Synthesis of Novel Magnetoelectric Nanocomposites as Advanced anti-cancer drug in vitro
Abstract
Magnetoelectric nanocomposites are a new generation of multiferroics materials that have great potential in enormous fields owing to their unique properties. The conjunction between ferroelectric and ferromagnetic phases provides a direct and indirect exchange between magnetic, and electric properties. The core-shell diphasic systems are the most attractive structure for different applications due to presence of strong magnetoelectric coupling at room temperature. In the present thesis, we have synthesized several spinel ferrites’ groups MFe1.8O4 , Co0.5A0.5Fe1.8O4, Co0.8Mn0.2R0.02Fe1.8O4 , Ni0.5Zn0.5R0.02Fe1.8O4 , Zn1-2xCaxMgxFe1.8O4 (M= Co, Ni , Zn , Cu, Mg , or Mn ; A=Ni, Cu, Mg, Zn, or Mn ; R = Ce , Eu , Tb ,Tm, or Gd ; x = 0.05 , 0.1 , 0.15 , 0.2 , 0.25 , 0.3) as a magnetic core part by sonochemical method. Then, each spinel ferrite nanoparticles SFNPs was coated with barium titanate BaTiO3 (noted as BTO) by sol-gel method to form various core-shell of MFe1.8O4@BTO , Co0.5A0.5Fe1.8O4@BTO, Co0.8Mn0.2R0.02Fe1.8O4@BTO , Ni0.5Zn0.5R0.02Fe1.8O4@BTO , Zn1-2xCaxMgxFe1.8O4@BTO (M= Co, Ni , Zn , Cu, Mg , or Mn ; A=Ni, Cu, Mg, Zn, or Mn ; R = Ce , Eu , Tb ,Tm, or Gd ; x = 0.05 , 0.1 , 0.15 , 0.2 , 0.25 , 0.3) magnetoelectric nanocomposites (MENs). The microstructure and morphology of core-shell MENs were evaluated through XRD, SEM, TEM and EDS as well as the magnetoelectric measurements. The different characterization techniques confirmed the purity and the successful formation of core-shell MENs. The average crystallite size was calculated via Sherrer’s equation and are estimated to be in the range of 24 to 29 nm. The biological impact of SFNPs and core-shell MENs were examined by MTT assay and nuclear DAPI staining on (human colorectal carcinoma cells) HCT-116 and (human embryonic kidney cells) HEK-293. We have found that the magnetic core treatment exhibited a significant reduction in cancer cell viability as well as they induced nuclear condensation, cell membrane disintegration, and cell death as revealed by DAPI staining. However, there was a negligible or no toxicity for core-shell MENs treatment at 141.75 µg/0.1ml, suggesting that the BTO coating improve the biocompatibility of SFNPs. Hence, the MENs seem to be ideal as they are non-toxic, and they can be a promise candidate for anticancer drug delivery and magnetoelectric voltage generator.
تعد مركبات النانو ذات القابلية الكهرومغناطيسية جيلاً جديداً من المواد ذات الوظائف المتعددة حيث تمتلك خصائص فريدة أكسبتها قابلية كبيرة لاستخدامها في مختلف التطبيقات وشتى المجالات. نشأت هذه المركبات بالاعتماد على دمج المواد المغناطيسية مع المواد الكهربية وبالتالي نتج عنها تحول بين الخصائص الكهربية والمغناطيسية إما بطريقة مباشرة أو غير مباشرة. تعد طريقة دمج المواد المغناطيسية مع الكهربية عاملاً مهماً في تصنيع المركبات الكهرومغناطيسية حيث تلعب دوراً هاماً في تشكيل تركيب المادة مما يترتب عليه مدى قوة خصائصها الكهرومغناطيسية. بناءً على ما ذكر، قمنا في هذه الرسالة العلمية بتصنيع مركبات كهرومغناطيسية تتكون نواتها من عدة مركبات مغناطيسية لينة تم تصنيعها عن طريق الموجات الفوق صوتية على النحو التالي: Co0.8Mn0.2R0.02Fe1.8O4, Ni0.5Zn0.5R0.02Fe1.8O4, Co0.5A0.5Fe1.8O4, XFe1.8O4, Zn1-2xCaxMgxFe1.8O4 (R = Ce , Eu , Tb ,Tm, or Gd ; A=Ni, Cu, Mg, Zn, or Mn ; X= Co, Ni , Zn , Cu, Mg , or Mn ; x = 0.05 , 0.1 , 0.15 , 0.2 , 0.25 , 0.3) ويرمز للمركبات المغناطيسية المذكورة بالصيغ الكيميائية التالية: ) CoMnRFe, NiZnRFe, CoAFe XFe1.8O4 , and ZnCaMgFe ). بعد ذلك قمنا بتغليف الأنوية المصنعة بمادة تيتانيت الباريوم الكهربية (BaTiO3) ويشار لها بالرمز التالي (BTO) من خلال تقنية sol-gel لتكوين عدة مركبات كهرومغناطيسية: CoMnRFe@BTO, NiZnRFe@BTO, CoAFe@BTO, XFe1.8O4@BTO, and ZnCaMgFe@BTO (R = Ce, Eu, Tb, Tm, or Gd; A=Ni, Cu, Mg, Zn, or Mn; X= Co, Ni, Zn, Cu, Mg, or Mn; x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3( ومن ثم قمنا بدراسة التركيب السطحي والهيكلي للمركبات الكهرومغناطيسية من خلال عدة طرق للتحليل تشمل: جهاز الأشعة السنية XRD، والمجهر الإلكتروني الماسح SEM، والمجهر الإلكتروني النفاذ TEM، ومطيافية تشتت الطاقة بالأشعة السينية EDS. حيث أظهرت جميع النتائج تكون المركبات الكهرومغناطيسية بنجاح على نحو نواة مغناطيسية مغطاة بالمادة الكهربية وهي ما يعرف بهيكلة (core-shell) دون وجود أي مركبات جانية تؤثر على نقاوة المادة المصنعة. وفيما يتعلق بجانب التطبيقات الطبية الحيوية، تم استخدام نوعين من خطوط الخلايا أحدهما خلايا سرطان القولون البشرية (HCT-116) والأخرى خلايا الكلى الجنينية البشرية (HEK-293) حيث قمنا بإجراء اختبار (MTT) لفحص نشاط الخلية الاستقلابي إضافة إلى الكشف عن أنوية الخلايا بواسطة صبغة الحمض النووي (DAPI). أظهرت نتائج الدراسة الحيوية أن معالجة الخلايا بالأنوية المغناطيسية كان لها أثراَ واضحاً في ارتفاع مستوى سمية الخلية إضافة إلى التكثف النووي وتفكك غشاء الخلية ومن ثم موتها. في حين أن استخدام المركبات الكهرومغناطيسية المغطاة بمادة تيتانيت الباريوم المتوافقة حيوياً خفف من حدة سمية الخلية إلى مستويات قد تكون معدومة لاسيما في التركيز المنخفض أي ما يعادل 33 ميكروجرام / 0.1 مل. وخلاصة القول تشير حصيلة النتائج المذكورة إلى نجاح الطرق المستخدمة في تحضير المركبات الكهرومغناطيسية إضافة إلى مستوى الأمان الحيوي مما يؤهلها إلى أن تشكل إسهامات واعدة في جانب التطبيقات الطبية الحيوية وعلاج الأورام على سبيل التحديد.
تعد مركبات النانو ذات القابلية الكهرومغناطيسية جيلاً جديداً من المواد ذات الوظائف المتعددة حيث تمتلك خصائص فريدة أكسبتها قابلية كبيرة لاستخدامها في مختلف التطبيقات وشتى المجالات. نشأت هذه المركبات بالاعتماد على دمج المواد المغناطيسية مع المواد الكهربية وبالتالي نتج عنها تحول بين الخصائص الكهربية والمغناطيسية إما بطريقة مباشرة أو غير مباشرة. تعد طريقة دمج المواد المغناطيسية مع الكهربية عاملاً مهماً في تصنيع المركبات الكهرومغناطيسية حيث تلعب دوراً هاماً في تشكيل تركيب المادة مما يترتب عليه مدى قوة خصائصها الكهرومغناطيسية. بناءً على ما ذكر، قمنا في هذه الرسالة العلمية بتصنيع مركبات كهرومغناطيسية تتكون نواتها من عدة مركبات مغناطيسية لينة تم تصنيعها عن طريق الموجات الفوق صوتية على النحو التالي: Co0.8Mn0.2R0.02Fe1.8O4, Ni0.5Zn0.5R0.02Fe1.8O4, Co0.5A0.5Fe1.8O4, XFe1.8O4, Zn1-2xCaxMgxFe1.8O4 (R = Ce , Eu , Tb ,Tm, or Gd ; A=Ni, Cu, Mg, Zn, or Mn ; X= Co, Ni , Zn , Cu, Mg , or Mn ; x = 0.05 , 0.1 , 0.15 , 0.2 , 0.25 , 0.3) ويرمز للمركبات المغناطيسية المذكورة بالصيغ الكيميائية التالية: ) CoMnRFe, NiZnRFe, CoAFe XFe1.8O4 , and ZnCaMgFe ). بعد ذلك قمنا بتغليف الأنوية المصنعة بمادة تيتانيت الباريوم الكهربية (BaTiO3) ويشار لها بالرمز التالي (BTO) من خلال تقنية sol-gel لتكوين عدة مركبات كهرومغناطيسية: CoMnRFe@BTO, NiZnRFe@BTO, CoAFe@BTO, XFe1.8O4@BTO, and ZnCaMgFe@BTO (R = Ce, Eu, Tb, Tm, or Gd; A=Ni, Cu, Mg, Zn, or Mn; X= Co, Ni, Zn, Cu, Mg, or Mn; x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3( ومن ثم قمنا بدراسة التركيب السطحي والهيكلي للمركبات الكهرومغناطيسية من خلال عدة طرق للتحليل تشمل: جهاز الأشعة السنية XRD، والمجهر الإلكتروني الماسح SEM، والمجهر الإلكتروني النفاذ TEM، ومطيافية تشتت الطاقة بالأشعة السينية EDS. حيث أظهرت جميع النتائج تكون المركبات الكهرومغناطيسية بنجاح على نحو نواة مغناطيسية مغطاة بالمادة الكهربية وهي ما يعرف بهيكلة (core-shell) دون وجود أي مركبات جانية تؤثر على نقاوة المادة المصنعة. وفيما يتعلق بجانب التطبيقات الطبية الحيوية، تم استخدام نوعين من خطوط الخلايا أحدهما خلايا سرطان القولون البشرية (HCT-116) والأخرى خلايا الكلى الجنينية البشرية (HEK-293) حيث قمنا بإجراء اختبار (MTT) لفحص نشاط الخلية الاستقلابي إضافة إلى الكشف عن أنوية الخلايا بواسطة صبغة الحمض النووي (DAPI). أظهرت نتائج الدراسة الحيوية أن معالجة الخلايا بالأنوية المغناطيسية كان لها أثراَ واضحاً في ارتفاع مستوى سمية الخلية إضافة إلى التكثف النووي وتفكك غشاء الخلية ومن ثم موتها. في حين أن استخدام المركبات الكهرومغناطيسية المغطاة بمادة تيتانيت الباريوم المتوافقة حيوياً خفف من حدة سمية الخلية إلى مستويات قد تكون معدومة لاسيما في التركيز المنخفض أي ما يعادل 33 ميكروجرام / 0.1 مل. وخلاصة القول تشير حصيلة النتائج المذكورة إلى نجاح الطرق المستخدمة في تحضير المركبات الكهرومغناطيسية إضافة إلى مستوى الأمان الحيوي مما يؤهلها إلى أن تشكل إسهامات واعدة في جانب التطبيقات الطبية الحيوية وعلاج الأورام على سبيل التحديد.
Description
Keywords
Nanomedicine, Entrepreneurship, anti-cancer