СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ НАНОЧАСТИЦ МАГНЕТИТА
METHOD OF PRODUCING ROD-SHAPED MAGNETITE NANOPARTICLES

Область техники
Изобретение относится к нанохимии и касается способа получения стержневидных наночастиц магнетита, которые могут быть использованы в биомедицине, а именно для диагностики и терапии злокачественных новообразований.
Уровень техники
Магнитные наночастицы (МНЧ) оксидов железа (например, магнетит или маггемит) относятся к важному классу наноструктурных материалов, которые нашли широкое применение в различных областях науки, технологии и биомедицине [Jeong U., Teng X.W., Wang Y., Yang H., Xia Y.N., Adv. Mater. 2007, 19, 33-60, Xu C.J., Sun S.H. Polym. Int. 2007, 56, 821-826, Gupta A.K., Gupta M. Biomaterials 2005, 26, 3995-4021, Lu A.H., Salabas E.L., Schuth F. Angew. Chem., Int. Ed. 2007, 46, 1222-1244]
По сравнению с полупроводниками и металлическими нанокристаллами, МНЧ оксидов железа с несферическими формами демонстрируют наиболее привлекательные анизотропные магнитные свойства [Chen М., Kim J., Liu J.P., Fan H.Y., Sun S.H.J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7132-7133], тем самым, представляя особый интерес для биомедицинских применений.
3
4
2
3
2
4
2
4
2
4
К настоящему времени разработано множество подходов к синтезу магнитных наночастиц различного элементного и фазового состава, включая наночастицы оксидов железа: магнетита FeO [N.V. , et al. Nanotechnologies in Russia, 2015, 570-575], маггемита γ-FeO [Bandhu, S. Sutradhar, S. Mukherjee, J.M. Greneche, P.K. Chakrabarti, Materials Research Bulletin, 2015, 70, 145-154], наночастицы чистых металлов, таких как Fe, Со  Ceramics International, 2015, 41, 11655-11661], ферритов: MgFeO, MnFeO, CoFeO [Santi Phumying et al. Materials Research Bulletin, 2013, 48, 2060-2065] и т.д., а также разнообразных сплавов. Несмотря на более выраженные магнитные свойства наночастиц металлов по сравнению с наночастицами на основе оксидов железа, последние более устойчивы к окислению и менее токсичны [Sun S.Н. & Zeng Н. Size-controlled synthesis of magnetite nanoparticies. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 8204-8205], и поэтому являются наиболее перспективными с точки зрения биомедицинского применения.
с
2
МНЧ оксида железа стержневидной формы представляют особый интерес для биомедицинских применений, в частности для магнитно-резонансной томографии (МРТ) в качестве контрастных агентов. Это обусловлено тем, что наностержни имеют более высокую площадь поверхности, по сравнению с другими формами, а также хорошую анизотропию формы, которая вносит большой вклад в значение коэрцитивной силы (Н). По сравнению, например, с наночастицами сферической формы, индуцированное магнитное поле стержня сильнее и, следовательно, тем сильнее магнитное поле в большом объеме приводит к повышению R релаксации для наностержней.
5
5
5
Из уровня техники известен синтез стержневидных МНЧ методом термического разложения пентакарбонила железа (Fe(CO)) в присутствии олеиновой кислоты и гексадециламина [Н. Haiyan, В. Chen, X. Jiao, Z. Jiang, Z. Qin and D. Chen. Journal of Physical Chemistry C. 2012, 116, 5476-5481]. В процессе синтеза Fe(CO) вначале разлагается и окисляется с образованием монооксида железа (FeO). Тем временем, Fe(CO) реагирует с олеиновой кислотой с образованием олеатного комплекса железа (III). Путем регулирования времени реакции и количества гексадециламина можно получать стержневидные МНЧ различной длины и толщины. Однако, для дальнейшего использования таких стержневидных МНЧ в биомедицинских целях необходима дополнительная модификация их поверхности с целью придания им стабильности в водных средах.
Стержневидные наночастицы магнетита были успешно получены в водной среде при помощи микроволнового облучения акагенита β-FeOOH) в присутствии гидразингидрата в качестве восстановителя при значениях pH от 9.5 до 11.5 и температуре 100°C [I. Milosevic, Н. Jouni, С. David, F. Warmont, D. Bonnin and L. Motte. Journal of Physical Chemistry C. 2011, 115, 18999-19004]. Процесс синтеза состоял из нескольких этапов: 1) получение стержневидных наночастиц прекурсора (β-FeOOH)2) синтез МНЧ из прекурсора под действием микроволнового излучения. Для получения и стабилизации наночастиц стержневидной формы был использован дофамин. В отсутствии последнего, полученные наночастицы имели ограненные формы. Однако, полученные наночастицы обладают невысокой стабильностью и агрегируют при физиологических значениях pH, что не позволяет использовать их для терапии и диагностики злокачественных новообразований.
Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ получения стержневидных МНЧ методом старения в присутствии высокомолекулярного полиэтиленимина [J. Mohapatra, A. Mitra, Н. Tyagi, D. Bahadur and М. Aslam, Nanoscale, 2015, 1-26]. Макромолекулы полиэтиленимина химически адсорбируются на поверхности коротких стержневидных наночастиц магнетита, тем самым предотвращая их агрегацию. Данный способ осуществляется в два этапа, на первом этапе которого путем нагревания раствора соединения железа (хлорида железа (III)) при 80°С в воде в присутствии полиэтиленимина получается прекурсор, который на втором этапе смешивается с олеиламином и нагревается до 200°С в атмосфере инертного газа (аргона) с последующим отделением полученных стержневидных наночастиц. Недостатком известного способа получения стержневидных наночастиц магнетита является то, что полученные наночастицы теряют стержневидную форму после проведения второго этапа, а также то, что такие наночастицы после проведения второго этапа стабильны только в неполярных органических растворителях (гексан, толуол), что обусловливает необходимость проведения дополнительной стадии, заключающейся в стабилизации наночастиц в физиологических условиях. Все это приводит к усложнению, удорожанию и повышению средней продолжительности проводимых работ.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения стержневидных наночастиц магнетита, обладающих стабильностью в водных растворах в физиологических условиях.
Техническим результатом заявляемого технического решения является то, что полученные стержневидные наночастицы магнетита, обладают стабильностью в водных растворах в физиологических условиях и узким распределением наночастиц по размерам (±10 нм). Указанный результат достигается за счет того, что на втором этапе заявляемого способа для восстановления прекурсора используют микроволновое излучение, которое позволяет восстанавливать наночастицы без потери стержневидной формы, а также проводить процесс за меньшее количество времени за счет быстрого равномерного нагрева всего объема раствора с сохранением размеров кристаллов, соответствующих прекурсору (длина и диаметр). Кроме того, получаемые МНЧ стабильны в водных средах без необходимости проведения дополнительной стадии, заключающейся в модификации их поверхности стабилизирующими молекулами.
3+
2+
Поставленная задача решается заявляемым способом получения стержневидных наночастиц магнетита, заключающийся в подготовке водной суспензии прекурсора, представляющего собой стержневидные наночастицы акагенита, в который добавляют восстановитель, характеризующийся наличием двух свободных электронов, в количестве, обеспечивающем восстановление железа Fe до Fe в щелочных условиях, характеризующихся рН=10-14, при воздействии микроволнового излучения, после чего полученный раствор облучают микроволновым излучением при 200±10 Вт и 90°С - 100°С в течение 30±2 сек., далее реакционную массу охлаждают до комнатной температуры, полученный продукт промывают деионизованной водой для удаления непрореагировавших веществ и диспергируют в деионизованной воде при нейтральном рН. При этом процедуру облучения повторяют до 4 раз. В качестве восстановителя предпочтительно использовать соединения из группы гидразинов, а именно гидразин гидрат, хлорид гидрозиния, сульфат гидрозиния для приготовления водных растворов с концентрацией 0,4±0,1 моль/л, при этом на 10 объемных частей суспензии акагенита берут 1±0.5 частей раствора восстановителя. Водная суспензия прекурсора готовится с содержанием [Fe]=0,06±0,01 моль/л и реакцию восстановления железа проводят при рН=10-14.
Облучение раствора микроволновым излучением при 200±10 Вт и 90°С - 100°С в течение 30±2 сек.
Стабильность в физиологических условиях - стабильность растворов МНЧ при температуре 20-40°С, давлении 1 атмосфера, рН 6,5-8.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена микрофотография и гистограммы распределения по размерам полученных МНЧ.
На фиг. 2 показана кривая намагничивания полученных МНЧ.
На фиг. 3 представлена дифрактограмма полученного нанопорошка.
На фиг. 4 представлена микрофотография и гистограммы распределения по размерам полученных МНЧ (пример 2).
На фиг. 5 представлена микрофотография МНЧ при количестве циклов восстановления больше 4.
Осуществление изобретения
Все используемые реагенты являются коммерчески доступными.
Все процедуры, если не оговорено особо, осуществляли при комнатной температуре или температуре окружающей среды, то есть в диапазоне от 18 до 25°С.
Получение прекурсоров - стержневидных НЧ β-FeOOH осуществляют по реакции гидролиза неорганической соли железа (III) (I. Milosevic, Н. Jouni, С. David, F. Warmont, D. Bonnin, L. Motte. J. Phys. Chem. C, 2011, 115 (39), 18999-19004).
3+
2+
Суспензию прекурсора - акагенита с содержанием [Fe]=0,06±0,01 моль/л смешивают с раствором восстановителя, характеризующимся наличием двух свободных электронов в количестве, обеспечивающем восстановление железа Fe до Fe в щелочных условиях при воздействии микроволнового излучения. В качестве восстановителей используют соединения из группы гидразинов, например, гидразин гидрата, сульфат гидразиния, хлорид гидразиния). Раствор восстановителя готовят с концентрацией 0,4±0,1 моль/л, при этом растворы смешивают из расчета что 1±0.5 объемную часть раствора восстановителя берут на 10 частей суспензии акагенита. Доводят рН полученной суспензии до 10-14. После этого реакционную массу переносят в герметично закрытую стеклянную емкость и помещают в реактор для микроволнового синтеза, обеспечивающий равномерный нагрев всего объема раствора.
Полученную суспензию облучают при 200±10 Вт и 90°С - 100°С в течение 30±2 сек. Далее реакционную массу охлаждают до комнатной температуры, и процедуру облучения повторяют от 1 до 4 раз для получения стержневидных наночастиц оксида железа. Полученный продукт черно-коричневого цвета собирают при помощи неодимового магнита, промывают деионизованной водой для удаления непрореагировавших веществ и диспергируют в воде при нейтральном рН. Хранится раствор наночастиц при температуре от +4 до +25°С.
Охлаждение реакционной массы осуществляют при комнатной температуре в течение не менее 15 мин. Для ускорения процедуры охлаждения осуществляют охлаждение при помощи сжатого воздуха компрессора в течение 2-3 мин.
Доведение рН полученной суспензии до 10-14 осуществляют любыми подходящими реактивами, например, гидроксидом натрия, гидроксидом калия, гидроксидом аммония.
Как показали проведенные эксперименты при количестве облучений больше 4 и при времени облучения больше 30 сек наночастицы магнетита теряют стержневидную форму с образованием пластин (фиг. 5).
Возможность реализации заявляемого изобретения показана, но не ограничена, в примерах конкретного выполнения.
Пример 1. Получение стержневидных наночастиц с длиной 40 нм.
3
2
4
2
x
Реагенты и материалы. Хлорид железа (III) (FeCl; 97%), дофамина гидрохлорид (DOPA), гидразин гидрат (NHHO; 50-60%) и гидроксид натрия (NaOH) были приобретены в компании Sigma-Aldrich и использовались далее без дополнительной очистки. Соляная кислота (HCl) была приобретена в компании ООО "СигмаТек".
а) Подготовка прекурсора (стержневидных наночастиц β-FeOOH)
3
10 мл FeCl (0,5 моль/л) было приготовлено и смешано с 10 мл HCl (0,04 моль/л) в двугорлой колбе на 250 мл, снабженной термометром и обратным холодильником. После этого к полученному раствору было добавлено 1,98 мг DOPA, и полученная смесь перемешивалась в течение 10 мин на магнитной мешалке. После этого 180 мл деионизованной воды при температуре 80-90°С было влито в колбу с приготовленным раствором. Полученный раствор перемешивался в течение 2 ч при температуре 80-90°C. По истечении данного времени, раствор был охлажден до комнатной температуры, и значение pH было повышено с 1,35 до 7-8 путем добавления одномолярного (1 моль/л) раствора NaOH. При этом наблюдалось выпадение осадка оранжевого цвета.
Осадок был отделен от раствора путем центрифугирования (6000 об/мин), промыт деионизованной водой (3×50 мл) и диспергирован в воде при нейтральном pH. В итоге была получена оранжевая коллоидная суспензия.
Проведенный рентгеноструктурный анализ нанопорошка свидетельствует о том, что полученный прекурсор является акагенитом  (фиг. 1).
б) Получение стержневидных наночастиц оксида железа на основе прекурсора
2 мл суспензии прекурсора ([Fe]=0,06 моль/л) было смешано с 40 мкл раствора гидразин гидрата (0,4 моль/л) и pH полученной суспензии было доведено до 10,5 одномолярным раствором гидроксида калия. После этого реакционная масса была перенесена в стеклянную пробирку, которая была герметично закрыта и помещена в реактор для микроволнового синтеза Monowave 300.
Полученная суспензия была облучена при 200 Вт и 100°C в течение 30 сек. Далее реакционная масса была охлаждена при комнатной температуре до температуры окружающей среды, и процедура облучения была проведена вновь. В итоге было проведено 4 цикла облучения (20 мин) по схеме, описанной выше. Полученный продукт черно-коричневого цвета был собран при помощи неодимового магнита, промыт деионизованной водой (2×20 мл) и диспергирован в воде при нейтральном pH.
Как видно из приведенной микрофотографии (фиг. 2), полученные наночастицы имеют стержневидную форму и достаточно узкое распределение по размерам (±10 нм). Обработка полученного прекурсора микроволновым излучением не привела к потере стержневидной формы МНЧ.
Проведенное рентгеноструктурное исследование говорит о том, что полученные стержневидные наночастицы состоят из чистой фазы магнетита (фиг. 3).
Пример 2. Получение стержневидных наночастиц магнетита с длиной 20 нм.
3
w
-1
Реагенты и материалы. Хлорид железа (III) (FeCl; 97%), полиэтиленимин (PEI, разветвленный, M≈25000 г * моль) были приобретены в компании Sigma-Aldrich и использовались далее без дополнительной очистки. Деионизованная вода была получена с помощью деионизатора MIlli-Q Water.
а) Подготовка прекурсора (стержневидных наночастиц β-FeOOH).
3
3
Стержневидные наночастицы β-FeOOH были получены путем гидролиза водного раствора FeCl. Для синтеза 20 нм наночастиц акагенита в двугорлой колбе 10 мл раствора FeCl (2 моль/л) было смешано с 10 мл раствора соляной кислоты концентрацией 0,04 моль/л после чего было добавлено 2 мл PEL После этого 100 мл деионизованной воды, предварительно нагретой до 80°C, было влито в реакционную смесь. Температуру реакционной смеси поддерживали на уровне 80°C при интенсивном перемешивании в течение 2 ч для получения стержневидных наночастиц β-FeOOH.
Полученный осадок был отделен от раствора при помощи центрифугирования, промыт деионизованной водой (4×15 мл) и высушен на роторном испарителе.
б) Получение стержневидных наночастиц оксида железа на основе прекурсора 2 мл суспензии прекурсора ([Fe]=0,06 моль/л) было смешано с 40 мкл раствора гидразин гидрата (0,4 моль/л) и pH полученной суспензии было доведено до 12 одномолярным раствором гидроксида натрия. После этого реакционная масса была перенесена в стеклянную пробирку, которая была герметично закрыта и помещена в реактор для микроволнового синтеза Monowave 300.
Полученная суспензия была облучена при 200 Вт и 100°C в течение 30 сек. Далее реакционная масса была охлаждена до комнатной температуры при помощи сжатого воздуха компрессора в течение 2 мин, и процедура облучения была проведена вновь. В итоге было проведено 4 цикла облучения по схеме, описанной выше. Полученный продукт черно-коричневого цвета был собран при помощи неодимового магнита, промыт деионизованной водой (3×50 мл) и диспергирован в воде при нейтральном pH.
Пример 3. Получение стержневидных наночастиц магнетита с длиной 26 нм.
3
w
-1
Реагенты и материалы. Хлорид железа (III) (FeCl; 97%), полиэтиленимин (PEI, разветвленный, M≈25000 г*моль) были приобретены в компании Sigma-Aldrich и использовались далее без дополнительной очистки. Деионизованная вода была получена с помощью деионизатора MIlli-Q Water.
а) Подготовка прекурсора (стержневидных наночастиц β-FeOOH).
3
Стержневидные наночастицы β-FeOOH были получены путем гидролиза водного раствора FeCl). Для синтеза 26 нм наночастиц акагенита в двугорлой колбе 10 мл раствора нитрата железа (III) (2 моль/л) было смешано с 10 мл раствора соляной кислоты концентрацией 0,04 моль/л после чего было добавлено 1,7 мл PEL После этого 100 мл деионизованной воды, предварительно нагретой до 80°C, было влито в реакционную смесь. Температуру реакционной смеси поддерживали на уровне 80°C при интенсивном перемешивании в течение 2 ч для получения стержневидных наночастиц β-FeOOH.
Полученный осадок был отделен от раствора при помощи центрифугирования, промыт деионизованной водой (4×15 мл) и высушен на роторном испарителе.
(б) Получение стержневидных наночастиц оксида железа на основе прекурсора.
2 мл суспензии прекурсора ([Fe]=0,05 моль/л) было смешано с 40 мкл раствора гидразин гидрата (0,4 моль/л) и pH полученной суспензии было доведено до 14,0 одномолярным раствором гидроксида аммония. После этого реакционная масса была перенесена в стеклянную пробирку, которая была герметично закрыта и помещена в реактор для микроволнового синтеза Monowave 300.
Полученная суспензия была облучена при 200 Вт и 100°C в течение 30 сек. Далее реакционная масса была охлаждена до комнатной температуры, и процедура облучения была проведена вновь. В итоге было проведено 4 цикла облучения по схеме, описанной выше. Полученный продукт черно-коричневого цвета был собран при помощи неодимового магнита, промыт деионизованной водой (3×50 мл) и диспергирован в воде при нейтральном pH. Проведенные микроскопические исследования подтверждают образование наночастиц стержневидной формы с длиной 26 нм (фиг. 4).
Пример 4. Проведен аналогично примеру 3, только в качестве восстановителя использовали хлорид гидразиния. Получили наночастицы стержневидной формой с длиной 26 нм и узким распределением по размерам (±6 нм).
Результаты проверки стабильности в водных растворах, полученных наночастиц приведены в табл. 3.