Modern diagnostic method magnetic resonance imaging (MRI) usually uses contrast agents T1-type, which are based on Gd3+ complexes. Due to severe toxicity of free Gd3+ , it is desired to have thermodynamically stable and kinetically inert complexes with fast elimination from the body. This work summarizes information about a novel contrast agent based on ligand DO3AP (1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1-methyl(alkyl)phosphinic-4,7,10- triacetic acid) with pendant hydrophobic dibenzylamino group which is able to interact hydrophobically with the macromolecule of serum albumin. The stability of supracomplex is dependent on pH value, i.e. on the protonation of the pendant amino group of the complex (pKA = 5.6) and this interaction was confirmed from 1 H-NMRD profile and fluorescent analysis. The compound was tested for its angiographic properties in vivo on rat model. Furthermore, other complexes of the ligand with trivalent lanthanides (Nd3+ , Eu3+ , Tb3+ , Dy3+ , Er3+ ) were characterized by various methods (XRD, luminescence, UV-VIS, 1 H-, 17 O- and 31 P-NMR). The cleavage of the benzyl groups affords ligand whose Ln3+ complexes possess pH dependent PARACEST effect. These complexes were characterized by XRD, luminescence and 1 H- and 31 P-NMR. Moreover, the novel ligands with modified length of pendant...

A thesis submitted to the Faculty of Engineering and the Built Environment, University of the Witwatersrand, Johannesburg, in fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. Johannesburg, 2016 / The theoretical and experimental investigation of electron spin-resonance relaxation to deposit thermal energy into liquid gadolinium-based contrast agents for cancer hyperthermia treatment is presented. Previous works suggest that using protons in water are inadequate, with a thermal deposition rate of approximately 1 ◦C per two years. A novel component of this research relies on the use of gadolinium-chelated molecules, which are currently used as contrast agents in clinical MRI scans. The chelating agents, or ligands, investigated are Gadobenate (MultiHance R ), Gadopentetate (Magnevist R ), Gadoterate (DotaremR ) and Gadoteridol (ProHance R ). The gadolinium atom has seven unpaired electrons in its inner f shell orbital and as a result has a 660 times stronger paramagnetic response when placed in an external magnetic field. The research tests the hypothesis that by using an appropriate external homogeneous DC magnetic field, together with a radiofrequency excited resonator, that a measurable amount of thermal energy is deposited into a liquid gadolinium-based contrast agent. The aim of this research is to ultimately discover a new cancer hyperthermia treatment. The research theory suggests that a temperature rate of 13.4 ◦C · s−1 can be achieved using the gadolinium-based contrast agents under certain experimental conditions, and a maximum of 29.4 ◦C · s−1 under more optimal conditions. The temperature rates are calculated using parameter values commonly found in literature and practice. The simulation and design of the DC magnetic field coil system is discussed, together with the simulation results and design parameters of the radiofrequency loop-gap resonator. The experimental results and analysis indicate that the selected contrast agents have varied responses based on their chemical nature and that only two out of the four contrast agents, Dotarem and ProHance, show a measurable effect albeit sufficiently small that statistical techniques were necessary to distinguish the effect from background. A model fit to the data is performed in order to determine the spin-lattice relaxation time of the contrast agents under the specified experimental conditions. The model estimate is significantly smaller than the values found in literature under similar conditions, with a spin-lattice relaxation time τ1e of approximately 0.2 ps compared to the literature value of 0.1 ns. Although the observed electron spin resonance heating rate is in the milli-Watt range it is still notably larger (167 000 times) compared to the heating rate obtained using protons. The low temperature rates suggest that a more suitable agent or molecule with a larger spin-relaxation time be used, in order to achieve clinical useful temperature rates in the range of 14 ◦C · s−1. / MT2017

O ferro é essencial para a vida do ser humano, desempenhando um papel fundamental no metabolismo. Contudo, quando não armazenado em compartimentos biológicos adequados, o metal apresenta um potencial tóxico ao organismo, uma vez que contribui para a formação de espécies reativas de oxigênio. A sobrecarga de ferro é uma condição desfavorável para portadores de algumas disfunções genéticas, como a hemocromatose, ou de anemias crônicas que requeiram transfusões de sangue periódicas, como é o caso da talassemia. Os fármacos atuais que controlam a patologia, como a desferrioxamina (DFO), requerem infusão subcutânea lenta, causando desconforto em pacientes e podendo trazer um série de complicações, como insuficiência hepática e renal. A modificação dessas moléculas com biopolímeros é uma proposta para minimizar efeitos colaterais e aumentar a biodisponibilidade do fármaco no organismo. Dentre esses biopolímeros, destacam-se as albuminas proveniente do soro bovino (BSA) e do ovo (OVA), que têm baixa toxicidade, baixo custo e abundância de sítios reativos, que quando modificados, favorecem reação com a desferrioxamina. Como resultado, houve a reação dos biopolímeros com a desferrioxamina, com mudanças em suas estruturas secundárias e possível dimerização, resultando na formação de conjugados possuem afinidade com íon ferro e capacidade antioxidante semelhante ao fármaco original, características que tornam os compostos bons candidatos a uma alternativa à terapia de quelação. Os conjugados BSA-DFO e OVA-DFO podem reagir, além do ferro, com gadolínio, fazendo com o que os complexos tenham uma potencial aplicação como agentes de contraste em ressonância magnética de imagem (MRI). Neste trabalho, vimos que o complexo entre Gd(III) e BSA-DFO apresentou uma relaxatividade de 52,92 s-1 mM-1 para T2 e 45,37 s-1 mM-1 para T1 , um valor bem superior aos fármacos disponíveis no mercado, que apre-sentam relaxatividade entre 4 e 5 s-1 mM-1, o que foi explicado por sua elevada massa molecular, indicando que poderia ter bons efeitos na qualidade de MRI, com menores doses. / Iron is essential for human life, playing a fundamental role in metabolism. However, when not stored in appropriate biological compartments, the metal presents a toxic potential to the body, contributing to the formation of reactive oxygen species (ROS). Iron overload is an unfavorable condition for people with certain genetic disorders, such as hemochromatosis, or chronic anemias that require periodic blood transfusions, as thalassemia. Current drugs that control the pathology, as desferrioxamine, require slow subcutaneous infusion, causing discomfort in patients and may lead to a number of complications, such as hepatic and renal failures. As a result, the biopolymers were reacted with desferrioxamine, with changes in their secondary structures and possible dimerization, resulting in the formation of conjugates with iron ion affinity and antioxidant capacity similar to the original drug, characteristics that make the compounds good candidates for an alternative chelation therapy As a result, the reaction of the biopolymers with desferrioxamine caused a change in the secondary structure, with possible formation of dimers and showing different mobility when exposed to an electric potential difference. Not all polymer chains have reacted with DFO, however BSA-DFO complex has antioxidant capacity similar to the original drug. The BSA-DFO and OVA-DFO conjugates can react, in addition to iron, with gadolinium, making the complexes potential contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI). In this work, the complex between Gd(III) and BSA-DFO presented a relaxativity of 52,92 s-1 mM-1 for T2 and 45,37 s-1 mM-1 for T1, values higher than the available drugs in the market (4 - 5 s-1 mM-1) which was explained by the high molecular weight, indicating a good effects on the quality of MRI, with lower doses.

O objetivo deste trabalho é verificar os resultados fornecidos pelo programa computacional FRAPCON-3, hoje na versão 5, utilizado no processo de simulação do comportamento de varetas combustíveis de reatores refrigerados a água pressurizada (Pressurized Water Reactor PWR), sob situações operacionais de regime permanente, em condições de alta queima. Para realizar a verificação, foi utilizada a base de dados FUMEX-III, que fornece dados relativos a experimentos realizados com diversos tipos de combustíveis nucleares, submetidos a diversas condições operacionais. Através dos resultados obtidos na simulação do programa FRAPCON-3.5 e da sua comparação com os dados experimentais da base FUMEX-III, foi possível constar que o programa possui boa capacidade de predizer o comportamento operacional da vareta combustível em regime permanente a altas queimas. O trabalho consiste também em verificar a correlação entre UO2 e UO2-7%Gd2O3 na análise dos modelos que simulam o comportamento das pastilhas combustível. A adição do óxido de gadolínio ou gadolínia (Gd2O3), constitui-se na opção tecnológica mais solidamente consagrada e hoje comum em várias centrais nucleares. Por meio dos resultados obtidos nas simulações computacionais foram apresentadas e discutidas a influência das propriedades do UO2 e UO2-7%Gd2O3, quanto à temperatura no centro do combustível, liberação de gás de fissão na vareta, temperatura média do revestimento, volume interno e pressão interna da vareta combustível. / The objective of this work is to verify the results provided by the computer program FRAPCON-3, now in version 5, used in the simulation process of the behavior of fuel rods of pressurized water reactors - PWR permanent, in conditions of high burn. In order to carry out the verification, the FUMEX-III database was used, which provides data on experiments performed with different types of nuclear fuel, under different operating conditions. The results obtained in the simulation of the FRAPCON-3.5 program and its comparison with the experimental data of the FUMEX-III base showed that the program has a good ability to predict the operational behavior of the fuel rod in a steady state at high burn. The work also consists in verifying the correlation between UO2 and UO2-7%Gd2O3 in the analysis of models that simulate the behavior of fuel pellets. The addition of gadolinium oxide (Gd2O3) constitutes the most solidly established and now common technological option in several nuclear power plants. The influence of the properties of UO2 and UO2-7%Gd2O3 on the temperature at the center of the fuel, fission gas release on the rod, average coating temperature, internal volume and pressure were presented and discussed. of the fuel rod.

Este trabalho apresenta a análise neutrônica do combustível a dispersão de UMo-Al em relação ao aumento da densidade de urânio e faz uma comparação com o combustível de U3Si2-Al. Neste estudo, a densidade de urânio do U3Si2-Al é variada de 3,0 à 5,5 gU/cm3 e a do UMo-Al entre 4,0 à 7,5 gU/cm3 e com a porcentagem em massa de molibdênio com 7 e 10 %. Neste trabalho também é proposta a aplicação de veneno queimável metálico no cerne do combustível de UMo-Al, uma vez que este combustível é metálico e é analisada a utilização de gadolínio (Gd) e európio (Eu) como veneno queimável. A utilização do Gd como veneno queimável foi analisada com o fator de multiplicação infinito (k∞) através do programa celular HRC desenvolvido pelo IPEN e composto pelos códigos HAMMERTECHNION para a analise de célula, ROLAIDS para o cálculo de auto blindagem dos actinídeos e CINDER-2 empregado para a fissão e transmutação dos actinídeos. O núcleo do reator simulado foi similar ao do RMB (Reator Multipropósito Brasileiro) composto por um arranjo de 5x5 posições com 23 elementos combustíveis e dois blocos de alumínio. Para o európio, foram utilizados os programas SERPENT e CITATION. Os cálculos de queima foram realizados considerando uma potência de 30 MW durante três ciclos do RMB de 97 dias. Os resultados obtidos mostram que a porcentagem em massa do molibdênio têm uma grande influência no comportamento neutrônico devido a seção de choque de absorção do molibdênio ser considerável. Portanto, foi escolhida a porcentagem de 7 % de Mo para os estudos com veneno queimável. Para o núcleo proposto, o európio mostrou-se melhor, pois apresenta uma queima mais gradual que o gadolínio. Foi realizada uma simulação com o programa SERPENT com adição de 6 % de silício, o que mostrou que a adição de Si não causa mudança significativa no ciclo de operação do reator. Para validação da metodologia de cálculo, foi elaborada uma especificação técnica e fabricadas 12 miniplacas combustíveis de UMo-Al sem veneno queimável. As miniplacas foram irradiadas no núcleo do reator IPEN/MB-01, em quatro configurações de núcleo, para obtenção da reatividade inserida. Os resultados simulados obtidos para a inserção de reatividade pelas miniplacas nos diversos núcleos analisados apresentaram alta concordância com os resultados experimentais. / This work presents the neutronic analysis of the UMo-Al dispersion fuel concerning uranium density increase and shows comparisons relatively to the U3Si2-Al fuel. The U3Si2-Al uranium density varied from 3.0 to 5.5 gU/cm3 while that of UMo-Al fuel varied from 4.0 to 7.5 gU/cm3. The molybdenum mass content in the former case varies from 7 to 10 % in mass. Here, it is also proposed the utilization of burnable poison nuclides in the UMo-Al fuel meat. Since the fuel is metallic, gadolinium and europium were chosen as candidates to cope with this task. A recently developed cell code at IPEN (HRC) composed of the coupling of the codes HAMMER-TECHNION for the cell analysis, ROLAIDS for the actinide self-shielding calculations and CINDER-2 for the actinide and fission transmutation was employed for the neutronic analyses of UMo-Al. The simulated reactor core was similar to the one of RMB (Brazilian Multipurpose Reactor) composed of an array of 5x5 positions with 23 fuel elements and 2 aluminum blocks. A second analysis of the europium case employed the SERPENTE and CITATION codes. The burnup calculations were performed considering a power of 30 MW during three cycles of RMB 97 days. The analyses revealed that the molybdenum content has a great impact in the core reactivity due to its high absorption cross section. A value of 7 % was found adequate for the molybdenum mass content. The analyses also reveal that europium is a better burnable poison than gadolinium for the core cycle length and power level under consideration. It was realized a simulation with the computer code SERPENT with addition of 6 % silicon in UMo-Al fuel. The silicon does not change significantly the reactor operation cycle. To validate the calculation methodology it was developed a technical specification and fabricated 12 UMo-Al fuel miniplates without burnable poison. The miniplates were irradiated in the IPEN-MB/01 reactor core for four core configurations, in order to obtain the inserted reactivity. The simulated results for the reactivity insertion by the fuel miniplates in the analyzed cores showed high agreement with the experimental results.

Espécies reativas de oxigênio (ROS) são geradas como produto final da respiração mitocondrial. Quando ROS são produzidas em excesso geram estresse oxidativo e induzem citotoxicidade via uma variedade de mecanismos, incluindo dano ao DNA, lipídeos e proteínas. Neste trabalho avaliamos a capacidade do lantanídeo gadolínio em produzir estresse oxidativo com a finalidade de aproveitar o potencial citotóxico de ROS para o tratamento de tumores. Utilizamos dois modelos experimentais: o primeiro modelo utilizado foi duas linhagens de glioblastoma humano, T98 status p53 mutante e U87 status p53 selvagem para avaliar a citotoxicidade do gadolínio sobre o metabolismo celular e também alterações morfológicas, nucleares e produção de ROS. O segundo modelo utilizado foi 8 linhagens da levedura Saccharomyces cerevisae, selvagem e mutantes relacionadas ao estresse oxidativo, para avaliar o efeito do gadolínio e para obter informações sobre seu possível mecanismo de ação. Os resultados mostram que o gadolínio foi capaz de induzir citotoxicidade e diminuir a viabilidade celular em ambas as linhagens de glioblastoma humano, além de provocar alterações nucleares e produzir ROS. A adição de radiação (Gd159) aumentou todos os efeitos citotóxicos provocados pelo gadolínio. Ambas as linhagens obtiveram mesmas respostas frente ao gadolínio sugerindo que as alterações observadas foram independentes de p53. Na levedura Saccharomyces cerevisiae o gadolínio foi capaz de inibir o crescimento celular, sendo a mutante Δsod1 a mais sensível. As leveduras foram capazes de incorporar gadolínio de maneira dose-dependente. A mutante Δsod1 incorporou mais gadolínio quando comparado à linhagem selvagem. As células testadas não possuem receptores específicos de interação com este metal na membrana celular. Ao incorporar gadolínio existe uma extrusão de potássio da célula. A presença de gadolínio não foi capaz de induzir peroxidação de lipídeos, ao contrário, diminuiu a quantidade de lipídeos peroxidados. Este metal foi capaz de diminuir, significantemente, a quantidade de grupamentos tióis livres, indicando um possível alvo em proteínas do sistema de controle redox celular. A presença deste metal aumentou a geração de ROS, apresentando maior intensidade nas mutantes Δskn7, Δsod2 e Δcta1. Além disso, provocou a diminuição da viabilidade celular. Todos estes achados levam a concluir que o gadolínio pode ser um metal de escolha para o desenvolvimento de novas drogas para o tratamento de câncer. / Reactive oxygen species (ROS) are generated as end products of mitochondrial respiration. When ROS are produced in excess generates oxidative stress and induce cytotoxicity via a variety of mechanisms, including damage to DNA, lipids and proteins. In this work we evaluate the ability of the lanthanide gadolinium in producing oxidative stress in order to used the cytotoxic potential of ROS to the treatment of tumors. We used two experimental models: the first model used was two strains of human glioblastoma, T98 status p53 mutant and U87 status p53 wild type to evaluate the cytotoxicity of gadolinium on cell metabolism and also morphological changes, nuclear and ROS production. The second model was used eight strains of the yeast Saccharomyces cerevisiae, wild type and mutant related to oxidative stress, to assess the effect of gadolinium and for obtains same information about the possible mechanism of action. The results show that gadolinium was able to induce cytotoxicity and decrease cell viability of both strains of human glioblastoma, and cause nuclear changes and produce ROS in a dose dependent way. The addition of radiation (Gd159) increased all cytotoxic effects caused by gadolinium. Both of strains had the same response to gadolinium suggesting that the observed changes were independent of p53. In the yeast Saccharomyces cerevisiae gadolinium was able to inhibit cell growth, and the mutant Δsod1 was the most sensitive. The yeasts were able to incorporate gadolinium in a dose-dependent way. The mutant Δsod1 incorporate more gadolinium compared to the wild type. The cells tested do not have specific receptors for interaction with this metal in the cell membrane. By incorporating gadolinium there is an extrusion of potassium from the cell. The presence of gadolinium was not able to induce lipid peroxidation, in contrast, decreased the amount of lipid peroxidate. This metal was able to decrease significantly the amount of free thiol groups, indicating a possible target protein in the cellular redox control system. The presence of this metal increased the generation of ROS, with higher intensity in the mutant Δskn7, Δsod2 and Δcta1. In addition, Gd produced significant decreased on cell viability. All these findings led us to conclude that gadolinium may be a metal of choice for developing new drugs for cancer treatment.

O câncer é uma das principais causas de morte em todo o mundo, sendo as neoplasias malignas de pulmão, estômago, fígado, cólon e mama em maior número. E, recentemente, observa-se na literatura um grande número de trabalhos onde novos materiais, especialmente nanoparticulados, vêm sendo estudados como carreadores de drogas e radioisótopos aplicados ao tratamento do câncer. Como materiais mesoporosos à base de sílica, graças a sua enorme área superficial e biocompatibilidade, têm sido estudados intensivamente propiciando amplas aplicações em várias áreas, o emprego da sílica SBA-16 nanoestruturada podem vir a ser um específico carreador de radioisótopos acumulando-os nas células malignas. Com isso a proposta deste estudo é desenvolver estudos in vitro utilizando SBA-16 capaz de concentrar seletivamente nas células malignas quantidades terapêuticas do radioisótopo Gadolínio-159 conduzindo-as a morte. Neste trabalho foi realizada a síntese da sílica mesoporosa ordenada, SBA-16 e a incorporação do complexo Gd-DTPA-BMA, assim como a caracterização química e estrutural. As técnicas utilizadas para analisar a ocorrência da incorporação do complexo de gadolínio na matriz de sílica foram análise elementar, espectroscopia de emissão atômica (ICP-AES), análise elementar (CHN), espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), adsorção de nitrogênio (BET), difração de raios-x a baixos ângulos (SAXS) e análise termogravimétrica (TG). Para análise da morfologia da sílica pura utilizou-se a microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Por espectroscopia de correlação de fótons (PCS) foi possível obter a medida do tamanho médio das partículas, o índice de polidispersividade (PDI) da sílica SBA-16 e o potencial zeta por anemometria de laser Doppler (LDA). Os resultados de incorporação analisados por ICP-AES indicaram que o material SBA-16 obteve um alto índice de incorporação do gadolínio (93 %). A cinética de liberação, em fluído simulado corpóreo, apresentou estabilidade considerável e baixo teor de liberação (1 %). A sílica mesoporosa SBA-16 apresentou viabilidade celular em contato direto com cultura de células. As amostras, com gadolínio incorporado na matriz de sílica, após da irradiação não apresentaram atividade citotóxica expressiva, o que implica que esses estudos devem aprimorados para que mais pesquisas na área de nanobiotecnologia sejam realizadas. / Cancer is a leading cause of death worldwide, and malignant neoplasms of the lung, stomach, liver, colon and breast in greater numbers. And recently observed in the literature a large number of reviews where new materials, especially nanoparticle, has been studied as drug carriers and radioisotopes applied to cancer treatment. How mesoporous materials based on silica, thanks to its huge surface area and biocompatibility, have been studied intensively providing broad applications in various areas, the use of nanostructured silica SBA-16 might be a carrier specific radioisotope accumulate in the cells malignant. Thus the aim of this study is to develop in vitro studies using SBA-16 can selectively concentrate in malignant cells therapeutic amounts of the radioisotope Gadolinium-159 escorting them to death. This work was performed orderly synthesis of mesoporous silica, SBA-16 and incorporating the complex Gd-DTPA-BMA, as well as chemical and structural characterization. The techniques used to analyze the occurrence of the incorporation of the gadolinium complex in the silica matrix were elemental analysis (CHN), atomic emission spectroscopy (ICP-AES), infrared spectroscopy (FTIR), nitrogen adsorption (BET), small-angle X-ray scattering (SAXS) and thermogravimetric analysis (TG). To analyze the morphology of pure silica used the scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). By photon correlation spectroscopy (PCS) it was possible to obtain a measure of mean particle size, the polydispersity index (PDI) of the silica SBA-16, and the zeta potential by laser Doppler anemometry (LDA). The results of incorporation analyzed by ICP-AES indicated that the material SBA-16 had a higher rate of incorporation of gadolinium (93%). The release kinetics in simulated body fluid, showed considerable stability and low release (1%). The mesoporous silica SBA-16 showed cell viability in direct contact with cell culture. Samples with gadolinium incorporated in the silica matrix after irradiation showed no significant cytotoxic activity, implying that these studies should improved so that more research in nanobiotechnology are performed.

O câncer colorretal (CRC) é um tumor maligno que afeta o intestino grosso e o reto, o tipo de câncer mais comum do trato gastrointestinal, o terceiro mais comumente diagnosticado no mundo e a segunda principal causa de morte relacionada ao câncer nos Estados Unidos. Hoje em dia, os procedimentos terapêuticos disponíveis para este tipo de câncer são limitados e ineficazes. A radioterapia convencional não é uma abordagem comumente utilizada no tratamento de CRC, devido ao fato de que os movimentos peristálticos dificultam o direcionamento da radiação ionizante e, assim, este tipo de tratamento é utilizado como adjuvante e paliativo para controlar sintomas. Portanto, a intervenção cirúrgica é a opção terapêutica primária contra esta doença. As pesquisas com base na combinação de radioisótopos e sistemas carreadores nanoestruturados têm demonstrado resultados significativos na melhoria da seletividade de ação, bem como na redução da dose de radiação nos tecidos saudáveis. As nanopartículas de sílica mesoporosa MCM-41 têm características únicas, tais como elevada área superficial e diâmetros de poros bem definidos, fazendo destas nanopartículas um candidato ideal como carreador de agentes terapêuticos. A funcionalização desses carreadores com moléculas específicas tem sido utilizada como uma forma de direcionar essas partículas para as regiões desejadas, aumentando o acúmulo dessas partículas nos tecidos-alvo e diminuindo o efeito adverso em tecidos sadios. Uma molécula específica de destaque é o aptâmero anti-CEA, que é uma porção de cadeia de DNA que tem a capacidade de se ligar e reconhecer receptores de antígeno carcinoembriogênico superexpressos em células de tumor colorretal. Assim, o objetivo deste trabalho consistiu em sintetizar e caracterizar nanopartículas de sílica mesoporosa MCM-41, funcionalizadas com aptâmero anti-CEA e conjugados com ítrio-90 ou gadolínio-159 e avaliar esses sistemas como potenciais agentes terapêuticos. As nanopartículas foram sintetizadas através do método de sol-gel. As amostras foram caracterizadas através das técnicas de espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), espalhamento de raios X a baixos ângulos (SAXS), espectroscopia de correlação de fótons (PCS), análise de potencial zeta, análise termogravimétrica (TGA), análise elementar (CHN), adsorção de nitrogênio (BET) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e de varredura (SEM). A capacidade de incorporar íons Y+3 e Gd+3 foi determinada in vitro, utilizando diferentes proporções (1:1 e 1:3 v/v) de YCL3 e Gd203 e nanopartículas de sílica dispersas em água MilliQ. Os íons não incorporados foram removidos por ultracentrifugação e a concentração de íons no sobrenadante foi determinada por espectrometria de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado (ICP-AES). A viabilidade celular foi avaliada por um ensaio MTT colorimétrico no qual foram usadas células específicas de câncer colorretal T84. Os resultados mostraram que as nanopartículas foram sintetizadas com sucesso, obtendo nanopartículas com morfologia esférica, tamanho de partícula de 400 nm, PDI (índice de Polidispersividade) 0,1, potencial zeta de -25,8 meV , arranjo hexagonal de poros com diâmetros de 3 nm e área superficial de 1.400 m2.g-1. Os resultados do ensaio de viabilidade celular sugerem o uso de nanopartículas incorporadas com radioisótopos como potenciais agentes terapêuticos. / Colorectal cancer (CRC) is a malignancy that affects large intestine and rectum, and it is the most common malignancy of the gastrointestinal tract, the third most commonly diagnosed type of cancer in the world and the second leading cause of cancer-related death in the United States. Nowadays, available therapeutic procedures for this type of cancer are limited and ineffective. Conventional radiotherapy is not an often used approach in the treatment of CRC due to the fact that peristaltic movements hamper the targeting of ionizing radiation and this type of treatment is used as adjuvant and palliative to control symptoms. Therefore, surgical intervention is the primary therapeutic choice against this disease. Researches based on the combination of radioisotopes and nanostructured carriers systems have demonstrated significant results in improving the selectivity action as well as reducing the radiation dose into healthy tissues. MCM-41 mesoporous silica nanoparticles have unique characteristics such as high surface area and well-defined pore diameters making these nanoparticles an ideal candidate of therapeutic agent carrier. Thus, the objective of this work is to synthesize and characterize MCM-41 mesoporous silica nanoparticles conjugated with yttrium-90 and gadolinium-159 and evaluate this system as a potential therapeutic agent. The nanoparticles were synthesized via sol-gel method. The sample was characterized using FTIR, SAXS, PCS, Zeta Potential analysis, Thermal analysis, CHN elemental analysis, nitrogen adsorption, scanning and transmission electron microscopy. The ability to incorporate Y+3 and Gd+3 ion was determined in vitro using different ratios (1:1, 1:3, 1:5 v/v) of YCL3 and Gd2O3 and silica nanoparticles dispersed in saline, pH 7.4. The non-incorporated Y+3 and Gd+3 ions were removed by ultracentrifugation procedure and the concentration of ions in the supernatant was determined by ICP-AES. Cell viability was assessed by colorimetric MTT assay in which specific colorectal cancer cells T84 were used. The results showed that the nanoparticles were successfully synthesized, obtaining nanoparticles with spherical morphology, particle size of 400 nm, PDI 0,1, zeta potential of -25, 8 meV, hexagonal arrangement of pores with 3 nm diameters and superficial area of 1400 m2.g-1. Cell viability assay results suggest the use of incorporated nanoparticles as a potential therapeutic agent.

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is the most prominent non-invasive technique used in clinical diagnosis and biomedical research. Its development as an imaging technique has been aided by contrast agents (CAs) which enhance contrast to noise ratio in the images. This dissertation deals with paramagnetic lanthanide- and superparamagnetic iron-based nanoparticles (NPs) which are potential CAs at clinical field of 3 T and a high field of 9.4 T. Chapter 1 provides a brief overview of colloidal nanoparticles, with an emphasis on their surface chemistry and magnetic properties for bio-applications. Chapter 2 employs europium as an optical probe to illustrate the contribution of inner, second and outer sphere relaxation towards longitudinal and transverse relaxivities of paramagnetic NP-based CAs. Chapter 3 investigates the positive and the negative contrast enhancement abilities and magnetization of paramagnetic NPs comprising a core of sodium dysprosium fluoride with a sodium gadolinium fluoride shell. Their surface chemistry is tuned to target prostate cancer specifically. The application of these NPs is further extended in Chapter 4 to track an intraneuronal protein called tau following mild traumatic brain injury. Chapter 5 deals with facile synthesis and long-term stability of superparamagnetic iron NPs for their potential application as CAs. Chapter 6 illustrates the concept of MRI correlation using ‘T1-only’ and ‘T2-only’ NPs. Chapter 7 investigates on the dynamics involved in the phospholipids coating the surface of NPs. Chapter 8 concludes on the work detailed in the previous chapters and outlines the future outlook. / Graduate / 2020-01-15

Orientador: Antonio Manoel Mansanares / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-26T17:20:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Soffner_MaxErik_D.pdf: 4836506 bytes, checksum: af3488da1f4fb5e63235f4be7bcfa8bd (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O efeito magnetocalórico (EMC) tem sido amplamente estudado devido à sua possível aplicação em refrigeração magnética. A busca por materiais adequados se intensificou na última década, havendo demanda não só pela preparação de novos materiais como por sua completa caracterização. O objetivo deste trabalho é a aplicação das técnicas fototérmicas na caracterização de materiais que apresentam o efeito magnetocalórico. Primeiramente, versaremos sobre a Magnetoacústica. Trata-se de uma adaptação da técnica Fotoacústica e que se revelou promissora na área devido à sua alta sensibilidade e por deixar de lado questões sobre a validade da teoria envolvida nos métodos tradicionais. Recentemente, a detecção acústica do EMC foi explorada em outro trabalho do grupo, sendo proposto um modelo simples para determinar a variação adiabática de temperatura (? Tad). Aqui, exploramos a técnica em uma abordagem diferente, tendo como principal objetivo a determinação da variação isotérmica de entropia (? ST) para diferentes variações de campos magnéticos. A utilização de técnicas fototérmicas para a determinação do ? ST é a novidade deste trabalho. Os materiais analisados foram o gadolínio, que apresenta transição de fase magnética de 2a ordem e um composto da família Gd5 (Ge1-x Si x) 4, que apresenta transição de fase magnética-cristalográfica de 1a ordem. Os resultados positivos mostraram uma maneira alternativa na caracterização do EMC, trazendo vantagens sobre os métodos tradicionais em várias situações. Em paralelo, a técnica de ressonância ferromagnética fototermicamente modulada (PM-FMR) foi utilizada no estudo de filmes finos de gadolínio. O crescente interesse em filmes finos nos dias de hoje requer novos estudos sendo propícia a caracterização dos mesmos por diferentes técnicas. Através da PM-FMR, foi possível observar as transições de fase magnéticas para filmes com diferentes espessuras e tratamentos térmicos, depositados sobre substratos de quartzo e silício. Os resultados foram comparados com medidas tradicionais de ressonância ferromagnética e de magnetização. Apesar dos resultados serem, de modo geral, conhecidos o maior interesse está na evolução da técnica. Por possuir resolução espacial na escala de micrometros, permite obter imagens magnéticas, as quais não são possiveis pelos métodos tradicionais / Abstract: The magnetocaloric effect (MCE) has been widely studied because of its possible application in magnetic refrigeration. The search for suitable materials has intensified over the last decade, with a demand not only for the preparation of new materials but also for their complete characterization. The aim of this work is to apply the photothermal techniques to the characterization of materials with magnetocaloric effects. First, we will discuss the Magnetoacoustic technique. This is an adaptation of the Photoacoustic techinique, and it has proved to be promising in the magnetocaloric field due to its high sensitivity. Moreover, this technique is not limited by the validity of the theories involved in traditional methods. Recently, the acoustic detection of MCE was explored in another work of this research group and a simple model for determining the adiabatic temperature variation (? Tad) was proposed. Here, we used a different approach to determine the isothermal entropy change ( ? ST ) the ? ST is the novelty of this work. The analyzed materials were gadolinium, which shows a second order magnetic phase transition, and a Gd5 (Ge1-x Six) 4 family compound, which has a first order magnetic-crystallographic phase transition. The positive results showed an alternative way to characterize the MCE, proving to have advantages over traditional methods in many cases. In parallel, the photothermally modulated ferromagnetic resonance technique (PMFMR) was used in the study of thin films of gadolinium. Currently, there is a growing interest in thin films, and this has encouraged researches to use different characteriza tion techniques. Using PM-FMR, we observed the magnetic phase transitions for the films with different thicknesses and thermal treatments, deposited on quartz and silicon substrates. Our findings were compared with traditional results of ferromagnetic resonance and magnetization. Although the overall results are known, the main interest is in the evolution of the technique. The spatial resolution in the micrometer scale allows for magnetic images, which are not possible using traditional methods / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências