Новые многофункциональные композитные наноструктуры с управляемыми физико-химическими свойствами Дементьева Ольга Вадимовна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Поверхностные нанокомпозиты полимер/металл: взаимосвязь морфологии и физико-химических свойств 18

1.1 Обзор литературы 18

1.1.1 Формирование двумерных ансамблей наночастиц 20

1.1.2 Зондирование поверхностных слоев стеклообразных полимеров с помощью наночастиц металлов и формирование поверхностных нанокомпозитов полимер/металл 27

1.2 Создание многофункциональных поверхностных нанокомпозитов полимер/металл с направленно регулируемыми структурой и свойствами 37

1.2.1 Зондирование поверхностных слоев стеклообразных полимеров с помощью наночастиц золота 38

1.2.2 Поверхностные нанокомпозиты полимер/металл с регулируемыми структурой и свойствами 62

1.3 Заключение 113

Глава 2. Многофункциональные плазмонные наночастицы со структурой ядро/оболочка 117

2.1 Обзор литературы 117

2.1.1 Влияние структуры композитных наночастиц на их плазмонные характеристики 119

2.1.2 Свойства композитных наночастиц и перспективы их использования для решения задач наноплазмоники 122

2.1.3 Синтез композитных наночастиц с диэлектрическим ядром и металлической оболочкой 131

2.2 Коллоидно-химический синтез многофункциональных композитных наночастиц «ядро/оболочка» с управляемыми свойствами и возможности их применения 138

2.2.1 Синтез частиц-ядер требуемого размера и формы и модификация их поверхности 138

2.2.2 Получение затравочных наночастиц металла 144

2.2.3 Адсорбция затравочных наночастиц на поверхности частиц-ядер разной природы 152

2.2.4 Формирование металлических оболочек на поверхности частиц-ядер 155

2.2.5 Исследование фототермической эффективности композитных наночастиц с серебряной оболочкой 185

2.2.6 Исследование агрегативной устойчивости коллоидных растворов композитных наночастиц с серебряной оболочкой 189

2.2.7 Исследование токсичности композитных наночастиц с серебряной оболочкой применительно к культуре стволовых клеток 202

2.2.8 Изучение элементов фармакокинетики конъюгатов композитных наночастиц с полиэтиленгликолем 207

2.2.9 Лазерная гипертермия опухолей с использованием в качестве термосенсибилизаторов композитных наночастиц с серебряной оболочкой 213

2.3 Заключение 219

Глава 3. Многофункциональные частицы-контейнеры из кремнезема с регулируемыми структурой и свойствами 224

3.1 Обзор литературы 224

3.1.1 Темплатный золь-гель синтез мезопористых частиц кремнезема 226

3.1.2 Модификация мезопористых частиц кремнезема и капсулирование различных соединений 230

3.1.3 Гидролитическая стабильность мезопористых частиц кремнезема в водных средах и ее влияние на кинетику десорбции капсулированного вещества 238

3.2 Создание многофункциональных частиц-контейнеров из кремнезема и их использование для решения ряда практических задач 241

3.2.1 Мезопористые частицы кремнезема как контейнеры для фталоцианиновых фотосенсибилизаторов 241

3.2.2 Новые многофункциональные мезоструктурированные частицы-контейнеры сверхвысокой емкости 263

3.3 Заключение 322

Выводы 325

Благодарности 329

Список литературы 330

• Зондирование поверхностных слоев стеклообразных полимеров с помощью наночастиц металлов и формирование поверхностных нанокомпозитов полимер/металл
• Получение затравочных наночастиц металла
• Лазерная гипертермия опухолей с использованием в качестве термосенсибилизаторов композитных наночастиц с серебряной оболочкой
• Мезопористые частицы кремнезема как контейнеры для фталоцианиновых фотосенсибилизаторов

Введение к работе

Актуальность работы определяется широким спектром специфических свойств, присущих композитным наноструктурам на основе металлов и оксидов металлов и открывающих возможность их применения для получения принципиально новых материалов различного назначения, а также в диагностике и лечении ряда опасных заболеваний.

Разработка новых подходов к созданию таких наноструктур, а также выявление фундаментальных взаимосвязей между условиями их формирования, морфологией и свойствами относятся к числу приоритетных задач физической химии наносистем.

В данной работе эти задачи обсуждаются и решаются применительно к трем типам многофункциональных композитных наноструктур.

Первый из них - поверхностные нанокомпозиты (ПНК) полимер/металл, представляющие собой двумерные ансамбли наночастиц (НЧ) металлов, встроенные в поверхностный слой стеклообразного полимера на заданную глубину. Уникальные свойства таких материалов, обусловленные наличием у НЧ металлов локализованного поверхностного плазмонного резонанса (ЛППР), представляют несомненный интерес с точки зрения создания устройств наноплазмоники, микроэлектроники и нелинейной оптики, высокоэффективных катализаторов, химических сенсоров и т.д.

Наиболее распространенным способом конструирования ПНК является осаждение атомов/ионов металла из газовой фазы на полимерную подложку (например, путем термического или магнетронного распыления или ионной имплантации). Этот способ имеет, однако, ряд практически неустранимых недостатков, связанных с невозможностью четкого регулирования размера, формы и состава НЧ, а также расстояния между ними. Кроме того, при его использовании очень сложно управлять глубиной погружения НЧ в полимер.

Разработка подхода, лишенного этих недостатков, - весьма актуальная задача. При этом принципиально важной является информация о структуре и свойствах ультратонкого поверхностного слоя полимера-матрицы. К моменту начала наших исследований такая информация в научной литературе практически отсутствовала. В значительной мере это было обусловлено ограниченностью набора экспериментальных методов, позволяющих «напрямую» анализировать поведение макромолекул на границе с воздухом.

Второй тип исследованных нами наноструктур - композитные наноча-стицы (КНЧ) с диэлектрическим ядром и золотой или серебряной оболочкой. Главным достоинством КНЧ является их способность к поглощению и рассеянию излучения определенной длины волны, обусловленная эффектом ЛППР. При этом возможна тонкая «настройка» ЛППР на требуемую длину волны в ши-

роком оптическом диапазоне (в том числе, в окне прозрачности биологических тканей) путем изменения размера и/или формы ядра и толщины оболочки. Варьирование этих параметров позволяет обеспечить и требуемое соотношение вкладов рассеяния и поглощения в спектр экстинкции КНЧ. Все это делает весьма перспективным применение КНЧ в целом ряде областей и, в первую очередь, в медицине для диагностики и терапии злокачественных новообразований. В частности, способность КНЧ поглощать излучение, трансформируя его в тепло, активно используется при лазерной гипертермии опухолей. Отметим, что КНЧ с Ag-оболочкой, характеризующиеся не только более высокими значениями сечений поглощения и рассеяния, но и ярко выраженной биологической активностью, обладают значительно бльшим практическим потенциалом по сравнению с аналогичными структурами на основе золота. Однако широкому использованию серебряных КНЧ препятствует отсутствие как относительно простых и воспроизводимых методов их синтеза, обеспечивающих настройку ЛППР, так и экспериментальных данных о поведении таких частиц в организме (т.е. их токсичности и биораспределении).

Еще один тип многофункциональных композитных наноструктур, рассматриваемых в данной работе, - мезоструктурированные частицы кремнезема (МЧК), получаемые темплатным золь-гель методом. Такие частицы являются перспективными «контейнерами» для различных функциональных соединений и представляют существенный интерес с точки зрения их применения в биомедицине, фармацевтике, а также при создании антикоррозионных покрытий. В процессе создания и использования МЧК возникает целый ряд принципиально важных проблем, которые до сих пор далеки от своего решения. Часть из них связана с отсутствием информации о закономерностях сорбции загружаемых в МЧК целевых соединений, что затрудняет оптимизацию этого процесса. Вторая группа проблем касается обеспечения высокой емкости МЧК по капсу-лируемому функциональному веществу и возможности управления скоростью его десорбции (выхода в окружающую среду). Единственный способ их решения в рамках классического подхода к синтезу и последующей загрузке МЧК - химическая модификация внешней и/или внутренней поверхности частиц, что часто оказывается весьма сложной задачей, а достигаемый эффект обычно оказывается небольшим. С учетом сказанного очевидно, что разработка альтернативной стратегии «конструирования» таких частиц-контейнеров и загрузки в них функциональных соединений весьма актуальна и имеет несомненную научную и практическую значимость.

Цель работы заключалась в физико-химическом обосновании и реализации принципиально новых подходов к созданию многофункциональных компо-

зитных наноструктур трех рассмотренных выше типов. При этом основное внимание уделено выявлению фундаментальных факторов, определяющих формирование таких наноструктур и позволяющих управлять не только их морфологией, но и свойствами.

Ниже перечислены основные задачи, которые потребовалось решить для достижения поставленной цели.

1. Определение особенностей структуры и свойств поверхностных слоев стеклообразных полимеров на наноуровне, а также разработка способов управления этими свойствами.

2. Разработка новых методов сборки двумерных ансамблей НЧ металлов с заданными степенью упорядоченности и плотностью упаковки на полимерных подложках разной природы.

3. Физико-химическое обоснование и реализация принципиально новой стратегии конструирования «двумерных» ПНК полимер/металл (прототипов ме-таповерхностей) с регулируемыми морфологией и свойствами.

4. Разработка и реализация оригинальных коллоидно-химических методов синтеза сферических и анизотропных КНЧ с серебряной оболочкой, характеризующихся регулируемым в широком частотном диапазоне положением ЛППР и заданным соотношением вкладов рассеяния и поглощения в спектр экстинкции, и стабилизация дисперсий таких частиц.

5. Получение информации о токсичности КНЧ с серебряной оболочкой и динамике их распределения в организме подопытных животных и оценка эффективности термосенсибилизирующего действия КНЧ разной природы и формы при импульсной лазерной гипертермии опухолей.

6. Изучение процессов сорбции/десорбции ряда фталоцианиновых фотосенсибилизаторов, являющихся эффективными противоопухолевыми препаратами, мезопористыми частицами кремнезема и оценка перспектив использования таких частиц в качестве контейнеров.

7. Разработка и экспериментальное обоснование новой физико-
химической концепции создания сверхвысокоемких частиц-контейнеров, осно
ванной на использовании ассоциатов дифильного функционального вещества в
качестве темплата при золь-гель синтезе МЧК и позволяющей совместить ста
дии их получения и загрузки.

8. Исследование возможности управления скоростью выхода капсулиро-
ванного функционального вещества из МЧК в окружающую водную среду.

9. Установление взаимосвязи между гидролитической стабильностью
кремнеземной матрицы МЧК в дисперсионной среде с различными значениями
pH и кинетикой десорбции капсулированного вещества.

Научная новизна работы заключается в следующем.

7. Разработан оригинальный метод исследования структуры и свойств поверхностных слоев стеклообразных полимеров на наноуровне, основанный на использовании НЧ металлов в качестве зондов. С помощью этого метода получена информация о температуре стеклования полистирола разной молекулярной массы на границе с воздухом и показано, что она существенно понижена по сравнению с соответствующим объемным значением (T_g). Толщина расстекло-ванного слоя является функцией температуры, достигая вблизи T_g значения, близкого к диаметру макромолекулярного клубка.

8. Впервые продемонстрирована возможность направленного регулирования (понижения) температуры стеклования поверхностного слоя полимера путем введения в него малых добавок полимера (той же или иной природы) с меньшей молекулярной массой. Эффект достигается за счет сегрегации полимера-добавки на границе с воздухом.

9. Принципиально новой является информация о влиянии природы полимерной подложки на характер процесса доращивания адсорбированных на ней НЧ металла, а также о возможности беззатравочного синтеза НЧ золота на поверхности поли(2-винил)пиридина.

10. Не имеют аналогов результаты экспериментов по конструированию на полимерных подложках высокоупорядоченных двумерных ансамблей НЧ с привлечением методов блоксополимерной литографии.

5. Новым является и разработанный нами способ создания двумерных
ПНК полимер/металл, основанный на встраивании ансамбля НЧ, адсорбирован
ного на полимерной подложке, в ее поверхностный слой на заданную глубину
путем отжига образца в интервале между значениями «поверхностной» и «объ
емной» температуры стеклования полимера.

6. Разработаны оригинальные коллоидно-химические методы синтеза дисперсий КНЧ со сферическим или анизотропным ядром и серебряной оболочкой, и впервые получены систематические данные о влиянии условий синтеза на структуру и, как следствие, оптические свойства таких частиц, в частности, на их плазмонно-резонансные характеристики.

7. Принципиально новыми являются результаты исследования возможности создания бифункциональных КНЧ, состоящих из мезопористого SiO₂-ядра, способного выступать в качестве контейнера для лекарственного препарата, и серебряной оболочки.

8. Проведен комплексный анализ закономерностей процесса хемосорбции молекул тиолированного полиэтиленгликоля (ПЭГ) на поверхности КНЧ, а также поведения полученных конъюгатов в среде с высокой ионной силой. При

этом впервые обнаружен эффект постепенного разрушения серебряной оболочки КНЧ (а в ряде случаев и их кремнеземного ядра) в процессе выдержки частиц в растворе ПЭГ или NaCl.

9. Впервые получена количественная информация о фототермической эф
фективности сферических КНЧ с серебряной оболочкой при воздействии на них
излучения непрерывного лазера.

10. Не имеют аналогов результаты изучения in vitro и in vivo токсичности КНЧ с Ag-оболочкой, а также их интернализации мезенхимальными стволовыми клетками костного мозга.

11. Впервые в экспериментах in vitro и in vivo продемонстрировано выраженное термосенсибилизирующее действие серебряных КНЧ разной формы при импульсной лазерной гипертермии опухолей, и проведен сравнительный анализ эффективности частиц с золотой и серебряной оболочкой.

12. Новыми являются и количественные данные, полученные при исследовании закономерностей сорбции/десорбции фталоцианиновых фотосенсибилизаторов мезопористыми частицами кремнезема и оценке эффективности их использования для доставки таких фотосенсибилизаторов в опухоль.

13. Разработана и реализована принципиально новая стратегия создания и загрузки мезопористых частиц-контейнеров из кремнезема, основанная на использовании в качестве темплатирующих агентов не инертных поверхностно-активных веществ (ПАВ), а дифильных функциональных соединений. На количественном уровне проанализировано влияние природы темплата и условий золь-гель процесса на структуру и емкость формирующихся частиц-контейнеров.

14. Впервые продемонстрирована высокая эффективность использования МЧК с капсулированным на стадии их золь-гель синтеза ингибитором коррозии для защиты углеродистых сталей от сероводородной коррозии и наводораживания.

15. Проведены систематические исследования кинетики десорбции молекул темплатирующего соединения из объема МЧК в функции температуры, pH дисперсионной среды и концентрации SiO₂, и впервые установлена количественная взаимосвязь между процессами растворения/переосаждения кремнеземной матрицы и выхода молекул темплата в окружающую среду.

16. Впервые продемонстрирована возможность формирования на поверхности МЧК, синтезированных с использованием разработанного нами подхода, липидного бислоя и создания, таким образом, многофункциональных частиц-контейнеров со структурой протоклетки.

Практическая значимость работы.

Результаты, полученные в ходе выполнения работы, имеют несомненную практическую ценность и могут быть использованы для решения как фундаментальных, так и прикладных задач. Так, разработанный нами новый метод зондирования поверхностных слоев полимеров с помощью НЧ металлов позволяет получать информацию о структуре и свойствах этих слоев на наноуровне. При этом существует принципиальная возможность адаптации этого метода и для «фазового картирования» поверхности смесей ограниченно совместимых полимеров за счет различия в значениях их температуры стеклования, а, значит, и глубины погружения НЧ.

Предложенный нами способ формирования ПНК полимер/металл обеспечивает тонкое регулирование как двумерной организации НЧ, так и глубины их погружения в подложку. При этом для создания ПНК могут быть использованы НЧ разной природы и формы (например, биметаллические частицы со структурой ядро/оболочка). Все эти возможности имеют принципиальное значение при создании новых материалов (в том числе, так называемых метаповерхностей) и устройств наноплазмоники.

Не меньшую практическую значимость представляют разработанные нами методы коллоидно-химического синтеза КНЧ с диэлектрическим ядром и Ag-оболочкой, характеризующихся точно настраиваемым в широком спектральном диапазоне ЛППР. Такая настройка является одним из основных условий использования КНЧ с серебряной оболочкой в целом ряде областей, включая терано-стику различных заболеваний, создание принципиально новых источников излучения (в том числе, когерентного), элементов фотовольтаики, высокочувствительных сенсоров и т.д. В частности, продемонстрирована высокая эффективность КНЧ, ЛППР которых находится вблизи 800 или 1100 нм, при импульсной лазерной гипертермии опухолей. Кроме того, нами получены данные, свидетельствующие о низкой токсичности КНЧ с серебряной оболочкой, что является их дополнительным преимуществом при решении биомедицинских задач.

Высоким практическим потенциалом обладает и предложенный нами новый подход к синтезу мезоструктурированных частиц-контейнеров из SiO₂ с использованием в качестве темплатирующих агентов дифильных функциональных соединений, подлежащих загрузке в такие контейнеры. Он позволяет не только совместить стадии синтеза и загрузки МЧК, но и обеспечить контролируемый выход загруженного вещества без какой-либо дополнительной модификации частиц. Нами этот подход был успешно применен для капсулирования ряда ди-фильных лекарственных препаратов и ингибиторов коррозии. Все полученные МЧК отличались высоким содержанием темплатирующего целевого вещества и

чувствительностью к pH среды. Такие структуры представляют существенный интерес с точки зрения решения проблем направленной доставки и контролируемого высвобождения лекарственных препаратов, а также создания перспективных медицинских материалов и защитных покрытий.

На защиту выносятся следующие результаты и положения.

1. Результаты комплексного анализа особенностей стеклования поверхностных слоев полимеров на наноуровне с помощью разработанного нами метода, основанного на использовании НЧ металлов в качестве зондов, а также способы регулирования свойств этих слоев.

2. Температура стеклования поверхностного слоя полистирола существенно понижена по сравнению с соответствующим объемным значением. Для полимера с молекулярной массой < 50000 ее значение лежит ниже комнатной температуры. Толщина расстеклованного слоя является функцией температуры, достигая вблизи T _g значения, близкого к диаметру макромолекулярного клубка.

3. Способы управления двумерной организацией плазмонных НЧ на полимерных подложках разной природы.

4. Алгоритм конструирования многофункциональных двумерных поверхностных нанокомпозитов полимер/металл с регулируемыми морфологией и физико-химическими и оптическими свойствами.

5. Оригинальные методы коллоидно-химического синтеза КНЧ с диэлектрическим ядром и серебряной оболочкой, обеспечивающие тонкую настройку положения их ЛППР в диапазоне от 600 до 1200 нм.

6. Структура серебряных оболочек и, как следствие, оптические свойства КНЧ существенно зависят от природы восстановителя, соотношения реагентов в системе, однородности адсорбционного слоя функционализованного алкоксиси-лана на поверхности частиц-ядер, а также pH среды. Агрегативная устойчивость соответствующих дисперсий в присутствии сильного электролита NaCl в его физиологической концентрации (0.9 мас. %) обеспечивается за счет хемосорбции на поверхности КНЧ молекул тиолированного полиэтиленгликоля.

7. Результаты биомедицинских экспериментов in vitro и in vivo, свиде
тельствующие о низкой токсичности КНЧ с серебряной оболочкой и высокой
эффективности их термосенсибилизирующего действия при импульсной лазер
ной гипертермии опухолей.

8. Результаты, подтверждающие перспективность использования МЧК в качестве контейнеров для ряда фталоцианиновых фотосенсибилизаторов, являющихся эффективными противоопухолевыми препаратами.

9. Новая концепция создания многофункциональных «умных» частиц-контейнеров из кремнезема.

10. Использование в качестве темплата при синтезе МЧК ассоциатов не инертного поверхностно-активного вещества, а функционального дифильного соединения позволяет совместить стадии синтеза частиц-контейнеров и их загрузки этим соединением. Получаемые в результате МЧК характеризуются чрезвычайно высоким содержанием капсулированного соединения и заметной чувствительностью к pH среды. Их структура критическим образом зависит от типа ассоциатов (т.е. природы темплатирующего соединения) и условий золь-гель процесса.

11. Десорбция капсулированного на стадии золь-гель синтеза функционального соединения из частиц-контейнеров в окружающую водную среду определяется растворимостью и/или набуханием кремнеземной матрицы под действием проникающей в нее воды и взаимодействием молекул/ионов темплата со стенками пор МЧК. Скорость процесса десорбции сильно зависит от pH среды.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивалась использованием в работе комплекса современных физико-химических и физических методов исследования, воспроизводимостью и согласованностью полученных экспериментальных данных, применением при обработке и интерпретации результатов измерений стандартных и принятых в мировой научной практике методик и теоретических положений.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены в виде устных докладов на следующих российских и международных конференциях и семинарах: Всероссийском Каргинском симпозиуме «Химия и физика полимеров в начале XXI века» (2000 г., Черноголовка), III, V и VI Всероссийских Каргинских конференциях (2004, 2010, 2014 гг., Москва), Европейском полимерном конгрессе (2007 г., Порторож, Словения), XVI Европейской конференции «Chemistry at Interfaces» (2003 г., Владимир), Всероссийской конференции по макромолекулярной химии (2008 г., Улан-Удэ), III международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (2008 г., Москва), III Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2010» (2010 г., Москва), IV, V и VI Троицких конференциях «Медицинская физика и инновации в медицине» (2008, 2012, 2014 гг. Троицк), 1-st Nanomaterials and Nanotechnology Meeting (2008 г., Острава, Чехия), XLVI Zakopane School of Physics: Breaking Frontiers: submicron structures in physics and biology (2011 г., Закопане, Польша), III Международной конференции стран СНГ “Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем” «Золь-гель 2014» (2014 г., Суздаль), III Всероссийском симпозиуме с международным участием по поверхностно-активным веществам «ПАВ 2015» (2015 г., Санкт-

Петербург), III Международной конференции «Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защита металлов от коррозии» (2016 г., Москва), ХХ Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (2016 г., Екатеринбург), Trends in Nanotechnology International Conference «TNT2017» (2017 г., Дрезден, Германия).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 120 работ, в том числе 36 статей в журналах из списка ВАК и 2 главы в монографии.

Личный вклад автора состоит в выборе направлений исследований, постановке и обосновании целей и задач работы, разработке и реализации экспериментальных подходов к их решению, анализе, интерпретации и обобщении результатов исследований, подготовке публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из трех глав, введения и выводов, содержит 386 страниц, 118 рисунков, 18 таблиц и 528 ссылок на использованную литературу.

Зондирование поверхностных слоев стеклообразных полимеров с помощью наночастиц металлов и формирование поверхностных нанокомпозитов полимер/металл

Как отмечалось выше, одной из основных стадий создания ПНК является встраивание НЧ в поверхностный слой полимера на заданную глубину.

Для управления этим процессом необходимо, прежде всего, владеть информацией о структуре и свойствах этих слоев (в частности, о температуре их стеклования).

Изучению процесса стеклования поверхностных слоев высокомолекулярных соединений в настоящее время уделяется пристальное внимание, поскольку структура и физическое состояние именно поверхностных слоев определяют адгезионные и фрикционные свойства полимеров, их биосовместимость и т.д.

Результаты работ в этой области достаточно противоречивы, что объясняется как чисто экспериментальными трудностями, так и отсутствием единого подхода к описанию процесса стеклования, достаточно глубокого понимания его природы даже для объема полимера. Тем не менее, данные многочисленных теоретических и экспериментальных исследований, выполненных методами эллипсометрии, АСМ, спектроскопии аннигиляции позитронов, дифференциальной сканирующей калориметрии, бриллюэновского рассеяния света и др. [64-78], свидетельствуют о том, что поверхностные слои полимеров характеризуются температурой стеклования Tg , пониженной по сравнению с соответствующим объемным значением Tg. Этот эффект обуславливает и понижение температуры стеклования как свободных, так и сформированных на твердой подложке ультратонких пленок полимеров [79-88].

Мы не будем анализировать здесь весь массив соответствующих литературных данных, а остановимся лишь на основных работах, имеющих принципиальное значение с точки зрения формирования ПНК полимер/металл.

Понижение Tg полимера на границе с воздухом связывают со спецификой рептационной динамики макромолекул вблизи свободной поверхности [67], а также с наличием в поверхностном слое избыточного свободного объема вследствие сегрегации концевых групп макромолекул [66, 69-73], эффектами стесненной геометрии и/или разрушения сетки зацеплений [64, 80, 84] и др. [76, 87]. Одним из основных методов исследования поверхностных свойств полимеров является АСМ, главным преимуществом которой является возможность проведения и интерпретации измерений на наноуровне. Первые эксперименты в этой области были выполнены Мейерсом с сотр. [68]. Они показали, что под воздействием острия кантилевера имеет место постепенная пространственно ориентированная деформация поверхности полистирола (ПС), характер которой существенно зависит от молекулярной массы (М) полимера. Анализ АСМ-изображений, полученных при длительном сканировании образцов, позволил авторам предположить, что в широком интервале значений М поверхность ПС даже при комнатной температуре находится в состоянии, подобном высокоэластическому. Однако каких-либо количественных оценок Tg в [68] сделано не было.

Большой интерес представляет серия работ Каджиямы с соавт. [69-73, 89-92], посвященных изучению влияния молекулярной массы, степени полидисперсности и природы концевых групп полимера на процесс стеклования в его поверхностных слоях. В экспериментах были использованы как чистый ПС [69-73, 92], так и смеси его гомологов разной Мили смеси ПС с полимерами другой природы [69, 70, 89-92]. С привлечением различных методов (в том числе АСМ в режимах измерения латеральных сил и определения динамических характеристик) было показано, что температура стеклования полимера на границе с воздухом в большинстве случаев оказывается существенно ниже ее «объемного» значения. В частности, поверхностные слои образцов ПС с молекулярной массой, меньшей критического значения (« 30000 Да), соответствующего образованию сетки зацеплений, уже при комнатной температуре находятся в состоянии, отличном от стеклообразного. Полученный результат авторы объясняют увеличением доли свободного объема вблизи поверхности полимера за счет «сегрегации» концевых групп макромолекул (согласно данным масс-спектрометрии вторичных ионов толщина поверхно стного слоя ПС с повышенной концентрацией таких групп составляет примерно 4.4 нм [72]).

На справедливость этого предположения указывает тот факт, что эффект понижения Tg относительно Тg наблюдается, только если концевые группы макромолекул характеризуются пониженным (относительно сегментов цепи) вкладом в свободную поверхностную энергию. В то же время при использовании ПС с концевыми NH2- и СООН-группами, обладающими большей поверхностной энергией, имеет место их «уход» вглубь полимера. Как следствие, значение Тё практически не отличается от объемного [73]. К аналогичному выводу пришли и авторы [93], не обнаружившие увеличения сегментальной подвижности макромолекул поли(трет-бутилакрилата) на границе с воздухом в ходе АСМ-исследования адгезионных свойств полимера.

В случае смесей полимеров их поведение на границе с воздухом определяется не только природой (т.е. соотношением вкладов в поверхностную энергию) сегментов и концевых групп составляющих смесь макромолекул, но и молекулярной массой компонентов [69, 70, 89-91, 94]. Действительно, согласно [69, 70, 89] низкомолекулярный компонент смеси способен селективно накапливаться в поверхностном слое. Основной причиной такой сегрегации является минимизация потерь конформационной энтропии, возникающих из-за ограничения подвижности макромолекул в направлении, перпендикулярном поверхности; они тем меньше, чем меньше М. Очевидно, при смешении высокомолекулярного ПС и низкомолекулярного полиметилме-такрилата (ПММА) именно этот энтропийный фактор и обуславливает аккумулирование ПММА, обладающего близкой поверхностной энергией, на границе с воздухом [89]. Другой причиной наблюдаемого эффекта авторы [89] считают сегрегацию в поверхностном слое концевых групп ПММА, однако вклад от нее представляется незначительным, поскольку в условиях данного эксперимента природа концевых групп ПС и ПММА также была очень близка. Суммируя сказанное выше, следует отметить, что в течение достаточно длительного времени исследователи ограничивались констатацией факта понижения температуры стеклования вблизи поверхности полимера относительно ее объемного значения, тогда как попытки непосредственно определить Ту отсутствовали, либо были методически не совсем корректны. Как следствие, для того же ПС значения Tg , приводимые разными авторами, различаются на несколько десятков градусов.

Нами был разработан принципиально новый экспериментальный подход к исследованию структуры и свойств поверхностных слоев стеклообразных полимеров, основанный на их зондировании с помощью НЧ металлов [13]. Суть этого подхода состоит в наблюдении методом АСМ за постепенным погружением в полимер НЧ металлов, осажденных на его поверхность из гидрозоля, в процессе отжига системы при температуре меньшей «объемного» значения 7g. Результаты, полученные с его использованием, будут подробно обсуждаться в следующем разделе главы. Здесь мы лишь отметим, что он дает возможность не только напрямую определить температуру стеклования поверхностного слоя полимера, но и получить количественную информацию о его толщине [13, 63, 95]. Показано, в частности, что для ПС с М = 227000 Да значение Tg составляет примерно 40С. Как следствие, уже при этой температуре НЧ погружаются в полимер на несколько нанометров [13]. Полученная информация и послужила основой для создания нового способа конструирования ПНК.

Возможность использования НЧ металлов для определения Tg ряда полимеров практически одновременно с нами продемонстрировали Запорож-ченко с соавт. [96], наблюдая с помощью рентгеновского фотоэлектронного спектрометра за погружением в полимер сферических нанокластеров меди, осажденных на его поверхность термическим испарением в вакууме. Этот метод «идеологически» довольно близок к предложенному нами, однако более сложен, поскольку требует, чтобы образцы находились в условиях высокого вакуума на всех стадиях эксперимента. Кроме того, размер НЧ, исполь зованных в [96], составлял всего 1-4 нм вследствие специфики их получения. Это, на наш взгляд, может приводить к дополнительным трудностям при интерпретации экспериментальных данных, обусловленным как шероховатостью поверхности полимера, так и влиянием размера частиц на их рентгено-электронные спектры.

Отметим, что результаты ряда работ (см., например, [65, 78, 82, 88, 91, 97-101]) свидетельствуют о наличии градиента подвижности в поверхностных слоях стеклообразных полимеров. При этом по данным разных авторов толщина расстеклованного слоя может составлять от 1-2 [65, 98] до 10 и более нанометров [88, 97]. На существование такого градиента косвенным образом указывает и тот факт, что температура стеклования ультратонких пленок полимеров (как свободных, так и сформированных на твердых подложках) существенно зависит от их толщины (h) [79, 82, 83, 101-104]. При нанесении пленки на «инертную» (т.е. слабо взаимодействующую с полимером) подложку ее Ту резко понижается, когда h уменьшается до значения, соизмеримого с диаметром макромолекулярного клубка. В то же время при сильном взаимодействии полимера с подложкой может иметь место и повышение Tg пленки с уменьшением ее толщины [102].

Получение затравочных наночастиц металла

Анализ литературы показал, что затравочными при синтезе КНЧ с серебряной оболочкой могут служить ультрамалые НЧ как серебра, так и золота. Вообще говоря, использование серебряных НЧ является предпочтительным, однако, как уже отмечалось (см. Обзор литературы), их получение является достаточно сложной задачей.

Учитывая, что одной из целей нашей работы является разработка оптимального протокола синтеза серебряных КНЧ с регулируемым в широком оптическом диапазоне положением ЛППР, мы сочли целесообразным сравнить оптические и структурно-морфологические характеристики Ag-оболочек, сформированных с использованием затравочных НЧ разной природы.

Синтез наночастиц серебра Для синтеза затравочных НЧ серебра использовали методику [278], основанную на восстановлении ионов Ag+ борогидридом натрия в присутствии цитрата натрия, который служил стабилизатором формирующихся частиц. Согласно данным ПЭМ средний диаметр таких НЧ составлял 6 + 4 нм [269].

Кроме того была исследована возможность синтеза НЧ Ag непосредственно на поверхности частиц-ядер. Для этого в водную дисперсию, содержащую частицы Si02-NH2 или ПС-латекса, вводили раствор нитрата серебра, а спустя 30 мин - борогидрида натрия [279]. Дисперсия мгновенно приобретала темно-коричневый цвет, что указывало на восстановление ионов металла и образование НЧ серебра.

Частицы-ядра со сформированными на них НЧ Ag осаждали центрифугированием и ре диспергировали в дистиллированной воде. На рис. 2.6а в качестве примера представлен спектр экстинкции полученного таким способом гидрозоля ПС-Ag. В спектре регистрируется четко выраженный пик с максимумом вблизи 420 нм, отвечающий ЛППР сферических НЧ серебра. Как следует из микрофотографии, приведенной на рис. 2.6б, на поверхности некоторых ПС-ядер действительно образуется достаточно плотный ансамбль затравочных частиц диаметром 2-3 нм. Однако, в целом НЧ серебра имеют довольно широкое распределение по размеру. Кроме того, в системе присутствует довольно много «голых» (без затравочных НЧ) частиц ПС-латекса. Таким образом, очевидно, что использованный подход не позволяет сформировать на поверхности частиц-ядер достаточно однородный и плотный монослой затравочных НЧ серебра.

Дальнейшие эксперименты показали (см. ниже), что использование затравочных НЧ Ag не дает существенного выигрыша с точки зрения оптических или структурно-морфологических характеристик КНЧ по сравнению с синтезированными на «золотой затравке». Поэтому для большей части экспериментов, посвященных изучению физико-химических закономерностей формирования Ag-оболочки на ядрах разной природы, в качестве затравочных были выбраны НЧ золота.

Получение затравочных наночастиц золота

Для синтеза ультрамалых НЧ золота был использован метод Даффа [184], заключающийся в восстановлении ионов Аи(3+) в щелочной среде в присутствии хлорида тетракис(гидроксиметил)фосфония (ТГФХ).

Согласно данным [184, 280] ТГФХ гидролизуется в щелочной среде с образованием формальдегида, который, очевидно, и служит восстановителем ионов металла. Именно поэтому одним из ключевых факторов при синтезе золя является интервал времени между смешением растворов NaOH и ТГФХ и введением в реакционную смесь раствора НАиС14. Так, при добавлении раствора золотохлористоводородной кислоты непосредственно после смешения растворов NaOH и ТГФХ образуется гидрозоль фиолетового цвета. При добавлении раствора НАиС14 спустя 1.5 мин после их смешения образуется мутный золь оранжево-коричневого цвета. Оба полученных золя быстро агрегируют с последующей седиментацией большинства НЧ. Очевидно, этот эффект связан с недостатком восстановителя.

В то же время увеличение времени предварительной выдержки смеси NaOH и ТГФХ до 5 мин обеспечивает получение золя темно-коньячного цвета, что свидетельствует об образовании ультрамалых частиц золота. Микрофотография таких НЧ, полученная с помощью ПЭМ высокого разрешения, приведена на рис. 2.7. Видно, что в этом случае формируются НЧ с достаточно узким распределением по размеру; их средний диаметр составляет 2-3 нм.

Анализ ряда статей показал, что при адсорбции таких затравочных НЧ золота на модифицированных ядрах различной природы используются «состаренные» в течение 2-х недель дисперсии НЧ, причем объяснений данному приему ни в одной из работ не дается (см., например, [257]). Возможно, необходимость такого «старения» связана с тем, что при хранении золя ультрадисперсные НЧ золота претерпевают некие изменения (отметим, что механизм их формирования в процессе химического восстановления ионов Аи(3+) ТГФХ, до конца не изучен). Для проверки этого предположения мы исследовали изменение оптических характеристик гидрозоля Аи с течением времени.

На рис. 2.8 приведены спектры экстинкции гидрозоля, зарегистрированные сразу после его синтеза, а также спустя 6 дней. (В данном случае мы употребляем термин «экстинкция» для удобства, поскольку очевидно, что для таких мелких частиц вклад рассеяния пренебрежимо мал.) Видно, что в спектре свежеприготовленного золя (кривая 1) отсутствуют какие-либо характерные полосы. Такая форма спектра указывает на то, что этот гидрозоль содержит в основном квазиметаллические частицы (кластеры) золота, для которых эффект ЛППР не имеет места. Спустя 6 дней в спектре появляется слабо выраженный пик в области 510-520 нм, отвечающий ЛППР сферических НЧ. Интенсивность этого пика постепенно нарастает в течение примерно месяца, одновременно наблюдается некоторое увеличение размера НЧ (примерно до 5-ти нм).

По мнению Даффа с соавт. [184, 281] этот эффект может быть обусловлен медленным довосстановлением ионов золота в процессе хранения золя. При этом, очевидно, восстановителем может служить не только формальдегид, но и водород, образующийся в результате «глубокого» гидролиза ТГФХ в щелочной среде.

На наш взгляд, наблюдаемые изменения могут происходить и вследствие оствальдовского созревания (изотермической перегонки) НЧ Аи. Согласно теории Лифшица-Слезова куб среднего радиуса частиц (г3) должен в этом случае линейно зависеть от времени (t) [282]. Поскольку при комнатной температуре процесс оствальдовского созревания проходит очень медленно, мы исследовали кинетику изменения размера НЧ методом динамического рассеяния света (ДРС) при повышенной температуре: Тх = 70С и Т2 = 90С. Было установлено, что за 6-7 ч прогрева системы средний диаметр частиц Аи увеличивался приблизительно от 2.8 до 3.5 нм (при Тх) и до 6 нм (при Т2). На рис. 2.9а приведены соответствующие зависимости г3 от t. Видно, что они линейны. Очевидно, рост золотых частиц, полученных по методу Даффа, действительно протекает в основном по механизму оствальдовского созревания.

На рис. 2.9б в качестве примера приведены спектры экстинкции золя Аи, зарегистрированные в ходе его прогрева при Т\ = 70С. Видно, что пик ЛППР в области 510-520 нм постепенно становится все более выраженным, что указывает на то, что в коллоидном растворе начинают преобладать металлические НЧ. Переход «неметаллических» кластеров Аи в металлические должен приводить к росту их каталитической активности, при этом они могут выступать в качестве своеобразных «наноэлектродов» при восстановлении ионов металла различными восстановителями [149].

Измерения рН золя золота показали, что его значение изменяется от « 6 до « 4 в течение 2-х недель после синтеза и остается постоянным еще в течение месяца. В то же время -потенциал частиц в процессе хранения золя практически не изменяется, составляя -(30-35) мВ. (Напомним, что частицы аминированного кремнезема при рН 4 несут большой положительный заряд). Очевидно, электростатическое взаимодействие должно обеспечить формирование более плотного ансамбля затравочных НЧ на поверхности аминиро-ванных частиц-ядер. К аналогичному выводу пришли и авторы работы [283], в которой был исследован процесс адсорбции НЧ золота на поверхности частиц Si02-NH2 при разных значениях рН среды.

Таким образом, полученные нами результаты объясняют целесообразность «выдержки» использованного гидрозоля золота перед адсорбцией его НЧ на частицах-ядрах с целью получения сплошной металлической оболочки.

Обратимся теперь к результатам исследования адсорбции затравочных НЧ на поверхности сферических и веретенообразных частиц-ядер. В зависимости от способа их модификации она может быть обусловлена физическим взаимодействием или химической реакцией. Так, в случае тиолированных ядер адсорбция НЧ металла происходит за счет образования химической связи S-Au(Ag). В случае аминированных ядер имеет место их электростатическое взаимодействие с затравочными НЧ.

Лазерная гипертермия опухолей с использованием в качестве термосенсибилизаторов композитных наночастиц с серебряной оболочкой

Как отмечалось в обзоре литературы, при лазерной гипертермии опухолей может быть использован как импульсный, так и непрерывный лазер. На наш взгляд, использование импульсного лазера предпочтительнее, поскольку оно не только обеспечивает нагрев КНЧ до более высокой температуры, но и является менее травматичным для здоровых тканей [204]. С учетом этого при изучении эффективности термосенсибилизирующего действия КНЧ с Ag-оболочкой был использован именно импульсный лазер.

Исследование эффективности термосенсибилизирующего действия КНЧ в импульсной лазерной гипертермии (ИЛГ) злокачественных новообразований проводили на самках мышей-гибридов BDFj весом 20-25 г с привитой саркомой S-57. Животных получали из ГУ НЦБМТ РАМН (филиал «Ан-дреевка»).

В качестве источника высокоэнергетического импульсного излучения использовали лазеры на рубине и неодимовом стекле с длиной волны генерации, равной 0.694 и 1.06 мкм соответственно.

Опухолевый штамм поддерживали in vivo в асцитном варианте. Опухоль прививали под кожу животных на наружную поверхность бедра задней лапы по общепринятой в экспериментальной онкологии методике [344]. Лечение начинали на 6-ой день после инокуляции опухолевого материала. Размер опухолей на день лечения составлял (4-5) (4-5) мм2.

Животным опытной группы дисперсию КНЧ вводили однократно внутривенно. Ее объем рассчитывали таким образом, чтобы концентрация металла составляла от 7 до 45 мг/кг веса мышей для КНЧ Si02/Ag, 15 мг/кг веса для частиц FeOOH/Au, и 7 и 15 мг/кг веса для частиц FeOOH/Ag.

Перед проведением сеанса облучения животных седировали путем внутримышечного введения дроперидола в дозе, равной 6.25 мг/кг. Спустя разные промежутки времени (в интервале от 2-5 мин до 24 ч) проводили однократный сеанс ИЛГ. Мышам в контрольной группе дисперсии КНЧ не вводили и лазерного воздействия на опухоль не оказывали.

Опухолевый узел облучали, используя следующие параметры лазера: плотность энергии в импульсе - 0.6 Дж/см2, суммарная плотность энергии за сеанс облучения - 60 Дж/см2. Наблюдение за животными проводили в течение 15 дней (в случае частиц Si02/Ag и FeOOH/Ag) или 18 дней (в случае FeOOH/Au), определяя размеры опухоли через примерно равные промежутки времени, начиная с 7-8 дней после облучения.

Противоопухолевый эффект оценивали по торможению роста опухоли (ТРО), вычисленному по формуле: ТРО = ((Тконтроль - Копыт)/Кконтроль) 100%, (2.3) где контроль и Копыт – объемы опухоли у мышей в контрольной и опытной группах соответственно. Минимальным биологически значимым эффектом считали ТРО, равное 50% [344].

Остановимся сначала на результатах исследования термосенсибилизи-рующего эффекта сферических КНЧ Si02/Ag, максимум ЛППР которых находится вблизи 700 нм, в ИЛГ злокачественных новообразований [345]. Оно включало сравнительный анализ противоопухолевой эффективности ИЛГ в присутствии таких КНЧ при разном временном интервале t между их введением и сеансом ИЛГ.

Результаты экспериментов показали, что КНЧ Si02/Ag обладают достаточно высоким термосенсибилизирующим действием в ИЛГ опухолей. При этом величина эффекта закономерно изменяется с ростом как концентрации КНЧ, так и значения t. Так, при высоких концентрациях КНЧ заметный терапевтический эффект наблюдается даже при t = 2-3 мин (рис. 2.41). Видно, в частности, что при максимальной концентрации КНЧ, равной 45 мг Ag/кг, величина ТРО составляет около 80% даже на 14-й день наблюдения (кривая 3 на рис. 2.41). Как следует из данных, представленных в табл. 2.4, увеличение t позволяет снизить дозу КНЧ до 7 мг Ag/кг. При этом наибольшие значения ТРО (94 и 84% на 7-й и 14-й день после сеанса ИЛГ соответственно) регистрируются при t, равном 24 ч. Этот результат вполне логичен с учетом приведенных выше данных по фармакокинетике таких КНЧ (напомним, что t = 24 ч соответствует максимальному накоплению частиц в опухоли).

Таким образом, результаты предварительных экспериментов in vivo свидетельствуют о достаточно высокой эффективности ИЛГ с использованием в качестве термосенсибилизаторов КНЧ Si02/Ag. Терапевтический эффект, очевидно, обусловлен разрушением структурных элементов опухолевого узла и его сосудистой системы вследствие сильного повышения температуры вблизи КНЧ под действием импульсного лазерного излучения

Обратимся теперь к данным, полученным нами при изучении эффективности термосенсибилизирующего действия анизотропных КНЧ в ИЛГ злокачественных новообразований (их анализу посвящена работа [261]). Экспериментальные исследования включали сравнительный анализ противоопухолевой эффективности ИЛГ с использованием частиц двух типов (т.е. с золотой или серебряной оболочкой) при разном временном интервале между их введением и облучением опухоли.

В сеансах ИЛГ применяли конъюгаты ПЭГ и анизотропных КНЧ с расчетной толщиной оболочки 5 или 9 нм (в случае частиц FeOOH/Ag и FeOOH/Au соответственно). Максимум продольного ЛППР в спектре таких наноструктур находится в диапазоне 1040-1050 нм.

Как следует из данных, приведенных в табл. 2.5, в случае КНЧ FeOOH/Au-ПЭГ при интервале времени t между введением КНЧ и облучением, равном 2-5 мин, ТРО не превышает 50%, что говорит о низком противоопухолевом эффекте КНЧ. Очевидно, в данном случае их концентрация в опухоли недостаточна. Увеличение t приводит к существенному ТРО (в ряде случаев значения этого параметра достигают 70% и более на 18-й день после облучения).

Следует, однако, отметить, что разброс величин эффекта ТРО в параллельных опытах (при использовании разных образцов КНЧ) очень велик. На наш взгляд, причиной этого может быть плохая воспроизводимость синтеза КНЧ, обусловленная упоминавшимся выше нуклеацией и ростом новых НЧ золота в процессе формирования Au-оболочки. Четко контролировать содержание этих «побочных» НЧ и, как следствие, концентрацию Аи в результирующем золе КНЧ достаточно сложно. Для оптимизации протокола синтеза частиц FeOOH/Au необходимы дальнейшие эксперименты.

Конъюгаты FeOOH/Ag-ПЭГ характеризуются заметно более выраженным термосенсибилизирующим действием (см. табл. 2.6). Так, сеанс облучения, проведенный спустя 2-5 мин после введения таких КНЧ, обеспечивает терапевтический результат со значениями ТРО 63% на 8-й и 48% на 15-й день после ИЛГ. При увеличении t до 4 ч, что соответствует максимальному накоплению частиц в опухоли, эффективность терапии значительно выше: на 8-й и 15-й день после сеанса значения ТРО составляли 86 и 61% соответственно. Дальнейшее увеличение t ожидаемо приводило к снижению терапевтического эффекта.

Отметим, что при уменьшении концентрации КНЧ до 7 мг/кг наблюдается лишь незначительное снижение эффекта ТРО.

Высокая эффективность сенсибилизирующего действия КНЧ с серебряной оболочкой даже при малых t обусловлена, по-видимому, несколькими факторами. Во-первых, число частиц FeOOH/Ag-ПЭГ в опухоли может быть несколько больше, чем частиц FeOOH/Au-ПЭГ, поскольку выше их концентрация во вводимом гидрозоле с учетом плотности обоих металлов и толщины оболочек КНЧ (напомним, что Hрасч серебряной оболочки составляет 5 нм, т.е. примерно в два раза меньше, чем золотой). Во-вторых, как уже отмечалось, чем меньше толщина оболочки КНЧ, тем больше вклад поглощения в спектр экстинкции частиц.

Таким образом, согласно данным предварительных экспериментов in vivo анизотропные частицы FeOOH/Ag(Au) представляют значительный интерес с точки зрения их использования в качестве термосенсибилизаторов ИЛГ злокачественных новообразований. Очевидно, как и в случае частиц SiCVAg, в основе оказываемого анизотропными КНЧ терапевтического эффекта лежит разрушение структурных элементов опухолевого узла и его сосудистой системы вследствие сильного повышения температуры вблизи поверхности КНЧ. При этом наибольшей эффективностью отличаются структуры FeOOH/Ag.

Мезопористые частицы кремнезема как контейнеры для фталоцианиновых фотосенсибилизаторов

Следует подчеркнуть, что, несмотря на очевидные достоинства МЧК с точки зрения капсулирования фотосенсибилизаторов, активно использовать их с этой целью начали сравнительно недавно27. При этом за редким исключением авторы соответствующих работ ограничиваются лишь демонстрацией самой такой возможности в экспериментах in vitro [205, 271, 359, 360, 461-467]. В то же время какие-либо данные, касающиеся емкости частиц-контейнеров (т.е. количества загруженного в МЧК препарата), в большинстве случаев отсутствуют.

На наш взгляд, эти данные необходимы как для корректной оценки эффективности использования МЧК для доставки фотосенсибилизаторов в опухоль, так и определения оптимальных условий загрузки этих препаратов.

Как уже отмечалось, одной из целей нашей работы являлось получение такой информации с использованием в качестве модели МЧК, синтезированных на темплате из мицелл ЦТАБ, и некоторых фотосенсибилизаторов фталоцианинового ряда, а именно: водорастворимого препарата Фотосенс, представляющего собой смесь натриевых солей ди-, три- и тетрасульфированных производных фталоцианината алюминия и достаточно широко использующегося при ФДТ опухолей [305], а также гидрофобного препарата Фталосенс.

Кроме того мы впервые оценили эффективность использования МЧК, загруженных Фотосенсом, при ФДТ в экспериментах in vivo [306].

Синтез мезопористых частиц кремнезема и исследование их структуры Синтез МЧК проводили по классическому протоколу (подробно он описан в нашей работе [306]), основанному на гидролитической поликонденсации ТЭОС в водно-спиртовом мицеллярном растворе ЦТАБ. Катализатором процесса служила аммиачная вода.

Как следует из представленных на рис. 3.3 данных, этот протокол позволяет получить дисперсии с мономодальным распределением МЧК по размеру. Их средний диаметр составляет примерно 140 нм. Частицы имеют сферическую форму и характеризуются четко выраженной упорядоченной пористой структурой (диаметр пор - примерно 2.5 нм).

По окончании синтеза МЧК отмывали от продуктов реакции с помощью процедуры многократного осаждения/редиспергирования. Полученную дисперсию разделяли на две части. Одну из них оставляли в исходном виде, а другую обрабатывали спиртовым раствором соляной кислоты для вытравливания мицеллярного темплата [306].

Структуру частиц до и/или после удаления ЦТАБ анализировали методами малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР)28, адсорбционной по-рометрии, ИК-фурье-спектроскопии, просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМВР) и термогравиметрии. При этом использовали как водные дисперсии МЧК, так и порошки, полученные путем лиофилизации этих дисперсий или их сушки в вакуумном шкафу.

На рис. 3.4 представлены спектры МУРР (в координатах логарифм интенсивности / - модуль вектора рассеяния s) для образцов дисперсий и порошков МЧК. На кривых 1-3 регистрируются четко выраженные пики, указывающие на регулярную структуру частиц. Основные параметры этой структуры, определенные с помощью программы PEAK [468] путем подгонки гауссовых профилей к дифракционным максимумам на кривых рассеяния с автоматическим учетом наклонного участка фона рассеяния, обусловленного влиянием формфакторов рассеивающих кластеров и других неоднородно-стей плотности, приведены в табл. 3.1. Низкая степень разупорядоченности межплоскостных расстояний ( 0.1) свидетельствует о наличии во всех образцах квазикристаллических областей, диаметр которых близок к размеру частиц SiO2.

Сопоставление полученных результатов с имеющимися в литературе [469, 470] позволяет заключить, что синтезированные нами МЧК характеризуются гексагонально упорядоченной пористой структурой (присущей молекулярным ситам типа MCM-41). При этом все характерные для нее дифракционные пики наблюдаются только в спектре порошка «исходных» МЧК (кривая 1 на рис. 3.4). В то же время в спектре соответствующей дисперсии (кривая 2) регистрируется только один пик, соответствующий отражению от плоскости [100]; это различие связано, на наш взгляд, с существенно меньшим числом МЧК в анализируемом объеме. Удаление ПАВ-темплата из кремнеземной матрицы приводит к сдвигу этого пика в область бльших значений s (кривая 3) и, соответственно, к уменьшению межплоскостного расстояния (табл. 3.1). Этот эффект обусловлен усадкой кремнеземной матрицы в ходе испарения воды [471]. Степень такой усадки достаточно высока, что свидетельствует о низкой жесткости формирующейся силоксановой сетки МЧК. Это вполне ожидаемо для частиц, синтезированных при комнатной температуре (т.е. в условиях, когда степень конденсации групп Si-OH сравнительно невысока).

Согласно данным [472] перевод таких «мягких» МЧК из дисперсии в порошковую форму может сопровождаться существенным искажением их пористой структуры под действием капиллярных сил в процессе удаления воды. Очевидно, именно это и происходит в нашем случае. Как следствие, дифракционные пики в спектре образца, полученного путем сушки МЧК с вытравленным темплатом (кривая 4 на рис. 3.4), полностью отсутствуют.

Анализ такого образца методом низкотемпературной адсорбции азота29 (рис. 3.5) показал, что содержащиеся в нем частицы SiO2 являются мезопористыми и характеризуются достаточно узким распределением пор по размеру (их средний диаметр равен примерно 3.7 нм). Отметим, что удельная площадь поверхности МЧК, вычисленная по методу Брунауэра-Эммета-Теллера, составила всего 400 м2/г, оказавшись заметно меньше значений, обычно регистрируемых для частиц такого типа [366, 369]30. Вероятно, это также связано с частичным разрушением пористой структуры частиц в процессе сушки.

По мнению ряда авторов (см., например, [473]) при удалении темплата прокаливанием на воздухе при высокой температуре также может иметь место некоторая усадка кремнеземной матрицы МЧК вследствие конденсации остаточных силанольных групп в ее структуре; это приводит, в частности, к уменьшению толщины стенок пор. С учетом сказанного выше можно ожидать, что в нашем случае такая усадка будет достаточно заметной. Однако ПЭМВР-наблюдение in situ за изменением морфологии МЧК в процессе их прогрева в диапазоне от 25 до 800С31 показало, что это не так. На приведенных на рис. 3.6 микрофотографиях видно, что сколько-нибудь заметного изменения толщины стенок или размера пор при термообработке МЧК не происходит. Гексагональная упаковка пор также сохраняется.

На рис. 3.7 представлены ИК-фурье-спектры частиц Si02, зарегистрированные в режиме диффузного отражения, до и после удаления темплата. В спектре исходных частиц отчетливо видны две группы полос поглощения в диапазонах 2850-3050 см"1 и 1450-1500 см"1. Первая из них соответствует валентным, а вторая - деформационным колебаниям связи С-Н в углеводородной цепи ЦТАБ32 [474]. Высокая интенсивность этих полос косвенно свидетельствует о значительном содержании темплата в кремнеземной матрице. После обработки МЧК спиртовым раствором соляной кислоты эти полосы исчезают (рис. 3.6б). В то же время полосы, отвечающие колебаниям связей Si-O и Si-OH в силанольных и силоксановых группах (460-1100 см" ), а также широкая полоса вблизи 3500 см"1, характерная для сорбированной воды, присутствуют в спектрах обоих образцов.

На высокое содержание ЦТАБ в кремнеземной матрице МЧК указывают и данные термогравиметрического анализа (рис. 3.8). Видно, что общие потери массы образцом исходных МЧК составляют около 54 % (кривая 1). При этом в диапазоне от 25 до « 150С имеет место десорбция воды; эти потери не превышают 7-8 мас. %33. Основные потери массы (« 43%) наблюдаются в температурном диапазоне, отвечающем деструкции мицеллярного темплата (150-300С). Дальнейший подъем температуры приводит лишь к незначительному (на 2-3%) уменьшению массы образца, обусловленному конденсацией силанольных групп [474]. Согласно расчетам, массовое соотношение ЦТАБ/БЮг в исходных МЧК составляет примерно 0.9.

Результаты ТГА свидетельствуют также, что термодеструкция ЦТАБ, инкапсулированного в МЧК на стадии их темплатного синтеза, начинается при заметно меньшей температуре, чем чистого ЦТАБ. Это связано с различиями в механизме деструкции ПАВ в этих двух случаях [473, 476, 477].