ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2014, том 33, № 7, с. 94-100
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА НАНОМАТЕРИАЛОВ
УДК 544.03
ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ МАГНЕТИТА, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ СОЗДАНИЯ КОНТРАСТНО-ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ, МЕТОДАМИ МЕССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ И ПРОТОННОЙ РЕЛАКСОМЕТРИИ
© 2014 г. А. Г. Акопджанов1*, Н. Л. Шимановский1, В. Ю. Науменко1, |И. П. Суздалевр, В. К. Имшенник2, Ю. В. Максимов2, С. В. Новичихин2
1Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова, Москва 2Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва
*E-mail: artura777@mail.ru Поступила в редакцию 24.12.2013
Методами мессбауэровской спектроскопии, протонной релаксометрии и просвечивающей электронной микроскопии изучены наночастицы магнетита, предназначенные для создания контрастно-диагностических сред. Суперпарамагнитные наночастицы магнетита с размером 5—7 нм и температурой блокования Ть = 50 К были рассмотрены в качестве контрастного средства с временами релаксации Т и Т2 и способностью длительно циркулировать в кровеносном русле. Более крупные ферримагнитные наночастицы (~30—40 нм) можно накапливать в очаге заболевания с помощью внешнего магнитного поля, и таким образом они могут служить средством для гипертермии.
Ключевые слова: магнетит, наночастицы, контрастно-диагностические среды, мессбауэровская спектроскопия, протонная релаксометрия.
DOI: 10.7868/S0207401X14070024
1. ВВЕДЕНИЕ
Магнитные системы, в которых магнитные наночастицы распределены в немагнитной среде, вызывают все возрастающий интерес в качестве возможных контрастирующих веществ при диагностике методом магнитно-резонансной томографии онкологических, воспалительных, сердечно-сосудистых заболеваний, магнитной гипертермии и др. Последние исследования магнитных материалов показали, что отличия наночастиц от массивных аналогов наблюдаются при их применении в области фармакологических, физических, химических и биологических свойств [1].
Выбор магнитных наночастиц, применяемых в фармакологических целях, зависит от их специфических свойств, среди которых можно выделить соразмерность геометрических параметров наночастицы с основным корреляционным размером выбранного эффекта, с учетом возможности синтеза крупных партий, а также биологической безопасности. Наиболее перспективным материалом является сложный оксид железа — магнетит, синтез которого относительно прост, а контроль условий синтеза позволяет получать стабилизированные наночастицы различного диаметра. При этом есть возможность варьировать физические,
химические и фармакологические свойства нано-объектов. Оксиды железа совместимы с различными биологическими тканями организма. Присущая организму млекопитающих способность легко метаболизировать значительные пулы железа, находящиеся в крови, и при необходимости в нужном количестве выводить их из организма открывает возможность использовать наночастицы оксидов железа в фармакологических целях [2, 3].
Рассматривается возможность использовать такие частицы для осуществления адресной доставки лекарственных средств в очаги заболевания путем локализации магнитных наночастиц с помощью внешнего магнитного поля, а также для профилактики и лечения онкологических заболеваний с помощью магнитной гипертермии. Особый интерес представляет применение ферримагнит-ных наночастиц в терапевтических методах лечения различных заболеваний, связанных с применением стволовых клеток. С помощью таких наночастиц можно обеспечить доставку клеток в очаги заболеваний, контроль миграции при введении в организм и предварительную сепарацию [4].
Экспериментальные исследования магнитных свойств наночастиц, стабилизированных в немагнитной матрице в общем случае являются до-
статочно непростой задачей, так как стандартные методы снятия петли гистерезиса обычно неэффективны из-за низкой концентрации магнитных объектов в среде. Использование стабилизированных коллоидных растворов наночастиц в биосовместимой среде предпочтительно для решения задач медицинской сферы.
Оптимальным выглядит применение метода мессбаэуровской спектроскопии, с помощью которого возможно исследовать магнитные фазовые переходы в магнитных наночастицах оксида железа, а также электронные и магнитные свойства ионов железа в наночастицах в зависимости от способов модификации и состояния поверхности. Метод позволяет определять критические размеры наночастиц, влияющие на температуру магнитных фазовых переходов, проводить анализ структуры наночастиц, межчастичного взаимодействия и механизма упорядочения в коллоидном растворе [5, 6].
Магнетит FeзO4, а также крайний в ряду несте-хиометрических магнетитов — оксид у^е203 принадлежат к семейству ферритов-шпинелей. В сте-хиометрическом магнетите магнитные катионы Fe2+ и Fe3+ размещаются в кристаллических многогранниках — тетра(А)- и окта(В)-позициях гра-нецентрированной кубической решетки обращенной шпинели: БеА+ ^е^е3+)в0; [5]. Элементарная ячейка магнетита содержит восемь таких молекул. Катионы А и В образуют две магнитные подрешетки со спонтанными намагниченностя-ми, ориентированными антипараллельно. При этом магнитные моменты трехвалентных ионов компенсируют друг друга, а нескомпенсирован-ные моменты двухвалентных ионов обуславливают спонтанную намагниченность. Материалы с нескомпенсированным антиферромагнетизмом относят к классу ферримагнетиков. Такая ферри-магнитная структура, называемая неелевской и подтвержденная нейтронографическими исследованиями, реализуется в широком ряду кубических оксидов железа со структурой обращенной шпинели, начиная от стехиометрического Fe304 и кончая Y-Fe203 [7].
В ряде работ по практическому применению наночастиц магнетита показано, что их магнитные и фармакологические свойства существенно различаются при разных размерах наночастиц [3, 4, 8]. При этом фармакологические свойства нано-объектов являются определяющим фактором при определение направлений их возможного применения. Исследования показали, что наночастицы магнитных материалов размером 9—20 нм при отсутствии очагов патологий свободно циркулируют по кровяному руслу длительное время, а наноча-стицы размером 30—50 нм поглощаются системой мононуклеарных фагоцитов, накапливаясь в лимфоузлах и печени.
Практическое применение магнитных наночастиц в медицинских целях предполагает понимание механизма действия и параметров, характеризующих строение и эволюцию магнитных свойств наночастиц и систем на их основе, с уменьшением размеров объектов. Целью настоящей работы было изучение магнитных свойств наночастиц магнетита в широком диапазоне их размеров: 5—50 нм, применяемых при создании контрастно-дигностичких средств в биосовместимых средах.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследуемые растворы наночастиц магнетита были получены методом химического синтеза, основные этапы и режимы которого подробно описаны авторами в предыдущих публикациях [1, 5]. Основной геометрический параметр нанообъек-тов — средний размер частиц, а также функция распределения по размерам, были получены экспериментально с помощью метода просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на микроскопе высокого разрешения JEM-1011 фирмы "JEOL'.
В качестве объектов исследования были выбраны следующие образцы коллоидных растворов: Med1, содержащий наночастицы оксида железа со средним размером 5—7 нм (рис. 1), и Med22 с наночастицами оксида железа со средним диаметром 30—50 нм, стабилизированные полиэтиленгликолем PEG (MW 600) и декстра-ном Т-10 соответственно (рис. 2).
Мессбауэровские спектры наночастиц оксидов железа получали на спектрометре электродинамического типа Wissel (Германия) в интервале температур 16—300 К с использованием гелиевого крио-стата фирмы "Janis" (CCS-850) с температурным контроллером фирмы "Lake Shore Cryotronics" (модель № 332). Точность поддержания температуры была не менее 0.1 К. В качестве источника излучения использовали 57Co(Rh) с активностью 1.1 ГБк. Изомерные сдвиги отсчитывали от центра магнитной сверхтонкой структуры металлического железа. Мессбауэровские спектры обрабатывали по стандартным программам МНК (LOREN, ИХФ РАН; NORMOS, Германия) в предположении лоренцевой формы линии.
Влияние магнитных наночастиц оксидов железа на изменение основных релаксационных параметров водородсодержащих сред изучали методом протонной релаксации с помощью ЯМР-ре-лаксометра Minispec mq. Как известно, механизм ядерной магнитной релаксации характеризуется двумя не зависящими друг от друга процессами: обменом энергией внутри спиновой системы (спин-спиновая релаксация) и обменом энергией между спиновой системой и решеткой (спин-решеточная релаксация). Каждый из этих процессов
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
■ -- .I... .
5-8 8-16 16-24 24-32 32-40 40-48 48-56 56-64 64-72 72-80 80-88
d, нм
Рис. 1. Микрофотография коллоидного раствора Medl, содержащего наночастицы оксида железа размером 5—7 нм (а) и гистограмма распределения наночастиц по размеру (б).
n
протекает во времени с некоторой определенной скоростью и характеризуется своей постоянной — временем спин-спиновой релаксации, Т2, и временем спин-решеточной релаксации, Т1. Обратные величины этих времен являются мерой скорости релаксации. Времена релаксации Т1 и Т2 - основные параметры современных магнитно-резонансных томографов [7].
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Магнитные свойства наночастиц сложного оксида железа при различных их размерах экспери-
ментально исследованы с помощью метода месс-бауэровской спектроскопии. Из-за специфики детектирования эффекта Мессбауэра только в твердотельном состоянии начальная температура измерения для всех образцов составляла 150 К.
Мессбауэровские спектры образца Меё1 (рис. 3) носят ясно выраженный релаксационный характер. Анализ вида спектров и его параметров, приведенных в табл. 1, позволяют характеризовать коллоидную систему как состоящую из малых суперпарамагнитных кластеров нестехиометрического магнетита, близкого к ферримагнитному оксиду у^е^^ Параметры "парамагнитного дублета" с спектрах,
30
20
10
J_I_1 1_ь
1
20
40
60
80
100
d, нм
Рис. 2. Микрофотография коллоидного раствора Ме<!22, содержащ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.