Способ получения магнитной жидкости
METHOD OF PRODUCING MAGNETIC FLUID

Изобретение относится к области коллоидной химии и может быть использовано для получения магнитных жидкостей, применяемых в медицине для адресной доставки лекарственных препаратов в требуемые органы живых организмов, термического воздействия на отдельные участки органов и визуализации с использованием магниторезонансной томографии.
3
2
4
2
Известен способ получения магнитной жидкости (RU 2208584, «Способ получения магнитной жидкости», МПК C01G 49/08, H01F 1/28, опубл. 20.07.2003), заключающийся в том, что FeCl⋅6HO и FeSO⋅7HO растворяют отдельно в дистиллированной воде, растворы смешивают и затем 6%-ный водный раствор аммиака наливают до pH 11, промывают и отделяют образовавшийся осадок коллоидного магнетита, стабилизируют магнетит в водном растворе уксусной кислоты при 90°C и перемешивают с помощью поверхностно-активного вещества (ангидриды жирных кислот в растворе жирных кислот), предварительно нагретого до 90°C, обрабатывают при (50-70)°C стабилизированный магнетит сначала с неполярным растворителем, а затем с полярным растворителем, контролируя при этом полноту удаления железа и поверхностно-активного вещества.
Такой способ является сложным из-за большого числа технологических операций, энергозатратным и дорогостоящим из-за необходимости поддержания повышенной температуры для проведения химических реакций в течение длительного времени.
3
2
4
2
Известен способ получения магнитной жидкости (CN 101763930, «Improved ferroferric oxide magnetic fluid and method for preparing same», МПК H01F 1/44, H01F 41/00, опубл. 30.06.2010), заключающийся в том, что приготавливают водный раствор солей FeCl⋅6HO и FeSO⋅7HO, взятых в концентрации (0,8-5,2) моль/л и (0,4-2,6) моль/л соответственно, объемом (10-100) мл, помещают раствор в трехгорлую колбу, добавляют аммиак до достижения pH (9-10), вакуумируют колбу, заполняют колбу азотом, добавляют аммиак для получения его массовой концентрации в растворе (25-28)%, производят реакцию при постоянном перемешивании при температуре (70-100)°C в течение (1-4) ч, промывают последовательно этанолом и деионизованной водой до достижения pH 7, распределяют полученные частицы в объеме (100-300) мл, добавляют цитрат натрия в концентрации (0,05-3,00) моль/л или азотную кислоту в концентрации 0,4-6,0 моль/л, производят реакцию при комнатной температуре при постоянном перемешивании в течение (0,5-2) ч, промывают последовательно этанолом и деионизованной водой до достижения pH 7.
Такой способ является сложным и дорогостоящим из-за необходимости проведения технологических операций в атмосфере инертного газа по причине длительного времени протекания химических реакций, энергозатратным из-за необходимости поддержания повышенной температуры для проведения химических реакций и перемешивания в течение длительного времени.
Наиболее близким к заявляемому является способ получения магнитных жидкостей (CN 104465008, «Magnetic fluid preparation method for DNA purification», МПК C12N 15/10, H01F 1/44, опубл. 25.03.2015), заключающийся в том, что приготавливают водный раствор хлорида железа-II, хлорида железа-III и аммиака, добавляют тетраэтоксисилан при постоянном перемешивании в течение (5-9) ч, при помощи магнитного поля отделяют осадок от раствора, распределяют полученный осадок в деионизованной воде, добавляют полиэфиримид, проводят ультразвуковую обработку в течение (5-12) ч, при помощи магнитного поля отделяют осадок от раствора, сушат осадок, растирают в порошок и распределяют в деионизованной воде. Полученная магнитная жидкость обладает высокими магнитными свойствами и может быть использована для быстрого выделения и очистки молекул ДНК.
Такой способ является длительным из-за необходимости проведения технологических операций перемешивания в течение (5-9) ч и ультразвуковой обработки (5-12) ч и дорогостоящим по причине длительного времени использования установок ультразвуковой обработки и перемешивания, также в связи с использованием дорого исходного сырья, а именно хлорида железа-II.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа получения магнитной жидкости, позволяющего обеспечить технический результат, заключающийся в сокращении длительности способа и снижении затрат на получение магнитной жидкости.
Сущность способа получения магнитной жидкости заключается в том, что приготавливают водный раствор солей железа и аммиака, добавляют тетраэтоксисилан, проводят очистку раствора магнитных частиц от избытка тетраэтоксисилана путем формирования осадка воздействием магнитного поля на раствор магнитных частиц, отделения осадка от раствора магнитных частиц, помещения и распределения осадка в дистиллированной воде, и далее проводят ультразвуковую обработку полученного раствора магнитных частиц, при этом водный раствор солей железа приготавливают из хлорида железа-III и сульфата железа-II и в него добавляют (5-15) об. % водного раствора аммиака, перед добавлением тетраэтоксисилана по меньшей мере пять раз проводят очистку раствора магнитных частиц от избытка аммиака путем формирования осадка воздействием магнитного поля на раствор магнитных частиц, отделения осадка от раствора магнитных частиц, помещения и распределения осадка в дистиллированной воде, добавляют тетраэтоксисилан в количестве (1,5-2,5) об. %, а обработку ультразвуком полученного раствора магнитных частиц проводят в течение (2,5-7,5) мин посредством диспергатора.
Использование для получения водного раствора солей железа сульфата железа-II, в отличие от используемого в прототипе хлорида железа-II, позволяет снизить затраты на проведение способа и получить качественную магнитную жидкость в связи с тем, что вводятся дополнительные операции удаления избытка аммиака путем проведения не менее пяти раз следующих действий: формирования осадка воздействием магнитного поля на полученный раствор магнитных частиц, отделения осадка от раствора магнитных частиц, помещения осадка в дистиллированную воду, которые позволяют удалить из раствора магнитных частиц ненужные примеси, появляющиеся в результате использования сульфата железа-II. Таким образом, использование сульфата железа-II позволяет значительно снизить затраты на получение магнитной жидкости.
Добавление водного раствора аммиака в раствор солей железа (в способе по прототипу раствор получают смешиванием всех трех компонентов) позволяет обеспечить однородность распределения исходных веществ во всем реакционном объеме раствора, в результате чего магнитные частицы, образующиеся после добавления водного раствора аммиака, имеют малые размеры.
Проведение очистки от избытка аммиака перед добавлением тетраэтоксисилана обеспечивает pH 7 в растворе магнитных частиц, в результате чего скорость гидролиза тетраэтоксисилана с образованием аморфного диоксида кремния снижается по сравнению с таким процессом в способе по прототипу. Это обеспечивает после добавления тетраэтоксисилана в раствор магнитных частиц их взаимодействие таким образом, что тетраэтоксисилан формирует оболочку, препятствующую слипанию магнитных частиц. Это достигается без проведения дополнительных операций по добавлению вещества (полиэфиримида) для образования полимерной оболочки, что обусловливает сокращение временных затрат на проведение способа, т.к. формирование оболочки из тетраэтоксисилана при перемешивании происходит в течение не более 30 мин.
Сокращение времени проведения ультразвуковой обработки также обусловлено тем, что магнитные частицы малого размера, покрытые оболочкой из тетраэтоксисилана, не требуют длительного воздействия ультразвуком, что позволяет сократить дорогостоящую операцию и, соответственно, сократить стоимость способа.
Способ поясняют следующие чертежи:
Фиг. 1 - кривая перемагничивания магнитных частиц, полученных из магнитной жидкости.
Фиг. 2 - рентгеновская дифрактограмма магнитных частиц, полученных из магнитной жидкости.
Фиг. 3 - электронная микрофотография магнитных частиц, полученных из магнитной жидкости.
Фиг. 4 - динамика содержания железа в различных органах крыс после введения магнитной жидкости.
Фиг. 5 - показатели органной микроциркуляции при введении магнитной жидкости.
Способ осуществляют следующим образом.
3
2
4
2
Приготавливают в дистиллированной воде раствор неорганических солей железа: хлорида железа-III (FeCl⋅6HO) и сульфата железа-II (FeSO⋅7HO), взятых в молярном соотношении 2:1 соответственно.
После достижения растворения солей в раствор добавляют водный раствор аммиака в количестве (5-15) об. %.
Проводят очистку полученного раствора магнитных частиц от избытка аммиака по меньшей мере пять раз, осуществляя следующие действия:
формируют осадок воздействием магнитного поля на полученный раствор магнитных частиц;
отделяют осадок от раствора магнитных частиц;
помещают осадок в дистиллированную воду.
2
5
4
В полученный раствор магнитных частиц добавляют тетраэтоксисилан (ТЭОС (CHO)Si) в количестве (1,5-2,5) об. %.
Проводят перемешивание раствора магнитных частиц в течение (5-30) мин.
Проводят очистку полученного раствора магнитных частиц от избытка тетраэтоксисилана, повторно осуществляя следующие действия:
формируют осадок воздействием магнитного поля на полученный раствор магнитных частиц;
отделяют осадок от раствора магнитных частиц;
помещают осадок в дистиллированную воду.
Полученный раствор магнитных частиц подвергают ультразвуковой обработке с использованием диспергатора в течение (2,5-7,5) мин.
Добавление водного раствора аммиака в количестве (5-15) об. % обусловлено тем, что при добавлении менее 5 об. % часть солей железа не вступает в химическую реакцию с образованием магнитных частиц. При добавлении более 15 об. % очистка от избытка аммиака потребует более 5 повторений из-за большего количества аммиака, не вступившего в реакцию.
Проведение очистки полученного раствора магнитных частиц от избытка аммиака повторяют по меньшей мере пять раз в связи с тем, что при числе повторений менее пяти показатель pH раствора магнитных частиц может составлять более 7, что приведет к ускорению процесса гидролиза тетраэтоксисилана и изменению свойств раствора магнитных частиц. Увеличение числа повторений свыше пяти не приводит к дальнейшему изменению показателя pH, при этом повышая расход сырья для осуществления очистки полученного раствора магнитных частиц от избытка аммиака.
2
5
4
Добавление тетраэтоксисилана (ТЭОС (CHO)Si) в количестве (1,5-2,5) об. % обусловлено тем, что при добавлении менее 1,5 об. % тетраэтоксисилана недостаточно для формирования оболочки на максимальном количестве магнитных частиц. При добавлении более 2,5 об. % возрастает объем избыточного тетраэтоксисилана, что приводит к увеличению расхода сырья и затрат на удаление избытка тетраэтоксилана из раствора магнитных частиц.
Перемешивание раствора магнитных частиц проводят после добавления тетраэтоксисилана в течение (5-30) мин в связи с тем, что формирование оболочки тетраэтоксисилана на всех магнитных частицах может быть не завершено. При перемешивании более 30 мин находящийся в растворе магнитных частиц избыточный тетраэтоксилан формирует образования, которые приводят к слипанию магнитных частиц.
Проведение ультразвуковой обработки с использованием диспергатора в течение (2,5-7,5) мин обусловлено тем, что при длительности ультразвуковой обработки менее 2,5 мин не успевает завершиться разбиение скоплений магнитных частиц с оболочкой, образовавшихся в растворе. Проведение ультразвуковой обработки в течение более 7,5 мин нецелесообразно в связи с тем, что этого времени достаточно для разбиения скоплений магнитных частиц с оболочкой, и дальнейшая обработка приводит к разогреву магнитной жидкости и изменению ее свойств.
3
2
4
2
Пример 1. Растворяли в 50 мл дистиллированной воды 2 г FeCl⋅6HO и 1 г FeSO⋅7HO. Добавляли 5 мл водного раствора аммиака. Перемешивали полученный раствор в течение 1 мин. Проводили очистку раствора от избытка аммиака пять раз, осуществляя следующие действия: формировали осадок из магнитных частиц воздействием магнитного поля постоянного магнита Nd-Fe-B индукцией 0,2 Тл на полученный раствор, отделяли осадок от раствора магнитных частиц, сливая надосадочную жидкость, помещали осадок в дистиллированную воду. Добавляли ТЭОС в количестве 1 мл. Перемешивали полученный раствор магнитных частиц механически в течение 5 мин. Проводили очистку полученного раствора магнитных частиц от избытка тетраэтоксисилана пять раз, осуществляя следующие действия: формировали осадок воздействием магнитного поля постоянного магнита Nd-Fe-B индукцией 0,2 Тл на полученный раствор магнитных частиц, отделяли осадок от раствора магнитных частиц, сливая надосадочную жидкость, помещали осадок в дистиллированную воду. Проводили УЗ-обработку раствора магнитных частиц с использованием диспергатора акустической мощностью 130 Вт при амплитуде колебаний зонда 50% в течение 5 мин, получая магнитную жидкость. Полученная магнитная жидкость, как видно из Фиг. 1, обладает магнитными свойствами. Вид зависимости удельного магнитного момента от напряженности магнитного поля соответствует суперпарамагнитным частицам оксида железа. На Фиг. 2 приведена рентгеновская дифрактограмма магнитных частиц, показывающая, что химический состав частиц соответствует магнетиту. На Фиг. 3 приведена электронная микрофотография магнитных частиц, характеризующая их размеры, составляющие около 10 нм.
3
2
4
2
Пример 2. Растворяли в 100 мл дистиллированной воды 4 г FeCl⋅6HO и 2 г FeSO⋅7HO, из полученного раствора забирали 1 мл. Добавляли 100 мкл водного раствора аммиака. Перемешивали полученный раствор механически в течение 30 секунд. Проводили очистку раствора магнитных частиц от избытка аммиака пять раз, осуществляя следующие действия: формировали осадок из магнитных частиц воздействием магнитного поля постоянного магнита Nd-Fe-B индукцией 0,2 Тл на полученный раствор магнитных частиц, отделяли осадок от раствора магнитных частиц, извлекая надосадочную жидкость микродозатором, помещали осадок в дистиллированную воду. Добавляли тетраэтоксисилан в количестве 20 мкл. Перемешивали полученный раствор ротационной мешалкой в течение 5 мин. Проводили очистку полученного раствора магнитных частиц от избытка тетраэтоксисилана пять раз, осуществляя следующие действия: формировали осадок воздействием магнитного поля постоянного магнита Nd-Fe-B индукцией 0,2 Тл на полученный раствор магнитных частиц, отделяли осадок от раствора магнитных частиц микродозатором, помещали осадок в дистиллированную воду. Разбавляли дистиллированной водой до концентрации 0,7 мг/мл (3 ммоль/л). Проводили УЗ-обработку раствора с использованием диспергатора акустической мощностью 130 Вт при амплитуде колебаний зонда 50% в течение 5 мин.
Полученную магнитную жидкость разбавляли до концентрации 0,7 мг/мл раствором хлорида натрия концентрацией 0,9 мас. % (физиологический раствор) и вводили крысам в объеме 2 мл. Полученная гистограмма, отражающая динамику содержания экзогенного железа, приведена на Фиг. 6, откуда следует, что магнитная жидкость может быть использована для адресной доставки лекарственных средств в миокард.
3
2
4
2
Пример 3. Растворяли в 50 мл дистиллированной воды 2 г FeCl⋅6HO и 1 г FeSO⋅7HO. Добавляли 5 мл водного раствора аммиака. Перемешивали полученный раствор механически в течение 1 мин. Проводили очистку раствора магнитных частиц от избытка аммиака пять раз, осуществляя следующие действия: формировали осадок из магнитных частиц воздействием магнитного поля постоянного магнита Nd-Fe-B индукцией 0,2 Тл на полученный раствор магнитных частиц, отделяли осадок от раствора магнитных частиц, извлекая надосадочную жидкость микродозатором, помещали осадок в дистиллированную воду. Добавляли ТЭОС в количестве 1 мл. Перемешивали полученный раствор в течение 30 мин с использованием орбитального шейкера. Проводили очистку полученного раствора магнитных частиц от избытка тетраэтоксисилана пять раз, осуществляя следующие действия: формировали осадок воздействием магнитного поля постоянного магнита Nd-Fe-B индукцией 0,2 Тл на полученный раствор магнитных частиц, отделяли осадок от раствора магнитных частиц, сливая надосадочную жидкость, помещали осадок в дистиллированную воду. Проводили УЗ-обработку раствора с использованием диспергатора акустической мощностью 100 Вт при амплитуде колебаний зонда 100% в течение 5 мин.
Полученную магнитную жидкость разбавляли до концентрации 0,7 мг/мл раствором хлорида натрия концентрацией 0,9 мас. % (физиологический раствор) и вводили крысам в объеме 2 мл. Динамика показателей органной микроциркуляции при введении магнитной жидкости приведена на Фиг. 5, откуда следует, что введение магнитной жидкости приводит к селективному накоплению магнитных частиц в миокарде, а также не ухудшает показатели органной микроциркуляции, что может быть использовано для адресной доставки лекарственных средств в миокард.
Предложенный способ получения магнитной жидкости позволяет сократить длительность процесса и снизить затраты на получение магнитной жидкости.