Bachelor's Thesis

Synthesis and characterization of iron oxide nanoparticles-based hydrogel for drug delivery application

Author of thesis: Kristína Augustinová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Dr. Rima Paul

Reviewer: Ing. Inna Zumberg

Abstract:

This bachelor’s thesis investigates the synthesis and characterization of alginate-based hydrogels incorporated with iron oxide nanoparticles for potential applications in targeted drug delivery. Citrate-stabilized superparamagnetic iron oxide nanoparticles (∼11 nm) were synthesized via chemical coprecipitation and embedded into alginate matrices using external (CaCl2) and internal (CaCO3/D-glucono-δ-lactone) ionotropic gelation. The structural and chemical properties of the nanocomposites and the nanoparticles them selves were evaluated using TEM, SEM, EDX, XPS, and FTIR spectroscopy. Subsequent analysis of swelling kinetics and hydrolytic degradation under physiological conditions (PBS, 37 ∘C) revealed significant differences in matrix stability. Externally gelated hydrogels exhibited massive swelling (up to 141%) and rapid structural degradation. Conversely, internal gelation produced homogeneous matrices with restricted swelling (∼20%) and improved long-term stability, allowing them to retain nearly 70% of their initial mass even after 21 days.

Keywords:

alginate, hydrogel, iron oxide nanoparticles, drug delivery, magnetic responsiveness, ionotropic gelation

Date of defence

17.06.2026

Date of publish

16.06.2028

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Studentka prezentovala výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Ing. Zumberg položila otázku: Jakým způsobem by docházelo k uvolňování těchto léčiv do budoucna? MUDr. Stračina položil otázku: V jakých aplikacích by šlo takovéto matrice použít? Pro jaké typy léčiv? Ing. Mézl položil otázku: Kde jste prováděla měření? Čím je daná hranice velikosti částic pro paramagnetismus? Studentka obhájila bakalářskou práci a odpověděla na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Augustynek, Ph.D. (předseda)
Ing. Martin Mézl, Ph.D. (místopředseda)
MUDr. Tibor Stračina, Ph.D. (člen)
Mgr. Monika Čechová, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Smital, Ph.D. (člen)
Ing. Inna Zumberg (člen)

Supervisor’s report
Dr. Rima Paul

Kristína completed her Bachelor’s Project on a topic titled “Synthesis and characterization of iron oxide nanoparticles-based hydrogel for drug delivery applications,” under my supervision. She conducted a literature study on hydrogel-based drug delivery systems, addressing the fundamental features of hydrogels, drug release mechanisms from polymer matrices, as well as the chemical structure, composition, and gelation processes of alginate-based hydrogels. She elaborated on the characteristics and benefits of natural alginate-based hydrogels and emphasized the need of integrating magnetic iron oxide nanoparticles into these materials. Kristína synthesized magnetic iron oxide nanoparticles using co-precipitation and prepared alginate hydrogels via ionic crosslinking strategies that include both internal and exterior gelation methods. Both pure alginate and iron oxide nanoparticle-doped hydrogel variants were prepared for a comparative analysis. She employed Electron Microscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) for the characterization of the produced materials. Kristína contemplated the fabrication of nanoparticle-infused alginate hydrogels at different concentrations via exterior and internal gelation techniques to evaluate and compare their swelling, degradation, and stability characteristics for potential drug-delivery applications. Furthermore, she attained expertise in ImageJ, Origin, and BioRender, applications utilized for data processing, interpretation, and presentation of her research.
The report is well-structured, clearly written, and presented to a high standard. She has conducted a thorough literature review and emphasized the importance of using magnetic iron oxide nanoparticle-based alginate hydrogels for drug delivery applications. Her thesis establishes a foundation for a magnetic alginate-based drug delivery system. The materials developed have been characterized using advanced equipment, and the unique properties that were investigated align well with the theoretical framework. These initial findings suggest that further refinement of the structures is feasible and that more in-depth studies can be carried out to explore their potential applications in drug delivery.

Kristína's engagement and performance throughout the semester were outstanding. I wish her success in all her future endeavors. Points proposed by supervisor: 95

Grade proposed by supervisor: A

File inserted by supervisor Size
Posudek vedoucího práce [.pdf] 201,98 kB

Reviewer’s report
Ing. Inna Zumberg

Kristína Augustinová se ve své bakalářské práci zabývá syntézou a charakterizací alginátového hydrogelu dopovaného nanočásticemi oxidu železa pro aplikace v oblasti podávání léčiv. Teoretická část práce je zpracována na velmi vysoké úrovni. Studentka při zpracování teoretické části vycházela výhradně ze zahraničních odborných publikací v recenzovaných vědeckých časopisech a celkem cituje 83 literárních zdrojů. Na jejich základě podrobně zpracovala problematiku přípravy, charakterizace a využití alginátových hydrogelů v biomedicínských aplikacích. Současně se věnovala také problematice nanokompozitních hydrogelů a možnostem využití nanočástic oxidu železa v systémech pro cílené podávání léčiv. Jednotlivé kapitoly jsou řazeny logicky a vytvářejí vhodný teoretický základ pro navazující experimentální část práce.
V praktické části studentka nejprve připravila citrátem stabilizované nanočástice oxidu železa metodou koprecipitace a následně je inkorporovala do alginátových hydrogelů připravených dvěma odlišnými přístupy gelace. Připravené vzorky byly charakterizovány pomocí širokého spektra analytických metod. Dále studentka hodnotila bobtnání hydrogelů, jejich degradaci a dlouhodobou stabilitu ve fyziologických podmínkách. Získané výsledky umožnily porovnání vlivu jednotlivých metod síťování na vlastnosti připravených hydrogelových systémů a identifikaci optimální formulace pro budoucí aplikace v oblasti řízeného uvolňování léčiv. Získané výsledky byly vhodně statisticky zpracovány, přehledně prezentovány a podrobně diskutovány. Studentka prokázala schopnost kriticky vyhodnocovat experimentální data a interpretovat je v kontextu dostupné odborné literatury. Z vědeckého hlediska bych uvítala podrobnější studium vlivu samotných nanočástic oxidu železa na vlastnosti alginátových hydrogelů, protože jejich přímý přínos k mechanickým, degradačním či transportním vlastnostem hydrogelu zůstává analyzován pouze okrajově. Uvědomuji si však, že takové rozšíření by již přesahovalo rámec zadání bakalářské práce.
Pozitivně hodnotím také skutečnost, že se studentka rozhodla vypracovat bakalářskou práci v anglickém jazyce. Text práce je čtivý, odborně formulovaný a na velmi dobré jazykové úrovni. Práce obsahuje 56 stran textu (od úvodu po závěr), čímž překračuje doporučený rozsah bakalářské práce.
Celkově hodnotím práci jako velmi kvalitní a po odborné i formální stránce nadstandardně zpracovanou. Práce představuje solidní základ pro navazující výzkum a její výsledky mají potenciál být dále rozpracovány a publikovány v odborné literatuře. Zadání práce považuji za splněné v plném rozsahu. Bakalářskou práci doporučuji k obhajobě a hodnotím stupněm A (98 bodů). Topics for thesis defence:
  1. 1. Čím odůvodňujete vyřazení čistých alginátových hydrogelů (FAST PURE a SLOW PURE) z analýz bobtnání a degradačních testů? Jejich zařazení by mohlo přinést cenné informace o skutečném vlivu nanočástic oxidu železa na rychlost degradace a míru bobtnání hydrogelů.
  2. 2. V práci uvádíte, že aglomerace nanočástic mohla být způsobena mimo jiné opožděným přídavkem citrátu sodného přibližně 30 minut po nukleaci částic. Jaké bylo zdůvodnění této prodlevy?
  3. 3. Na základě jakých parametrů byste rozhodovala o vhodnosti hydrogelu pro aplikace řízeného uvolňování léčiv? Považujete nízkou míru bobtnání vždy za výhodu?
Points proposed by reviewer: 98

Grade proposed by reviewer: A

Reasons for publication postponement

Publication of the final thesis has been postponed in compliance with the provisions of Section 47b (4) of Act No. 111/1998 Coll., on the Higher Education Institutions and on amendments and supplements to other acts, as amended.

The thesis contains the results that will be the subject of the publication.

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová