Multifunctional PEG-carboxylate copolymer coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles for biomedical application

Abstract

Highlights• Multicore magnetite nanoparticles (MNPs) were superparamagnetic.• PEG-carboxylate polyelectrolytes coat spontaneously MNPs and stabilize them electrosterically.• Biofunction can be attached to MNPs via carboxylated coating layer.• Multifunctional shell prevents MNPs' internalization into cells.• Superparamagnetic property is sustained after MNP coating. AbstractBiocompatible magnetite nanoparticles (MNPs) were prepared by post-coating the magnetic nanocores with a synthetic polymer designed specifically to shield the particles from nonspecific interaction with cells. Poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (PEGMA) macromonomers and acrylic acid (AA) small molecular monomers were chemically coupled by quasi-living atom transfer radical polymerization (ATRP) to a comb-like copolymer, P(PEGMA-co-AA) designated here as P(PEGMA-AA). The polymer contains pendant carboxylate moieties near the backbone and PEG side chains. It is able to bind spontaneously to MNPs; stabilize the particles electrostatically via the carboxylate moieties and sterically via the PEG moieties; provide high protein repellency via the structured PEG layer; and anchor bioactive proteins via peptide bond formation with the free carboxylate groups. The presence of the P(PEGMA-AA) coating was verified in XPS experiments. The electrosteric (i.e., combined electrostatic and steric) stabilization is efficient down to pH 4 (at 10 mM ionic strength). Static magnetization and AC susceptibility measurements showed that the P(PEGMA-AA)@MNPs are superparamagnetic with a saturation magnetization value of 55 emu/g and that both single core nanoparticles and multicore structures are present in the samples. The multicore components make our product well suited for magnetic hyperthermia applications (SAR values up to 17.44 W/g). In vitro biocompatibility, cell internalization, and magnetic hyperthermia studies demonstrate the excellent theranostic potential of our product. Graphical abstract

Szuperparamágneses vas-oxid nanorészecskék (SPIONs)teranosztikai célú fejlesztése

“…Felhívtuk a figyelmet, hogy a kolloid stabilitás in vivo körülmények között elvárt szintre növelése csak elektrosztérikus stabilizálással lehetséges és hogy érdemes a kolloid stabilitást koagulálás kinetikai mérésekkel jellemezni a költséges in vitro és in vivo vizsgálatok elõtt 18 . A SPIO nanorészecskék felületén sok ponton kémiailag kötött makromolekulás védõréteg óvja meg a részecskéket az aggregációtól, biztosítja az elvárt kémiai és kolloid stabilitást bioreleváns körülmények között 15,17,19 . A részecskék nem közvetlenül, hanem a felületükön lévõ védõrétegen keresztül érintkeznek a környezetükkel, kialakul az adott szerkezetû bionano határfelület, 20 amitõl függ a kölcsönhatásuk a bioentititásokkal, fõleg fehérjékkel, sejt membránokkal.…”

“…Ábra Polisavak adszorpciója magnetiten. 14,17 A mennyiségi összehasonlíthatóság érdekében a nagy molekulájú polisavak egyensúlyi koncentrációját és adszorbeált mennyiségét is karboxilcsoport tartalmuk anyagmennyiségére vonatkoztattuk.…”

“…A szerves anyagok jelenlétét XPS spektroszkópiával is bizonyítottuk, 27 valamint azt is, hogy a kimagaslóan hidrofil P(PEGMA-co-AA) fésûs kopolimer (amit poli(etilén glikol) metil éter metakrilát (PEGMA) makromonomer és akrilsav (AA) kis molekulájú monomer kémiai kapcsolásával szintetizáltak) a magnetit felületen a víz molekulák teljes kiszorításával adszorbeálódik. 17 1. Ábra A növekvõ mennyiségû kondroitin-szulfát A (CSA) jelenlétében 10 mM NaCl oldatban 24 óra állás után mért pH-függõ elektrokinetika potenciál (bal oldal) és kolloidstabilitás (jobb oldal).…”

“…Biofarmáciai Intézet) bizonyítottuk, hogy a sejtek életképességét a SPIONs jelenléte szignifikánsan nem befolyásolja. 15,16 Berlini kék festéssel vizualizáltuk, hogy a csak kissé eltérõ polikarboxilát burkolatok különbözõen hatnak kölcsön a HeLa sejtekkel, a SPION részecskék behatolnak a sejtek belsejébe (döntõen a PAA@MNP) és/vagy megkötõdnek (CA@MNP, PAM@MNP) a sejtek felületén, 18 a pegilált fedõrétegek (P(PEGMA-co-AA@MNP)) viszont megakadályozzák a sejt membránnal való kölcsönhatást, 17 amint az az 5. ábrán látható. Az Erlangeni Klinikai Egyetemen Christina Janko (Prof. Christoph Alexiou, University Hospital Erlangen, Section for Experimental Oncology and Nanomedicine -SEON) áramlásos citometriával Jurkat sejt tenyészetben bizonyította, hogy a poligalláttal burkolt SPION részecskék (PGA@MNP) megõrzik az antioxidáns hatást, ami a GA esetén közismert.…”

Thermodynamic Stability of Nano-grained Alloys Against Grain Coarsening and Precipitation of Macroscopic Phases

“…NANO-MATERIALS play an increasing scientific and social role. [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19] In the past, nano-materials were simplified to single nano-particles. However, it has been clear for some decades that the real use of nanomaterials is expected if they form macroscopic articles with nano-structure inside.…”