederickszonovhoprechodu D - hrúbka vzorky Ki – Frankové elastické konštanty (K1 -priečny ohyb, K2 - skrútenie, K3 - pozdĺžny ohyb) a- anizotropia diamagnetickejsusceptibility H < Hc H H > Hc Intenzita magnetického poľa pri ktorej dochádza k zmene orientácii molekúl kvapalného kryštálu nazývame kritické magnetické pole Hc

12. anizotropia diamagnetickejsusceptibility kvapalných kryštálov a =  - (zvyčajne 0) ~ 10-7- 10-6  potrebné vysoké intenzity magnetického poľa (~ 1 T) naotočenie LC textúry Brochard a de Gennesmyšlienka pridať do kvapalného kryštálu jemné magnetické častice J.Phys. (Paris) 31,(1970) 691

13. Feronematiká • suspenziejemných magnetitových častíc v nematickom kvapalnom kryštály • prítomnosť magnetických prímesí zvyšuje magnetickú susceptibilitu FN, • v porovnaní s čistým NLC • vzniká silná orientačná väzbamedzimomentom magnetických častíc a direktorom nematického kvapalného kryštálu • vonkajšie magnetické pole mení orientáciu častíc acez ne pôsobí na textúru nematického kvapalného kryštálu Rault et al1. experimentálna práca (MBBA a Fe2O3 ) Phys Lett. A 32 (1970) 199

14. Dve základné teórie popisujúce rovnovážnu orientáciu direktora kvapalného kryštálu a magnetického momentu magnetických častíc vzhľadom na okolité nematické prostredie Brochard ade Gennes Burylov a Raikher • zaviedli parameter •  = Wd/K • W– povrchová hustota kotviacej energie • K- elastickákonštanta nematika • d– priemer magnetických častíc • určuje typ ukotveniavo FN: •  >> 1 ~ pevné ukotvenies n(r)m(r) •  1 ~ slabéukotvenie s n(r)  m(r) alebon(r)  m(r) uvažovali paralelnú orientáciu magnetického momentu magnetických častíc s direktorom vzorky n(r)  m(r) ~ pevné ukotvenie

15. Závislosť kapacity 6CHBT feronematického kvapalného kryštálu s objemovou koncentráciou magnetických častíc Φ = 2 x 10-4 (merané pri teplote 30°C).

16. W – povrchová hustoty kotviacej energie vzťahu (Raiker, 1995): kde • Bcje kritické pole Frederickszovho prechodu v čistom kvapalnom kryštály, • BCFNje kritické pole Frederickszovho prechodu vo feronematiku, • W povrchová hustoty kotviacej energie W vo feronematiku, • d je stredný priemer magnetických častíc (pre magnetickú pastu 10 nm t.j. 10-8 m), • Φ jeobjemová koncentrácia magnetických častíc (2 .10-4 ), • μ0je permeabilita vákua (μ0=4π. 10-7) • χa je susceptibilita kvapalného kryštálu (pre 6 CHBT χa=4,805.10-7) vypočítané zo vzťahu: kde • D je vzdialenosť dosiek kondenzátora (D = 5.10-6m) • K11 je elastická konštanta (pre 6CHBT K11= 6,71 .10-12 N) • Z hodnôt povrchovej hustoty kotviacej energie W bol vypočítaný parameter ω zo vzťahu:

17. Z hodnôt vypočítaného parametru ω je zrejmé, v prípade retiazky magnetozómov a nanorodov ide o silné ukotvenie molekúl kvapalného kryštálu na magnetické častice. Aplikácie: v oblasti, kde je potrebné meniť orientáciu kvapalného kryštálu pomocou vonkajšieho magnetického poľa Mapovanie magnetického poľa

18. Prezentácie 1. Tatry - Nanoved Aplikácie magnetických kvapalín v biomedicíne M.Timko, P.Kopčanský, M.Koneracká, I.Potočová, V.Závišová 2. Saarbrucken - Magnetic Colloidal Fluids: Preparation, Chararacterization, Physical Properties and Applications Some immobilization modes of biologically active substances to finemagnetic particles M.Koneracká, V.Závišová, N.Tomašovičová, P.Kopčanský, M.Timko 3. Berlín – Workshop on Biomedical Applications of Nanotechnology - NanoMed 2006 4. Krems - 6th International Conference Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers Encapsulation of Indomethacin into Magnetic Labelled Biodegradable Polymer V.Závišová, M.Koneracká, N.Tomašovičová, P.Kopčanský, M.Timko, I.Vavra 5. Riga – Magnetic particles for applications in biomedicine M.Timko, M.Koneracká, N.Tomašovičová, P.Kopčanský, V.Závišová 6. Staré Jablonky -16th Conference of Liqiud Crystals The structural transitions in ferronematics and ferronematic droplets P.Kopčanský, M.Koneracká, M.Timko, I.Potočová, L.Tomčo, N.Tomašovičová, V.Závišová, J.Jadzyn 7. Znojmo – Structural and ferroelectric phase transitions Temperature dependence of critical magnetic field of structural transition in MBBA – based ferronematics N.Tomašovičová, M.Koneracká, P.Kopčanský, M.Timko, V.Závišová, J.Jadzyn

19. Najnovšie publikácie 2006 - 2007 Z. Phys. Chem. 220 (2006) 1–9 Some Immobilization Modes of Biologically Active Substances to Fine Magnetic Particles V. Závišová, M. Koneracká, N. Tomašovičová, P. Kopčanský, M. Timko Measurement Science Review 6, Section 2 No 3: Measurement in Biomedicine (2006) 32-35 Infrared study of biocompatible magnetic nanoparticles, N.Tomašovičová, M.Koneracká, P.Kopčanský, M.Timko, V.Závišová J. Magn. Magn. Mater. 300 (2006) 191-194 Magnetite polymer nanospheres loaded by indometacin for anti-inflammatory therapy. M.Timko, M.Koneracká, N.Tomašovičová, P.Kopčanský, V.Závišová Journal of Magnetism and Magnetic Materials – 311 (2007) 379 -382. Encapsulation of indomethacin into magnetic labelled biodegradablepolymer V. Závišová, M. Koneracká, O. Štrbák, N. Tomašovičová,P. Kopčanský, M. Timko, I. Vavra Phase transitions - 79 (2006) 595. Temperature dependence of critical magnetic field of structural transition in MBBA – based ferronematics N.Tomašovičová, M.Koneracká, P.Kopčanský, M.Timko, V.Závišová, J.Jadzyn SPIE – zaslané The structural transitions in ferronematic droplets P.Kopčanský, M.Koneracká, M.Timko, I.Potočová, L.Tomčo, N.Tomašovičová, V.Závišová, J.Jadzyn In Neuroendocrinology Letters. Vol. 27, Suppl 2 (2006), p. 96 – 99 (1,005 IF 2005) Acute toxicity of magnetic nanoparticles in mice Gajdošíková, A. – Gajdošík, A. – Koneracká, M . – Závišová, V. – Štvrtina, S. – Krchnárová, V. – Kopčanský, P. – Tomašovičová, N. – Štolc, S. – Timko, M.

20. Ďakujem za pozornosť