НАНОЧАСТИЦЫ МАГНЕТИТА: МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И СВОЙСТВА (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

Куклина А.С.

Студент, ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет»

НАНОЧАСТИЦЫ МАГНЕТИТА: МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И СВОЙСТВА (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

Аннотация

На сегодняшний день исследования в области нанотехнологий занимают одну из лидирующих позиций в связи с возможностью применения наноразмерных частиц в различных отраслях науки. Возможность использования наночастиц магнетита для терапии и диагностики привлекает большое внимание благодаря уникальным физическим и химическим свойствам, обусловленным малыми размерами частиц, соизмеримыми с размерами клеток, что определяет их биосовместимость и возможность связываться с биологическими объектами. В статье рассмотрены основные методы получения наночастиц магнетита, их свойства и применение.

Ключевые слова: магнетит, наночастицы, суперпарамагнитные наночастицы.

Keywords: magnetite, nanoparticles, superparamagnetic nanoparticles.

Введение

Среди многих возможных компонентов наночастиц, таких как золото, серебро, никель, кобальт, углеродные нанотрубки, фуллерены и т.д., наиболее перспективными представителями для применения в медицине являются наночастицы оксида железа ввиду низкой токсичности и устойчивости к окислению при контакте с кислородом [1, 2]. В частности, наночастицы с кристаллическими ядрами магнетита (Fe3O4) обладают превосходными магнитным свойствами, биосовместимостью, биоразлагаемостью, а также легкостью синтеза и возможностью трансформации для конкретных целей [1,3].

Некоторые составы наночастиц на основе магнетита уже получили одобрение для применения у людей в качестве препаратов от дефицита железа и в качестве контрастных средств для МРТ (Феррогем®, Gastromark®, Feridex IV®). Возможность использования наночастиц магнетита в таргетной терапии опухолей, биотерапевтическом транспорте ЛВ и магнитной гипертермии, подчеркивает большую значимость для использования в высоко персонализированной медицине [3].

Поскольку биологическое распределение наночастиц напрямую зависит от их размера, они были классифицированы в соответствии с общим размером частиц следующим образом:

  1. Ультрамалые суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (USPION – ultrasmall superparamagnetic particles) диаметром менее 50 нм [4]. Благодаря свойству суперпарамагнетизма при приложении магнитного поля такие наночастицы обеспечивают более сильный и более быстрый магнитный отклик по сравнению с объемными магнитами. Это уникальное явление очень важно для направленной доставки лекарств, потому что суперпарамагнитные наночастицы могут буквально перетаскивать молекулы ЛВ к месту их нахождения в организме под воздействием магнитного поля. Кроме того, в отсутствие приложенного магнитного поля частицы не сохраняют остаточный магнетизм при комнатной температуре и, следовательно, не будут агломерировать [5].
  1. Cуперпарамагнитные наночастицы оксида железа (SPION – small superparamagnetic particles) диаметром до 250 нм [6].
  2. Частицы оксида железа микронного размера (MPIO – microparticles of iron oxide) с диаметром более 1 мкм. Крупные частицы обычно вводят перорально, что ограничивает их использование исследованием желудочно-кишечного тракта. [4].

Размер наночастиц в значительной степени определяет их период полураспада в кровообращении. Например, частицы размером менее 10 нм в основном удаляются почечным клиренсом, тогда как частицы размером более 200 нм концентрируются в селезенке и поглощаются фагоцитирующими клетками тела, что приводит к снижению концентрации наночастиц в кровотоке [5].

Способы получения наночастиц магнетита

Существует множество способов получения наночастиц оксида железа, различающихся по форме, морфологии и размерам, которые, в свою очередь, можно разделить на две группы:

  • Первая группа методов предполагает получение магнитных наночастиц посредством диспергирования макроскопического материала. Эта концепция носит название сборки «сверху-вниз» и относится к физическим и механохимическим методам получения МНЧ. Примером такой сборки может служить испарение-конденсация и измельчение насыпного магнетита в присутствии большого количества поверхностно- активного вещества (ПАВ) в шаровых мельницах, что исключает использование данной группы методов в лабораторной практике. Кроме того, при использовании метода диспергирования нарушается фазовый состав измельчаемых веществ, например, у соединений оксида железа не сохраняется кислородная стехиометрия [7].
  • Вторая группа методов основана на получении МНЧ посредством химического синтеза из атомарных частиц, молекул или ионов. Благодаря сборке «снизу-вверх» можно в большей степени контролировать размер, состав и свойства наночастиц в процессе получения [1]. Тем не менее, высокое соотношение количества атомов на поверхности к их числу в объеме частиц может повлечь за собой нежелательные межчастичные взаимодействия, образование агломератов и токсичных наночастиц. Этого можно избежать, модифицируя поверхность МНЧ биосовместимыми веществами, которые определяют способность наночастиц взаимодействовать с живыми клетками в четко определенной и контролируемой манере, а также обеспечивает иммунотолерантность и биосовместимость [7,8].

 

Химические методы получения наночастиц магнетита

  1. Термолиз

Химические методы получения магнитных наночастиц осуществляются, в основном, в жидкой фазе [9]. Так, например, термическое разложение металлсодержащих соединений включает в себя использование высококипящих некоординируемых растворителей в присутствии стабилизаторов в виде ПАВ или соответствующих полимеров [7]. В работе [10] были получены наночастицы оксида железа термолизом олеата железа (III), размер которых контролировали с использованием просвечивающей электронной микроскопии (рис. 1). Термическое разложение почти не вызывает трудностей при получении монодисперсных наночастиц Fe3O4 с заданными размерами, однако серьезными недостатками данного метода являются сложность синтеза и использование достаточно высоких температур реакции (180 – 360 °С) [8,9].

b.   Метод микроэмульсий

Другим эффективным способом получения магнитных наночастиц является метод микроэмульсий, который заключается в смешении водорастворимых солей металлов с избытком неполярного растворителя (толуол, н-гептан [9]) в присутствии водной фазы. В результате синтеза образуются обратные мицеллы, которые представляют собой сферические везикулы, охватывающие водную среду с заключенными в ней наночастицами. Изменяя условия протекания реакции и соотношение водной фазы к растворителю, можно получить магнитные наночастицы с размерами от 2 до 18 нм [8].

c.    Золь-гель метод

Золь–гель метод получения магнитных наночастиц основан на реакциях гидролиза и конденсации алкоксидов металлов или их предшественников с образованием золей оксидных частиц соответствующих металлов. Типичной иллюстрацией данного метода может служить синтез наночастиц магнетита покрытых оболочкой из диоксида кремния, описанных в работе [11]. На первом этапе были получены частицы Fe3O4 путем соосаждения и диспергирования солей железа II и III в водном растворе при помощи электростатических воздействий в присутствии триметиламмония гидроксида. Далее наночастицы магнетита были стабилизированы диоксидом кремния, образующимся при гидролизе тетраэтилортосиликата. В результате эксперимента были получены суперпарамагнитные частицы размерами около 30 нм (рис. 2).

Рисунок 2. ПЭМ – изображение наночастиц Fe3O4/SiO2, полученных золь–гель методом [11].

 

Преимуществом золь–гель метода является возможность изменения параметров синтеза (рН, температура, скорость протекания гидролиза, состав раствора) для того, чтобы получить наночастицы с заданными размерами и свойствами. Однако существенным недостатком данного метода является наличие побочных продуктов реакции, что требует дополнительных методов очистки [9].

d.   Метод щелочного соосаждения (метод Массарта)

Среди перечисленных методов приготовления магнитных наночастиц наибольшую популярность получил метод Массарта, основанный на соосаждении солей железа в присутствие водного основания (например, гидрата аммиака – NH3×Н2О или гидроксида натрия – NaOH). Типичный синтез МНЧ иллюстрируется образованием магнетита при осаждении солей железа II и III в молярном соотношении 1:2, который может быть записан как:

FeCl2 + 2FeCl3 + 8NH3×Н2О → Fe3O4 + 8NH4Cl + 4H2O

Большое внимание метод Массарта заслужил благодаря возможности изменения параметров синтеза для получения частиц нужных свойств [8]. Например, исследования, представленные в работе [12] показали, что методом соосаждения солей железа можно получить частицы магнетита размером 10 нм и меньше.

Заключение

В настоящем обзоре были рассмотрены различные способы получения наночастиц магнетита. Среди них наиболее перспективными являются химические методы, которые позволяют синтезировать магнитные наночастицы, обладающие уникальными свойствами суперпарамагнетизма. Свойства данных методов описаны более подробно.

Литература:
  1. Zasonska B.A., Patsula V., Stoika R., Horák D., Surface-modified magnetic nanoperticles for cell labeling // Вестн. Волгогр. гос. ун-та. – 2014. – № 4. – С. 63–73.
  2. Вориводина М.В., Шабанова И.А., Магнитные наночастицы: исследование структурных особенностей // Современные материалы, техника и технологии. – 2015. – Т. 21. – №6. – С. 94–98.
  3. Richard A.R., Miqin Z. Magnetite nanoparticles for cancer diagnosis, treatment, and treatment monitoring: recent advances // Materials Today. – 2019. – V. 19. – P. 157 – 168.
  4. Estelrich J., Sánchez-Martín M. Nanoparticles in magnetic resonance imaging: from simple to dual contrast agents // International Journal of Nanomedicine. – 2015. – V.10. – P. 1727–
  5. Wahajuddin, Sumit Arora. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles: magnetic nanoplatforms as drug carriers // International Journal of Nanomedicine. – 2012. – V.7. – P. 3445–3471.
  6. Martina A.M., Choudhury P. Applications of nanotechnology in molecular imaging of the brain // Progress in Brain Research. – 2009. – V. 180. – P. 73 – 97.
  7. Губин С. П., Кокшаров Ю. А., Хомутов Г. Б., Юрков Г. Ю. Магнитные наночастицы методы получения, строение и свойства // Успехи химии. – 2005. – Т. 74. – № 6. – С. 539 – 574.
  8. Егунова О. Р., Константинова Т. А., Штыков С. Н. Магнитные наночастицы магнетита в разделении и концентрировании.// Изв. Сарат. ун-та. Нов.сер. Сер. Химия. Биология. Экология. – 2014. – Т. 14. – № 4. – С. 27 – 33.
  9. Новопашин С.А., Серебрякова М.А., Хмель С.Я. Методы синтеза магнитных жидкостей // Теплофизика и аэромеханика. – 2015. – T. 22. – C. 411 – 427.
  10. Низамов Т. Р., Гаранина А. С., Уварова В. И. Использование магнитных наночастиц оксида железа сферической и кубической форм для доставки доксорубицина в клетки линии карциномы молочной железы мыши 4Т1 // Вестник РГМУ. – 2018. – Т. 6. – С. 135 – 144.

 

  1. Du H., Liu Z.L., Xia X., Chu Q., Zhang S.M. Characterization and application of Fe3O4/SiO2 nanocomposites // J Sol-Gel Sci Techn. – 2006. – V. 39. – P. 285 –291.
  2. Zasonska B.A., Patsula V., Stoika R., Horák D., Surface-modified magnetic nanopаrticles for cell labeling // Вестн. Волгогр. гос. ун-та. – 2014. – № 4. – С. 63–73.