Синтез растворов на основе наночастиц.

Метод получения наночастиц с помощью реакции Элмора достаточно хорошо описан в литературе, однако важной задачей является поиск нужного поверхностно-активного вещества, позволяющего получить биологически приемлемые наночастицы и одновременно оптимизировать необходимые физические свойства [4]. Основные этапы синтеза перечислены в табл.2.

Выбор метода и режимов получения коллоидного раствора на основе наночастиц практически полностью определяет его конечные физико-химические свойства. Существуют две методики получения высокодисперсного магнетита по реакции Элмора – с помощью добавления гидрата аммония и добавления гидроксида натрия. Существенным недостатком второго метода является тот факт, что добавление гидроксида натрия следует проводить при повышенной температуре, что приводит к увеличению размера наночастиц. Количество и механизм добавления аммиака у различных авторов публикаций сильно разнится [16,18]. В случае полной нейтрализации соли железа (III) направление процесса кристаллизации получаемого гидроксида железа зависит главным образом от рН и температуры. Изменение условий (температуры и рН раствора) позволяет существенно изменять как фазовый состав, так и размер образующихся наночастиц. Повышение температуры окисления до значений 60-70⁰С приводит к образованию фазовочистых частиц Fe₃O₄ кубической фазы. При увеличении температуры выше 100⁰С и при рН, равном 6-8, образуются кристаллы оксида железа, имеющие ромбическую форму. Увеличение значения рН создает условия роста кристаллов и возникновению частиц α-оксида железа шарообразной формы, с широким распределением по размерам наночастиц. Наиболее оптимальное распределение получается при рН = 2-4, но такие среды не приемлемы с биологической точки зрения [24]. Дисперсность осадка определяется двумя процессами: образованием зародышей и ростом частиц. Образование зародышей может быть спонтанным, когда в пресыщенном растворе под действием химических сил образуется скопление ионов, число которых достаточно для кристаллизации, или индуцированным, когда ионы скапливаются вокруг посторонней твердой частицы, например, пылинки. Если размер образовавшихся частиц меньше 100 нм, то осадок не выпадает, в этом случае образуется коллоидный раствор. Стабилизация размера частиц магнетита достигается добавлением специального поверхностно-активного вещества (ПАВа) при интенсивном перемешивании раствора. Основанием для выбора лимонной кислоты[22] в качестве стабилизатора размера зародешей являются следующие факторы: лимонная кислота – ПАВ, так как обладает амфифильными свойствами; лимонная кислота – участник цикла Кребса, участвовует в естественных цепях биохимического метаболизма и обладает низкими токсичными свойствами; успешно самоорганизуется, образуя капсулярный слой на кристалле магнетита, и оказывает минимальное воздействие на магнитные свойства суперпарамагнитного ядра; имеет маленький геометрический размер, а, значит, минимально влияет на размер частиц, обеспечивая необходимые фармакокинетические параметры.

В качестве стабилизатора структуры коллоидного раствора применяли цитрат натрия, который предпочтительней стандартного декстрана и позволят применять коллоидный раствор для контрастирования сосудов в течение достаточно длительного времени [11].

Одним из факторов, которые необходимо учитывать, это конечное значение рН раствора наночастиц. Оно должно соответствовать значению рН крови и, кроме того, исследование тенденции изменения рН в ходе химического синтеза позволит создать надежный способ технологического контроля производства фармацевтической субстанции. Поэтапное измерение рН на всех стадиях синтеза и стабилизации наночастиц магнетита представлено в табл. 2.

Табл. 2. Этапы синтеза наночастиц оксида железа

Данные, приведенные в табл.2, свидетельствуют, что конечное значение рН раствора наночастиц магнетита доведено до физиологически приемлемого значения с помощью выбора условий и концентрации восстановителя. Значение рН раствора субстанции определяет безопасность введения контрастного средства в кровоток человека и должно учитываться при клиническом использовании.

Условием суперпарамагнетизма является соизмеримость размера наночастиц с размером магнитного домена, поэтому размер наночастиц является параметром, определяющим конечные магнитные и, соответственно, контрастные свойства полученных растворов.

В ходе проведенных исследований, был получен раствор субстанции потенциального магнитно-резонансного контрастного средства на основе суперпарамагнитных наночастиц магнетита с использованием стабилизаторов – лимонной кислоты и цитрата натрия. Согласно технологии получения наночастиц, их дисперсность характеризуется наличием двух процессов: образованием зародышей наночастиц и ростом размера, ранее образовавшихся частиц, путем их агрегации. Скорость обоих процессов является функцией пересыщения раствора. Этим объясняется тот факт, что в коллоидном растворе наблюдается одновременное существование двух фракций наночастиц по размеру (рис.7). С целью получения оптимальных контрастных свойств крупную фракцию отделяли с помощью центрифугирования тремя сериями со скоростью 800 оборотов в минуту по 5 минут и фильтрацией, что приводило к снижению концентрации оксида железа в растворе ( Рис.8). Конечная концентрация железа в полученном растворе, определенная с помощью рентгенофлуоресцентного количественного анализа, составила 50 г/л. Фазовый состав полученного раствора подтверждался с помощью рентгенофазового анализа. Ядро атома железа обладает достаточно высоким зарядом, поэтому полученный раствор обладает рентгенопоглощающими свойствами, что и потвердели дополнительные исследования. В случае необходимости его можно использовать в качестве рентгеноконтрастного средства.

Рис.7а. Электронная микрофотография исходного коллоидного раствора наночастиц оксида железа.

Раствор содержит наночастицы оксида железа двух размерных фракций с диаметрами 8 нм и 37 нм.

Рис.7б. Гистограмма распределения наночастиц по размеру.

Рис. 8а. Электронная микрофотография коллоидного раствора с дополнительной обработкой

Раствор содержит наночастицы оксида железа диаметром 8,2 нм

Рис. 8б. Гистограмма распределения наночастиц по размеру.

Анализ изображений, полученных с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показал, что после дополнительной обработки раствор содержит наночастицы с узким распределением по размерам и средним диаметром около 8,2 нм(рис.8б).

Следующим этапом работы являлась оценка полученных растворов с помощью метода протонной релаксометрии.