Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 11
1.1 Оксиды железа 11
1.2 Магнитные наночастицы и наномагнетизм 16
1.3 Способы синтеза магнитных наночастиц 20
1.3.1 Синтез методом соосаждения 20
1.3.2 Синтез наночастиц в микроэмульсиях 27
1.3.3 Гидротермальный синтез 31
1.3.4 Термическое разложение органических прекурсоров 34
1.4 Коллоидная стабилизация наночастиц магнетита 39
1.4.1 Стабилизация коллоидных систем 39
1.4.2 Низкомолекулярные стабилизаторы 41
1.4.3 Неорганические покрытия 41
1.4.4 Полимерные покрытия 43
1.5 Применение наночастиц магнетита 47
2 Экспериментальная часть 56
2.1 Описание используемых материалов и реактивов 56
2.2 Методики синтеза материалов 57
2.2.1 Синтез стабильного гидрозоля наночастиц магнетита 57
2.2.3 Иммобилизация белков в неорганические матрицы магнетита для исследования термической стабильности 57
2.2.4 Иммобилизация ферментов для измерения каталитической активности 58
2.2.5 Получение модельных сгустков 60
2.3 Методы исследования материалов 61
2.3.1 Исследование каталитической активности композитных материалов на основе золь-гель магнетита 61
2.3.2 Моделирование электростатического потенциала КА-II 63
2.3.3 Измерение гидродинамического диаметра и электрокинетического потенциала (ЭКП) 64
2.3.4 Рентгенофазный анализ (РФА) 64
2.3.5 Электронная микроскопия 65
2.3.6 Рамановсая спектроскопия 65
2.3.7 ИК-спектроскопия неполного внутреннего отражения (НПВО) 65
2.3.8 УФ/Вид спектроскопия 66
2.3.9 Низкотемпературная адсорбция/десорбция азота 66
2.3.10 Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) 66
3 Обсуждение результатов 67
3.1 Стабильный гидрозоль наночастиц магнетита 67
3.1.1 Подбор оптимальных условий синтеза стабильного гидрозоля магнетита 67
3.1.2 Гидродинамические параметры гидрозоля магнетита 70
3.1.3 Анализ кристаллической решетки синтезированных наночастиц 72
3.1.4 Исследование образцов магнетита методами рамановской спектроскопии 75
3.1.5 Измерение магнитных характеристик наночастиц магнетита 77
3.1.6 Обсуждение механизма стабилизации гидрозоля наночастиц магнетита 78
2.3 Ксерогелевые матрицы золь-гель магнетита 83
3.2.1 Формирование ксерогелевых матриц золь-гель магнетита 83
3.2.2 Текстурные характеристики ксерогелевых матриц золь-гель магнетита 87
3.3 Композитные материалы на основе золь-гель магнетита и молекул ферментов 90
3.3.1 Композитные материалы на основе карбоангидразы и золь-гель матрицы магнетита 90
3.3.2 Термостабильность композитов КА-II@магнетит 93
3.3.3 Анализ кинетических параметров реакции композитного материала КА-II@магнетит п-нитрофенилацетатом 96
3.3.4 Структурная организация композитного материала КА-II@магнетит 100
3.3.5 Термостабильность молекул белков, иммобилизованных в матрице золь-гель магнетита 102
3.3.6 Композитные материалы на основе урокиназы и золь-гель магнетита 107
Заключение 120
Итоги выполненного исследования 120
Рекомендации, перспективы дальнейшей разработки темы. 123
Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК 123
Статьи в сборниках трудов научных конференций 124
Список сокращений и условных обозначений 126
Список цитируемой литературы 127
- Синтез методом соосаждения
- Применение наночастиц магнетита
- Обсуждение механизма стабилизации гидрозоля наночастиц магнетита
- Композитные материалы на основе урокиназы и золь-гель магнетита
Введение к работе
Актуальность темы и степень ее разработанности. Наноматериалы на основе магнетита вызывают большой интерес у исследователей, благодаря их уникальным магнитным свойствам, и как следствие, потенциальной возможности применения в различных областях. В частности, они могут находить применение при создании магнитных носителей информации, разработке магнитно-оптических систем, при создании биосенсоров, а также в различных областях медицины, таких как адресная доставка лекарств, контрастные агенты для магнитно-резонансной томографии (МРТ). Развитие нанотехнологий, разработка новых методов синтеза и обработки наноматериалов привело к появлению новых классов гибридных наноматериалов, сочетающих функциональные свойства неорганических матриц и органических модификаторов, что, в сочетании с магнитными свойствами, открывает возможности создавать магнитоуправляемые функциональные материалы.
Особенно важными аспектами при дизайне и синтезе органо-неорганических материалов с заданными свойствами становятся методы получения материалов, способы осуществления конденсации веществ различной химической природы и исследование взаимосвязи между составом, строением и свойствами гибридных материалов. Специфика органических соединений, особенно природного происхождения, например, белков, накладывает ряд ограничений на возможные условия протекания реакций, требуя разработок новых подходов к получению неорганических объектов и предъявляя ряд требований к их строению и составу.
Разработка способов получения наночастиц магнетита широко освящена в литературе, описаны различные способы их получения, позволяющие варьировать такие параметры получаемого материала как: размер частиц, химический состав, кристаллическая фаза, магнитный момент и стабильность. Большое количество работ посвящено методам создания гибридных систем путем конденсации органических соединений с магнитными наночастицами, при этом в качестве связующего звена обычно применяют полимерные молекулы-линкеры, а также получению структурированных композитных материалов методами золь-гель химии с применением диоксида кремния. Основной тренд развития данной области направлен на прощение состава и строения гибридных материалов, однако, несмотря на это, примеров двухкомпонентных гибридных функциональных материалов на основе магнетита до сих пор не представлено.
Цель работы. Целью работы являлась разработка методов получения гибридных материалов на основе магнетита, исследование процессов самоорганизации наночастиц магнетита в неорганические наноструктурированные каркасные конструкции, проведение иммобилизации белковых соединений в ксерогелевые матрицы магнетита и изучение свойств гибридных органо-неорганических магнитных нанокомпозитов.
Основные задачи исследования:
-
Разработать метод синтеза наночастиц магнетита, пригодных для создания гибридных каркасных материалов на их основе.
-
Исследовать влияние соотношения компонентов и условий синтеза на физико-химические параметры получаемых наночастиц и их гидродинамические параметры.
-
Исследовать возможность формирования химических связей между наночастицами магнетита в мягких условиях с целью формирования наноструктурированных объектов в ходе золь-гель перехода при комнатной температуре в зависимости от содержания дисперсионной среды.
-
Исследовать структуру материалов на основе магнетита в зависимости от условий получения и состава материала.
-
Осуществить иммобилизацию высокомолекулярных органических соединений в наноструктурированные ксерогелевые матрицы магнетита методом соконденсации и охарактеризовать физико-химические свойства получаемых нанокомпозитов.
-
Оценить каталитическую активность и термостабильность гибридных нанокомпозитов на основе магнетита и молекул ферментов в зависимости от строения и состава материалов.
Научная новизна.
В работе впервые:
- разработан способ синтеза наночастиц магнетита с узким распределением наночастиц по
размеру без применения пептизирующих агентов и стабилизаторов, обладающих высокой
коллоидной стабильностью;
- получена стабильная магнитная жидкость состава магнетит – вода при нейтральном
значении pH;
описана взаимосвязь между структурой поверхности синтезированных наночастиц магнетита и высокой гидрофильностью материала, а также высоким значением дзета-потенциала при нейтральном значении pH;
получены каркасные материалы на основе наночастиц магнетита и синтезированы гибридные конструкции путем иммобилизации биомолекул в ксерогелевые матрицы магнетита;
- исследована каталитическая активность композитных материалов на основе магнетита и
молекул ферментов. Показано смещение оптимальной температуры каталитической
реакции для гибридных материалов магнетит-фермент по сравнению со свободными
ферментами.
- впервые описано увеличение термической стабильности молекул ферментов,
иммобилизированных в ксерогелевых матрицах магнетита. Показано, что температура
денатурации белков увеличивается в среднем на 20-30 оС
Теоретическая и практическая значимость. В работе описан метод получения наночастиц магнетита, формирующих в водной среде высокостабильные гидрозоли, демонстрирующие свойства магнитной жидкости. Предложено описание строения поверхности синтезированных наночастиц магнетита, обеспечивающее высокое значение дзета-потенциала.
Описаны процессы самоорганизации наночастиц магнетита в неорганические наноструктурированные каркасные конструкции в ходе золь-гель перехода при комнатной температуре, исследована зависимость строения и физико-химических свойств от состава материала.
Осуществлена иммобилизация молекул ферментов в ксерогелевые матрицы магнетита и изучен механизм образования органо-неорганических композитов в ходе золь-4
гель перехода при комнатной температуре. Изучены текстурные, физико-химические и каталитические свойства гибридных органо-неорганических магнитных нанокомпозитов в зависимости от состава и строения материалов, описана организация гибридных материалов на основе наночастиц магнетита и молекул ферментов. Показана повышенная термостабильность молекул ферментов, иммобилизованных в ксерогелевые матрицы золь-гель магнетита.
Практическая значимость работы заключается в возможности масштабирования предлагаемого способа синтеза наночастиц магнетита для получения его высокостабильных золей. Данные золи могут быть использованы для получения различных композитных материалов с высокой однородностью распределения компонентов. Полученные биологически-активные композитные материалы с ферментами могут быть использованы в области биотехнологии и медицины. В результате работы синтезирована магнитная тромболитическая жидкость, проходящая в настоящее время стадию доклинических исследований.
Методология и методы диссертационного исследования: В процессе
формулирования целей и задач исследования, при постановке экспериментальной части, а также при обсуждении полученных результатов, автор исследования руководствовался научными трудами как отечественных, так и зарубежных ученых в области получения и исследования физико – химических свойств наночастиц магнетита, а также гибридных наноматериалов на их основе. В соответствии с поставленными задачами и целями при изучении объектов исследования был задействован комплекс современного научно-технического оборудования кафедры химии и молекулярной биологии Университета ИТМО, а также центра нанохарактеризации Еврейского университета г. Иерусалим в области изучения микроструктуры образцов методом электронной микроскопии.
Положения, выносимые на защиту
Разработана методика получения наночастиц магнетита, позволяющая получать устойчивые к агрегации наночастицы с минимальным количеством примесей. Варьирование стехиометрического соотношения компонентов и условий синтеза приводит к увеличению количества гидроксильных групп на поверхности наночастиц магнетита, изменению положения изоэлетрической точки, и как следствие, высокой агрегационной устойчивости наночастиц. Двухкомпонентная система наночастицы магнетита-вода демонстрирует свойства магнитной жидкости.
Отсутствие модификаторов поверхности наночастиц и высокая коллоидная стабильность позволяет формировать из них каркасные конструкции методом безтеплатного синтеза при удалении растворителя. Ксерогелевая матрица магнетита обладает удельной площадью поверхности 123 м2/г и имеет средний диаметр пор 8,8 нм.
В неорганической матрице магнетита между отдельными наночастицами формируются ковалентные связи, что придает стабильность материалу. При добавлении водной фазы не происходит самопроизвольного ресуспендирования каркасных конструкций из магнетита.
Разработан метод синтеза каркасных гибридных наноматериалов на основе наночастиц магнетита и биомолекул. Биомолекулы могут быть иммобилизированы в ходе со-конденсации наночастиц магнетита и оказываются равномерно распределены по объему неорганического каркасного материала.
В зависимости от соотношения компонентов иммобилизация допанта в гибридном материале на основе магнезита, может быть, как частичной, с последующим высвобождением, так и полной, при которой не наблюдается высвобождения допанта.
Иммобилизация в неорганическую матрицу золь-гель магнетита приводит к
увеличению термостабильности белковых молекул. Увеличение температуры денатурации
в среднем составляет 20 оС. Для каталитически-активных композитов наблюдается
смещение оптимальной температуры и расширение температурного окна
функционирования.
Достоверность полученных результатов и выводов. Достоверность результатов
обеспечена использованием современного научного оборудования для проведения физико-
химических методов анализа, известных и аттестованных методов определения содержания
компонентов, непротиворечивостью экспериментально полученных результатов
фундаментальным научным представлениям в данной области и воспроизводимостью данных.
Связь диссертации с плановыми исследованиями Диссертационная работа выполнена в соответствии с научным направлением Университета ИТМО: «Золь – гель синтез функциональных наноматериалов» №714625, а также при поддержке грантов Российского Научного Фонда № 16-13-00041, гранта Президента Российской Федерации МК-9109.2016.3 и ФЦП «Фарма2020» ГК № 14.N08.12.0123.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на 3
региональных, 4 всероссийских и 8 международных конференциях в устных и стендовых сообщениях: Sol-Gel 2015 (2015, Киото, Япония), Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем" (Крестовские чтения) (2015, Иваново), Второй междисциплинарный молодежный научный форум с международным участием «Новые материалы», (2016, Сочи), 10th International Summer Schools of Nanoscience & Nanotechnologies, Organic Electronics & Nanomedicine, (2016, Салоники, Греция), 13th International Conference on Nanosciences & Nanotechnologies, (2016, Салоники, Греция), 14th International Conference on Magnetic Fluids, (2016, Екатеринбург), XXIV Congress of Chemists and Technologists of Macedonia, (2016, Охрид, Македония), Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы будущего, (2016, Иваново), Sol-gel 2016, (2016, Ереван, Армения), Inno-Tech 2016, (2016, Санкт-Петербург), Science and Progress 2016, (2016, Санкт-Петербург), Х Международная конференция молодых ученых Менделеев-2017 (2017, Санкт-Петербург).
Личный вклад автора заключается в синтезе всех образцов, изучении характеристик и свойств полученных материалов комплексом физико-химических методов исследования. Планирование эксперимента и интерпретация результатов исследований проводилась совместно с научным руководителем и соавторами.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 5 статей в зарубежных научных журналах из Перечня журналов и изданий, рекомендованных ВАК Российской Федерации, а также тезисы 14 докладов на международных, всероссийских и региональных конференциях.
Синтез методом соосаждения
Существует большое количество химических методов получения магнитных наночастиц: синтез в микроэмульсиях [25], золь-гель синтез [26], синтез с применением сонохимических реакций [27], гидротермальный синтез [28], гидролиз и термолиз прекурсоров [29], струйный синтез в потоке [30] и синтез методом электроспрея [31]. Синтез суперпарамагнитных наночастиц является сложным процессом из-за их коллоидной природы. Одна из основных химических задач состоит в определении параметров эксперимента, которые бы давали монодисперсное распределение магнитных наночастиц подходящего размера. Вторым аспектом является выбор такого воспроизводимого процесса, который мог бы быть масштабирован для индустриального внедрения и не использовал бы сложные процедуры очистки, такие как ультрацентрифугирование [32], экслюзионная хроматография [33], магнитная фильтрация [34] и другие. Несмотря на то, что такими методами можно получать частицы с однородным составом и узким распределением по размеру, их стоимость остается слишком высокой, и наибольшее распространение имеет метод синтеза наночастиц соосаждением оксидов железа из солей [35-38].
Метод соосаждения, вероятно, самый простой и наиболее эффективный химический путь для получения магнитных частиц. Оксиды железа (Fe3O4 либо -Fe2O3) обычно получают осаждением стехиометрической смеси солей железа 2+ и 3+ в водной среде. Химическая реакцию образования Fe3O4 можно записать в виде следующего уравнения (1.4).
Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH- = Fe3O4 + 4H2O (1.4)
Согласно термодинамике этой реакции, полное осаждение Fe3O4 происходит в неокислительной среде при уровне рН от 8 до 14 и стехиометрическом соотношении ионов Fe3+ и Fe2+ равном 2:1 [39]. Тем не менее, магнетит (Fe3O4) не очень стабилен и чувствителен к окислению, легко превращается в маггемит (-Fe2O3) в присутствии кислорода (уравнение 1.5) Fe3O4 + 2H+ = -Fe2O3 + Fe2+ + H2O (1.5)
Окисление на воздухе не единственный способ превратить магнетит (Fe3O4) в маггемит (-Fe2O3). В соответствии с уравнением 1.5 в зависимости от уровня pH среды перенос электронов или ионов может принимать участие в этом процессе. В кислотных и анаэробных условиях поверхностные ионы Fe2+ могут десорбироваться в виде гекса-аква комплексов в раствор, в то время как в основных условиях окисление магнетита протекает через окислительно-восстановительную реакцию на поверхности магнетита. Окисление ионов железа всегда происходит с миграцией катионов через кристаллическую решетку, что создает катионные вакансий для поддержания баланса заряда, создавая структуру маггемита. В маггемите ионы железа находятся в октаэдрических (Ок) и тетрагональных (Тг) позициях шпинели ([Fe3+]Тг[Fe3+Fe2+]ОкO4), но он отличается от магнетита (0,75[Fe3+]Тд[Fe5/33+В1/3]ОкO4) наличием катионных вакансий в октаэдрических позициях. Схема распределения вакансий зависит от способа получения образцов и приводит к общему понижению симметрии и возможности образования суперструктур. Расположение вакансий может быть полностью хаотично, или же частично или полностью упорядоченным, однако, согласно данным, получаемым из ИК-спектроскопии и рентгеновской дифракции, упорядочение вакансий возможно только для частиц, размер которых превышает 5 нм [40].
Основным преимуществом метода соосаждения является то, что этот метод может быть с легкостью масштабирован для получения большого количества наночастиц. К слабым сторонам, однако, стоит отнести ограниченность возможности контроля распределения частиц по размеру, так как рост кристалла контролируют только кинетические факторы. При синтезе наночастиц методом соосаждения можно выделить два основных этапа [41-42]. На первом этапе, когда концентрация вещества достигает критического пересыщения, происходит резкий скачек нуклеации, после чего протекает медленный рост зародышей путем диффузии растворенных веществ к поверхности кристалла. Для получения монодисперсных наночастиц оксида железа, эти два этапа должны быть разделены, т.е. в период роста кристаллов следует избегать нового зародышеобразования [43]. Диаграммы Ламера [44] иллюстрируют процесс образования монодисперсных нано- и микрочастиц. В перенасыщенном растворе, происходит образование ядер, дальнейший рост которых приводит к образованию частиц с очень узким распределением по размеру [45]. В результате, контроль размера монодисперсных частиц должен происходить втечение очень короткого периода зарождения, так как окончательное число частиц определяется концом нуклеации, и остается неизменным в течение процесса роста частиц. Регулируя различные параметры и условия синтеза возможно получать наночастицы с различным размером, магнитными характеристиками или свойствами поверхности [46-49].
Размер и форма наночастиц могут быть изменены путем регулирования уровня рН, ионной силы, температуры, состава солей (перхлораты, хлориды, сульфаты, нитраты и т.д.) или отношением концентраций Fe2+/Fe3+. Варьируя эти параметры можно получать наночастицы с размерами в диапазоне от 2 до 17 нм.
Добавление хелатообразующих органических анионов (карбоксилат или гидроксил карбоксилатных ионов, таких как лимонная, глюконовая, или олеиновая кислота) или полимерных комплексообразующих агентов (декстран, карбоксидекстран, крахмал или поливиниловый спирт) в процессе формирования магнетита помогает контролировать размер и форму наночастиц (рисунок 1.1). В соответствии с молярным соотношением между органическими ионами и солями железа, комплексообразование этих органических ионов на поверхности оксида железа может либо предотвратить зарождение, и приводить к более крупному размеру частиц, либо ингибировать рост частиц и приводить к более мелким наночастицам.
Впервые контролируемый синтез суперпарамагнитных наночастиц оксида железа с использованием щелочного осаждения FeCl3 и FeCl2 был описан Массартом [50]. В оригинальной работе методом соосаждения были получены сферические наночастицы магнетита, диаметр которых, согласно методу РФА, составлял 8 нм [51]. Было показано, что, меняя параметры, такие как используемое основание (аммиак, метиламин, гидрооксид натрия), величину pH, присутствие катионов [N(CH3)4+, CH3NH3+, Na+, Li+, K+, NH4+] и отношение ионов Fe2+/Fe3+, возможно варьировать полидисперсность получаемых наночастиц и их размеры в диапазоне от 16,6 до 4,2 нм [51]. Более детальные исследования показали, что кислотность и ионная сила влияют на размер и форму наночастиц из-за изменения плотности электростатической поверхности наночастиц [52-54].
Частицы могут быть диспергированы как в водных средах, так и в неполярных жидкостях, такие как масла или органические растворители, что позволяет использовать этот метод синтеза для создания магнитных эмульсий, капсул и везикул [55-57].
В последующем, процесс, разработанный Массартом, был адаптирован и для быстрого синтеза однородных наночастиц -Fe2O3 [58], покрытых органическими лигандами, такими как аминокислоты, R-гидроксикислоты (лимонная, винная и глюконовая кислоты) [59], гидроксаматыми (аргинином гидроксамат) [60] или димеркаптосукциновой кислотой (DMSA) [61,62], для стабилизации наночастиц и придания им дополнительных свойств. Так, например, согласно кондуктометрическим данным и кривым изотермы адсорбции, DMSA окисляется в процессе нанесения покрытия с образованием тетрамерных полисульфидных цепей [DMSAox]4, которые координируются карбоксилатным фрагментом на частицы после подщелачивания и нейтрализации, в результате чего получаются стабильные наноастицы при нейтральном значении рН [61,62].
При синтезе наночастиц оксида железа методом соосаждения возможно проводить контроль размера получающихся частиц путем варьирования типа и концентрации хелатирующих агентов. Контроль размера наночастиц при помощи хелатирующих агентов может быть продемонстрирован на примере цитрат-ионов. Использование их при проведении процесса Массарта позволяет уменьшать размер наночастиц с 8 до 3 нм [63]. Такой эффект объясняется протеканием двух процессов: с одной стороны, комплексообразование цитрата с ионами железа препятствует формированию новых зародышей, с другой – адсорбция цитрата на ядрах нуклеации приводит к гидролизу и подавлению роста ядер [64].
Применение наночастиц магнетита
Высокостабильные магнитные наночастицы представляют собой большой интерес для нужд катализа, биотехнологии и биомедицины. Такие магнитные наносистемы могут оказаться очень полезными для отделения катализаторов, ядерных отходов, биохимических продуктов и клеток [225-227].
Магнитоуправляемая сепарация делает отделение катализаторов в жидкофазных реакциях гораздо более простым, по сравнению с перекрестной фильтрацией и центрифугированием, особенно, когда катализатор имеет субмикронные размеры. Благодаря небольшому размеру такие катализаторы более доступны для реагирующих веществ и приближаются по эффективности к гомогенным катализаторам. Такие магнитные каталитические системы могут быть неоднократно использованы без существенной потери каталитической активности, что сильно удешевляет технологические процессы [228].
Катализаторы могут быть иммобилизованы как непосредственно на поверхности магнитных наночастиц, так и с применением организации композита ядро-оболочка, когда каталитически активные агенты формируют активную оболочку вокруг магнитоуправляемого ядра [229,230]. Благодаря такой организации становится возможным существенно снижать себестоимость катализатора благодаря уменьшению толщины поверхностного слоя.
В биотехнологии и биомедицине, магнитное отделение является перспективным направлением для эффективного и надежного способа очистки белков и биомолекул. Для этих целей магнитные наночастицы покрывают биоспецифичными молекулами, которые осуществляют удерживание определенных субстратов. Так, например, наночастицы магнетита, покрытые допамином используются для выделения белков [199]. Молекулы допамина имеют бидентатные ендиольные лиганды, которые плотно координируются с координационно-ненасыщенными атомами железа на поверхности, образуя комплексы с октаэдрической геометрией, плотно связывая допамин [231]. Получающиеся структуры позволяют в дальнейшем присоединять молекулы нитрилотриуксусной кислоты. Получающийся композитный материал обладает высокой специфичностью к отделению белков, высокой термостабильностью и стабильностью к повышенным концентрациям соли.
Магнитные наночастицы оказываются идеальными носителями для сепарации генов благодаря их высокой эффективности отделения (рисунок 1.12) [232, 233]. Сорбция и последующее выделение микроколичеств образцов ДНК и РНК с единичными отклонениями в последовательности является одним из наиболее перспективных направлений в диагностике заболеваний, изучении экспрессии генов и составлении генных карт. Использование магнитных наночастиц дает возможность создавать магнитные генозахватчики, которые позволяют концентрировать, отделять и изучать следовые количества молекул ДНК и РНК [234]. Такие агенты обычно состоят из магнитного ядра, покрытого оболочкой оксида кремния, к которому крепятся молекулы авидина и биотина для биоконьюгации с молекулами ДНК. Благодаря такому подходу удается осуществлять сепарирование образцов ДНК вплоть до фемтомолярных концентраций и осуществлять мониторинг собранных генных продуктов в реальном времени.
Одним из наиболее перспективных применений магнитных наночастиц является использование их в качестве агентов для магнитоуправляемой доставки лекарственных средств. Эта концепция впервые была предложена в 1970х годах Видлером [235]. Концепция магнитной доставки лекарств заключается в том, что коньюгаты магнитных наночастиц с лекарственными препаратами вводят внутривенно, после чего осуществляют концентрирование такого композитного материала в заданной области при помощи градиентного магнитного поля и удерживают в заданной области для увеличения локальной концентрации лекарственного вещества, что увеличивает эффективность терапии. Такие агенты имеют потенциал для доставки больших количеств терапевтического агента, и при этом, благодаря локализации, обладают низкой токсичностью и вызывают меньше побочных эффектов. Данная область применения очень интенсивно развивается, и уже достигнуты определенные успехи, однако клинические испытания вызывают определенные затруднения. Для их успешного применения необходимо решить ряд фундаментальных аспектов, таких как получение наночастиц определенного размера, стабильность получаемых магнитных композитов и биосовместимость покрытий, применяемых для связывания лекарств. Стоит заметить, что применяемый в большинстве случаев в качестве покрытия диоксид кремния не имеет разрешения на внутривенное введение, т.к. не может быть метаболизирован организмом [236].
Еще одним интересным применением магнитных наночастиц является их использование в качестве агента для терапии рака методом гипертермии, которая выступает в качестве вспомогательного средства при химиотерапии, радиотерапии или хирургическом вмешательстве [237-239]. В основе этого метода лежит эффект генерирования тепла магнитными наночастицами при облучении их переменным магнитным полем. Тепловая энергия выделяется из-за потери на магнитный гистерезис, релаксацию Нееля и релаксацию по Броуну, делая в итоге наночастицы мощным источником тепловой энергии [240-241]. Нагрев раковых клеток таким методом до температур выше 41 оС приводит к их гибели, т.к. раковые клетки, в отличии от здоровых, более чувствительны к повышенным температурам. Потери энергии на переориентацию намагниченности (смещение стенки магнитного домена или процессы поворота намагниченности у однодоменных частиц) в основном определяются внутренними магнитными свойствами, такими как магнитная анизотропия. У однодоменных частиц температурные флуктуации ведут к активации процесса перемагничивания, т.к. энергетический барьер этого процесса уменьшается с уменьшением размеров частиц.
Одним из наиболее перспективных направлений использования магнитных наночастиц является магнитоуправляемая доставка лекарственных средств. Такой способ позволяет производить увеличение локальной концентрации действующего вещества и увеличивать таким образом эффективность терапии при снижении побочного действия. Так, одним из основных недостатков большинства средств химиотерапии является их неспецифичность и токсичность в отношении здоровых тканей. В такой ситуации применение магнитоуправляемой доставки позволяет осуществить локализацию терапевтического средства [242, 243].
В общем случае, создание магнитоуправляемого терапевтического средства включает в себя следующие этапы: присоединение цитотоксического препарата к биосовместимому магнитному носителю, внутривенное введение такого магнитного средства в виде магнитной суспензии, применение градиента магнитного поля, позволяющего осуществить локализацию магнитного композита в желаемой области и высвобождение терапевтического агента. Несмотря на кажущуюся простоту, существует ряд моментов, которые оказывают существенное влияние на осуществление этих пунктов. Такие параметры, как физико-химические свойства наночастиц, сила и геометрия магнитного поля, глубина залегания ткани-мишени, скорость течения крови, густота капиллярной сетки, играют роль в определении эффективности этого метода доставки лекарства [243,244]. Ранние клинические тесты наночастиц оксида железа, загруженные эпирубицином и наведенные магнитным полем на твердые опухоли, показали эффективность на примерно половине пациентов, принимавших участие в эксперименте [245,246]. Помимо эффективности, такие композитные материалы оказались хорошо переносимы пациентами. К сожалению, также был обнаружен и ряд проблем, связанных с возможностью эмболизации кровяных сосудов, с масштабированием при переходе от животных на человека, в связи с ограниченной проницаемостью магнитного поля от коммерчески-доступных магнитов, а также с диффузией препарата после его высвобождения из состава магнитного композита.
Работы по решению этих проблем привели к разработке математической модели, учитывающей гидродинамические эффекты в кровеносных сосудах, объем магнитных частиц, силу магнитного поля и даже эффект от клеток в плазме [248]. В этой работе авторы сделали вывод, что магнитные наносистемы обладают наибольшей эффективностью на целях, близких к поверхности тела. Учитывая полученные результаты, была предложена система на основе ультра-маленьких магнитных наночастиц и препарата митоксантрона, оказавшаяся эффективным терапевтическим средством против раковых клеток VX2 у новозеландских белых кроликов, приведя к полному исцелению через 35 дней [249].
Магнитные транспортные системы могут применяться для адресной доставки широкого спектра лекарственных соединений самой различной природы. Низкомолекулярные соединения, такие как этопозид, доксорубицин или метотрексат могут быть успешно присоединены или инкапсулированы в магнитные наночастицы для применения при терапии широкого спектра болезней от ревматоидного артрита до злокачественного рака простаты или груди [250,251]. Проводя различные модификации поверхности магнитных наночастиц и вариации состава магнитного материала, подобно тем, что были описаны в предыдущих разделах, можно менять специфичность и эффективность таких систем. Меняя состав магнитных композитных материалов, структурные особенности, химизм прикрепления конъюгируемых веществ и наночастиц можно варьировать такие параметры, как профиль высвобождения лекарственных средств. Так, например, композитные наночастицы магнетита, покрытые поли(этил-2-цианоакрилатом) и содержащие смесь противораковых веществ: цисплатина и гемцитабина, демонстрируют различный профиль высвобождения препаратов в зависимости от их гидрофильности [252].
Обсуждение механизма стабилизации гидрозоля наночастиц магнетита
Ультразвуковое облучение и нестехиометрическое соотношение реагентов играют ключевую роль в стабилизации гидрозоля наночастиц магнетита. Известно, что ультразвуковое излучение способно вызывать явление акустической кавитации, т.е. вызывать процесс формирования, роста и взрывоподобного коллапса пузырьков на границе раздела твердых частиц и окружающего их растворителя. Коллапс пузырьков вызывает локальный нагрев из-за адиабатического сжатия. Известно, что в таких условиях локальная температура может достигать нескольких тысяч градусов, а локальное давление – сотен атмосфер [272]. В этих условиях в водных средах формируется большое количество ионов Н+ и ОН- в приповерхностных слоях растворителя [270]. Т.к. ионы обладают малыми временами полужизни и оказываются локализованными в области двойного электронного слоя частиц, они не меняют общий уровень pH в среде, однако, они могут участвовать в химических реакциях, и именно этим объясняется различие в стабильности у гидрозолей, получаемых из нестехиометрического соотношения солей Fe2+/Fe3+ (0,7 вместо 0,5).
Схема реакции соосаждения солей железа в щелочных условиях выглядит следующим образом:
I: 2Fe3+ + 6OH- 2Fe(OH)3
II: 2Fe(OH)3 2Fe(OOH) + 2H2O
III: Fe2+ + 2OH- Fe(OH)2
IV: 2Fe(OOH) + Fe(OH)2 Fe3O4 + 2H2O
Что дает в суммарную реакцию
V: 8OH- + 2Fe3+ + Fe2+ Fe3O4 + 4H2O
Самой важной стадией в данном процессе является стадия IV, которая, в применяемых нами условиях, приводит к образованию смеси двух продуктов: осадку Fe3O4 и 40 % молярному избытку Fe(OH)2. Получающийся избыток Fe(OH)2 может перейти в магнетит при УЗ-обработке образцов благодаря реакции Шикорра [273].
VI: 3Fe(OH)2 Fe3O4 + H2 + 2H2O
Механизм реакции весьма сложен и не выяснен до сих пор, однако, считается, что он заключается в окислительно-восстановительной реакции между протонами и двумя эквивалентами Fe2+, которые окисляются до Fe3+ и в последующем реагируют с Fe(OH)2 с формированием магнетита [273]. Прохождение реакции VI на поверхности образованных наночастиц, приводит к почти полному превращению Fe(OH)2, однако на поверхности наночастиц остается остаточный слой, который играет важную роль в стабилизации гидрозоля. На рисунке 3.11 представлен ИК-спектр НПВО высушенного образца наночастиц магнетита.
Так как на спектрах наночастиц при комнатной температуре был виден широкий пик при 3344 см-1, отвечающий валентным и деформационным колебаниям воды, для детального изучения строения поверхности наночастиц образец подвергали последовательной дегидратации непосредственно на НПВО-столике путем нагревания и выдерживания при повышенной температуре. Изучение спектров показывает, что даже при температуре 25 оС на спектре видны валентные колебания поверхностных –OH групп магнетита при 3749 см-1. После увеличения температуры образца до 200 оС и удалении мешающей воды становится виден сигнал в области 3605–3625 см-1 соответствующих валентным колебаниям OH-связей в молекуле Fe(OH)2 [268,269]. Одновременное присутствие этих сигналов говорит о наличии молекулярного слоя Fe(OH)2 на поверхности наночастиц магнетита.
Как было отмечено в литературном обзоре, одной из главных проблем, затрудняющей получение стабильных гидрозолей магнетита при нейтральном значении pH является положение его изоэлектрической точки, находящееся при pH 6,8, вследствие чего значение дзета-потенциала магнетита при нейтральном pH оказывается недостаточным для формирования стабильных коллоидных систем.
Оценка изоэлектрической точки гидрозолей синтезированных наночастиц магнетита показывает, что его изоэлектрическая точка смещена в область более высоких значений pH и составляет 8,0 (рисунок 3.12).
Такое изменение значения изоэлектрической точки может быть объяснено наличием на поверхности синтезированных наночастиц магнетита групп Fe(OH)2, сигнал которых отчетливо виден на ИК-спектрах НПВО. Вследствие того, что изоэлектрическая точка Fe(OH)2 находится при значении pH 10 [274], наличие данных группировок на поверхности наночастиц может приводить к смещению положения изоэлектрической точки материала.
Иным источником положительного заряда могло бы быть присутствие ионов NH4+ на поверхности наночастиц. Для проверки этой теории были сняты ИК-спектры НПВО в областях валентных ( 3) и ножничных ( 4) колебаний связей N 82 Н. Из литературных данных известно, что спектры диффузного отражения ионов NH4+, адсорбированных на поверхности, дают широкий пик в области 4(NH4+) с максимумом при 1440 см"1 [275, 276]. В исследуемом образце на ИК-спектре НПВО также наблюдается пик в этой области при 1413 см"1 (рисунок 3.13а). Однако, одновременно с ним в спектре должен присутствовать пик в области 3400 cm"1 3200 см"1, отвечающий валентным колебаниям 3(NH4+). Интенсивность пика, отвечающего за валентные колебания, должна быть много больше ножничных колебаний 4, однако, пиков, отвечающих этим колебаниям, на спектре не наблюдается (рисунок 3.13б), даже после нагрева до температур 150 и 200 С.
Нагрев производили для избавления от мешающего сигнала, отвечающего за валентные колебания воды. На основании этого можно сделать вывод, что на поверхности наночастиц отсутствуют следы ионов NtLf1", и колебания при 1413 см" 1 принадлежат самому образцу магнетита [264].
Композитные материалы на основе урокиназы и золь-гель магнетита
Результаты, описанные в предыдущих разделах, позволили провести работы по созданию магнитоуправляемого нанокомпозита на основе золь-гель матрицы магнетита и тромболитического фермента урокиназа. Нанокомпозитные материалы были получены иммобилизацией активатора плазминогена урокиназного типа (УАП), широко применяемого в медицинской практике, в золь-гель матрицу магнетита [264].
В результате контролируемой соконденсации урокиназы со стабильным гидрозолем магнетита происходит формирование организованной наноструктуры, в которой молекулы фермента могут быть расположены внутри и в приповерхностном слое матрицы. Приповерхностное расположение позволяет ферменту взаимодействовать с высокомолекулярными молекулами субстрата – плазминогена, при этом исключая возможность высвобождения УАП из матрицы.
Активатор плазминогена урокиназного типа был выбран из-за его строения и механизма действия. Данный класс активаторов плазминогена состоит из трех выраженных доменов и способен переводить плазминоген в плазмин напрямую, путем расщепления связи Arg561–Val562 [284]. Для этого не требуется формирование активаторного комплекса фермент-плазминоген, как в случае стрептокиназы. Строение фермента таково, что при иммобилизации он скорее всего будет ориентироваться более гидрофобными фактор роста-подобными и кринглооброазными доменами к матрице, что обеспечивается энергетически более выгодным состоянием, при этом гидрофильный и положительно заряженный каталитический домен (матрица также заряжена положительно, +32 mV) оказывается обращен в сторону поры и, соответственно, растворителя, оказываясь доступным для взаимодействия с субстратом [285]. При нейтральных значениях pH отрицательно заряженный плазминоген (изоэлектрическая точка 6,2 [285]) взаимодействует с каталитическим доменом урокиназы, находящемся внутри положительно заряженной матрицы (изоэлектрическая точка = 8, рисунок 3.12) и образуется положительно заряженный плазмин (изоэлектрическая точка 7,4 [286]), который отталкивается от матрицы, освобождая путь для подхода новой молекуле субстрата. При этом композитная матрица превращается в конвейер по активации плазминогена и запуску процесса лизиса тромба, не изменяя своего строения и состава. Такой механизм работы тромболитического нанокомпозита характерен при массовом содержании урокиназы не более 12,5 %, что соответствует содержанию фермента на уровне 500 ед/мг. До данного концентрационного предела происходит полный захват фермента без наблюдаемого в последующем высвобождения, что подтверждается спектроскопическими исследованиями (рисунок 3.31) и отсутствием ферментативной активности промывочных растворов (см. экспериментальную часть) [265].
Способность композита активировать плазминоген может быть легко проверена при помощи реакции с хромогенным субстратом: активный плазмин, в отличии от плазминогена, способен расщеплять For-Ala-Phe-Lys-pNA с образованием окрашенного п-нитрофенола [286]. По результатам анализа было показано, что формирование плазмина на тромболитическом композите (12,5 % УАП@магнетит) происходит примерно в два раза медленнее, чем на аналогичном количестве свободного фермента, тем не менее для гетерогенной системы это весьма высокий показатель, что, по-видимому, вызвано правильной ориентацией урокиназы в тромболитическом композите (рисунок 3.32). В следующем разделе мы попытались проанализировать способность композитных материалов УАП@магнетит осуществлять лизис тромбов [265].
Для определения тромборазлагающих свойств композитных материалов были проведены эксперименты с искусственным сгустком, полученным из человеческой плазмы. Для этих целей из контрольной человеческой плазмы при добавлении тромбина формировали сгусток, помещали его на предметное стекло с тромболитическим покрытием и наблюдали процесс разложения модельного тромба в оптический микроскоп.
Для создания тромболитического покрытия на поверхности предметного стекла использовали смесь гидрозоля магнетита и раствора фермента урокиназа с соотношением магнетит:урокиназа 12:1. Как было выявлено в предварительных экспериментах, при таком соотношении компонентов фермент прочно иммобилизируется в неорганической матрице, и не наблюдается его высвобождения с течением времени. При помощи стержня Майера полученную смесь наносили на предметное стекло, и при высыхании формировался композитный слой толщиной 200 нм (рисунок 3.33а).
Поверх полученного тромболитического покрытия (принципиальная структура показана на рисунке 3.33б) был помещен сгусток, сформированный из человеческой плазмы (рисунок 3.33в). Находясь на поверхности тромболитического покрытия, сгусток начинает разлагаться, что хорошо видно под оптическим микроскопом (рисунки 3.34а-3.34в). Процесс разрушения однозначно указывает на то, что тромболитическое покрытие генерирует плазмин по всей своей поверхности, что вызывает разрушение сгустка не только по периметру, но и из центра. Разрушение сгустка происходит с его фрагментацией, при этом площадь контакта поверхности плазмина с фибриновой сетью увеличивается, что приводит к ускорению тромборазложения с течением времени.
Согласно экспериментальным данным, скорость растворения сгустков плазмы напрямую зависит от соотношения компонентов в композитном материале (таблица 3.4). Увеличение массовой доли урокиназы в составе композита приводит к возрастанию скорости разрушения сгустка вплоть до концентрации 12,5 %, что соответствует содержанию фермента 500 ед/мг. После этого граничного значения наблюдается частичное высвобождение тромболитического компонента, что ускоряет процесс лизиса, но противоречит самой предлагаемой концепции.
Так как тромболитической фермент не высвобождается в процессе активации плазминогена и остается в составе композита, такой материал может быть использован неоднократно. После смыва остатков разрушенного сгустка с тромболитического покрытия, помещение на него свежесформованного сгустка также приводит к его разрушению (таблица 3.4). Согласно экспериментальным данным, скорость разрушения второго сгустка сопоставима со скоростью разрушения первого, что указывает на возможность многократного использования подобного покрытия, либо же использования его в непрерывном режиме в качестве тромболитического покрытия для сердечно-сосудистых имплантатов.