Получение наночастиц магнетита и их комплексов с липосомами для биомедицинского применения (стр. 2 )

Методы стабилизации наночастиц магнетита

Наравне с выбором метода синтеза очень важен выбор способа стабилизации получившихся наночастиц. Они должны быть устойчивы к агрегированию в условиях, приближенных к физиологическим и в условиях наложения магнитного поля.

В магнетите железо выступает в роли кислоты Льюиса, поэтому оно может принять неподеленную пару электронов от внешних молекул. В воде магнетит находится в гидратированной форме и в зависимости от pH раствора может нести либо положительный, либо отрицательный заряд. Изоэлектронная точка наблюдается при pH=6.8. Тогда плотность поверхностного заряда мала, и наночастицы оксида выпадают в осадок [4].

Существует два основных подхода к стабилизации наночастиц магнетита. В первом случае используются органические молекулы как низко, так и высокомолекулярные, в том числе полимеры и биомолекулы [11]. Наночастицы магнетита могут быть стабилизированы с помощью соединений, содержащих карбоксильные, фосфатные и сульфатные функциональные группы. Например, лимонная кислота (рис.3) связывается с поверхностью оксида железа одной или двумя карбоксильными группами (в зависимости от стерических факторов), поэтому по крайней мере еще одна группа остается на поверхности, что делает наночастицу отрицательно заряженной и гидрофильной [11].

Рис. 3. Структурная формула лимонной кислоты.

Другой подход к стабилизации наночастиц – покрытие магнетита неорганической оболочкой на основе неметаллов (кремний, углерод), металлов (золото, серебро, платина) и оксидов (медь, кремний и т. д.) [12]. Наиболее часто используется именно покрытие золотой оболочкой. Преимуществами покрытия золотом являются не только стабилизация магнитных наночастиц в растворе, но и снижение токсичности магнетита и функциональность поверхности наночастиц, за счет образования прочной ковалентной связи сера – золото (E = 40 ккал/моль) (например, меркаптоундекановая, липоевая кислота (рис.4)) [13].

 

Рис. 4. Структурные формулы меркаптоундекановой (a) и липоевой (b) кислот.

Рассмотрим некоторые способы получения наночастиц типа ядро-оболочка магнетит-золото.

Наиболее распространенными методами стабилизации наночастиц золотом являются следующие. Первый подход заключается в восстановлении HAuCl4 в присутствии наночастиц магнетита [14]. Его преимуществами являются простота и удобство процесса (одна стадия), а основным недостатком – наличие в финальном растворе непокрытых частиц магнетита и частиц золота, не содержащих магнитного ядра.

Второй способ является многостадийным и дает возможность содержания нескольких магнитных частиц в одной золотой оболочке (рис. 5) [15]. В нем в качестве стабилизатора магнетита участвует полиэтиленимин. Далее к стабилизированным частицам добавляют наночастицы золота с последующим восстановлением  HAuCl4, как и в первом подходе. Данный способ позволяет эффективно контролировать покрытие.

Рис. 5. Многостадийный подход к покрытию золотой оболочкой наночастиц магнетита [15].

Применение магнитных наночастиц

Ранее уже упоминалось о применении магнитных наночастиц in vivo в качестве контрастных агентов в магнитно-резонансной томографии. Более того, в последнее время перспективным направлением является терапевтическое применение, а именно магнитная гипертермия и адресная доставка лекарств.

1.4.1. Магнитная гипертермия.

Раковые клетки, находящиеся в процессе постоянного деления, испытывают  недостаток кислорода (гипоксия). При повышении температуры до 43-45 °С этот процесс значительно ускоряется, что является одним из факторов, приводящих к гибели клеток. Магнитные наночастицы являются перспективным материалом для локальной гипертермии. Подход основан на преобразовании магнитной энергии в тепло при перемагничивании частиц в высокочастотном магнитном поле. Однако недостатком данного способа является трудность контроля температуры, а также необходимость высоких концентраций токсичных магнитных наночастиц и их доставки в пораженную область.

1.4.2. Адресная доставка лекарств.

Преимуществами использования магнитных наночастиц в целях доставки лекарственного препарата в опухоль является возможность управления ими извне посредством наложения магнитного поля, а также потенциальное содействие высвобождению лекарства.

Стоит отметить, что в настоящее время большинство применений магнитных наночастиц основано на эффекте их тепловыделения в переменном магнитном поле. И хотя открываются огромные перспективы для использования этих наночастиц, все еще актуальными остаются проблемы токсичности, невозможности биодеградации или выведения частиц из организма, существует риск закупоривания сосудов и активации иммунной системы организма.

Уникальные магнитные свойства рассматриваемых наночастиц обуславливают широкую область их применения. Способность колебаться в переменном магнитном поле делает возможным триггерное высвобождения лекарства из многих известных контейнеров. Один из наиболее перспективных контейнеров являются липосомы. [17]

Глава 2. Липосомы

Основным компонентом клеточной мембраны являются липиды, в основном фосфолипиды. Они состоят из полярной гидрофильной «головы» (отрицательно заряженная фосфатная группа, этерифицированная спиртом) и неполярных гидрофобных «хвостов» (длинноцепочечные жирные кислоты) (рис.6). 

Рис.6. Строение фосфолипидов [18].

Благодаря своей амфифильности, в водном растворе молекулы фосфолипидов склонны к самоорганизации. Они могут образовывать разнообразные структуры: сферы, эллипсоиды, глобулы, стержни, цилиндры и бислои. [19]. Среди указанных структур наибольшую стабильность демонстрируют последние, так как в этом случае достигается минимальное взаимодействие гидрофобных частей с водой. А чтобы избежать краевого взаимодействия, бислои в свою очередь замыкаются и образуют липосомы.  (рис.7).

Рис.7. Молекула фосфолипида и липосома [20].

Глава 3. Основные методы исследования наночастиц и их комплексов.

Современная наука располагает множеством методов анализа, при помощи которых можно получить широкий спектр информации о той или иной молекуле или конструкции. Ниже будут рассмотрены методы анализа, наиболее подходящие для описания  наночастиц магнетита и их комплексов с липосомами.

3.1. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ).

       ПЭМ основана на изучении ультратонких образцов (порядка 0,1 мкм) с помощью пучка электронов. При подготовке образца важно, чтобы его толщина была от 20 до 200 нм. Образцы из материалов, имеющих достаточно малые размеры, чтобы быть прозрачными в электронном пучке, такие как наночастицы, могут быть быстро приготовлены нанесением крошечного количества вещества на поддерживающую сетку или пленку. Устройство просвечивающего микроскопа очень похоже на простой световой микроскоп, только вместо луча света на объект направляют пучок электронов, испускаемый электронной пушкой (рис.8).

Рис.8. Схема устройства просвечивающего электронного микроскопа.

На образце он фокусируется  с помощью конденсорной линзы, затем электроны взаимодействуют с атомами образца и отклоняются от первоначального направления, т. е. рассеиваются (поглощением электронов можно пренебречь, поскольку толщина образца крайне мала). После прохождения через образец, пучок фокусируется на детекторе при помощи объективной линзы, которая дает возможность получить проекцию увеличенного изображения. В задней фокальной плоскости объективной линзы находится апертурная диафрагма, которая отсекает рассеянные электроны. Таким образом, чем тяжелее атомы образца, то есть чем большей рассеивающей способностью он обладает, тем более темным будет его изображение. Поскольку длина волны электрона меньше длины волны света, ПЭМ позволяет изучать образцы с разрешением во много раз превосходящим разрешение любого светооптического микроскопа. С помощью ПЭМ можно получить данные о средних размерах наночастиц, распределению по размерам и форме частиц [21].

        3.2. Рентгенофазовый анализ (РФА)

       Это дифракционный метод, в ходе которого образец облучают рентгеновскими лучами, которые рассеиваются и образуют вторичные отклоненные пучки той же длины волны. Наиболее часто этот метод применяют для определения атомной структуры кристаллических тел, поскольку кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой дифракционную решетку. Зарегистрированное на светочувствительном материале изображение, возникнувшее после взаимодействия объекта с рентгеновскими лучами, называется рентгенограммой. Съемка образца проводится в  рентгеновской камере – приборе, обеспечивающем выполнение условий дифракции рентгеновских лучей (условие Брэгга-Вульфа) и получение рентгенограмм. Источником излучения служит рентгеновская трубка.

       Если представить кристалл, как совокупность плоскостей, отстоящих друг от друга на расстояние d, то падение и отражений рентгеновских лучей будет выглядеть следующим образом (рис.9)

Рис.9. Взаимодействие рентгеновских лучей с плоскостями кристалла.

Условие Брэгга-Вульфа определяет возможное направление максимумов интенсивности (дифракционных максимумов) и определить расстояние d. Согласно ему, максимумы будут возникать, когда лучи, отраженные разными плоскостями системы, имеют разность хода, равную целому числу длин волн (1)

2dsinϑ = nλ, (1)

где d — межплоскостное расстояние, ϑ — угол скольжения, n — порядок дифракционного максимума, л — длина волны [22].