Magnetic bionanocomposites with low melting temperature : fabrication, characterization, and application

Zhou, Mengbo GND

Different properties of meltable magnetic bionanocomposites based on dextran fatty acid ester were systematically studied in this work, namely the heating behavior under alternating magnetic field, release behavior of loaded model drug, and the surface hydrophilic/hydrophobic property after applying alternating magnetic field. The mobility of magnetic particles was investigated with static gradient magnetic field. Different to ferrofluid and magnetic hydrogel system, in this thermoplastic composite system the magnetic particles could only move slowly in the matrix due to high viscosity of polymer melts. The slow relaxation behavior of magnetic particles was observed at 120 °C with 0.05Hz in AC susceptometry. The heating behavior of meltable nanobiocomposites with high frequency alternating magnetic field was studied and an optimal condition (> 1% magnetic particle content and > 1 mm thickness) for preparing NBC samples was worked out. In the molten state of the matrix a “magnetic texturing” of particles can be built by means of a static external magnetic field which could strengthen the heating ability of the composite material at certain spot. Furthermore, meltable polysaccharide-based biopolymers can be applied to design magnetically remote controlled drug release system. An advantage of this NBC compared with hydrogel is that compounds of rather high molar mass,i.e. GFP, can be immobilized inside without leaking when no external thermal stimulus is applied. Increasing of temperature by AMF has accelerated diffusion of model drugs (GFP and RhB) compared with samples without heat treatment. The increased amount of released model drug is close to each other for AMF and external heating methods. After 60 days 16 wt.% of RhB is released by applying AMF. The immobilization of drug and their controlled release in vivo by applying magnetic field of this meltable and bio-based magnetic composite still need further investigation. This work is the first study on the heating ability and release behavior of this magnetic composite. Applying magnetic field generated (2°) decrease of contact angle on the dextran myristate composites layers. Applying the same magnetic field on dextran palmitate samples has no effect on the contact angle. Furthermore, increasing concentration of MNP from 1% to 5% (dextran palmitate samples) brings no change on the contact angle. The surface of composite layers embedded with hydrophilic magnetic particles (no oleic acid coating) keep their hydrophobic behavior of the matrix. No topographic change on the surface was revealed by SEM and AFM for all samples, though chain-like formation of magnetic particle was observed. With up to 5% MNP the surface morphology is not able to be modified to realize a change in contact angle. The cellular attachment and growth behavior of endothelial cell line HBMEC (human brain microvascular endothelial cell) on the surface of NBC was not changed after applying magnetic field. The reason could be that the energy given by magnetic field is not enough to generate a topographic change on the surface, compared to other methods, such as light and mechanical methods.

Verschiedene Eigenschaften von schmelzbaren magnetischen Nanobiokompositen (NBC), die auf Dextranfettsäureestern basieren, werden in dieser Arbeit studiert. Es wurden die Heizbarkeit unter einem magnetischen Wechselfeld (MWF), das Freisetzungsverhalten von im Nanobiokompositen enthaltenen Modellwirkstoffen und die Hydrophobie/Hydrophilie-Balance der Oberflächen bei der Anwendung einens magnetischen Wechselfelds. Die Mobilität von magnetischen Partikeln wurde mit Gleichmagnetfeldgradient untersucht. Im Unterschied zu Ferrofluid- und magnetischen Hydrogel-Systemen, können sich die magnetischen Partikel wegen der hohen Viskosität in den thermoplastischen Kompositen nur langsam bewegen. Das Relaxationsverhalten von magnetischen Partikeln wurde mit AC-Suszeptometrie studiert. Das Maximum des imaginären ACS-Signals bei 120°C wurde bei 0.05 Hz gemessen. Das Heizverhalten von schmelzbaren NBC im magnetischen Wechselfeld mit hoher Frequenz wurde studiert. Ein optimales Verfahren (> 1 wt.% magnetische Partikel und 1 mm Dicke) für die Herstellung der NBC Proben wurde ausgearbeitet. Im geschmolzenen Zustand kann eine “magnetische Textierung” aufgebaut werden, was die Heizfähigkeit in spezifischen Bereichen verstärken kann. Weiterhin können die magnetischen NBC mit magnetischerm Wechselfeld ferngesteuert werden. Diese NBC haben im Vergleich zu Hydrogelen den Vorteil, dass Komponenten mit relativer hoher Molekülmasse darin mit verminderten Leaking immobilisiert werden können, wenn keine externe thermische Anregung vorhanden ist. Bei Proben kann unter magnetischer Behandlung durch den daraus resultierenden Anstieg von Temperatur die Diffusion von Modellwirkstoffen (GFP und RhB) erhöht werden. Das Freisetzungsverhalten von Modellwirkstoffen ist ähnlich für beide Methode von MWF und externe Heizung. Nach 60 Tagen werden 16 wt.% RhB bei Anwendung einens MWF freigesetzt.. Die Immobilisierung und Freisetzung von Modellwirkstoffen bei Anwendung von MWF in vivo wurden in dieser Arbeit nicht untersucht. Der Kontaktwinkel von Wasser auf der Oberfläche von magnetischen Dextranmyristatkompositen wurde durch die Anwendung von MWF um 2° abgesenkt, was keiner signifikanten Veränderung des Kontaktwinkel entspricht. Ein weiterer Anstieg des Gehalt der magnetischen Partikel bis zu 5 wt.% (Dextranpalmitate) hat kein Einfluss auf den Kontaktwinkel von Wasser. Die Oberfläche der NBC, in die hydrophile magnetische Partikel (keine Ölsäurebeschichtung) eingebettet worden sind, haben ebenfalls keine hydrophile Eigenschaft. Eine Ketten-förmige Struktur von MNP wurde mit SEM herausgefunden. Es wurde aber keine topographische Veränderung auf der Oberfläche durch AFM und SEM beobachtet. Die Erhöhung des MNP-Gehalts bis zu 5 wt.% führt zu keiner Veränderung der Oberflächenmorphologie. Die Anwendung von MWF zeigt ebenfalls keinen Einfluss auf das Aufwachsen von Zellsystemen. Ein möglicher Grund dafür ist, dass die Energie nicht für eine topographische Veränderung reicht, im Vergleich zu anderen Methoden, z.B. Licht und mechanische Kräfte.

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