SUPERVISOR
تقی خیامیان (استاد راهنما) محمد دیناری (استاد مشاور) بهزاد رضائی (استاد راهنما) محمد رمضانی (استاد مشاور)
STUDENT
Marziyeh Poshtehshirani
مرضیه پشته شیرانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
TITLE
Development of porous silica nanoparticles coated on carbon dots and their use in drug delivery Etoposide, Palladium complex and optical sensors Acetamiprid and Indoxacarb
In this thesis, silica nanoparticles coated on different carbon dots, have been used for the delivery of anticancer drugs, as well as the optical sensor for determination pesticides. In the first study, a new strategy is reported for the synthesis of a label-free fluorescent mesoporous silica (MS) by the introduction of fluorescent carbon dots in the MSs (MSCDs) in this work. Etoposide (ETO) loaded MSCDs have been used as a drug model. Carboxymethyl ?-cyclodextrin (C?CD) used as a gatekeeper agent was attached to amine-functionalized MSCDs to retain ETO molecules inside the nanocarrier. In order to target the nanocarrier to the site of action, folic acid (FA) was grafted onto the MSCDs surface (FA-C?CD-MSCDs). The in vitro release of an entrapped ETO from the formulation in phosphate buffered saline () (pH 7.4) and citrate buffer (pH 5.4) was investigated. At neutral pH in , the pores are blocked by C?CD which prevent premature ETO release. However, under the weakly acidic intercellular environment of the tumor, the amide bond can be hydrolyzed, consequently leading to the ETO release from the nanocarrier. The targeted and ETO-loaded FA-C?CD-MSCDs showed a higher growth inhibition towards FA-positive HeLa cells compared with FA-negative HepG2 cells, as demonstrated by comparison of in vitro cytotoxicity experiments. In addition, the CDs emission was used for the fluorescent microscopic imaging. In the second study, to confirm anti-cancer activity of the palladium complex, the interaction between palladium complex and G-quadruplex DNA were investigated with multi-spectroscopic methods and molecular modeling. New folic acid-conjugated mesoporous silica nanoparticles were synthesized. The effect of calcination at 400?C on the fluorescence characteristics of mesoporous silica nanoparticles has been studied in this work. The formed carbon dots (CDs) from calcination used as the source of fluorescence. 3-Aminopropyltriethoxysilane has then been used as the amine in the surface fluorescence of mesoporous silica nanoparticles. The amine fluorescence mesoporous silica nanoparticles (amine-FM) have been coupled with folic acid (FA) as the target ligand (FA-amine-FM). A palladium complex has also been synthesized and encapsulated in the FA-amine-FM yielded fluorescent property with therapeutic effect. The in vitro release of an entrapped palladium complex from FA-amine-FM was studied under physiological conditions. According to the cell viability assay against HeLa (positive FR) and Hep-G2 (negative FR) cells, the targeted delivery system inhibited the growth of positive FR with higher selectivity compared with negative FR. Also, the emission CDs were used for fluorescence microscopic imaging. In the third study, a molecularly imprinted polymer (MIP) on silane-doped carbon dots (Si-CDs) has been synthesized as a novel optical sensor for selective detection of acetamiprid (ACT). Highly fluorescence Si-CDs have been first prepared by hydrothermal method. Subsequently, MIP has been formed on the surface of Si-CDs ( MIP@Si-CDs ) by a sol-gel process. Various parameters, which affect the optical signal, have been optimized. The fluorescence signal of MIP@Si-CDs showed linear response with ACT concentration in the 7.0-107 nM range with a detection limit of 2.0 nM. In addition, the sensor has been satisfactorily utilized for the detection of ACT content in real samples. In the fourth study, a novel optical sensor has been developed for indoxacarb (IXC) based on environmentally friendly molecularly imprinted polymer (MIP) coated on silica-carbon quantum dots (SiCQDs). Hydrothermal method was first used to prepare highly fluorescence SiCQDs on the surface of which MIP was subsequently formed ( MIP@SiCQDs ) by sol-gel method. A synergetic combination of unique characteristics of SiCQDs and the excellent selectivity of MIP was shown by the MIP@SiCQDs nanocomposites. Various parameters, which affect the optical signal, have also been optimized. A reasonable linear relationship between the fluorescence quenching effect and increased IXC concentration was found within the range of 4.0-102 nM, with a 1.0 nM detection limit and precisions of 4.5 and 2.3% for four replicate detections of 21 and 60 nM IXC, respectively, under optimal conditions. The applicability of the developed sensor for IXC detection in real samples was further verified. Good recoveries in the 95-106% range with a relative standard deviation of 6.0% were found. A fast, environmentally friendly fluorescent nanosensor detection technique using MIP@SiCQDs for successful analysis of IXC in real samples is reported in this work.
در این رساله، از نانو ذرات سیلیکا که روی نقاط کربنی مختلف پوشش داده شد برای دارورسانی داروهای ضدسرطان و همچنین به عنوان حسگر نوری برای اندازهگیری حشرهکشها استفاده شده است. در اولین کار پژوهشی، از یک نانو سامانه هوشمند از نانو ذرات سیلیکا که روی نقاط کربنی پوشش داده شده ساخته شد برای بارگذاری دارو اتوپوزید مورد استفاده قرار گرفت. از کربوکسی متیل بتا سیکلودکسترین به عنوان درپوش استفاده شد، که به سطح نانو ذرات سیلیکا نقاط کربنی-آمیندار (amine MSCDs) متصل شد تا مانع نشت زودتر از موعد اتوپوزید شود. در این نانو سامانه هوشمند فولیک اسید به عنوان لیگاند هدف به نانو ذرات سیلیکا نقاط کربنی - کربوکسی متیل بتا سیکلودکسترین (C?CD-MSCDs) متصل شد. رهایش دارو اتوپوزید از نانو ذرات سیلیکا نقاط کربنی - کربوکسی متیل بتا سیکلودکسترین-فولیک اسید (FA- C?CD-MSCDs) در بافر فسفات (4/7=pH) و بافر سیترات (4/5=pH) مطالعه شد. نتایج نشان داد که در 4/7=pH ، C?CD حفرات روی سطح نانو ذرات بسته و مانع از نشت دارو شده است، در حالیکه در pH اسیدی پیوند آمیدی بین C?CD و MSCDs هیدرولیز شده و باعث نشت دارو شده است. نانو ذرات هدفمند FA- C?CD-MSCDs رشد سلولهای سرطانی در رده سلولی HeLa (دارای گیرنده فولات) بیشتر از سلولهای سرطانی در رده سلولی Hep-G2 (فاقد گیرنده فولات) مهار کرده است. همچنین نتایج میکروسکوپ فلوئورسانت نشان دادند که رشد سلولهای سرطانی در رده سلولی HeLa نسبت به Hep-G2 بیشتر مهار شده است. در نهایت برهمکنش بین دو مولکول اتوپوزید و آنزیم توپوایزومراز II به وسیله داکینگ مولکولی و شبیهسازی دینامیک مولکولی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج داکینگ مولکولی نشان داد دو مولکول اتوپوزید با ثابت پیوند M -1 10 10 ×08/3 با آنزیم برهمکنش میکند. نتایج شبیهسازی دینامیک مولکولی نشان دادند که برهمکنش دو مولکول اتوپوزید با آنزیم از نوع هیدروفوب است. در دومین کار پژوهشی، ابتدا خاصیت ضد سرطانی کمپلکس پالادیوم با برهمکنش آن با DNA چهارگانه با استفاده از روشهای مختلفی از جمله تیتراسیون جذبی، طیفسنجی دو رنگ نمایی دورانی، روبش دمایی و داکینگ مولکولی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج داکینگ مولکولی نشان دادند کمپلکس فلزی از طریق اینترکلیت جزئی و با ثابت پیوند M -1 10 5 ×27/4 با DNA چهارگانه برهمکنش دارد. سپس نانو ذرات سیلیکا سنتزشدند که در اثر کلسینه شدن در دمای 400 درجه سانتیگراد خاصیت فلوئورسانس از خود نشان دادند، نقاط کربنی که در اثر کلسینه کردن تولید شدند به عنوان منبع فلوئورسانس نانو ذرات سیلیکا بکار گرفته شدند. سطح نانو ذرات فلوئوفور سیلیکا با استفاده از 3-آمینوپروپیل تری اتوکسی سیلان آمیندار شد. سپس نانو ذرات فلوئوفور سیلیکا -آمیندار به فولیک اسید به عنوان لیگاند هدف متصل شدند. کمپلکس پالادیوم در نانو ذرات فلوئوفور سیلیکا -آمیندار-فولیک اسید بارگذاری شد و اثرات درمانی و تصویربرداری همزمان مطالعه شد. رهایش کمپلکس فلزی از نانو ذرات فلوئوفور سیلیکا -آمیندار-فولیک اسید در شرایط برونتنی 4/7=pH بررسی شد. آزمون رنگسنجی MTT روی دو رده سلولی HeLa (دارای گیرنده فولات) و Hep-G2 (فاقد گیرنده فولات) انجام شد و نتایج نشان دادند که نانو ذرات فلوئوفور سیلیکا -آمیندار-فولیک اسید هدفمند بهخوبی رشد سلولهای سرطانی در رده سلولی HeLa که دارای گیرنده فولات بود را مهار کرده است. همچنین نتایج میکروسکوپ فلوئورسانت تایید نمودند که کمپلکس پالادیوم رشد سلولهای سرطانی HeLa نسبت به Hep-G2 بیشتر متوقف کرده است. در سومین کار پژوهشی، از یک حسگر نوری حساس با استفاده از پلیمر قالبگیری شده روی نقاط کربنی برای اندارهگیری استامیپراید استفاده شد. ابتدا نقاط کربنی با روش هیدروترمال سنتز شدند. سپس پلیمر قالب مولکولی روی سطح نقاط کربنی با روش سل-ژل ساخته شد. ویژگیهای ساختاری نقاط کربنی و نانو ساختار MIP@Si-CDs با استفاده از روشهای مختلف از جمله طیفسنجی جذبی، طیفسنجی فلوئورسانس، طیفسنجی مادون قرمز، پراکندگی دینامیکی نور و الگو پراش اشعه ایکس شناسایی شدند. پارامترهای موثر بر پاسخ حسگر بهینه شدند. محدوده خطی با استفاده از این حسگر نوری nM 107- 0/7 و حدتشخیص nM 0/2 محاسبه شد. نانو ساختار تهیه شده برای اندازهگیری استامیپراید در نمونههای حقیقی (فاضلاب و آب سیب) مورد استفاده قرار گرفت. در چهارمین کار پژوهشی، یک حسگر نوری گزینشپذیر و سازگار با محیط زیست با استفاده پلیمر قالب مولکولی روی سطح نقاط کربنی برای اندازهگیری ایندوکساکارب ساخته شد. ابتدا نقاط کربنی به وسیله روش هیدروترمال تهیه شدند و سپس پلیمر قالب مولکولی با استفاده از روش سل-ژل روی سطح نقاط کربنی قرار گرفت. نانو ساختار MIP@SiCQDs هم ویژگیهای بینظیر نقاط کربنی و هم انتخابپذیری بالا پلیمر قالب مولکولی را دارا است. پارامترهای موثر بر پاسخ حسگر بهینه شدند. با افزایش ایندوکساکارب فلوئورسانس نانو ساختار MIP@SiCQDs کاهش مییابد. محدوده خطی روش nM 102- 0/4 و حد تشخیص روش nM 0/1 بهدست آمد. درصد انحراف استاندارد نسبی برای دو غلظت 21 و 60 نانومول بر لیتر با سه بار تکرار به ترتیب 5/4% و 3/2% محاسبه شد. نانو ساختار تهیه شده برای اندازهگیری ایندوکساکارب در نمونههای حقیقی با درصد بازیابی 106-95% و انحراف استاندارد نسبی کمتر از 6% مورد استفاده قرار گرفت. از جمله مزایای این نانو حسگر نوری میتوان به سادگی، سریع، گزینشپذیر و زیست سازگاری نام برد.