CC BY
84
УДК 544.723
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА АДСОРБЦИИ ПРОТИВООПУХОЛЕВЫХ ЛЕКАРСТВ НА ЖЕЛЕЗОКАРБИДНЫХ НАНОЧАСТИЦАХ
А.И. Галанов, Т.А. Юрмазова, В.А. Митькина, |Г.Г. Савельев!, Н.А. Яворовский
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Установлено, что композиционные железокарбидные наночастицы имеют отрицательный заряд поверхности, значение £--потенциала составляет -71 мВ. Показано на примере противоопухолевых препаратов (доксорубицина, гемзара, циклофосфана, фторурацила) и красителей (метиленового голубого, эозина), что наночастицы эфективно сорбируют органические вещества, находящиеся в растворах в катионной форме. Установлено, что процессы адсорбции доксорубицина, гемзара и метиленового голубого происходят с образованием прочных хелатных адсорбционных комплексов с участием карбонильных и аминных групп органичеких катионов и свободных орбиталей d-подуровня железа.
Ключевые слова:
Адсорбция, железокарбидные наночастицы, ^-потенциал, доксорубицин, гемзар, фторурацил, циклофосфан, метиленовый голубой, эозин. Key words:
Adsorption, ferried-carbon nanoparticles, potential, doxorubicin, gemzar, fluorouracil cyclophosphamide? methylene? eosin.
Введение
Анализ опубликованных за последние годы работ по синтезу магнитных наночастиц показывает актуальность и практическую значимость этих объектов [1-5]. Адсорбционные процессы с использованием данного типа частиц привлекают внимание исследователей в связи с возможностью их использования в био- и медицинских технологиях [2-5] и в процессах водоочистки [6]. Это, прежде всего, связано с простотой технологии, доступностью аппаратуры, быстротой и экономичностью получения таких частиц как химическими, так и физическими методами. При этом в большинстве исследований внимание уделяется методам синтеза магнитных наночастиц и эффективности сорбционных процессов. Имеются лишь отрывочные сведения о факторах, влияющих на механизм адсобционного взаимодействия адсорбат-ад-сорбент [7, 8], в которых отсутствуют сведения о коллоидно-химических свойствах водных суспензий магнитных наночастиц, что является основным фактором, влияющим на процессы адсорбции в водных растворах [9].
В работах [10-12] была показана высокая эффективность электроэрозионных наночастиц в процессах водоочистки и получения эффективных противоопухолевых лекарственных форм [13, 14], сделаны предположения о механизмах адсорбции.
Целью настоящей работы является изучение структурно-морфологических (средний размер, площадь удельной поверхности, состав и структура частиц и функциональных групп на поверхности), сорбционных (степень заполнения поверхности, изотермы) и коллоидно-химических (^-потенциал) характеристик суспензий магнитных наночастиц на примере больших органических молекул, в том числе и некоторых лекарственных препаратов для обоснования предположений о механизмах сорбции.
Методика эксперимента
Образцы магнитных композиционных носителей были получены с помощью электроискрового диспергирования металлической загрузки в гекса-не. Методика импульсного диспергирования, схема установки, геометрия реактора подробно описаны в работах [10-12, 15]. Образцы получены при одинаковых электрофизических условиях: энергия импульса 0,5...1 Дж, подаваемое напряжение 500 В, частота следования импульсов 400 Гц, продолжительность импульса - 15 мкс. В качестве металлической загрузки применяли обломки стальных стружек, которые были предварительно очищены в растворе разбавленной соляной кислоты. В результате электроэрозии получалась суспензия. Для получения порошков суспензию центрифугировали, осадки высушивали при 60 °С и прокаливали при 150 °С. Фазовый состав образцов изучали с использованием рентгенофазового анализа (дифрактометр БЫ-шаёги ХКБ-6000, СиК„-излучение). Дополнительные сведения о фазовом составе образцов их морфологии, распределении частиц по размерам получали с помощью просвечивающей электронной микроскопии (микроскоп ЭМ-125). Площадь удельной поверхности образцов определяли согласно методу тепловой десорбции азота с использованием анализатора удельной поверхности БогЫ-ЗМ.
Значение заряда поверхности (^-потенциал) определяли с использованием метода движущейся границы [9] при напряженности постоянного электрического поля 5 В/м в 0,9 % растворе №С1. В качестве адсорбатов использовали:
1) противоопухолевые препараты - гидрохлорид доксорубицина (С27И29К011.ИС1), гидрохлорид гемцитабина (гемзар, С9ИиР2К304.ИС1), фторурацил (КаС4И3РК202], циклофосфан (С7И15С12К202Р);
2) катионный краситель (метиленовый голубой, С16Н18СМ38.ИС1);
3) анионный краситель (эозин, №2С20Н6О5Вг4).
При изучении адсорбционных свойств использовали статический метод сорбции из растворов. Адсорбцию проводили при 20 °С в течении 48 ч. Исходную и равновесную концентрации адсорбатов определяли фотометрически с использованием спектрофотометра Аре1 РБ-300ЦУ при аналитических длинах волн: для доксорубицина - 490 нм, гемзара - 270 нм, фторурацила - 265 нм, цикло-фосфана - 200 нм, метиленового голубого - 587 нм, эозина - 490 нм. По результатам исследований были получены изотермы адсорбции, определена максимальная сорбционная емкость А„ образцов и константа сорбционного равновесия К. Для оценки значения энергии активации адсорбции Еж на примере доксорубицина были измерены величины адсорбции А при 20, 30, 37 и 50 °С за одно и то же время - 30 мин при исходной концентрации адсорбата 100 мг/л. Значение энергии активации Еа оценивалось по уравнению Аррениуса в координатах 1пГадс -1/Т (Кщс - скорость адсорбции) при степени заполнения поверхности не более 10 %.
Для определения возможного характера взаимодействия препарата и носителя были записаны инфракрасные спектры диффузного отражения (ИКС) индивидуальных препаратов, исходных образцов носителей и образцов с адсорбированными веществами. Спектры были получены с использованием ИК-спектрометра МсоЫ 5700 в диапазоне 400...4000 см-1.
Для определения прочности адсорбционного поверхностных соединений были проведены эксперименты по десорбции адсорбатов. Для этого 100 мг высушенных образцов с адсорбированным веществами помещали в 50 мл в 0,9 % раствор хлорида натрия. Полученные суспензии термостатирова-ли при 37...60 °С в течении 5 сут, с периодичностью 2...3 ч, проводили фотометрическое определение адсорбатов в растворе. В качестве критерия оценки прочности адсорбированного комплекса количество десорбированого адсорбата в течение 2 ч.
Результаты и их обсуждение
1. Свойства адсорбента
Согласно ранее полученным данным [13, 14], используемый образец является многофазным композиционным материалом, включающим в свой состав фазы а-Бе (33 об. %), БеС (9,6 об. %) и Бе3С (54,3 об. %). Кроме того, по данным электронно-дифракционного анализа на поверхности частиц имеется фаза гексагонального графита. Размеры частиц по данным электронной микроскопии лежат в пределах 80...120 нм. Площадь удельной поверхности составляет 55 м2/г.
Исследование поверхности адсорбента методом ИКС показало, что прокаливание при 150 °С приводит к формированию поверхностных фаз оксидов железа. Это подтверждается наличием полосы поглощения в области 450...550 см-1 (рис. 1, а). Для непрогретого образца в данном диапазоне отсутствуют какие-либо характеристические полосы по-
глощения. Кроме того, поверхность образца гидра-тирована, о чем свидетельствует широкая полоса (3400...1900 см-1), характерная для поверхностных гидроксильных групп, формируемых при образовании координационных соединений с участием электроноакцепторных атомов металлов и молекул воды [16].
R. %
I . -Ч-.-1-1-1-1-1-,
3900 3400 2900 2400 1900 1400 900 400 t см 1
Рис. 1. ИК-спектры диффузного отражения: а) индивидуального нанопорошка прогретого при 60 °С (1), прогретого при 150 °С (2); б) доксорубицина (1), нанопорошка с адсорбированным доксорубицином (2); в) гемзара (1), нанопорошка с адсорбированным гемза-ром (2); г) метиленового голубого (1), нанопорошка с адсорбированным метиленовым голубым (2)
Определение электро-кинетического потенциала, проведенное в изоионном состоянии, то есть в условиях, когда равновесие определяется только диссоциацией воды и твёрдой фазы, показало, что частицы образца заряжены отрицательно, причём абсолютное значение ^-потенциала составляет -71 мВ (таблица). Необходимо отметить, что по данным фотометрического анализа с сульфосалицило-вой кислотой, проведенного по стандартной методике [17], в центрифугате водной суспензии отсутствуют ионы железа. В связи с этим, заряд поверхности и сорбционные свойства определяются процессами диссоциации или адсорбции поверхностных гидроксильных групп (подчёркнута твёрдая фаза):
ГеООИ^ГеОО-+И+ ГеООИ+ОИ^(ИО}_2ГеО--Ре-С-СООН^-Ре-С-СОО+Н+
Таблица. Сорбционные характеристики и заряд поверхности железокарбидных наночастиц (ЖКН)
.0 Сорбционные характе-
о ристики СП м
ес-го ^
Образец ат б р .0 о м к о м мк о нн а, вав ЬйЬ ц н те от
со д а м ш с-ЮШ Ко [=
г
ЖКН+Н+ 1 - - - -71*
ЖКН+доксорубицин 543 82,6 0,796 0 +22**
ЖКН+гемзар 282 416,6 0,0052 5,2 +34««
ЖКН+метиленовый голубой 319,5 115,0 0,11 0,45 +35**
ЖКН+эозин 486 0 - - -
ЖКН+фторурацил 130 0 - - -
ЖКН+циклофосфан 261 0 - - -
С27И29МОи-ИС15 сДиВДО^Иа?
ШсдомА?
С16Н18С1М38-ИС15 Ма2[С2„Н6О5Вг4]5
* В изоионном состоянии.
** Для максимальной степени заполнения адсорбатом.
2. Адсорбционные свойства
В соответствии со структурой используемых ад-сорбатов доксорубицин, гемзар и метиленовый голубой в водном растворе диссоциируют с образованием крупных органических катионов. Фторура-цил и эозин расторяются в воде с формированием органических анионов, а циклофосфан - электронейтральных молекул:
±[С27И29Ши]И++С1-^[С9И11Р2М3О4]И++С1-^а++[С4И3РМ2О2]-±[С16Н18СШ38]И++С1-±2Ма++[С2„Н6О5Вг4]2-
Из представленных в таблице адсорбционных данных видно, что для катионных адсорбатов характерны высокие значения сорбции. Электронейтральные и анионные формы адсорбатов не сорбируются. Таким образом, процессы адсорбции по значениям зарядов поверхности и органических ионов соответствуют электростатическому механизму.
При адсорбции катионных форм адсорбатов для установления адсорбционного равновесия требуется не менее 48 ч, что может быть связано с наличием диффузионного и кулоновского барьеров, возникающих при прохождении органических катионов через одноименно заряженный диффузный слой Гуи-Чепмена и/или с химическим превращением при хемосорбции. Экспериментальное значение энергии активации адсорбции составило 32 кДж/моль - значение промежуточное между энергией активации диффузионно лимитированного процесса (около 5...10 кДж/моль) и актива-ционного барьера хемосорбционных процессов
(который может составлять до 4„ кДж/моль - для адсорбции при комнатных температурах) [9, 18]. В связи с этим следует отметить, что отнесение экспериментальной Еа к определённой элементарной стадии в большинстве случаев некорректно в связи с трудностями её выделения.
При достижении максимального значения адсорбции для всех систем происходит изменение не только величины, но и знака ^-потенциала (таблица). Причиной переполюсовки может быть только адсорбция ионов по неэлектростатическому механизму (образование вандерваальсовых, водородных, ковалентных-обменных и ковалентных до-норно-акцепторных связей). В то же время вся совокупность данных свидетельствует об определяющей роли заряда поверхности в адсорбции, так как на отрицательно заряженной поверхности адсорбируются только катионные формы лекарственных препаратов и крупных органических молекул. О том же свидетельствуют косвенные данные, приведенные в работах [7, 8]. Действительно, эффективная сорбция доксорубицина (катион) наблюдается только при модификации феромагнитных частиц (Ре3О4, который обычно имеет положительный заряд поверхности) хлорид- или фосфат-ионами, которые, вероятно, измененяют положительный заряд поверхности на отрицательный.
Исследование равновесных характеристик сорбционных процессов показало, что изотермы для доксорубицина, гемзара и метиленового голубого имеют ленгмюровский характер (рис. 2). Изотермы такого типа наблюдаются в тех случаях, когда адсорбция обусловлена образованием химических соединений, либо ионным обменом [19]. Восходящий начальный участок на изотерме соответствует заполнению сильных активных центров. Разное количество сорбированного вещества может быть связано, как с размерами молекулы, о котором можно судить по молекулярной массе, приведённой в таблице, так и с различной природой и концентрацией активных центров.
Изучение прочности сорбционной связи показало, что для доксорубицина десорбция не наблюдается при 6„ °С в течении 2...3 ч. При увеличении времени десорбции свыше 24 ч в спектрах раствора отмечается появление слабой характеристической полосы доксорубицина, но содержание доксоруби-цина не превышало „,2...„,3 мкмоль/л, причем концентрация препарата не изменялась в течение последующих 72 ч. Это значение концентрации соответствует десорбции 1...2 % от первоначально адсорбированного доксорубицина.
Следует отметить, что при времени термостати-рования более 24 ч становится заметным процесс растворения самого носителя - степень растворения составила „,„5...„,1 %. Поэтому процесс выделения доксорубицина в жидкую фазу, возможно, связан не с адсорбционно-десорбционным равновесием, а с необратимыми процессами разрушения адсорбционных центров за счет частичного растворения носителя. Для метиленового голубого после термоста-
тировании в течение 2 ч концентрация адсорбата в растворе не превышала 0,10...0,11 мкмоль/л, что со-ответсвует десорбции 0,45...0,46 %. Для гемзара концентрация десорбированного вещества составила 43,2 мкмоль/л, что соответстветствует десорбции не более 5,2 %. Эти цифры согласуются со значениями констант сорбционного равновесия К (таблица), также являющимися характеристиками прочности сорбционной связи.
Рис. 2. Изотермы адсорбции: а) доксорубицина; б) гемзара; в) метиленового голубого
Изучение поверхностных соединений методом ИК-спектроскопии показало, что в адсорбированном состоянии адсорбаты сохраняют только характеристические полосы поглощения деформационных колебаний связи С-Н (группа полос в области 950...550 и 1020...1030 см-1). Отсутствие характеристических полос валентных колебаний карбонильных и амидных групп свидетельствует об их участии в образовании адсорбционной связи. Характерной особенностью ИК-спектров адсорбирован-
ных доксорубицина, гемзара и метиленового голубого является смещение широкой полосы в диапазоне 3500...2500 см-1 в длинноволновую область. Это соответствует формированию поверхностного хелатного комплекса [20]. Очевидно, образование продуктов взаимодействия нанопорошка с доксо-рубицином и гемзаром происходит по донорно-ак-цепторному механизму с участием неподеленной электронной пары карбонильного кислорода и связанного азота со свободными орбиталями 3ё-подуровня железа. Различная прочность сорбцион-ной связи с разными молекулами обусловлена различной дентантостью органических лигандов.
Таким образом, в случае адсорбции крупных органических ионов на заряженной поверхности, лимитирующей стадией является диффузия одноименно заряженных ионов к границе слоя Гуи: А+^А+г,
где А+ - органический катион, А+г - органический катион, находящийся в слое Гуи.
Энергия активации этой стадии слагается из энергии активации диффузии адсорбата и энергии кулоновского отталкивания в диффузном слое Гуи-Чепмена. Так что Еа1=ЕD+zF4~11 кДж/моль.
Вторая стадия (хемосорбция адсорбата) протекает быстро и практически необратимо: А+г+Х-=АХ.
Её энергия активации определяется образованием донорно-акцепторной связи. Так как переход электронной пары карбонильного кислорода и (или) аминогруппы на незанятую ^-орбиталь атома железа не требует энергии, то Еа определяется энергией десорбции молекулы воды.
Выводы
1. Поверхность железокарбидного адсорбента, синтезированного методом импульсной электроэрозии, при диспергировании железа в гек-сане, приобретает большой отрицательный заряд (значение ^-потенциала -11 мВ).
2. Показано, что на отрицательно заряженных же-лезокарбидных наночастицах адсорбируются только органические катионы. При этом происходит перезарядка поверхности, что указывает на наличие неэлектростатического механизма.
3. ИК-спектроскопические и адсорбционные данные указывают на донорно-акцепторное взаимодействие системы адсорбат-адсорбент.
4. Механизм адсорбции органических ионов может быть представлен последовательностью стадий: электростатического притяжения катиона и его донорно-акцепторного связывания. Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой
программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (ГК№ П270 от 23.07.2009 г.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ремпель А.А. Нанотехнологии, свойства и применение нано-структурных материалов // Успехи химии. - 2007. - Т. 75. -№ 5. - С. 474-500.
2. Duran J.D.G., Arias J.L., Gallardo V., Delgado A.V. Magnetic Colloids as Drug Vehicles // Journal of Pharmaceutical Sciences. -2008. - V. 97. - № 8. - P. 2948-2983.
3. Lu J., Liong M., Zink J.I., Tamanoi F. Mesoporous Silica Nanopar-ticles as a Delivery System for Hydrophobic Anticancer Drugs // Small. - 2007. - V. 3. - № 8. - P. 1341-1346.
4. Alexiou C., Arnold W, Hulin P., Klein R., Schmidt A., Bergemann C., Parak F.G. Therapeutic Efficacy of Ferrofluid Bound Anticancer Agent // Magnetohydrodynamics. - 2008. - № 37. - P. 318-322.
5. Arruebo M., Galan M., Navascues N., Tellez C., Marquina C., Ricardo I.M., Santamaria J. Development of magnetic nanostuctured silica-based materials as potential vectors for drug-delivery application // Chemical Materials. - 2006. - V. 18. - P. 1911-1919.
6. Goldberg S., Johnston C.T. Mechanisms of arsenic adsorption on amorphous oxides evaluated using macroscopic measurements, vi-brational spectroscopy, and surface complexation modeling // Journal of Colloid and Interface Science. - 2001. - V. 234. -Р. 204-216.
7. Беликов В.Г., Курегян А.Г. Получение продуктов взаимодействия магнетита с лекарственными веществами // Химико-фармацевтический журнал. - 2004. - Т. 38. - № 3. - С. 35-38.
8. Медведева Н.В., Ипатова О.М., Иванов Ю.Д., Дрожжин А.И., Арчаков А.И. Нанобиология и наномедицина // Биомедицинская химия. - 2006. - Т. 52. - № 6. - С. 529-546.
9. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсные системы). - М.: Химия, 1982. - 400 с.
10. Даниленко Н.Б., Савельев Г.Г., Яворовский Н.А. и др. Очистка воды от As(V) электроимпульсной обработкой активной металлической загрузки // Журнал прикладной химии. - 2005. -Т. 78. - № 10. - С. 1659-1663.
11. Даниленко Н.Б., Савельев Г.Г., Юрмазова Т.А., Яворов-ский Н.А. Химические реакции при действии импульсных электрических разрядов на активную металлическую загрузку
в растворе солей хрома (VI) // Журнал прикладной химии. -2007.- Т. 80. - № 1. - С. 88-93.
12. Даниленко Н.Б., Галанов А.И, Корнев Я.И. и др. Применение импульсных электрических разрядов в водных растворах для получения наноматералов и их использование для очистки воды // Нанотехника. - 2006. - № 4 (8). - С. 81-91.
13. Галанов А.И., Юрмазова Т.А., Савельев Г.Г. и др. Разработка магнитоуправляемой системы для доставки химиопрепаратов на основе наноразмерных частиц железа // Сибирский онкологический журнал. - 2008. - № 3 (27). - C. 50-57.
14. Юрмазова Т.А., Галанов А.И., Савельев Г.Г., Яворовский Н.А., Лобанова Г.Л., Митькина В.А. Магнитный носитель для доксо-рубицина и его химическая трансформация в модельных биологических жидкостях // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т. 314. - № 3. - С. 50-54.
15. Даниленко Н.Б., Савельев Г.Г., Яворовский Н.А, Юрмазова Т.А., Галанов А.И., Балухтин П.В. Изучение состава и кинетики образования продуктов эрозии металлической загрузки электроразрядного реактора // Журнал прикладной химии. -2005. - Т. 75. - № 9. - С. 1463-1468.
16. Болдырев А.И. Инфракрасные спектры минералов. - М.: Недра, 1976. - 199 с.
17. Лурье Ю. Ю., Рыбникова А.И. Химический анализ производственных сточных вод. - М.: Химия, 1974. - 354 с.
18. Дельмон Б. Кинетика гетерогенных реакций. - М.: Мир, 1972.- 556 с.
19. Сидорова М.П., Желдаков И.Л., Копал Л.К., Богданова Н.Ф., Ермакова Л.Э., Бобров П.В. Оксидные структуры на кремнеземных подложках: синтез и исследование коллоидно-химическими и физическими методами // Вестник С.-Петербургского университета. - 2005. - № 3. - С. 54-63.
20. Казицина Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии. - М.: Высшая школа, 1971. - 264 с.
Поступила 05.07.2010 г.
УДК 544.54:544.55
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОДИСПЕРСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ОКСИДОВ
Е.А. Гриняева, Б.Ш. Кочкоров, Д.В. Пономарев, Р.В. Сазонов, Г.Е. Холодная
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]; [email protected]
Представлены результаты исследования свойств композиционного наноразмерного порошка (TiO2)x(SiO2)1-x. Порошки синтезированы в цепном плазмохимическом процессе, инициируемом импульсным электронным пучком. Порошки (TiO2)x(SiO2)1-x состоят из частиц сферической формы диаметром 20...100 нм. Для всех композиционных порошков характерно наличие связи Si-O-Ti.
Ключевые слова:
Нанодисперсные оксиды, композиционный материал, цепной плазмохимический синтез. Key words:
Nanodispersed oxides, composition material, chain plasmachemical synthesis.
В настоящее время ведется поиск нового поколения катализаторов с высокой селективностью, которые эффективны под воздействием солнечного излучения в видимой области спектра. Наряду с
нанодисперсными ТЮ2 и 8Ю2 большой интерес представляет композиционный материал на их основе. Многие полезные качества ТЮ2, такие как фотокаталитическая активность, высокая отража-
