ГЛАВА 19: БИОСОВМЕСТИМЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ Fe3O4: ПОЛИОЛЬНЫЙ СИНТЕЗ

Наночастицы магнетита, синтезируемые в водных растворах методом соосаждения (см. главу 18), отличаются сравнительно большим размером и высокой полидисперсностью; преимущественная область их применения — решение технических задач. Для того чтобы наночастицы магнетита можно было применять в биомедицинских целях, они должны отвечать целому ряду жёстких условий. Наночастицы должны быть как можно более мелкими (насколько это возможно без потери магнитных свойств) и монодисперсными; они должны быть водорастворимы (должны легко диспергироваться в воде с образованием устойчивых золей) и He проявлять цитотоксичности [1].

Наночастицы магнетита, удовлетворяющие биомедицинским требованиям, можно синтезировать методом разложения соединений железа в высококипящем неводном растворителе, который способен выполнять стабилизирующие функции по отношению K оксидам железа. Чтобы полученные в результате синтеза наночастицы были пригодны для биомедицинского использования (были нетоксичны и водорастворимы) без дополнительной функционализации поверхности, неводный растворитель должен быть сам по себе полярным и водорастворимым. Данному условию отвечают, прежде всего, многоатомные спирты — полиолы (гликоли и полигликоли). В качестве исходного вещества предпочтительно использовать такие соли железа, которые оставляют в растворе минимальное количество побочных продуктов реакции (продукты термолиза, кроме оксида железа, должны быть предпочтительно летучими). Этому требованию удовлетворяют ацетат железа Fe(OAc)₃, пентакарбонил железа Fе(СО)₅ и ацетилацетонат железа Fe(acac)₃. При этом полиолы являются одновременно растворителями, стабилизаторами и мягкими восстановителями.

Описание задачи

Синтез и исследование мелких монодисперсных водорастворимых наночастиц магнетита.

Реактивы, необходимые для работы

1. Триэтиленгликоль, HO(CH₂CH₂O)₂CH₂CH₂OH. 
2. Ацетилацетонат железа(III), Fe(C₅H₇O₂)₃, Fe(acac)₃.
3. Азот в баллоне.
4. Этилацетат, СН₃СООС₂Н₅ (опционально).
5. Поливинилпирролидон, ПВП 10…40, (C₆H₉NO)_n (опционально). 
6. Этиленгликоль, HOCH₂CH₂OH (опционально).
7. Хлорид железа(III) гексагидрат, FeCl_3*6H₂O (опционально).
8. Aцетат натрия, CH₃COONa (опционально).
9. Вода дистиллированная.
10. Этиловый спирт, C₂H₅OH (опционально).

Оборудование, необходимое для работы

1. Стеклянная термостойкая трёхгорлая колба объёмом 250 мл, снабжённая обратным холодильником, термометром со шкалой до 350°C и системой барботирования газа, — 1 шт.
2. Весы электронные лабораторные 3-го класса или точнее.
3. Магнит (опционально: магнит NdFeB).
4. Магнитная мешалка с нагревом.
5. Стеклянный стакан объёмом 250 мл — 2 шт. (опционально).
6. Стеклянный стакан объёмом 200 мл — 1 шт. (опционально).
7. Стеклянная колба объёмом 200 мл — 1 шт. (опционально).

Оборудование, необходимое для анализа (опционально)

1. Электронный микроскоп.

Описание эксперимента

В трёхгорлую колбу помещают якорь магнитной мешалки, наливают 150 мл триэтиленгликоля и добавляют 1 г (~3 ммоля) Fe(acac)₃. На магнитной мешалке с нагревом собирают установку, состоящую из трехгорлой колбы с термометром и обратным холодильником, включают подачу азота, перемешивание и нагрев. Продолжают перемешивание с нагревом при температуре кипения триэтиленгликоля (К = 285°C) в течение 30-40 минут. В результате в колбе образуется однородный тёмно-коричневый (почти чёрный) коллоидный раствор. Отключают нагрев, при этом перемешивание с подачей азота продолжают до тех пор, пока колба не охладится до комнатной температуры (когда жид- кость остынет до температуры, при которой вязкость будет препятствовать вращению мешалки, её можно отключить).

Для очистки наночастиц (опционально) ~50 мл раствора переносят в стеклянный стакан объёмом 250 мл и добавляют равное количество этилацетата. После перемешивания содержимого осадок отделяют декантацией с помощью сильного магнита (магнит прижимают ко дну стакана при сливании супернатанта), промывание повторяют 2-3 раза. Далее частицы — можно редиспергировать в воде либо спирте. Исследуют полученные частицы визуально или с помощью доступного оборудования.

Примечания

За основу синтеза принят метод, предложенныйв работе [2], с некоторыми модификациями.

Другой вариант полиольного синтеза предложен в работе [3]. Этот вариант более прост в исполнении, не требует специальной установки и позволяет B одну стадию получить наночастицы, пассивированные ПВП (модификация варианта [4]). В стеклянную колбу ёмкостью 200 мл помещают 4 г хлорида железа (FeCl_3*6H₂O), 50 мл этиленгликоля и якорь магнитной мешалки. Устанавливают колбу на магнитную мешалку, перемешивают до растворения. Затем туда же загружают 11 гацетата натрия, перемешивают до растворения, при этом цвет раствора меняется с оранжевого на коричневый. В отдельный стакан объёмом 200 мл наливают 100 мл этиленгликоля, растворяют в нём 1.5 г ПВП и выливают содержимое в колбу. Включают нагрев и перемешивают при 180°С в течение 8 часов. Полученный золь охлаждают до комнатной температуры и очищают магнитным переосаждением, как описано выше. Поведение золей полученныхчастиц, редиспергированных в воде, показано на фотографии.

Дополнительные факты

• В качестве примера биологического применения полученных наночастиц можно провести занимательный опыт, который для непосвящённых будет выглядеть как магический фокус. С помощью мелких частиц магнетита можно управлять поведением мелкого планктона (дрейфующих животных, например «водяных блох» Daphnia magna). Для этого 50 мг полученных очищенных наночастиц диспергируйте в 10 мл воды, туда же добавьте 10 мг медицинского поливинилпирролидона и тщательно размешайте. ПВП стабилизирует части- цы и пассивирует их поверхность, снижая токсичность. Растворите полученный композит в 1 л прудовой воды, куда с помощью сачка перенесите несколько десятков дафний (собрать их можно в любом
• чистом водоёме со стоячей водой). Позвольте им поплавать в золе наночастиц 30-60 минут и слейте содержимое банки через сачок (погибших животных следует оставить на дне банки). Содержимое сачка перенесите в ёмкость с чистой прудовой водой объёмом 50-100 мл. Следует избегать широкой посуды, поскольку интенсивность магнитного поля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, и эффект будет не так заметен. А теперь, собственно, сам «фокус». Заранее сверните из цветной бумаги две-три «волшебные палочки», в кончик одной из них вложите сильный магнит. Прикоснитесь по очереди палочками к стенке сосуда и немного подержите: в случае «волшебной» скоро все дафнии, совершая передвижения в толще воды, попадут в магнитное поле и соберутся у стекла. Если переставить палочку, рачки вскоре соберутся на новом месте. А вот передвинуть собравшихся рачков вряд ли получится (это зависит от силы магнита, толщины стекла итого, сколько наночастиц они «съели»).

• Точно так же наночастицы магнетита, которые свободно перемещаются в кровотоке (или на форменных элементах крови), можно с помощью магнитов накапливать в требуемом месте (например, в зоне опухоли с целью магнитотермальной терапии).

Полезная литература

1. Peng Х. Н., Qian X., Mao H. et al. Targeted magnetic iron oxide nanoparticles for tumor imaging апа therapy // International Journal оё Nanomedicine. 2008. М. 3 (3). P.311-321.

2. Wan J., Cai W., Meng X., Liu Е. Monodisperse water-soluble magnetite nanoparticles prepared by polyol process for high-performance magnetic resonance imaging // Chemical Communications. 2007. V. 47. P. 5004-5006.

3. Deng H. Li X, Peng Q. et al. Monodisperse magnetic single-crystal ferrite microspheres // Angewandte Chemie. 2005. V. 44 (18). P. 2782-2785.

4. Tarkington L.M., Bryan W.W., Kolhatkar Т. et al. Magnetic microorganisms: using chemically functionalized magnetic nanoparticles to observe and control paramecia // Journal of Chemical Education. 2016. V. 94 (1). P. 85-90.