Получение наночастиц магнетита и их комплексов с липосомами для биомедицинского применения (стр. 1 )

Московский государственный университет

имени

Химический факультет

Кафедра химической энзимологии

Лаборатория химического дизайна бионаноматериалов

Получение наночастиц магнетита и их комплексов с липосомами
для биомедицинского применения

Курсовая работа по неорганической химии

студентки 110 группы

Куценок Екатерины

Научные руководители:

д. х.н., проф.

м. н.с.

Преподаватель:

к. х.н., доцент

Москва

2015

Оглавление

Оглавление        2

Введение        4

Обзор литературы        5

Глава 1. Магнитные наночастицы        5

1.1.        Магнетит: состав и строение.        6

1.2.        Методы получения наночастиц магнетита        6

1.3.        Методы стабилизации наночастиц магнетита        8

1.4.        Применение магнитных наночастиц        10

1.4.1. Магнитная гипертермия.        10

1.4.2. Адресная доставка лекарств.        10

Глава 2. Липосомы        11

Глава 3. Основные методы исследования наночастиц и их комплексов.        13

3.1. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ).        13

3.2. Рентгенофазовый анализ (РФА)        14

3.3. Метод динамического рассеивания света (ДРС)        15

3.4. Анализ траектории наночастиц (АТН)        15

Экспериментальная часть        17

Материалы и методы        17

Получение сферических наночастиц магнетита.        18

Получение наночастиц магнетита в форме палочек.        18

Получение липосом        19

Получение комплексов наночастиц магнетита с липосомами        19

Основные результаты и их обсуждение        20

Выводы        25

Список литературы        26

Введение

В последнее время наночастицы (НЧ) магнетита вызывают повышенный научный интерес и широко применяются в биомедицинской сфере. Например, предложено использовать их  как компонент терапии различных видов рака, для доставки лекарственных препаратов, для повышения контрастности изображения в магнитно‑резонансной томографии. Вследствие наличия магнитных свойств данными наночастицами можно управлять при помощи магнитного поля.

Липосомы – один из перспективных видов систем доставки лекарственных средств. Большинство липосомальных препаратов демонстрирует постепенное высвобождение лекарства, однако для эффективной терапии многих видов рака чрезвычайно важным является триггерное высвобождение лекарства. Магнитные частицы, вращающиеся в магнитном поле, связанные с липосомальной мембраной, предположительно, могут способствовать ускоренному высвобождению лекарства. Для разработки новых систем доставки лекарственных средств важно получать наночастицы различных форм и покрытий.

Целью данной работы является синтез наночастиц магнетита различной формы и с различными покрытиями и получение комплексов этих наночастиц с липосомами.

Обзор литературы

Данный литературный обзор посвящен рассмотрению основных методов получения наночастиц магнетита, их применения, а также основных методов их анализа. Помимо этого рассмотрены липосомы, как биосовместимые частицы для переноса магнитных наночастиц (МНЧ).

Глава 1. Магнитные наночастицы

На сегодняшний день нанотехнологии представляют собой большой интерес для исследователей, и появляется множество материалов, содержащих наноразмерные частицы. Интерес в изучении наночастиц вызван тем, что при таких размерах вещества проявляют новые необычные химические и физические свойства в силу возрастания доли «поверхностных» атомов, находящихся в иных условиях, чем атомы объемной фазы (координационные числа, симметрия локального окружения и т. п.) [1]. Этот факт открывает новые возможности использования наночастиц, например,  в медицине и фармакологии. Благодаря своим размерам, меньшим размера клетки, наночастицы могут связываться и взаимодействовать с ними [2].

Наиболее широкое использование и наибольшее внимание исследователей привлекают неорганические наночастицы на основе благородных металлов (золото, платина, серебро), на основе переходных металлов и их оксидов (железо, кобальт, никель), а также на основе неметаллов (кремний, углерод). Особый интерес заслужили наночастицы, обладающие магнитными свойствами, такие как наночастицы магнетита [3]. Благодаря физико-химическим свойствам последних, системами на их основе можно управлять посредством наложения внешнего магнитного поля. Магнитные наночастицы применяют в магнитно-резонансной томографии в качестве контрастного агента, в иммуноферментном анализе, для доставки лекарств и во многих других областях [4]. В настоящее время уже синтезированы наночастицы на основе металлов (Co, Fe, Ni), оксидов железа, ферритов и некоторых интерметаллидов [5]. Однако наибольшее распространение получили наночастицы на основе оксидов железа, так как, несмотря на более слабые магнитные свойства в сравнении с наночастицами металлов, они устойчивее к окислению, менее токсичны и обладают широкими возможностями функционализации. Данная работа посвящена наночастицам магнетита.

Магнетит: состав и строение

Магнетит – это смешанный оксид железа (II) и (III), Fe3O4. Он имеет структуру обращенной шпинели (FeIIFeIII2O4) (рис.1).

Рис. 1. Структура шпинели.

Магнетит обладает сильными магнитными свойствами. Он является важной железной рудой, применяется в качестве электродов, в устройствах типа компасов, а также для синтеза магнитных наночастиц.

Методы получения наночастиц магнетита

Обычно магнетит получают соосаждением солей железа (II) и железа (III) в водном растворе по следующей схеме:

Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH - = Fe3O4 + 4H2O

Следует отметить, что порядок добавления реагентов при синтезе магнетита методом соосаждения влияет на размер, форму и монодисперсность наночастиц. Так при прикапывании кислого раствора солей железа к щелочному раствору получаются наночастицы размером 10 нм с узким распределением по размерам [6]. Образование магнетита проходит через промежуточную стадию образования ферригидрита. Реакция начинается при pH ≈ 11. В этих условиях ион Fe3+ подвержен сильному гидролизу. Одновременно с этим ионы Fe2+ встраиваются в структуру ферригидрита, образуя смешанно-валентное соединение, которое впоследствии переходит в магнетит (рис.2).

Рис.2. Схема образования магнетита при добавлении смеси солей железа
к щелочному раствору [6].

Преимуществом метода соосаждения является высокий выход наночастиц, однако затруднительным является контроль размера получаемых частиц, поскольку данный процесс зависит от большого ряда параметров (от кинетических факторов роста кристаллов, условий проведения реакции, порядка смешивания и др.) [4].

Другим методом получения магнитных наночастиц является термическое разложение солей железа или их комплексов (олеат, ацетилацетонат, N-нитрозофенилгидроксиламин (C6H5N(NO)O-) и карбонил железа) в присутствии восстановителей и стабилизирующих агентов [7]. Если в соединении металл находится в степени окисления 0, то при разложении получится простое вещество, которое затем окисляется до смешанно-валентного состояния Fe2+/Fe3+. В результате получаются однородные наночастицы с узким распределением по размерам. Недостатком этого метода является проведение синтеза в органическом растворителе, и как следствие необходимость дополнительной стадии – перевода наночастиц из органической в водную фазу, так как для биомедицинского применения используются водные растворы наночастиц.

Сегодня большую популярность приобрел синтез в обратных мицеллах.  Его суть заключается в использовании обращенных мицелл в качестве нанореакторов, которые захватывают наночастицы, попадая в водную среду. Данный метод позволяет получать наночастицы с очень узким распределением по размерам и легко варьировать данный показатель путем изменения соотношения компонентов в мицеллярной системе. Однако этот метод имеет узкую область применения и низкий выход по сравнению с соосаждением и термическим разложением, а также требует большой расход реагентов [8].

Следует отметить еще один распространенный метод синтеза магнитных наночастиц - гидротермальный метод. Он основан на способности воды и водных растворов растворять при высокой температуре (до 500 оС) и давлении (10-80 МПа, иногда до 300 МПа) вещества, практически нерастворимые в обычных условиях. Далее, при  возвращении к нормальным условиям, благодаря низкой растворимости в воде, получившиеся оксиды металлов образуют наночастицы. [9]

В таблице 1 приведен сравнительный анализ основных методов синтеза наночастиц магнетита.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика основных методов синтеза магнитных наночастиц [10].

Метод синтеза	Степень трудности проведения	Т, ˚С	Время проведения	Растворитель	Разброс размеров наночастиц	Выход
Соосаждение	Простой, при нормальных условиях	20-90	Минуты	Вода	Довольно узкий	Высокий
Термическое разложение	Сложный, инертная атмосфера	100-320	Часы-дни	Органический растворитель	Очень узкий	Высокий
Мицеллярный	Сложный, нормальные условия	20-50	Часы	Органический растворитель	Довольно узкий	Низкий
Гидро-термальный	Простой, высокое давление	220	Часы-дни	Вода-этанол	Очень узкий	Средний

Очевидно, что предпочтительным является метод соосаждения в виду его методической простоты и удобства.