Synthesis of polymer/magnetite nanohybrids for biomedical applications

This thesis focuses on the synthesis of polymer/magnetite nanohybrids for biomedical applications. The work was articulated in three steps: (i) exploration of different synthetic routes to produce narrowly dispersed magnetic nanoparticles with size appropriate for intravenous administration, (ii) synthesis of PEGylated polymer coatings comprising a suitable functional group able to bind to the magnetite surface, and (iii) final coating of the magnetite with the produced polymer to obtain core-shell nanohybrids. Magnetite (Fe3O4), a well-known iron oxide, was chosen as constituent of the nanoparticles thanks to its biocompatibility and strong magnetic properties even at small scale. Amongst few synthesis methods tested, thermal degradation of an organic iron precursor at high temperature turned out to be the best way, giving narrowly distributed nanoparticles with size in the order of ~30 nm. Dealing with the coating material, we explored the synthesis of three different architectures of PEGylated polymers to provide suitable stabilization to the inorganic component. In particular, a linear PEG, a comb-like PEG and an amphiphilic comb-like block copolymer produced via reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization were utilized in the synthesis of the external shell of the nanohybrids. Anchoring of polymer onto the magnetite surface, and so nanohybrid creation, was possible exploiting the potentiality recently discovered in dopamine, whose precursor is present in a mollusk's adhesive protein. The coating process was obtained by a ligand exchange reaction at a suitably high temperature to promote the detachment of the precursor ligands on the magnetite surface and the consequent adhesion of the PEGylated polymers. Different analysis techniques were used to define the properties of the synthesized compounds, and to draw conclusions on the best polymer architecture to provide colloidal stability, which is pivotal in the possible application of such nanohybrids in the biomedical field.

Questa tesi si focalizza sulla sintesi di ibridi polimeri/magnetite per utilizzi in ambito biomedicale. Il lavoro è stato strutturato in tre fasi: (i) sperimentazione di diversi percorsi di sintesi al fine di produrre nanoparticelle di magnetite finemente disperse e con una dimensione accettabile per somministrazione venosa, (ii) sintesi di rivestimenti polimerici derivati del PEG comprendenti un gruppo funzionale in grado di garantire l'attacco della molecola sulla superficie della magnetite e (iii) rivestimento della nanoparticella con i polimeri prodotti per ottenere il nanoibrido finale. La magnetite (Fe3O4), un ossido di ferro ben conosciuto, è stato scelto come materia prima inorganica grazie alla sua compatibilità fisiologica e grazie alle sue forti proprietà magnetiche presenti anche nella piccola scala. Tra i metodi di sintesi testati, la degradazione termica ad alta temperatura di un precursore organico di ferro ha dato i migliori risultati, portando ad avere una distribuzione uniforme di nanoparticelle dell'ordine circa dei 30 nm. Per quanto concerne il materiale polimerico di rivestimento, si sono sperimentate tre differenti architetture di polimeri derivanti dal PEG per garantire stabilizzazione alla particella inorganica. In particolare, un PEG lineare, uno con struttura a pettine e un polimero a blocchi anfifilico sono stati sintetizzati con la tecnica della polimerizzazione RAFT per costituire nello specifico un guscio, cosiddetto "shell", alla nanoparticella. Il rivestimento della nanoparticella di magnetite con i polimeri così ottenuti, e quindi la formazione vera e propria del nanoibrido, è stata possibile sfruttando la potenzialità recentemente scoperta della dopamina, il cui precursore è presente in una proteina adesiva di un mollusco. Il processo di rivestimento è stato ottenuto grazie alla reazione detta "ligand exchange", avvenuta ad alta temperatura per promuovere il desorbimento del ligando preesistente sulla nanoparticelle e l'adsorbimento dei polimeri funzionalizzati con la dopamina.