Nanostructure effects on the magnetic properties of magnetite nanoparticles from synthesis to applications in biomedicine

Abstract

This work is devoted to the understanding of the structural parameters that determine the magnetic response of magnetic iron oxide nanoparticles. Key aspects of chemical synthesis and processing are identified, which lead to the obtention of magnetite nanoparticles of bulk-like magnetic properties and their use for the improvement of biomedical applications. Studies are presented that relate chemical synthesis to crystallographic, electronic structure, and chemical characteristics and their influence on the observation of bulk-like magnetization in nanoparticles synthesized by thermal decomposition of organometallic precursors. The effect that surface modification -required for biocompatibility- has on the magnetic behaviour of the particle system is described in the case of organic and inorganic coating. The use of high magnetization iron oxide nanoparticles for improved biodistribution studies is presented, and nanostructure design for the improvement of magnetic resonance imaging contrast agents is investigated evaluating the effects of magnetite nanoparticle composites on the nuclear magnetic resonance relaxativity of water protons in in vitro experiments.

Este trabajo está dedicado a entender los parámetros estructurales que determinan la respuesta magnética de nanopartículas magnéticas de óxido de hierro. Se identifica aspectos clave de la síntesis química y procesado que conducen a la obtención de nanopartículas de magnetita con propiedades magnéticas de material masivo, y para el uso de estas partículas en la mejora de aplicaciones biomédicas. Se presenta estudios que relacionan la síntesis química con estructura cristalográfica, estructura electrónica y características químicas. Así mismo se estudia la influencia de todas estas características en la observación de imanación de material masivo en nanopartículas sintetizadas por descomposición térmica de precursores organometálicos. El efecto que tiene la modificación superficilal -necesaria para biocompatibilidad- en el comportamiento magnético del sistema de partículas se describe en los casos de recubrimiento bien orgánico o inorgánico. También se presenta el uso de nanopartículas de óxido de hierro de alta imanación en estudios mejorados de biodistribución. Finalmente, con objeto de mejorar los agentres de contraste en imagen por resonancia magnética, se investiga el diseño de la nanoestructura de composites de nanopartículas de magnetita, evaluando el efecto que causan sobre la relajatividad de resonancia magnética nuclear de protones del agua en experimentos in vitro.