Синтез наноразмерных частиц с магнитными свойствами для биомедицинских целей

Синтез наноразмерных частиц с магнитными свойствами для биомедицинских целей

Г.П. Александрова, Л.А. Грищенко, С.А. Медведева, А.В. Тьков,

Л.П. Феоктистова, А.Н. Сапожников, Т.И. Вакульская, В.В. Тирский,

А.Л. Семенов, Е.Ф. Мартынович, Б.Г. Сухов, Б.А. Трофимов

Иркутский институт химии СО РАН, Иркутск, 664033, Россия Иркутский институт геохимии СО РАН, Иркутск, 664033, Россия Лимнологический институт СО РАН, Иркутск, 664033, Россия Иркутский филиал Института лазерной физики СО РАН, Иркутск, 664033, Россия

Разработан способ получения устойчивые нетоксичные наноразмерныгх частиц на основе магнетита и природного полисахарида арабиногалактана, обладающих свойствами как полисахаридной матрицы, так и специфическими свойства магнетита. Подобные материалы в настоящее время чрезвычайно востребованы в медицине и биологии для создания управляемые композиционные материалов.

The synthesis of nanoparticles possessing magnetic properties for biomedicine purposes

G.P. Aleksandrova, L.A. Grischenko, S.A. Medvedeva, A.V. T’kov, L.P. Feoktistova, A.N. Sapozhnikov,

T.I. Vakul’skaya, V.V. Tirskii, A.L. Semenov, E.F. Martynovich, B.G. Sukhov, and B.A. Trofimov

A method for the preparation of stable nontoxic particles possessing the properties of both polysaccharide matrix and magnetite has been developed on the basis of magnetite and natural polysaccharide (arabinogalactan). At the present time such materials are of great demand in medicine and biology for the designing of controlled composites.

1. Введение

Важным направлением развития магнитофармако-логии является создание новых магнитных носителей для магнитоуправляемых и магнитоконтрастных терапевтических средств. В настоящее время ферроколлоиды с медико-биологическими свойствами выпускаются рядом зарубежных корпораций, например, Ferrofluidics corporation. В России магнитные носители для медицинских целей в промышленных условиях не производятся [1]. Управляемые магнитные композиционные материалы используются при локальной гипертермии опухолей, при разделении клеточных смесей, для повышения эффективности лекарственной терапии, для очистки костного мозга от опухолевых клеток [2]. Создание лекарственных препаратов, обладающих направленным действием, остается основной, требующей решения проблемой фармакологии. Одним из перспективных подходов является получение магнитных субстанций на основе биосовместимых наноразмерных композитных

материалов. Наноразмерные эффекты в этих материалах позволяют, например, легко сочетать такие обычно трудносовместимые свойства, как растворимость в различных растворителях с суперпарамагнетизмом и другими специфическими магнитными явлениями. Развитие этого направления исследований привело в последнее время к созданию высоковостребованных магнитных нанопорошков, нанонаполнителей, растворимых магнитов, магнитных жидкостей. Однако до сих пор для наноразмерного материаловедения крайне актуальна проблема комплексного, одновременного решения таких важных задач, как агрегативная устойчивость (малое время жизни) магнитных наночастиц, широкая дисперсность, биосовместимость (токсичность).

Одним из возможных и перспективных путей решения этой проблемы является использование полимеров в качестве стабилизаторов образующихся частиц. В качестве полимерной составляющей гибридных нанобиокомпозитов используют природные высокомолекуляр-

© Александрова Г.П., Грищенко Л.А., Медведева С.А., Тьков А.В., Феоктистова Л.П., Сапожников А.Н., Вакульская Т.И., Тирский В.В., Семенов А.Л., Мартынович Е.Ф., Сухов Б.Г., Трофимов Б.А., 2004

ные вещества, в качестве неорганических предшественников — оксиды железа, за счет которых нанобиокомпозиты приобретают магнитные свойства. Целью исследования является создание устойчивых нетоксичных на-норазмерных частиц на основе магнетита за счет использования полимерной основы природного полисахарида арабиногалактана и характеристика их магнитных свойств.

2. Методы и объект исследования

Синтез железосодержащего производного арабино-галактана — ферроарабиногалактана — проведен методом химической конденсации по описанной ранее методике [3]. Выход порошкообразного производного составил 82 % по отношению к арабиногалактану, содержание в них железа определено методом атомно-абсорбционной спектроскопии и составило 3.53 % (элементный состав, найдено %: С 37.44; Н 6.72).

Рентгенографическое исследование проводили на дифрактометре ДРОН-3.0 с CuKа-излучением (Ni-фильтр) и с FeK а р -излучением. Определение параметра элементарной ячейки выполнили методом внутреннего стандарта по отражению (311), в качестве стандарта использовали кварц (а = 4.9126 A, b = 5.4044 А).

Образец был исследован с помощью сканирующего электронного микроскопа SEM 525M фирмы PHILIPS, при пробоподготовке на поверхность образца напылялась пленка золота. Магнитные исследования выполнены баллистическим методом на оригинальной лабораторной установке. ЭПР-спектр снят на приборе SE/X-2547 Радиопан.

3. Результаты исследования

Нами разработан новый общий подход к синтезу наноструктурных композитов, где в роли органической фазы выступает уникальная стабилизирующая полимерная матрица—доступный природный полисахарид ара-биногалактан, а в качестве металлосодержащего ядра — полимерные ферритовые структуры. Ферроарабинога-лактаны [4], как и все металлопроизводные арабинога-лактана, получаются с высоким выходом (до 92 %). Содержание железа в полученных образцах нанокомпозитов, в зависимости от условий получения, может изменяться в пределах 0.35-5.10 % [4]. Важной особенностью такого подхода становится получение субстанции с высокой степенью диспергирования и долговременного удержания ее в этом состоянии за счет свойств высокомолекулярной составляющей. Для получения железосодержащих производных была использована реакция взаимодействия солей железа с аммиаком в среде водного раствора арабиногалактана. В процессе получения высокодисперсных материалов большую роль играет степень диспергирования частиц, в нашем случае происходило формирование частиц полиядерных форм

гидратированного оксида железа общей формулы Fe3O4 п Н20 [3]. Совершенно очевидно, что в этом случае мы имеем дело с ультрадисперсными полимерными частицами гидратированного оксида железа, которые в силу своей размерности должны обладать высокой поверхностной энергией. Закономерное стремление системы к самопроизвольному уменьшению свободной энергии может сопровождаться адсорбцией на поверхности молекул или атомов из дисперсионной среды. Взаимодействие между арабиногалактаном и наночастицами гидратированного оксида железа происходит вследствие активных свойств поверхности последних и приводит к образованию стабильной системы. Полимерный раствор арабиногалактана при этом, адсорбируясь на поверхности дисперсных частиц, препятствует их агрегации. Он является средой, активно влияющей на размеры формирующихся в результате химической конденсации частиц новой фазы. В присутствии макромолекул происходит образование и стабилизация частиц размером в единицы нанометров, причем распределение частиц по размерам в ряде случаев оказывается очень узким [5].

Ферроарабиногалактан был исследован методами УФ- и ИК-спектроскопии. Присутствие железа (II, III) подтверждается и характером УФ-спектра ферроараби-ногалактана, который имеет широкую интенсивную ниспадающую кривую поглощения в области 240360 нм, и подобен УФ-спектру водного раствора хлорида железа (III). Данные ИК-спектроскопии свидетельствовали об отсутствии структурных превращений в макромолекуле самого арабиногалактана: спектры арабино-галактана и ферроарабиногалактана оказались идентичными. То есть можно было предполагать, что химическое воздействие в результате реакции не привело к глубокому химическому изменению макромолекулы араби-ногалактана, а следовательно, и к изменению его биологической активности. Исследование физико-химических характеристик ферроарабиногалактана показало, что образующиеся коллоидные системы агрегативно устойчивы в течение длительного времени (12 мес.). Как показали проведенные нами испытания на лабораторных животных, ферроарабиногалактаны не токсичны [6].

Методом рентгенодифракционного анализа установлено, что ферроарабиногалактаны имеют двухфазную аморфно-кристаллическую структуру. Для кристаллической части методом внутреннего стандарта было определено значение параметра решетки а, равное 8.390, позволяющее на основании линейной зависимости этого параметра от состава [7] оценить соотношение в препарате оксидов Fe(Ш) и Fe(П): железо входит в препараты в виде аналога минералов ряда магнетит - маг-гемит. Следовательно, металлосодержащая наночастица ферроарабиногалактанов формируется в виде шпинели: ферроарабиногалактан (3.53 % железа) имеет со-

став, близкий к составу магнетита, содержание у- Ре203 в его структуре не превышает 20-30 %. Ферроарабино-галактан (5.01 % железа) [8] по составу приближается к маггемиту, доля у- Fe203 составляет не менее 80 %. Размер кристаллитов L, определенный по уширению рентгеновских дифракционных линий [8, 9], равный 1617 нм для исследуемого объекта и 25 нм для ферроара-биногалактана (5.01 % железа), позволил однозначно отнести полученные образцы к наночастицам (нанокомпозитам).

Ферроарабиногалактан был исследован с помощью сканирующего электронного микроскопа. На электронной микрофотографии (рис. 1) образцы представлены агрегатами и одиночными микросфероидами с неоднородной слоистой структурой, размеры которых варьируются в интервале 1500-2 800 нм. Основываясь на полученных результатах рентгенографического исследования, мы можем допустить, что подобно декстранфер-ритам [10] синтезированный нами ферроарабиногалак-тан представляет собой микросфероиды, которые имеют ядра, состоящие из оксидов железа с кристаллической структурой магнетита/маггемита, покрытые слоем молекул арабиногалактана. Для близких по свойствам магнетитодекстранов и декстранферритов, диаметр ферритового ядра варьирует от 5 до 100 нм, диаметр мицеллы или микросферы составляет 180-600 нм [11].

Наличие в составе нанокомпозита железа, для которого характерна незаполненность внутренних электронных d-оболочек атомов, и следовательно, нескомпен-сированность спинов, обусловливает его специфические магнитные свойства [12]. Действительно, было установлено, что образец обладает ферромагнитными свойствами, поскольку его ЭПР-спектр представляет собой два интенсивных синглета с параметрами: §1 = = 2.034, АН = 450 э и я 2 = 1.97, АН = 130 э.

Полную картину магнитного поведения ферроараби-ногалактана получили при измерении его коэрцитивной силы и магнитной проницаемости. Способность ферро-и ферримагнетиков сильно намагничиваться под действием даже слабых магнитных полей и сохранять остаточную намагниченность при устранении источника магнитного поля объясняется особенностями их домен-

Рис. 1. Тонкая структура микросфероидов ферроарабиногалактана, зафиксированная с помощью сканирующего электронного микроскопа, х2200

ной структуры. При наложении внешнего магнитного поля доменная структура изменяется таким образом, что в магнитном материале создается намагниченность I. При некотором значении напряженности Н8 внешнего магнитного поля величина намагниченности достигает максимального значения — намагниченности насыщения /8. В этом состоянии магнитное тело представляет собой один домен [12], вектор намагниченности которого совпадает с вектором напряженности внешнего магнитного поля. При циклическом перемагничивании исследованного ферримагнитного композита кривая магнитной индукции В(1) = /(Я) образует петлю гистерезиса (рис. 2). К основным характеристикам петли гистерезиса относят остаточную намагниченность и коэрцитивную силу.

Исследованный композит обладает остаточной намагниченностью ~7 • 10-4 Тл и коэрцитивной силой = 500 А/м. Его магнитная проницаемость претерпевает резкий спад значений от 2 до 0.25 при изменении напряженности магнитного поля в интервале 100-300 А/м, оставаясь затем неизменной вплоть до значения напряженности магнитного поля 3 500 А/м (рис. 3). Для стехиометрического магнетита [13] определяли коэрцитивную силу 26,1 кА/м, магнитный поток 21.3 Вб, намагниченность насыщения 324 Тл и остаточную намагничен-

Рис. 2. Кривая намагниченности и петля магнитного гистерезиса фер-роарабиногалактана

Рис. 3. Изменение магнитной проницаемости ферроарабиногалактана (1) и магнетита (2) при изменении напряженности магнитного поля

ность — коэффициент прямоугольности петли гистерезиса 0.86. Эти величины, вполне естественно, имеют гораздо более высокие значения, поскольку определены для 100% веществ. Измеренная коэрцитивная сила три-акрилата железа, содержащего наночастицы размером 6-13 нм, имеет величину 1.75 кА/м [14]. Для более близкого по назначению, структуре и свойствам декстран-феррита [11] (содержание железа 20 %) эти величины достаточно близки к определенным нами, для него характерна удельная намагниченность насыщения 20-32А-м2/кг, остаточная намагниченность от 0.5 до 1.1А • м2/кг. Таким образом, наноразмерные железосодержащие биокомпозиты обладают специфическими магнитными свойствами и, очевидно, способны к перемещению при воздействии внешнего магнитного поля, а значит, могут быть целенаправленно доставлены в те или иные клетки организма.

4. Обсуждение результатов

Для перехода от традиционных к управляемым антиканцерогенным лекарственным средствам требуются препараты, избирательно концентрируемые в опухоли. Ферро- и суперпарамагнитные противоопухолевые препараты оказались наиболее перспективными, среди них биодеструктируемые ферримагнетики — декстранфер-рит [15], обеспечивающий доставку и иммобилизацию противоопухолевых препаратов в опухоли, отличающийся от известных магнитных носителей. Способ получения ферро- и ферримагнитных жидкостей биомедицинского назначения основан на взаимосвязи структурного состава и функциональных свойств образующихся систем. Важнейшими параметрами для них являются биосовместимость и высокая дисперсность, а также долговременная устойчивость. По этому принципу создаются магнитоуправляемые противоопухолевые препараты на основе магнетита, покрытого альбумином и декстранмагнетита [15].

Для регулирования размеров и фиксации высокодисперсного магнетита на уровне наноразмерных частиц нами использован подход, основанный на его образовании в условиях контролируемого роста и стабилизации формирующегося ядра макромолекулой арабино-галактана. Получены микросфероиды с наноструктурным ядром, состоящим из кристаллитов магнетита, размеры которых варьируются в интервале 16-17 нм, обладающие специфическими магнитными свойствами. Создание стандартизованных ферромагнитных жидкостей, обладающих высокой агрегативной устойчивостью, такой, какой обладает обсуждаемый в этой работе ферро-арабиногалактан, необходимо для предотвращения тромбообразования при внутриартериальном введении. Достоинствами предлагаемого нами стабилизатора является его природное происхождение, доступность (содержание в лиственнице до 15 %), нетоксичность, водо-растворимость. Несомненным преимуществом араби-ногалактана перед декстранами является наличие у него

мембранотропных свойств — способности связываться с асиалогликопротеиновыми рецепторами и проникать через мембраны клеточной стенки [6]. Это свойство ара-биногалактана и связанных с ним фармакофоров, в данном случае оксидов железа в виде магнетита, может обеспечить адресную доставку ферроарабиногалактана преимущественно в клетки печени с диагностической или лечебной целью даже без применения внешних магнитных полей. При наложении магнитных полей за счет выявленной способности ферроарабиногалактана к намагничиванию возможна доставка препарата в любой необходимый пораженный орган, а также принципиально осуществим индукционный нагрев препарата в опухолевых клетках.

5. Заключение

Создан новый тип нанобиокомпозитов на основе арабиногалактана как природной полисахаридной наностабилизирующей матрицы, обладающих специфическими магнитными свойствами и способных под действием магнитного поля обеспечить доставку и иммобилизацию противоопухолевых препаратов целенаправленно в те или иные клетки и отличающихся от известных магнитных носителей биосовместимостью. Эти уникальные гибридные материалы могут найти широкое применение в медико-биологической науке и технике в качестве растворимых магнитов и магнитных жидкостей, биодеградируемых магнитоконтрастных средств для томографии, магнитоуправляемых лекарственных средств для магнитодинамической термотерапии рака.

Работа выполнена при поддержке Программы ОХНМ РАН 4.4.1 и Интеграционного проекта СО РАН 146.

Литература

1. Беликов В.Г., Курегян А.Г., Исмаилова Г.К. Стандартизация магнетита // Хим.-

фарм. журнал. - 2002. - Т. 36. - № 6. - С. 48-51.

2. Брусенцов Н.А., Лыков В.В. Управляемые композиционные материалы в

биологии и медицине // ЖВХО. - 1989. - № 5. - С. 566-572.

3. Багаутдинова P.P., Толчев А.В., Клещев Д.Г., Первушин В.Ю. // ЖПХ. - 1999. -

Т. 72. - Вып. 10. - С. 1588-1592.

4. Медведева С.А., Александрова Г.П., Грищенко Л.А., Тюкавкина Н.А. // ЖОХ. -

2002. - № 9. - С. 1569-1573.

5. Литманович А.А., Паписов И.М. // Высокомолекулярные соединения. Се-

рия Б. - 1997. - Т. 39. - № 2. - С. 323-326.

6. Пат. РФ № 2208440. / Медведева С.А., Александрова Г.П., Грищенко Л.А. и

др. - Бюл. № 20.

7. Basta E.Z. // Economic Geology. - 1959. - V. 54. - P. 698.

8. Феоктистова Л.П., Сапожников А.Н., Медведева С.А., Александрова Г.П., Грищенко Л.А. // ЖПХ. - 2002. - Т. 75. - Вып. 12. - С. 1945-1954.

9. Липсон Г., Стилл Г. Интерпретация порошковых рентгенограмм. - М.: Мир,

1972. - 384 с.

10. Брусенцов Н.А., Гогосов В.В., Лукашевич М.В. // Хим.-фарм. журнал. -1996.- № 10. - С. 48-53.

11. Брусенцов Н.А., Брусенцова Т.Н. // Хим.-фарм. журнал. - 2001. - Т. 35. -№6. - С. 10-14.

12. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. - М.: Высшая школа, 1981. - 384 с.

13. Соснина С.А., Полунина И.А., Бараненко А.А. // Коллоидный журнал. -1999. - Т. 61. - № 6. - С. 837-841.

14. Розенберг А.С. Формирование выгсокодисперснык частиц в гетерогенный, реакциях. - Дис. ... докт. хим. наук. - Черноголовка: ИХФЧ РАН, 1997.

15. Chan D.C., Kirpotin D.B., Bunn PA. // J. of Magnetism and Magnetic Materials. -1993. - V. 122. - P. 374-378.

16. Брусенцов Н.А., Гогосов В.В. и др. // Хим.-фарм. журнал. - 1999. - № . -С. 9-12.