Способ получения модифицированных кристаллов магнетита
METHOD OF PRODUCING MODIFIED MAGNETITE CRYSTALS

3
4
Изобретение относится к области неорганической химии и касается способа получения модифицированных кристаллов магнетита (FeO), содержащих на поверхности смесь липидов, что дает возможность в дальнейшем адсорбировать на поверхности кристаллов нуклеиновые кислоты для их селективной доставки в живой организм.
Известен способ получения модифицированных кристаллов магнетита путем смешения дисперсии кристаллов магнетита сферической формы, имеющих размер 26-38 нанометров (нм), в хлороформе с раствором, содержащим смесь 1,2-диолеоил-3-триметиламмоний-пропана и холестерина в хлороформе, добавления в полученную смесь дистиллированной воды, обработки смеси ультразвуком, удаления хлороформа и повторной обработки смеси ультразвуком (Namiki Y, Namiki Т, Yoshida Н, Ishii Y, Tsubota A, Koido S, Nariai K, Mitsunaga K, Yanagisawa S, Kashiwagi H, Mabashi Y, Yumoto Y, Hoshina S, Fujise K, Tada N. A novel magnetic crystal-lipid nanostructure for magnetically guided in vivo gene delivery // Nature Nanotechnology. 2009. V. 4, P. 598-606).
Данный способ получения модифицированных кристаллов магнетита имеет такие признаки, совпадающие с существенными признаками предлагаемого технического решения, как смешение кристаллов магнетита со смесью холестерина и липида в хлороформе, затем добавления в нее воды и обработки полученной смеси ультразвуком.
Известен способ получения модифицированных кристаллов магнетита путем диспергирования сферических кристаллов магнетита, имеющих диаметр 4-11 нм, в хлороформе под действием ультразвука, добавления в дисперсию раствора дипальмитоилфосфатидилхолина, выпаривания хлороформа из смеси в инертной атмосфере, удаления остаточного растворителя в вакуумной камере, добавления фосфатного буферного раствора, нагрева смеси до 50°С и обработки ее ультразвуком (Gonzales М. & Krishnan K.М. Synthesis of magnetoliposomes with monodisperse iron oxide nanocrystal cores for hyperthermia// Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2005. V. 293, P. 265-270).
Данный способ получения модифицированных кристаллов магнетита имеет такие признаки, совпадающие с существенными признаками предлагаемого технического решения, как смешение кристаллов магнетита с хлороформом и липидом с последующей обработкой полученной смеси ультразвуком.
Наиболее близким к заявляемому является известный способ получения модифицированных кристаллов магнетита путем смешения 138 мас. ч. кристаллов магнетита с размером 23-27 нм и 1 мас. ч. смеси холестерина, 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфохолина, 1,1'-(2-(4-(2-((2-(бис(2-гидроксидодецил)амино)этил)(2-гидроксидецил)амино)этил)пиперазин-1-ил)этилазанедиил)дидодекан-2-ола и липида на основе полиэтиленгликоля-2000, имеющего химическое название 1,2-димиристоил-sn-глицеро-метокси(полиэтиленгликоль)-2000, взятых в массовом соотношении 15:7:75:3, соответственно, сначала с 60000 мас. ч. хлороформа, затем с 82240 мас. ч. N-метил-2-пирролидона, обработки смеси ультразвуком в течение 0,5-7,0 ч с мощностью ультразвука 116-580 Вт, удаления хлороформа и добавления в нее воды объемом 400-600% от объема смеси с последующим диализом полученной дисперсии против воды в течение 24-48 ч в диализном мешке с размером пор 25-50 килодальтон (кДа) и отделением модифицированных кристаллов магнетита (методом центрифугирования), описанный в патенте RU №2656667, МПК С30В 29/16 (2006.01), 2017 - прототип.
Недостатком известного способа является его относительная сложность и длительность, а также то, что при диспергировании полученных кристаллов магнетита в воде полученная дисперсия недостаточно устойчива, т.е. обладает относительно низкой продолжительностью хранения (1 месяц), после чего гидродинамический размер частиц увеличивается за счет агрегации, что при использовании таких частиц уменьшает уровень адсорбции нуклеиновых кислот на модифицированных частицах, что ведет к непригодности таких частиц для их биологического применения.
Техническая проблема изобретения заключается в разработке способа получения модифицированных кристаллов магнетита, лишенного вышеуказанных недостатков.
Технический результат изобретения заключается в упрощении способа получения модифицированных кристаллов магнетита и повышении продолжительности их хранения без увеличения гидродинамического размера частиц.
Технический результат достигается следующим образом, когда в способе получения модифицированных кристаллов магнетита, включающем смешение 138 мас. ч. кристаллов магнетита с размером 23-27 нм с 1 мас. ч. смеси холестерина, 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфохолина, 1,1'-(2-(4-(2-((2-(бис(2-гидроксидодецил)амино)этил)(2-гидроксидецил)амино)этил)пиперазин-1-ил)этилазанедиил)дидодекан-2-ола и липида на основе полиэтиленгликоля-2000, взятых в массовом соотношении 15:7:75:3, соответственно, вначале с 60000 мас. ч. хлороформа, затем с водой, обработку смеси ультразвуком и отделение кристаллов магнетита, в качестве липида на основе полиэтиленгликоля-2000 используют аммонийную соль 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфоэтаноламин-N-[амино(полиэтиленгликоля)-2000] и проводят обработку смеси ультразвуком в течение 20-60 мин с использованием помещенного в смесь ультразвукового щупа.
Предлагаемый способ является новым и не описан в патентной и научно-технической литературе.
Способ получения используемых в предлагаемом техническом решении кристаллов магнетита размером 23-27 нм, определенным с помощью просвечивающей электронной микроскопии, описан в нашем патенте RU №2668440, МПК С30В 29/16 (2006.01), 2017. Такие кристаллы могут быть получены путем смешения октадецена с олеатом железа (III) или ацетилацетонатом железа (III) в диапазоне концентраций 0,02-0,10 моль/л, олеиновой кислотой и олеатом натрия в диапазоне концентраций 0,02-0,10 моль/л и 0,06-0,30 моль/л соответственно, нагрева смеси до 70°С и ее выдерживания при этой температуре в течение 30 мин, повторного нагрева смеси в атмосфере инертного газа с 70°С до 320°С со скоростью от 2 до 6°С/мин, ее выдерживания при этой температуре в течение 25-60 мин и охлаждения смеси до комнатной температуры в течение 30-120 мин, проводимыми в атмосфере инертного газа, введения в систему осадителя изопропанола объемом 200-400% от объема реакционной смеси, отделения кристаллов магнетита, их диспергирования в неполярном высококипящем органическом растворителе, выбранном из группы, включающей дибензиловый эфир, октадецен и триоктиламин, до достижения концентрации 3,20-15,5 мг/мл по магнетиту в присутствии олеиновой кислоты и олеата натрия с концентрациями в диапазоне 0,02-0,10 моль/л и 0,06-0,30 моль/л соответственно, нагрева полученной дисперсии до температуры 290-350°С в атмосфере инертного газа со скоростью 2-6°С/мин с последующим введением в нагретую дисперсию по каплям раствора олеата железа (III) в неполярном высококипящем органическом растворителе с концентрацией 0,04-0,50 моль/л в течение 1-10 ч и охлаждения дисперсии до комнатной температуры в течение 30-120 мин, проводимыми в атмосфере инертного газа, повторного введения в систему изопропанола и отделения магнетита
Следует отметить, что в предлагаемом способе можно использовать любой немодифицированный холестерин. Синтез 1,1'-(2-(4-(2-((2-(бис(2-гидроксидодецил)амино)этил)(2-гидроксидецил)амино)этил)пиперазин-1-ил)этилазанедиил)дидодекан-2-ола описан (Love, K.Т. et al. Lipid-like materials for low-dose, in vivo gene silencing// Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010. V. 107, P. 1864-1869). Реагент 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфохолин коммерчески доступен (http://www.echelon-inc.com/index.php?module=Products&func=detail&id=618). Аммонийная соль 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфоэтаноламин-N-[амино(полиэтиленгликоля)-2000] также коммерчески доступна (https://avantilipids.com/product/880128). Однако использование данного соединения для получения модифицированных смесью липидов кристаллов магнетита по предложенной более простой методике в научно-технической литературе не описано.
В предложенном техническом решении модифицированные кристаллы магнетита получают путем смешения 138 мас. ч. кристаллов магнетита с размером 23-27 нм с 1 мас. ч. смеси холестерина, 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфохолина, 1,1'-(2-(4-(2-((2-(бис(2-гидроксидодецил)амино)этил)(2-гидроксидецил)амино)этил)пиперазин-1-ил)этилазанедиил)дидодекан-2-ола и аммонийной соли 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфоэтаноламин-N-[амино(полиэтиленгликоля)-2000], взятых в массовом соотношении 15:7:75:3, соответственно, вначале с 60000 мас. ч. хлороформа, затем с водой, обработки смеси ультразвуком и отделения кристаллов магнетита методом центрифугирования. Следует отметить, что вышеуказанный размер немодифицированных кристаллов магнетита и его оптимальное массовое соотношение со смесью вышеуказанных липидов, оптимальное соотношение каждого из липидов в их смеси, а также оптимальное массовое соотношение кристаллов магнетита, смеси липидов и хлороформа были установлены экспериментально. Также экспериментально была определена оптимальная продолжительность обработки смеси ультразвуком 20-60 мин с использованием ультразвукового щупа. Если в предлагаемом способе в качестве липида на основе полиэтиленгликоля-2000 применять не используемою нами аммонийную соль 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфоэтаноламин-N-[амино(полиэтиленгликоля)-2000], а описанное в прототипе соединение 1,2-димиристоил-sn-глицеро-метокси(полиэтиленгликоль)-2000, то получать модифицированные кристаллы по более простой и короткой схеме не удается из-за агрегации частиц на стенках реакционного сосуда.
В процессе получения модифицированных кристаллов магнетита количество вводимой воды может варьироваться и составлять, например, 100-200% от объема хлороформа. В данном техническом решении выбор в качестве растворителя хлороформа обусловлен тем, что он обладает относительно низкой температурой кипения и впоследствии может быть легко удален из реакционной смеси в процессе ее обработки ультразвуком, сопровождающимся нагревом смеси.
В предложенном техническом решении используют не традиционную ультразвуковую баню, в которой ультразвук неизбежно рассеивается и значительная часть энергии ультразвуковых волн не попадает в реакционную систему, а помещенный в смесь ультразвуковой щуп, что позволяет существенно повысить эффективность воздействия ультразвука на реакционную смесь и, следовательно, уменьшить его мощность. При этом мощность ультразвукового щупа может варьироваться и составлять, например, 20-100 ватт (Вт). Экспериментально определенная оптимальная продолжительность обработки смеси ультразвуком в этих условия составляет 20-60 мин, поскольку при меньшей продолжительности обработки в смеси может сохраниться остаточный хлороформ, а при продолжительности обработки более 60 мин возможен перегрев смеси, приводящий к нежелательной агрегации частиц. При этом следует отметить, что сравнивать мощности ультразвука при использовании традиционной ультразвуковой бани и помещенного в смесь ультразвукового щупа некорректно ввиду различия их воздействия на смесь.
Отделять модифицированные кристаллы магнетита можно различными способами, например, путем центрифугирования, магнитной декантации и т.д. Модифицированные кристаллы магнетита можно хранить в водных средах в закрытой стеклянной емкости, например, при 4°С. Коллоидную стабильность дисперсии модифицированных кристаллов магнетита в водных растворах, т.е. отсутствие агрегации частиц в процессе хранения, определяют с использованием прибора Zetasizer NanoZS, позволяющего наблюдать за измерением гидродинамического размера частиц. В этих условиях продолжительность хранения модифицированных кристаллов магнетита без изменения составляет не менее 3 месяцев.
Преимущества предложенного способа иллюстрируют следующие примеры.
Пример 1
345 мг (138 мас.ч.) кристаллов магнетита с размером 25 нм и 2,5 мг (1 мас. ч.) смеси холестерина, 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфохолина, 1,1'-(2-(4-(2-((2-(бис(2-гидроксидодецил)амино)этил)(2-гидроксидецил)амино)этил)пиперазин-1-ил)этилазанедиил)дидодекан-2-ола и аммонийной соли 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфоэтаноламин-N-[амино(полиэтиленгликоля)-2000], взятых в массовом соотношении 15:7:75:3, соответственно, смешивают вначале с 100 мл (60000 мас. ч.) хлороформа и 100 мл воды, после чего полученную смесь обрабатывают в течение 40 мин ультразвуком с использованием помещенного в дисперсию ультразвукового щупа мощностью 50 Вт, затем модифицированные кристаллы отделяют методом центрифугирования. Полученные модифицированные кристаллы магнетита хранят в водной среде в закрытой стеклянной емкости при 4°С. В этих условия продолжительность хранения модифицированных кристаллов магнетита без увеличения их гидродинамического размера составляет 5 месяцев.
Пример 2
172,5 мг (138 мас. ч.) кристаллов магнетита с размером 23 нм и 1,25 мг (1 мас. ч.) смеси холестерина, 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфохолина, 1,1'-(2-(4-(2-((2-(бис(2-гидроксидодецил)амино)этил)(2-гидроксидецил)амино)этил)пиперазин-1-ил)этилазанедиил)дидодекан-2-ола и аммонийной соли 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфоэтаноламин-N-[амино(полиэтиленгликоля)-2000], взятых в массовом соотношении 15:7:75:3, соответственно, смешивают вначале с 50 мл (60000 мас. ч.) хлороформа и 75 мл воды, после чего полученную смесь обрабатывают в течение 20 мин ультразвуком с использованием помещенного в дисперсию ультразвукового щупа мощностью 80 Вт, затем модифицированные кристаллы отделяют методом центрифугирования. Полученные модифицированные кристаллы магнетита хранят в водной среде в закрытой стеклянной емкости при 4°С. В этих условия продолжительность хранения модифицированных кристаллов магнетита без увеличения их гидродинамического размера составляет 5 месяцев.
Пример 3
690 мг (138 мас. ч.) кристаллов магнетита с размером 27 нм и 5 мг (1 мас. ч.) смеси холестерина, 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфохолина, 1,1'-(2-(4-(2-((2-(бис(2-гидроксидодецил)амино)этил)(2-гидроксидецил)амино)этил)пиперазин-1-ил)этилазанедиил)дидодекан-2-ола и аммонийной соли 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфоэтаноламин-N-[амино(полиэтиленгликоля)-2000], взятых в массовом соотношении 15:7:75:3, соответственно, смешивают вначале с 200 мл (60000 мас. ч.) хлороформа и 400 мл воды, после чего полученную смесь обрабатывают в течение 60 мин ультразвуком с использованием помещенного в дисперсию ультразвукового щупа мощностью 100 Вт, затем модифицированные кристаллы отделяют методом магнитной декантации. Полученные модифицированные кристаллы магнетита хранят в водной среде в закрытой стеклянной емкости при 4°С. В этих условия продолжительность хранения модифицированных кристаллов магнетита без увеличения их гидродинамического размера составляет 5 месяцев.
Таким образом, из приведенных примеров видно, что предложенный способ действительно существенно упрощает известный способ получения модифицированных кристаллов магнетита за счет сокращения продолжительности способа и устранения таких стадий синтеза, как введение в реакционную систему N-метил-2-пирролидона и диализ полученной смеси в течение 24-48 ч, а также повышает продолжительность хранения модифицированных кристаллов магнетита без увеличения их гидродинамического размера с 1 до 5 месяцев.