Synthesis of superparamagnetic mesoporous silica nanoparticles to mediate antitumour strategies

Abstract

O objetivo do presente trabalho é a obtenção de partículas com um core superparamagnético, constituído por óxido de ferro, e uma shell mesoporosa de sílica. Conjugando as propriedades magnéticas com a mesoporosidade destas nanopartículas, estas apresentam potencial para serem utilizadas para entrega magneticamente controlada de fármacos antitumorais, bem como em outras áreas da biomedicina.Neste trabalho, três tipos de nanopartículas foram sintetizadas: IO-OAm/mSiO2, IO-APTES/mSiO2 e IO/SiO2/mSiO2. Nas duas primeiras, o óxido de ferro (IO) for produzido por decomposição térmica, ficando com uma camada protetora de oleilamina (OAm). Estes dois tipos de nanopartículas diferem apenas no método utilizado para transferir o óxido de ferro para a fase aquosa antes da reação sol-gel em que se obtém a shell de sílica mesoporosa (mSiO2): no caso de IO-OAm/mSiO2, foi utilizado um surfatante, enquanto que, no caso de IO-APTES/mSiO2, as moléculas de OAm foram substituídas por aminopropiltrietóxissilano (APTES). Por fim, no caso de IO/SiO2/mSiO2, as nanopartículas de óxido de ferro foram sintetizadas por microemulsão e uma shell de sílica não porosa (SiO2) foi obtida para proteger o óxido de ferro de oxidação, antes de se obter a shell de sílica mesoporosa (mSiO2).As nanopartículas sintetizadas foram caracterizadas quanto às suas propriedades físicas, químicas e magnéticas. Para além disso, para avaliar o seu potencial para mediar estratégias antitumorais, foram também testadas quanto ao encapsulamento e libertação de epirrubicina, um fármaco modelo para o tratamento de cancro.A presença de óxido de ferro e sílica foi confirmada por FTIR e EDS. Por outro lado, a caracterização das nanopartículas por TEM e SEM permitiu a determinação do seu tamanho. Enquanto as nanopartículas IO-OAm/mSiO2 e IO-APTES/mSiO2 tinham um tamanho médio de 61.3±12.3 nm e 32.9±5.6 nm, as partículas IO/SiO2/mSiO2 tinham um tamanho muito superior, com um diâmetro médio de 371.6±159.4 nm. As imagens obtidas por TEM permitiram também confirmar a existência de porosidade nos três tipos de partículas sintetizadas.A análise de VSM revelou que todas as partículas sintetizadas tinham comportamento superparamagnético a 300 K. Para além disso, mostrou também que a magnetização de saturação das nanopartículas diminuiu consideravelment em comparação com os cores de óxido de ferro produzidos por decomposição térmica, tendo-se obtido 4.0 e 1.8 emu.g-1 para as nanopartículas IO-OAm/mSiO2 and IO-APTES/mSiO2, respetivamente. Esta diminuição não foi tão significativa no caso do óxido de ferro produzido por microemulsão e das partículas IO/SiO2/mSiO2, que tinham uma magnetização de saturação de 10.2 emu.g-1. O estudo do potencial destas nanopartículas para aplicação como veículos de entrega de fármacos levou a resultados promissores. O encapsulamento de epirrubicina, dado pelo loading content, foi 3.06±0.22, 3.31±0.87 e 3.37±0.11%, para IO-OAm/mSiO2, IO-APTES/mSiO2 e IO/SiO2/mSiO2, respetivamente, o que está de acordo com os valores encontrados na literatura. A libertação do fármaco encapsulado nestas nanopartículas foi estudada durante 48 horas numa solução de tampão fosfato-salino (PBS) a pH=7.4 e levou à libertação de 19.0±2.8, 23.6±5.6 e 31.6±3.3%, respetivamente. Os valores obtidos para a libertação foram superiores aos encontrados na literatura para fármacos semelhantes. Assim, os bons resultados obtidos, tanto no encapsulamento como na libertação, confirmam a aplicabilidade destas nanopartículas na entrega de fármacos. Adicionalmente, os perfis de libertação foram ainda modelados com o modelo de Korsmeyer-Peppas, levando a valores de n mais pequenos que o limite inferior estabelecido pelo modelo (0.221, 0.288 e 0.187, respetivamente), o que está de acordo com outros valores de n encontrados na literatura para nanopartículas.

The aim of the present thesis is to obtain nanoparticles with a superparamagnetic core, made of iron oxide, and a mesoporous shell, made of silica. Combining the magnetic properties and the mesoporosity of these nanoparticles, they can potentially be used for magnetically targeted delivery of antitumour drugs, as well as in other areas of biomedicine.In this work, three different types of nanoparticles were obtained: IO-OAm/mSiO2, IO-APTES/mSiO2 and IO/SiO2/mSiO2. In the first two, iron oxide (IO) was obtained by thermal decomposition, being this phase coated with oleylamine (OAm). These two types of nanoparticles differ only in the method to transfer iron oxide into water before the sol-gel reaction to obtain the mesoporous silica shell (mSiO2): while for IO-OAm/mSiO2 a surfactant was used, for IO-APTES/mSiO2 the OAm molecules were exchanged with (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES). Finally, in the case of IO/SiO2/mSiO2, iron oxide nanoparticles were obtained by microemulsion and a non-porous silica shell (SiO2) was first formed to protect iron oxide from oxidation, before the mesoporous silica shell was obtained (mSiO2).The synthesised nanoparticles were characterized in terms of their physical, chemical and magnetic properties. Additionally, in order to assess their potential to mediate antitumour strategies, they were tested in loading and release of epirubicin, a model anticancer drug.The presence of iron oxide and silica in the nanoparticles was confirmed by FTIR and EDS. On the other hand, the characterization of the synthesised nanoparticles by TEM and SEM led to the determination of their size. While IO-OAm/mSiO2 and IO-APTES/mSiO2 had an average size of 61.3±12.3 nm and 32.9±5.6 nm, the IO/SiO2/mSiO2 were much bigger, having a mean diameter of 371.6±159.4 nm. The TEM images of the synthesised nanoparticles also confirmed the existence of porosity in the three types of nanoparticles.VSM analysis showed that all the synthesised particles had superparamagnetic behaviour at 300 K. Furthermore, it also showed that the saturation magnetization of the synthesised nanoparticles decreased considerably in comparison with the iron oxide cores produced by thermal decomposition, leading to 4.0 and 1.8 emu.g-1 for the IO-OAm/mSiO2 and IO-APTES/mSiO2 nanoparticles, respectively. This decrease was not as significant in the case of iron oxide obtained by microemulsion and the IO/SiO2/mSiO2 particles, which had a saturation magnetization of 10.2 emu.g-1. The potential application of these nanoparticles as drug carriers led to promising results. The loading content of epirubicin was 3.06±0.22, 3.31±0.87 and 3.37±0.11% for IO-OAm/mSiO2, IO-APTES/mSiO2 and IO/SiO2/mSiO2, respectively, which is in accordance with the results found in the literature. The release of the loaded drug from these nanoparticles was studied for 48 hours in a solution of phosphate-buffered saline (PBS) at pH=7.4 and led to the release of 19.0±2.8, 23.6±5.6 and 31.6±3.3%, respectively. The values obtained for the release were higher than those found in the literature for similar drugs. Therefore, the good results obtained both in loading and release confirm the applicability of these nanoparticles for drug delivery. Additionally, the release profiles were also modelled with the Korsmeyer-Peppas model, leading to n values smaller than the lower limit established by the model (0.221, 0.288 and 0.187, respectively), which agrees with other n values found in the literature for nanoparticles.