Design and evaluation of core-shell nanoparticles as new generation photothermal therapy agents
Yeni nesil fototermal terapi ajanları olarak çekirdek-kabuk nanopartiküllerin tasarımı ve geliştirilmesi
- Tez No: 1000232
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. ZELİHA CANSU CANBEK ÖZDİL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yeditepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Fototermal terapi (PTT), optik enerjinin lokalize ısıya verimli bir şekilde dönüştürülmesine dayanır ve nanopartikül geometrisi, malzeme bileşimi ve optik tepki üzerinde hassas kontrol gerektirir. Fe₃O₄@Au gibi manyetoplazmonik çekirdek-kabuk nanopartiküller, birleşik manyetik işlevsellikleri, güçlü plazmonik soğurmaları ve terapötik potansiyelleri nedeniyle PTT için umut vadeden adaylardır. Bununla birlikte, bu sistemlerin rasyonel optimizasyonu, geniş geometrik tasarım alanı ve deneysel deneme-yanılma yaklaşımlarının sınırlı tahmin gücü nedeniyle engellenmektedir. Bu tezde, Fe₃O₄@Au nanopartiküllerinin optik ve fototermal performansını optimize etmek için entegre çok ölçekli bir hesaplama çerçevesi geliştirilmiştir. 300-900 nm spektral aralığında dalga boyuna bağlı optik tepkileri hesaplamak için tamamen otomatikleştirilmiş Python tabanlı yüksek verimli bir simülasyon platformu uygulanmıştır. 5 ile 150 nm arasında çekirdek yarıçapları ve 0 ile 80 nm arasında kabuk kalınlıkları sistematik olarak incelenerek 2436 farklı Fe₃O₄@Au geometrisi elde edildi. Süreklilik ölçeğindeki optik özellikler Mie teorisi kullanılarak değerlendirildi ve COMSOL Multiphysics'te sonlu eleman simülasyonları ile doğrulandı. Soğurma baskın konfigürasyonlar, kesit ve verimlilik ölçütleri (C_abs, Q_abs, ϕ_abs, ve J_o) kullanılarak belirlendi ve 808 nm'de yakın kızılötesi uyarım altında 80/19 nm çekirdek-kabuk konfigürasyonuna yakın belirgin bir geometrik optimum ortaya çıktı. Elektromanyetik-termal simülasyonlar, bu geometrinin yüksek yerel sıcaklık artışı ve kontrollü termal penetrasyon derinliği arasında uygun bir denge sağladığını, hipertermi gereksinimlerini karşılarken aşırı ısı difüzyonunu sınırladığını doğruladı. Yüksek boyutlu tasarım alanında verimli bir şekilde gezinmek için, nicelleştirilmiş belirsizlikle fototermal performansı tahmin etmek üzere bir Gauss Süreci Regresyonu (GPR) modeli eğitildi ve bu da optimum geometrilerin hızlı bir şekilde belirlenmesini sağladı. Paralel olarak çerçeve ek plazmonik kabuk malzemelerine de genişletilerek 3,8 milyondan fazla optik simülasyon içeren kümülatif bir veri tabanı oluşturuldu ve 67 çekirdek, 22 farklı kabuk malzemenin optic simülasyon sonuçları istatistiksel olarak 808 nm dalga boyu için karşılaştırıldı. Bununla birlikte makine öğrenimi hızlandırmalı moleküler dinamikler kullanılarak multi kullanıma hazır Fe₃O₄–Au çekirdek-kabuk yapıları üretmek için otomatik bir atomistik arayüz oluşturma hattı geliştirildi. Bu atomistik modeller süreklilik simülasyonlarında doğrudan kullanılmamış olsa da, arayüzey yük transferi, bağlanma ve plazmon sönümleme mekanizmalarının gelecekteki araştırmaları için çok ölçekli bir köprü oluşturmaktadır. Yapı-özellik uyumunu değerlendirmek için Fe₃O₄@Au nanopartiküllerinin deneysel sentezi gerçekleştirildi. UV-Vis spektroskopisi, DLS, TEM-EDX ve MTS analizleri, ideal çekirdek-kabuk mimarileri yerine manyetoplazmonik hibrit düzeneklerin oluşumunu göstererek yüzey kimyasının ve büyüme kinetiğinin kritik rolünün altını çizmektedir. Bu tutarsızlık, atomistik-süreklilik boşluğunu vurgulamakta ve arayüz seviyesi kimyasının çok ölçekli tasarım stratejilerine entegrasyonunu teşvik etmektedir. Genel olarak, bu tez, fototermal nanomalzemelerin rasyonel tasarımı için optik simülasyonları, makine öğrenimini ve atomistik yapı hazırlığını birleştiren ölçeklenebilir, veri odaklı bir çerçeve sunmaktadır. Metodoloji, verimli ve deneysel olarak gerçekleştirilebilir PTT ajanlarının keşfini hızlandırmak ve gelecekteki süreklilik, atomistik ve deneysel çalışmaları yönlendirmek için sağlam bir temel sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Photothermal therapy (PTT) relies on the efficient conversion of optical energy into localized heat and requires precise control over nanoparticle geometry, material composition, and optical response. Magnetoplasmonic core-shell nanoparticles such as Fe₃O₄@Au are promising candidates for PTT due to their combined magnetic functionality, strong plasmonic absorption, and therapeutic potential. However, rational optimization of these systems is hampered by the wide geometric design space and the limited predictive power of experimental trial-and-error approaches. In this thesis, an integrated multiscale computational framework is developed to optimize the optical and photothermal performance of Fe₃O₄@Au nanoparticles. A fully automated Python-based high-throughput simulation platform is implemented to calculate wavelength-dependent optical responses in the 300-900 nm spectral range. By systematically investigating core radii between 5 and 150 nm and shell thicknesses between 0 and 80 nm, 2436 different Fe₃O₄@Au geometries are obtained. Optical properties at the continuum scale are evaluated using Mie theory and validated with finite element simulations in COMSOL Multiphysics. Absorption-dominant configurations are determined using cross-section and efficiency metrics (C_abs, Q_abs, ϕ_abs, ve J_o), and a distinct geometric optimum close to the 80/19 nm core-shell configuration is revealed under near-infrared excitation at 808 nm. Electromagnetic-thermal simulations confirmed that this geometry provides a suitable balance between high local temperature rise and controlled thermal penetration depth, limiting excessive heat diffusion while meeting hyperthermia requirements. To navigate efficiently in the high-dimensional design space, a Gaussian Process Regression (GPR) model is trained to predict photothermal performance with quantified uncertainty, enabling rapid determination of optimum geometries. In parallel, the framework is extended to additional plasmonic shell materials, creating a cumulative database containing over 3.8 million optical simulations, and the optical simulation results of 67 cores and 22 different shell materials are statistically compared for 808 nm wavelenght. Furthermore, an automated atomistic interface generation pipeline is developed to produce atomic structure generation of Fe₃O₄@Au core-shell structures using machine learning-accelerated molecular dynamics. While these atomistic models are not directly used in continuum simulations, they provide a multi-scale bridge for future investigations of interfacial charge transfer, binding, and plasmon damping mechanisms. Experimental synthesis of Fe₃O₄@Au nanoparticles are performed to evaluate structure-property fit. UV-Vis spectroscopy, DLS, TEM-EDX, and MTS analyses highlight the critical role of surface chemistry and growth kinetics by demonstrating the formation of magneto-plasmonic hybrid assemblies instead of ideal core-shell architectures. This discrepancy emphasizes the atomistic-continuity gap and encourages the integration of interface-level chemistry into multiscale design strategies. Overall, this thesis presents a scalable, data-driven framework combining optical simulations, machine learning, and atomistic structure preparation for the rational design of photothermal nanomaterials. The methodology provides a solid foundation for accelerating the discovery of efficient and experimentally feasible PTT agents and guiding future continuum, atomistic, and experimental studies.
Benzer Tezler
- Lipit polimer hibrit nanopartiküler ilaç taşıyıcı sistemlerin geliştirilmesi ve değerlendirilmesi
Development and evaluation of lipit polymer hybrid nanoparticles drug deli̇very systems
TAHİR EMRE YALÇIN
Doktora
Türkçe
2017
Eczacılık ve FarmakolojiGazi ÜniversitesiFarmasötik Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVGİ TAKKA
- Nintedanib içeren hedeflendirilmiş hibrit nanopartikül formülasyonlarının tasarlanması ve multipl skleroz tedavisindeki etkinliğinin değerlendirilmesi
Design of targeted hybrid nanoparticle formulations containing Nintedanib and evaluation of efficacy in multiple sclerosis treatment
NİHAT KURT
Doktora
Türkçe
2024
Eczacılık ve FarmakolojiHacettepe ÜniversitesiFarmasötik Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT ÖNER
- Alışveriş merkezlerinin LEED BD+C çekirdek ve kabuk sertifika sistemi üzerinden incelenmesi
Evaluation of shopping centers on LEED BD+C core and shell certificate system
SEDA ŞAHİN ERGÜN
- Design and synthesis of cisplatin-loaded multifunctional nanocarriers and evaluation of their anticancer activity against afatinib-resistant triple-negative breast cancer (TNBC) cells
Sisplatin yüklü multifonksiyonel nanotaşiyicilarin tasarimi, sentezi ve afatinib dirençli üçlü negatif meme kanseri (TNBC) hücrelerine karşi antikanser aktivitesinin değerlendirilmesi
MUHAMMAD ASIM ALI
Doktora
İngilizce
2025
KimyaBurdur Mehmet Akif Ersoy ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATİH MEHMET EMEN
DOÇ. DR. RUKEN ESRA DEMİRDÖĞEN
- Bambu malzeme davranışına bir model olarak kabuk strüktür tasarım ve şekil optimizasyonu
Shell structure design and shape optimization as a model for material behavior of bamboo
ESRA DEMİREL
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEMAN FİGEN GÜL