Doctor of Philosophy / Department of Anatomy and Physiology / Deryl L. Troyer / Many cell types were known to have migratory properties towards tumors and different research groups have shown reliable results regarding cells as delivery vehicles of therapeutics for targeted cancer treatment. Present report discusses proof of concept for 1. Cell mediated delivery of Magnetic nanoparticles (MNPs) and targeted Magnetic hyperthermia (MHT) as a cancer treatment by using in vivo mouse cancer models, 2. Cells surface engineering with chimeric proteins for targeted cancer treatment by using in vitro models. 1. Tumor homing cells can carry MNPs specifically to the tumor site and tumor burden will decrease after alternating magnetic field (AMF) exposure. To test this hypothesis, first we loaded Fe/Fe3O4 bi-magnetic NPs into neural progenitor cells (NPCs), which were previously shown to migrate towards melanoma tumors. We observed that NPCs loaded with MNPs travel to subcutaneous melanoma tumors. After alternating magnetic field (AMF) exposure, the targeted delivery of MNPs by the NPCs resulted in a mild decrease in tumor size (Chapter-2). Monocytes/macrophages (Mo/Ma) are known to infiltrate tumor sites, and also have phagocytic activity which can increase their uptake of MNPs. To test Mo/Ma-mediated MHT we transplanted Mo/Ma loaded with MNPs into a mouse model of pancreatic peritoneal carcinomatosis. We observed that MNP-loaded Mo/Ma infiltrated pancreatic tumors and, after AMF treatment, significantly prolonged the lives of mice bearing disseminated intraperitoneal pancreatic tumors (Chapter-3). 2. Targeted cancer treatment could be achieved by engineering tumor homing cell surfaces with tumor proteases cleavable, cancer cell specific recombinant therapeutic proteins. To test this, Urokinase and Calpain (tumor specific proteases) cleavable; prostate cancer cell (CaP) specific (CaP1 targeting peptide); apoptosis inducible (Caspase3 V266ED3)- rCasp3V266ED3 chimeric protein was designed in silico. Hypothesized membrane anchored chimeric protein (rCasp3V266ED3, rMcherry red) plasmids were constructed. Membrane anchoring and activity of designed proteins were analyzed in RAW264.7 Mo/Ma and HEK293 cells in vitro. Further, Urokinase (uPA) mediated cleavage and release of rCasp3V266ED3 from engineered cells was tested (Chapter-4). Animal models for cancer therapy are invaluable for preclinical testing of potential cancer treatments. Final chapter of present report shows evidence for immune-deficient line of pigs as a model for human cancers (Chapter-5)

Cette étude propose l'idée des aimants dits de ferrite tétragonale en rendant la symétrie cristalline des ferrites de spinelle cubique afin d'améliorer l'anisotropie magnétique (et donc, d'améliorer la coercivité). Pour concrétiser cette idée, nous avons synthétisé des particules (Cu, Co) -ferrite à distorsion tétragonale et caractérisé systématiquement les propriétés magnétiques en conséquence avec leurs distorsions de réseau. Les facteurs intrinsèques et extrinsèques contribuant à la coercivité ont été étudiés. Pour élucider l'anisotropie magnétique, nous avons démontré un modèle de couplage physique de l'effet Jahn-Teller (JT) et de l'effet magnétoélastique (ME) au sein de la théorie phénoménologique. Ensuite, nous avons effectué une analyse de coercivité dans deux modèles généraux de coercivité afin de clarifier les paramètres de la microstructure contribuant au mécanisme d'inversion de la magnétisation. À partir de l'analyse du modèle magnétoélastique, nous avons démontré l'expression linéaire de l'anisotropie magnétique en utilisant le paramètre tétragonal obtenu à partir de la distorsion JT. Les valeurs du coefficient magnétoélastique pour Cu (B1Cu = 2 MJ / m3) et Co (B1Co = 40 MJ / m3) déduites de la courbe expérimentale étaient acceptables avec la valeur calculée pour le ferrite de cuivre en vrac (B1Cu en vrac = 4 MJ / m3) et le cobalt. ferrite (masse B1Co = 55 MJ / m3). Les résultats suggèrent que l’anisotropie magnétique peut être attribuée au couplage de la distorsion JT avec l’effet magnétoélastique de Co. Au lieu d’une augmentation indéfinie avec x, l’anisotropie magnétique Ku tend à atteindre une valeur de saturation en raison de la concurrence entre les effet magnétoélastique de Co et le JT de Cu. Entre le x tétragonal x = 0,1 et le x cubique = 0,2, les valeurs de Ku constantes d'anisotropie magnétique intrinsèque ne varient pas de manière aussi significative que la différence entre les champs de coercivité et d'anisotropie. La réduction des champs d'anisotropie supérieurs à x = 0,1 peut alors être attribuée à l'augmentation de l'aimantation spontanée. L'analyse de la coercivité au sein du modèle micromagnétique a révélé une contribution importante à la coercivité de la microstructure et de l'effet démagnétisant local. Le paramètre de microstructure αMM = 0,25 obtenu était une valeur classique de l'analyse micromagnétique, suggérant le départ du champ d'anisotropie avec ce facteur de réduction. Les facteurs démagnétisants locaux effectifs NeffMM d’environ 1,4 obtenus étaient plutôt importants, ce qui suggère un effet démagnétisant significatif. Dans l'analyse du modèle global (GM), les valeurs de NeffGM obtenues étaient were 0,38 pour l'échantillon x = 0,1. La valeur négative suggère la présence d'une interaction d'échange agissant efficacement en opposition à l'interaction dipolaire. En deçà de 100 K, une différence dans le modèle suggère l’idée d’un réchauffement local consécutif à l’activation thermique due au changement d’énergie Zeeman et à une dissipation de chaleur inefficace. Cet événement peut avoir conduit à la réduction du champ coercitif à une température suffisamment basse dans l'échantillon x = 0.1 en supposant que les grains sont fortement couplés en échange. / This study proposes the idea of the so-called tetragonal ferrite magnets by rendering the crystal symmetry of the cubic spinel ferrites to enhance the magnetic anisotropy (and hence, enhance the coercivity). To realize this idea, we synthesized tetragonally distorted (Cu,Co)-ferrite particles and systematically characterized the magnetic properties accordingly with their lattice distortions. The intrinsic and extrinsic factors contributing to coercivity were investigated. To elucidate the magnetic anisotropy, we demonstrated a physical coupling model of the Jahn-Teller (JT) effect and the magnetoelastic (ME) effect within the phenomenological theory. Then, we performed coercivity analysis within two general models of coercivity to clarify the microstructure parameters contributing to the magnetization reversal mechanism. From the magnetoelastic model analysis, we demonstrated the linear expression of the magnetic anisotropy using the tetragonal parameter obtained from the JT distortion. The magnetoelastic coefficient values for Cu (B1Cu = 2 MJ/m3) and Co (B1Co = 40 MJ/m3) deduced from the experimental curve were agreeable with the value calculated for bulk copper ferrite (B1Cu bulk= 4 MJ/m3) and cobalt ferrite (B1Co bulk= 55 MJ/m3). The results suggests that the source of magnetic anisotropy can be attributed to the coupling of the JT distortion with the magnetoelastic effect of Co. Instead of an indefinite increase with x, the magnetic anisotropy Ku tends to reach a saturation value due to the competition between the magnetoelastic effect of Co and the JT effect of Cu. Between the tetragonal x = 0.1 and the cubic x = 0.2 samples, the intrinsic magnetic anisotropy constant Ku values do not vary as significantly compared to the difference in the coercivity and the anisotropy fields. The reduction of anisotropy fields above x = 0.1 then can be attributed to the increase in the spontaneous magnetization.The coercivity analysis within the micromagnetic model revealed significant contribution to the coercivity by the microstructure and the local demagnetizing effect. The microstructure parameter αMM = 0.25 obtained was a classical value in the micromagnetic analysis, suggesting the departure of anisotropy field with this reduction factor. The effective local demagnetizing factor NeffMM of about 1.4 obtained were rather large suggesting a significant demagnetizing effect. Within the global model (GM) analysis, the values of NeffGM obtained were －0.38 for the x = 0.1 sample. The negative value suggests the presence of an exchange interaction acting effectively in opposition to the dipolar interaction. Below 100 K, discrepancy in the GM suggests the idea of a local heating event following the thermal activation due to the change in Zeeman energy and ineffective heat dissipation. This event may have led to the reduction of coercive field at sufficiently low temperature in the x = 0.1 sample assuming the grains are strongly exchange-coupled.

Nanomateriais apresentam propriedades ajustáveis pelo seu tamanho e forma, como o fenômeno de superparamagnetismo em nanopartículas magnéticas ou o confinamento quântico dos portadores de carga em pontos quânticos (quantum dots). Assim, a síntese de nanopartículas esféricas monodispersas torna-se um fator extremamente importante, haja visto que tais propriedades podem ser ajustáveis para diferentes aplicações na área de tecnologia e biomedicina. Nanopartículas magnéticas e quantum dots podem ser apontados como promissores materiais para diagnóstico e terapia de neoplasias (câncer), e o desenvolvimento desses sistemas busca, atualmente, intensificar a magnetização e a eficiência de emissão, respectivamente, relativo às propriedades magnéticas e ópticas, além de outros requisitos. Neste trabalho, nanopartículas esféricas de cobalto metálico foram sintetizadas com diâmetro médio de 5,3 nm e desvio padrão de 0,4 nm, distribuição de tamanhos lognormal. A equação de Langevin modificada pelo modelo de partículas interagentes foi utilizada no ajuste da curva de magnetização M(H) para obtenção do diâmetro magnético médio e desvio padrão, 4,7 nm e 1,0 nm, respectivamente. Comparando os dois diâmetros, encontra-se uma camada morta de magnetização de aproximadamente 3,0 Å a qual, praticamente, não contribui para a magnetização da amostra, sendo a magnetização de saturação de 125 emu g-1. Nanoestruturas core/shell de Co/Au apresentaram a propriedade de ressonância plamon de superfície, uma propriedade adicional também desejada para aplicações biomédicas, sendo este sistema denominado magnetoplasmônico. Quantum dots de CdSe foram sintetizados como elevado controle de tamanho e forma. Utilizando rotas de síntese diferentes dos clássicos procedimentos denominados TOP-TOPO, e dióxido de selênio como precursor, estudos mostraram que na presença de um agente redutor no meio de reação e do solvente 1-octadeceno, as amostras apresentaram melhores propriedades óticas. A estrutura cristalina das amostras de CdSe corresponde à formação da fase blenda de zinco, diferentemente das sínteses TOP-TOPO que levam à formação da fase hexagonal wurtzita. A cinética de crescimento dos quantum dots de CdSe também foram avaliadas através de alíquotas retiras com o tempo de reação mostrando um crescimento exponencial do diâmetro das partículas, como previsto pelas teorias de nucleação e crescimento. Estudos por microscopia de fluorescência mostraram que os quantum dots apresentaram o comportamento de intermitência de fluorescência relatado na literatura como um dos fatores que levam a uma diminuição do rendimento quântico de fluorescência. Nanoestruturas core/shell de CdSe/ZnS foram obtidas com elevado controle da espessura da camada de recobrimento e a intensificação das propriedades de fotoluminescência foram mostradas. Os objetivos do trabalho foram alcançados com sucesso, onde foi possível observar a estabilização e a intensificação da magnetização da fase de cobalto metálico, pouco relatado na literatura. Ainda, foi possível conferir maior estabilidade química, versatilidade de funcionalização da superfície e uma segunda propriedade de ressonância plasmônica com o recobrimento com ouro, sem grande prejuízo da propriedade magnética. Em relação aos sistemas ópticos, os semicondutores de CdSe foram obtidos por nova rota de síntese com expressivo controle de tamanho e forma, recobertos com ZnS intensificando as propriedades ópticas do sistema.  / Nanomaterials properties are size- and shape-controlled, such as the superparamagnetism phenomenon of magnetic nanoparticles or the quantum confinement of charge carriers of quantum dots. Therefore, synthesis of monodisperse spherical nanoparticles became extremely important over the past few deacades, since nanoparticles can be used for plenty of applications in technology and biomedicine. Magnetic nanoparticles and quantum dots are promising materials for diagnosis and therapy of cancer. Spherical nanoparticles of metallic cobalt were synthesized with mean diameter of 5,3 nm and standard deviation of 0,4 nm, lognormal distribution. A modified Langevin equation using the interacting superparamagnetic model was used to fit magnetization curves obtaining the mean magnetic diameter and standard deviation, 4,7 nm and 1,0 nm, respectively. The difference between these two diameters was assigned to the magnetic dead layer (∼3.0 Å), which does not contribute to the sample magnetization, being the saturation magnetization of cobalt nanoparticles around 125 emu g-1. Co/Au core/shell nanostructures were synthesized and the surface plasmon ressonance property was observed, an additional property also desired for biomedical applications, being the Co/Au core/shell system called magnetoplasmonic. CdSe quantum dots were synthesized with high size- and shape-controlled. Using different synthetic routes from the classic TOP-TOPO synthesis, and selenium dioxide as a precursor, the results show that and reducing agent is necessary and 1-octadecene solvent leads to better optical properties. CdSe samples showed a zinc blend (cubic phase) crystal structure, different from TOP-TOPO syntheses that leads to wurtzite structure (hexagonal phase). The growth kinetics of CdSe particles were also evaluated through aliquots from reaction showing exponential growth of particles diameter, as predicted on the theory of nucleation and growth. Fluorescence microscopy studies showed that quantum dots exhibited fluorescence intermittence behavior already reported in the literature as one fo the reasons for the quantum yield decrease. CdSe/ZnS core/shell nanostructures were obtained with high control of the coating layer thickness and the increase of the photoluminescence properties were shown.

Atualmente com o advento da nanociência e nanotecnologia, as nanopartículas magnéticas têm encontrado inúmeras aplicações nos campos da biomedicina, diagnóstico, biologia molecular, bioquímica, catálise, etc. As nanopartículas magnéticas funcionalizadas são constituídas de um núcleo magnético, envolvido por uma camada polimérica com sítios ativos, que podem ancorar metais ou compostos orgânicos seletivos. Estas nanopartículas são consideradas materiais híbridos orgânico-inorgânicos de grande interesse em aplicações comerciais devido à particularidade das propriedades obtidas. Entre as aplicações importantes podemos citar: tratamento por magnetohipertermia, carregadores de fármacos para áreas específicas do corpo, seleção de moléculas específicas, biossensores, melhoria da qualidade de imagens por RMN, etc. O trabalho foi desenvolvido em duas partes: 1) a síntese do núcleo constituído de nanopartículas superparamagnéticas de ferrita de cobalto e, 2) o recobrimento do núcleo por um polímero bifuncional o 3-aminopropiltrietoxissilano. Os parâmetros estudados na primeira parte da pesquisa foram: pH, concentração molar da base, tipo de base, ordem de adição dos reagentes, modo de adição dos reagentes, velocidade de agitação, concentração inicial dos metais, fração molar de cobalto e tratamento térmico. Na segunda parte estudou-se: o pH, a temperatura, o catalisador, a concentração do catalisador, o tempo de reação, a relação H2O/silano, o tipo de meio, o agente umectante e a eficiência do recobrimento em relação ao pH. Os produtos obtidos foram caracterizados pelas técnicas de difratometria de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de transmissão (MET), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva (EDS), espectroscopia de emissão atômica (ICP-AES), espectroscopia por infravermelho (FTIR), análises termogravimétricas (TGA/DTGA), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e curvas de magnetização (MAV) / Nowadays with the appear of nanoscience and nanotechnology, magnetic nanoparticles have been finding a variety of applications in the fields of biomedicine, diagnosis, molecular biology, biochemistry, catalysis, etc. The magnetic functionalized nanoparticles are constituted of a magnetic nucleus, involved by a polymeric layer with active sites, which ones could anchor metals or selective organic compounds. These nanoparticles are considered organic-inorganic hybrid materials and have great interest as materials for commercial applications due to the specific properties. Among the important applications it can be mentioned: magnetohyperthermia treatment, drugs delivery in specific local of the body, molecular recognition, biossensors, enhancement of nuclear magnetic ressonance images quality, etc. This work was developed in two parts: 1) the synthesis of the nucleus composed by superparamagnetic nanoparticles of cobalt ferrite and, 2) the recovering of nucleus by a polymeric bifunctional 3-aminepropyltriethoxysilane. The parameters studied in the first part of the research were: pH, hydroxide molar concentration, hydroxide type, reagent order of addition, reagent way of addition, speed of shake, metals initial concentrations, molar fraction of cobalt and thermal treatment. In the second part it was studied: pH, temperature, catalyst type, catalyst concentration, time of reaction, relation ratios of H2O/silane, type of medium and the efficiency of the recovering regarding to pH. The products obtained were characterized using the following techniques X-ray powder diffraction (DRX), transmission electronic microscopy (MET), scanning electronic microscopy (MEV), spectroscopy of scatterbrained energy spectroscopy (DES), atomic emission spectroscopy (ICP-AES), themogravimetric analysis (TGA/DTGA), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), differential scanning calorimetry (DSC) and magnetization curves (VSM)

O câncer é uma das maiores causas de mortalidade no Brasil e no mundo, com potencial de crescimento nas próximas décadas. Um tipo de tratamento promissor é a hipertermia magnética, procedimento no qual as células tumorais morrem pelo efeito do calor gerado por partículas magnéticas após a aplicação de campo magnético alternado em frequências adequadas. Tais partículas também são capazes de atuar como agentes de contraste para imageamento por ressonância magnética, um poderoso método de diagnóstico para identificação de células neoplásicas, formando a combinação conhecida como theranostics (terapia e diagnóstico). Neste trabalho foram sintetizadas nanopartículas de óxido de ferro por método de coprecipitação com posterior encapsulação por técnica de nano spray drying, visando sua aplicação no tratamento de câncer por hipertermia e como agente de contraste para imageamento por ressonância magnética. Para a encapsulação foram utilizadas matrizes poliméricas de Maltodextrina com Polissorbato 80, Pluronic F68, Eudragit® S100 e PCL com Pluronic F68, escolhidos com o intuito de formar partículas que dispersem bem em meio aquoso e que consigam atingir alvo tumoral após administração no corpo do paciente. Parâmetros de secagem pelo equipamento Nano Spray Dryer, como temperatura, solvente e concentração de reagentes, foram avaliados. As partículas formadas foram caracterizadas por Microscopia Eletrônica de Varredura, Difração de Raios-X, Análise Termogravimétrica, Espalhamento de Luz Dinâmico, Espectroscopia de Infravermelho, magnetismo quanto a magnetização de saturação e temperatura, citotoxicidade e potencial de aquecimento. Tais procedimentos indicaram que o método de coprecipitação produziu nanopartículas de magnetita de tamanho em torno 20 nm, superparamagnéticas a temperatura ambiente, sem potencial citotóxico. A técnica de nano spray drying foi eficiente para a formação de partículas com tamanho em torno de 1 &#956m, também superparamagnéticas, biocompatíveis e com propriedades magnéticas adequadas e para aplicações pretendidas. Destaca-se a amostra com Pluronic, OF-10/15-1P, que apresentou magnetização de saturação de 68,7 emu/g e interação específica com células tumorais. / Cancer is one of the greatest causes of mortality in Brazil and in the world, with growing potential for the next decades. A promising treatment alternative is magnetic hyperthermia, in which tumor cells die by the heat generated by magnetic nanoparticles after application of an alternate magnetic field in adequate frequencies. Such particles are also capable of acting as contrast agents for magnetic resonance imaging, a powerful method of diagnosis for the identification of neoplasic cells, which characterizes the combination of properties known as theranostics (therapy and diagnosis). In this work, iron oxide nanoparticles were synthesized by coprecipitation method with subsequent encapsulation by nano spray drying technique, aiming their application on cancer treatment by hyperthermia and on magnetic resonance imaging as a contrast agent. Polymeric matrices of Maltodextrin with Polysorbate 80, Pluronic F68, Eudragit® S100 and PCL with Pluronic F68 were employed for encapsulation, chosen carefully to create particles that disperse well in aqueous media and that are able to address the tumoral target after administration into the patient\'s body. Drying parameters of the Nano Spray Dryer equipment, such as temperature, dispersing medium and reagent concentrations, were evaluated. The generated particles were characterized by Scanning Electron Microscopy, X-Ray Diffraction, Thermogravimetric Analysis, Dynamic Light Scattering, Infrared Spectroscopy, by magnetism in matters of applied magnetic field and temperature, cytotoxic potential and heating potential. Such methods indicated that the coprecipitation method was able to produce magnetite nanoparticles with size of approximately 20 nm, superparamagnetic at room temperature and with no cytotoxic potential. The nano spray drying technique was efficient to produce particles with size of around 1 &#956m, biocompatible, superparamagnetic and with adequate magnetic properties for the intended applications. The sample OF-10/15-1P stands out with a saturation magnetization of 68.7 emu/g and presenting specific interactions with the tumour cells.

Esta dissertação apresenta um estudo de diferentes metodologias de imobilização (fisissorção, quimissorção com carboxibenzaldeído e quimissorção com glutaraldeído) da lipase de Burkholderia cepacia em nanopartículas magnéticas e sua aplicação na resolução cinética de alcoóis secundários racêmicos. O método de imobilização por fisissorção resultou na imobilização de 0,21 mg de proteína em 20 mg de nanopartículas magnéticas. Para a mesma quantidade de nanopartículas magnéticas, o método de quimissorção com carboxibenzaldeído imobilizou 0,26 mg de proteína contra 0,28 mg de proteína pelo método de quimissorção com glutaraldeído, a melhor relação encontrada neste trabalho. A atividade enzimática foi avaliada na resolução cinética de alcoóis secundários racêmicos [(RS)-2-bromo-1-(fenil)etanol, (RS)-2-bromo-1-(4-nitrofenil)etanol, (RS)-1-(4-nitrofenil)etanol e (RS)-1-(fenil)-1,2-etanodiol] via reação de transesterificação enantiosseletiva. O efeito de diferentes parâmetros reacionais para a resolução cinética foi estudado, como agente acilante, quantidade de substrato, solvente, quantidade de nanopartículas magnéticas (suporte), velocidade de agitação, tempo e temperatura reacionais. Os melhores parâmetros encontrados foram acetato de vinila como agente acilante, tolueno como solvente e sob agitação de 800 rpm. Observou-se que após 30 dias de estocagem da lipase imobilizada por fisissorção sua atividade foi mantida. Além disso, estudou-se a reciclagem da enzima imobilizada, durante a resolução cinética. A melhor temperatura e tempo reacional foram determinados para cada método de imobilização. A quimissorção com glutaraldeído foi o melhor método de imobilização para a reciclagem da enzima, pois durante 8 ciclos de resolução cinética a conversão (50 %) e a enantiosseletividade (>99 %) foram mantidas. Com base nesses resultados, pode-se concluir que o processo de imobilização permite um aumento da estabilidade da enzima quando comparada com a enzima livre, permitindo sua reutilização por vários ciclos reacionais. / This dissertation describes studies about different immobilization methodologies (physisorption, chemisorption with carboxibenzaldehyde and chemisorption with glutaraldehyde) of the Burkholderia cepacia lipase on magnetic nanoparticles and its application in the enzymatic kinetic resolution of chiral secondary alcohols. The physisorption method immobilized 0.21 mg of protein per 20 mg of magnetic nanoparticles. Using the same amount of magnetic nanoparticles, the chemisorption method with carboxibenzaldehyde immobilized 0.26 mg of protein against 0.28 mg for the chemisorption with glutaraldehyde, the best result found in this work. The enzymatic activity was determined in the enzymatic kinetic resolution of chiral secondary alcohols [(RS)-2-bromo-1-(phenyl)ethanol, (RS)-2-bromo-1- (4-nitrophenyl)ethanol, (RS)-1-(4-nitrophenyl)ethanol and (RS</I<)-1-(phenyl)- 1,2-ethanodiol] via enantioselective transesterification reaction. The effect of several reaction parameters for the kinetic resolution was studied, such as acetyl donor, substrate concentration, solvent, amount of magnetic nanoparticles (support), agitation speed, reaction time and temperature. The best results were obtained using vinyl acetate as acetyl donor, toluene as solvent, and 800 rpm as agitation speed. Regarding the physisorption method, after 30 days as storing time the enzymatic activity remained the same. Besides, the reusability of immobilized lipase was evaluated. The best temperature and reaction time in the kinetic resolution were determined for each immobilization method. The chemisorption with glutaraldehyde was the best immobilization method for the enzyme reusability, because even after 8 cycles of the kinetic reaction, the conversion (50 %) and enantioselectivity (>99 %) remained the same. Based on these results, it is possible to conclude that the immobilization process increased the enzyme stability when compared to the free enzyme, allowing its reusability for many reaction cycles.

Magnetische Nanopartikel (MNP) wurden mit neuen Fettsäurederivaten modifiziert. Auf diese Art und Weise wurden wichtige biologische und organokatalytische Funktionen auf die Oberfläche von magnetischen Nanopartikeln aufgebracht. Das folgende Kapitel präsentiert eine Veränderung von mit Polydopamin (PDA) bedeckten magnetischen Nanopartikeln via CuAAC-Reaktion. Zum Beweis der Wirksamkeit dieser Methode wurden biologische Funktionen wie Biotin, Galaktose oder Dansyl an die magnetischen Nanopartikel über einen 1,2,3-Triazolring gebunden, ebenso Prolin als organokatalytische Einheit. Weiterhin wurde das unerwartete Verhalten von Polydopamin als Organokatalysator in Aldol- und Knoevenagel-Reaktionen gezeigt und untersucht. Für diese Reaktionen wurde ebenfalls das Recycling der mit PDA bedeckten Nanopartikel getestet. Desweiteren wurde gezeigt, daß PDA als reaktives Beschichtungsmaterial für oberflächeninitiierte Ringöffnungs-polymerisation von Lactid dienen kann. Somit kann Polymilchsäure (PLA) auf verschiedene Materialien, welche mit PDA beschichtet sind, aufgebracht werden – MNP, Kohlenstoff-beschichtete Eisennanopartikel, oder Aluminiumoxid. Das letzte Kapitel beschäftigt sich mit dem Einsatz von Polyacrylaten zur Funktionalisierung von MNP. Mit dieser Methode wurden Prolin-, Lysin- und Threoninderivate an die MNP gebunden. Die katalytische Aktivität dieser neuen Materialien wurde untersucht. / Magnetic nanoparticles (MNP) were modified with new fatty acid derivatives. In this way important biological and organocatalytic functions were introduced on the surface of magnetic nanoparticles. The following chapter is presenting a modification of polydopamine (PDA) coated magnetic nanoparticles via CuAAC reaction. As a proof of principle biological moieties like biotin, galactose, dansyl were bound to magnetic nanoparticles through a 1,2,3-triazole ring, as well as proline – an organocatalytic unit. Further unexpected behaviour of polydopamine as organocatalyst for aldol and Knoevenagel reaction was demonstrated. Recycling of MNP covered with PDA was tested for the aforementioned reactions. Furthermore, it has been proved that PDA may serve as reactive coating agent for surface initiated ring opening polymerization of lactide. As a result polylactic acid (PLA) can be introduced on different materials covered with PDA - MNP, carbon covered iron magnetic nanoparticles or aluminium oxide. The last chapter is describing the employment of polyacrylates for functionalization of MNP. Using this method proline, lysine and threonine derivatives are fixed to MNP. The catalytic activity of the newly prepared materials was investigated.

Em virtude da grande atenção que os nanomateriais magnéticos recebem atualmente, cientistas de diversas áreas (química, física, engenharia e medicina) vêm estudando as propriedades e as aplicações de nanopartículas magnéticas, gerando uma grande demanda por materiais de alta qualidade. As propriedades dos nanomateriais magnéticos são fortemente dependentes de suas propriedades intrínsecas (p. ex., composição, cristalinidade, tamanho e forma) e das interações entre as partículas, portanto sofrendo grande influencia do método de síntese aplicado. Várias técnicas para produção de nanomateriais magnéticos são conhecidas, porém muitas delas geram materiais com baixa qualidade no que diz respeito a tamanho médio e faixa de distribuição de tamanhos nas amostras. O presente trabalho teve por objetivo estudar a síntese de nanopartículas de magnetita (Fe3O4) por decomposição térmica do acetilacetonato de ferro (III), um método já conhecido e que se destaca pela alta qualidade de amostras (elevado controle no tamanho, estreita distribuição de tamanhos e forma bem definida), porém de alto custo. Estudamos a influência dos aditivos normalmente empregados no meio reacional no controle da morfologia, tamanho e polidispesão das amostras preparadas e sugerimos outros reagentes (monoóis, dióis e polióis) em busca de novas condições de síntese de nanopartículas magnéticas com morfologia e tamanho controlados. Do ponto de vista prático, reduzimos o custo de produção de nanomateriais magnéticos de alta qualidade pela utilização de aditivos mais baratos e de fácil obtenção no mercado. Os diferentes aditivos propostos modificaram as propriedades magnéticas ligadas às interações dipolares entre as partículas magnéticas. A influência dos aditivos foi testada em crescimentos sucessivos usando partículas de magnetita já formadas como sementes. O perfil de crescimento se mostrou diferente em função dos reagentes empregados e as amostras tiveram suas interações hiperfinas medidas para avaliar a relação entre o tamanho e aumento da cristalinidade das partículas formadas. O revestimento das partículas de magnetita com ouro foi estudado buscando aumentar a biocompatibilidade e proteger os núcleos magnéticos, porém as estruturas core-shell obtidas não apresentaram comportamento superparamagnético. Os estudos das interações hiperfinas mostraram perda da cristalinidade após o revestimento com ouro. As partículas de magnetita foram aplicadas para produzir calor através de hipertermia magnética, sendo que a interação entre as partículas se mostrou fundamental para o aumento do calor gerado. Outra aplicação biomédica testada foi o uso das partículas de magnetita como contraste para imagem por ressonância magnética nuclear. Nossas amostras mostraram desempenho semelhante às partículas disponíveis no mercado a alto custo / Magnetic nanomaterials have received a great deal of attention from scientists of various research fields (chemistry, physics, engineering and medicine) that have been studying the properties and applications of magnetic nanoparticles, generating a great demand for high quality materials. The magnetic properties of nanomaterials are strongly dependent on their intrinsic properties (eg., composition, crystallinity, size and shape) and the interactions between particles, therefore are influenced by the method of synthesis applied. Various techniques for the production of nanomarerials are known, but many of them produce poor quality materials, regarding to the average size, broad size distribution range and variable shape. The present work aimed to study the synthesis of magnetite nanoparticles (Fe3O4) by thermal decomposition of iron (III) acetylacetonate, a method already known for delivering high quality samples (high control on the size and narrow size distribution ), but at high cost. We studied the influence of additives normally used in the reaction medium to control the morphology, size and polydispersion and suggested other reagents (monols, diols and polyols) in the search for new conditions to synthesize magnetic nanoparticles with controlled size and morphology. From a practical viewpoint, we have reduced cost of producing high-quality magnetic nanoparticles using cheaper additives available on the market. The different additives used in the synthetic protocol modified the magnetic properties which are related to dipolar interactions between magnetic particles. The influence of additives was tested in successive growth using magnetite particles previously formed as seeds. The growth profile showed to be different depending on the additives used and the samples had their hyperfine interactions measured to estimate the relationship between the size increasing and the crystallinity of the particles formed. The coating of the magnetite particles with gold was studied in order to increase the biocompatibility and to protect the magnetic core. In this case, the core-shell structure lost the superparamagnetic behavior. Studies of hyperfine interactions showed the loss of crystallinity after coating the nanoparticles with gold. The synthesized particles were used to produce heat by magnetic hyperthermia, where the interaction between the particles proved to be crucial to increase the generated heat. Another biomedical application tested was the use of magnetite particles as contrast agent for magnetic resonance imaging. Our samples showed similar performance to the commercially available particles at high cost.

O presente trabalho descreve a preparação de catalisadores magnéticos para aplicação nos processos de fotocatálise heterogênea e ozonização catalítica heterogênea, visando a degradação de poluentes emergentes. Primeiramente buscou-se preparar nanopartículas magnéticas para posterior aplicação no preparo de catalisadores magnéticos de TiO2. Diversas variáveis experimentais foram avaliadas na preparação das nanopartículas magnéticas, tais como: temperatura de reação, tempo de agitação, tempo no ultrasom, velocidade de agitação, velocidade de agitação da base, tempo de agitação do estabilizante, concentração da base e do estabilizante. A influência destes parâmetros de preparação no diâmetro hidrodinâmico e distribuição de tamanho das partículas foi avaliada por meio de um planejamento estatístico. Dependendo das condições experimentais, obteve-se materiais com um tamanho médio variando entre 11 e 36 nm e entre 23% e 77% de distribuição de tamanho. Na condição otimizada, obteve-se partículas com um tamanho médio, obtido pela técnica de espalhamento de luz dinâmico, de 18 nm e 21% de distribuição. O nanomaterial magnético foi utilizado para preparar os catalisadores híbridos Fe3O2@TiO2 e Fe3O4@SiO2@TiO2. Os materiais foram caracterizados por difratoemtria de raios-X (XRD), microscopia de varredura (MEV) e transmissão (TEM), espectroscopia no infravermelho (FT-IR), análise térmica (TG e DTA), espectrometria de emissão óptica (ICP-OES), medidas de área superficial (BET) e espalhamento dinâmico de luz (DLS). Os catalisadores magnéticos foram empregados na degradação dos poluentes emergentes paracetamol; 4-metilaminoantipirina (4-MAA); ibuprofeno; 17 &#946;-estradiol; 17 &#945;-etinilestradiol, e do fenol. Nos processos de degradação também variou-se o efeito do pH nas respostas dos sistemas. De maneira geral, o material Fe3O4@TiO2 apresentou atividade catalítica nos processos de degradação fotoquímica e de ozonização, com desempenho similar ou, em alguns casos, superior ao TiO2. Em relação a 4-MAA, obteve-se, em 60 minutos de tratamento, 25% de mineralização para o processo de fotólise e 66% para o processo de fotocatálise empregando Fe3O4@TiO2. Para o processo de ozonização em pH 3, obteve-se, em 180 minutos de tratamento, 40 e 60% de mineralização para o processo não catalítico e o processo catalítico empregando Fe3O4@TiO2, respectivamente. Os resultados utilizando-se TiO2 foram semelhantes à ozonização não catalítica, o que demonstra o efeito positivo do núcleo magnético para a atividade do material. Assim, o material híbrido multifuncional Fe3O4@TiO2 mostrou-se eficiente para a degradação de poluentes emergentes empregando-se os processos de fotocatálise e de ozonização catalítica heterogênea, possibilitando uma adicional praticidade de separação do meio de tratamento. / The present work describes the preparation of magnetic catalysts for application in heterogeneous photocatalysis and heterogeneous catalytic ozonation processes, aiming the degradation of emerging pollutants. Magnetic nanoparticles were prepered as substratum of magnetic TiO2 catalysts. Several experimental variables were evaluated in the preparation of the magnetic nanoparticles, such as temperature, stirring time, sonication time, precipitation reaction stirring speed, base addition rate, dispersion stirring time, base concentration and stabilizer percentage. The influence of these parameters on particle hydrodynamic diameter and size distribution were measured by a statistical design. Depending on the experimental conditions, materials with an average size ranging between 11 nm and 35 nm and distribution between 23% and 77% were obtained. In the optimum preparation conditions, Fe3O4 magnetic particles with a hydrodynamic diameter of 18 nm and 21% distribution were obtained. The magnetic nanomaterial was used to prepare the hybrid catalysts Fe3O4@TiO2 and Fe3O4@SiO2@TiO2. The prepared materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), field-emiss ion scanning electron microscopy (FEG-SEM), transmission electron microscopy (TEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), thermogravimetric (TG), differential thermal analysis (DTA), inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES), BET specific surface area and dynamic light scattering (DLS). The magnetic catalysts were employed in the degradation of the emerging pollutants paracetamol; 4-methylaminoantipyrin (4-MAA); ibuprofen; 17 &#946;-estradiol; 17 &#945;-ethinyl estradiol, and phenol. In the treatment processes the effect pH on the systems was also varied. In general, the material Fe3O4@TiO2 showed catalytic activity in the processes of photochemical degradation and ozonation, with performance similar or, in some cases, superior to TiO2. For example, the 4-MAA mineralization, after 60 minutes of treatment, by the photolysis process reached a m aximum value of 25%. In the same treatment time by the photocatalytic process using Fe3O4@TiO2 it was obtained 66% of 4-MAA mineralization. For the ozonation process, in pH 3, after 180 minutes of treatment, 40% of 4-MAA mineralization was achieved by non-catalytic method. On the other hand, in the same treatment time employing Fe3O4@TiO2, 60% of 4-MAA mineralization was obtained. In addition, for the ozonation process using TiO2 similar results to non-catalytic ozonation were observed, which demonstrates the positive effect of the magnetic core for the activity of the catalyst. Thus, the hybrid material Fe3O4@TiO2 was efficient for the degradation of emerging pollutants employing the photocatalysis and heterogeneous catalytic ozonation processes, allowing an additional practicality for separating the catalyst from the treatment medium.

O desenvolvimento de nanocarreadores a base de albumina são considerados biocompatíveis e biodegradáveis, e tem sido extensivamente estudada com objetivo de novas alternativas de tratamento para inúmeras doenças. A característica mais relevante reside no fato de que estes sistemas proteicos serem capazes de atravessar a barreira Hematoencefálica (BHE) e atingir as células-alvo, a partir de sinalizações por canais específicos na barreira cerebral. Por serem proteínas com ligações covalentes, pode-se afirmar que o processo de clivagem proteolítica tende a ser realizado pelas enzimas pertencente à família das proteases. Dada à importância desses sistemas de entrega de fármacos (DDS) e sua eficaz permeação através da BHE, propôs-se um desenvolvimento científico multidisciplinar combinando-se protocolos, técnicas e ensaios experimentais das áreas de tecnologia farmacêutica, nanotecnologia e química para realização da incorporação do fotoativo ou outros compostos, como a ftalocianina de cloro alumínio (AlClPc ou Pc) livre e/ou pré encapsuladas e as nanopartículas magnéticas, nestes sistemas de DDS conhecidos como nanopartícula de albumina (NpA). Dentre as técnicas usadas nestes estudos destaca-se tanto o método de cross-linking térmico (via Térmica) quanto o químico (via Química), sendo que no segundo, foram utilizados 2 reagentes distintos, o glutaraldeído e o gliceraldeído, os quais foram analisados e comparados neste projeto de pesquisa. Análises de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Microscopia de Força Atômica (MFA), medidas de estabilidade por ZetaSizer demonstraram claramente que as nanopartículas preparadas pelos diferentes reagentes possuíam formato esféricos, diâmetro médio em torno de 200 nm e eram homogêneas, entretanto, apenas os nanocarreadores preparados com GU apresentaram elevada repulsão eletrostática (prevenindo a agregação das mesmas). Após caracterização, os estudos foram baseados na utilização da AlClPc como fotoativo aplicado a terapia fotodinâmica (TFD) para o tratamento in vitro das doenças que acometem o sistema nervoso central (SNC). / The development of albumin-based nanocarriers, which are nontoxic and biocompatible and biodegradable, have been extensively studied for seeking new alternatives of the treatment for numerous diseases. The most relevant characteristic is that these protein-based systems could across the blood-brain barrier (BBB) and selectively achieve the target cells within of the brain. These nanocarriers are proteins-based and have covalent bonds, and consequently it can be digested by a class of enzymes belonging to the protease family, which rapidly degrade the protein-based nanoparticles through of the proteolytic cleavage process. Given the importance of these drug delivery systems (DDS) and their effective permeation through BBB, it was proposed a multidisciplinary scientific development combining protocols, techniques and experimental tests of the areas of pharmaceutical technology, nanotechnology and chemistry to carry out the incorporation of the photoactive or another compound, as aluminum chlorine phthalocyanine (AlClPc or Pc), free and/or pre-encapsulated or magnetic nanoparticles in these albumin-based DDS systems known as albumin nanoparticles (NpA). Among the techniques used in these studies we highlight by thermal cross-linking method (via Thermal) and chemistry (via Chemistry), in this second, it was used 2 reagents, glutaraldehyde and glyceraldehyde, that were analyzed and compared in this research project. From Scanning Electron Microscopy, Atomic Force Microcopy, Zeta potential measurements, we have clearly shown that the elaborated nanoparticles (NPs) have a smaller size with a spherical shape and are more homogeneous, however only the nanoparticles prepared with glutaraldehyde showed greater electronic repulsion (preventing their aggregation). After the characterization, the studies were based on the use of AlClPc as a photoactive applied in the photodynamic therapy (PDT) for the treatment of central nervous system (CNS) diseases.