Физика и химия стекла, 2019, T. 45, № 1, стр. 74-84

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей задачей современной медицины является снижение нежелательного побочного действия лекарственных препаратов на здоровые органы и ткани и уменьшение вредного воздействия на организм в целом [1]. В настоящее время активно используют различные наноструктурные материалы, позволяющие осуществлять направленную доставку лекарственных веществ (ЛВ) и их пролонгированное высвобождение в организме [2, 3].

Интерес к неорганическим материалам как носителям лекарственных препаратов возник не так давно. Первые результаты показали различные возможности их использования в биологии и медицине. Наиболее интересными неорганическими объектами, которые обладают потенциалом для разработки на их основе носителей ЛВ и систем адресной доставки, являются пористые материалы, в частности цеолиты. Пористая структура таких материалов позволяет осуществлять загрузку, транспортировку и эффективное высвобождение заключенных в них лекарственных веществ, обладая при этом биосовместимостью и биодоступностью [4, 5].

Одним из возможных способов создания систем адресной доставки ЛВ является разработка магнитоуправляемой системы доставки с использованием магнитных наночастиц. Магнитоуправляемые лекарственные формы, работающие по принципу лекарство–орган–мишень, могут позволить создать оптимальную концентрацию лекарства в зоне реализации лечебного эффекта и существенно снизить системную токсичность как за счет уменьшения общей дозы, так и за счет более продолжительного удержания в очаге поражения [6, 7]. Наиболее распространенным приемом придания магнитных свойств матрице-носителю ЛВ, является ее модифицирование наночастицами магнетита (HМ) F₃O₄. Установлено, что мелкодисперсный магнетит исчезает из кровяного русла через 1–6 ч после парентерального введения, распределяясь по другим органам и тканям, а затем полностью выводится из организма [8, 9].

В [10, 11]синтезированы магнитные композиты на основе цеолитов и наночастиц магнетита. Ранее [12, 13] рассмотрены различные варианты дизайна магнитных нанокомпозитов на основе цеолитов Beta и наночастиц магнетита. Установлено, что поверхностная модификация наночастиц катионным полимером полидиаллидиметиламмония хлоридом позволяет значительно увеличить количество магнетита, внедряемого в структуру цеолита (до 40 мас. % по сравнению с 2–10 мас. % для немодифицированных частиц), а также получить цеолиты содержащие наночастицы магнетита внутри структуры цеолита, а не на его поверхности. Такой подход является предпочтительным при получении магнитных нанокомпозитов на основе цеолитов для адресной доставки ЛВ, так как позволяет сохранить высокую сорбционную способность пористой матрицы-носителя.

В настоящей работе представлены результаты исследования полученных нанокомпозитов с магнитным ядром на основе цеолитов Beta. Проведены исследования магнитной восприимчивости и сорбционной способности по отношению к модельному лекарственному препарату. Исследование проведено с целью определения оптимального количества магнетита в структуре нанокомпозита, позволяющего получить материал, обладающий магнитными свойствами для осуществления доставки ЛВ и высокой сорбционной способностью для доставки максимального количества ЛВ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исходные вещества и реагенты. Для получения НМ и их поверхностно-модифицированных форм использовали реактивы – гексагидрат хлорида железа(III) (Химмед, “ч.”), гептагидрат сульфата железа(II) (Химмед, “ч.”), гидроксид натрия (Нева-Реактив, “ч. д. а.”), полидиаллидиметиламмония хлорид (20%, Mw = 100 000–200 000, Sigma-Aldrich). Для синтеза цеолитов использовали реактивы фирмы Sigma-Aldrich высокой степени чистоты – гидроксид калия (45 мас. %, водный раствор), гидроксид натрия (50 мас. %, водный раствор), гидроксид алюминия, силикатный золь (LUDOX HS-40, 40 мас. %), гидроксид тетраэтиламмония (35 мас. %, водный раствор), алюминат натрия (w, мас. %: 50–51 Al₂O₃; 40–45 Na₂O; 0.05 Fe₂O₃).

Дополнительную очистку реагентов не проводили. Для проведения экспериментов применяли деионизированную воду с удельной проводимостью не более 0.2 мкСм/см, прошедшую обработку в системе “Водолей” (НПП Химэлектроника).

Синтез поверхностно-модифицированных НМ (Fe₃O₄-PDDAC). НМ получали с использованием методики, описанной в [14]. Готовили 25 мл раствора, содержащего 50 ммоль FeCl₃ ⋅ 6H₂O и 98 ммоль FeSO₄ ⋅ 7H₂O. По каплям добавляли раствор 1 М NaOH вплоть до pH > 7. Раствор перемешивали при 75°С в течение 1 ч. Для получения поверхностно-модифицированных НМ к исходному раствору солей железа в соответствующих концентрациях добавляли 10 г раствора катионного полимера полидиаллидиметиламмония хлорид (PDDAC).

Полученные образцы Fe₃O₄-PDDAC собирали с помощью магнита, промывали дистиллированной водой, и сушили в термостате при 60°С в течение 24 ч.

Синтез нанокомпозитов Beta-Fe₃O₄. Допирование наночастицами проводили на стадии приготовления исходного геля для кристаллизации цеолита Beta следующего состава 1.97Na₂O ⋅ 1.0K₂O ⋅ 12.5(ТЕА)₂O ⋅ 1.0Al₂O₃ ⋅ 50SiO₂ ⋅ 750H₂O, где (ТЕА)₂O – оксид тетраэтиламмония. К приготовленному гелю добавляли НМ в количестве от 0.1 до 1 г, перемешивали до однородности, после чего осуществляли кристаллизацию полученных гелей в стальных автоклавах объемом 16 мл (коэффициент заполнения 0.7) при температуре 140°C в течение 48 ч.

С целью удаления остатков органических темплатов и модификаторов образцы подвергали ступенчатой термообработке – при 200 и 450°С с выдержкой в течение 2 ч на каждой ступени и скоростью нагревания 2°С/мин.

Получение H⁺-Beta-Fe₃O₄. Перед проведением исследований сорбционной способности образцы декатионировали путем обработки в 0.5 М растворе соляной кислоты в течении 10 мин. Затем образец промывали дистиллированной водой и сушили при 120°С в течение 8 ч.

Методы исследования. Рентгенофазовый анализ синтезированных образцов проводили с использованием порошкового дифрактометра D8-Advance (Bruker), CuK_α-излучение, в диапазоне углов 2θ = 5°–70°.

Морфологию образцов исследовали методом просвечивающей электронной микроскопии (ЭМ-125, U_уск = 75 кВ), и сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионным анализом с помощью растрового электронного микроскопа Tescan Vega 3 SBH. Образцы готовили с помощью метода напыления углеродных пленок.

Измерения методом ИК-спектроскопии поглощения проводили на Фурье-спектрофотометре FSM 1202 в спектральном диапазоне 450–4000 см^–1. Образцы готовили в виде таблеток, спресованных с KBr в вакууме.

Химический анализ образцов на содержание железа проводили методом атомно-адсорбционной спектроскопии в воздушно-ацетиленовом пламени при длине волны 248.4 нм с помощью атомно-адсорбционного спектрофотометра ICE-3000 SERIES.

Магнитные свойства синтезированных образцов были исследованы на установке, подробно описанной в работе [15]. Измерения проводили при температуре 24–25°C. На этой установке методом ЯМР измеряли индукцию B и напряженность H магнитного поля внутри образца, а намагниченность находили по формуле M = (B/µ₀) − H.

Исследования сорбционной способности синтезированных нанокомпозитов проводили по отношению к модельному лекарственному препарату – тиамину гидрохлориду (витамин B₁). Перед проведением процесса сорбции образцы H-Beta-Fe₃O₄ высушили при 100°С, 8 ч, с целью удаления молекулярной воды из пор композита. Образец (100 мг) добавляли к 20 мл водного раствора тиамина гидрохлорида с концентрацией 0.6 мг/мл и перемешивали в течение 1 ч при температуре 50°С. Суспензии фильтровали и определяли концентрацию тиамина в фильтрате с использованием спектроскопии поглощения в УФ области спектра (спектрофотометр LEKI SS2109UV) по величине оптической плотности при длине волны 242 нм. Концентрацию рассчитывали как среднюю арифметическую из трех измерений. Измерения проводили в кювете с длиной оптического пути 5 мм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты химического анализа образцов (табл. 1) показали, что получены нанокомпозиты с содержанием Fe₃O₄ в диапазоне от 10 до 32 мас. %.

Размеры частиц образцов по данным электронной микроскопии составили 100–200 нм (рис. 1). Исследования полученных нанокомпозитов методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии показали, что образцы имеют сферическую форму частиц, характерную для цеолитов Beta. На электронных микрофотографиях образцов цеолитов с содержанием Fe₃O₄ до 20 мас. % отдельные НМ не наблюдаются. В образцах с высоким содержанием НМ – 25–32 мас. %, вероятно присутствие отдельных НМ на поверхности частиц цеолита [12]. С целью оценки прочности закрепления модифицированных НМ на поверхности и внутри частиц цеолита проведили центрифугирование суспензий исследуемых образцов в течение 5 мин при 5000 g. После центрифугирования образцы с содержанием НМ до 25 мас. % представляли собой равномерно окрашенный серый однородный порошок без признаков расслоения.

Рис. 1.

Микрофотографии образца 2: ПЭМ (а) и СЭМ (б).

На рис. 2 представлены рентгеновские дифрактограммы образцов нанокомпозитов Beta-Fe₃O₄ с различным содержанием магнетита. С увеличением содержания магнетита положения основных пиков, характерных для цеолита Beta, сохраняются, что свидетельствует о том, что кристаллическая структура остается неизменной. С увеличением содержания Fe₃O₄ на дифрактограммах наблюдается снижение интенсивности пиков цеолита.

Рис. 2.

Рентгеновские дифрактограммы синтезированных образцов с различным содержанием магнетита, мас. %: 0 (а), 10.4 (б), 12.8 (в), 18.2 (г), 25.6 (д), 29.4 (e), 31.6 (ж). ⚪, ▲ – штрих-диаграммы стандартов Beta и Fe₃O₄ соответственно.

На рис. 3 приведены результаты энерго-дисперсионного анализа образца Beta-Fe₃O₄ № 6. На поверхности образца обнаружено около 1.4 мас. % железа, что соответствует содержанию приблизительно 1.9 мас. % Fe₃O₄. По данным атомно-адсорбционной микроскопии общее содержание магнетита в образце составляет 31.6 мас. %. По-видимому, основная часть магнетита находится внутри цеолитной матрицы.

Рис. 3.

EDX-спектр образца Beta-Fe₃O₄ № 6.

На рис. 4 представлены ИК-спектры исследуемых образцов Beta-Fe₃O₄. Видны характерные для цеолитов полосы поглощения, находящиеся в диапазоне 200–1300 см^–1, которые отвечают колебаниям тетраэдров TO₄ (T = Si⁴⁺, Al³⁺) в каркасе цеолита [14]. Полоса поглощения в области 1250 см^–1 обусловлена валентными колебаниями T–O. Следующая по интенсивности полоса 400–500 см^–1 может быть отнесена к деформационным колебаниям первичных структурных единиц (TO₄). В образцах ярко выражена полоса с максимумом 545–550 см^–1, что соответствует спектрам цеолитов, в каркас структур которых входят сдвоенные 4- и 6-членные кольца [16, 17]. Валентным колебаниям с участием тетраэдров TO₄ отвечают полосы поглощения в области 650–820 см^–1.

Рис. 4.

ИК-спектры образцов Beta-Fe₃O₄ с различным содержанием магнетита, мас. %: 0 (а), 12.8 (б), 18.2 (в), 25.6 (г), 31.6 (д).

Отличительной особенностью спектров поглощения образцов Beta-Fe₃O₄ является наличие трех полос, не присутствующих в спектре исходного цеолита Beta – с максимумами поглощения в областях 1173, 1350 и 1486 см^–1. Полоса с максимумом поглощения в области 1350 см^–1 характерна и для спектра поглощения образцов Fe₃O₄-PDDAC (рис. 5) и, по-видимому, соответствует деформационным колебаниям связи С–H [16], обусловленной модифицированием поверхности магнетита PDDAC, т. к. для немодифицированного магнетита она не характерна [19]. Наличие полос с максимумами поглощения в области 1173 и 1486 см^–1 (не характерны для исходного цеолита, и магнетита), может свидетельствовать об образовании химической связи между модифицированным магнетитом и цеолитом, или об изменении валентных колебаний связи T–O вследствие присутствия магнетита в структуре цеолита. Наличие полосы поглощения в области 1350 см^–1 в спектрах образцов Beta-Fe₃O₄ свидетельствует о том, что органический модификатор не был удален после термической обработки образцов при 450°С, что, также косвенно, подтверждает предположение о возникновении химических связей между PDDAC-Fe₃O₄ наночастицами и цеолитом.

Рис. 5.

ИК-спектр образца Fe₃O₄-PDDAC.

На рис. 6 представлены результаты исследования магнитных свойств образцов Beta-Fe₃O₄ с различным содержанием магнетита.

Рис. 6.

Зависимость намагниченности образцов от напряженности поля: Fe₃O₄ (а), Beta-Fe₃O₄ (б).

Результаты исследования показали, что значения намагниченности (M) магнетита (рис. 6, а) значительно больше, чем у образцов Beta-Fe₃O₄ (рис. 6, б). У образцов Beta-Fe₃O₄ наблюдается снижение насыщения уровня намагниченности вблизи насыщения по сравнению с магнетитом и достигает 10 раз. Введение большего количества магнетита в цеолитную матрицу нецелесообразно, т. к. по данным ранее проведенного исследования [10], увеличение содержания магнетита, вводимого методом допирования исходных цеолитных гелей выше 25%, приводит к возрастанию количества отдельных частиц магнетита в конечном продукте.

Наблюдаемое снижение намагниченности, по-видимому, связано с возникновением химических связей между магнетитом и цеолитом. В результате, происходит нарушение обменного взаимодействия между спинами магнетита.

Это предположение подтверждается результатами исследования магнитных свойств образцов, полученных механическим смешением НМ и цеолита. Были получены образцы с содержанием Fe₃O₄ 20, 40 и 50 мас. %. Результаты исследования показывают (рис. 7), что величина намагниченности таких образцов выше, чем у образцов нанокомпозитов Beta-Fe₃O₄. Снижение намагниченности относительно образца Fe₃O₄ коррелирует с уменьшением содержания магнетита в образцах.

Рис. 7.

Зависимость намагниченности образцов, полученных механическим смешением наночастиц магнетита и цеолита Beta от напряженности поля.

На рис. 8 представлены результаты адсорбции тиамина гидрохлорида исследуемыми образцами. Максимальная сорбционная емкость цеолита Beta составляет 0.6 мг/г и может быть достигнута за 1.5 ч обработки. Сорбционная емкость образцов с различным содержанием магнетита совпадает со значениями сорбционной емкости для цеолита Beta в пределах погрешности. Это свидетельствует о том, что модифицирование цеолита Beta наночастицами не приводит к снижению его сорбционной способности.

Рис. 8.

Кинетические кривые адсорбции тиамина гидрохлорида образцами Beta и Beta-Fe₃O₄.

Исследования магнитных свойств показали, что намагниченность у образцов Beta-Fe₃O₄ практически не зависит от содержания в них магнетита (рис. 6, б). Намагниченность смеси цеолита и магнетита линейно возрастает в диапазоне 20–50 мас. % магнетита (рис. 7). Сорбционная способность полученных образцов, также находится приблизительно на одном уровне. По-видимому, увеличение содержания магнетита выше 10–12 мас. % нецелесообразно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования нанокомпозитов, полученных методом гидротермальной кристаллизации цеолитов Beta из гелей с добавками поверхностно-модифицированного магнетита, показали, что синтезированные образцы обладают магнитной восприимчивостью и высокой сорбционной способностью, сравнимой с сорбционной способностью исходного цеолита. Значения намагниченности образцов нанокомпозитов значительно ниже, чем у образцов магнетита и образцов, полученных простым механическим смешением цеолита Beta и наночастиц магнетита. Установлено, что повысить магнитную восприимчивость полученных композитов путем дополнительного введения магнетита невозможно, т.к. оболочка цеолита, вероятно, влияет на обменное взаимодействие спинов магнетита, находящегося внутри цеолита.

Учитывая результаты исследования сорбционных свойств и магнитной восприимчивости полученных нанокомпозитов, оптимальным содержанием Fe₃O₄ в образцах следует считать 10–12 мас. %.

Авторы выражают благодарность с.н.с. ИХС РАН, к.х.н. Л.Н. Куриленко за проведение химического анализа образцов и инженеру Санкт-Петербургского технологического института (Технического университета) А.В. Горюнову за проведение измерений методом сканирующей электронной микроскопии.