Российские нанотехнологии, 2021, T. 16, № 4, стр. 535-544

ВВЕДЕНИЕ

Металл-органические координационные полимеры (МОКП) представляют собой класс перспективных пористых материалов с модульной структурой [1, 2]. Они состоят из ионов или кластеров металлов, называемых вторичными строительными блоками, которые соединяются друг с другом посредством органических молекул – линкеров [3, 4]. Большое количество органических и неорганических компонентов позволяет тонко настраивать физические и химические свойства получаемых МОКП, а также применять их в таких отраслях, как катализ [5, 6], хранение и разделение газов [7, 8], очистка сточных вод [9, 10] и биомедицина [11, 12]. Поскольку множество исследований посвящено развитию терапевтических и диагностических методов и адресной доставке лекарств, особое внимание уделяется поиску и изучению нетоксичных МОКП [12–14]. Такие материалы разлагаются в организме на эндогенные компоненты, высвобождая адсорбированные молекулы вроде биоактивных газов [15] или лекарств [16].

Отметим, что основными недостатками существующих технологий адресной доставки лекарств нанообъектами являются низкая эффективность загрузки и быстрое высвобождение препарата, адсорбированного на внешней поверхности носителя [13]. Поэтому одними из наиболее перспективных кандидатов в новый класс таких контейнеров являются пористые гибридные наноматериалы на основе МОКП. Они обладают возможностью тонкого “настраивания” структуры и пористости на молекулярном уровне и являются подходящими материалами для транспортировки биологически активных соединений [1]. В качестве примера можно привести применение MIL-88a для хранения и контролируемого высвобождения монооксида азота (NO) – важнейшего медиатора биологических процессов в организме человека [17]. Была показана возможность загружать в наночастицы MIL-88a противовирусные препараты для высокоактивной антиретровирусной терапии (цидофовир и трифосфата зидовудина) [13].

MIL-88a (MIL – Materials Institute Lavoisier или Материалы Института Лавуазье) является представителем нетоксичной разновидности МОКП, который имеет гибкий каркас, разлагается на эндогенные компоненты и имеет потенциальное применение в области медицинской визуализации, а также большую емкость для загрузки гостевыми молекулами [13, 18]. Его вторичные строительные блоки состоят из трех ионов железа со степенью окисления +3, имеющих октаэдрическое кислородное окружение. Один атом кислорода из этого окружения является общим для трех атомов железа, еще четыре принадлежат фумарат-ионам, соединяющим вторичные строительные блоки между собой, и последний принадлежит молекуле воды (рис. 1а) [19, 20]. Описанная выше структура формирует каркас, внутри которого находится система из связанных между собой микропор диаметром несколько нанометров (рис. 1б), способных накапливать гостевые молекулы, главным образом воду, и высвобождать их при повышении температуры (так называемый процесс активации) или при разложении каркаса.

Рис. 1.

Модель структуры MIL-88a: а – вторичный строительный блок с фумарат-ионами в качестве линкера; б – каркас, формирующий систему пор.

Для биомедицинских применений важно контролировать размер, форму и пористость получаемых частиц, но для большинства МОКП это трудновыполнимая задача [21]. Анализ предыдущих работ (табл. 1) показывает, что процесс кристаллизации MIL-88a сильно зависит от выбора растворителя. Например, синтез в диметилформамиде (ДМФА) приводит к формированию веретенообразных и алмазоподобных частиц [22, 23], тогда как синтез в воде приводит к формированию стержневидной морфологии [24]. Кроме того, водный синтез предпочтителен для биомедицинских применений, так как вода не является токсичным растворителем в отличие от органических растворителей. Поэтому важно научиться контролировать форму, размер и пористость частиц MIL-88a при синтезе в водных растворах.

Также на рост частиц влияют модуляторы [25–27], в роли которых могут выступать одноосновные карбоновые кислоты. Введение модуляторов в реакционную смесь приводит к конкуренции между молекулами линкера и модулятора за координацию ионов металлов. Такая конкуренция замедляет рост кристаллитов, что может приводить к формированию более крупных частиц с меньшим количеством дефектов. В [27] этот подход в сольвотермальном синтезе MIL-88a в ДМФА был применен с использованием уксусной кислоты в качестве модулятора.

Кроме того, на процесс кристаллизации может влиять метод синтеза. Микрофлюидный синтез МОКП является многообещающим методом ввиду более однородного и эффективного смешивания реактивов, а также возможности быстро менять температуру реакционной смеси [28, 29]. Адаптация микрофлюидных условий к получению МОКП потенциально может приводить к более тонкому контролю размера, формы и пористости получаемых кристаллитов. Тем не менее на данный момент опубликовано всего несколько работ, где такая адаптация была применена для MIL-88a [23, 30].

В настоящей работе представлен новый микрофлюидный синтез микрочастиц MIL-88a в водной среде при комнатной температуре.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В рамках развития подходов зеленой химии вода использована в качестве экологичного и нетоксичного растворителя. В качестве модулятора использована уксусная кислота в различных пропорциях для контроля процесса кристаллизации. Молярное соотношение растворов фумарата натрия и хлорида железа(III) во всех синтезах оставалось постоянным – 1 : 1. Все образцы обозначены в соответствии с молярным соотношением хлорид железа : фумарат натрия: уксусная кислота (табл. 2). Образец 233Ac-B был получен смешиванием реактивов в химическом стакане при комнатной температуре с использованием магнитной мешалки. Синтез образцов MIL-88a проводили при комнатной температуре (23–26°С) путем смешивания 100 мл водного раствора двузамещенного фумарата натрия с 100 мл водного раствора хлорида железа с концентрацией 40 ммоль/л. Модулятор предварительно добавляли к хлориду железа в различных пропорциях – от 0 до 2.33 молярных эквивалентов. Полученный осадок MIL-88a отделяли на центрифуге от продуктов реакции (10 мин, 15 000 об./мин), затем промывали деионизированной водой 16 ч, после чего высушивали при 60°С в течение 16 ч. Для точного поддержания заданной скорости потока реактивов использовали микрофлюидную установку с двумя шприцевыми насосами (рис. 2). Транспортировку реактивов осуществляли по системе из перфторалкоксидных трубок и переходников с внутренним диаметром 1 мм, тогда как смешивание происходило в Y-образном соединительном элементе. Поток каждого насоса поддерживался на уровне 100 мкл/с, и после смешивания двух реактивов суспензия перемещалась по трубке со скоростью 200 мкл/с. Для обеспечения постоянного перемешивания реактивов использовали 10-метровый виток трубок, после которого полученная суспензия MIL-88a попадала в емкость, откуда ее забирали для анализа.

Рис. 2.

Схематическое изображение микрофлюидного синтеза MIL-88a.

Шестиводный хлорид железа(III) FeCl₃ ⋅ 6Н₂О (Sigma-Aldrich, ≥98%), фумаровую кислоту C₄H₄O₄ (Alfa Aesar, 99%), ледяную уксусную кислоту C₂H₄O (PanReac AppliChem, 99.5%), гидроксид натрия NaOH (Alfa Aesar, 98%) использовали без дополнительной очистки. В качестве растворителя использовали деионизированную воду (18 МОм см), полученную с помощью системы очистки воды Simplicity UV. Фумарат натрия двузамещенный был получен в процессе взаимодействия водных растворов фумаровой кислоты и гидроксида натрия.

Фумарат натрия двузамещенный имеет значительно более высокую растворимость (22.8 г на 10 мл при 25°С) по сравнению с фумаровой кислотой (0.63 г на 100 мл при 25°С). Более того, в водной среде он полностью диссоциирует и обеспечивает фумарат-ионами формирование MIL-88a. Поэтому было решено использовать его вместо фумаровой кислоты, традиционно используемой для получения MIL-88a.

МЕТОДЫ ХАРАКТЕРИЗАЦИИ

Данные ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье записывали в диапазоне 400–3750 см^–1 на спектрометре FSM-1202 (Инфраспек, Россия) в режиме на просвет с разрешением 2 см^–1. Для этого синтезированный образец смешивали с сухим порошком бромида калия в массовом соотношении 1:100. Из 300 мг смеси формировали таблетку при помощи пресс-формы и лабораторного пресса. Для вычета фона использовали такую же таблетку, но из чистого бромида калия.

Для получения дифрактограмм синтезированных образцов использовали рентгеновский дифрактометр D2 Phaser (Bruker, Германия) с излучением CuK_α (λ = 1.54 Å). Измерения проводили на низкофоновой кювете с разрешением 0.05° шкалы 2θ в диапазоне 5°–40° со временем накопления 0.1 с на шаг.

Термогравиметрические кривые получены на приборе синхронного термического анализа STA 449 F5 Jupiter (Netzsch, Германия) во время нагрева образцов до 500°С со скоростью нагрева 5°С/мин. Измерения проводили в корундовом тигле при постоянном обдуве сухой смесью азота и кислорода с объемным соотношением 78:22.

Для определения формы и размера синтезированных кристаллитов на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) Tecnai G2 BioTwin (FEI Company, Netherlands) с ускоряющим напряжением 120 кВ получены снимки образцов.

Изотермы адсорбции азота измеряли на анализаторе пористости ASAP2020 (Micromeritics) при температуре –196°С. Перед измерением образцы проходили процедуру дегазации при 150°С в условиях динамического вакуума в течение 12 ч. Удельные площади поверхности были рассчитаны согласно модели БЭТ. Распределение пор по размерам рассчитано методом NLDFT согласно модели цилиндрических пор.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

ИК-спектры полученных образцов (рис. 3а) демонстрируют типичный для MIL-88a набор пиков поглощения [31]: колебания Fe–O при 570 см^–1, С=С при 981 см^–1, валентные колебания карбоксильной группы – симметричные при 1397 см^–1 и асимметричные при 1602 см^–1, а также колебания групп C=O при 1706 см^–1, C–O при 1284 см^–1 и широкая область O–H-колебаний несвязанных молекул воды в диапазоне от 2750 до 3750 см^–1.

Рис. 3.

ИК-спектры (а); дифрактограммы (б); термогравиметрические и ДСК-кривые образцов (в).

Для анализа набора пиков на дифрактограммах использовали структуру MIL-88a [32]. Согласно опубликованным кристаллографическим данным был рассчитан профиль порошковой рентгеновской дифракции MIL-88a, который затем сравнивали с дифрактограммами полученных образцов (рис. 3б). Позиции всех пиков экспериментальных дифрактограмм, даже наименее интенсивных, хорошо согласуются с позицией пиков теоретической дифрактограммы. Кроме того, установлено, что варьирование количества уксусной кислоты не влияет на профиль экспериментальных дифрактограмм. Наиболее интенсивными являются пики при 7.4° и 10.2° шкалы 2θ, которые соответствуют плоскостям отражения (100) и (101) соответственно. Замеченное изменение интенсивностей этих пиков может быть связано с изменением предпочтительной ориентации частиц MIL-88a.

Термогравиметрические и кривые дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) показаны на рис. 3в. Потеря массы каждого из образцов после разложения в потоке газовой смеси была пересчитана относительно Fe₂O₃, что приняли за 100%. Так как формула MIL-88a содержит три иона железа, в то время как оксид железа всего два, то количество получаемого оксида железа было умножено на 1.5. Первый этап потери массы при температурах ниже 150°C связан с процессом выхода растворителя из пор МОКП. Второй этап на термогравиметрических кривых связан с разложением каркаса. Наблюдаемая двухэтапная потеря массы в температурном диапазоне 300–500°С может быть связана с формированием и дальнейшим разложением оболочки из чистого углерода на поверхности Fe₂O₃, что согласуется данными [33]. Теоретическая потеря массы в соответствии с формулой MIL-88a Fe₃O(H₂O)₃(C₄H₂O₄)₃(C₂H₃O₂) должна составлять 62.5%. Экспериментальная потеря для образцов 20Ac, 50Ac и 233Ac довольно близка к этому значению и составляет соответственно 60.5, 61.2 и 60.7%, что несколько ниже теоретического значения. Это может быть связано с наличием таких дефектов структуры, как нехватка молекул линкеров в каркасе [34].

Просвечивающая электронная микроскопия 10Ac, 20Ac и 50Ac (рис. 4) демонстрирует стержневидную морфологию кристаллитов. Это соответствует данным [34] о синтезе MIL88a в воде (табл. 1). Отметим, что полученные кристаллы отличаются от ранее опубликованных данных меньшим размером, правильной формой и отсутствием заметной агрегации. Увеличение длины 1347 ± 146, 1369 ± 164, 1607 ± 204 нм, а также ширины 193 ± 30, 210 ± 38, 235 ± 32 нм кристаллитов 10Ac, 20Ac, 50Ac соотносится с увеличением количества уксусной кислоты. Это соответствует данным, полученным для других видов МОКП. Влияние модулятора на процесс роста кристалла можно объяснить следующими процессами. В первый момент в реакционной смеси ионы металла координируются анионами модулятора (в данном случае ацетат-ионами), который добавляют к соли металла перед введением дикарбонового линкера. Когда вводится последний, происходит обменная реакция, и в координационной сфере металла анионы модулятора замещаются анионами линкера. Это связано с тем, что линкер способен образовать в 2 раза больше ковалентных связей, чем модулятор, и его присоединение энергетически выгоднее. Таким образом, вместо прямого взаимодействия ионов металла с линкерами происходит обменный процесс. Это замедляет скорость роста кристаллов и приводит к увеличению их размеров. Эту тенденцию наблюдали и в случае синтеза MIL-88a c модулятором – уксусной кислотой. Увеличение концентрации модулятора приводит к увеличению размеров кристаллов. Отметим, что после достижения предельного соотношения с линкером модулятор может полностью блокировать рост кристаллов или значительно изменить свойства получаемого материала. Так, в случае образца 233Ac наблюдается примесь мелкой аморфной фракции на ПЭМ-изображениях. Крупные кристаллы также несколько отличаются от остальных образцов меньшим соотношением длина–ширина, что приближает их форму к веретенообразной. Согласно [26] формирование кристаллов MIL-88a проходит в две стадии. На первой образуются зародыши алмазо- или веретенообразной формы, затем они растут, образуя удлиненные кристаллы. По-видимому, высокая концентрация уксусной кислоты замедлила вторую стадию роста кристаллов и повлияла на морфологию частиц.

Рис. 4.

ПЭМ-изображения образцов.

Рис. 5.

Распределение размеров частиц, определенное по ПЭМ-избражениям.

Сравнение образцов, полученных в ходе микрофлюидного синтеза (например, 233Ас), с образцами, полученными методом осаждения в химическом стакане (233Ac-B), позволило выявить влияние условий получения MIL-88a на его морфологию и свойства. Электронная микроскопия образца 233Ас-В демонстрирует, что в результате преципитатного синтеза образуются стержневидные кристаллы разной длины с менее удлиненной по сравнению с образцами 10Ac, 20Ac и 50Ac морфологией. Таким образом сохраняется тенденция, замеченная в образце 233Ac – более высокая концентрация модулятора (уксусной кислоты) приводит к более медленному росту кристаллов с веретенообразной формой. Важно отметить, что влияние уксусной кислоты, как модулятора при микрофлюидном синтезе MIL-88a, выражено гораздо сильнее, что, несомненно, связано с принципиальной разницей качества перемешивания растворов реагирующих веществ. Поэтому именно более равномерное перемешивание достигается в микрофлюидной системе, в то время как стандартное перемешивание при помощи магнитной мешалки приводит к флуктуации градиента возможных концентраций и соотношений реагентов, что оказывает заметное влияние на условия синтеза и качество получаемого продукта.

Для идентификации влияния концентрации уксусной кислоты как модулятора при синтезе не только на форму и размер частиц, но и на пористость MIL-88a были проведены исследования методом БЭТ. Сравнение изотерм адсорбции азота образца 233Ac (рис. 6) с образцом, который был получен при меньших количествах модулятора (10Ac), а также с контрольным образцом без модулятора (0Ac) показало, что изотерма образца 233Ac значительно отличается от прочих. Формы изотерм 0Ac и 10Ac показывают, что они могут относиться к микропористым материалам, тогда как 233Ac – к непористым. Величины удельной площади поверхности образцов 0Ac, 10Ac и 233Ac соответственно равны 161, 241 и 219 м²/г. Тем не менее анализ формы изотермы адсорбции азота (рис. 6) показал, что в случае образца 233Ac внешняя поверхность кристаллов вносит основной вклад в значение удельной площади поверхности, в то время как для двух других образцов микропоры обеспечивали большую часть удельной поверхности (табл. 3). Также образец 10Ас имеет монодисперсное распределение ширины пор величиной 9 Å, что выгодно отличает его от прочих образцов с полидисперсным распределением ширины. Таким образом, добавка уксусной кислоты в ходе реакции влияет как на размер, так и на пористость получаемых материалов. Это также связано с уменьшением скорости роста кристаллов. Как было отмечено ранее, в первый момент металл связывается с модулятором, который далее заменяется на молекулы линкера. Это приводит к менее дефектным микропористым материалам. Быстрое формирование кристалла, как в случае образца 0Ac, может привести к недостатку линкеров в структуре и, как следствие, к объединению нескольких пор в одну дефектную полость. Это и наблюдается в случае образца 0Ac (рис. 6в). В то же время образец 10Ac демонстрирует узкий единственный пик на диаграмме распределения пор по размерам, что свидетельствует об отсутствии дефектов. Низкая пористость образца 233Ac также может быть отнесена к влиянию высокой концентрации модулятора, блокирующей вторую стадию роста кристалла. В результате полученные частицы не могут сорбировать азот.

Рис. 6.

Изотермы адсорбции азота синтезированных образцов (а). Заполненные маркеры обозначают ветви адсорбции, пустые – десорбции. Область низких давлений изотерм адсорбции азота образцов MIL-88a (б). Распределение пор по размерам, рассчитанное методом NLDFT; линейное представление уравнения БЭТ (в).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Определено влияние количества модулятора и микрофлюидных условий на форму, размер и пористость частиц, получаемых при комнатной температуре. По сравнению с синтезом без добавок (0Ac) добавление уксусной кислоты в реакционную смесь замедляет, но не препятствует росту кристаллов при низких концентрациях модулятора (10Ac, 20Ac, 50Ac) и приводит к блокированию роста и формированию аморфной наноразмерной фазы при высокой (233Ac) концентрации. В диапазоне низких концентраций наблюдается увеличение размеров кристаллитов с увеличением количества модулятора. Установлено, что оптимальная концентрация модулятора (0.1–0.5 эквивалентов) в условиях микрофлюидного синтеза позволяет сформировать стержневидные кристаллы MIL-88a правильной формы без значительной агрегации с узким распределением по размерам. Диапазон размеров таких кристаллов составляет 1.4–1.6 мкм в длину и 200 нм в ширину. При этом полученный образец 10Ac имеет монодисперсное распределение ширины пор, которая составляет 0.9 нм. При использовании концепции зеленой химии и благодаря тонкому контролю условий синтеза удалось добиться получения кристаллитов с наиболее подходящей для биомедицинских применений пористостью, что является отправной точкой для будущих исследований в области адресной доставки лекарств.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 19-73-10069).