Magneto-plasmonic nanostructures based on laser ablated nanoparticles of Au and FeOx for nanomedicine applications

In the last years, gold and iron oxide nanoparticles have received an increasing interest in nanomedicine and biotechnology thanks to their properties. Gold nanoparticles (AuNPs) are biocompatible and possess useful optical properties that make them a powerful imaging tool using, for example, SERS spectroscopy. On the other hand, iron oxide nanoparticles (FeOxNPs, in particular those made of magnetite) are interesting because of their magnetic properties. Combining gold and iron oxide nanoparticles in a unique system, one obtains a magneto-plasmonic material in which the characteristics properties of the two nanoparticles are present. The use of magneto-plasmonic nanostructured materials in nanomedicine is a quite young research topic and one of the reasons is the elaborated synthesis often required. Several passages are needed also for the purification of these nanosystem from chemicals used during synthesis, which is a crucial point when the final application is in nanomedicine or nanobiology. In this work we will show the synthesis of two magneto-plasmonic systems made of gold and iron oxide nanoparticles. AuNPs and FeOxNPs are synthetized with the laser ablation synthesis in solution (LASiS) method. LASiS is a green chemistry method, which allows to obtain chemical-free and stable nanoparticles in water solution. With LASiS, purification passages are unnecessary or reduced to a minimum and no chemicals that could interfere in biological environment are present. In chapter 2 it will be reported the synthesis of gold and iron oxide nanoclusters (AuFeOxNC) in which the aggregation between particles is performed without the use of chemicals, but exploiting the surface charges of nanoparticles. The use of such nanoclusters in cells guiding and sorting and imaging will be also shown. In chapter 3, the synthesis of another magneto-plasmonic system in which AuNPs and FeOxNPs are arranged in a core-shell-satellite structure, is reported. Also in this case, purification passages are reduced thanks to the laser ablation synthesis. This system is conjugated with an antibody and shows high performance in immunomagnetic sorting and photothermal treatment of cancer cells. The arguments developed in the thesis are introduced in the first chapter.

Negli ultimi anni, nanoparticelle di oro e ossido di ferro hanno ricevuto un interesse crescente in campi come la nanomedicina e la biotecnologia grazie alle loro proprietà. Le nanoparticelle di oro (AuNPs) sono biocompatibili e possiedono utili proprietà ottiche che le rendono un potente strumento di imaging usando, per esempio, la spettroscopia SERS.Le nanoparticelle di ossido di ferro (FeOxNP, in particolare quelle di magnetite) sono interessanti a causa delle loro proprietà magnetiche. Combinando i due tipi di particelle in un unico sistema si ottiene un materiale magneto-plasmonico, nel quale si manifestano le proprietà di entrambe le nanoparticelle. L'uso di materiali magneto-plasmonici in nanomedicina è un campo di ricerca abbastanza giovane e uno dei motivi è la sintesi elaborata che spesso questi materiali richiedono. Durante la sintesi sono necessari diversi passaggi di purificazione dalle sostanze chimiche impiegate, passaggi che sono fondamentali quando l'applicazione finale è la nanomedicina o la nanobiologia.In questa tesi mostreremo la sintesi di due sistemi magneto-plasmonici composti da nanoparticelle di oro e ossido di ferro. AuNPs e FeOxNPs sono sintetizzate con il metodo dell'ablazione laser in soluzione (LASiS). Con l'ablazione laser i passaggi di purificazione non sono necessari e non sono presenti sostanze chimiche che possono interferire in ambiente biologico. Nel capitolo due della tesi mostreremo la sintesi di nanocluster di nanoparticelle di oro e ossido di ferro nei quali i due tipi di particelle sono aggregate senza l'utilizzo di sostanze chimiche. Questi nanocluster saranno utilizzati per guidare magneticamente cellule in soluzione, per la selezione di cellule e imaging. Nel capitolo tre viene riportata la sintesi di un altro sistema magneto-plasmonico in cui AuNPs e FeOxNPs sono arrangiate in una struttura di tipo core-shell-satellite. Anche in questo caso i passaggi di purificazione sono ridotti grazie all'utilizzo dell'ablazione laser. Questo sistema viene poi completato coniugando un anticorpo e mostra ottime performance nella selezione immunomagnetica e nel trattamento fototermico di cellule cancerose. Gli argomenti trattati nella tesi sono introdotti nel primo capitolo.