Содержание к диссертации
Введение
1. Введение 5
2. Литературный обзор 10
2.1. Основные типы кристаллических структур оксидов, гидроксидов железа и ферритов 10
2.1.1.Структура гидратированных оксидов 12
2.1.2. Структура оксидов 15
2.1.3. Структура гексаферритов
2.2. Основные методы получения магнитных наночастиц 21
2.3. Стабилизация и поверхностная модификация магнитных наночастиц 2.3.1. Защитные покрытия 36
2.3.2. Неорганические матрицы 39
2.3.3. Органические матрицы 40
2.3.4. Гуминовые вещества 45
2.4. Магнитные свойства наночастиц 48
2.4.1. Механизмы нагрева магнитных частиц 53
2.4.2. Электрические и магнитные свойства соединений на основе оксидов железа... 57
2.4.3. Магнитное упорядочение в материалах на основе оксидов железа 59
2.5. Перспективы применения магнитных наночастиц в медицине 65
2.5.1. Метод гипертермии 65
2.5.2. Адресная доставка лекарств 67
2.5.3. Магнитное сепарирование 71
2.6. Использование мессбауэровской спектроскопии при исследовании соединений на
основе оксидов железа 72
2.7. Биологическая роль и токсичность наночастиц 77
3. Экспериментальная часть 84
3.1. Методы синтеза 84
3.2. Модификация поверхности наночастиц гуминовыми кислотами 87
3.3. Методы исследования 89
4. Обсуждение результатов 96
4.1. Сравнительный анализ экспериментальных методик получения магнитных наночастиц 96
4.1.1. Синтез магнитных наночастиц методом микроэмульсий 96 4.1.2. Синтез магнитных наночастиц методом кристаллизации из стеклообразных матриц 108
4.1.3. Синтез магнитных наночастиц разложением соединений железа в высококипящих неводных растворителях 109
4.1.4. Получение магнитных наночастиц методом соосаждения 113
4.1.5. Синтез магнитных наночастиц пиролизом аэрозолей 117
4.2 Модификация поверхности магнитных наночастиц гуминовыми кислотами 136
4.2.1. Модификация поверхности гуминовыми веществами 137
4.2.2. Измерение агрегативной устойчивости коллоидных растворов 1 4.3. Определение токсичности наночастиц 143
4.4. Магнитная структура и потенциальные применения магнитных наночастиц 1 5. Выводы 154
6. Список литературы 157
- Стабилизация и поверхностная модификация магнитных наночастиц 2.3.1. Защитные покрытия
- Магнитное упорядочение в материалах на основе оксидов железа
- Модификация поверхности наночастиц гуминовыми кислотами
- Синтез магнитных наночастиц разложением соединений железа в высококипящих неводных растворителях
Введение к работе
Актуальность работы. Современные исследования в области неорганической химии и химии твердого тела свидетельствуют о широких перспективах практического использования магнитных наноматериалов. Наиболее ожидаемым является использование наночастиц в биологии и медицине, в частности для гипертермии, векторной доставки лекарств, разделения физиологически-активных веществ, введения магнитных диагностических меток. В связи с этим несомненно актуальной является систематическая разработка новых и оптимизация существующих экспериментальных подходов, воспроизводимо обеспечивающих достижение ряда важнейших характеристик магнитных наночастиц, таких как: заранее заданные химический и фазовый состав, предопределяющие основные структурные, физические и токсикологические особенности наночастиц; размер наночастиц, обуславливающий величину намагниченности насыщения, коэрцитивной силы и возможность проникновения наночастиц в ткани организма; тіт модификации поверхности, определяющей возможность сопряжения с белковыми молекулами или формирования дополнительной защитой оболочки с заданными функциональными характеристиками; анизотропию формы частиц, которая изменяет эффективность магнетокалорического нагрева и гидродинамические условия переноса в кровяном русле и других физиологических жидкостях; мезопористая структура, существенно изменяющая площадь поверхности и сорбционную емкость.
Целью настоящей работы являлось установление физико-химических закономерностей получения биосовместимых магнитных наноматериалов с заданными свойствами на основе оксидов железа (Ш). При этом объектами исследования являлись оксиды и гидратировапные оксиды железа (III), а также ферриты со структурой шпинели ZnFeaO^, LiFe5Og и напокомпозиты на основе магнитных наночастиц с гуминовыми кислотами (ГК).
Для достижения основной цели работы решали следующие задачи:
-
установление оптимальных условий синтеза мапгитпых наноматериалов на основе оксидов железа (ГП) с заданным размером частиц и фазовым составом;
-
изучение микроструктурной организации материалов на основе Fe203, ZnFe204, LiFcjOg, FeOOH в зависимости от предыстории получения;
-
апализ изменений кристаллической структуры, локального кислородного окружения железа, а также магнитной структуры фазы Y-Fe203 с различной предысторией получения в форме папочастиц и их агрегатов;
-
поиск биосовместимых стабилизаторов для получения суспензий магнитных частиц.
Для решения поставленных задач использовали комплекс современных диагностических методов, включая РФА, РЭМ, ПЭМ, ТГА-ДТА, мессбауэровскую спектроскопию, химический анализ, SQUID-магиитометрию, динамическое светорассеяние.
В настоящей работе осуществлены поиск и разработка методов синтеза магнитных наноматериалов на основе оксида железа (Ш), проведена их физико-химическая, микроструктурная аттестация, проанализирована цитотоксичность важнейших образцов. Для большинства существующих методик получения
магнитных наночаствд острой проблемой является предотвращение их агрегации, которая в существенной степепи нивелирует потепциальпые преимущества использования материалов в ультрадисперсном состоянии. Одним из способов решения этой задачи является изоляция наночастиц в инертных матрицах, в которых отги не претерпевают агрегацию, «старение» и могут контролируемо высвобождаться с сохранением химического и фазового состава. В настоящей работе для решения данной проблемы были использованы водорастворимые солевые матрицы. В качестве отдельной задачи рассматривали создание суспензий поверхностно-модифицированных частиц, которые позволяли бы осуществлять их сопряжение с биологически активными молекулами, лекарственными препаратами и т.д. В работе для решения этой задачи использовали гуминовые кислоты -полифупкциональные высокомолекулярные вещества природного происхождения с разветвленной молекулярной структурой.
Научная новизна работы может быть сформулирована в виде следующих положений, которые выносятся на защиту. В частности, в работе впервые:
проведен сравнительный анализ методов получения магнитных наночастиц, включая микроэмульсионный синтез, пиролиз аэрозолей, синтез в высококипящих певодпых растворителях и разложение гидратированных оксидов железа со слоистой структурой; разработаны методики получения изотропных магнитных наночастиц в водорастворимых соляпых капсулах, а также анизотропных магнитных наночастиц;
с помощью мессбауэровской спектроскопии изучепо локальное кислородное окружение железа и магнитные характеристики фазы y-FcjOj с различной предысторией получения в форме наночастиц и их агрегатов; установлены корреляции микроструктурных и магнитных характеристик полученных материалов в зависимости от особенностей их синтеза;
разработана методика получения и изучены физико-химические характеристики нанокомпозитов на основе магнитных папочастиц у-БегОз, стабилизированных гумиповыми кислотами;
исследована биосовместимость нанокомпозитов на основе магнитных наночастиц у-Рс20з и гумиповых кислот, играющих роль стабилизирующих агентов в формировании суспензий магнитных частиц, а также защитной оболочки.
Практическая важность работы определяется тем, что в результате исследований:
проведена оптимизация условий и методов получения магнитных наночастиц с контролируемым составом и микроморфологией с использованием различных приемов химической гомогенизации, а также определены их физико-химические и магнитные характеристики. В частности, разработана оригинальная методика получения инкапсулированных наночастиц оксида железа (III) в нетоксичных водорастворимых грапулах (микрокапсулах), которые можно хранить в течение длительного времени, а при приготовлении суспензии варьировать концентрацию коллоидного раствора и электролитный состав раствора.
осуществлен систематический анализ данных мессбауэровской спектроскопии для магнитных наночастиц с различной агрегатной
структурой, показана эффективность комбинированного подхода по
совместному использованию методов исследования структур ближнего и
дальнего порядка для ультрадисперсных частиц на основе оксида железа
(III). Полученный опыт может быть использован для интерпретации
результатов аналогичных экспериментов в других системах.
- проведена химическая модификация поверхности наночастиц гуминовыми
кислотами. Полученные препараты являются рієтоксичішми и
биосовместимыми, в связи с чем могут найти широкое применение в
медицине.
Работа выполнялась в соответствии с планами проектов РФФИ 04-03-32183-а,
04-03-32827-а, 05-03-08215-офи_а, 07-02-01513-а, а также в рамках федеральной
целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям
развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по
государственному контракту № 02.513.11.3119 «Разработка методик получения
папокомпозитов биомедицинского назначения на основе ферритов с заданными
микроморфологией и магнитными характеристиками»-
Личный вклад автора. Основная экспериментальная часть работы выполнена в 2006-2008 гг. совместно с сотрудниками, аспирантами и студентами факультета наук о материалах и лаборатории пеорганического материаловедения кафедры неорганической химии химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова. В работе использованы материалы, полученные как автором лично, так и в результате сотрудничества: в части использования мессбауэровской спектроскопии для характсризации полученных образцов - с лабораториями проф. И.П. Суздалева (ИХФ РАН) и проф. П.Б. Фабричного (к.х.н. И.А. Пресняков и к.х.н. А.В. Соболев, кафедра радиохимии химического факультета МГУ); в части использования гумиповьгх кислот - в сотрудничестве с лабораторией физической органической химии кафедры органической химии химического факультета МГУ (проф. И.В. Перминова и асп. Т.А. Соркипа); в ходе апализа цитотоксичности полученных образцов - при проведении совместных исследований с лабораторией роста клеток и тканей Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (г. Пушино), к.ф-м.н. Г.А. Давыдовой; анализ магнитных характеристик - с группой д.х.н. П.Е. Казина (каф. неорганической химии химического факультета МГУ), группой в.н.с. В.Н. Никифорова (каф. физики низких температур физического факультета МГУ) и в отделе спектроскопии твердого тела под руководством проф. д.ф-м.н В.Н. Уварова (Институт металлофизики НАНУ Украины).
Публикации и апробация работы. По теме работы имеется 17 публикаций, включая 6 статей в российских и международных журналах. Отдельные части работы представлены на 11 российских и международных конференциях в виде устных и стендовых докладов, в том числе на восьмой Международной конференция по химии твердого тела (Братислава 2008), Московском международном симпозиуме по магнетизму (Москва, 2008), XIV съезде международного гуминового общества (Москва - Санкт-Петербург, 2008), XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007), E-MRS (Страсбург, 2007), ICAS (Москва, 2006), конференции - семинаре «Новые материалы и технологии» (Киев, 2006), па Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2006, 2007, 2008". Обсуждепие результатов работы проводилось с академиком Ю.Д.Третьяковым, в
рамках семинаров лаборатории неорганического материаловедения кафедры неорганической химии химического факультета МГУ, в институте химической физики РАН, в ипститутс проблем фундаментального материаловедения НАНУ (г. Киев). Материалы работы использованы при чтении курса лекций «Функциональные материалы» для 5 курса химического факультета и факультета наук о материалах МГУ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 182 страницах машинописного текста, включая 109 рисупков и 25 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 155 наименований. Работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов и их обсуждения, выводов, списка цитируемой литературы и приложений.
Стабилизация и поверхностная модификация магнитных наночастиц 2.3.1. Защитные покрытия
Вюстит, полученный при обычном атмосферном давлении, является дефицитной по железу фазу Fei_xO со структурой NaCl (Рис. 4 с, с-1), где индекс «1-х» меняется в пределах от 0.83 до 0.95. В структуре вюстита часть ионов Fe2+ замещена ионами Fe3+, так что два иона Fe + замещают три иона Fe2+ с сохранением электронейтральности структуры в целом. Стехиометрический FeO синтезируют из Feo sO и металлического железа при давлении 36 кбар и температуре 770 [9]. При температуре 1000 С состав оксида находится в интервале Feo,9460— Feo,8750, а при более низких температурах приближается к граничному. При 570 С оксид имеет состав Feo,930, а при еще более низких температурах происходит диспропорционирование на а-Ре ТезСч [2], поэтому синтез следует проводить при температурах 570 С с последующей закалкой. При температуре -200 К наблюдается фазовый переход второго рода, и сопровождается возникновением антиферромагнетизма и очень небольшими структурными преобразованиями с понижением симметрии до ромбоэдрической; параметр элементарной ячейки меняется с составом почти линейно, например а = 4,3010 А для 48,56 ат. % железа и дг= 4,281бА для 47,68 ат. % железа. Предполагается, что в структуре закаленных образцов состава Feo.90 вакансии располагаются периодически в виде кластеров (кластеров Коха), окружающих тетраэдрическую пустоту в шаровой упаковке ионов О ", в которую внедряется один из ионов Fe3+; отношение числа вакансий к числу катионов в таких пустотах равно 3,2:1.
Магнетит FeiOj - «смешанный» оксид железа, имеющий структуру обращенной шпинели — [Fe+3]TCTp[Fe+2Fe+3]OKr04; где 1/3 катионов занимает тетраэдрические пустоты в кубической плотнейшей упаковке анионов О2", а равные количества катионов Fe2+ и Fe3+ располагаются в октаэдрических пустотах (Рис. 46, 46-2). Магнетит часто нестехиометричен, а подрешетка Fe111 является катиондефицитной. В стехиометричном магнетите соотношение между двухвалентным и трёхвалентным железом Fe /Fe111 = 0.5 [10]. Железо со степенью окисления Fe2+ может быть частично или полностью быть замещено на другие двухвалентные ионы, например Zn, Mg, Mn, Ni и.т.д., встраивание «гостевых» ионов в структуру возможно из-за гибкости кислородного каркаса, который может либо «растягиваться», либо «сжиматься» в зависимости от размера замещающего катиона. у-РегОт__(маггемит) имеет, как и магнетит [Fe+3]reTp[Fe+2Fe+3]0fa04, структуру обращенной шпинели с параметром кубической элементарной ячейки 0.834 нм, где часть ионов Fe+2 заменяют катионные вакансии. Каждая элементарная ячейка маггемита содержит 32 иона О2", 21 1/3 - ионов Fe+3 и 2 1/3 вакансий. Восемь катионов занимают тетраэдрические позиции, а оставшиеся случайным образом распределены в октаэдрических позициях. Вакансии образуются только в октаэдрических позициях. Это дает основания записать формулу в виде [Feg][Fei3.3O2.67]032 (гДе о — вакансии).
Для синтетического у-РегОз часто является характерной сверхструктура, возникающая в результате катионного и, следовательно, вакансионного упорядочения [11]. Степень упорядочения вакансий зависит от размера кристаллита, природы реагентов и количества Fe+2 в структуре. Было обнаружено, что при окислении синтезированных кристаллов РезС 4 размером 200 нм возможно получение промежуточных продуктов реакции окисления Fe304 в y-Fe203 с уменьшающимся числом ионов Fe+2. При образовании твёрдых растворов магнетит/маггемит происходит изменение параметра кубической ячейки от 0,8338 до 0,8389 нм. Промежуточные продукты окисления имели такую же кристаллическую структуру и морфологию, как и исходные вещества. Интермедиат с наибольшей долей ионов Fe (Fe /(Fe + Fe ) = 0.30-0.19) имел примитивную кубическую решётку. Его структура похожа на структуру феррита лития.. LiFesOs, в котором присутствуют октаэдрические позиции двух типов. Первый тип позиций содержит распределенные случайным образом 12/з ионы Fe+3 и 22/з вакансии, соответственно, на каждую элементарную ячейку. Позиции второго типа содержат 12 ионов Fe+3 и отвечает формуле FesfFei 1/302 2/зРеі2]Озг, в последнем члене формулы, в маггемите, позиции лития занимают 1 /з ионов Fe+ и 22/з вакансий: Вид формула варьируется от FesIII[FeI п/зПгг/зРе1 іг]Оз2 (неразупорядоченная структура) - до Fe8in[Fen2C]2Femi2]032- В такой структуре, вакансионное упорядочение с числом вакансий 2 /з на элементарную ячейку невозможно из-за нецелого числа вакансий. Поэтому необходимым является утроение ячейки вдоль оси, что приводит к тетрагональному маггемиту и к формуле Fe24UI[FeIH 4оП8]09б- Тетрагональную элементарную ячейку с параметром а — 0,833 нм и с = 2,501нм (то есть с = За) маггемита, иногда считают упорядоченной формой, а кубическую — разупорядоченной. Необходимо заметить, что в дополнение к маггемиту без вакансионного упорядочения существует кубическая фаза маггемита с упорядочением [12].
Если частицы реагента для синтеза магнетита малы ( 100нм), то кристаллизуется кубический маггемит. Госс и сотр. в 1988 году обнаружили, что при окислении наночастиц при-200 С наблюдается образование твёрдого раствора магнетит/маггемит, что свидетельствует о присутствии иона Fe+2, в то время как при 500С магнетит был полностью окислен и имел примитивную кубическую решётку маггемита с вакансионным упорядочением. Маггемит, получаемый из гётита, гематита и магнетита, имеет тетрагональную элементарную ячейку. Последняя стадия процесса лимитируется диффузией кислорода по поверхности довольно больших (200нм) кристаллов Fe304; эти кристаллы достаточно велики для того, чтобы произошло полное упорядочение вакансий.
Некоторые авторы утверждают, что маггемит может содержать до 2% воды (протоны занимают вакантные октаэдрические места), которые частично могут быть замещены на ионы Na+ и К+ [13]. В связи с чем предлагают записывать формулу как «HFejOg». Присутствие воды может стабилизировать структуру, в которой содержание катионных вакансий достаточно высоко. В статье [12] отмечается, что маггемиты, получаемые из ОН-содержащих реагентов, а именно из лепидокрита [y-FeOOH] (нагреванием в интервале температур 180 С — 250 С) и из гётита [a-FeOOH] и ферригидрита (нагреванием с сахаром в интервале температур 300 С — 400 С) содержали ОН группы в количестве от 0,83 до 2,34 на каждую элементарную ячейку, в то время как маггемиты, полученные из магнетитов, имели 0,16 — 0,58 ОН групп на каждую элементарную ячейку.
Нестехиометрические магнетиты являются промежуточными структурами между стехиометрическим магнетитом (Fe.O.) и маггемитом (y-Fe203), и образуют непрерывный ряд промежуточных соединений со структурой обращенной шпинели и могут быть получены окислением магнетита по следующей схеме: Fe A[Fe Fe ]в04 -- Fe A[(Fe , 35 Fe 13Л Fe 55 Vg]B O4 ". Здесь А и В — тетраэдрическая и октаэдрическая 2+ 3+ подрешетки, V — катионная вакансия, (Fe ,35Fe 13g) — пары катионов в В-подрешетке, участвующие в парном двойном электронном обмене (по Вервею), 5 - параметр нестехиометрии, принимающий значения от 0 до 1/3 при переходе от Fe304 до y-Fe20„. Нейтронографическими исследованиями, а также низкотемпературными измерениями намагниченности установлено, что катионные вакансии статистически беспорядочно распределены по В-подрешетке [14]. Как было сказано выше, структуры у-РегОз и Рез04 легко могут быть трансформированы друг в друга. Осторожным окислением Рез04 можно получить у-РегОз, который переходит обратно в РезОд при нагревании в вакууме до температуры 250С. Фазовые соотношения в системе железо — кислород в зависимости от температуры приведены на Рис. 5.
Магнитное упорядочение в материалах на основе оксидов железа
Золь-гель метод синтеза магнитных наночастиц заключается в формировании коллоидного раствора (золя) содержащего исходные компоненты, образование геля и удаления растворителя. [37] Золь формируется при гидролитической полимеризации солей металлов, металлоорганических соединений, алкоголятов. В статье [38] авторы рассматривают способ получения суперпарамагнитных наночастиц у-БегОз в защитной матрице SiC 2, которая к тому же используется в ряде случаев для химической модификации поверхности наночастиц. Для получения композита РегОз-БЮг тетраэтоксисилан был смешан с раствором нитрата железа в этаноле, и результате реакций гидролиза и конденсации формировались частицы золя быстро переходящие, на воздухе, в гель, который подвергался отжигу при температуре 400С. К недостаткам золь-гель метода можно отнести токсичность алкоголятов и их дороговизну, а также возможность загрязнения конечного продукта карбонатными и другими углеродсодержащими фазами, образующимися при термическом разложении органических соединений.
Криохимический метод
Криохимический метод синтеза состоит в быстром замораживании водно-солевых растворов с последующим сублимационным обезвоживанием полученных криогранул. Тем самым соблюдается с высокой точностью первоначальное соотношение компонентов в растворе. Варьируя физико-химическое состояние замораживаемого раствора (например, рН), а также условия проведения процессов замораживания и последующего сублимационного обезвоживания, можно активно влиять на гомогенность синтезируемого солевого прекурсора. Основным требованием к солевой системе относят её достаточно высокую растворимость и возможность при терморазложении получить оксиды без образования промежуточных жидких фаз. К ряду «универсальных» солевых систем относятся нитраты, однако прямое их использование в криохимическом синтезе сопряжено с некоторыми трудностями, особенно это относится к солям многозарядных катионом (Fe3+, Cr3+, Sn4+). Главной причиной является интенсивный гидролиз их водных растворов, приводящий к появлению значительных количеств свободной азотной кислоты, образующей с водой ряд низкотемпературных эвтектик (-66.3 С и ниже), что не позволяет осуществить сублимационной обезвоживание из-за плавления замороженных растворов и нарушения однородности системы за счёт процессов кристаллизации. Mn+(N03)n+H20 - M(OH)(N03)n-i+HN03 (2) Использование приёма обработки нитратных растворов анионообменной смолой в ОН" форме приводит к обмену нитрат ионов на гидроксильные ионы анионита и к частичной нейтрализации раствора, сопровождаемой образованием устойчивых коллоидных растворов. Получаемые таким образом золи являются очень перспективными для дальнейшего использования в криохимическом синтезе. Использование комбинации золь-гель и криохимического методов синтеза привели к возникновению нового метода синтеза получившего название «криозоль» - метод. [39-40]
При обработке соли анионитом в ОН" форме наблюдается контролируемое смещение ионного гидролитического равновесия AnOH+N03"- AnN03+OH- (3) При этом происходит, как было сказано выше, частичная нейтрализация раствора, дальнейшее смещение гидролитического равновесия и формирование гидроксополимеров с высокой степенью полимеризации т ОН"+Н+- Н20, (4) Mn+(OH)(N03)„.i+H20 Mn+(OH)2(N03)n.2+HN03, (5) лі[М(ОН)2] "2) -» [М(ОН)х]т+("-х)т+ (2-х)тОК (6)
Полученные таким образом коллоиды более стабильны по сравнению с системами, формируемыми при осаждении. Так гидроксид железа (III) получается при осаждении нитрата железа Fe(N03)3 аммиаком при рН=2.2-2.3, тогда- как коллоидный раствор Fe(OH)3, полученный с использованием анионного обмена, сохраняет стабильность до рН=4.0 благодаря значительному снижению ионной силы раствора в ходе ионного обмена [41].
В работе [42] описан способ получения высокодисперсного a-Fe203. Раствор нитрата железа Fe(N03)3 подвергался обработки анионитом в ОН" форме, при этом происходило образование устойчивой системы коллоидных частиц с последующим образованием цепочечных линейных полимерных структур. Сублимационное обезвоживание последнего приводит к получению рентгеноаморфного порошка, отжиг которого позволяет получить гематит с размером ОКР 20 нм.
Гидротермальный .метод
Гидротермальный метод позволяет производить синтез в условиях повышенных температур и давлений [42]. В качестве растворителей помимо воды применяются также растворы некоторых кислот, оснований и солей. Варьирование таких параметров синтеза, как температура, давление, время гидротермальной обработки, рН, позволяет существенно влиять на микроморфологию, состав и степень кристалличности получаемого продукта. К сожалению, данный метод не всегда даёт возможность синтезировать соединения требуемых структурных типов, однако высокая экстрактивная способность воды как растворителя в гидротермальных условиях позволяет использовать его для химической и структурной модификации фаз, полученных другими методами химической гомогенизации. В работе [43] авторы показали возможность селективной экстракции элементов на примере предварительно полученного литиевого манганита состава ЬігМпОз. В результате гидротермальной обработки при температуре 140 С в присутствии H2SO4 происходит экстракция Li+ из структуры и деламинирование крупных кристаллитов за счет частичной эрозии материала и изменения параметров решетки (Рис.7.).
Модификация поверхности наночастиц гуминовыми кислотами
В качестве органических полимерных матриц используются такие соединения, как хитозан [72], полисахариды [73-75], белки [76], полистирол [77], поливиниловый спирт и др. Необходимо отметить, что для биомедицинского использования выбираются частицы сферической формы (микросферы) на основе различных полимеров. Различают три различных типа микросфер (Рис. 23.) которые синтезируются как из природных компонентов, так и искусственных (синтетических), причём выбор реагентов обуславливается спецификой применения таких частиц (Табл.4) [78]. К природным биодеградируемым микросферам чаще всего относятся полисахариды (например, декстран), белки, а для производства искусственных полимеров обычно используют стирол, 4- винилпиридин, 2-гидроксиэтилметакрилат и др.
Большинство полимерных микросфер, которые получаются из полисахаридов и белков, содержат функциональные группы NH2, СООН, SH/OH, которыми они пытаются прикрепиться либо непосредственно сразу после их активации, либо после введения специальной «ножки». Такие микросферы обычно проявляют гидрофильные свойства, при контакте с водой набухают, а также биодеградируемы. Искусственные микросферы в особенности базирующиеся на полистироле гидрофобны, не разбухают в водной среде и устойчивы к биодеградации. Химически активные или функциональные микросферы синтезируются с применением двух методов — сополимеризацией функциональных мономеров или функционализацией заранее полученных микросфер (Рис. 24.). Предшественник мономера
Необходимо отметить, что при сополимеризации образующийся продукт может иметь состав, отличный от состава исходной мономерной смеси (например в результате различной растворимости мономеров). Даже если состав совпадает с составом исходной мономерной смеси, образование полимерной фракции в ходе процесса сополимеризации растянуто во времени и это может приводить к нарушению порядка расположения функциональных групп и формированию продукта с новыми свойствами. В основе получения гидрофобных микросфер лежит полимеризация эмульсии типа «масло в воде», что успешно использовалось для инкапсулирования предварительно полученных магнитных частиц [79], в частности, при синтезе наночастиц магнетита в полистирольной матрице.
Для получения устойчивого коллоидного раствора магнетита в стироле, предварительно полученные 10 нм наночастицы БезС покрывались «шубой» из олеиновой кислоты (ПАВ 1). Такой липофильный коллоидный раствор эмульсицировался в воде при помощи второго ПАВ 2 - додецилсульфата натрия, при этом образовывалась стабильная эмульсия, где частицы магнетита оставались диспергированными в каплях мономера, а кислота находилась на границе раздела РезО стирол. Нагревание системы приводит к инициированию процессов полимеризации и на выходе формировались 100 нм шарики полистирола с внедрёнными внутрь частицами магнетита (Рис. 25.).
В работе [80] предложен способ получения магнитных поли(метилметакрилат-дивилилбензол-глицидилметакрилат) микросфер (Рис. 26.), с использованием сополимеризации в распыляемой суспензии метил метакрилата, дивинилбензола и глицидил метакрилата в присутствии предварительно полученного магнетита, покрытого оболочкой из олеиновой кислоты. Масляная фаза, состоящая из магнетита, метилметакрилата, дивилилбензола, глицидилметакрилата и бензоила пероксида распылялась, через распылительное сопло с размерами пор 100 мкм под давлением 0.15 МПа, в водный раствор поливинилового спирта, где образовывались однородные капельки, которые полимеризовались в течение часа при перемешивании. Дальнейшая модификация магнитных микросфер этилендиамином, позволяет хорошо связывать белки и различные ферменты, за счёт содержащихся на поверхности аминных групп.
Получение магнитных микросфер с использованием распыления сополимеризационной суспензии Синтез магнитных наночастиц магнетита в органических водорастворимых полимерах, обычно заключается в соосаждении солей железа Fe(III) и Fe(II) в присутствии основания и полимера при перемешивании [73, 74]. В статье [81] проведено сравнение микроморфологии (Рис. 27.) частиц РезСч, покрытых двумя различными полимерами (декстраном и поливиниловый спиртом (ПВС)). К водному раствору смеси солей хлоридов железа Fe + и Fe2+ добавлялся раствор 20 (% масс.) полимера в воде и выдерживался при температуре 60 С, 15 мин. К полученной «железно»-полимерной смеси при перемешивании добавлялся по каплям водный раствор аммиака до рН = 11.5. Конечная суспензия была диализирована и промыта водой до рН = 6.5.
Частицы магнетита, полученные в присутствии декстрана, демонстрируют образование кластероподобных агрегатов, тогда как использование ПВС приводит к формированию ожерелье - подобных цепей (Рис. 27. б, с ) длиной 100-200 нм.
В работе [75] описывается способ получения мезопористых наночастиц магнетита диаметром -170 нм. Для этого, предварительно были получены отрицательно заряженные карбоксил стабилизированные полистирольные (ПС) латексные шарики со средним диаметром 130 нм. К раствору этилового спирта в присутствии ПС частиц и гексаметилентетраамина добавлялся FeCh, смесь нагревалась до 80 С в атмосфере азота и выдерживалась при данной температуре 3 часа. Полученный осадок прокаливали в течение 3-х часов в атмосфере азота для удаления полистирола, в результате получались пористые полые частицы магнитной фазы с размерами пор 15-30 нм (Рис. 28). В результате наночастицы были модифицированы амино- либо карбоксильными группами для придания частицам положительного или отрицательного заряда соответственно [75]. Рис. 28. Изображения ПЭМ (А) и РЭМ (В) пористых магнитных полых наночастиц Fe304
Гуминовые вещества представляют собой сложные смеси устойчивых к биодеструкции высокомолекулярных органических соединений природного происхождения, образующихся при разложении растительных и животных остатков под воздействием микроорганизмов и абиотических факторов среды [82]. Их содержание в почвах составляет 60-80% от общего органического вещества, в торфах и углях оно колеблется от 20-90%. Синтез гуминовых веществ происходит по принципу естественного отбора наиболее устойчивых к биоразложению структур. Формула гипотетического структурного фрагмента ГК почв, предложенная Кляйнхемпелем [83], приведена на (Рис. 29.). Данная формула наиболее полно отражает как стохастический (дендритоподобный) характер строения ГВ, так и набор возможных структурных фрагментов, входящих в их состав.
Синтез магнитных наночастиц разложением соединений железа в высококипящих неводных растворителях
На протяжении многих лет вопрос об использовании температурных воздействий при лечении злокачественных опухолей оставался дискуссионным. В литературе неоднократно приводились случаи замедления или остановки роста злокачественных опухолей у человека и даже их полного исчезновения после инфекционных заболеваний, протекающих с высокой температурой.
Метод гипертермии основан на искусственном разогреве опухоли при использовании тех или иных воздействий. При нагреве опухоли происходит изменение целого ряда биохимических процессов в опухолевых клетках (нарушение синтеза нуклеиновых кислот и белка, замедляется тканевое дыхание), что приводит к увеличению чувствительности опухоли к воздействию противоопухолевых лекарственных препаратов и ионизирующего излучения. Способы реализации гипертермии классифицируются по типу источника тепла и цели нагрева. Основные используемые источники тепла подразделяются на три группы: контактные нагретые жидкости, внешние бесконтактные нагреватели (ультразвук, радиочастотные и инфракрасные излучатели), а также вводимые внутренние нагреватели (зонды, оптические лазерные волокна, вещества-медиаторы).
Выделяют 3 режима гипертермии: когда опухоль разогревается до 38-40 С, возможно усиление ее роста; при достижении температурного интервала 40-42 С происходит сенсибилизация опухоли к химиопрепаратам и ионизирующему излучению; при разогреве опухоли свыше 43-44 С наблюдается гибель опухолевых клеток. Экспозиционные режимы повреждения опухоли составляют: при 42 С - 120 мин, при 43 С - 60 мин, при 44 С - 30 мин, при 45 С - всего 15 мин. Таким образом, при проведении гипертермии необходимо четко контролировать не только температуру, но и время нагрева. Необходимо отметить, что здоровые клетки и ткани обладают, как правило, гораздо большей устойчивостью к температурным воздействиям.
В настоящее время применение ультразвука и электромагнитных излучателей эффективно и доступно, однако ни один из этих способов не может произвести адресное тепловое воздействие на глубоко залегающие злокачественные новообразования, не затронув при этом окружающие здоровые ткани. Поэтому дальнейшее развитие гипертермии немыслимо без исследований в области применения веществ-медиаторов — биосовместимых магнитных жидкостей. Магнитные наночастицы, входящие в их состав, нагреваются за счёт наложения переменных электромагнитных полей, как было описано выше [109]. Однако необходимо точно учитывать диапазон применяемых частот: нельзя применять частоты ниже 50 кГц из-за возможной стимуляции мышечных сокращений, также частота не должна превышать 10МГц, в противном случае не будет достигаться требуемая глубины проникновения поля.
Мощность нагревания частиц определяется количественно как скорость абсорбции энергии, или удельная абсорбция энергии (УАЭ) и соответствует количеству энергии, преобразованной при нагреве до высоких температур в единицу времени для единицы массы [ПО]. Допустимыми диапазонами частот и амплитуд являются:/= 0.05 - 1.2 МГц и Н — 0 -15 кА-м", а в работах группы Аткинсона было сделано эмпирическое заключение, что локальное воздействие переменными электромагнитными полями амплитудой Н и частотой f, для которых произведение Нх/не превышает 4.85 -108 A-м с"1, безопасно для пациента и не вызывает нежелательных последствий [111].
Впервые в работе [112] были получены частицы декстан - магнетита, которые использовались при лечении крыс с опухолями молочной железы. 100 мг магнетита, диаметр частиц около б нм, вводили в хвостовую вену крыс в течение 10 мин и через 48 часов проводили их обработку переменным магнитным полем частотой 0.45 МГц в течение 12 минут. Температуру опухоли измеряли термометром во время резекции опухоли (хирургическое иссечение опухоли), которую проводили сразу после. прекращения нагрева. Температура повышалась на +8 С за 12 минут, при этом опухоли у 11 из 12 животных некротировались.
Н.А. Брусенцовым (РОНЦ РАМН) был создан магнитоуправляемый препарат — декстранферрит, который нашёл широкое применение в лечении онкологических заболеваний (в частности, в магнитной гипертермии злокачественных опухолей) [113]. Были найдены способы введения в молекулу декстрана активных групп и на их основе синтезированы производные, вступающие в различные химические реакции.
Японские исследователи для проведения гиперпермии в качестве магнитных наночастиц использовали модифицированные липосомы [114]. Было показано, что они хорошо адсорбируются в опухолевых клетках, благодаря их взаимодействию с клеточной мембраной. Мышам с 15 мм опухолью (ММ 46) вводились магнитные частицы размером 10 нм, затем они подвергались воздействию переменного магнитного поля частотой 118 кГц в течение 30 минут. В результате проведения гипертермии наблюдался некроз опухоли (Рис. 41.). Рис. 41. фотографии мыши: а) до воздействия внешного магнитного поля; б) контрольная мышь на 45 день; с) мышь после гипертермии на 45 день. Видно, что без проведения гипертермии наблюдается рост опухоли.
На сегодняшний день в методе магнитной гипертермии остаются нерешенными проблемы, связанные с поддержанием в объёме опухоли строго определённой температуры (в диапазоне 42-45 С) в течение сеанса гипертермии, а также чёткого регулирования температуры при использовании феррожидкостей, которые не являлись бы токсичными. Однородность и контролируемость нагрева необходимого участка можно добиться двумя способами: использованием монодисперсных магнитных наночастиц или применением соединений с температурой Кюри 42-45 С.
Адресную доставку лекарств обычно проводят с использованием активного или пассивного целевого воздействия. Активное целевое воздействие осуществляется с помощью физического фактора, например, магнетизма. Пассивное воздействие осуществляется с использованием частиц для опознания (например, антител), распознающих конкретные целевые клетки [115-116].
Для доставки лекарств используют различные нанообъекты: наночастицы и нанокапсулы. При применении наночастиц лекарственный препарат ковалентно присоединяется к их поверхности, внедряется или адсорбируется через отверстия магнитного носителя (полимера, мезопористой двуокиси кремния) [117]. В нанокапсулах лекарственный препарат может быть заключен в водную или масляную полость, окружен органической мембраной или инкапсулирован в полую неорганическую капсулу. К нанокапсулам часто относят липосомы, которые представляют собой полые пузырьки, оболочки которых состоят из жировых соединений. Липосомы - так называемые фосфолипидные наночастицы - имеют высокое сродство к мембранам клеток по сравнению с твердым биодеградируемым полимерным наночастицам [118-119], что и позволяет им проникать внутрь клетки. Липосома обычно содержит лекарственное вещество или во внутреннем объеме или в двойном фосфолипидном слое (Рис.42.).
