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Magnetic and rheological properties of magnetic nanogels
Ivan Novikau
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*in
Sofia Kantorovich
Mitbetreuer*in
Lukas Exl
DOI
10.25365/thesis.78722
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-12154.20341.303386-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In den letzten zehn Jahren haben Nano- und Mikrogels aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen Eigenschaften und ihres breiten Anwendungspotenzials in der Biomedizin und Technik großes Interesse geweckt. Jüngste Studien befassen sich verstärkt mit dem Einbetten magnetischer Nanopartikel (MNPs) in Nanogels, um eine gezielte Wirkstofffreisetzung, verbesserte Aufnahme in Tumorzellen sowie fortschrittliche bildgebende und therapeutische Verfahren zu ermöglichen. Die Möglichkeit, Rheologie und innere Struktur dieser weichen Kolloide mittels externer Reize – insbesondere magnetischer Felder (H) – fernzusteuern, macht magnetische Nanogels (MNGs) zu vielversprechenden biokompatiblen Kontrollsystemen. Um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, ist jedoch ein tiefgehendes Verständnis ihres magnetodynamischen und rheologischen Verhaltens erforderlich. Für therapeutische Anwendungen werden mit Wirkstoff beladene MNGs in Blutgefäße injiziert, magnetisch zum Tumor gelenkt und durch Wechselfelder zur Freisetzung aktiviert. Anschließend lassen sie sich magnetophoretisch entfernen. Daraus ergibt sich die zentrale Frage: Wie interagieren MNGs mit (i) H-Feldern, (ii) hydrodynamischen Strömungen und (iii) deren Überlagerung? Diese Arbeit untersucht systematisch die Kopplungsmechanismen von Feldern und Partikeln unter isolierten sowie kombinierten magnetisch-hydrodynamischen Bedingungen – sowohl für einzelne MNGs als auch für deren Suspensionen. Wir nutzen hybride Molecular Dynamics–Lattice-Boltzmann-Methoden zur simultanen Lösung der gekoppelt Langevin- und Navier-Stokes-Gleichungen und erfassen so das dynamische Verhalten von MNGs auf mesoskopischer Skala. Ein rechnerisches MNG-Modell orientiert sich an den magnetischen Eigenschaften experimentell charakterisierter Systeme. H-Wechselfelder treiben die Polymermatrix-Relaxation über die Oszillation eingeketteter MNPs und ermöglichen dadurch eine schnelle Wirkstofffreisetzung. MNGs mit inhomogener Vernetzung zeigen erhöhte magnetische Suszeptibilität. Unter Scherströmung treten komplexe Kipp- und Wobbling-Bewegungen auf. Das Polymernetz stabilisiert die MNPs und steigert die statische Suszeptibilität der Suspension im Vergleich zu konventionellen Ferrofluiden. Homogene H‐Felder erlauben eine einstellbare Scherviskosität, und rotierende Felder erzeugen selbst in ruhenden Suspensionen Scherströmungen. Diese Arbeit demonstriert eine umfassende magnetische Steuerbarkeit von MNGs in hydrodynamischen Feldern und stellt einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu einer präzisen in-vivo-Führung MNGs mittels inhomogener H-Felder dar.
Abstract
(Englisch)
Over the past decade, nano- and microgels have attracted considerable interest for their unique physical properties and broad potential in biomedical and technological applications. Recent studies increasingly explore embedding magnetic nanoparticles (MNPs) in nanogels to enable targeted drug delivery, improve tumor-cell uptake, and advance medical imaging/therapy techniques. The ability to remotely tune these soft colloids' rheology and internal structure via external stimuli – especially magnetic fields (H) – positions magnetic nanogels (MNGs) as prime candidates for biocompatible control systems. However, realizing MNGs' full potential requires rigorous understanding of their magnetodynamic and rheological behavior. In therapeutic applications, drug-loaded MNGs are injected into blood vessels, magnetically guided to tumors, and triggered by AC fields to release therapeutics. Post-release, they are removed via magnetophoretic guidance. This raises a fundamental question: how do MNGs interact with (i) H-fields, (ii) hydrodynamic fields, and (iii) their superposition? This thesis systematically examines field-particle coupling mechanisms under isolated and concurrent magnetic-hydrodynamic field conditions, analyzing single MNGs and their suspensions. We employ hybrid Molecular Dynamics—Lattice-Boltzmann methods to solve coupled Langevin and Navier-Stokes equations, capturing MNG dynamics in fluid media at mesoscopic scales. We develop a computational MNG model matching the magnetic characteristics of experimentally characterized systems. AC H-fields enable rapid drug release by driving polymer-matrix relaxation via tethered MNP oscillations. MNGs with non-uniform polymer cross-linking exhibit enhanced magnetic susceptibility. Under shear flow, MNGs display complex tumbling-wobbling dynamics. Polymer networks confine and stabilize embedded MNPs, boosting MNG suspensions' static susceptibility over conventional ferrofluids. Homogeneous H-fields enable tunable shear viscosity in MNG suspensions. Notably, rotating H-fields induce shear flow in otherwise quiescent MNG suspensions. This thesis demonstrates significant magnetic controllability of MNGs in hydrodynamic fields, marking a crucial milestone toward achieving precise guidance of MNGs in vivo using non-uniform H-fields.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Magnetische Nanogele Molekulardynamik Lattice-Boltzmann Scherströmung
Schlagwörter
(Englisch)
Magnetic Nanogels Molecular Dynamics Lattice-Boltzmann Shear Flow
Autor*innen
Ivan Novikau 
Haupttitel (Englisch)
Magnetic and rheological properties of magnetic nanogels
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
x, 110 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Mikhail Krakov ,
Rudolf Weeber
Klassifikationen
33 Physik > 33.25 Thermodynamik. statistische Physik ,
33 Physik > 33.75 Magnetische Materialien
AC Nummer
AC17586134
Utheses ID
76166
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |