Высокодисперсные магнитные системы FeхOу-SiO2 для биомедицинского применения: синтез, функционализация поверхности и свойства

Синтез кремнезёмных композитов, в котором оксид металла внедрен в аморфную матрицу, вызывает интерес исследователей в настоящее время, так как позволяет получать материалы с контролируемым размером частиц и прогнозируемыми физико-химическими свойствами. Выбор в качестве допантов к мезопористому диоксиду кремния оксидов железа обусловлен их уникальными магнитными, оптическими и каталитическими свойствами.

Оксиды железа, особенно ферро- и ферримагнитные их модификации, являются важным классом материалов, которые широко используются в практике для создания магнитных приборов, сенсоров, в гетерогенном катализе и т.д. Несмотря на активное использование маггемита (γ-Fe₂O₃) в качестве базового материала для носителей магнитной памяти, не все особенности его магнитной структуры до конца изучены. Так, известно, что в зависимости от метода получения g-Fe₂O₃ возможна различная степень упорядоченности вакансий в узлах шпинельной решетки с сохранением фазы маггемита вплоть до ~ 500 °С. При температурах ≥ 527-627 °С (в зависимости от содержания примесей) происходит монотропный переход γ-Fe₂O₃ в гематит (α-Fe₂O₃). Работы, посвящённые изучению поведения магнитных кремнезёмных композитов в условиях высоких температур, в литературе встречаются редко.

Поэтому, целью исследования являлась разработка методов синтеза высокодисперсных термостабильных магнитоуправляемых систем γ-Fe₂O₃-SiO₂, а также способов функционализации и прививки к их поверхности лекарственных препаратов.

В ходе выполнения проекта были рассмотрены следующие способы получения магнитных систем γ-Fe₂O₃-SiO₂:

1. Соосаждение оксидов железа (III) и кремния в процессе гидротермального темплатного синтеза (образец A);

2. Внедрение наночастиц γ-Fe₂O₃ в кремнезёмную матрицу в процессе гидротермального темплатного синтеза SiO₂ (образец Б);

3. Постсинтетическая модификация поверхности SiO₂ (MCM-48) наночастицами γ-Fe₂O₃ (образец С)

В качестве кремнезёмной матрицы использовалось технология получения диоксида кремния с организованной структурой кремнезёмных каналов по типу MCM-48 как материала, имеющего в своём классе наиболее высокую удельную поверхность (~ 1700 м²/г) (рис.1).

Кремнезёмные композиты γ-Fe₂O₃-SiO₂ (рис.2), полученные различными способами, до и после высокотемпературной выдержки (при T=1000 ^oC в течение 3 часов) были исследованы методами рентгенофазового анализа (РФА), ИК-спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), низкотемпературной сорбцией азота и др. (табл. 1, рис. 3, 4).

Из рисунка 3 видно, что цвет образца А после высокотемпературной выдержки не меняется. По визуальным данным, а также данным РФА (рис. 4-слева, табл.1), в этом случае, определяется фаза маггемита (γ-Fe₂O₃). В образце Б после прокаливания при 1000 ^оС окраска образца частично изменяется, по данным РФА определяется смесь фаз маггемита и гематита. В образце В магнитная фаза γ-Fe₂O₃ полностью переходит в гематит (α-Fe₂O₃).

Исследование магнитных свойств подтвердило, что магнитные характеристики образца А после выдержки при T=1000 ^oC практически сохранились. Так, намагниченность насыщения снизилась от 15 emu/g до 12 emu/g. Изменение характера гистерезисных кривых при 4К свидетельствует об укрупнении частиц после высокотемпературного воздействия на этот материал.

Намагниченность насыщения образца Б снизилась ~ в 2,5 раза.

Образец В после высокотемпературной выдержки полностью утратил свои ферримагнитные свойства.

Таким образом, по результатам исследований был определен способ получения термически устойчивых магнитных материалов Fe₂O₃-SiO₂, которые практически сохраняют фазовый состав после выдержки их при температуре 1000 ^оС в течение 3 часов.

С каждым годом растет исследовательский интерес к применению магнитных высокодисперсных систем Fe₂O₃-SiO₂ в различных биомедицинских целях, в том числе, в качестве медиаторов гипертермии при лечении онкологических заболеваний и в диагностических процедурах. Биологическая и химическая инертность этих материалов, наличие свободных силанольных групп, позволяющих «пришивать» к поверхности различные функциональные фрагменты, а также магнитной составляющей, которая даёт возможность управлять процессом перемещения позволяет решить многие биотехнологические задачи, такие как разделение клеточных смесей, выделение антител, создание биосенсоров и биочипов, магнитно-резонансная томография и т.д. Пробуются такого рода материалы для адресной доставки лекарств.

Поэтому, были проведены работы по функционализации поверхности железооксидных кремнезёмных структур аминопропильными группами, а также исследована их сорбционная способность по отношению к альбумину и доксорубицину. Цитотоксичность магнитных композитов, нагруженных доксорубицином,  исследована на опухолевых линиях клеток человека: HCT 116 (колоректальная карцинома), MCF7 (аденокарцинома молочной железы). Наиболее выраженное цитотоксическое действие было отмечено для соединений А и А-NH₂ (с привитыми аминогруппами), нагруженных доксорубицином, полученных методом соконденсации в процессе темплатного гидротермального синтеза (рис. 5).

Рис. 1 – Микрофотография (СЭМ) диоксида кремния со структурой пор  MCM-48

Рис. 2 – Микрофотографии (СЭМ) образцов Fe2O3 – SiO2, полученных различными способами

Рис. 3 – Фотографии образцов Fe2O3 – SiO2, полученных различными способами до (слева) и после (справа) выдержки при температуре 1000оС в течение 3 часов

Таблица – Фазовый состав железооксидной компоненты образцов Fe2O3 – SiO2 с соотношением компонентов [Fe]:[Si] = 0,5, полученных различными способами

Рис. 4 – Ренгенограммы (слева), данные магнитных измерений (справа) образцов Fe2O3 – SiO2, полученных различными способами

Рис. 5 - Действие соединений в концентрации на клетки HCT 116 после 72 ч инкубации: а – контроль; б – соединение А; в – соединение А-NH₂. Фотографии получены с помощью оптического инвертированного микроскопа  Meiji Techno TC5200 (Япония) при 100-кратном увеличении.