Microparticule magnetice con 24324s1819y 55;inând polimeri sintetici biodegradabili cu potentiale aplicatii medicale

Grant: AT 234

Autor: Marian Carmen-Mihaela

Universitatea: Universitatea Tehnica "Gh. Asachi" Iasi

Grantul de cercetare cu titlul Microparticule magnetice con 24324s1819y 55;inând polimeri sintetici biodegradabili cu potentiale aplicatii medicale, Cod CNCSIS 234 a facut obiectul a doua contracte încheiate între Ministerul Educatiei, Cercetarii si Tineretului si Universitatea tehnica "Gh. Asachi", CCTT Polytech cu obiective specifice fiecarei faze

NR. CONTRACT: 33557/1.07.2003, Tema 59

OBIECTIVE: 1. Documentarea privind stadiul actual în domeniul microparticulelor magnetice polimerice

2. Obtinerea microparticulelor cu miez magnetic

NR. CONTRACT: 33371/21.07.2004, Tema 83

OBIECTIVE: 1. Caracterizarea microparticulelor de PVA cu proprietati magnetice, obtinute prin metoda reticularii în suspensie.

În planul de activitate a contractului de grant 33557/1.07.2003, tema 59 (anexa Ib), cod CNCSIS 343, au fost prevazuta pentru anul 2003 doua faze, denumite Documentarea privind stadiul actual în domeniul microparticulelor magnetice polimerice si Obtinerea microparticulelor cu miez magnetic

Documentarea privind stadiul actual în domeniul microparticulelor magnetice polimerice

In scopul realizarii acestui obiectiv s-a încercat consultarea unui numar cât mai mare de lucrari din domeniu atât prin intermediul revistelor de specialitate disponibile cât si printr-un studiu amplu al resurselor disponibile prin accesarea internetului.

In cele ce urmeaza voi prezenta un rezumat al studiului bibliographic realizat.

1.1. Definitia microparticulelor magnetice

Microparticulele magnetice sunt, în general, microparticule alcatuite din substante cu un caracter magnetic foarte pronuntat (fier, oxizi de fier - magnetita, diverse ferite), microparticule ce prezinta, în consecinta, un moment magnetic mare si cu ajutorul carora se pot transporta în câmpuri magnetice diverse entitati nemagnetice, cum ar fi celule, substante biologic active (anticorpi, antigene, enzime, acizi nucleici, medicamente), agenti patogeni, xenobiotice etc.

Principala caracteristica este deci de a migra în câmpuri magnetice. Datorita acestei proprietati, microparticulele magnetici si-au gasit aplicatii si au trezit interesul multor cercetatori din domeniul stiintelor bilogice.

1.2. Clasificarea microparticulelor magnetici

În lipsa unei pareri unanime în aceasta directie (datorita probabil foartei recentei introduceri a lor în domeniul medical, respectiv sfârsitul anilor 80' - începutul anilor 90', desi preocupari in acest domeniu sunt de prin anii 50'), vom prezenta o serie de clasificari ce iau în discutie purtatorii magnetici din puncte de vedere destul de restranse.

Astfel:

din punct de vedere al dimensiunilor, acestia se clasifica în :

nanosfere magnetice în cadrul carora dimensiunile particulelor se încadreaza în intervalul 5nm-30nm-100nm.

In aceasta clasa se pot include - magnetolipozomii

- feri si ferofluidele magnetice

microsfere magnetice a caror dimensiuni variaza larg între 1mm si 300mm

din punctul de vedere al structurii peretelui purtatorilor putem distinge:

purtatori magnetici fara învelis în care particulele magnetice se afla în suspensie într-un mediu de transport. Aici se încadreaza ferofluidele magnetice de Fe₃O₄, CoFe₂O₄ [1] si FeC.

Aceste ferofluide la rândul lor pot fi în functie de tipul mediului de transport

hidrofile

hibrofobe

purtatori magnetici cu învelis

Acestia la rândul lor pot fi:

b.1.în functie de numarul de straturi ale peretelui

cu perete simplu în care numarul straturilor se reduce la unul singur

cu perete dublu în care peretele are în componenta sa doar doua straturi

cu perete mai complex în care numarul straturilor este mai mare

b.2.în functie de comportamentul în mediu biologic

cu învelis resorbabil sau biodegradabil, care poate fi în consecinta digerat de sistemul enzimatic al celulelor vii. În aceasta categorie se încadreaza polimerii biocompatibili: proteine, lipide, dextran, gelatina, PEG, PEO-PE, PLA, PAA, PVA, acid aspartic, acid glutamic etc.

cu învelis neresorbabil sau nebiodegradabil, în aceasta clasa intrând polimerii nedegradabili in vivo : stiren, PE, PET,PS.

sintetici, rezultând în urma aplicarii unor tehnici de sinteza asupra particulelor magnetice active

Aici se încadreaza majoritatea purtatorilor magnetici

naturale, fiind produsi sub forma de magnetozomi în citosolul unei bacterii magnetotactice arhaice de pe fundul oceanelor, Magnetospirilum magnetotacticum. Acestia sunt eliberati din celula doar prin efractia mebranei celulare.

d. O clasa particulara de purtatori magnetici sunt magnetolipozomii care având dimensiuni care variaza în limite relativ largi în functie de tehnica abordata pentru sinteza lor dar si în functie de marimea particulelor de la care se pleaca pot fi încadrati fie în clasa lichidelor feromagnetice fie în clasa microparticulelor. De asemenea ei pot fi usor încadrati în clasa purtatorilor sintetici cu perete biodegradabil.

1.3. Aplicatiile purtatorilor magnetici în domeniul medical

Descoperirea microparticulelor cu aproape cinci decenii în urma a deschis noi orizonturi pentru oamenii de stiinta si a determinat aparitia a numeroase aplicatii biomedicale.

Multe teste de diagnostic in vitro cum ar fi: teste de latex aglutinare, teste de celularitate analitica si teste de fagocitoza au devenit teste de rutina. Toate acestea s-au dezvoltat pe baza particulelor mici legate de molecule biologic active si a marcherilor fluorescenti si radioactivi. In prezent, cercetarile continua, fiind axate pe aplicatiile microparticulelor polimerice în controlul si directionarea transportului de medicamente la nivelul sistemelor vii.

In cadrul clasei microparticulelor, o importanta deosebita o au microparticulele care contin înglobat un miez magnetic.

Acoperirea particulelor magnetice cu polimeri sintetici biodegradabili si biocompatibili este una dintre cele mai noi directii de cercetare de o importanta deosebita pe plan international în acest domeniu datorita avantajelor extrem de importante ce privesc biocompatibilitatea (nefiindu-le detectate nici un efect acut sau subacut toxic prin studii histologice si serologice) si posibilitatea adsorbtiei si legarii chimice de substante biologic active pe care le ofera utilizarea acestor polimeri ca strat de acoperire a particulelor sensibile magnetic.

Pe masura ce studiile trec de la faza cercetarilor de laborator in vitro si in vivo, pe animale de laborator, în cea de studiu clinic, folosirea microparticulelor magnetice în domeniul oncologiei devine din ce în ce mai evidenta ca o metoda de mare viitor, cu un potential cu totul fantastic.

Din gama larga a aplicatiilor purtatorilor magnetici noi ne vom ocupa doar de cele în domeniul medical, acesta fiind si scopul final si de viitor al proiectului propus.

Microparticulele magnetice ofera câteva posibile aplicatii extrem de atractive în biomedicina.

In primul rand, ele au dimensiuni controlabile de la câtiva nanometri pâna la zeci de micrometri, care le plaseaza într-un domeniu de dimensiuni comparabile cu cele ale celulelor (10-100 ”m), virusurilor (20-450 nm), a proteinelor (5-50 nm) sau a genelor (2 nm latime si 10-100 nm lungime). Acest lucru semnifica ca ele pot veni în contact intim cu o entitate biologica tinta. si întradevar, ele pot fi acoperite cu molecule biologice care le ofera proprietatea de a interactiona cu sau a se lega la o entitate biologica, oferind un mod controlabil de reactie sau tintire.

In al doilea rand, microparticulele sunt magnetice, ceea ce înseamna ca se supun legii lui Coulomb, si în consecinta pot fi manipulate prin intermediul unui gradient de câmp magnetic extern.

In absenta unui câmp magnetic extern, momentele magnetice ale particulelor mici sunt orientate absolut întâmplator, momentul magnetic total fiind aproximativ egal cu zero. Când este aplicat un câmp magnetic extern, particulele se orienteaza de-a lungul liniilor de câmp magnetic, amplificându-se astfel intensitatea câmpului magnetic propriu. Drept urmare, particulele raspund la câmpurile magnetice având loc miscarea lor pe directia liniilor de câmp magnetic. La îndepartarea câmpului magnetic extern, momentele magnetice ale particulelor îsi modifica statistic directia, particulele pierzându-si proprietatile magnetice.

Aceasta "dirijare de la distanta" combinata cu penetrabilitatea intrinseca a câmpului magnetic prin corpul uman, deschide orizonturi noi pentru multe aplicatii ce presupun transportul si/sau imobilizarea microparticulelor magnetice sau a entitatilor biologice tintite magnetic. In acest mod ele pot fi destinate transportului de substante, cum ar fi substante antitumorale, sau de o serie de atomi radioactivi, spre o regiune tinta din organism, cum ar fi un tesut tumoral.

In al treilea rând, microparticulele magnetice pot fi proiectate sa raspunda prin rezonanta la un câmp variabil în timp, cu rezultate avantajoase mai ales când se urmareste transferul de energie de la un câmp energetic pulsatoriu spre microparticula. De exemplu, particula poate sa se încalzeasca, ceea ce conduce la ideea de a fi utilizata ca agent în hipertermie, sau în eliberarea unei cantitati specifice de medicament toxic prin transfer de energie termica într-un tesut tinta cum ar fi un tesut tumoral; sau poate fi utilizata ca agent de transport în chimioterapie sau în radioterapie unde un grad moderat de crestere a temperaturii tesutului conduce la o distrugere mai efectiva a celulelor maligne. [2]

Aceste particule pot fi acoperite cu materiale biodegradabile în organismele vii, devenind astfel perfect compatibile cu acestea. In plus, modificând suprafata acestor particule, ele pot fi mai rapid capturate de sistemul reticulo-endocitar, crescându-se astfel timpul lor de circulatie sangvina si deci si timpul lor de actiune. Modificarile de suprafata ale polimerilor biodegradabili ce conduc la marirea timpului de circulatie în sânge a microparticulelor si combinarea acestora cu molecule specifice pot permite o actiune mai eficienta a lor la nivelul organelor tinta.

Aceste posibilitati reprezinta baza aplicatiilor biomedicale a fluidelor magnetice si al câtorva mari directii de cercetare actuale care se constituie ca metode alternative la metodele clasice, conventionale.

Lipozomii magnetici

Transportul de medicamente si radioterapie

Aplicatiile microparticulelor magnetice în hipertermie

Aplicatiile microparticulelor magnetice în embolizare

Aplicatiile microparticulelor magnetice în protectia implanturilor

Aplicatiile microparticulelor magnetice în biologia moleculara

Aplicatiile în biotehnologii ale microparticulelor magnetice

Aplicatiile microparticulelor magnetice în terapeutica medicala

Microparticulele magnetice ca agenti de contrast

Separarea magnetica a celulelor

Lipozomii magnetici

Magnetolipozomii sunt o clasa speciala de purtatori magnetici. Sintetizati pentru prima data în 1988, acest nou tip de vezicule consta într-un miez de dimensiuni nanometrice de oxid de fier înconjurat de un strat bilipidic fosfolipidic. Chiar daca aceste structuri coloidale prezinta multe caracteristici în comun cu micile veziculele fosfolipidice unilamelare denumite si lipozomi, acestia cunoscând o larga raspândire într-o gama larga de domenii medicale, pâna de curând nu le-au fost cercetate în amanunt posibilitatile de aplicare terapeutice si în scop de diagnostic.

Unul din avantajele pe care le prezinta fata de veziculele de origine, lipozomii, este timpul de circulatie sangvina, considerabil mai însemnat. Astfel, magnetolipozomii sunt mai greu captati de sistemul reticuloendotelial (RES) în special de catre ficat si splina filtrele de aparare ale organismului, timpul lor de circulatie sangvina (sau timpul de înjumatatire) crescând si mai mult daca la membrana lor este "coafata" cu catene de polietilenglicol (PEG).

Un alt avantaj al lor este faptul ca, în plus de biocompatibilitatea pe care le-o confera stratul lipidic, ca orice purtator magnetic sunt sensibili la actiunea câmpului magnetic, putând fi dirijati cu ajutorul fortei magnetice spre organele si celulele tinta.

Având ca punct de plecare aceste puncte forte ale magnetolipozomilor ei au fost aplicati în terapia antitumorala în diferitele ei variante, în cosmetica, în transportul de medicamente.

Astfel, Detlef Muller et all au utilizat magnetozomii în încercarea lor de a îmbunatati o noua directie în tratamentul AIDS. În principiu acesta metoda consta în legarea la suprafata magnetolipozomilor de molecule de receptori CD4. În felul acesta, magnetolipozomii imita limfocitele T atasând proteina gp120 a anvelopei virusului HIV dar si celulele infectate de virus. Dupa administrarea complexelor CD4-magnetolipozomi si atasarea lor la organele tinta (organele si celulele infectate) acestea sunt încalzite cu ajutorul unui câmp magnetic alternativ de înalta frecventa pâna la temperaturi de 50-60 C (încalzire inductiva). Cu ajutorul unui ansamblu special se reuseste încalzirea doar a virusilor si a celulelor infectate. Astfel virusii sunt ireversibil innactivati printr-un simplu tratament termic.[3]. Eliberarea controlata a medicamentelor introduse în interiorul magnetolipozomilor face uz de acelasi mecanism al hipertermiei externe prin care se creaza brese în continuitatea membranei lipidice a magnetolipozomului permitând "evadarea" medicamentului captat în interior.[4]

Aceeasi idee de a lega la suprafata magnetolipozomilor diferite molecule a fost utilizata si de Marcel De Cuyper et all care a folosit molecule de PEG cu biotina atasata la unul capetele catenei stiind ca biotina este de o valoare deosebita pentru ca multe biomolecule streptavidinilate (liganzi si anticorpi monoclonali) pot fi atasate cu usurinta la aceasta [5]. Anatoly A. Kuznetsov et all au încarcat magnetolipozomii cu compusi curara-like relaxanti ai musculaturii periferice, diadona si diperona, folositi pe scara larga în anesteziologie (pentru a obtine o relaxare selectiva a musculaturii dintr-o anumita zona a organismului fara a fi afectata musculatura respiratorie si nici cordul) precum si cu ftalocianina metalica folosita în terapia tumorala.[6]. In domeniul investigatiilor de laborator, Fernanda M.Rocha et all au utilizat magnetolipozomii ca adsorbanti pentru detectarea anticorpilor antifosfolipide care apar în diverse boli autoimune. [7]

Concluzionând, magnetolipozomii, clasa aparte de purtatori magnetici, au numeroase aplicatii si de asemenea prezinta un important potential de a-si largi aria de aplicatii în viitor.

Transportul de medicamente si radioterapie

Aplicarea purtatorilor magnetici în transportul de medicamente

Teoretic, tratamentul unei anumite boli ce a afectat un anumit compartiment sau o anumita parte a corpului ar trebui sa se adreseze doar acelui segment de corp afectat pe care sa-l trateze ca o unitate biologica, fara a afecta restul corpului. În realitate, protocoalele de tratament conventionale nu sunt capabile sa induca atingerea unor concentratii semnificative în compartimentele afectate fara distributia medicamentului în toate celelalte parti (sanatoase) ale corpului. Aceasta conduce nu numai la necesitatea introducerii de cantitati de medicamente mult mai mari decât ar fi necesare pentru tratarea locala a bolii respective dar si la faptul ca tesuturile sanatoase sunt astfel expuse potentialelor efecte adverse ale medicamentelor citotoxice. Se ajunge astfel la situatiile limita a medicamentelor cu indice terapeutic scazut si în special a medicamentelor antitumorale conventionale..Din motivele expuse mai sus, în ultimii ani s-au facut eforturi sustinute pentru a introduce tintirea specifica a medicamentelor în practica medicala.

Ţintirea medicamentelor active si distributia acestora care sa depinda numai de anumite forte externe este un deziderat atractiv din punct de vedere teoretic dar si practic. Tipurile particulare de medicamente trebuie gidate spre celulele tinta în moduri diferite, functie de caracteristicile specifice de distributie. O modalitate de a influenta circulatia medicamentului în organism este de a-l cupla cu particule sensibile magnetic si a-l concentra astfel în zonele cu dorite cu ajutorul câmpurilor magnetice puternice.

În principiu, medicamentul urmarit (s-au facut experimente de laborator in vivo cu antibiotice,citostatice,medicamente inhibitori enzimatici) este combinat cu particulele active magnetic (particule de fero-carbon, magnetita, fluide fero- si feri-magnetice, fluide magnetoarheologice) prin sorptie[8], rezultând un amestec cu o formula stabila farmacologic. Aceasta este injectata fie intraarterial (cel mai utilizat mod experimental), fie intravenos, fie peritumoral, fie chiar intratumoral si transportate spre tumora în prezenta unui câmp magnetic extern.

Retentia complexelor medicament-purtator magnetic un timp cât mai lung în zona dorita precum si întârzierea preluarii, clearance-ului, si tezaurizarea lor de catre sistemul reticuloendocitar sunt factori importanti de care depinde eficacitatea metodei si care la rândul lor depind de câtiva parametri esentiali: fenomenul competitional dintre fortele exercitate asupra particulelor de catre macro- si microcirculatie, caracteristicile particulelor magnetice (marime, configuratie, încârcatura) si ale câmpului aplicat. Pentru retinerea eficace a complexelor putator magnetic-medicament, fortele magnetice trebuie sa fie suficient de puternice pentru a contrabalansa viteza de curgere liniara a sângelui prin tumora (care variaza între 10 cm/s si 0,05 cm/s functie de marimea si ramificatiile vasculare).

Tehnologiile curente de transport si tintire magnetica a medicamentelor permit o concentrare în tesutul tinta de pâna la 70% a dozei administrate de medicament cu interactii minime cu celulele sanatoase si un grad de toxicitate scazut fata de tesuturile normale. S-a obtinut experimental o crestere de pâna la 80% a concentratiei de substanta activa în tesutul tinta utilizând doar o treime din doza de medicament utilizata în terapia conventionala. Cea mai mare parte a acestui rezultat se presupune a se datora efectivitatii transportului si tintirii magnetice a medicamentului spre tesutul tinta cu pierderi minime de substanta activa în tesuturile neinteresate în timpul transportului si eliberarea locala a medicamentului în tesutul tinta, dupa o perioada variabila de timp.

Dintre purtatorii magnetici, cele mai utilizate sunt ferofluidele acestea prezentând unele avantaje care le recomanda înaintea celorlalte tipuri de purtatori magnetici. Dintre aceste avantaje, notabile sunt:

perfecta biocompatibilitate,

excelenta stabilitate in vivo sub actiunea câmpului magnetic,si

independenta de un al treilea component care sa faca parte din sistemul de tintire.

si toxicitatea intrinseca fata de celulele tumorale pe care unele ferofluide o prezinta ,chiar în lipsa citostaticului.

Magnetii folositi cel mai frecvent pentru aplicarea câmpului magnetic sunt cei confectionati din pamânturi rare, magnetul trebuind sa fie localizat cât mai aproape de tumora si trebuind sa aiba o configuratie circulara, în acest fel fiind posibila localizarea mult mai buna a ferofluidului. Magnetul nu trebuie niciodata sa produca compresia tumorii (pentru a nu stânjeni circulatia sangvina intratumorala), timpul de aplicare a câmpului este de 10-15 minute, la animale de laborator, si de cel putin doua ore pe corpul uman, iar câmpurile magnetice dezvoltate trebuind sa fie de cel putin 0,5-0,8 T functie de marimea tumorii. [9, 10]

Necesitatea determinarii dimensiunii particulelor poate apare în multe si diferite circumstante fiind dezvoltate o gama larga de tehnici de masura. Una din cele mai populare si actuale este tehnica COULTER cu dispersia luminii laser care are aplicatii pentru particule cu dimensiuni cuprinse între 1 ”m - 1000 microni.

Principiul metodei este simplu: o sursa de lumina laser este utilizata pentru a ilumina particulele, de obicei care se afla într-o camera de analiza. Lumina dispersata de catre particule este apoi detectata de catre fotodetectori. Intensitatea luminii din fiecare detector masurata functie de unghi este apoi supusa analizei matematice utilizand un algoritm complex de inversie a matricelor. Rezultatul este o distributie a dimensiunilor particulelor functie de volumul procentual sau functie de distributia numerica procentual.

Fig.1. Principiul de functionare a unui aparat COULTER[1]

Mai în amanunt principiul metodei se bazeaza pe faptul ca particulele disperseaza lumina dupa anumite unghiuri functie de forma, dimensiunile si proprietatile lor optice (figura 1). O dioda laser este utilizata pentru analiza în intervalul de dimensiuni de la 400 nm la 2 mm. Raza trece prin filtre si prin lentile Fourier si este apoi înregistrata spatial de 125 de fotodiode de detectie. Dimensiunea particulei, forma si proprietatile optice ale particulelor controleaza variatia spatiala a razei dupa difractia sa (calculele presupun ca modelul razei dupa difractie este dat de particulele sferice). Modulul de analiza a razelor luminoase dupa difractie (partea de sus a schemei) masoara particulele de la 40 nm la 400 nm si îmbunatateste rezolutia aparatului în intervalul de 400 nm la 800 nm. Acest modul utilizeaza o lampa de tungsten-halogen si un set de filtre polarizate ca surse de lumina. Principiul de baza al acestui modul este acela ca la unghiuri mari de difractie (~ 90ș) diferenta în intensitate a doua raze polarizate este o functie de raportul dimensiunea particulei/lungime de unda.

Coulter are trei module în care poate fi analizata proba: un modul de analiza a probelor fluide "cu volum mare", un modul de analiza a probelor lichide de 125 ml " cu volum mic" si un modul de analiza a probelor uscate sub forma de pudra.

Aplicatii. Tehnica poate fi utilizata pentru analiza unei game largi de tipuri de probe incluzând pudre, suspensii si emulsii. A se nota ca "particulele" pot fi solide sau lichide (ca în cazul emulsiilor). Principalele avantaje si dezavantaje ale utilizarii tehnicii Coulter pentru caracterizarea microparticulelor sunt prezenatate în tabelul 1.

Tabelul 1. Avantaje si dezavantaje ale tehnicii Coulter

Avantaje	Rapida-masuratorile individuale necesita doar câteva minute Interval mare de dimensiuni-0.5-1000 ”m Rezolutie medie Masuratoare directa (proprietatile fluidului nu influenteaza masuratorile)
Dezavantaje	Necesita dispersii diluate Presupune ca particulele sunt de forma sferica, fapt care nu este tot timpul adevarat în practica Necesita echipament scump

De asemenea aceasta tehnica necesita efectuarea unor analize suplimentare si corelarea cu datele obtinute în urma acelor analize:

Un screening pentru aprecierea dimensiunilor particulelor întregii probei nu numai din esantionul supus analizei COULTER

Spectroscopie prin corelare de fotoni-PCS (Photon Correlation Spectroscopy) pentru particule cu dimensiuni submicronice (daca aparatul nu este prevazut cu un modul de analiza a luminii difuzate)

Microscopie (Optica, SEM, TEM etc) pentru analiza formei si a compozitiei.

Microscopie electronica prin scanare (SEM)

Microscopul electronic prin scanare (SEM) este un microscop care utilizeaza electronii în locul luminii pentru a forma o imagine studiindu-se direct suprafetele probelor solide. Sunt multe avantaje ale utilizarii SEM în locul microscopului optic conventional.[2]

SEM poseda o mare adâncime a câmpului care permite ca o mare parte din proba sa poata fi analizata odata. SEM produce de asemenea imagini cu o mare rezolutie, ceea ce înseamna ca puncte apropiate ca spatiu de pe proba pot fi analizate ca distincte la puteri de marire mari.

Dezvoltarea SEM la începutul anilor 1950' a dus la dezvoltarea de noi domenii de cercetare în stiintele medicale si fizice deoarece permite examinarea unei extrem de largi varietati de probe.

Ca la toate tipurile de microscoape, principalul obiectiv este de a mari si focaliza în scopul obtinerii unei imagini clare. Un microscop optic utilizeaza lentile pentru a directiona si transmite razele luminoase, lentilele fiind de asemenea ajustate pentru a focaliza razele luminoase. În SEM, sunt utilizati electromagneti pentru a directiona fascicolul de electroni care sunt utilizati pentru a produce imaginea pe ecran. Prin utilizarea de electromagneti un observator poate avea un mai mare control asupra magnificatiei obtinute. Fascicolul de electroni ofera de asemenea o mai mare claritate imaginii produse. [3]

SEM utilizeaza electronii în locul luminii pentru a forma o imagine. Un fascicol de electroni este produs la partea de sus a microscopului prin încalzirea unui filament metalic. Fascicolul de electroni urmeaza o cale verticala prin coloana microscopului, traverseaza lentilele electromagnetice care vor focaliza si directiona fascicolul pâna la suprafata probei. Odata ce ating suprafata probei, alti electroni (difuzati, secundari) sunt emisi de proba (figura 2). Dispozitive speciale capteaza electronii secundari sau cei difuzati si îi converteste într-un semnal care este transmis la un ecran de vizualizare similar cu cel al unui televizor obisnuit producându-se astfel o imagine.

Fig. 2. Schema SEM [4]

Electronii difuzati. Când fluxul de electroni loveste proba, unii dintre electroni vor interactiona cu nucleul atomilor în acelasi mod în care o naveta spatiala ar interactiona cu gravitatea unei planete. Electronii încarcati negativ vor fi atrasi de nucleul cu sarcina electrica pozitiva, dar daca unghiul este drept, în locul captarii de catre "câmpul gravitational" a nucleului, electronii vor încercui nucleul si se vor întoarce iesind din proba fara a fi încetiniti. Acesti electroni sunt denumiti electroni difuzati deoarece ei ies din proba (figura 3.). Deoarece ei au o viteza atât de mare, se misca pe traiectorii rectilinii. Pentru a forma o imagine cu electroni difuzati, un detector este plasat pe directia lor. Când acesti electroni lovesc detectorul, este produs un semnal care este ulterior utilizat la formarea imaginii pe ecranul TV.

Fig.3. Modul de formare a electronilor difuzati [4]

Elementele chimice au nuclee de diferite dimensiuni. Pe masura ce nucleul atomului creste, numarul electronilor difuzati creste de asemenea. În consecinta, electronii difuzati pot fi utilizati pentru a obtine o imagine care sa dea informatii asupra diferitelor elemente prezente într-o proba.

Electronii secundari. Uneori fluxul de electroni interactioneaza cu electronii prezenti în atom mai degraba decât cu nucleul. Deoarece toti electronii sunt încarcati negativ, fluxul de electroni va respinge electronii prezenti în interiorul probei. Aceasta interactie va conduce la încetinirea fluxului de electroni incident pe masura ce elibereaza (respinge) mai multi electroni din proba. Respingerea poate fi atât de puternica încât electronii din proba sunt împinsi afara din atom si parasesc suprafata probei, acesti electroni fiind denumiti electroni secundari (figura 4). Spre deosebire de electronii difuzati, electronii secundari au o viteza mult mai mica de miscare la parasirea suprafetei. Deoarece se misca asa de încet si sunt încarcati electric negativ, ei pot fi atrasi de un detector care are o încarcare electrica pozitiva. Aceasta forta de atractie permite captarea electronilor de pe o arie mare inclusiv pe cei din jurul marginilor probei. Capacitatea de atragere a electronilor, inclusiv a celor de la extremitatile probei este cea care da imaginilor obtinute cu electroni secundari aspectul de imagini tridimensionale.

Fig.4. Modul de formare a electronilor secundari [4]

Lucrul în vid a SEM. La utilizarea SEM, atât coloana cât si proba trebuie sa se afle sub vid.

Vidul este necesar la analiza cu SEM din multiple motive. Daca filamentul care elibereaza fluxul de electroni s-ar afla în aer, s-ar arde mult mai repede. De asemenea, daca coloana ar fi plina cu aer, electronii s-ar ciocni de moleculele de aer, nemaiajungând niciodata la suprafata probei. În plus, daca moleculele de gaz reactioneaza cu proba, noi compusi s-ar putea forma si condensa la suprafata probei, fapt care ar scadea mult calitatea imaginii.

Un mediu vid este de asemenea necesar ca parte a procesului de pregatire a probei pentru analiza.

Pregatirea probei. Deoarece SEM utilizeaza electroni pentru a produce o imagine, SEM conventionale necesita ca proba sa fie conductibile din punct de vedere electric.

Exista la ora actuala SEM denumite ambientale cu pot fi utilizate pentru analiza probelor neconductive sau chiar a probelor umede. SEM conventionale necesita însa ca proba sa fie conductiva.

Toate metalele sunt conductibile, analiza lor nenecesitând prepararea pentru a fi vizualizate prin SEM.

Pentru a analiza probele neconductive cum ar fi ceramicele sau materialele plastice, proba trebuie acoperita cu un strat subtire dintr-un material conductiv. În acest scop este utilizat un dispozitiv denumit sputter coater.

Sputter coater-ul utilizeaza argon si un câmp electric de mica intensitate. Proba este plasata într-o camera sub vid. Argonul este introdus în camera si un câmp electric este utilizat pentru ca un electron sa fie eliberat de pe atomii de argon pentru a produce ioni cu o încarcatura electrica pozitiva. Ionii de argon sunt apoi atrasi de piesa de aur (sub forma de forta) încarcata negativ. Ionii de argon lovesc atomii de aur de la suprafata foitei, atomi care se vor depune pe suprafata probei, acoperind-o cu un strat subtire.

SEM ambiental. Dezvoltarea SEM ambiental a completat necesitatea lumii stiintifice de a vedea probele si procesele în starea lor naturala.

SEM ambiental permite examinarea probelor înconjurate de un mediu gazos. Aceasta înseamna ca proba analizata la microscop nu trebuie sa fie neaparat conductiva si deci nu nesesita acoperirea cu un material conductiv. Cu acest tip ce SEM pot fi analizate chiar si lichide.

Principiul SEM ambiental. Fluxul electronilor secundari ating proba ceea ce face ca proba sa emita electroni secundari. Electronii sunt atrasi de electrodul detector încarcat electric pozitiv (figura 5.). În drumul lor prin mediul gazos, au loc ciocniri între electroni si particulele de gaz, având ca rezultat emisia de mai multi electroni si ionizarea moleculelor de gaz. Aceasta creste cantitatea de electroni efectivi amplificând semnalul initial dat de electronii secundari. Ionii pozitivi de gaz sunt atrasi de electrodul negativ diminuând efectul de încarcare electrica.

Fig.5. Principiul SEM ambiental [4]

Utilizarea SEM în cercetare a crescut enorm de la descoperirea sa pentru ca ofera câteva avantaje. Pregatirea probei este relativ simpla, majoritatea SEM conventional necesita doar ca proba sa fie conductiva electric. Combinatia dintre o putere de marire mare, o mare adâncime a câmpului, o mare rezolutie si o observare cu usurinta a probei face din SEM una dintre cele mai utilizate instrumente în domeniile actuale de cercetare.

1.3. Microscopia de forta atomica (AFM)

Microscopia atomica de forte este o tehnica de analiza a suprafetelor unui material rigid pâna la nivel de atomi. AFM are o putere de marire de pâna la 100 000 000 de ori producând imagini 3D ale suprafetei studiate.

Ca toate celelalte microscopii prin scanare, AFM-ul utilizeaza o parte ascutita care se misca scanând suprafata unei probe. In cazul AFM-ului, vârful ascutit ce se afla la capatul unui cantiliver se îndoaie ca raspuns la fortele ce se dezvolta între vârf si proba, de obicei mai mici de 10^-9 N (figura 6.)

Fig.7. prezinta principiul de functionare: pe masura ce cantiliverul se flecteaza, lumina de la laser este reflectata pe fotodioda. Prin masurarea semnalului diferential (A-B) pot fi masurate modificarile în flectare a cantiliverului.

Deoarece cantiliverul de supune legii lui Hook pentru deplasari mici, poate fi aflata forta de interactiune dintre vârf si proba (figura 8).

Miscarea vârfului sau a probei are loc cu ajutorul unui dispozitiv extrem de precis de pozitionare care este confectionat din ceramica piezo-electrica, cel mai adesea sub forma unui scaner tubular. Scanerul are o rezolutie de ordinul sub-angstromilor pe directiile x, y si z. Axa z este prin conventie considerate axa perpendiculara la proba.

Interactii vârf-proba. Imaginea de contrast este obtinuta prin mai multe moduri. Cele trei mari clase de interactiuni dintre vârf si proba sunt: prin contact, prin tapping si prin non contact.

În modul prin contact apar forte importante de frecare si de adeziune care pot distruge proba dar si distorsiona imaginile obtinute. Prin modul de scanare în non-contact se obtin imagini de rezolutie scazuta si de asemenea apare frecvent impedimentul stratului de contaminare de la suprafata probei si care interfereaza cu oscilatiile cantiliverului. Modul de scanare prin tapping elimina fortele de frecare prin contactul intermitent cu suprafata, cantiliverul oscilând cu o amplitudine suficienta astfel încât sa fie prevenita adeziunea vârfului prin intermediul fortelor de adeziune din stratul de contaminare de la suprafata probei.

Modul prin contact este cel mai utilizat mod de operare a AFM. Asa cum si numele sugereaza, vârful si suprafata probei ramân în contact pe durata scanarii (figura 9.). Unul dintre dezavantajele ramânerii în contact cu suprafata probei este acela ca apar forte suplimentare (de frecare si de adeziune) pe masura ce vârful se deplaseaza deasupra probei.

Modul prin tapping este urmatorul ca frecventa în utilizare a AFM. Cantiliverul oscileaza la frecventa sa de rezonanta (adesea sute de kiloherti) si se pozitioneaza deasupra suprafetei astfel încât nu mai atinge suprafata pentru o foarte scurta perioada de timp din perioada sa de oscilatie. În timpul scanarii, vârful care oscileaza vertical alternativ atinge suprafata si se ridica deasupra acesteia, în general cu o frecventa de 50 000 pâna la 500 000 cicli pe secunda. Vârful este deci tot timpul în contact cu proba în sensul definit mai sus dar pentru o foarte scurta perioada de timp ceea ce înseamna ca fortele de frecare se reduc dramatic pe masura ce vârful scaneaza suprafata probei (figura 10.). În cazul probelor cu suprafete moi acest mod este pe departe o mai buna optiune decât modul prin contact.

Modul de operare în non-contact este o alta metoda care poate fi utilizata la obtinerea imaginilor prin AFM. Cantiliverul trebuie sa vibreze deasupra probei la o distanta la care nu mai exista regimul repulsiv de pe curba de interactii intermoleculare- vârful aflându-se la o distanta de 50-150Ć deasupra suprafetei probei. (figura 8.)

Acesta este un mod foarte dificil de operare a AFM în conditii de mediu normale deoarece chiar în vid sau în lichid exista o mare probabilitate de aparitie a fenomenului de "tranzitie la modul în contact" si în acest mod imaginea nu va mai fi achizitionata prin modul non-contact.

Aplicatiile AFM. Microscopia de forte atomice (AFM) este utilizata pentru a rezolva problemele legate de materiale si procesarea acestora într-o larga gama de tehnologii ce afecteaza electronica, telecomunicatiile, domeniile biomedicale si biologice, industria chimica, industria automobilelor, industria aerospatiala precum si industria energetica. Materialele investigate includ acoperiri cu filme groase sau subtiri, materialele ceramice, materialele compozite, sticlele, membranele biologice si sintetice, metalele, polimerii si semiconductorii. De asemenea AFM este utilizat în studiul unor fenomene cum ar fi: abraziunea, adeziunea, curatarea, coroziunea, frecarea, lubrificarea, lustruirea. Prin utilizarea AFM nu numai ca sunt vizualizate suprafetele în rezolutie atomica dar de asemenea se pot masura fortele ce eventual pot interveni pâna la nivel de nN.

Aplicatiile AFM în domeniul biostiintelor includ: analiza ADN si ARN, analiza complexelor proteine-acizi nucleici, cromozomii, mebranelor celulare (se poate face distinctia între diferiti componenti ai membranelor celulare), proteinelor si peptidelor, cristalelor moleculare, a polimerilor si biomaterialelor, a receptorilor celulari.[6]

. Nanoparticulele (particulele cu cel putin una din dimensiuni mai putin de 500 nm) joaca un rol important în multe domenii incluzând stiinta materialelor, medicamente si determinarile si monitorizarile poluarii mediului.

AFM este ideal pentru caracterizarea nanoparticulelor. Ofera posibilitatea vizualizarii în 3D dar de asemenea furnizeaza informatii calitative si cantitative asupra multor proprietati fizice incluzând dimensiunea (lungime, latime si înaltime), morfologia, textura suprafetelor si rugozitatea. Informatii statistice ca: numarare de particule, aria suprafetelor, distributia de volum pot fi de asemena determinate din masuratorile AFM. Cunoscându-se densitatea materialului, poate fi calculata de asemenea distributia de masa a particulelor. O mare varietate de particule pot fi caracterizate la o scanare, dimensiunea acestora putând varia de la 1 nm la 8 ”m. În plus, AFM poate caracteriza nanoparticule aflate în diferite medii incluzând mediul ambiant, conditii de medii strict controlate sau chiar dispersii lichide (tabelul 2).[7,8]

Tabelul 2. Avantajele utilizarii AFM în analiza nanoparticulelor[9]

AFM si-a pus amprenta asupra unei largi varietati de aplicatii cum ar fi masuratori topografice si cartografierea suprafetelor. Masuratorile AFM furnizeaza informatii asupra interactiilor la nivel atomic si molecular si de asemenea la nivel de forte adezive si elastice. Aceste masuratori încep sa revolutioneze modul în care observam si gândim despre lumea noastra chimica biologica si fizica.[10]

În tabelul 3 sunt prezentate cateva date ale metodelor de analiza SEM si COULTER comparativ cu AFM.

Tabelul 3. Prezentarea tehnicilor SEM si COULTER comparativ cu AFM

1.4.Tehnica SQUID (Superconducting Quantum Interference Device)

SQUID este cel mai sensibil aparat disponibil pentru masurarea câmpurilor magnetice, si desi este un intrument cu o sensibilitate remarcabila, totusi el nu detecteaza direct câmpul magnetic din proba. În schimb, proba se misca printr-un miez de detectie care este conectat la firele superconductoare ale SQUID, permitând curentului din miezul de detectie sa se cupleze automat cu senzorul SQUID. În consecinta, aparatul SQUID functioneaza ca un convetor curent-voltaj extrem de sensibil.

SQUID face parte din MPMS (Quantum Design's Magnetic Property Measurement System) care este un intrument extrem de complex destinat cercetarilor în domeniului magnetismului.

Principalele componente ale MPMS sunt:

Sistemul de control a temperaturii. Controleaza cu precizie temperatura probei in intervale de 2K (-271 C) pâna la 400K (127 C). Aceasta necesita controlul fluxului de caldura care patrunde în spatiul probei dar si controlul activ a gazului pentru a oferi putere de racire.

Sistemul de control a câmpului magnetic. Curentul de la o sursa de electricitate este setat pentru a produce câmpuri magnetice de la -7T pâna la +7T. Magnetul poate fi operat în mod persisitent sau nonpersistent.

Sistemul SQUID cu amplificator. Sistemul SQUID este "inima" sistemului de detectie a momentului magnetic.

Sistemul de manevrare a probei. Capacitatea de a roti si misca proba prin mantaua de detectie fara a transmite la SQUID vibratii mecanice este de o mare importanta. Acest sistem permite varierea lungimii de scanare dar si alti parametri asupra cum este culeasa informatia pentru o masuratoare data.

Sistemul de control computerizat.Toate operatiile efectuate de MPMS sunt sub control computerizat, automatizat. Interfata PC permite utilizatorului alegerea optiunii de lucru in secventa de control standard, sau de control diagnostic (în care toate functiile pot fi modificate).

Aparatul este configurat sa detecteze momentul magnetic a unei probe din material, din care pot fi aflate ulterior magnetizatia si susceptibilitatea magnetica.

Functiile SQUID sunt de a converti liniar curentul la voltaj, variatiile curentului in mataua de detectie produce variatii corespunzatoare in volatjul de la iesire a SQUID care la rândul sau este proportional cu momentul magnetic al probei. Într-un sistem complet calibrat, masuratorile variatiilor voltajului din detectorul SQUID pe masura ce proba se misca prin mantaua de detectie, ofera o masurare de o înalta acuratete a momentului magnetic a probei. Sistemul poate fi calibrat cu acuratete utilizând o piesa mica cu o masa cunoscuta si cu susceptibilitate magnetica de asemenea cunoscute.

Figura 11 prezinta configuratia si localizarea bobinei de detectie superconductoare, a partii active a SQUID, unde este plasata proba si de unde sunt colectate informatiile analizei.

Fig.11. Configuratia si localizarea bobinei de detectie superconductoare. Bobina este situata exterior de spatiul în care se afla proba, înauntrul baii de heliu lichid.[11]

Analiza semnalului de iesire. Cele mai precise determinari ale momentului magnetic ca semnal de iesire a SQUID sunt efectuate cu ajutorul unui soft specializat.

Exista trei diferite medode de analiza a semnalului de iesire SQUID. Toate aceste metode se bazeaza pe raspunsul teoretic a unui dipol magnetic la trecerea acestuia printr-o bobina secundara.

Cele trei metode sunt:

(i)           scanarea completa

(ii)         regresia liniara

(iii)        regresia iterativa

(i)           Scanarea completa. Aceasta metoda cere ca proba sa fie bine centrata si necesita un timp lung de scanare pentru a obtine rezultate precise.

(ii)         Regresia liniara. si aceasta metoda cere ca proba sa fie bine centrata (exista posibilitatea ajustarii pozitiei probei functie de modificarile suferite la modicarea temperaturii) dar lungimea de scanare este mai mica (2 cm).

(iii)        Regresia iterativa. Prin aceasta metoda exista o mai mare flexibilitate în ajustarea pozitiei prin intermediul software-ului. Exista însa si limitari ale acestei metode atunci când proba are o magnetizare neuniforma sau semnalul cules de la proba este foarte slab.

Ambele metode regresive necesita ajustarea parametrilor pentru a adapta abaterile de la comportamentul ideal (forma si dimensiunea probei).

Rezultatele masuratorilor sunt exprimate în emu.

Exista de asemenea trei diferite moduri de operare a magnetului: fara abatere, oscilant si histeretic.

(a)         În modul fara abatere câmpul magnetic este modificat monoton de la câmpul initial pâna la valoarea dorita a câmpului magnetic. Câmpul creste mai rapid la început dar cu cât se apropie de valuarea dorita, viteza de modificare scade foarte mult pentru a evita depasirea valorii finale.

(b)         În modul oscilant, valoarea câmpului magnetic alterneaza deasupra si dedesuptul valorii dorite a câmpului, amplitudinea de oscilatiei scazând cu fiecare ciclu. Masuratorile de mare sensibilitate sunt efectuate mult mai rapid prin utilizarea modului oscilant.Totusi modul oscilant nu ar trebui utilizat pentru probele care poseda un comportament magnetic ireversibil (histeretic).

(c)         În modul histeretic un curent electric este permanent activ, magnetul nefiind totusi în modul persistent, curentul electric fiind parte a circuitului magnetic. Acest mod este utilizat în cazul masuratorilor rapide a magnetizarii functie de câmp (curba de histereza) a probei. Însa nu este de dorit a se utliza acest mod decât pentru momente magnetic cu valori peste 10^-5 emu, nefiind recomandat pentru masuratorile cu sensibilitate mare.

Tipuri de comportari magnetice ale materialelor

Fiecare material poseda un comportament magnetic diferit.

În general, termenul de "magnetic" este utilizat pentru ceva care atrage o piesa de fier sau un magnet permanent. Acesta este însa doar un tip particular de magnetism denumit feromagnetism si este doar unul din multele tipuri de magnetism. Pentru a masura magnetizatia (cantitatea de magnetism) a unei probe se utilizeaza un magnetometru.

Exista doua tipuri principale de masuratori magnetice:

M(H)- magnetizatia functie de câmpul magnetic aplicat

M(T)- magnetizatia functie de temperatura.

H este câmpul magnetic aplicat.

Pentru masurarea M(H) se mentine constanta temperatura T masurând M la o serie de valori ale H. Masurarea M(T) este efectuata prin fixarea câmpului aplicat si masurarea M la diferite temperaturi.

M(H) si M(T) ofera informatii importante despre diferite posibile tipuri de comportament magnetic.

În figura 12 sunt prezentate tipurile de comportament magnetic ale materialelor în functie de orientarea electronilor.

Fig.12. Tipuri de materiale magnetice

A. Paramagnetism. Cel mai simplu tip de comportament magnetic este paramagnetismul. Principalele caracteristici sunt: curba este linara, linia trece prin zero si magnetizatia este reversibila.

B. Feromagnetism. Feromagnetismul este un tip foarte important de magnetism. Materialele feromagnetice si ferimagnetice sunt cele pe care le numim magneti - sunt atrase de o piesa de metal sau de un magnet permament. Cel mai puternic comportament magnetic este cel feromagnetic. Figura 13 prezinta o curba specifica M(H) pentru un material feromagnetic la o temperatura constanta.

Principalele caracteristici ale acestei curbe sunt: curba nu este liniara si alura nu este reversibila (lipsa reversibilitatii este denumita histereza magnetica).

Fig.13. Curba de histerezis pentru materialelor feromagnetice. Virgin curve - magnetizatia initiala, Ms - saturatia de magnetizare, Mrem - magnetizatia remanenta, Hc - câmpul coerciv

C. Antiferomagnetism. Într-un material antiferomagnetic momentele magnetice se aliniaza astfel încât momentele adiacente sunt aranjate în directii opuse unele fata de altele. În locul momenteleor foarte mari rezultate asociate cu materialele feromagnetice, momentele atomilor vecini se anuleaza reciproc având ca rezultat o valoare relativ mica a M (figura 12). M(H) este mai apropiat de valuarea unui paramagnet însa la materialele antiferomagnetice exista o ordine la distanta.

D. Ferimagnetism. Desi materialele ferimagnetice sunt asociate adesea cu materialele feromagnetice din cauza comportamentului M(H) si M(T) aproape identic, totusi la nivel atomic, ferimagneticele sunt mai apropiate de antiferomagnetice, momentele magnetice adiacente fiind dispuse în directii opuse. Ceea ce le deosebeste pe ferimagnetice de antiferomagnetice este ca momentele adiacente au diferite marimi. Rezulatul este ca diferitele momente se aduna producând un moment net mare care se aliniaza cu câmpul magnetic.

E. Superparamagnetism. Anizotropia magnetica, care mentine o particula magnetizata într-o anumita directie, este în general proportionala cu volumul particulei. Pe masura ce dimensiunea particulei scade, energia asociata anizotropiei uniaxiale descreste pâna când energia termica este suficient de mare pentru a anula orice orientare preferentiala a momentului unei particule. O particula cu un singur domeniu de dimensiuni, care atinge echilibrul de magnetizare la temperaturile experimentale în timp relativ scurt comparativ cu timpul de masurare este denumit în mod curent ca superparamagnetica (fig.14).

Fig.14. Structurile domeniilor particulelor magnetice: a) superparamagnetice; b) particule cu dimensiuni într-un singur domeniu; c) particule cu dimensiuni aflate în mai multe domenii [12]

Anizotropia de forma creste pe masura ce fractia de particule creste. De aceea, particulele elongate cu un singur domeniu dimensional (figura 14.b) poate prezenta forte coercive mari. Atunci când sunt plasate într-un câmp magnetic extern, momentele magnetice ale acestor particule se aliniaza pe directia câmpului prin rotatia momentelor si a particulelor.

Particulele cu timpi de relaxare mai mari de 100 secunde sau cu diametre mai mari decât valorile critice (tabelul 4) se numesc particule blocate.

Tabelul 4. Dimensiunea maxima a particulelor sferice de domeniu unic dimensional

Factorul definitoriu care deosebeste particulele de domeniu dimensional unic de cele superparamagnetice este timpul de relaxare relativ la timpul experimental. Natura superparamagnetica a nanoparticulelor este derivata din alinierea randomica a directiilor de rotatie guvernata de miscarea browniana si de rotatia Néel la îndepartarea gradientului de câmp.

Conditiile experimentale pentru superparamagnetism sunt:

Timpi de relaxare mai mici decât timpii de masuratoare (în mod comun ~100 s)

Curba de magnetizare nu prezinta histerezis.

2. Date experimentale

Protocolul dupa care au fost obtinute aceste particule este prezentat pe scurt mai jos.

Fig. 15. Protocolul general al obtinerii microsferelor magnetice pe baza de alcool polivinilic

Caracterizarea particulelor a urmarit:

• Analiza caracteristicilor dimensionale prin tehnica Coulter si masuratori magnetice
• Analiza caracteristicilor dimensionale prin microscopie electronica (SEM) si microscopie de forta atomica (AFM)

2.1. Analiza caracteristicilor dimensionale prin tehnica Coulter si masuratori magnetice

2.1.1. Rezultate COULTER

Analizele COULTER au fost efectuate pe probele aflate în suspensie cu modulul de 125 ml (LS 230), având ca soft de analiza a datelor "LS Particle Size Analyser". Temperatura camerei a fost temperatura la care s-au efectuat toate masuratorile, fiecare proba fiind analizata de trei ori, aparatul având setat ca pentru fiecare analiza sa efectueze câte trei analize, de fiecare data facând o mediere a datelor din cele trei analize efectuate.

Fig.16. Distributia dimensionala a microparticulelor cu PVA 3% exprimata ca numar diferential si în volum diferential functie de diametrul microsferelor.

2.1.2. Rezultate SQUID (masuratori magnetice)  

Comportamentul magnetic a particulelor a fost examinat utilizând un magnetometru SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) la temperaturi ce variaza de la 30-300K si câmpuri de la -5T la 5T.

Figura 17 prezinta curba de magnetizare pentru particulele cu 3% PVA la 3 temperaturi: 70K, 200K and 380K.

Fig.17. Moment magnetic versus câmp magnetic aplicat pentru particule magnetice compozite cu PVA 3% la 70, 200 si 300K

Fig.18. Moment magnetic versus temperatura pentru particule polimer-magnetita, PVA 3%, câmpul magnetic fiind mentinut constant la 0.1T.

2.2. Analiza caracteristicilor dimensionale prin microscopie electronica (SEM) si microscopie de forta atomica (AFM)

2.2.1. Rezultate SEM (microscopie electronica prin scanare)

Analizele SEM au fost efectuate cu ajutorul unui microscop electronic prin scanare Philips SEM 505 care avea atasat un soft de captare a imaginilor digitale si un sistem (Hexland Cryo System) de analiza a probelor dupa înghetare în azot lichid.

O picatura din suspensia de particule a fost lasata la temperatura camerei peste noapte sa se evapore lichidul pentru a permite fixarea particulelor de un suport de carbon. Înaintea analizelor, probele au fost acoperite cu un strat subtire de aur (aproximativ 20-40 A ) timp de 4 minute, ceea ce permite analiza microparticulelor deoarece prin SEM pot fi analizate doar probele conductive electric.

Temperatura la care au fost efectuate analizele este temperatura camerei (25-27 C).

Fig.19. Fotografii SEM ale particulelor magnetice pe baza de alcool polivinilic, concentratia polimerului fiind 2%.

Fig.20. Fotografii SEM ale particulelor magnetice pe baza de alcool polivinilic, concentratia polimerului fiind 3%.

Fig.21. Fotografii SEM ale particulelor magnetice pe baza de alcool polivinilic, concentratia polimerului fiind 5%.

In figurile 19, 20 si 21 sunt prezentate fotografiile SEM ale particulelor obtinute dupa protocolul prezentat în fig.15. cu diferite concentratii ale polimerului.

De asemenea microparticulele au fost analizate si fara a li se efectua procedura de acoperire cu metal conductiv (aur). S-a efectuat analiza deoarece s-a pornit de la presupunerea ca daca microparticulele contin un compus metalic atunci se va putea face analiza SEM în acest caz ele fiind conductive (conditia esentiala de a fi posibila analiza SEM este conductivitatea electrica a probei). Analiza s-a efectuat înainte si dupa acoperire. În analiza probelor în forma neacoperita trebuie luate unele masuri de precautie (proba fiind usor distrusa de bombardamentul cu electroni din timpul analizei): timpul de analiza sa fie scurt cu fotografierea si baleierea rapida a ariilor studiate, si de asemenea intensitatea fluxului de electroni utilizati ca sursa este mult diminuata (25 kV pentru analiza probelor acoperite si 5-8 kV uneori putându-se urca voltajul pâna la 18kV maxim 20kV pentru analiza probelor neacoperite). De asemenea, tot datorita bombardamentului cu electroni a suprafetelor si a faptului ca acestea sunt mult mai susceptibile la distrugere, analiza nu poate fi efectuata tot timpul (functie de proba) pâna la puteri de marire mari: 2-4kx.

Un avantaj al analizei suprafetelor fara acoperire (atunci când aceasta este posibil a se efectua) este ca astfel se poate vizualiza adevarata morfologie a suprafetelor.

Figurile 22 si 23 prezinta fotografiile SEM ale particulelor cu concentratii ale alcoolului polivinilic de 3% si 5%, înainte si dupa acoperire cu stratul conductor.

A.  

B.

Fig.22. Fotografiile SEM ale particulelor cu concentratii ale alcoolului polivinilic de 3 % dupa acoperire (A) si înnainte (B) cu stratul conductor.

A.  

B.

Fig.23. Fotografiile SEM ale particulelor cu concentratii ale alcoolului polivinilic de 5 % dupa acoperire (A) si înnainte (B) cu stratul conductor.

Puterea maxima de marire la analiza a particulelor sub forma neacoperita este mai mica decât cea pâna la cât sau putut analiza probele fara pericolul distrugerii probelor sub forma acoperita.

2.2.2. Rezultate AFM (microscopie de forte atomice)

Analizele AFM au fost efectuate cu un microscop de forte atomice echipat cu un soft Nanoscope III pentru controlul si achizitia de imagini.

Particulele au fost în prealabil supuse procesului de evaporare în vid si sub atmosfera de azot, astfel încât pe discul de siliciu în vederea analizei prin AFM au fost puse câteva particule sub forma de pudra. Temperatura de analiza a fost temperatura camerei (25-27 grade Celsius).

Din cauza ca particulele sunt relative mari comparativ cu dimensiunea câmpului de analiza a microscopului (80 microni), este relativ dificil a se analiza particulele prin aceasta metoda.

În figura 24 este prezentata imaginea AFM a microparticulelor magnetice cu 3% concentratia alcoolului polivinilic.

Fig.24. Imaginea AFM a suprefetei microparticulelor cu PVA 3%.

3. Discutii

Microscopia electronica prin scanare este folosita în analiza micro si nanosferelor în special pentru furnizarea informatiilor calitative cum ar fi dimensiunea particulelor, rugozitatea suprafetelor, forma microsferelor precum si alte informatii (existenta materialului în exces, polidispersitatea probei, fragilitatea particulelor-existenta unui mare numar de particule distruse pe câmp).

Din fotografiile SEM 19,20 si 21 se poate observa ca întradevar crescând puterea de marire se pot distinge mult mai multe detalii ale particulelor. Astfel se observa ca polidispersitatea probelor este mare existând microsfere de dimensiuni mici (4-5 micrometri) dar si microsfere de dimensiuni mai mari (50-60 microni) si de dimensiuni intermediare. În plus, forma particulelor este bine conturata (sferica sau ovalara) cu putine microsfere agregate între ele. La puteri de marire mari se observa ca suprafata particulelor nu este perfect neteda, fiind usor rugoasa (asa cum se poate observa si din imaginea de AFM-figura 24.).

Din fotografiile comparative a particulelor înainte de acoperire cu stratul conductor si dupa acoperire cu stratul de aur (figura 22 si figura 23) se observa ca asa cum s-a presupus, particulele sunt observabile fara acoperire chiar daca imaginile obtinute nu sunt la fel de clare. Aceasta confirma indirect faptul ca particulele au înglobat un compus metalic necesitând teste ulterioare pentru a se determina ca acest compus este magnetita.

Din graficul din figura 16. se poate observa ca proba are o polidispersitate mare atât din punctul de vedere a distributiei functie de volum cât si de numar. Diametrul mediu calculat de soft este de 411.9 micrometri în ce priveste distributia functie de volumul microparticulelor dar ca distributie functie de numar diametrul mediu este de 6.615 micrometri. Insasi diferenta mare între cele doua cifre ne da informatii despre cât de mare este polidispersitatea probei.

Din datele de analiza a comportamentului magnetic, moment magnetic versus câmp magnetic, graficele demonstreaza ca particulele magnetice din microsferele compozite polimer - magnetita prezinta proprietati superparamagnetice, neprezentând histereza, atât remanenta cât si coercivitatea fiind zero la toate cele trei temperaturi luate în studiu (70, 200 si 300K).

4. Concluzii

Coroborând datele furnizate de metodele de caracterizare luate în discutie se poate concluziona ca polidispersitatea probelor este mare (plus datele de analiza COULTER) dar particulele au forma sferica sau ovalara cu putin extramaterial (la toate concentratiile alcoolului polivinilic luate în studiu), bine formate si separate între ele. De asemenea, la puteri mari de marire se poate observa ca particulele au un grad mic de rugozitate a suprafetelor externe.

În urma studiilor efectuate se poate concluziona ca microsferele de PVA cu material magnetic încorporate au caracteristici adecvate utilizarii lor în procesele de separare a substantelor biologic active.

Studii ulterioare trebuiesc efectuate pentru a caracteriza microparticulele din punct de vedere a proprietatilor magnetice dar si a interactiunii cu celulele vii.

Bibliografie

https://www.beckman.com

https://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/electronmicroscopy

https://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/electronmicroscopy

https://mse.iastate.edu/microscopy

https://www.research.ibm.com/topics/popups/serious/nano/html/afm.html

https://science.howstuffworks.com/

www.chembio.uoguelph.ca/educmat/chm729/afm

https://spm.phy.bris.ac.uk/techniques/AFM/

https://www.nanoscience.com/education/AFM.html

https://www.pacificnanotech.com/

Mike McElfresh, Purdue University, "Fundamentals of magnetism and magnetic measurements. Featuring Qunatum Design's Magnetic Property Measurement System"

Polymer stabilized magnetite nanoparticles and poly(propylene oxide) modified styrene-dimethacrylate networks, Linda A. Harris, Dissertation thesis, Blacksburg, Virginia, 2002