Hyperthermie und Bildgebung von hybriden Polymerfasern und Stents mit inkorporierten magnetischen Nanopartikeln für den medizinischen Einsatz

• Hyperthermia and imaging of hybrid polymer fibers and stents with incorporated magnetic nanoparticles for medical applications

Mues, Benedikt; Fitter, Jörg (Thesis advisor); Slabu, Ioana (Thesis advisor)

1. Auflage. - Göttingen : Cuvillier Verlag (2022)
Buch, Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Magnetische Nanopartikel (MNP) werden als Additive in Polymeren bei der Entwicklung von Hybridstents eingesetzt, um eine lokale Hyperthermie-Behandlung, z.B. bei Hohlorgan-Tumoren, zu ermöglichen. Durch Anregung in einem magnetischen Wechselfeld (AMF) kann eine kontrollierte Temperaturerhöhung im Bereich von (42-46) °C erzielt und damit das Tumorgewebe in unmittelbarer Nähe des Stents zerstört werden. Zusätzlich können die MNP auch als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomografie (MRT) oder als Tracer in der Magnetpartikel-Bildgebung (MPI) eingesetzt werden, was die postoperative Visualisierung des implantierten Stents und somit eine Überwachung seiner Funktion ermöglicht. Bei der Herstellung der Hybridstents werden die MNP in eine Polymer-Matrix eingebettet. Durch Immobilisierung und auftretende Agglomeration der MNP wird eine signifikante Änderung ihrer Eigenschaften, insbesondere ihrer magnetischen Relaxationseigenschaften, verglichen mit denen frei dispergierter MNP, erwartet. Da Néel’sche und Brown’sche Relaxationen die Leistung der MNP in magnetischer Hyperthermie und Bildgebung beeinflussen, ist es notwendig, die durch die Einbettung der MNP in das Polymer hervorgerufenen Eigenschaftsänderungen zu quantifizieren. In dieser Arbeit wird der Einfluss der MNP-Polymer-Matrix-Wechselwirkung auf die Eigenschaften der eingebetteten MNP untersucht und die Eignung der Hybridstents in Hyperthermie und medizinischer Bildgebung durch experimentelle Studien beurteilt. Dazu werden Hybridstents aus schmelzgesponnenen Polypropylen-Fasern (Hybridfasern) hergestellt, in die unterschiedliche MNP-Sorten (mit Kerndurchmessern von 10 nm, 100 nm und 400 nm) mit verschiedenen MNP-Konzentrationen von bis zu 12 %(m/m) eingebettet sind. Die physikochemischen Eigenschaften, wie die Verteilung und der Agglomerationszustand der MNP, sowie ihr statisches und dynamisches magnetisches Verhalten werden mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Supraleitende Quanteninterferenzeinheit (SQUID)-Magnetometrie und Magnetpartikel-Spektroskopie (MPS) erfasst. Kalorimetrische Messungen sowie Untersuchungen in MRT und MPI geben Aufschluss über Aufheizleistung und Qualität der Bildgebung von Hybridstents. Im Vergleich zu den frei dispergierten MNP liegen alle eingebetteten MNP agglomeriert in der Polymer-Matrix vor und zeigen durch magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkungen höhere Anisotropieenergien und kleinere Magnetisierungswerte. Weiterhin führt die Einbettung der MNP in das Polymer zu einer Abnahme der Aufheizleistung von bis zu 80% für Brown-dominierte MNP (400 nm) und 40% für Néel-dominierte MNP (10 nm) bei gleichen AMF-Parametern (270 kHz, 20 kA/m). Die Ergebnisse demonstrieren die Abhängigkeit der Aufheizleistung und der Sättigungstemperatur von den gewählten AMF-Parametern (Frequenz, Amplitude), der MNP-Konzentration und der MNP-Sorte. Die MPI-Messungen zeigen hochauflösende Bilder für alle Hybridfasern, auch für solche mit hoher MNP-Konzentration, jedoch gelingt die Darstellung komplexer Faser-Strukturen, wie die der Hybridstents, nicht. Die MRT-Messungen liefern akkurate Bilder der Hybridstents, insbesondere bei niedrigen MNP-Konzentrationen. Für zukünftige klinische Anwendungen der Hybridstents muss die Aufheizleistung in bereits verfügbaren Hyperthermie-Applikatoren getestet und die Wirksamkeit der Hyperthermie in in-vitro und in in-vivo-Versuchen validiert werden.