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