Магнитоуправляемые носители лекарственных средств

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ашрапова И.И. 1

---

1МБОУ "Школа "112"

Миргалеева Н.В. 1

---

1МБОУ "Школа №112" Авиастроительного района г.Казани

Работа в формате PDF

170.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Природа создала удивительные природные материалы, без которых невозможно представить этот мир, которые необходимы для жизни, а значит могут быть полезны людям. В курсе химии 8 класса мы начали знакомиться с различными классами веществ и их отдельными представителями. При изучении оксидов металловменяоченьзаинтересовал магнети́т (устаревший синоним — магни́тный железня́к [2]) FeO·Fe₂O₃ — широко распространённый минерал чёрного цвета из класса оксидов, природный оксид железа (II, III).

Данный минерал и его уникальные свойства давно известны человеку и широко применяются. Интересно, что магнетит используется для изготовления магнитных наночастиц. Одной из областей применения магнитных наночастиц в медицине является диагностика заболеваний человека и адресная доставка лекарств. Получение таких частиц и изучение их свойств – реальная помощь медикам! Планируя связать свою профессиональную деятельность с медициной, решила узнать больше про магнитные наночастнцы, получить их самой и изучить их свойства.

Целью данной работы было получить биополимерные частицы с магнетитом и изучить их свойства.

Задачи проекта:

1.изучить вопрос о магнетите и его использовании, в том числе в адресной доставке лекарств;

2.изучить методику и условия и получить полимерные сфер с магнетитными наночастицами внутри;

3.проанализировать качество полученных сфер.

Объект исследования: магнетит и природные полисахариды. Предмет исследования: влияния концентрации полиэлектролитов на формирование биополимерного носителя и подтверждение сохранения магнитных свойств магнетита внутри носителя.

Методы исследования: эксперимент- микроскопия и ИК-спектроскопия, наблюдение, описание.

Структура работы:

работа изложена на 15 страницах, содержит 5 рисунков. Состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованной литературы.

В первой главе рассмотрены понятия магнетит, магнитные наночастицы и их применение. Во второй главе описываются объекты исследования-альгинатнатрия, получение носителей магнетита и экспериментальные методы изучения полученных биополимерных носителей. Обсуждение результатов представлено в третьей главе работы. Здесь же рассматривается возможность использования результатов работы на метапредметных неделях в школе.

Глава 1. Литературный обзор

1. 1. Магнетит.

Магнетит — это минерал, представляющий собой смешанный оксид железа (Fe₃O₄), который является одним из основных природных магнитов. Его химическая формула также иногда записывается как FeO·Fe₂O₃, что подчеркивает наличие двух различных оксидов железа: оксида железа (II)- FeO и оксида железа III-Fe₂O₃.

Магнетит имеет широкий спектр применений благодаря своим уникальным свойствам, особенно сильным магнитным характеристикам. Вот основные области его использования:

1. Производство магнитов

Магнетит используется в производстве постоянных магнитов. Благодаря своей природной магнитности, он может применяться в различных технических устройствах, таких как электродвигатели, генераторы, трансформаторы и другие приборы, работающие на основе электромагнитных явлений.

2. Горная промышленность

Магнетит широко используется в горнодобывающей промышленности как сырье для получения железа. Он является важным источником железорудного сырья для черной металлургии.

4. Геология и палеомагнетизм

Изучение свойств магнетита помогает ученым реконструировать древние магнитные поля Земли. Палеомагнитные исследования позволяют определять возраст горных пород и изучать процессы тектоники плит.

5. Фильтрация воды

Мелкодисперсные частицы магнетита применяются в системах водоочистки для удаления тяжелых металлов и органических загрязнений из воды. Их легко извлекают после обработки благодаря магнитным свойствам.

6. Катализаторы

Магнетит может использоваться в химической промышленности как катализатор для различных реакций, таких как гидрогенизация углеводородов и синтез аммиака.

7. Компасы и навигация

Исторически магнетит был использован для создания первых компасов. Даже сегодня он находит применение в некоторых современных навигационных приборах.

8. Энергетика

Магнетит исследуется как материал для хранения энергии в виде суперконденсаторов и аккумуляторов нового поколения.

Таким образом, магнетит играет важную роль в различных отраслях промышленности и науки благодаря своему уникальному сочетанию физических и химических свойств.

1.2. Магнитные наночастицы.

Новым способом применения магнетита является получение магнитных наночастиц. Магни́тные наночасти́цы- объекты с размерами 1–100 нм, обладающие ярко выраженными магнитными свойствами, которыми можно управлять с помощью внешнего магнитного поля.

Несмотря на относительную молодость терминов «наночастицы», «наноструктуры», «нанотехнологии» и т. п., наноматериалы в форме нанодисперсных систем известны человечеству на протяжении нескольких тысячелетий (например, коллоидное золото стёкол для кубков и витражей). Магнитные наночастицы в природе существуют в виде включений в различных минералах и организмах (в бактериях, моллюсках, птицах, млекопитающих). Так, некоторые бактерии содержат цепочки из частиц Fe₂O₃ размером до 100 нм и используют их для направленного движения в магнитном поле Земли (магнитотаксис). Для материалов, состоящих из магнитных наночастиц, характерно явление суперпарамагнетизма. Наночастицы имеют магнитные моменты, которые в десятки тысяч раз превосходят магнитные моменты отдельного атома парамагнетика, тк их общая поверхность большая при собственных малых размерах.

Сейчас ученые пытаются разработать механизмы, которые позволяют лекарствам поступать непосредственно в определенную область человеческого тела. Например, если у кого-то рак печени и лекарство было разработано для борьбы с такой болезнью, лекарство можно прикрепить к наночастицам магнетита с помощью ряда методов, затем наномагнетит можно доставить непосредственно в печень, и лекарство может быть высвобождено. Носители лекарства, содержащие инкапсулированные наночастицы магнетита, как описано выше, могут использоваться для доставки лекарств в определенные места. Использование суперпарамагнитной намагниченности наночастиц магнетита позволяет осуществлять «магнитное перетаскивание» внутренних (присутствующих в кровотоке или в другом месте) наночастиц магнетита, несущих ДНК, ферменты, лекарства в целевые области. После перетаскивания в целевые области, магнитоцитолиз инкапсулированных наночастиц может высвобождать лекарства. Исследования в этом направлении в настоящее время интенсивно изучаются, поскольку потенциал для новых лекарств/лечения тяжелых заболеваний довольно велик.

1.3. Применение магнитных наночастиц (МНЧ)

Известно, что использование магнитных наночастиц (МНЧ) в технике и медицине, как правило, более эффективно, чем использование, например, сыпучих и других материалов.

Магнитные наночастицы применяют при создании:

-нанокомпозитных катализаторов,

-систем хранения данных,

-в качестве контрастных агентов в магниторезонансной томографии,

-для экологической реабилитации мест разлива нефтепродуктов;

-магнитные наночастицы являются важнейшим компонентом магнитных жидкостей, на основе которых разрабатываются уникальные методы магнитной гипертермии и управляемой магнитным полем локальной доставки лекарств, гормонов в требуемое место в необходимом объёме;

-магнитные наночастицы, покрытые биосовместимыми молекулами (декстран, поливиниловый спирт, фосфолипиды), к которым «пришиты» антитела к специфическим антигенам, используются в технологии магнитного разделения- сепарирования. Так, например, магнитные частицы, покрытые специальными агентами, могут быстро связываться с красными кровяными клетками, бактериями или раковыми клетками;

-используются для очистки и концентрирования биожидкостей, в частности клеток, ДНК, РНК, нуклеиновых кислот, пептидов [1–3], очистке воды [4, 5],

-применяются в различных областях химического анализа: в качестве сорбентов металлов и неметаллов, органических соединений, в пробоподготовке воды.

Одной из областей применения магнитных наночастиц в медицине является адресная доставка лекарств. К ее основным преимуществам относят возможность значительного уменьшения токсического действия лекарств на другие органы и системы организма, возможность направлять и удерживать в определенном месте наночастицы с лекарством при помощи магнитного поля, визуализировать их методами магнитно-резонансной томографии.

Важным свойством магнитных наночастиц является возможность осуществлять их локальный нагрев высокочастотным магнитным полем для запуска механизма высвобождения (десорбции/декапсулирования) лекарств.

1.4. Магнитные терапевтические наночастицы

Магнитные наночастицы могут стать решением для транспортировки лекарств в нужные области организма. Но из-за многочисленных внутренних и внеклеточных барьеров возникают сложности в проведении такой операции. Выход из этой проблемы — покрыть поверхность наночастиц материалами, приемлемыми для организма Различные неорганические и органические соединения используются для этой операции и облегчают процесс попадания магнитных наночастиц в организм. Благодаря поверхностной коррекции на магнитных наночастицах процесс загрузки и переноса соединений, таких как лекарства, будет происходить легче, а доставка в организм этих соединений будет более точной, а так же позволит снизить возможное токсическое воздействия магнитной фазы. Заключение магнетита в оболочку позволит повысить его физикохимическую устойчивость и создать условия для возможности иммобилизации на поверхности таких капсул или матриц лекарственных препаратов. Таким полимером может быть альгинат натрия.

1.5. Альгинат натрия

Альгинат натрия – производная альгиновой кислоты, полисахарид, который образует в воде коллоидные растворы. Альгиновая кислота представляет собой вязкое вещество, которое извлекается из красных, бурых и некоторых зелёных водорослей (в том числе из водорослей родов Laminaria и Agarum).

Альгиновая кислота – это гетерополимер, Химическая структура альгината натрия представлена на рисунке 1 (Приложение).

Альгинаты не усваиваются организмом человека и выходят через кишечный тракт. В желудке они разлагаются на альгиновую кислоту и почти полностью удаляются естественным образом. Эти вещества не токсичны и применяются как пищевые добавки. При смешивании водного раствора альгината натрия с растворами, содержащими ионы кальция (такими как хлорид кальция), образуется плохо растворимый гель альгината кальция. Это свойство альгинатов активно применяется для формирования искусственных клеток и микрокапсул, сферогелей, покрытий для лекарств, а также в производстве определенных пищевых продуктов, например, искусственной красной икры на основе альгинатов. Альгиновая кислота и её производные обладают кровоостанавливающими свойствами, что делает их полезными в терапии язвенных поражений ЖКТ. Эти соединения также способны снижать избыточную кислотность желудочного сока при приёме внутрь. Гели на основе альгината натрия способствуют уменьшению размеров раневых поверхностей и ускоряют процесс их заживления. Альгинаты находят применение и в системах направленной доставки лекарств различными путями введения в человеческий организм.

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Объекты исследования

Объектами исследования являлись природный полисахарид альгинат натрия (Alg-Na) с молекулярной массой М = 1.08 × 10⁵. В исследованиях использовали черный порошок оксида железа (магнетит) Fe₂O₃.

2.1.2 Получение носителей магнетита

Для получения сферогелей альгината кальция 2 мл 2%-ного водного раствора альгината натрия, содержащего магнетит определенной концентрации, добавляли капельно с помощью шприцевого насоса со скоростью подачи 0,2 мл/минв раствор хлорида кальция с концентрацией 0,1 моль/л и объемом 10 мл. Данная концентрация соли CaCl₂ была выбрана, исходя из опытных результатов, так как при меньших значениях концентрации (0,01, 0,05 моль/л) при получении сферогелей поверхность частиц альгината кальция имела рыхлую волокнистую структуру в виде толстых фибриллярных цепей с незначительной прочностью. Содержание магнетита (емкость загрузки) в частицах альгината натрия варьировали от 0,5 до 250 мг/г.

Полученные при заданных условиях сферические частицы имели средний диаметр 2,0±0,05 мм, были прозрачными и обладали плотной однородной структурой. Оптимальный размер сферогелей достигался при температуре растворения альгината натрия 40 °C и времени растворения 1-1,5 часа. После получения сферы несколько раз промывались холодной бидистиллированной водой (около 5 минут) и отправлялись на сушку при комнатной температуре в течение 24 часов.

2.2 Методы исследования

2.2.1 ИК-спектроскопия

Регистрация ИК-спектров осуществлялась на спектрометре (рисунок 2, приложение)

Исследуемые соединения выделяли из их растворов, высушивали и измельчали до тонких порошков массой 0,5-1 г. Порошки перемешивали с бромидом калия массой 100 мг и спрессовывали в тонкую пластину. Перед приготовлением таблеток бромид калия сушили в сушильном шкафу несколько часов при 150 – 160 ⁰C.

2.2.2 Микроскопия

Изучение структуры образцов, полученных в данной работе проводили на микроскопе (рисунок 3, приложение).

Для проведения микроскопических исследований образцы помещали на предметный столик и оценивали их структуру с помощью пропускания поляризованного света через образец (рисунок 4, приложение).

Глава 3. Обсуждение результатов

Современная медицина пробует совмещать диагностику и лечение заболеваний. Такой новый метод особенно полезен при создании систем для точной и адресной доставки высокотоксичных химиотерапевтических препаратов, антибиотиков и других мощных лекарств непосредственно к пораженным органам, поскольку они имеют узкое терапевтическое окно из-за своей токсичности, если принимать большую дозу одновременно.

В разработке находятся системы, способные обеспечивать необходимую концентрацию лекарственного средства именно в целевых органах. Магнетит используют для доставки лекарств благодаря его сильным магнитным свойствам. Но наночастицы магнетита могут объединяться и окисляться на воздухе, поэтому их стабилизируют веществами, такими как биополимеры, которые хорошо взаимодействуют с живыми тканями.

Наше исследование было посвящено использованию полисахарида — альгината натрия, который представляет собой доступный, нетоксичный и многофункциональный материал. Альгинат натрия характеризуется устойчивостью к высоким температурам и широко применяется в качестве носителя для различных лекарств, включая комбинации с наночастицами магнетита для иммобилизации ферментов. Учитывая значимость применения натуральных полимеров, таких как альгинат натрия, важно разработать методы внедрения наночастиц магнетита в такие материалы.

Взаимодействие альгината натрия и магнетита подтверждали данными ИК-спектроскопии (рисунок 5). На рисунке приведены три ИК-спектра. Первый спектр характерен для чистого магнетита (данные в литературе). Второй спектр описывает альгинат натрия, так же приводящийся в литературе. На спектре продукта взаимодействия альгината натрия и магнетита мы наблюдаем полосы поглощения, характерные как для альгината натрия, так и магнетита (577 см-1). Это доказывает, что частицы магнетита присутствуют в составе гелевых частиц.

Изначально методом подбора концентраций мы устанавливали оптимальную концентрацию хлорида кальция, для получения стабильных капсул в форме сферы. Первые попытки приводили к тому, что вместо сфер получались нити альгината, из-за его недостаточной концентрации. Полученные носители в виде сфер имели диаметр 2 миллиметра. На рисунке 4 (приложение) представлены микрофотографии гелевых носителей магнетита, представленных в форме сфер из альгината натрия. Изображение ясно демонстрирует, что эти частицы обладают сферической формой, а частицы магнетита внутри капсулы имеют размер в нанодиапазоне, что согласуется с результатами, представленными в литературе для Fe₃O₄ .

Поверхность сфер показала, что полученные капсулы обладают хорошей сферической формой с явно выраженной гофрированной и морщинистой структурой, содержащей несколько бороздок, что свидетельствует об успешной интеграции наночастиц оксида железа в полимерную матрицу. В то же время отсутствуют какие-либо признаки слипания частиц оксида железа в большие частицы, что подтверждает равномерное распределение наночастиц в альгинатной полимерной матрице.

Выводы

1.С целью получения инкапсулированных магнитных частиц для возможного использования в биомедицине были успешно синтезированы наночастицы альгината и магнетита.

2.Природа оксида железа (магнетит, Fe3O4) была подтверждена путем идентификации пиков в анализе инфракрасных спектров.

3.Размер полученных гелевых носителей составлял 2 мм. Материал продемонстрировал хорошую стабильность и устойчивость. Микроскопия позволила провести морфологический анализ материала, подтвердив ожидаемую почти сферическую форму наночастиц.

4.Хорошая намагниченность и суперпарамагнитный характер материала были подтверждены путем приложения магнитного поля неодимовым магнитом.

Использованная литература

1.Габриелян О.С. Химия. 8 класс: учебник /О.С. Габриелян.-М: Дрофа, 2018.- 287с.

2.Фримантл М. Химия в действии. В 2-х ч.: Пер с англ.-М.: Мир, 1991.-622 с.

Горшкова М.Ю. Полиэлектролитные комплексы полисахаридов: получение и свойства / М.Ю. Горшкова, И.Ф. Волкова, Э.С. Григорян // Известия уфимского научного центра РАН – 2018. – № 3. – C. 54-59.

3.Я познаю мир: Химия: Дет. энцикл./Авт.-сост. Л.А. Савина.-М.: ООО «Издательство АСТ»: ООО «Издательство «Астрель», 2002.-442 с.

4.Направленный транспорт лекарственных средств: от идеи до внедрения: учебно-методическое пособие / И.И. Кулакова [и др.]; ФГБОУ ВО Ряз ГМУ Минздрава России. – Рязань: ОТС и ОП, 2018. –104 с

4. Егунова О.Р., Константинова Т.А., Штыков С.Н. Магнитные наночастицы магнетита в разделении и концентрировании // Изв. Саратовск. ун-та. Новая серия. Серия Химия. Биология. Экология. 2014. Т. 14. Вып. 4. С. 27-35.

Приложение

Рисунок 1 – Химическая структура альгиновой кислоты

Рисунок 2 - ИК-спектрометр ALPHA-Т S/N 102706 («Bruker»)

Рисунок 3 – Лабораторный микроскоп Saike Digital SK2009U8

Рисунок 4- Микрофотографии сферогелей, содержащих магнетит, а-целая капсула, б- в разрезе

Рисунок 5 - ИК-спектр магнетита (1), альгината натрия (2) и комплекса альгинат натрия-магнетит (3)