Неорганические материалы, 2023, T. 59, № 3, стр. 273-280

ВВЕДЕНИЕ

Широкое использование противоопухолевых препаратов и антибиотиков в медицине, сельском хозяйстве и пищевой промышленности влечет за собой необходимость создания экологически безопасных, биосовместимых матриц для препаратов с пролонгированным действием, а также сорбентов для очистки воды от антибиотиков, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду. Перспективными для решения этих задач могут быть материалы на основе оксида графита переменного состава со слоистой структурой. Оксид графита образован параллельными графеновыми плоскостями, в которых большинство атомов углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации и образуют связи с возникшими при окислении кислородсодержащими группами (карбоксильными, гидроксильными, карбонильными, эпоксидными). Значительный интерес фундаментальной науки и прикладного материаловедения к оксиду графита обусловлен разнообразными возможностями его практического применения. В настоящее время оксид графита рассматривают как материал для формирования мембран и сорбентов, обладающих избирательной проницаемостью для малых молекул [1].

Впервые синтез оксида графита (GO), получаемого путем окисления графита хлоратом калия, был описан британским химиком Броди в 1859 году при исследовании различных форм природного графита [2]. В процессе окисления на поверхности углеродсодержащих слоев формируются различные функциональные группы (C=O, C–OH, C–O–C, CO–OH), способствующие появлению гидрофильных свойств углеродного материала [3]. В 1957 году Хаммерс и Офферман предложили альтернативный метод синтеза с использованием графита, нитратов, концентрированной серной кислоты и перманганата калия [4]. На сегодняшний день одним из самых безопасных и воспроизводимых методов синтеза является улучшенный метод Хаммерса, в котором окисление графита проводят в присутствии смеси концентрированных серной и фосфорной кислот [5].

При использовании аэрогелей на основе GO в качестве сорбентов или матриц для загрузки лекарств возникает проблема удаления отработанного материала, иначе он сам в дальнейшем становится загрязнителем с высокой концентрацией опасных веществ. Если аэрогель используется в качестве матрицы для пролонгированного выделения лекарств, необходимо знать кинетику такого выделения, сорбции–десорбции терапевтического агента. Введение в пористую структуру 3D-материалов на основе GO магнитных наночастиц, например оксидов железа,_, может способствовать удалению сорбента из раствора при помощи внешнего магнитного поля или же высвобождению лекарства под действием магнитного поля [6–11]. Предполагается также, что в композиты, содержащие GO и магнитные наночастицы, можно загружать лекарственные препараты и в дальнейшем использовать для адресной доставки под действием внешнего магнитного поля [12–14].

В литературе описана эффективность использования композитов на основе GO и наночастиц оксида железа Fe₃O₄ для сорбции родамина Б и метиленового синего. Степень поглощения красителей возрастала с увеличением массы GO, а также с увеличением pH среды, доходя до 99% при pH 9 [15–20].

Цель настоящего исследования – создание магнитных аэрогелей на основе оксида графита и суперпарамагнитных наночастиц оксидов железа и изучение их сорбционных свойств по отношению к антибиотику и противоопухолевому препарату доксорубицину (DOX) в зависимости от рН среды и температуры.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Реагенты. В качестве исходных реагентов использовали среднечешуйчатый графит (200–300 мкм, Завальевское месторождение графита, Россия), KMnO₄ (“ч. д. а.”, OOO “РЕАХИМ”), H₂SO₄ (концентрированная, “х. ч.”, OOO “Русхим”), H₃PO₄ (85%, “х. ч.”, OOO “Русхим”), H₂O₂ (37%, “ос. ч.”, ХимПромМаркет), H₂O (дистиллированная), H₂C₂O₄ (“х. ч.”, OOO “Русхим”), FeSO₄⋅7H₂O (“х. ч.”, Riedel-de-Haёn) и Fe(NO₃)₃⋅6H₂O(“х. ч.”, Riedel-de-Haёn).

Получение оксида графита. Оксид графита синтезировали по улучшенной методике Хаммерса путем окисления графита перманганатом калия в присутствии смеси концентрированных серной и ортофосфорной кислот (соотношение объемов использованных кислот 9 : 1 соответственно) [5]. Полученную суспензию GO подвергали многократному центрифугированию и промыванию до тех пор, пока значение pH надосадочной жидкости не достигало 6–7. Для определения концентрации GO небольшие порции суспензии (по 3 мл) высушивали, а твердый остаток взвешивали. По результатам десяти взвешиваний значения усреднили. Концентрация GO в водном растворе составила 2 мг/мл.

Получение аэрогеля на основе чистого оксида графита. Водный раствор GO с концентрацией 2 мг/мл при помощи дозатора помещали в микротитрационный планшет, подвергали замораживанию, а затем проводили сублимационную сушку в сублиматоре Labconco 7948030 (США) при давлении 0.7 мбар в температурном интервале от –20 до +20°C.

Получение магнитных наночастиц оксида железа состава Fe₃O₄. Для получения наночастиц оксида железа состава Fe₃O₄ смешивали насыщенные водные растворы сульфата железа (II) и нитрата железа (III), приготовленные с использованием FeSO₄⋅7H₂O (2.327 г) и Fe(NO₃)₃⋅6H₂O (6.7652 г) соответственно. К образовавшемуся раствору приливали 180 мл 5%-ного водного раствора аммиака, после чего наблюдали образование черного осадка, который реагировал на внешнее магнитное поле.

Получение магнитного аэрогеля на основе оксида графита и наночастиц оксида железа. Водную эмульсию наночастиц Fe₃O₄ (объемом 18 мл и концентрацией 0.0465 моль/л) помещали в ультразвуковую ванну на 15 мин для дезагрегирования, затем смешивали с раствором GO (объемом 20 мл и концентрацией 2 мг/мл) и добавляли воду (2 мл). Полученную водную эмульсию при помощи дозатора помещали в микротитрационный планшет, подвергали замораживанию, а затем проводили сублимационную сушку в сублиматоре Labconco 7948030 (США) при давлении 0.7 мбар в температурном интервале от –20 до +20°C.

Исследование процессов сорбции. Для исследования эффективности сорбции образцы аэрогелей GO и GO/Fe₃O₄ массой по 1 мг помещали в 50 мл раствора доксорубицина с концентрацией 40 мг/л при перемешивании на магнитной мешалке. Через фиксированные промежутки времени проводили отбор проб раствора для определения оптической плотности и изменения концентрации доксорубицина.

Методы исследования. Для регистрации спектров оптического поглощения растворов, содержащих доксорубицин, использовали спектрофотометр УФ/Вид./БлИК-диапазона Perkin-Elmer Lambda 950 (PerkinElmer, США).

Методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с использованием микроскопа LEO 912 АВ Omega с катодом LaB6 (Carl Zeiss, Германия) исследовали микроструктуру и электронную дифракцию (длина камеры составляла 265 мм, в качестве стандарта использовали металлическое золото). Из результатов ПЭМ для Fe₃O₄ и аэрогеля GO/Fe₃O₄ оценивали распределение частиц по размерам.

Обработку проводили при помощи программного обеспечения Adobe Photoshop CS5.1 для выборки 150–200 частиц методом секущих хорд. Полученное распределение частиц по размерам аппроксимировали с помощью функции Гаусса.

Рентгенофазовый анализ проводили в пошаговом режиме в интервале углов 2θ = 2°–80° с шагом 0.02° по 2θ при экспозиции 2 с на точку с помощью дифрактометра Rigaku D/MAX 2500 (Rigaku, Япония) с геометрией Брегга–Брентано с вращающимся анодом (излучение CuK_α). Для обработки рентгенограмм использовали стандартные пакеты программы WinXpow.

Намагниченность аэрогеля GO/Fe₃O₄ исследовали при T = 293 K в диапазоне от –18 000 до 18 000 Э с использованием весов Фарадея.

Дзета-потенциал частиц определяли с использованием метода электрофоретического рассеяния света на приборе Zetasizer Nano series (Malvern Instruments, США).

Пористость композитов оценивали по изотермам адсорбции–десорбции в атмосфере азота при 77 К на приборе Quantachrome Nova 4200e. Для оценки размера пор и их распределения по размерам изотермы были обработаны с использованием моделей БЭТ и БДХ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Формирование магнитного аэрогеля (GO/Fe₃O₄) исследовали с использованием рентгеновской дифракции (рис. 1). На рентгенограмме присутствуют рефлексы, характерные как для оксида графита (2θ = 8.05°), так и для Fe₂O₃ (104), Fe₃O₄ (111, 220), FeOOH (121, 310). Наличие примесных фаз оксидов железа не противоречит цели работы, поскольку Fe₂O₃ и FeO(OH) также обладают магнитными свойствами и могут быть использованы для создания магнитного аэрогеля на основе GO.

Согласно данным магнитных измерений, зависимость намагниченности насыщения М(Н), нормированной на массу образца, от поля для аэрогеля GO/Fe₃O₄ имеет узкую петлю гистерезиса, остаточная намагниченность мала, что свидетельствует об образовании суперпарамагнитных частиц оксида железа в нанокомпозите (рис. 2).

Из данных, представленных на рис. 3, видно, что поверхность магнитного аэрогеля покрыта плотной оболочкой сферических наночастиц оксида железа. Средний размер частиц Fe₃O₄ составил 18 ± 2 нм (рис. 4).

Для получения градуировочной зависимости сорбции доксорубицина (DOX) регистрировали оптические спектры поглощения водных растворов доксорубицина с концентрациями: 10, 13.33, 20, 40, 66.67 мг/л. Из кривых зависимости оптической плотности от концентрации водных растворов доксорубицина видно, что максимум поглощения наблюдается при длине волны 480 нм, поэтому для дальнейших расчетов использовали изменение интенсивности пика поглощения при длине волны 480 нм (рис. 5).

Для построения зависимости эффективности сорбции (W) от времени контакта сорбента с раствором доксорубицина (τ) данные, полученные методом УФ- и видимой спектроскопии, пересчитывали по уравнению W = $\frac{{{{А}_{0}} - ~А}}{{{{A}_{0}}}},$ где A₀ – оптическая плотность раствора в начальный момент времени, A – оптическая плотность раствора в данный момент времени, пропорциональная концентрации доксорубицина в растворе: A = αC, где α – коэффициент пропорциональности, С – концентрация доксорубицина. Аналогичным образом обрабатывали результаты всех экспериментов по сорбции.

На рис. 6 представлены зависимости эффективности сорбции доксорубицина от времени для аэрогелей GO и GО/Fe₃O₄ с одинаковыми массами (1 г).

Из результатов, представленных на рис. 6, видно, что максимальная эффективность сорбции для аэрогеля, содержащего чистый GO, составляет 84%, а для магнитного GO/Fe₃O₄ – только 49%. Для аэрогеля из чистого оксида графита методом адсорбции азота были определены удельная площадь поверхности, которая составила 1289 м²/г, удельный объем пор, равный 1.53 см³/г, и средний радиус пор – 10.98 Å.

Наблюдаемое уменьшение эффективности сорбции магнитным аэрогелем связано с формированием плотной оболочки, образованной магнитными наночастицами, на поверхности оксида графита, что согласуется с данными электронной микроскопии (рис. 3 и 4).

В литературе для описания кинетики сорбции из жидких растворов используют два основных уравнения – псевдопервого и псевдовторого порядков [21]. В работе [21] на основе модели обратимой адсорбции Ленгмюра

было показано, что при большой начальной концентрации адсорбата кинетика адсорбции описывается уравнением псевдопервого порядка, а при малой – псевдовторого.

В данной работе в обоих случаях кинетическая кривая сорбции выходит на насыщение и хорошо описывается уравнением кинетики псевдопервого порядка

где k – эффективная константа скорости, которая прямо пропорциональна константе скорости адсорбции, но зависит также от константы равновесия адсорбции и начальной концентрации адсорбата.

Для чистого GO k = 0.042 ± 0.004 мин^–1, а для композита GO/Fe₃O₄k = 0.083 ± 0.018 мин^–1. Это означает, что для композита насыщение в таких же условиях наступает примерно в 2 раза быстрее, чем для чистого GO. Наличие повторного роста адсорбции после 100 мин свидетельствует об изменении механизма, однако эта область в данной работе не изучалась.

Для исследования зависимости эффективности сорбции от температуры раствора доксорубицина (концентрация 40 мг/л) провели серию экспериментов при температурах 25 и 40°C. В качестве сорбента использовали магнитный аэрогель состава GO/Fe₃O₄ массой 5 мг. Данные, представленные на рис. 7, свидетельствуют об экзотермическом характере процесса сорбции: максимальная эффективность сорбции при 25°C составила 95%, при 40°C – 60%.

Для исследования зависимости эффективности сорбции от pH водного раствора антибиотика эксперименты проводили в средах со значениями рН 3, 6 и 9. pH раствора доводили до необходимого значения с использованием растворов соляной кислоты или гидроксида натрия. Данные, представленные на рис. 8, свидетельствуют о том, что эффективность сорбции наибольшая при рН 3 (предельная сорбция – 98%). При рН 6 и 9 максимальная эффективность сорбции составляет 72 и 59% соответственно. Наибольшая эффективность сорбции при рН 3 может быть объяснена следующим образом. Аминогруппа доксорубицина протонируется и приобретает значительный положительный заряд, образовавшаяся положительно заряженная частица за счет электростатического взаимодействия удерживается окисленной поверхностью оксида графита, что позволяет матрице из углеродсодержащего аэрогеля сорбировать большее количество доксорубицина в кислой среде.

Для подтверждения высказанного предположения были проведены эксперименты по определению дзета-потенциала водных растворов GO и доксорубицина при различных значениях рН (рис. 9).

Данные, представленные на рис. 9, подтверждают высказанное выше предположение о протонировании аминогрупп доксорубицина в кислой среде. Об этом свидетельствует появление положительного заряда на частицах антибиотика при уменьшении рН среды, дзета-потенциал доксорубицина достигает +5 мВ при рН 3. Отметим, что при уменьшении рН также происходит постепенное уменьшение отрицательного заряда на частицах GO (до –7 мВ при рН 3), однако наличие слегка уменьшенного отрицательного заряда на частицах аэрогеля не может препятствовать электростатическому взаимодействию с положительно заряженными частицами доксорубицина.

Наши результаты позволяют предложить полученные магнитные аэрогели для использования не только в качестве сорбентов доксорубицина из водных растворов, но и в качестве контейнеров для загрузки и доставки доксорубицина в опухолевые ткани. Известно, что pH злокачественных опухолей составляет $ \simeq {\kern 1pt} 5$, в результате проведенного исследования показано, что при таких значениях рН магнитный аэрогель будет эффективно сорбировать и удерживать лекарство, скоростью десорбции которого можно будет управлять при помощи локального изменения температуры, используя местный нагрев пораженных тканей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Синтезированы и изучены аэрогели на основе чистого оксида графита и нанокомпозитов GO с суперпарамагнитными наночастицами оксидов железа. Показано, что аэрогель, состоящий из чистого оксида графита, демонстрирует более эффективную сорбцию доксорубицина по сравнению с магнитным аэрогелем. Однако сорбент из чистого GO сложно удалять из реакционной среды после завершения процесса сорбции. Этих недостатков лишен магнитный аэрогель, который может быть легко извлечен из отработанного раствора при помощи внешнего магнитного поля. Процесс сорбции магнитным аэрогелем является экзотермическим: максимальная эффективность сорбции при 25°C составила 95%, при 40°C – 60%.

Установлено, что кинетическая кривая сорбции аэрогелей GO и GO/Fe₃O₄ выходит на насыщение и хорошо описывается уравнением кинетики псевдопервого порядка

где k – эффективная константа скорости; для чистого GO k = 0.042 ± 0.004 мин^–1, а для композита GO/Fe₃O₄k = 0.083 ± 0.018 мин^–1.

Полученные магнитные аэрогели могут быть использованы в качестве как сорбентов доксорубицина из водных растворов, так и контейнеров для загрузки и доставки доксорубицина в опухолевые ткани.