содержание .. 1 2 ..

Аминирование поверхности магнитных наночастиц для иммобилизации кардиопротективных препаратов и флуоресцентных красителей - часть 1

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)»

(СПбГЭТУ “ЛЭТИ”)

Направление

28.03.01- Нанотехнологии и

микросистемная техника

Профиль

Проектирование и технология микро- и

наносистем

Факультет

ФЭЛ

Кафедра

МНЭ

К защите допустить

Зав. кафедрой

д.т.н.

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

БАКАЛАВРА

Тема: Разработка методов аминирования поверхности магнитных

наночастиц для иммобилизации кардиопротективных препаратов и

флуоресцентных красителей

Студент

подпись

Руководитель

к.т.н.

(Уч. степень, уч. звание)

подпись

Консультанты

к.т.н., доц.

(Уч. степень, уч. звание)

подпись

к.т.н., доц.

(Уч. степень, уч. звание)

подпись

к.т.н., доц.

(Уч. степень, уч. звание)

подпись

2017

ЗАДАНИЕ

НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ

Утверждаю

Зав. кафедрой МНЭ

д.т.н.____________

«__»__2017 г.

Студент

Тема работы: Разработка методов аминирования поверхности магнитных

наночастиц для иммобилизации кардиопротективных препаратов и

флуоресцентных красителей

Место выполнения ВКР: ФГБУ «СЗФМИЦ им. В.А. Алмазова» Минздрава

России Институт экспериментальной медицины

Исходные данные (технические требования): Проведение поверхностной

модификации магнитных наночастиц для дальнейшей иммобилизации

кардиопротективных препаратов

Содержание ВКР: Обзор информационных источников; описание

различных методов синтеза магнитных наночастиц; проведение

иммобилизации действующего вещества; описание результатов

исследования

Перечень отчетных материалов: пояснительная записка, иллюстративный

материал

Дополнительные разделы: БЖД

Дата выдачи

Дата представления ВКР к

задания «__» 2017г.

защите «_2017 г.

Студент

Руководитель к.т.н

(Уч. степень, уч. звание)

Консультант к.т.н., доц.

(Уч. степень, уч. звание)

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ

ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Утверждаю

Зав. кафедрой МНЭ

Д.т.н... «___»_ 2017

г.

Студент

Группа Тема работы: Разработка методов аминирования

поверхности

магнитных

наночастиц

для

иммобилизации

кардиопротективных препаратов и флуоресцентных красителей

№

Срок

Наименование работ

п/п

выполнения

Анализ информационных источников

16.05.2017

19.05.2017

24.05.2017

Выполнение дополнительного раздела (БЖД/ ТЭО)

28.05.2017

Оформление пояснительной записки

04.06.2017

Проверка ВКР на оригинальность и соответствие

07.06.2017

нормативным документам

Предварительная защита ВКР

14.06.2017

(подготовка доклада и презентации)

Представление ВКР к защите

21.06.2017

(с отзывом руководителя и рецензией)

Студент

Руководитель ассистент, к.т.н.

(Уч. степень, уч. звание)

Консультант к.т.н., доц.

(Уч. степень, уч. звание)

РЕФЕРАТ

60с., рис. 25, табл. 8, 24 источников.

Магнитные наночастицы, аминирование, аминопропил-3-этоксисилан,

глицин, иммобилизация, флуоресцентный краситель.

Объектом исследования являются магнитные наночастицы для

использования таргетной доставки кардиопрепаратов.

Цель работы - исследование эффективности аминирования магнитных

наночастиц различными способами и оценка возможности применимости для

медицинских целей.

В процессе работы проводились эксперименты по аминированию

магнитных наночастиц для дальнейшей иммобилизации кардиопротективных

препаратов.

В результате исследований были определены спектральные

характеристики полученных частиц, проведены расчеты общего и

доступного количества аминогрупп, а так же измерены значения светоотдачи

флуоресцентного излучения образцов.

Эффективность частиц определяется количеством доступных

аминогрупп на поверхности. Оба типа частиц аминированных как глицином,

так и аминопропил-3-этоксисиланом могут применяться для таргетной

доставки действующих веществ.

SUMMARY

The methods of amination of magnetic nanoparticles have been studied, data

on the available and total amount of amino groups by means of inverse titration

and spectral methods have been obtained. Based on the results obtained during the

work, conclusions were drawn on the choice of the aminating agent to achieve the

desired goal. Experiments have been conducted to target the delivery of active

agents and fluorescent dyes.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Аналитический обзор

1.1 Типы магнитных наночастиц

1.2 Методы синтеза магнитных наночастиц

1.3 Методы поверхностной модификации магнитных наночастиц

1.4 Использование в медицине магнитных наночастиц

1.5 Анализ химического состава наночастиц и модифицированной

поверхности

2 Цели и задачи

3 Методы и объекты исследования

3.1 Используемые реактивы

3.2 Методы аминирования

3.2.1 Аминирование глицином в водной среде

3.2.2 Аминирование АПТЭС из водной среды

3.2.3 Аминирование АПТЭС из этанола

3.2.4 Аминирование АПТЭС из бензола

3.3 Иммобилизация флуоресцентных красителей

3.4 Методы анализа образцов

3.4.1 Получение микрофотографий

3.4.2 Получение ИК-спектров

3.4.3 Определение общего содержания аминогрупп методом обратного

титрования

3.4.4

Определение количества сорбированных флуоресцентных

красителей

4 Экспериментальная часть

4.1 Определение общего количества аминогрупп

4.2 Определение количества доступных аминогрупп по емкости по ИЦЗ.. 43

4.3 Определение характеристик полученных объектов

4.3.1 Исследование ИК-спектров

4.4

Исследование применимости полученных наночастиц для

флуоресцентной визуализации in vitro

5. Безопасность жизнедеятельности

5.1. Общие положения

5.2. Оценка риска и опасностей, связанных с разработкой

5.3. Основные требования безопасности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Многие лекарственные препараты обладают сильным побочным

эффектом.

Так,

например,

как

низкомолекулярные,

так

высокомолекулярные кардиопротективные препараты обладают ярко

выраженным гипотензивным эффектом. Препараты, используемые для

лечения онкологических заболеваний, обладают цитотоксичностью не только

к раковым клеткам, но и к обычным. Это, безусловно, приводит к

ограничению действующих концентраций, в которых их используют. Иногда

эта концентрация находится на грани терапевтической. Направленная

доставка лекарственных препаратов позволяет уменьшить выраженность

побочных эффектов препаратов и увеличить терапевтический эффект.

Помимо этого, связывание действующих веществ позволяет достичь эффекта

пролонгации, что особенно важно для соединений, у которых время жизни в

кровотоке очень мало (аденозин, креатинфосфат). Для этих целей можно

использовать магнитные наночастицы (МНЧ) с успехом применяемые для

лечения онкологических заболеваний. Самый удобный способ

иммобилизации действующих веществ на поверхности любых наночастиц

лежит через аминирование их поверхности. Такой подход позволяет

иммобилизировать на поверхности МНЧ практически любую молекулу

действующего вещества. В связи с этим необходима отработка методов

аминирования поверхности наночастиц.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Типы магнитных наночастиц

Магнитные наночастицы в последнее время стали широко изучаться и

находить применение в таких областях как физика, химия, медицина и

биология [1]. Как и любые другие виды наночастиц они проявляют ряд

необычных свойств, связанных с квантово-размерными эффектами,

например: суперпарамагнетизм, магнитная анизотропия и т.д. Магнитные

свойства МНЧ зависят от их химического состава, размера, формы и типа

кристаллической структуры. Свойства эти можно наблюдать только в

присутствии магнитного поля. Примерами МНЧ являются магнетит (Fe₃O₄),

маггемит

(γ-Fe₂O₃), гематит

(α-Fe₂O₃), оксиды Co₃O₄, Mn₃O₄, а так же

ферриты MgFe₂O₄, MnFe₂O₄, NiFe₂O₄, CoFe₂O₄.

1.2 Методы синтеза магнитных наночастиц.

Известно, что синтез магнитных наночастиц [2] выполняли методом

химического осаждения. Осаждение было выполнено из растворов солей

железа

2 и 3 концентрацией 3% водным 20% раствором аммиака по

следующей схеме синтеза:

Fe²⁺+ 2Fe³⁺ + 8OH^- → Fe₃O₄↓ + 4H₂O.

Смесь FeCl₃·6H₂O и FeSO₄·7H₂O была приготовлена из расчета

соотношения между ионами железа 3 и 2 - 2:1. Осаждение было проведено

при температуре 40 ºС и скорости перемешивания 700 об/мин на протяжении

2 минут. Осадок фильтровали на воронке Блюнхера, а промывку водой

проводили до тех пор, пока не исчезли последние следы аммиака. Далее

осадок сушили в течение 24 часов.

Процесс соосаждения для получения магнетита, Fe₃O₄, через реакцию

(1) был выполнен в водной среде. Магнитные наночастицы очень

чувствительны к кислороду, а в присутствии воздуха некоторые из них могут

подвергаться окислению до Fe(OH)₃, как показано в реакции (2) [2], или

маггемит, в соответствии с реакцией (3). Образование гематита (α-Fe₂O₃)

более труднее, чем у фазы маггемита, происходящее только в условиях

термической дегидратации. Кроме того, нембольшие количества кислорода

могут окислить Fe⁺² до Fe⁺³ через реакцию (4), становящуюся благоприятной

средой для получения Fe(OH)₃ или γ-Fe₂O₃, через реакции

(5) и

(6)

соответственно. Образование этих видов железа сильно зависит от кинетики

и температуры реакции. В зависимости от pH водного раствора, содержащего

Fe³+, все еще возможно образование гетита, α-FeOOH через реакцию (7) или

путем гидролиза через реакцию (8). Конечный продукт, полученный при

осаждении, был плотный, черный и магнитный. Учитывая эти физические

аспекты, конечный продукт может быть идентифицирован как частицы

магнетита.

Fe²⁺ + 2Fe³⁺ +8OH^- → Fe₃O₄ + 4H₂O,

(1)

Fe₃O₄+ 0,25O₂ + 4,5H₂O → 3Fe(OH)₃,

(2)

2Fe₃O₄+ 0,5O₂ → 3Fe₂O₃,

(3)

Fe²⁺ + 0,5 H₂O + 0,25O₂ → Fe³⁺ + OH^-,

(4)

Fe³⁺ + 3OH^-→ Fe(OH)₃,

(5)

2Fe³⁺ + 6OH^-→ γ-Fe₂O₃ + 3H₂O, (6)

Fe³⁺ + 3OH^-→ α-FeOOH + H₂O,

(7)

Fe³⁺ + 2H₂O → α-FeOOH + 3H⁺,

(8)

Известно получение магнитных наночастиц Fe₃O₄, покрытых

аминопропилтриэтоксисиланом (АПТЭС).

Подготовка АПТЭС-МНЧ включала два этапа. Во-первых МНЧ

осаждались в щелочном растворе Fe (3) и Fe (2) в молярном отношении 2:1

при 85 ºС с помощью стандартного метода соосаждения, описанного [3].

Обычно растворяют FeCl₃·6H₂O (5,838 г, 0,0216 моль) и FeSO₄·7H₂O ( 3,003 г,

0, 0108 моль) в 100 мл дезоксигенированной воды при 85 ºС под защитой N₂

и энергичным механическим перемешиванием. Затем 7,5 мл гидроксида

аммония быстро вводили в реакционную смесь одной порцией. Добавление

основания к раствору соли Fe²⁺/Fe³⁺ привело к немедленному образованию

черного осадка МНЧ. Реакцию продолжали еще 25 минут и смесь охлаждали

до комнатной температуры. Черный осадок дважды промывали

дистиллированной водой и 0,02М раствора хлорида натрия путем магнитной

декантации. Полученные МНЧ были средним диаметром

13 нм,

рассчитанные методом просвечивающей электронной микроскопии, и

хранились в вакуумном эксикаторе в течение 3 дней.

Затем полученный порошок 300 мг диспергировали 600 мл этанола и 4

мл воды путем обработки ультразвука до добавления АПТЭС (99%, 120 мл) к

смеси. После перемешивания в течение 7 часов суспендированное вещество

разделяют центрифугированием

(10 000 об/мин). Продукт осаждения

повторно диспергировали в этаноле при обработке ультразвуком и выделяли

магнитной декантацией

5 раз. Осажденный продукт АПТЭС-МНЧ

высушивали при комнатной температуре в вакууме.

1.3 Методы поверхностной модификации магнитных наночастиц

Процесс модификации поверхности реакцией силанизации очень

сложный. Экспериментальные параметры, такие как время реакции,

температура, концентрация силана и функциональный характер реакционной

способности молекулы силана к неорганической поверхности играют весьма

важную роль. Реакция между алкоксисиланом и твердым материалом имеет

ни один механизм, и возможно много различных промежуточных продуктов

реакции [4, 5]. В этом исследовании была использована кислая среда для

силанизации путем осаждения АПТЭСа на поверхность магнетитового ядра.

В упрощенной схеме реакция проходит в два этапа. Во-первых, органосилан

помещают в водный раствор кислоты, который выступает в роли

катализатора. Он гидролизуется и проходит реакция с образованием

полимерного силана [6]. В реакции гидролиза алкоксидные группы (-OC₂H₅)

содержание .. 1 2 ..