СУБСТРАТЫ, СОДЕРЖАЩИЕ ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫЕ ФЕРРОМАГНИТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ
SUBSTRATES CONTAINING SWITCHABLE FERROMAGNETIC NANOPARTICLES

Изобретение относится к способу получения органических частиц субстрата, связанных с переключаемыми ферромагнитными наночастицами, соответствующими диагностическим частицам субстрата, и применению наночастиц такого рода для гипертермического лечения.
В рамках изобретения под выражением "ферромагнитный" понимают как "ферромагнитный", так и "магнитный".
Магнитные частицы уже сегодня разносторонне применяются для маркирования и манипуляции биологическими объектами. Связанные с антителами магнитные частицы применяются, например, для магнитного диагностирования заболеваний. Проблемой при получении такого рода малых частиц в диапазоне нанометров является склонность магнитных частиц к образованию комьев и агрегатов. Это усложняет равномерное присоединение антител к магнитным частицам, и размер частиц нежелательно сильно возрастает.
Магнитные частицы, такие как коллоиды, применяются, например, для гипертермического лечения, особенно в терапии рака. Гипертермия является видом лечения рака, в котором ткань тела подвергается действию высоких температур до 45°С. Было установлено, что высокие температуры могут повреждать и убивать раковые клетки, обычно с лишь небольшими побочными эффектами на нормальную ткань. Благодаря умерщвлению раковых клеток и разрушению клеточной структуры гипертермия может применяться для уменьшения опухолей. При этом желательно применять более подходящие магнитные частицы, которые могут нагреваться в человеческом теле также посредством радиоволн.
0,35
0,65
Далее известно связывание веществ с магнетокалорическими свойствами, таких как MnFePAs и MnAs, с полимерными носителями для фармакологических агентов. Заявка WO 2008/044963 описывает такого рода связанные частицы носителя, в которых нагреванием магнетокалорических материалов можно менять свойства высвобождения связанной с ними полимерной матрицы для фармакологического действующего вещества, так что действующее вещество может выделяться целенаправленно.
Задачей настоящего изобретения является предоставление усовершенствованного способа получения связанных с включаемыми ферромагнитными наночастицами органических частиц субстрата, которые можно применять особенно в качестве биомаркеров, биосенсоров, гипертермических агентов или фармацевтических материалов-носителей.
Задача согласно изобретению решается посредством способа получения органических частиц субстрата, соединенных с переключаемыми ферромагнитными наночастицами со средним диаметром частиц в диапазоне от 10 до 1000 нм, причем в качестве ферромагнитных наночастиц применяются такие наночастицы, которые сначала не являются ферромагнитными, но становятся ферромагнитными при понижении температуры, эти сначала неферромагнитные наночастицы в диспергированной форме связываются с органическими частицами субстрата, и в дальнейшем посредством понижения температуры наночастицы, связанные с частицами субстрата, становятся ферромагнитными.
Далее задача решается посредством диагностических частиц субстрата, которые содержат органические частицы субстрата, связанные с переключаемыми ферромагнитными наночастицами со средним диаметром частиц в диапазоне от 10 до 1000 нм, причем частицы субстрата имеют специфический связывающий эффект для анализируемого вещества.
Далее задача решается посредством применения переключаемых ферромагнитных наночастиц, которые становятся ферромагнитными при понижении температуры, для изготовления медикамента для гипертермического лечения человеческого или животного организма.
Далее задача решается посредством медикамента для гипертермического лечения человеческого или животного организма, содержащего переключаемые ферромагнитные наночастицы со средним диаметром частиц в диапазоне от 10 до 1000 нм, которые становятся ферромагнитными при понижении температуры.
Согласно изобретению было установлено, что переключаемые ферромагнитные наночастицы могут применяться соответствующим образом для получения биомаркеров, биосенсоров, гипертермических агентов или фармацевтических материалов-носителей. Под "переключаемыми" понимают такие ферромагнитные наночастицы, которые сначала не являются ферромагнитными, но становятся ферромагнитными при понижении температуры. После получения наночастиц из исходных веществ они сначала не являются ферромагнитными, а становятся только при охлаждении. При этом предпочтительно при температуре окружающей среды (22°С) наночастицы сначала неферромагнитны и становятся ферромагнитными при понижении температуры до значений ниже комнатной температуры.
Под "наночастицами" понимают такие частицы, которые имеют средний диаметр частиц в диапазоне от 10 до 1000 нм, предпочтительно 20-500 нм, особенно 50-200 нм. При этом средний диаметр частиц определяют предпочтительно рассеянием лазерного света или электронной микроскопией. Предпочтительно речь идет об усредненном по массе диаметре частиц. Нижняя граница размера частиц ограничена тем, что еще при температуре окружающей среды или температуре применения частицы должны быть ферромагнитными. Обычно это еще верно при минимальном диаметре частиц 10 нм.
Для получения частиц субстрата изначально неферромагнитные наночастицы вносятся обычно в дисперсию, например дисперсию водную или на водной основе, и в диспергированной форме связываются с органическими частицами субстрата. Так как наночастицы в этот момент не являются ферромагнитными, можно надежно предотвратить агломерацию частиц и тем самым увеличение среднего размера частиц. Позднее эта дисперсия может быть применена, например, для гипертермического лечения.
В качестве органических частиц субстрата рассматриваются любые соответствующие частицы субстрата, которые опосредуют требуемый эффект. При этом органические частицы субстрата должны иметь соответствующие якорные группы, которые допускают соединение с ферромагнитными наночастицами. Может оказаться возможным, например, что органические частицы субстрата наносятся на ферромагнитные наночастицы в качестве покрытия или пленки. Также возможны и известны специалисту другие соединения. Органические частицы субстрата могут быть выбраны из широкого диапазона соответствующих частиц субстрата. В случае с биомаркерами речь идет, например, об антителах или биологических или органических синтетических веществах, которые позже вступают во взаимодействие с другими веществами. Например, ферромагнитные наночастицы могут соединяться с антителами, которые в свою очередь вступают в связь с антигенами, чтобы таким образом получить биомаркеры или биосенсоры. Связанные с определенными антителами частицы применяются, например, для магнитного диагностирования заболеваний. Для количественной диагностики важно при этом иметь возможность использовать ферромагнитные наночастицы по возможности с небольшим изменением размера частиц, так как в конечном итоге считается часть ферромагнитных наночастиц.
Биомаркеры могут применяться, например, в экологическом анализе, в анализе воды и крови, например, на белки, углеводы или гормоны.
Биосенсоры могут служить для обнаружения любых биологических примесей/компонентов, например, в жидкостях или газовых потоках. В этом случае органические частицы субстрата имеют сайты связывания для анализируемых или количественно определяемых веществ. Для обнаружения определяемых веществ эффективны биосенсоры биологические системы на различно высоком интеграционном уровне. Такими биологическими системами могут быть, например, антитела, ферменты, органеллы или микроорганизмы. Иммобилизованная биологическая система биосенсора вступает во взаимодействие с аналитом. При этом это приводит к физико-химическим изменениям. Определение глюкозы в крови в течение или после операций становится возможным благодаря иммобилизации фермента глюкозооксидазы. Области применения для биосенсоров в анализе воды и сточной воды можно подразделить на биосенсоры для определения отдельных компонентов, биосенсоры для определения токсичности и мутагенности, а также биосенсоры для определения биохимической потребности кислорода (BSB). Содержание бактерий вод для купания или сточных вод можно определить с помощью биосенсора.
Концентрацию пенициллина в биореакторе, в котором культивируются штаммы грибов, можно определить с помощью биосенсора. Биологический компонент примененного при этом сенсора здесь представляет собой фермент ацилаза.
В случае органических частиц субстрата может речь идти также о фармацевтических материалах-носителях, которые присоединяют фармакологические действующие вещества. Такого рода органические полимерные частицы субстрата описаны, например, в WO 2008/044963. Особенно следует обратить внимание на страницу 16, строку 18 - страницу 17, строку 11 этого описания.
Биоактивными соединениями, которые могут связываться с частицами субстрата, являются, например, антигены, антитела, нуклеотиды, гелеобразователи, ферменты, бактерии, дрожжи, грибы, вирусы, полисахариды, жиры, белки, гормоны, углеводороды, а также клеточный материал. Последние могут применяться в качестве материалов биосенсоров. Для дополнительного описания можно обратить внимание на WO 2008/044963, особенно страницу 17.
Биосенсоры (биочипы) обычно применяются в композициях сенсоров для биоаналитических задач в биотехнологии. Примерами являются иммунные образцы, которые применяются в широкой области в клинической диагностике для определения заболеваний или физиологических состояний. Для описания биосенсоров можно обратить внимание на WO 2008/044963, страницу 17, строку 25 - страницу 18, строку 17.
Биомаркеры и биосенсоры особенно применяются для количественного определения или измерения концентраций биологических активных веществ.
Полученные в конечном итоге органические частицы субстрата, связанные с ферромагнитными наночастицами, имеют в целом средний диаметр частиц в диапазоне от предпочтительно 1,1 до 5 раз, особенно предпочтительно 1,2-2 раз больше диаметра магнетокалорических частиц.
Сначала при температурах 22°С или выше переключаемые ферромагнитные наночастицы предпочтительно являются неферромагнитными и становятся ферромагнитными посредством охлаждения до температур меньше чем 22°С.
Переключаемые ферромагнитные наночастицы предпочтительно обнаруживают Virgin-эффект структуры, так что при первом охлаждении изначально неферромагнитных наночастиц критическая температура перехода в ферромагнитное состояние (критическая температура 1) ниже, чем при последующем повторном нагревании и охлаждении (критическая температура 2).
При этом критическую температуру 1 проходят только при первом охлаждении, в то время как критическую температуру 2 проходят при последующих циклах нагревания/охлаждения. Критическая температура 1 предпочтительно лежит ниже 22°С, предпочтительно <0°С, особенно<-15°С, особенно <-25°С, а критическая температура 2 выше 22°С, например, температура тела ±2°С.
2
Переключаемые ферромагнитные наночастицы могут быть выбраны из всех соответствующих наночастиц. Переключаемые ферромагнитные наночастицы предпочтительно содержат Мn и дополнительно Fe и/или As и предпочтительно имеют FеР-структуру или Na-Zn-13-структуру. Альтернативно они могут содержать La, Fe и Si.
2
Материалом переключаемых ферромагнитных наночастиц особенно предпочтительно является MnFe (P/As, Si/Ge) с FеР-структурой или MnAs с при необходимости Сu и/или Fe в качестве примесей, или LaFeSiH.
Форма записи „Р/As" и „Si/Ge" означает, что могут быть представлены каждый из/соответственно фосфор, мышьяк или фосфор и мышьяк или кремний, германий или кремний и германий.
Соответствующие композиции также описаны в WO 2008/044963.
Переключаемые ферромагнитные наночастицы предпочтительно обнаруживают магнетокалорические свойства. При этом наночастицы предпочтительно обнаруживают гистерезис и адиабатическое изменение температуры от 2 до 6 К/Тесла, например, напряженность поля около 4 К/Тесла. Гистерезис составляет предпочтительно по меньшей мере 5 К.
Примененные согласно изобретению ферромагнитные или термомагнитные материалы могут быть получены любыми подходящими способами.
Получение ферромагнитных или термомагнитных материалов осуществляется, например, посредством превращения твердой фазы исходных элементов или исходных сплавов для материала в шаровой мельнице, последующего прессования, спекания и отжига в атмосфере инертного газа и последующего медленного охлаждения до комнатной температуры. Способ такого рода описан, например, в J. Appl. Phys. 99, 2006, 08Q107.
Также возможна обработка в течение формования из расплава. Посредством этого возможно более гомогенное распределение элементов, которое приводит к улучшенному магнетокалорическому эффекту, смотри Rare Metals, т.25, октябрь 2006, страницы 544-549. В описанном там способе исходные элементы сначала индукционно плавятся в атмосфере газа аргона и затем в расплавленном состоянии распыляются через сопло на вращающийся медный барабан. Происходит спекание при 1000°С и медленное охлаждение до комнатной температуры.
Далее для получения можно обратить внимание на WO 2004/068512.
2
Полученные этими способами материалы часто обнаруживают большой термический гистерезис. Например, в соединениях FеР-типа, которые замещены германием или кремнием, наблюдаются большие значения для термического гистерезиса в большом диапазоне от 10 К и более.
Примененные согласно изобретению материалы предпочтительно обнаруживают гистерезис по меньшей мере 5 К, особенно предпочтительно по меньшей мере 6,5 К, предпочтительно в температурном диапазоне между температурой тела и выше 42°С.
Предпочтительным является способ получения ферромагнитных или термомагнитных материалов, включающий следующие стадии:
a) взаимодействие химических элементов и/или сплавов в стехиометрии, которая соответствует материалу на основе металлов, в твердой и/или жидкой фазе,
b) при необходимости переведение продукта взаимодействия из стадии а) в твердое тело,
c) спекание и/или отжиг твердого тела из стадии а) или b),
d) охлаждение спеченного и/или отожженного твердого тела из стадии с).
Термический гистерезис может регулироваться и может достигаться большой магнетокалорический эффект, если материалы на основе металлов после спекания и/или отжига быстро или медленно охлаждаются до температуры окружающей среды.
На стадии а) способа происходит взаимодействие элементов и/или сплавов, которые содержатся в будущем ферромагнитном или термомагнитном материале, в стехиометрии, которая соответствует ферромагнитному или термомагнитному материалу, в твердой или жидкой фазе.
Предпочтительно взаимодействие на стадии а) осуществляется совместным нагреванием элементов и/или сплавов в закрытой емкости или в экструдере или превращением твердой фазы в шаровой мельнице. Особенно предпочтительно проводится превращение твердой фазы, которое особенно происходит в шаровой мельнице. Превращение такого рода принципиально известно, смотри приведенные выше описания. При этом в соответствующих массовых частях в виде порошка смешивают обычно порошки отдельных элементов или порошки сплавов из двух или более отдельных элементов, которые представлены в будущем ферромагнитном или термомагнитном материале. В случае необходимости можно дополнительно осуществить измельчение смеси, чтобы получить микрокристаллическую порошковую смесь. Эта порошковая смесь нагревается предпочтительно в шаровой мельнице, что ведет к дополнительному уменьшению, а также хорошему перемешиванию и к реакции твердой фазы в порошковой смеси. Альтернативно смешивают отдельные элементы в выбранной стехиометрии в качестве порошка и затем плавят.
Совместное нагревание в закрытой емкости допускает фиксирование летучих компонентов и контроль стехиометрии. Непосредственно при совместном применении фосфора последний в открытой системе мог бы легко испаряться.
За взаимодействием непосредственно следует спекание и/или отжиг твердого тела, причем могут быть предусмотрены одна или несколько промежуточных стадий. Например, полученная на стадии а) твердая фаза может прессоваться, прежде чем она будет спекаться и/или отжигаться. Благодаря этому повышается плотность материала, так что при будущем применении налицо будет высокая плотность термомагнитного материала. Прессование само по себе известно и может быть проведено с помощью или без вспомогательных средств для прессования. При этом может применяться любая соответствующая форма для прессования. Посредством прессования уже возможно изготовить формованное тело в заданной трехмерной структуре. За прессованием может непосредственно следовать спекание и/или отжиг стадии с) с последующим охлаждением или закаливанием стадии d).
Для получения наночастиц может добавляться измельчение.
Альтернативно возможно подавать твердую фазу, полученную из шаровой мельницы, в способ формования из расплава. Способы формования из расплава известны сами по себе и описаны, например, в Rare Metals, т.25, октябрь 2006, страницы 544-549, а также в WO 2004/068512.
Посредством быстрого центрифугирования расплава (охлаждение расплава на вращающемся диске) достигается высокая скорость переработки, так как последующее спекание и отжиг может быть сокращен. Именно в техническом масштабе получение ферромагнитных или термомагнитных материалов становится таким образом значительно экономичнее. Также к высокой скорости переработки приводит распылительная сушка, особенно при этом может быть легко задан требуемый размер частиц.
Охлаждение должно было происходить не слишком быстро, чтобы получить достаточно высокие значения гистерезиса.
Альтернативно на стадии b) может быть проведено распылительное охлаждение, при котором расплав композиции из стадии а) распыляют в башне для распылительной сушки. При этом башня для распылительной сушки может, например, дополнительно охлаждаться. В башнях для распылительной сушки часто достигаются скорости охлаждения в диапазоне от 103 до 105 К/с, особенно около 104 К/с. Распылительное охлаждение может происходить в электрическом поле для получения монодисперсных частиц.
Спекание и/или отжиг твердого тела происходит на стадии с) предпочтительно сначала при температуре в диапазоне от 500 до 1800°С для спекания и далее при более низкой температуре для отжига. Эти значения особенно относятся к порошкам.
Спекание предпочтительно проводится за временной интервал от 1 до 50 часов, особенно предпочтительно 2-20 часов, особенно 5-15 часов. Отжиг предпочтительно проводится за время в диапазоне от 10 до 100 часов, особенно предпочтительно 10-60 часов, особенно 30-50 часов. Точные временные интервалы при этом могут быть приведены в соответствие в зависимости от материала практических требований.
При применении способа формования из расплава временной интервал для спекания или отжига может сильно сокращаться, например до временных интервалов от 5 минут до 5 часов, предпочтительно 10 минут-час. В сравнении с обычными значениями 10 часов для спекания и 50 часов для отжига получается крайне выгодное время/предельное преимущество по времени.
Посредством спекания/отжига дело доходит до плавления/сваривания границ ядер, так что материал дополнительно уплотняется.
Посредством плавления и быстрого или медленного охлаждения на стадии b) вместе с тем может существенно понижаться продолжительность для стадии с). Это делает возможным также непрерывное получение ферромагнитных или термомагнитных материалов.
Согласно изобретению особенно предпочтительной является последовательность способа:
a) превращение твердой фазы химических элементов и/или сплавов в стехиометрии, которая соответствует ферромагнитному или термомагнитному материалу, в шаровой мельнице,
b) формование из расплава или придание формы полученному на стадии а) материалу,
c) отжиг твердого тела из стадии b) на протяжении от 10 секунд или 1 минуты до 5 часов, предпочтительно 30 минут до 2 часов, при температуре в диапазоне от 430 до 1200°С, предпочтительно 800 -1000°С.
d) закаливание или охлаждение отожженного твердого тела из стадии с).
Альтернативно на стадии с) может происходить измельчение полученных слоев с получением порошка.
Определение размера частиц ферромагнитных наночастиц предпочтительно происходит рассеянием лазерного света, как описано.
Переключаемые ферромагнитные наночастицы, которые становятся ферромагнитными при понижении температуры, согласно изобретению применяются предпочтительно для получения медикамента для гипертермического лечения человеческого или животного организма. При этом наночастицы предпочтительно являются магнетокалорическими. Гипертермическое лечение служит особенно для лечения рака, как уже изложено вначале.
Изобретение относится также к медикаменту для гипертермического лечения человеческого или животного организма, содержащему описанные переключаемые ферромагнитные наночастицы, которые становятся ферромагнитными при понижении температуры.
При этом частицы становятся предпочтительно ферромагнитными при охлаждении. Непосредственно при лечении рака наночастицы должны были быть ферромагнитными в температурном диапазоне от 37 до 42°С. При более высоких температурах или при предпочтительно максимальной температуре 42°С согласно варианту выполнения изобретения они могут утратить свой ферромагнитный характер. Это приводит к исключению гистерезиса при перегреве, так что вещества утрачивают свое ферромагнитное свойство и могут быть просто выведены из организма.
Это термическое исключение должно было бы происходить при более высоких температурах, чем температурах, при которых уничтожается рак.
Особенно важно для всех применений, что ферромагнитные наночастицы являются ферромагнитными при температуре окружающей среды (22°С) или при температуре использования.
0,50
0,50
В качестве предпочтительного материала применяется MnFe (P, Si), который обнаруживает неожиданное свойство, что он после получения при комнатной температуре (22°С) не является магнитным. Только после того как он непродолжительно охлаждается на несколько градусов ниже определенной критической температуры, он является магнитным при комнатной температуре и выше нее. Соответствующие свойства представлены в приложенном изображении на Фиг.1. Изображение показывает температурную зависимость намагниченности MnFePSi. Кривая (1) показывает Virgin-эффект, то есть поведение при первом охлаждении. Кривая (2) показывает поведение при следующем за ним нагревании, (3) - при следующем за ним охлаждении. Гистерезис ферромагнитного материала, который точно больше 5 К, очень хорошо распознаваем.
Немагнитное свойство вначале может значительно упрощать связывание с антителами, так что магнитный биомаркер можно получить значительно проще, чем до сих пор. Для применения - in vitro биосовместимость не является важной, так что возможно соединение с любыми соответствующими органическими частицами субстрата. При применении in vivo должны были обращать внимание по возможности на хорошую совместимость органических частиц субстрата с человеческим или животным организмом. Наряду с гипотермическим подавлением рака частицы согласно изобретению могут также применяться в качестве ЯМР-контрастных веществ.
2
При гипертермии может быть дополнительно полезным, что представленный на фигуре материал, после того как он один раз был нагрет выше Т, не является более ферромагнитным и тем самым может быть проще выведен.
Изобретение раскрывается посредством следующих примеров.
Пример 1
2
Вакуумированные кварцевые ампулы, которые содержали спрессованные пробы MnFePGe, выдерживали в течение 10 часов при 1100°С, чтобы спечь порошок. За этим спеканием следовал отжиг при 650°С в течение 60 часов, чтобы достичь гомогенизации. Следовало медленное охлаждение в печи до комнатной температуры. XRD-образцы показывают, что все пробы кристаллизуются в структуре FеР-типа. При этом были получены следующие композиции:
1,1
0,9
0,81
0,19
1,1
0,9
0,78
0,22
1,1
0,9
0,75
0,25
1,2
0,8
0,81
0,19
MnFePGe; MnFePGe; MnFePGe и MnFePGe. Наблюдаемые значения для термического гистерезиса для каждой их этих проб больше 10 К. Посредством быстрого охлаждения гистерезис можно уменьшить.
Термический гистерезис при этом определяли в магнитном поле 0,5 Тесла.
Температура Кюри может быть установлена посредством изменения соотношения Mn/Fe и концентрации Ge, также значение для термического гистерезиса.
Температура Кюри и термический гистерезис уменьшаются с возрастающим соотношением Mn/Fe. В результате MnFePGe-соединения обнаруживают относительно большие значения МСЕ-магнитокалорического эффекта в низком поле.
Пример 2
0,50
0,50
Материал MnFePSi получали, как описано в примере 1. Температурная зависимость намагниченности показана на Фиг.1.