nanobiomedical centre adam mickiewicz …nanobiomedical centre adam mickiewicz university, poznań a...
TRANSCRIPT
NanoBioMedical Centre Adam Mickiewicz University
Poznan, Poland
Stefan Jurga
Novosibirsk, November 27, 2012 Novosibirsk Akademgorodok
Poznań
Location
Berlin
R
Slovenia
Russia
St Petersburg
Poznań „the city of two fighting goats”)
Poznan University of Technology
Poznan University of Medical Sciences
Poznan University of Life Sciences
Adam Mickiewicz University
NanoBioMedical Center
NanoBioMedical Center
NanoBioMedical Centre
Adam Mickiewicz University, Poznań
A multidisciplinary unit focused on the high quality research and education on doctoral and master
level in
nanoscience and nanotechnology
with a focus on possible applications
to biology and nanomedicine
NanoBioMedical Center
The project of about 36 M Euro
• Building – 2600 m2 – 5.5 M Euro
• Equipment – 25.0 M Euro
• 30 PhD students in nanoscience – 2.5 M Euro • 60 Master students - 1.0 M Euro
•15 Research Staff Support – 2.0 M Euro
FP7 - ESMI (Juelich), 18 European partners FP7 - IRSES (NANOMAG) – Demokritos
EDUCATION BASED RESEACH
• PhD studies (30 students) Interdisciplinary doctoral studies in the area of nanoscience and
nanotechnology, including 4 years compulsory 1 year abroad in partner institution
• Master studies (60 students) a) Biophysics (spec: nano-bio-medicine): 2 years b) Bio-Nano-Materials: 2 years • E-learning in the nanoscience – ICT (laboratory trainings,
courses, demonstrations)
• Individual PhD and MSc projects from faculties of AMU and partner institutions
Nanomaterials, nanostructures, nanocomposites
Cell manipulation
Biosensors
Tissue engineering
Neuroscienc
e
Detection, therapy
Research areas of NanoBioMedical Center
Electronics,spintronics
1. Macromolecular nanotransporters, nanocomposites
2. NPs for nano-diagnosis and targeted drug delivery
3. Metalic nanoparticles - magnetic and electronic properties
4. Carbon nanostructures – physical propertis
5. Free radicals for nanodetection
6. Multiferroic nanostructures
7. Nanopores, confinement & phase transitions
8. Polymeric self-assembly systems
9. New nanoparticles for MRI contrast agents
10. Nanomaterials & nanosystems for tissue engineering (hydrogels)
Ligand
Receptor Target cell
Drug
NP
• Microscopy HR TEM 200kV cryo-TEM, 120 kV FIB, STM UHV, Cryo-SEM AFM/Raman, AFM/SNOM AFM for biology and material studies
•Manufacture of Nanostructures mikrotoms, cryo-plunge, epitaxy, ovens for NT growth, evaporators
Research facilities
(1)
• Optical Spectroscopy Scanning Confocal Microscopies,with FCS –Fluorescence Correlation Spectroscopy (Olympus & Zeiss) Fast Multibeam Scan. Confocal Microscopy with STED, Leica
• NMR Spectroscopy 800 MHz narrow bore for biological 600 MHz wide bore for diffusion and microimaging 400 MHz wide bore • Magnetometry SQUID, 7 Ts (Quantum Design)
• Medical Imaging Animal MRI 9.4 T ESR imaging, L band Optical Tomography (2)
Research facilities
Research facilities
• Biological Surface Plasmon Resonance Biosensor, In Cell Analyzer, Fluorescence Microscopy for Immunolocalization, Fluorescence Activated Cell Sorter, Polymerase Chain Reaction in real time • Chemical UV-VIS-NIR XRD – powder, SAXS and WAXS for thin films Dielectric Spectroscopy – high pressure Viscosimeters (3)
Vision- and Neuroscience Fundus camera,TMS+EEG, neuronavigation) Student’s Optometric laboratory
Cleanrooms (1000, 1000, 100) Atomic Layer Deposition Reactive Ion Etching Chemical Vapour Deposition Photolithography Molecular Beam Epitaxy
(4)
Research facilities
Partners • Freie Universität Berlin, Germany • Research Center Jülich, Germany
• Max-Planck-Institute for Molecular Biology, Berlin • Carnegie Melon University, USA • New York State University, USA
• University of Cambridge, UK • University of London, UK
• University of Tsukuba, Japan • Korea Basic Science Institute, South Korea
• University of Ljubljana, Sl • NRC Demokritos, Greece
• FORTH, Heraklion, Greece • University of Florence, Italy • University of Trieste, Italy • University of Nancy, France • University of Lyon, France • Polish Academy of Sciences
Laboratorium Spektroskopii NMR i Obrazowania
800 MHz
400 MHz
9.4 T
Struktura biochemiczna substancji
Dyfuzja i mikroobrazowanie z wysoką zdolnością rozdzielczą
Rutynowe badania cieczy i ciała stałego
Mikroobrazowanie małych zwierząt
Laboratorium Mikroskopii
Obrazowanie na poziomie sub-angstremowym i analiza chemiczna
Badania układów biologicznych i polimerowych w niskich temperaturach
Wysokorozdzielczy transmisyjny mikroskop elektronowy HRTEM 200 kV
Transmisyjny mikroskop elektronowy TEM 120 kV
Badania morfologii ciała stałego i materii miękkiej
Skaningowy mikroskop elektronowy SEM/CryoSEM
Focused Ion Beam FIB
Laboratorium Mikroskopii
Mikroskop sił atomowych AFM
Badania topografii, własności magnetycznych i przewodności powierzchni
Spektrometr Ramana z odwróconym mikroskopem optycznym zintegrowany z
mikroskopem sił atomowych AFM
Analiza składu chemicznego i badania topografii w ciele stałym, cieczach i układach biologicznych
Laboratorium Spektroskopii Optycznej
Skaningowy mikroskop konfokalny
Analiza optyczna i interakcji fotonicznych nanomateriałów i materiałów biologicznych
Mikroskop konfokalny ze stymulowanym wygaszaniem
emisji STED
Badania dynamiki w małych objętościach i obrazowanie układów biologicznych ze zdolnością rozdzielczą 50 nm
Laboratorium Chemiczne
Spektrometr UV-VIS-NIR
Badania fizycznych i chemicznych właściwości nanocząstek i nanostruktur
Różnicowy Kalorymetr Skaningowy DSC
Laboratorium Biologiczne
Badania procesów nanobiologicznych oraz monitoring terapii farmaceutycznych na poziomie komórkowym. Analiza i obrazowanie procesów zachodzących w komórkach
„In Cell Analyzer”
Mikroskop fluorescencyjny
Laboratorium Medyczne
Spektrometr EPR
Badania obejmujące zagadnienia inżynierii tkankowej, leczenia chorób i ich detekcji
Laboratorium Nanostruktur i Cleanroom
Projektowanie, wytwarzanie i charakterystyka układów w mikro i nanoskali
Reaktywne trawienie jonowe RIE
Osadzanie warstw atomowych ALD
Osadzanie warstw z fazy gazowej CVD
Fotolitografia
Laboratorium Neuronauki i Widzenia
Przezczaszkowy Stymulator Magnetyczny TMS
Badania w dziedzinie neurologii i psychofizjologii, załamania i widzenia obuocznego, etiologii chorób oczu i kontaktologii, właściwości optycznych materiałów do diagnozowania chorób oczu i tworzenia protez ocznych
Koherentna spektralna tomografia optyczna SOCT
Funduskamera
Molekularny Tomograf Fluorescencyjny FMT
FMT to nieinwazyjna metoda obrazowania „in vivo” szeroko stosowana w onkologii, chorobach płuc, układu krążenia, stanach zapalnych oraz chorobach Układu kostnego
FMT pozwala: • Monitorować i określać ilościowo elementy biologiczne oraz zachodzące w organizmie procesy (również w otoczeniu fizjologicznie związanym) • głębiej zrozumieć mechanizm powstawania chorób, ich postęp oraz odpowiedzi organizmu na stosowane metody terapeutyczne • interpretować dane kliniczne w oparciu o dane ze studyjnego modelu choroby
Dzięki wykorzystaniu odczynników fluorescencyjnych można ponadto: • mierzyć, monitorować oraz analizować ilościowo aktywność biologiczną żywego organizmu • zredukować liczbę zwierząt niezbędnych do wykonania założonych prac badawczych • uzyskać nowe, unikalne informacje dotyczące biologii choroby oraz mechanizmów działania leków
Molekularny Tomograf Fluorescencyjny FMT 1500
Mikroskop Fluorescencyjny z oprogramowaniem do FISH i kariotypowania i immunolokalizacji
Służy do badania materiału biologicznego - komórek i tkanek w oparciu o zjawisko fluorescencji i fosforescencji. Stosuje się znakowanie fluorescencyjne sond rozpoznających fragmenty DNA lub białek. W badaniach molekularnych stosuje się do znakowania sond wykorzystywanych we fluorescencyjnej hybrydyzacji in situ (FISH) do mapowania transgenu w komórkach, lokalizacji genu, transkryptu lub białka w komórce, określania prawidłowści kariotypu komórek.
Mikroskop fluorescencyjny Axio Imager M2
Biosensor - Oparty na zjawisku optycznym powierzchniowego rezonansu plazmonowego SPR
Do badania oddziaływań między cząsteczkami z wykorzystaniem sensora opartego na zjawisku optycznym powierzchniowego rezonansu plazmonowego (ang. surface plasmon resonanse, SPR). Biosensory umożliwiają ilościowe pomiary oddziaływań między jedną lub większą liczbą cząstek w zależności od związanej cząstki docelowej na powierzchni sensora. Cząstki, z którymi będzie się wiązać mogą być pobierane z nieoczyszczonej mieszaniny, która przepływa przez sensor. Pomiarom mogą podlegać różne oddziaływania między białkami, kwasami nukleinowymi, lipidami, cukrowcami a nawet całymi komórkami.
Biacore X100
Selected research projects
•Star polymers – crystalline/amorphic
•Nanocomposites – clay/polymers
•Gold nanoparticles/Ionic Liquids
Questions
1. Phase structure: crystalline/ amorphous; stability/solubility (XRD, AFM, NMR)
2. Molecular mobility: key point – for stability (NMR & BDS)
3. Crystallization kinetics: nucleation and growth in glassy state (POM, FTIR, DSC) 4. Amphiphilicty: hydrophobic/hydrophilic nature of the nanocarrier (~40% of drugs – hydrophobic)
Polymeric nanostructures
Mahmoud Elsabahy, Karen L. Wooley,JOURNAL OF POLYMER SCIENCE PART A: POLYMER CHEMISTRY 2012, 50, 1869–1880
Haifeng Gao, and Krzysztof Matyjaszewski; Macromolecules 2008, 41, 4250-4257 ATRP
Miktoarm star polymers -model nanostructures with a potential for drug delivery (two various polymer chains
emanate from the core)
core
Model system
low polydispersity index (Mw/Mn)≤ 1.17
variable molar ratio of B and E arms
Crystallinity N NB NE
( % )
B2E8 66 10 56 30
B5E5 57 26 31 15
B8E2 42 32 10 4
N - number of arms per star
poly(butyl acrylate) arms – (B)
O
CH3
CH3CH3
O
42
amorphous
poly(ethylene oxide) arms – (E)
CH3
O
CH3
45
semicrystalline
(Makrocka-Rydzyk, SJ, POLYMER, 2011, 52, 5513)
STRUCTURE, Differential Scanning Calorimetry
28oC
-
36oC
44oC
Tm
52oC
--
B8E2
PBA
15 B5E5
30 B2E8
crystallinity
[%]
84
sample
PEO
∆Hm
173 J/g
62 J/g
31 J/g
9 J/g
-
Heating/cooling rate: 10oC/min
4
∆Hm (PEO)=206,2 J/g
Enthalpy of fusion for high molecular weight PEO
-75 -50 -25 0 25 50
-2
0
2egzo B/E 2/8 I heating
I cooling
II heating
II cooling
heating
cooling
Temperature [oC]
heat
flow
[W/g
]
-75 -50 -25 0 25 50-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
egzoPEO
I heating
I cooling
II heating
II cooling
heating
cooling
Temperature [oC]
heat
flow
[W/g
]
PEO (E )
-75 -50 -25 0 25 50-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
B/E 5/5
I heating
I cooling
II heating
II cooling
heating
cooling
Temperature [oC]
heat
flow
[W/g
]
-75 -50 -25 0 25 50-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
egzoB/E 8/2
I heating
I cooling
II heating
II cooling
heating
cooling
Temperature [oC]
heat
flow
[W/g
]
B2E8
B5E5
B8E2
STRUCTURE: Crystallization by POM images
a) 20% poly(butyl acrylate) 80% poly(ethylene oxide)
b) 50% poly(butyl acrylate) 50% poly(ethylene oxide)
c) 80% poly(butyl acrylate) 20% poly(ethylene oxide)
B5E5 B2E8 B8E2
100 m
100 m
100 m
STRUCTURE:B2E8 Isothermal crystallization kinetics at 25oC WAXS
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
deg
ree
of
cry
sta
lliz
ati
on
xC
time [s]
nktexp1x(t)
n = 2.6
Avrami equation
The bright regions in DMT modulus and dark regions in adhesion maps
correspond to the lamellas ( part of spherullite).
100 nm 100 nm
DMT modulus ADHESION
(B2E8) after crystallization from the melt
STRUCTURE: AFM (tapping mode)
STRUCTURE: SAXS- B2E8
scattered intensity as a function of the scattering vector
temperature dependence of d-spacing
Observed d-spacing correspods well to the diameter of lammelas
in AFM image
STRUCTURE: SAXS -B5E5
Temperature dependence of SAXS data for miktoarm star B2E8 copolymer
scattered intensity as a function of the scattering vector
temperature dependence of d-spacing
PEO crystalline domain
Formation of crystalline domains due to the self-assembling of PEO arms
in the PBA/PEO miktoarm star copolymer
101 102 103 104 105 106 107 108 109 [Hz]
10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 [s]
NMR Relaxation Dispersion T1
Relaxation T1
NMR Diffusion
Dynamics
R. Kimmich, E. Anoardo, Field–cycling NMR Relaxometry,Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 44 (2004) 257
RelaxationT1,
T2
Frequency of molecular motions
Molecular motion correlation (relaxation) time
Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS)
Rheology
1/T1 = A [J1(w) + J2(w)] J(w) = FT{G()}
J(w) = c/(1+w2c2)
] T1 at one Larmor frequency for different temperatures T1 as a function of Larmor frequencies - T1 dispersion
NMR RELAXATION
Fluctuations of dipolar magnetic spin-spin interactions give rise to T1 relaxation
RT
Eexp a
o
o
oo
TT
DTexp
3 4 5 6 7
100
B2E8
B5E5
B8E2T
g
Tm
T1 [s]
103/T [1/K]
methyl group
rotations
segmental
motions
DYNAMICS: T1 spin-lattice relaxation times (200 MHz)
DYNAMICS: by T1 Dispersion for B2E8 (extra segmental a process)
50
1
.T
0,1 1 1010
0
101
102
0.50 +/- 0,02 20
oC
41oC
60oC0,26 +/-0,02
0.50 +/- 0,02
B2E8
Tm=44
oC0,75 +/- 0,02
sp
in-la
ttic
e r
ela
xa
tio
n tim
e [m
s]
frequency [MHz]
high mode
number limit
low mode number limit
250
1
.T
Laws predicted by the renormalized
Rouse formalism
750
1
.T
reptation of polymer confined in nanopores
R. Kimmich at al., Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 44 (2004) 257-320
DYNAMICS: NMR self-diffusion at 25 ºC for B8E2
Dfast=3.581E-13 m2/s
Dslow=2.7E-14 m2/s
Fourier Transform Pulsed Field Gradient Stimulated Echo NMR, d=5 ms, D=300 ms
Two component diffusion
Slower: 70%
Faster: 30%
DYNAMICS: NMR self-diffusion for B8E2 polymer at 50 ºC
Dfast=2.3E-12 m2/s
Dslow=1.8E-13 m2/s
Two distinctive spectral components (polidyspersity)
PFGSE NMR, d=4 ms, D=200 ms
Faster: 80%,
Slower: 20%
Stability
Phase shift
electrodes – diameter D
silicone spacers
sample
d
DYNAMICS: Dielectric Relaxation
2222 11*
D
Ds
D
s iw
w
w
w
w '' w '
10 -210 1
10 4
10 7
Fre
que
ncy [Hz]
10
-31
00
10
31
06
10
9
Pe
rmitt
ivity
''
-1000
100200
Temperature [°C]
BE 2-8 mikto arm, nakladana w temp 70C AC Volt [Vrms]=1.000
DYNAMICS: by BDS
Semi-crystalline structure
B2E8
a
Tm
10
-2
10
0
10
2
10
4
10
6
Fre
qu
en
cy
[Hz
]
10
-5
10
-3
10
-1
101
Mo
du
lus
''
-1000
100200T e m pe ra tu re [°C ]
BE 2 -8 mik to a rm, n a kla d a n a w te mp 7 0 C AC Vo lt [V rms]=1 .0 0 0
a
ac
CD
/ MWS
-75 -50 -25 0 25 50
-2
0
2egzo B/E 2/8 I heating
I cooling
II heating
II cooling
heating
cooling
Temperature [oC]
heat
flow
[W/g
]
*
* 1
M
22 '"
""
M
Lo
ss m
od
ulu
s
Tm
a
c
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
1
MWS
or
ac
PEO
B2E8
B5E5
B8E2
M"
Temperature (oC)
Tg(Tg)
a
*
* 1
M 22 '"
""
M
DYNAMICS: BDS
Relaxation/correlation times determined for miktoarm star copolymers
3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4
0
2
4
6
8
10
BDS
NMR
-log
103/T
CH3 (C3) motion
Arrhenius-type
Ea 6 kJ/mol
o = 5·10-12
Segmental motion
VFT-type
o
oo
TT
DTexp
ΔM2 a b tau [s] D T0
B2E8 6 0.75 0.22 2e-14 10.2 176,7
B5E5 6.4 0.75 0.19 4e-14 8.8 178
B8E2 8 0.75 0.14 7.2e-
14 8.3 180
B2E8
Coworkers M. Makrocka-Rydzyk M. Kempka M. Dobies M. Grzeszkowiak A. Wypych J. Jenczyk G. Nowaczyk M. Jancelewicz K. Wegner M. Wiesner
Collaboration Prof. Krys Matyjaszewski
NanoBioMedical Centre Poznań
Acknowledgment